Warum die Zukunft des Schwerlastverkehrs im Fernverkehr wahrscheinlich aus viel Wasserstoff besteht
Die klimakrise verlangt, dass wir unsere globalen Transportsysteme dekarbonisieren. Um diese Anforderung zu erfüllen, lautet die angebliche Lösung seit geraumer Zeit "alles elektrifizieren". Sowohl technische Experten als auch die klimabegeisterte Öffentlichkeit propagieren seit langem die Idee, dass die Zukunft aus sauberer Elektrizität bestehen 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 hoffnungsvolle 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 haben sogar eine Batterie), aber aufgrund ihres Wasserstoffspeichers an Bord haben Brennstoffzellen-Lkw eine viel größere Reichweite, benötigen weniger Stopps auf langen Strecken, können viel schneller betankt werden und können mehr Ladung transportieren. 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 dieselbetriebenen Fahrzeugen, ohne die schädlichen Emissionen.
Bevor wir unsere Analyse der technischen und betrieblichen Vorzüge von Wasserstoff-Brennstoffzellen im Vergleich zu batterieelektrischen Antriebskonfigurationen erörtern, sei darauf hingewiesen, dass die Gesamtbetriebskosten (TCO) ein wichtiger Parameter sind, der berücksichtigt werden muss, auch wenn er nicht im Mittelpunkt unserer Modellierung stand. Dies ist ein aktiver Diskussionsbereich, und nicht alle neueren Analysen kommen zu demselben Ergebnis. So untersuchte das ICCT einige Elemente der TCO, in erster Linie Komponenten- und Kraftstoffkosten, und kam zu dem Schluss, dass die Betriebskosten von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen hoch genug bleiben, um die Marktdurchdringung zu beeinträchtigen. Andererseits kam ein kürzlich veröffentlichtes Papier des NREL zu dem gegenteiligen Schluss, dass ein batterieelektrischer, schwerer Langstrecken-Lkw (750 Meilen Reichweite, Mehrschichtbetrieb, gewichtsbegrenzter Klasse-8-Schlafwagen) höhere Gesamtbetriebskosten haben wird als sein Wasserstoff-Gegenstück, obwohl der Wasserstoffpreis hoch bleibt und Brennstoffzellen im Vergleich zu Batterien einen etwas geringeren Wirkungsgrad haben. Dies ist in erster Linie auf die Investitionskosten für eine größere Batterie und eine längere durchschnittliche Verweilzeit zurückzuführen, was wiederum Geld kostet. Wir sind uns bewusst, dass dies eine ungelöste Debatte ist. In dieser Arbeit betrachten wir daher eine andere Dimension der Technologie, nämlich die Betriebsleistung - ein Aspekt, der bisher nicht annähernd so genau untersucht wurde wie die TCO - und kommen zu dem Ergebnis, dass Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge einige entscheidende Vorteile gegenüber batterieelektrischen Konfigurationen für den Langstrecken-Schwerlastverkehr haben.
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 das batterieelektrische Pendant benötigt wird. Überlandfahrten können aufgrund der geringeren Verweilzeit und der geringeren Anzahl von Stopps bis zu 35 % weniger Zeit in Anspruch nehmen. Dies dürfte die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw zu einer attraktiven Option für Unternehmen machen, die Waren effizient im ganzen Land transportieren müssen.
