Batterieantrieb oder doch eher Brennstoffzelle? - Ersatz des Dieselantriebs im städtischen und regionalen Busverkehr Prof. Dr. Martin Streichfuss ...
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Batterieantrieb oder doch
eher Brennstoffzelle?
Ersatz des Dieselantriebs im städtischen und regionalen Busverkehr
Prof. Dr. Martin Streichfuss, Aachen; Andreas Schwilling, Lic. Oec., MBA, München
D
ie aktuellen Diskussionen über chinesischen Regierung aufgenommen, Mehrere Städte haben Ziele für die Elek-
den Klimawandel und die Koh- Ende 2018 waren rund 1400 im Einsatz [1]. trifizierung ihrer Busflotten verabschiedet,
lendioxidemissionen rücken un- so Hamburg mit einer kompletten Umstel-
ter anderem die großen Flotten In anderen Teilen der Welt und Europa lung der Flotte bis Anfang der 2030er Jahre,
von Stadtverkehrsbussen mit Dieselantrieb spielen alternative Antriebe bei Bussen Berlin mit einer Umstellung bis 2030 – im
in den Fokus. Der Vorreiter in Bezug auf bislang eine untergeordnete Rolle. Etwa Jahr 2021 sollen bereits 225 Batteriebusse
den Einsatz von Bussen mit alternativem 4000 solcher Busse werden in Europa be- im Einsatz sein. Die Üstra in Hannover will
Antrieb ist eindeutig schon seit mehreren trieben – ein weltweit verschwindender bis 2023 in der Umweltzone komplett elek-
Jahren China. Insgesamt sind dort heute Anteil, auch wenn die Wachstumsraten bei trisch fahren, viele andere Städte verfolgen
mehr als 400.000 Batterie-Elektrobusse im den Zulassungen hoch sind. In Deutsch- ähnliche Initiativen.
Einsatz. Einige Städte haben ehrgeizige land sollen gemäß dem Bundesministeri-
Ziele bei der Umsetzung der Elektrifizie- um für Verkehr und Digitale Infrastruktur Das Angebot der Elektrobusse durch die
rung der Busflotte, Shenzhen hat bereits 2030 alle im öffentlichen Nahverkehr in Hersteller steigt kontinuierlich. Neben
vollständig auf Elektrobusse umgestellt, Deutschland eingesetzten Busse emissi- Herstellern aus China, den Niederlanden,
allein dort sind zirka 16.000 dieser Fahrzeu- onsfrei sein. Auch wenn die Zahl der im Schweden, Polen und der Türkei bieten
ge im Einsatz. Gefördert wird die Anschaf- Betrieb befindlichen Batterie- und Brenn- nun auch Daimler und MAN vollelektri-
fung der Busse durch die Zentral- und loka- stoffzellenbusse in Deutschland derzeit sche Busse an. Auch Gelenkbusse werden
le Regierung mit in der Regel insgesamt 50 noch weniger als 300 beträgt, so testet seit Kurzem offeriert. Mehrere Hersteller
Prozent des Kaufpreises. Auch Brennstoff- doch eine große Anzahl von Verkehrsbe- haben außerdem Busse mit Schnelllade-
zellenbusse werden in die Förderung der trieben die Praxistauglichkeit im Alltag. einrichtungen über Stromabnehmer sowie
Grafiken: Die Autoren
Abb. 1: Alternativen
zum Dieselantrieb.
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Dazu kommen die notwendigen Investitio-
Zum Autor nen in Ladeinfrastruktur und Aufwendun-
Prof. Dr. Martin Streichfuss ist Partner bei Roland Berger, wo er viele Jah-
gen für die Umstellung der Instandhaltung.
re das Transportgeschäft weltweit geleitet hat. Seit einem Jahr ist er für die Hierfür bestehen jedoch Förderprogram-
Zusammenarbeit von Roland Berger mit Hochschulen und Forschungsein- me von Bund und Ländern, welche die
richtungen zuständig. Neben seiner Beratungstätigkeit lehrt er an der RWTH
Aachen. Mehrkosten allerdings nicht vollständig
ausgleichen. Umfangreiche Daten über
Betriebskosten und Energieverbrauch in
Deutschland liegen noch nicht vor, die Be-
triebskosten sind bei internationalen Ver-
gleichen jedoch deutlich – um bis zu zwei
Zum Autor Drittel – niedriger als bei Dieselbussen [5].
Andreas Schwilling, Lic. Oec., MBA, ist Partner im Competence Center Unterschiede bei den Strompreisen und
Transportation von Roland Berger in München. Er berät seit mehr als zweiein- der Besteuerung von Dieselkraftstoff in den
halb Jahrzehnten Unternehmen im ÖPNV und Schienenverkehr sowie deren
Zulieferer.
