Drei potenzielle Vorteile des Wasserstoff-Lkw-Verkehrs - und was nötig ist, um sie zu nutzen

80 % des weltweiten Energiebedarfs werden derzeit durch fossile Brennstoffe wie Benzin, Diesel, Flugzeugtreibstoff, Kerosin und Bunkeröl gedeckt, die große Mengen an Kohlendioxid und anderen schädlichen Schadstoffen in die Atmosphäre pumpen. Die Elektrifizierung und der Ausbau der emissionsfreien Elektrizität werden eine entscheidende Rolle bei der Dekarbonisierung spielen, aber einige wichtige Branchen sind nur schwer zu elektrifizieren. Der Fernverkehr und die Schwerlasttransporte gehören dazu. 

In den USA entfallen fast die Hälfte des landesweiten Verbrauchs an kohlenstoffemittierendem Dieselkraftstoff und etwa 13 % der Treibhausgasemissionen des US-Verkehrs auf den Schwerlastverkehr im Langstreckenverkehr. Leider handelt es sich bei dieser Art von Lkw - ähnlich wie bei der Schifffahrt und der Luftfahrt - um ein Endprodukt, bei dem es aufgrund des Fahrzeuggewichts und des Energiebedarfs schwierig sein kann, den Kohlenstoffausstoß allein mit Bordbatterien zu senken. 

CO2-freie kraftstoffe wie emissionsarmer Wasserstoff, der keinen Kohlenstoff enthält und kein Kohlendioxid erzeugt, wenn er verbrannt oder in einer Brennstoffzelle verwendet wird, kann eine wertvolle Rolle bei der Dekarbonisierung schwer zu elektrifizierender Systeme spielen, sofern der Wasserstoff auf eine Weise hergestellt wird, die die Treibhausgasemissionen minimiert. So müssen beispielsweise Produktionsanlagen, die Wasserstoff durch die Reformierung von Erdgas herstellen, mit CO2-abscheidung Systemen ausgestattet sein, und das von diesen Anlagen verwendete Erdgas muss aus Anlagen stammen, die alle verfügbaren Maßnahmen zur Verringerung der Methanemissionen getroffen haben.   

Die letztendlichen Kosten für den Betrieb der Wasserstoffwirtschaft werden ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Bestimmung ihrer Nützlichkeit spielen, und es gibt derzeit Bemühungen, das gesamte Spektrum der mit wasserstoffbetriebenen, brennstoffzellenbetriebenen Lkw verbundenen Kosten zu prognostizieren und zu ermitteln, wie diese Kosten im Vergleich zu denen von batteriebetriebenen und mit fossilen Brennstoffen betriebenen Systemen aussehen. Die bisherigen Forschungsergebnisse deuten auf sehr unterschiedliche Ergebnisse hin, die auf Annahmen in Bezug auf vorgelagerte Faktoren wie Kraftstoffherstellung und Transport beruhen. Für den Fernverkehr wurde jedoch in einem neuen, erstmaligen Bericht ( CATF ) die Betriebsleistung von wasserstoff- und batterieelektrisch betriebenen Lkw verglichen und mehrere Vorteile von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw und der Betankungsinfrastruktur ermittelt, die zu einer schnellen und effizienten Dekarbonisierung dieses Sektors beitragen könnten.  

1. Wasserstoffbetriebene Schwerlastkraftwagen müssen weniger oft anhalten und benötigen insgesamt weniger Zeit zum Tanken 

Zur Veranschaulichung wurde in dem Bericht die Leistung von batterieelektrischen (BEV) und wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen-Lkw (FCEV) und deren Infrastruktur als Alternative zu Diesel-Lkw auf einer beliebten Langstreckenroute in den USA simuliert. Außerdem wurde davon ausgegangen, dass die Energie, die für den Antrieb der BEV und FCEV verwendet wird, keine oder nur sehr geringe Treibhausgasemissionen verursacht, und dass alle Fahrzeuge ein für diese Art von Fahrten typisches Gewicht haben (ein 80.000 lb Class 8 Truck).  

