Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge - Bedeutung für die Elektromobilität VDI/VDE-Studie Mai 2019
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Brennstoffzellen- und
Batteriefahrzeuge
Bedeutung für die Elektromobilität
VDI/VDE-Studie
Mai 2019
© shutterstock/Hadrian
Vorwort
Die Elektromobilität stellt zweifelsohne einen wichti- Eine sachgerechte Diskussion erfordert zudem die
gen Beitrag zum Klimaschutz und zur Nutzung erneu- Berücksichtigung aller Einflussgrößen. Neben den
erbarer Energien im Verkehrssektor dar. Die derzeit in speziellen Nutzerinteressen, insbesondere der Wirt-
Politik, Medien und Öffentlichkeit geführte Diskussi- schaft mit ihren speziellen Anforderungen und der
on zur zukünftigen Elektromobilität lässt jedoch aus Stärkung des Standorts Deutschland, zählen hierzu
Sicht der VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt auch Aussagen zu den systemtechnischen Aspekten.
(VDI-GEU) und der VDI-Gesellschaft Fahrzeugtech- Gleichfalls sind die verfügbaren Rohstoffe zu bewer-
nik (VDI-FVT) sowie der Energietechnischen Gesell- ten sowie die ökologischen Konsequenzen zu berück-
schaft im VDE (VDE/ETG) eine Ausgewogenheit in sichtigen. In diesem Zusammenhang ist auch der
Bezug auf die Eigenschaften der einzelnen Systeme technische und wirtschaftliche Aufwand für Herstel-
vermissen. Der Schwerpunkt der Diskussion kon- lung und Betrieb der neuen Infrastrukturen zu thema-
zentriert sich vorrangig auf Anwendungen von Batte- tisieren.
riefahrzeugen.
VDI-GEU, VDI-FVT und VDE/ETG haben im Rah-
Aktuell unterstützt die Bundesregierung die Elektro- men einer interdisziplinären Arbeitsgruppe aus Hoch-
mobilität mit Kaufprämien und dem Aufbau einer schulen, Forschungseinrichtungen und Industrie ver-
Ladeinfrastruktur. So sollen gemäß Koalitionsvertrag sucht, den derzeitigen Entwicklungstand von Brenn-
bis 2020 mindestens 100.000 Ladepunkte für Elektro- stoffzellenfahrzeugen (FCEV) und batterie-
fahrzeuge zusätzlich verfügbar gemacht und die Er- elektrischen Fahrzeugen (BEV) darzustellen. Durch
richtung von privaten Ladesäulen gefördert werden. Einbindung von vielfältigem Sachverstand sollen
In Bezug auf Wasserstoff und Brennstoffzellen sieht relevante technische, ökologische und ökonomische
der Koalitionsvertrag derzeit nur eine Förderung der Aspekte beider Technologien angemessen bewertet
Sektorenkopplung sowie eine Anpassung des regula- werden.
tiven Rahmens zur Einführung von „grünem Wasser-
stoff“ vor. Die Analysen konzentrieren sich vorrangig auf den
Pkw-Bereich; der Lkw-Sektor bleibt trotz seiner ener-
Es ist die Auffassung von VDI-GEU, VDI-FVT und gie- und klimapolitischen Relevanz ausgespart genau-
VDE/ETG, dass die brennstoffzellenbasierte Elektro- so wie andere Optionen, z. B. synthetische Kraftstof-
mobilität ebenfalls einen wichtigen Beitrag zur Redu- fe.
zierung der Emissionen von Treibhausgasen leisten
kann. Dies ist auch die Einschätzung der Bahnbetrei- Ziel dieser Studie ist ein möglichst objektiver Ver-
ber und neben Kostenaspekten ein gewichtiger Grund gleich der Vor- und Nachteile, um Vertretern aus
für deren Entscheidung, neben Batteriezügen auch in Politik, Medien und interessierter Öffentlichkeit die
Brennstoffzellenzüge zu investieren. Möglichkeit zu geben, sich ausgewogen zu informie-
ren.
