Wasserstoff in der Verkehrswende: Wo kann grüner Wasserstoff sinnvoll eingesetzt werden und was sind die aktuelle Hindernisse und Chancen.
Von Andreas Huke
Transport und Logistik haben laut Climate Watch mit 16,2% einen großen Anteil an den weltweiten CO2-Emissionen. Deshalb rückt jetzt die grüne Logistik in den Fokus, die mit umweltfreundlichen Technologien die Emissionen der Branche senken soll. Dabei wird grüner Wasserstoff eine große Rolle spielen. Ein Überblick über Hindernisse, Chancen und den aktuellen Stand.
Der Güterverkehr in Deutschland
Die Hauptaufgabe der Logistikbranche ist die Beförderung, der Umschlag und die Lagerung von Waren. In Deutschland ist sie nach Automobilwirtschaft und Handel der größte Wirtschaftsbereich. Zu den Dienstleistern im Bereich Logistik gehören:
- Transportunternehmen
- Speditionen
- Paketzustelldienste
- Lieferdienste
- Kurierdienste
- die Bahn
- die Flugbranche
- der Schiffsverkehr
Schwere LKW sind die größten Umweltsünder
In Deutschland werden über 80 Prozent aller Güter auf der Straße transportiert, nur ein kleiner Teil entfällt auf die Schiene und die Binnenschifffahrt. Die Straße ist für die Logistikbranche nach wie vor der flexibelste Weg, Güter zu transportieren – Tendenz steigend. Doch gerade schwere LKW tragen einen großen Teil zum CO2-Außstoß im Verkehr bei. Der gesamte Straßengüterverkehr in Deutschland verursacht jährlich etwa 50 Megatonnen CO2. Die Hälfte davon erzeugen die etwa 250.000 schweren Lkw mit einem Gewicht über 26 Tonnen. Deshalb gerät die Branche mehr und mehr unter Druck, klimafreundlicher zu werden. Seit 2019 ist die Mautgebühr für LKW in Deutschland teilweise auch vom Lärmpotenzial und der Schadstoffklasse eines Fahrzeuges abhängig. Zusätzlich fällt die Gebühr jetzt auch auf Bundes- und Landstraßen an. Außerdem ist aktuell ein vom CO2-Ausstoß abhängiger Aufschlag im Gespräch. Geht es nach Bundesverkehrsminister Scheuer, könnte dieser Aufschlag schon ab 2023 erhoben werden. Inzwischen gibt es in vielen Städten Einfahrverbote und Umweltzonen, um Lärm und Stickoxide zu reduzieren.
Elektroantriebe: Gut für kleinere LKW geeignet
Für Transportunternehmen steigt damit der Anreiz, sich für umweltfreundlichere Nutzfahrzeuge zu entscheiden. Auch die Hersteller stehen unter Druck, Alternativen zu Benzin und Diesel zu entwickeln. Denn sie müssen nach neuen EU-Vorgaben die Durchschnitts-Emissionen ihrer Flotten bis 2025 um 15 Prozent, bis 2030 um 30 Prozent senken. Ansonsten drohen ihnen hohe Strafzahlungen. Der Wechsel zu umweltfreundlichen Antrieben ist am schnellsten bei kleineren Fahrzeugen mit bis zu 2,8 Tonnen Nutzlast möglich. Sie werden vor allem von Handwerksbetrieben und von Kurier- und Paketdiensten genutzt, die meist regional oder innerhalb von Städten unterwegs sind. Solche Fahrzeuge müssen nur überschaubare Reichweiten zurücklegen und eignen sich damit gut für Elektroantriebe. Ein Beispiel ist die deutsche Post, die den Elektro-LKW Streetscooter im Zustelldienst einsetzt. Amazon will seine Pakete künftig mit den elektrischen Lieferwagen des Herstellers Rivian ausliefern.
Elektroantriebe im Schwerlastverkehr
Bei größeren Fahrzeugen ab 7,5 Tonnen Nutzlast spielen Elektroantriebe noch keine große Rolle. Doch gerade im Schwerlastbereich ab 12 Tonnen ist die Umstellung auf emissionsfreie Antriebe besonders dringend, denn schwere LKW stoßen das meiste CO2 aus. Hier kommt die Reichweite von Batterien noch an ihre Grenzen, außerdem senken diese die verfügbare Nutzlast. Diverse Hersteller arbeiten aber bereits an großen LKW mit Elektroantrieb: Tesla, Nikola Motors, MAN, Volvo oder Volta Trucks. Sie setzen dabei auch auf weitere Verbesserungen bei den Batterien. Viele Hersteller halten allerdings Wasserstoff-LKW für die bessere Lösung im Schwerlastverkehr, wo es um lange Strecken und kurze Taktungen geht. Dabei ist allerdings wichtig, dass der Wasserstoff „grün“ ist, also mithilfe von erneuerbaren Energien hergestellt wird.