Einer der ersten Vorteile bei diesem Vergleich ist, dass das FCEV im Verlauf der Fahrt weniger Stopps einlegen musste als das BEV. Aufgrund seiner geringeren Reichweite musste der BEV-Lkw insgesamt 8 Stopps einlegen, bei denen erhebliche Teile seiner Batterie (50 - 98 %) aufgeladen werden mussten. Im Vergleich dazu benötigte das FCEV drei Stopps, wobei in der Regel drei Viertel des Tanks aufgefüllt werden mussten, und der Dieselantrieb benötigte nur einen Stopp. 

Ein zweiter und entscheidenderer Vorteil ist, dass das FCEV während der gesamten Fahrt weniger Zeit zum Tanken benötigte. Diese Betankung oder Verweilzeit war beim BEV wesentlich länger, da jeder Halt zum Aufladen Stunden dauert. Wenn man den Ladezustand bei jedem Halt berücksichtigt und über die gesamte Strecke summiert, ergibt sich für das BEV eine Ladezeit von 43 Stunden und 48 Minuten. Das ist die Zeit, in der die Waren nicht bewegt werden, was sich negativ auf die Lieferzeiten und den gesamten Flottenbetrieb auswirken kann. Im Gegensatz dazu beträgt die Gesamtbetankungszeit für das FCEV eine Stunde und 24 Minuten, etwa eine Stunde länger als beim Dieselantrieb. 

2. Wasserstoffbetriebene Schwerlastkraftwagen könnten mehr Platz für Ladung haben 

Ein weiterer wichtiger Vorteil des FCEV-Lkw ist, dass er mehr Ladung transportieren kann. Dies liegt daran, dass die für das BEV erforderliche 1000-kWh-Batterie einen Verlust von 4.000 bis 20.000 Pfund an Ladekapazität verursachen kann. Der Verlust an Ladekapazität wirkt sich nachweislich auf den Flottenbetrieb aus und kann in einigen Fällen den Einsatz eines zusätzlichen BEV-Lkw im Vergleich zu einem FCEV-Lkw erforderlich machen, um alle Waren auszuliefern. 

Um das klarzustellen: Der FCEV-Lkw hat auch eine Batterie, aber sie ist nur 20 kWh groß und wird nur für begrenzte Zwecke verwendet (z. B. Bergauffahren, plötzliche Beschleunigung, Ausnutzung der regenerativen Bremskraft). Die 20-kWh-Batterie bringt zwar zusätzliches Gewicht mit sich, führt aber nur zu einem Verlust an Ladekapazität von einigen hundert Pfund im Vergleich zu einem Diesel-Lkw. Verschiedene FCEV-Konstruktionen können sich für eine etwas größere Batterie entscheiden, möglicherweise bis zu 100 kWh, aber da Wasserstoff als Hauptenergiequelle fungiert, dürfte das Gewicht der Batterie für FCEVs kein großes Problem darstellen.    

3. Die Betankungsinfrastruktur für wasserstoffbetriebene Schwerlastkraftwagen könnte einfacher zu bauen sein 

Der Bericht verglich auch den Bedarf der einzelnen Lkw-Typen an Lade-/Betankungsinfrastruktur entlang derselben Strecke, indem er den Lkw-Verkehr rund um die Uhr für zwei Szenarien simulierte, bei denen entweder BEVs oder FCEVs 100 % der Lkw auf der Straße ausmachen. Insgesamt wurde festgestellt, dass der Aufbau einer Ladeinfrastruktur für BEVs wahrscheinlich eine größere Anzahl oder viel größere Stationen erfordert, um die Nachfrage zu befriedigen, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass BEVs häufiger aufgeladen werden müssen und ihre Verweil- oder Ladezeit länger ist. Der Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur wird ebenfalls eine Herausforderung sein, hat aber den Vorteil, dass sie in Bezug auf Größe und Anzahl der Stationen vergleichbar ist und im Vergleich zur Dieselbetankungstechnologie mit den Abläufen vertraut ist, was möglicherweise weniger Hindernisse für den Übergang darstellt. 