Düsseldorf im Mai 2019
Dipl.-Ing. Martin Pokojski
Vorsitzender des VDI/VDE-Fachausschusses
„Wasserstoff und Brennstoffzellen“
www.vdi.de
Autoren
An dieser Studie haben folgende Personen aus den Arbeitskreisen der VDI-GEU und VDI-FVT sowie der VDE/ETG
mitgearbeitet:
Frank Belmer, Shell New Energies, Hydrogen Operations Coordinator Europe, Hamburg
Dr.-Ing. Boris Bensmann, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische Energiesysteme
(IfES)
Torsten Brandt, Siemens AG, Process Industries and Drives Division, Erlangen
Dr. Carsten Cremers, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal
Monika Derflinger, Ford Research & Innovation Center Aachen, Aachen
Prof. Richard Hanke-Rauschenbach, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische Ener-
giesysteme (IfES)
Dr.-Ing. Thomas Grube, Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3), Forschungszentrum Jülich GmbH,
Jülich
Prof. Dr. Angelika Heinzel, ZBT GmbH – Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, Duisburg
Dipl.-Ing. Willi Horenkamp, Technische Universität Dortmund, Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und
Energiewirtschaft, Dortmund
Dipl.-Ing (FH) Thomas Jungmann, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Abteilung Brennstoffzellen-
systeme, Freiburg
Stefan Kaimer, Ford Research & Innovation Center Aachen, Aachen
Paul Karzel, Shell Hydrogen Operations, Hamburg
Dr. Martin Kleimaier, Essen
Dr. Philipp Lettenmeier, Siemens AG, Hydrogen Solution, Erlangen
Dipl.-Ing. Martin Pokojski, Inecs GmbH, Berlin
Dr. Gerd Sandstede, Frankfurt am Main
Dr. sc. ETH Zürich Michel Suermann, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische
Energiesysteme (IfES)
Prof. Dr.-Ing. Thomas von Unwerth, Fakultät Maschinenbau Technische Universität Chemnitz, Chemnitz
Erik Wolf, Siemens AG, Hydrogen Solutions, Erlangen
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VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 3
Inhalt
Abkürzungen 4
Kernaussagen 6
Handlungsempfehlungen 8
Zusammenfassung 9
1 Einführung 12
2 Marktentwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen 13
2.1 Anwendungspotenziale 13
2.2 Absatzentwicklung 13
3 Bewertungskriterien der Elektromobilität-Technologien 15
4 Elektromobilität – Kernaussagen und Argumente 16
4.1 Politische Zielstellungen 16
4.2 Tanken und Reichweite 19
4.3 Infrastruktur 30
4.4 Energiebeschaffung 36
4.5 Kritische Rohstoffe 40
4.6 Kosten Pkw (TCO) 43
5 Forschungsbedarf 46
Literatur 47
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4 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
Abkürzungen
AC Alternating Current (Wechselstrom)
BEV Battery Electric Vehicle (Batterieelektrisches Fahrzeug)
CEP Clean Energy Partnership
CAPEX Capital Expenditures (Investitionsausgaben)
CGH2 Compressed Gaseous Hydrogen (Druckwasserstoff gasförmig)
CNG Compressed Natural Gas
CO2 Kohlendioxid
DC Direct Current (Gleichstrom)
U.S. DOE United States Department of Energy
EE Erneuerbare Energie
EEG Erneuerbare Energien Gesetz
EPA Environmental Protection Agency
FCEV Fuel Cell Electric Vehicle (Brennstoffzellenfahrzeug)
FCH-JU Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking
H2 Wasserstoff
HEV Hybrid Electric Vehicles (Hybrid-Elektrofahrzeuge)
ICE Internal Combustion Engine (Verbrennungskraftmaschine)
IKT Informations- und Kommunikationstechnologie
LCA Life Cycle Assessment (Lebenszyklusanalyse)
LH2 Liquid Hydrogen (Flüssig-Wasserstoff)
LPG Liquied Petroleum Gas (Flüssiggas)
MEA Membrane Electrode Assembly (Membran-Elektroden-Anordnung)
METI Ministry of Economy, Trade and Industry (Japan)
MKS Mobilitäts-/Kraftstoffstrategie
MSRP Manufacturer's Suggested Retail Price
NFZ Nutzfahrzeuge
PGM Platinum Group Metals
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VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 5
PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicles (Plug-in-Hybridfahrzeuge)
RED II Renewable Energy Directive
REEV Range Extended Electric Vehicles (Elektrische Fahrzeuge mit Reichweitenverlän-
gerung)
SOC State of Charge (Batteriekapazität)
TCO Total Cost of Ownership (Gesamtkosten des Betriebs)
TRL Technology Readiness Level (Technologiereifegrad)
TWh Terrawattstunde
WACC Weighted Average Cost of Capital (Gewichtete durchschnittliche Kapitalkosten)
ZEV Zero Emisssion Vehicle (Null-Emissions-Fahrzeug)
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6 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
Kernaussagen
Politische Zielstellungen BEV, von einem sukzessiven Ausbau der
Erzeugungs- und Transportsysteme auszugehen.
Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) und
Durch die Vor-Ort-Speicherung von großen
Batteriefahrzeuge (BEV) sind lokal emissionsfrei.
Mengen Wasserstoff an der Tankstelle sind
Darüber hinaus haben sie das Potenzial, die
Nachfragespitzen mit Vollauslastung der
politischen Zielsetzungen der Bundesregierung in
Tankstelle unproblematisch.
Bezug auf die Senkung der CO2-Emissionen zu
unterstützen, wenn regenerativer Strom zum Bei geringer Marktdurchdringung sind die Infra-
Einsatz kommt. strukturinvestitionen für BEV geringer. Bei einer
hohen Marktdurchdringung ist je nach Annahmen
Die Elektromobilität fördert den Einsatz erneuer-
von geringeren Kosten für die H2-Infrastruktur
barer Energien im Verkehr und unterstützt die
auszugehen.
Bemühungen zur Sektorenkopplung.
Der H2-Transport erfolgt in der Regel mit Lkw.
Mit der Herstellung von Brennstoffzellen und
Für die Zukunft bietet es sich bei einer größeren
Brennstoffzellensystemen inklusive zugehöriger
Nachfrage an, vorhandene Erdgasleitungen durch
Komponenten könnte die Wertschöpfung in
Umrüstung für den exklusiven H2-Transport zu
Deutschland gesteigert werden.
nutzen.
Die Bereitstellung von Flüssigwasserstoff (LH2)
Tanken und Reichweite führt zu technisch einfacheren Tankstellen, da die
aufwendige Gasverdichtung, Vorkühlung und
Wasserstoff erlaubt schnelles Tanken bei Qualitätsanalysen entfallen können. Die beförder-
weltweit einheitlichen Tanksystemen. te H2-Menge in einem Trailer lässt sich auf 4 t
(Faktor 3 bis 3,5 im Vergleich zu druckförmigen
Die Wasserstoffvollbetankung von FCEV ist mit Gastransport) steigern.
3 min bis 5 min vergleichbar mit der heutigen
Fahrzeugbetankung. Auch bei Einsatz von
Schnellladestationen dauert das Nachladen von
Energiebeschaffung
BEV ca. 20 min bei einer Begrenzung der La-
dung auf 80 % der Batteriekapazität (SOC).
Die Wasserstoffbeschaffung ist von der Markt-
FCEV verfügen nach aktuellem einführung über den Markthochlauf bis hin zum
Entwicklungsstand gegenüber BEV über eine Massenmarkt generell als unkritisch hinsichtlich
größere Reichweite bei gleichzeitig größerer Verfügbarkeit und Kosten (dieseläquivalenter
Nutzlast und ermöglichen das Heizen im Winter Preisbereich) einzuschätzen. Dennoch ist derzeit
ohne signifikante Reichweitenreduzierung. in Deutschland die Versorgung von Tankstellen
mit grünem Wasserstoff sowohl in ausreichender
Batteriefahrzeuge nutzen derzeit die eingesetzte Menge als auch zu angemessenen Marktpreisen
Primärenergie mindestens um etwa den Faktor 2 mit Problemen verbunden und benötigt deshalb
effizienter als Brennstoffzellenfahrzeuge. Die einen weiteren Ausbau von Erzeugungskapazität
Speicherwirkung von Wasserstoff und der damit für grünen Wasserstoff.
möglicherweise deutlich geringeren Abregelung
von Stromquellen aus erneuerbaren Energien Wasserstoff entwickelt sich zu einem globalen
wird dabei nicht berücksichtigt. Handelsgut. Durch Bezug des Energieträgers aus
Ländern mit günstigen Stromkosten lassen sich
die H2-Beschaffungskosten verringern.
