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Sattelschlepper auf einer Landstraße

Warum die Zukunft des schweren Fernlastverkehrs wahrscheinlich viel Wasserstoff enthält

Mai 21, 2021

Die Klimakrise erfordert die Dekarbonisierung unserer globalen Verkehrssysteme. Um diese Anforderung zu erfüllen, lautet die angebliche Lösung seit einiger Zeit "alles elektrifizieren". Sowohl technische Experten als auch die klimabegeisterte Öffentlichkeit propagieren seit langem die Idee, dass die Zukunft eine saubere Elektrizität sein wird, die so gut wie alle Aspekte unseres Lebens versorgt. Und ich habe mich darauf eingelassen ... zumindest eine Zeit lang. Erst als ich anfing, mich mit den Details der Herausforderungen zu befassen, die der Einbau einer Batterie in ein Auto, einen Lastwagen oder ein Containerschiff mit sich bringt, wurde mir klar, dass die Dinge viel komplizierter sind, als wenn man sich an das erstrebenswerte Motto hält.

Um es klar zu sagen: Batterien werden für bestimmte Bereiche des Lkw-Verkehrs wahrscheinlich sehr sinnvoll sein. In der Tat haben bekannte Unternehmen im Bereich der Elektrofahrzeuge wie Tesla ein Produkt am Horizont, das für mittlere Strecken mit einer Reichweite von 300 bis 500 Meilen gedacht ist. Speziell für Langstrecken gibt es jedoch eine Technologie, die für diese Aufgabe besser geeignet ist - die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Brennstoffzellen-Lkw nutzen den gleichen elektrischen Antriebsstrang wie Batterie-Lkw (und verfügen sogar über eine Batterie), haben aber aufgrund ihres eingebauten Wasserstoffspeichers eine viel größere Reichweite, benötigen weniger Stopps auf langen Strecken, können viel schneller betankt werden und haben ein geringeres Risiko, Ladungskapazität zu verlieren. Ein weiteres großes Unternehmen, Daimler, arbeitet aktiv an dieser Antriebstechnologie und testet derzeit ein neues Produkt mit einer Reichweite von 1000 km oder mehr. Kurz gesagt, Brennstoffzellen-Lkw haben viele der Vorteile von Dieselfahrzeugen, ohne die schädlichen Emissionen.

Das alte Sprichwort, dass Zeit Geld ist, gilt besonders im Güterverkehr. Nach dem Kraftstoff sind die Arbeitskosten der teuerste Teil des Budgets eines Speditionsunternehmens. Die Nichteinhaltung von Lieferterminen kann je nach Vertragsklausel auch zu Vertragsstrafen für das Unternehmen führen. Der erste Grund, warum ein großer Teil des Langstrecken-Schwerlastverkehrs auf Wasserstoff-Brennstoffzellen basieren wird, ist also der Zeitfaktor. Ein Langstrecken-Lkw der Klasse 8 mit einem 100-kg-Wasserstofftank kann etwa 15-mal schneller betankt werden als eine 1-2-MWh-Batterie, die für ein batterieelektrisches Pendant benötigt wird. Überlandfahrten können aufgrund der geringeren Verweilzeit und der geringeren Anzahl der erforderlichen Stopps bis zu 35 % weniger Zeit in Anspruch nehmen. Dies dürfte den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw für Unternehmen, die ihre Waren effizient durch das ganze Land transportieren müssen, noch attraktiver machen.

Der zweite Grund ist, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen auch in Bezug auf die Ladekapazität einen Vorteil gegenüber Elektro-Lkw haben. Die für einen Langstrecken-Lkw erforderliche Batterie von 1 bis 2 MWh ist viel schwerer als ein voller Dieseltank oder eine Brennstoffzellenkonfiguration, die in der Regel nur eine kleine Batterie von 20 bis 100 kWh benötigt, um den Wasserstoff zu ergänzen. Meine Analyse zeigt, dass ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug, wenn man von einem LKW der Klasse 8 mit einem Höchstgewicht von 80.000 Pfund ausgeht und eine Batteriemasse von 4 kg/kWh annimmt (ein Wert, der bei Personenkraftwagen erreicht wurde, aber für die großen Batterien, die in schweren LKWs benötigt werden, und die dazugehörigen Kühlsysteme noch nicht bewiesen ist), etwa 1.000 Pfund an Ladekapazität verliert, während ein batterieelektrisches Fahrzeug im Vergleich zu heutigen Diesel-LKWs möglicherweise etwa 5.000 Pfund verlieren würde. Wenn wir nicht relativ bald zu einer 4 kg/kWh-Batterie kommen, müssen wir kurzfristig mit einem größeren Verlust an Ladekapazität von 10.000 bis 15.000 Pfund bei der batterieelektrischen Konfiguration rechnen. Die kleinere Batterie, die in der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Konfiguration verwendet wird, würde in diesem Fall auch mehr wiegen, aber selbst im schlimmsten Fall würde sie nur etwa 2.000 Pfund an Ladekapazität verlieren. Alles in allem kommen Unternehmen, die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw einsetzen, in den Genuss aller Vorteile, die sich aus der Verringerung der Emissionen ergeben, ohne dass sie auf einen großen Teil des benötigten Laderaums verzichten müssen. Ihre Ladekapazität wäre sogar mit der der derzeitigen Dieselflotte vergleichbar.