Ländern spielen bei den Vergleichen eine
erhebliche Rolle.
Bewertung der
Umweltauswirkungen
Um die Umweltauswirkungen der verschie-
denen Antriebsarten zu vergleichen, ist es
zunächst notwendig, den Gesamtenergie-
Brennstoffzellenbusse in ihrem Programm, werden. Abbildung 1 verschafft einen ers- bedarf zu ermitteln. Dieser hängt jedoch
die zum Teil im Betrieb erfolgreich getestet ten Überblick über die Vor- und Nachteile vom Einsatzprofil des Busses ab. Als Bei-
wurden [2]. sowie Einsatzmöglichkeiten alternativer spiel kann man den Fall eines besetzten
Antriebsarten. Reine Oberleitungsbusse Busses mit einer Masse von 21,5 t betrach-
Vorteile der unterschiedlichen („Trolleybusse“) werden hier nicht behan- ten, der auf einer flachen Strecke von 11 km
Antriebsarten delt, da die hohen Infrastrukturkosten und mit 17 Haltestellen verkehrt und diese an
die mangelnde Akzeptanz in der Bevöl- sechs Tagen pro Woche alle zehn Minuten
Ein Batteriebus mit einer Ladekapazität kerung ihren Einsatz weiterhin stark be- und an einem Sonntag alle 30 Minuten
von 230 bis 280 kWh hat derzeit in Abhän- schränken werden [3]. bedient, dies jeweils 16 Stunden pro Tag.
gigkeit von Topografie und Energiever- Zusätzlich wird angenommen, dass der Bus
brauch der Nebenaggregate, der je nach Betriebswirtschaftlich gesehen sind alle al- pro Strecke achtmal verkehrsbedingt stop-
Jahreszeit stark schwankt, eine Reichweite ternativen Antriebsformen mit derzeit noch pen und wieder anfahren muss.
von 200 – 300 km. Diese bestimmt die Ein- erheblich höheren Anschaffungskosten für
satzmöglichkeiten. Bei längeren Umläufen die Busse verbunden (etwa das 2,5-fache Unter diesen Bedingungen hätte der Bus
muss entweder auf einen Mischbetrieb [4]); möglicherweise wird sich der Kosten- einen nutzbaren Energiebedarf von 79 MJ
mit Batterie und Oberleitung oder auf nachteil abhängig von zukünftigen Stück- pro Fahrt. Energie wird benötigt, um den
Brennstoffzellenantrieb zurückgegriffen zahlen bei der Produktion noch verringern. Bus von jeder Haltestelle und nach jedem
Abb. 2: Vergleich
Gesamtenergiebedarf
(pro Fahrt).
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verkehrsbedingten Stopp zu beschleunigen Wirkungsgrade von Motor und Getriebe Die Art der Wasserstofferzeugung ist ein
und um Reibung und Widerstand während berechnet werden. Daraus wird dann aus Schlüsselfaktor für den Wasserstoffan-
der Fahrt zu überwinden. Bei einem Bat- der Wärmeenergie des Kraftstoffs die be- trieb. Bei einem Elektrolysewirkungsgrad
terie- oder Brennstoffzellenbus kann die nötigte Kraftstoffmasse berechnet, aus der von 65 Prozent wäre es sinnvoll, dieses
beim Beschleunigen aufgewendete Ener- wiederum die CO2 -Emission bei der Ver- Verfahren zur Wasserstofferzeugung einzu-
gie beim Bremsen teilweise zurückgewon- brennung bestimmt werden kann. Für die setzen, wenn die CO2-Emissionen im Zu-
nen werden, wodurch der Nettoenergiebe- hier angenommene Strecke belaufen sich sammenhang mit dem bei der Produktion
darf auf 40 MJ reduziert wird. Dies bedeutet die CO2-Emissionen für den Dieselantrieb verwendeten Strom 200 g/kWh nicht über-
eine erhebliche Einsparung des Primäre- auf 16 kg pro Fahrt, was 1001 Tonnen pro schreiten. Eine alternative Option ist die
nergieverbrauchs und der damit verbunde- Jahr entspricht. Dampfreformierung, bei der der Wasser-
nen CO2- und anderen Schadstoffemissio- dampf durch eine mehrstufige chemische
nen (Abb. 2). Im Falle eines Batterieantriebs müssen Reaktion mit einem Kohlenwasserstoff, in
bei der Ermittlung des Gesamtenergie- der Regel Methan, in reinen Wasserstoff
Bei der Betrachtung des Energieeinsatzes bedarfs die Energieeffizienz der Batte- und CO2 umgewandelt wird. Die Dampfre-
für Brennstoffzellenbusse muss der Wir- rie (Coulomb-Effizienz), die Effizienz formierung erzeugt rund 10 kg CO2 pro kg
kungsgrad der Brennstoffzelle berücksich- der Batterieladung und die Effizienz der erzeugtem Wasserstoff, was weitgehend
tigt werden. Es ist auch wichtig zu beach- Kraftübertragung berücksichtigt werden. unabhängig vom Energieeinsatz ist.