Wasserstoff-LKW: Brennstoffzelle oder Wasserstoff-Verbrennungsmotor
Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt, indem Wasser mithilfe von Strom zu Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Damit dieser Wasserstoff „grün“ und damit klimaneutral ist, muss der Strom aus (überschüssigen) erneuerbaren Energien stammen. Der Wasserstoff wird in einem Tank im Fahrzeug mitgeführt und über eine Brennstoffzelle wieder zu Strom umgewandelt, der das Fahrzeug antreibt. Dabei entstehen Wärme und Wasserdampf, aber keine schädlichen Emissionen. Ein Nachteil von Wasserstoff ist der geringere Wirkungsgrad durch die Umwandlungsverluste. Für Wasserstoff sprechen die schnelle Betankung der LKW und die höheren Reichweiten im Vergleich zum Elektroantrieb. Das Betanken dauert genau wie beim konventionellen Kraftstoff nur wenige Minuten. Gerade in der Logistikbranche, wo Zeit Geld ist, ist das ein entscheidender Vorteil. Zudem sind Brennstoffzellen mit durchschnittlich 10.000 Betriebsstunden vergleichsweise langlebig. Brennstoffzell-LKW sind in der Anschaffung teurer als konventionelle LKW, auch der Betrieb mit Wasserstoff kostet mehr als Diesel. Beides dürfte sich ändern, sobald die Technologie verbreiteter ist. Wenn die Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff steigen und die Preise für regenerativen Strom sinken, wird auch grüner Wasserstoff deutlich günstiger. Das Hydrogen Council, dem über 90 internationale Unternehmen angehören, erwartet eine Halbierung der Kosten für viele Wasserstoff-Anwendungen in den nächsten zehn Jahren.
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor als Alternative
Neben der Brennstoffzelle sind auch Wasserstoff-Verbrennungsmotoren eine Option. Dabei wird Wasserstoff nicht zu Strom umgewandelt, sondern direkt als Kraftstoff verwendet. Diese Variante wäre schneller umsetzbar, da aktuelle Verbrennungsfahrzeuge nur umgerüstet werden müssten. Das Münchener Start-up Keyou verfolgt genau diesen Ansatz und baut Verbrennungsmotoren zu Wasserstoffantrieben um. In zwei Jahren will Keyou schon die ersten Busse und LKW ausstatten.
Diese Hersteller arbeiten an Wasserstoff-LKW
Nikola Motors: Das Start-up aus Arizona will den LKW-Markt mit alternativen Antrieben umkrempeln. Mitte 2023 soll der erste Brennstoffzellen-LKW Nikola Two vom Band rollen, für den Nikola nach eigenen Angaben schon 14.000 Bestellungen vorliegen hat. Der Hersteller will sein eigenes Netzwerk von Wasserstofftankstellen aufbauen und den benötigten Wasserstoff selbst herstellen.
Daimler/Volvo: Auch Daimler setzt bei Nutzfahrzeugen künftig auf Wasserstoff. Gemeinsam mit Volvo wollen die Schwaben Brennstoffzellen für schwere LKW entwickeln und produzieren. Die ersten Daimler-Trucks mit Wasserstoffantrieb sollen in der zweiten Hälfte dieses Jahrzehnts auf den Markt kommen. In 25 Jahren sollen so gut wie alle LKW von Daimler mit Wasserstoff fahren.
Mercedes: Mercedes hat die Designstudie des GenH2 Truck vorgestellt, einem Brennstoffzellen-LKW mit 1.000 Kilometern Reichweite. Er wird ab 2023 direkt bei Kunden erprobt und soll wie die Daimler-LKW in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts in Serie gehen.