Der zweite Grund ist, dass wasserstoff- und brennstoffzellenbetriebene Lkw auch in Bezug auf die Ladekapazität einen Vorteil gegenüber Elektro-Lkw haben. Die für einen Langstrecken-Lkw erforderliche Batterie mit 1 bis 2 MWh ist viel schwerer als ein voller Dieseltank oder eine Brennstoffzellenkonfiguration, die in der Regel nur eine kleine Batterie mit 20 bis 100 kWh benötigt, um den Wasserstoff zu ergänzen. Meine Analyse zeigt, dass, wenn man von einem Lkw der Klasse 8 mit einem Höchstgewicht von 80.000 Pfund ausgeht und eine Batteriemasse von 4 kg/kWh annimmt (was bei Personenkraftwagen bereits erreicht wurde, aber für die großen Batterien, die in schweren Lkw benötigt werden, und die dazugehörigen Kühlsysteme noch nicht bewiesen ist). Ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug verliert etwa 500 Pfund an Ladekapazität, während ein batterieelektrisches Fahrzeug im Vergleich zu heutigen Diesel-Lkw potenziell etwa 4.000 Pfund einbüßen würde. Wenn wir nicht relativ bald zu einer 4 kg/kWh-Batterie kommen, müssen wir kurzfristig mit einem größeren Verlust an Ladekapazität von 8.000 bis 15.000 Pfund bei einer batterieelektrischen Konfiguration rechnen. Die kleinere Batterie, die in der Wasserstoff-Brennstoffzellenkonfiguration verwendet wird, würde in diesem Fall auch mehr wiegen, aber selbst im schlimmsten Fall würde sie nur etwa 1.000 Pfund an Ladekapazität verlieren. Alles in allem kommen Unternehmen, die Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw einsetzen, im Durchschnitt in den Genuss der meisten Vorteile, die sich aus der Verringerung der Emissionen ergeben, ohne dass sie auf einen Großteil des benötigten Laderaums verzichten müssen. Ihre Ladekapazität wäre sogar mit der der derzeitigen Dieselflotten vergleichbar.
Der dritte Grund, warum Wasserstoff-Brennstoffzellen für den Langstrecken-Lkw-Verkehr sinnvoller sein könnten, ist die Flexibilität. Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge 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 ist es auch erwähnenswert, dass die potenziellen Vorteile von schweren Lkw mit Wasserstoff-Brennstoffzellen nicht auf die Leistung oder die Kosten des einzelnen Lkw beschränkt sind. Unsere Analyse, die von einer 100-prozentigen Marktdurchdringung emissionsfreier Fahrzeuge ausgeht (entweder mit Brennstoffzellen- oder mit Elektroantrieb) und von Lkw, die 24 Stunden am Tag, sieben Tage die Woche im Einsatz sind, hat gezeigt, dass die erforderliche Infrastruktur für das Szenario mit Elektroantrieb sehr robust sein müsste, was die Größe der Ladestationen und den Leistungsbedarf angeht. Konkret liegt die für große Ladestationen für Langstrecken-Lkw erforderliche elektrische Infrastruktur im Bereich von 22 bis 28 MW, und im Vergleich zu Dieselfahrzeugen müssten diese Ladestationen etwa zehnmal so groß sein, um den für Lkw, die stundenlang laden, erforderlichen Platz zu bieten. Andererseits ist die entsprechende Infrastruktur für das Szenario mit ausschließlich Wasserstoff-Brennstoffzellen vergleichsweise ähnlich und etwa dreimal so groß wie eine typische Dieseltankstelle, obwohl eine Wasserstofftankstelle, die 20-25 Tonnen Wasserstoff pro Tag ausgibt, teurer und komplexer wäre. Der größte Teil der größeren Grundfläche würde für die Unterbringung von Wasserstofftanks und Kompressoren in sicherer Entfernung von den Zapfsäulen und anderen Einrichtungen benötigt. Um es klar zu sagen: Diese Zahlen sind keine Projektion des Infrastrukturbedarfs in einigen Jahren; sie dienen vielmehr als Schätzung der oberen Grenze der Belastung der Verkehrsinfrastruktur in der Mitte des Jahrhunderts, wenn alle Diesel-Lkw auf der Straße durch Wasserstoff-Brennstoffzellen- oder Batterie-Elektrofahrzeuge ersetzt würden.
Es gibt Anwendungen, bei denen batterieelektrische Lkw sinnvoller sind als ihre Pendants mit Wasserstoff-Brennstoffzellen. Für kürzere Fahrten, z. B. für regionale Lieferungen über 400 Meilen hin und zurück, oder für kleinere Lkw ist ein batterieelektrischer Lkw einem Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug überlegen. 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. Speziell für schwere Langstrecken-Lkw, die 49 % des gesamten Dieselkraftstoffs im US-Frachtverkehr verbrauchen und für rund 13 % der Treibhausgasemissionen des Verkehrssektors verantwortlich sind, d. h. 211 Millionen TonnenCO2epro Jahr, 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 auf einen bestimmten Kraftstoff zu verlagern, 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.