ten, wie der Wasserstoff erzeugt wird; so Der CO2-Ausstoß hängt außerdem von den
erhöhen Verluste bei der Wasserstofferzeu- Stromquellen ab, die zur Stromerzeugung Natürlich müssen auch der Energie-
gung durch Elektrolyse den Gesamtener- verwendet werden. Gleiches gilt natür- verbrauch und die damit verbundenen
giebedarf (Abb. 2). lich auch, wenn man die Teile der Strecke CO2-Emissionen bei der Herstellung der
mit einer Oberleitung versieht; in der hier Batterien selbst berücksichtigt werden. Für
Bei der modellbasierten Bestimmung der diskutierten Modellrechnung wurde ange- die Beispielanwendung wäre eine Batterie
CO2-Emissionen eines Dieselmotors kann nommen, dass beim Oberleitungsbetrieb mit einer Kapazität von zirka 320 kWh für
der Primärenergieeinsatz aus der benö- 30 Prozent des Strombedarfs über Oberlei- den reinen Batteriebetrieb erforderlich,
tigten nutzbaren Energie auf Basis der tungen gedeckt werden kann. wenn der Bus während der Einsatzzeit nicht
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brauchte Strom mit einer CO2-Emissions
rate von 500 g/kWh erzeugt wurde.
Natürlich ist Kohlendioxid nicht das einzi-
ge Treibhausgas, und die Emission anderer
Schadstoffe wie Stickoxide oder Partikel
ist ein Problem beim Dieselantrieb. Die
Emissionsrate hängt stark von der Abgas-
behandlung des Dieselmotors oder bei der
Stromerzeugung ab; jedenfalls haben alter-
native Antriebssysteme deutliche Vorteile
gegenüber dem Dieselantrieb. Auch die
Lärmemissionen sind deutlich niedriger.
Umgekehrt ist es beim Batterie- und Was-
serstoffantrieb auch notwendig, den Roh-
Abb. 3: Vergleich CO2-Emissionen (p. a.). stoffeinsatz für die Batterieproduktion zu
berücksichtigen. Im vorliegenden Beispiel
wären 332 kg reines Lithium erforderlich,
geladen werden soll, für den Fall einer Teil- man auch bei hohen CO2-Emissionen in um die Batterien für die im oben geschil-
aufladung über Oberleitungen reduziert der Stromproduktion den Wasserstoff mit derten Anwendungsfall erforderlichen acht
sich die Batteriekapazität auf 220 kWh. Für Elektrolyse erzeugt, steigen die Emissio- Batteriebusse herzustellen, während für
den Brennstoffzellenbus wäre eine Batte- nen sogar über diejenigen an, die für den die kleineren Batterien, die in den Wasser-
riekapazität von rund 4 kWh ausreichend, Dieselantrieb berechnet wurden. stoffbussen verwendet werden, nur 3,2 kg
um die regenerierte Bremsenergie zu spei- benötigen würden.