MAN: Bei MAN setzt man sowohl auf die Brennstoffzelle als auch auf Wasserstoff-Verbrennungsmotoren. Schon 2021 sollen erste Prototypen fertig sein, in denen MAN beide Varianten erproben will. MAN geht für den Brennstoffzell-Antrieb von 800 Kilometern Reichweite aus, während der Wasserstoff-Verbrennungsmotor eher als Brückentechnologie dienen soll. Dessen Vorteile sind MAN zufolge die schnelle Verfügbarkeit und die Robustheit der bewährten Verbrenner-Technologien.
Toyota: Toyota und der Nutzfahrzeughersteller Hino entwickeln einen 26-Tonner mit Brennstoffzellen und 600 Kilometern Reichweite. Daneben sollen 2021 die ersten Prototypen eines weiteren Wasserstoff-Modells für den US-Markt fertig sein. Sie basieren auf dem Antrieb des Brennstoffzellen-PKW Toyota Mirai.
Hyundai: Hyundai bringt mit dem Hyundai Xcient ebenfalls einen Wasserstoff-LKW mit Brennstoffzelle heraus. Die ersten Fahrzeuge wurden bereits in einem Flottenversuch in der Schweiz erprobt, bis 2025 will Hyundai 1.600 Stück auf der Straße haben. Die Reichweite der LKW liegt bei 400 Kilometern. Daneben arbeitet Hyundai an einer Brennstoffzellen-Zugmaschine für den Fernverkehr mit 1.000 Kilometern Reichweite.
Wasserstoff-Fahrzeuge in der Intralogistik
Auch in der Intralogistik, also beim Warentransport innerhalb eines Betriebsgeländes, sind Brennstoffzellfahrzeuge eine interessante Lösung. Das betrifft Flug- und Schiffshäfen, Fabriken, Lager und Logistikzentren. Dort kommen heute Flurförderfahrzeuge wie Ameisen oder Gabelstapler zum Einsatz, teilweise mit Verbrennungsmotoren, teilweise mit Blei-Säure-Batterien oder Lithium-Ionen-Batterien. Batteriebetriebene Flurförderfahrzeuge haben den Vorteil, dass sie auch im Innenbereich eingesetzt werden können. Die Brennstoffzelle bringt weitere Vorteile mit sich: Sie schlägt den Elektroantrieb durch kurze Tankzeiten im Vergleich zum Laden der Batterien, was sich gerade im Mehrschichtbetrieb auszahlt. Ein weiterer Vorteil ist das saubere Handling. Ersetzt die Brennstoffzelle Blei-Säure-Batterien, sind die Fahrzeuge auch für hygienekritische Branchen wie die Pharma- oder Food-Industrie geeignet. Wertvolle Lagerfläche wird eingespart, weil keine Laderäume oder Räume zum Batteriewechsel mehr nötig sind.
Flurförderfahrzeuge mit Brennstoffzelle in der Praxis
BMW setzt in seinem Leipziger Werk bei den Routenzügen unter anderem auf Brennstoffzellfahrzeuge. Sie versorgen die Montagebänder mit Zulieferteilen. Die Fahrzeuge sind dadurch leichter, und die Wasserstoffinfrastruktur konnte bei BMW optimal integriert werden, so dass unproduktive Wegzeiten mit den Fahrzeugen wegfallen. BMW nutzt zudem die Abwärme für die Heizung der Halle. Auch das französische Handelsunternehmen Carrefour testete bereits Gabelstapler mit Brennstoffzellen in seiner Logistikzentrale. Im EU-geförderten Projekt HyLIFT-EUROPE setzte Carrefour bis Ende 2018 insgesamt 137 wasserstoffbetriebene Fahrzeuge der Still GmbH ein und zeigte, dass sich die Technologie im schnelllebigen Logistikalltag bewähren kann.
Wann lohnen sich wasserstoffbetriebene Flurförderfahrzeuge?