Gibt es eine Zukunft für schwere Wasserstoff-Lkw? 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass FCEVs BEVs in Bezug auf die Anzahl der erforderlichen Stopps (drei gegenüber acht), die Gesamtzeit für das Betanken (1,4 Stunden gegenüber 43,8 Stunden) und den verfügbaren Laderaum (unter Berücksichtigung des Gewichts des Antriebsstrangs) übertreffen. Darüber hinaus könnte sich der Aufbau der Lade- und Betankungsinfrastruktur für BEVs und FCEVs als ebenso schwierig erweisen, wobei die FCEV-Stationen aufgrund der Reichweite der FCEV-Fahrzeuge und der kurzen Betankungszeiten weniger Platz beanspruchen und wahrscheinlich nicht so zahlreich sein müssen.      

Bedeutet das also, dass die Zukunft der Langstrecken- und Schwerlastwagenflotte aus Wasserstoff-Lkw besteht? Nicht unbedingt. Es gibt noch einige Dinge, die vor einer solchen Veränderung geschehen müssen. 

1. Wir brauchen Mittel für Forschung und Entwicklung, um sicherzustellen, dass Wasserstoff-Lkw genauso effizient oder effizienter sind als Diesel-Lkw mit hohem Schadstoffausstoß. Wir brauchen auch mehr Forschung und Entwicklung, um Tankzeiten zu erreichen, die denen von Dieselfahrzeugen entsprechen, sowie eine Verringerung des Gewichts der Antriebskomponenten, um mögliche Einschränkungen der Ladekapazität zu minimieren.  

2. Wir müssen besser verstehen, wie sich eine Umstellung auf das Endergebnis der Lkw-Fahrer und Spediteure auswirken würde. In diesem Bericht wurden die Gesamtbetriebskosten für keinen der beiden alternativen Antriebe bewertet, eine Analyse, die wahrscheinlich andere wichtige Hürden aufzeigen würde, z. B. wie sich die Kosten für die Herstellung, den Transport und die Abgabe von Wasserstoff auf die Betriebskosten der Flotte auswirken könnten. 

3. Wir müssen die emissionsarme Wasserstoffwirtschaft weiter ausbauen und das Potenzial von CO2-freie kraftstoffe voll ausschöpfen, unter anderem durch: 

• Entwicklung von Verbindungsinfrastrukturen wie speziellen Wasserstoffpipelines, um der wachsenden Marktnachfrage vorzugreifen und Versorgungsengpässe zu vermeiden; 
• Kommerzialisierung der Produktion von Wasserstoff als kohlenstofffreiem Brennstoff in großem Maßstab in den USA durch Maßnahmen wie das Regional Clean Hydrogen Hubs Programm; und 
• Entwicklung von Wasserstoffversorgungsketten, die die Emissionen bei der Produktion minimieren oder eliminieren. 

Batterieelektrische Lkw werden wahrscheinlich eine wichtige Rolle beim Übergang zu emissionsfreien Fahrzeugen spielen, aber angesichts der Ungewissheit über die künftige technologische Zusammensetzung eines dekarbonisierten Transportsektors ist die Nutzung der Vorzüge sowohl der BEV-Technologie als auch der Wasserstoff-FCEVs eine wichtige Strategie für eine schnelle und effiziente Dekarbonisierung des schweren Fernverkehrs. 

Lesen Sie den Bericht, Zero Emission Long-Haul Heavy-Duty Truckingfür eine detaillierte Beschreibung der Forschungsmethoden und -ergebnisse.