chern und wieder abzugeben. Die Unterschiede zwischen den beiden Va-
rianten eines elektrischen Antriebs und des Fazit
Abbildung 3 fasst die Ergebnisse der Be- Wasserstoffantriebs zeigen sich insbesonde-
rechnungen zusammen. Sie zeigt, wie sich re bei der „grünen“ Stromerzeugung. Abbil- Aufgrund des Nachteils der zwei Energieum-
das Verhältnis der CO2-Emissionen zwi- dung 4 zeigt die Unterschiede in Abhängig- wandlungen bei Brennstoffzellenbussen
schen den alternativen Antriebstechno- keit von dem CO2-Ausstoß in der Produktion sind Batteriebusse ökonomisch und ökolo-
logien in Abhängigkeit von der Zunahme von Fahrstrom oder bei der Elektrolyse im gisch vorteilhafter. Eine Aufladung mit Ober-
der durchschnittlichen Emissionen aus der Bereich bis 120 g/kWh. Die deutlich höheren leitung auf Teilen der Strecke und an Halte-
Stromerzeugung verändert. Aus nahelie- Emissionen für den Wasserstoffantrieb sind punkten mit vorgesehenen Pausenzeiten für
genden Gründen bleiben die Emissionen auf die oben genannten Effizienzverluste den Fahrer ermöglicht eine Verlängerung der
des Dieselantriebs konstant. Beim Wasser zurückzuführen. Der Batterieantrieb hat ge- Reichweite oder eine Verringerung der Bat-
stoffantrieb bleiben die Emissionen jen- genüber dem Oberleitungsbetrieb Nachtei- teriekapazität und damit des Gewichts und
seits eines CO2-Ausstoßes von 200 g/kWh le durch den Energiebedarf bei der Batterie- Energieverbrauchs. Weiterentwicklungen in
bei der Stromerzeugung konstant, weil produktion und durch höhere Ladeverluste. der Batterietechnologie (Kapazität, Ladege-
Wasserstofferzeugung mit der Dampfrefor- In unserem Beispiel wurde angenommen, schwindigkeit) werden den reinen Batterie-
mierung unterstellt wird. Für den Fall, dass dass der bei der Batterieproduktion ver- betrieb noch attraktiver machen.
Abb. 4: Vergleich der
CO2-Emissionen (p.a.)
bei niedrigen Emissi-
onen bei der Stromer-
zeugung.
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Lange Umläufe ohne ausreichende Lade- betrieb im Stadtverkehr ist jedoch bei Stromerzeugung aus erneuerbaren Ener-
möglichkeiten auf der Strecke werden die allen drei alternativen Antriebsarten eine gieträgern.
Einsatzbereiche für Brennstoffzellenbusse
bilden. Deutlich höhere Anschaffungs-
kosten bei den derzeit noch niedrigen Literatur / Anmerkungen
Stückzahlen für beide alternativen An-
[1] Now GmbH, Factsheet: Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in 13 Prozent sehr niedrig ist: Vgl. Agora Verkehrswende und Agora Ener-
triebsarten machen jedoch weiterhin eine giewende (2018): Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer
der Volksrepublik China, Oktober 2019, S. 3
öffentliche Bezuschussung erforderlich, Brennstoffe: Schlussfolgerungen aus Sicht von Agora. S. 12
[2] Zum Beispiel in Brugg in der Schweiz. N. Seraidou, Erfahrungsbericht
damit die Flottenumstellung trotz der be- Brennstoffzellenpostauto. Ein Résumé, 25.05.2016, S. 13. [4] VDV-Zwischenbilanz Elektrobusse, 13.02.2019
trächtlichen Umstellungsaufwendungen
[3] Strombasierte synthetische Brennstoffe werden als Alternative ebenfalls [5] Bloomberg, New/Energy Finance, 29.03.2018. Potkany et. al., Compari-
schnell vonstatten geht. Die wesentliche nicht dargestellt, da praxisreife Lösungen erst langfristig verfügbar sein son of the Lifecycle Cost Structure of Electric and Diesel Buses
Voraussetzung für einen CO2-freien Bus- werden und ihr Wirkungsgrad für den Antrieb von Kraftfahrzeugen mit
Zusammenfassung / Summary
Batterieantrieb oder doch eher Brennstoffzelle? Battery buses or fuel cell buses?
Aufgrund der aktuellen Diskussionen über Klimawandel und CO2-Emis- The current discussions about decarbonization of transportation lead
sionen kommen zunehmend Batterie- und Brennstoffzellenbusse im to an increasing use of battery buses and fuel cell buses in mass tran-
Nahverkehr zum Einsatz. Aufgrund des Nachteils der zwei Energie- sit. Due to the disadvantage of two energy conversions in fuel cell
umwandlungen bei Brennstoffzellenbussen sind Batteriebusse, am buses, battery buses, preferably with charging via overhead contact
besten mit Aufladung über Oberleitung auf Teilen der Strecke, ökono- line on parts of the route, are economically and ecologically more
misch und ökologisch vorteilhafter. Lange Umläufe ohne ausreichen- advantageous. Long rotations without sufficient charging possibilities
de Lademöglichkeiten auf der Strecke werden die Einsatzbereiche für on the route will form the key areas of application for fuel cell buses.
Brennstoffzellenbusse bilden. Deutlich höhere Anschaffungskosten für Significantly higher purchasing prices for the two alternative types of
beide alternativen Antriebsarten machen jedoch weiterhin eine öffentli- propulsion will, however, continue to require public support to ensure
che Bezuschussung erforderlich, damit schnell eine Flottenumstellung a fast fleet migration.
erfolgt.
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