Eine Studie von Clean Intralogistics Net (CIN) zeigte 2019, dass die Brennstoffzelle in der Intralogistik vor allem dort wirtschaftlich sinnvoll ist, wo größere Flotten mit hoher Auslastung eingesetzt werden. Bei der Bewertung müssen aber die individuellen Anforderungen und Gegebenheiten von Standort und Unternehmen berücksichtigt werden. Der Hersteller Linde Material Handling stellt seit 10 Jahren Niederhubwagen, Schlepper, Schubmaststapler sowie Gegengewichtstapler mit Brennstoffzelle her. Linde gibt an, dass sich die Systeme ab einem Gebrauch von rund 20 Fahrzeugen wirtschaftlich rechnen können. Für Unternehmen, die ohnehin Wasserstoff in der Produktion einsetzen, ist das Konzept noch attraktiver, da die Wasserstoff-Infrastruktur dann schon vorhanden ist. Auch die Bundesregierung fördert inzwischen Investitionen in umweltfreundliche Wasserstoffantriebe in der Intralogistik, zuletzt mit 5 Millionen Euro. Anwender aus der Logistikbranche konnten bis 20. November 2020 einen Investitionskostenzuschuss von 40 Prozent der Investitionsmehrkosten beantragen. Gefördert wurden Flurförderfahrzeug-Flotten mit Brennstoffzellenantrieb sowie die Betankungsinfrastruktur.
Wasserstoff im Flugverkehr
Wasserstoff soll auch den Flugverkehr sauberer machen. Auch hier machen Elektroantriebe zwar Fortschritte, aber bis zu elektrischen Passagiermaschinen heutiger Größe ist der Weg noch weit. Das Problem ist dasselbe wie bei den LKW: Je mehr Reichweite, desto schwerer die Batterie. Auch für Flugzeuge sind deshalb Brennstoffzellen als Alternative im Gespräch, genauso wie Wasserstoff-Verbrennungsmotoren oder eine Kombination aus beidem. Dabei gibt es noch viele Fragezeichen zu Reichweite, der Unterbringung des Wasserstoffs im Flugzeug oder den Auswirkungen des Wasserdampfs auf die Wolkenbildung. Die Entwicklung von Wasserstoff-Flugzeugen steckt ebenfalls noch in den Kinderschuhen. Ein Anbieter, der nach eigenen Angaben auf dem Weg dorthin ist, ist ZeroAvia aus Großbritannien. Das Unternehmen will schon in drei Jahren die Zulassung für ein Wasserstoff-Flugzeug mit 500 Kilometern Reichweite für 10 bis 20 Passagiere erlangen. Auch Airbus setzt auf Wasserstoff: Der Flugzeugbauer geht davon aus, dass für die Langstrecke in der Luft nur Wasserstoff als Energiequelle in Frage kommt. Airbus tüftelt sowohl an Brennstoffzell-Antrieben als auch an Antrieben, die Kerosin durch Wasserstoff ersetzen.
Sinn und Unsinn von E-Fuels
Eine weitere Möglichkeit, Flugzeuge mit Wasserstoff zu betreiben, sind synthetische Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels. Dabei wird zunächst aus Strom Wasserstoff erzeugt. Im Anschluss wird der Wasserstoff mit CO2 verbunden, das aus Industrieprozessen oder aus Biomasse stammt bzw. aus der Umgebungsluft entnommen wird. Daraus entstehen synthetischer Diesel, synthetisches Benzin oder synthetisches Gas. Wenn der Strom vollständig aus erneuerbaren Quellen kommt und das CO2 aus der Atmosphäre, aus Biomasse oder aus Industrieabgasen stammt, sind E-Fuels klimaneutral. Der Ansatz ist allerdings umstritten, da der Wirkungsgrad durch die mehrfache Umwandlung sehr gering ist. Der Wirkungsgrad von E-Fuels liegt bei etwa 13 Prozent. Das heißt, nur 13 Prozent des eingesetzten elektrischen Stroms können im Flugzeug oder im Fahrzeug genutzt werden. Elektroantriebe, die den Strom direkt nutzen, sind um ein Vielfaches effizienter. Dennoch können E-Fuels für den Flugverkehr bzw. für den Schiffsverkehr eine Option sein, solange eine Elektrifizierung dort nur schwer möglich ist.
Öffentliche Wasserstoff-Tankstellen: Der aktuelle Stand
Der Güterverkehr mit Wasserstoff-Fahrzeugen funktioniert natürlich nur mit einem flächendeckenden Netz von Wasserstofftankstellen. Dieses existiert bisher noch nicht, obwohl Deutschland in Europa führend ist. Das geht aus dem „Progress Report 2020“ des europäischen Automobilverband ACEA hervor, der sich mit dem aktuellen Stand der emissionsfreien Mobilität beschäftigt. Europaweit gibt es demnach aktuell 137 Wasserstofftankstellen, 76 davon in Deutschland. Das ist wenig, doch immerhin steigt ihre Zahl: Ende 2018 waren es in ganz Europa erst 47 Stück. Es ist klar, dass hier noch mehr passieren muss, wenn Wasserstoff als Antriebsart eine größere Rolle spielen soll.