Der dritte Grund, warum Wasserstoff-Brennstoffzellen für den Langstrecken-Lkw-Verkehr sinnvoller sein könnten, ist die Flexibilität. Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge haben eine größere Reichweite als ihre elektrischen Pendants, die voraussichtlich die doppelte Anzahl von Meilen pro voller Ladung/Tank erreichen. Eine vollelektrische Flotte könnte viele regionale Ladungen abwickeln, indem sie entlang einer Speiche zu und von einem Knotenpunkt fährt, aber ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug könnte sowohl regionale Lieferungen abwickeln als auch längere Strecken mit wenig Zeitaufwand für das Auftanken zurücklegen. Ein flexiblerer Fuhrpark kann dem Unternehmen mehr einbringen.

Schließlich sind die Gesamtbetriebskosten (TCO) für Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw niedriger. Obwohl der Wasserstoffpreis und der etwas geringere Wirkungsgrad im Vergleich zu batterieelektrischen Lkw zu höheren relativen Kraftstoffkosten für die Wasserstoff-Brennstoffzellenkonfiguration führen könnten, kommt das NREL in einer vorläufigen Analyse zu dem Schluss, dass ein batterieelektrischer schwerer Langstrecken-Lkw höhere Gesamtbetriebskosten aufweist als sein Pendant mit Wasserstoffantrieb. Dies ist in erster Linie auf die Investitionskosten für eine größere Batterie zurückzuführen. Das batterieelektrische Fahrzeug hat auch eine längere durchschnittliche Verweildauer - wie oben erwähnt - was Geld kostet. Zusammengenommen kommt NREL zu dem Schluss, dass die TCO für einen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw im Fernverkehr (Mehrschichtbetrieb, gewichtsbegrenzter Klasse-8-Schlafwagen) im Jahr 2025 um 15-25 % niedriger liegen. In Anbetracht ihrer Auswirkungen auf die Transportkosten sind die TCO einer der wichtigsten Parameter für Frachtunternehmen und Endnutzer gleichermaßen, was die Wasserstoff-Brennstoffzelle zu einer attraktiven Wahl macht.

Es ist auch erwähnenswert, dass die potenziellen Vorteile von schweren Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw nicht nur auf die Leistung oder die Kosten der einzelnen Lkw beschränkt sind. Einige "Back of the Envelope"-Analysen haben gezeigt, dass die erforderliche Infrastruktur für eine vollelektrische Lkw-Flotte in Bezug auf die Größe, die Anzahl und den Leistungsbedarf der Ladestationen sehr robust sein müsste. Konkret könnte die für große Ladestationen für Langstrecken-Lkw erforderliche elektrische Infrastruktur jeweils 20 bis 25 MW betragen, und im Vergleich zu Dieselfahrzeugen müssten diese Stationen drei- bis viermal so groß sein oder in ähnlicher Größe, aber an etwa achtmal so vielen Standorten errichtet werden. Auf der anderen Seite würde die entsprechende Infrastruktur für Wasserstoff einen ähnlichen Platzbedarf haben wie für Diesel, obwohl die Stationen teurer und komplexer wären.

Nun gibt es einige Anwendungen, bei denen der Einsatz von batterieelektrischen Lkw im Vergleich zu Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen sinnvoll ist. Bei kürzeren Fahrten, z. B. bei regionalen Lieferungen über 400 Meilen hin und zurück, oder bei kleineren Lkw sind die Gesamtbetriebskosten für einen batterieelektrischen Lkw mit denen von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen vergleichbar. Auch die Ladeinfrastruktur ist weiter entwickelt, billiger und weniger komplex als bei Wasserstofftankstellen, und der TRL-Wert (Technology Readiness Level) ist bei Elektroantrieben höher, da die Technologie schon länger auf dem Markt ist. Für den Langstreckenbetrieb schwerer Lkw - der in den USA immer noch 40 % der Lkw-Routen ausmacht, 75 % des gesamten Dieselkraftstoffs im Lkw-Verkehr verbraucht (29 Milliarden Gallonen Diesel, 3,9 Quads) und für etwa 17 % der Treibhausgasemissionen des Verkehrssektors bzw. 330 Mio. TonnenCO2 pro Jahr verantwortlich ist - wird die Zukunft jedoch wahrscheinlich viel Wasserstoff beinhalten.

Meines Erachtens ist es jetzt nicht an der Zeit, sich auf einen einzigen Energieträger für den Verkehr festzulegen. Für den Lkw-Verkehr scheint Wasserstoff einige bedeutende Vorteile zu haben, also sollten wir mit dem Aufbau dieser Infrastruktur in Schlüsselregionen und entlang wichtiger Strecken beginnen. Gleichzeitig sollten wir leistungsstarke Ladestationen entwickeln, die batteriebetriebene schwere Lkw unterstützen und Hochgeschwindigkeitsladungen ermöglichen, um die Verweilzeiten zu verkürzen. Kurz gesagt, anstatt alles zu elektrifizieren oder alles mit dem Kraftstoff Ihrer Wahl zu betreiben, sollten wir die notwendige Technologie und Infrastruktur entwickeln und sie dann für die entsprechende Anwendung nutzen - einschließlich der Vorteile von Wasserstoff für den Langstreckenbetrieb schwerer Lkw. Auf diese Weise können wir die Verbreitung sauberer Energie im Verkehrssektor beschleunigen und dazu beitragen, unsere Klimaziele zu erreichen und unsere Zukunft zu sichern.

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