Fraunhofer-Studie: 140 Wasserstofftankstellen reichen aus
Eine Studie des Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI zeigte, dass 140 Wasserstofftankstellen ausreichen würden, um im Jahr 2050 alle Brennstoffzellen-LKW in Deutschland mit Wasserstoff zu versorgen. Die Kosten dafür belaufen sich laut ISI auf rund neun Milliarden Euro pro Jahr. Die aktuell in Deutschland vorhandenen Wasserstofftankstellen für PKW eignen sich laut der Untersuchung jedoch nicht oder nur bedingt für LKW, da sie weder die benötigten Mengen Wasserstoff noch eine schnelle Betankung sicherstellen können. Das Fraunhofer ISI weist darauf hin, dass die Wasserstoff-Infrastruktur zügig ausgebaut werden muss, um die EU-Vorhaben zur Senkung der Treibhausgase im Verkehr zu erfüllen. Für knapp 50.000 Brennstoffzellen-LKW im Jahr 2030 sind demnach schon 70 teilweise kleinere Wasserstofftankstellen nötig.
Die Wasserstoffstrategie der Bundesregierung
Für die Bundesregierung ist Wasserstoff zentral auf dem Weg in eine klimaneutrale Zukunft. Er soll nicht nur den Transportsektor dekarbonisieren, sondern auch die Industrie, vor allem die Chemie- und Stahlbranche. Insgesamt will die Bundesregierung Wasserstoffprojekte mit 7 Milliarden Euro fördern. Dieses Geld ist Teil des im Juni 2020 beschlossenen Konjunkturpakets. Das Geld soll unter anderem in Ausschreibungen für Elektrolyseanlagen fließen, um Wasserstoff für den Transportsektor bzw. für E-Fuels für die Luftfahrt herzustellen. Auch die Tankinfrastruktur und die Wasserstoffnetze soll ausgebaut und Wasserstoffprojekte im Verkehr gefördert werden.
Woher kommt der ganze Wasserstoff?
Eine viel diskutierte Frage ist, wie Deutschland an ausreichend grünen Wasserstoff kommt, um Industrie und Transport klimaneutral zu machen. Bisher wird Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas erzeugt. Klar ist: Ohne Importe von grünem Wasserstoff geht es nicht, Deutschland kann selbst nicht genug herstellen. Das Bundeswirtschaftsministerium baut deshalb bereits Wasserstoff-Partnerschaften mit anderen Ländern auf. Schon 2021 will der Bund in Regionen mit viel Wind und Sonne in die Produktion von grünem Wasserstoff einsteigen. Im Fokus stehen dabei Nord- und Westafrika sowie Australien. Fakt ist aber auch, dass die Erzeugungskapazitäten für grünen Strom weltweit derzeit nicht ausreichen, um die Energiewende mit grünem Wasserstoff umzusetzen. Ob und wie das jemals möglich sein wird, ist unklar.
Quellen
Sauberer Schwerlastverkehr: Wasserstoff marsch! | Süddeutsche Zeitung Wasserstoff in der Logistik | Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Energie, Verkehr und Wohnen Maut und viel Fördergeld | Verkehrs Rundschau Wasserstoff in der Logistik: Jetzt noch Fördermittel beantragen für Flurförderzeug-Flotten mit Brenn | PT Magazin Warum Staplerflotten künftig mit Wasserstoff fahren | Industrietechnik Mit Wasserstoff in die Zukunft | Linde Wegweisender Wasserstoff-Einsatz in der Intralogistik | STILL GmbH Länder mit den meisten Wasserstofftankstellen | statista Wasserstoff: Bundesministerien teilen Fördermilliarden auf | energate messenger Biokraftstoffe sind zu Recht in Verruf geraten | golem.de Wasserstoff statt Kerosin – Das sind die drei Flugzeug-Ideen der Zukunft | Welt MAN Wasserstoff-Lkw: Erste Prototypen ab 2021 | eurotransport Mutiger Gründer setzt auf Wasserstoffmotor | Merkur Brennstoffzellen-Lkw: 140 Tankstellen reichen | Fraunhofer ISI Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzelle | auto motor und sport Ist der Wasserstoff ein Klimaretter im LKW? | Traktuell Bildquelle: © Nikola Corporation