Infrastruktur Wasserstoff als chemischer Energieträger lässt
sich ohne Verluste längerfristig speichern. In
Durch Nutzung von großtechnisch produziertem Verbindung mit geeigneten Speichersystemen
Wasserstoff und Erweiterung bestehender (z. B. Kavernen) ist eine Entkopplung von Erzeu-
Tankstellenanlagen ist eine schnelle Anpassung gung und Nachfrage möglich. Hierzu zählt auch
der Wasserstoff-Infrastruktur möglich. Mittel- bis eine saisonale Speicherung sowie die Schaffung
langfristig ist, wie bei der Ladeinfrastruktur für
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VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 7
strategischer Reserven, vergleichbar mit den Kosten
heutigen fossilen Bevorratungen.
Die Kosten für die Nutzung von BEV und FCEV
In Zukunft sollte sich mit Elektrolyseuren und werden derzeit von den Anschaffungskosten
Nutzung des steigenden Stromangebots aus dominiert.
erneuerbaren Energien eine weitgehend
emissionsfreie sowie wirtschaftlich konkurrenz- Die Serienfertigung von Batteriesystemen ist
fähige Wasserstofferzeugung realisieren lassen. weiter fortgeschritten als die von Brennstoff-
zellen. Entsprechend ist die Kostenreduktion bei
Der Einsatz von Elektrolyseuren, aber auch Batterien aktuell deutlich ausgeprägter als bei
FCEV und BEV, bietet das Potenzial zur Opti- Brennstoffzellensystemen.
mierung der Stromversorgung. Durch gezielten
Einsatz der Systeme ist ein netzdienlicher Betrieb Bei höheren Energie- bzw. Reichweitenanforde-
möglich. Des Weiteren kann die Abwärme der rungen ergeben sich Kostenvorteile für das FCEV
Elektrolyse in Wärmesysteme integriert und der gegenüber dem BEV. Mit der Aufnahme der
Sauerstoff technisch genutzt werden. Serienfertigung verstärkt sich dieser Effekt.
Wasserstoff lässt sich in unterschiedlichen
Bereichen (Strom, Wärme, Verkehr und Indus-
Sozioökonomische Faktoren
trie) verwenden. Wasserstoff bietet damit
Potenzial für die von der Politik gewünschte
Brennstoffzellenfahrzeuge enthalten einen Teil an
Sektorenkopplung.
Komponenten, die vom konventionellen Ver-
brennungsmotor bekannt sind; sie können über-
nommen oder adaptiert werden. Damit ergeben
Kritische Rohstoffe sich neue Geschäftsfelder, Arbeitsplätze entste-
hen.
Eine Diversifizierung der (Elektromobilitäts-)
Technologien reduziert das Risiko von Brennstoffzellenfahrzeuge werden auch in Zu-
Rohstoffverknappungen. kunft mit (kleinen) Batterien hybridisiert sein.
Die Entwicklungen im Batteriebereich kommen
Als kritische Rohstoffe gelten bei der Batterie damit auch dem FCEV in Hinsicht auf Serienfer-
Lithium, Nickel, Kobalt und bei der Brennstoff- tigung und Kosten zugute.
zelle Platin mit abnehmender Tendenz. Die För-
derkapazitäten dieser Rohstoffe müssen ausge-
baut werden, bevorzugt durch Steigerung der Re-
cyclingrate.
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8 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
Handlungsempfehlungen
Die Brennstoffzellentechnologie kann wie die Batte- eine sichere Energieversorgung: Dies trägt zur
rietechnologie bei Nutzung erneuerbarer Energien Planungssicherheit der Industrie bei und zieht zu-
einen nachhaltigen Beitrag zur Erreichung der politi- sätzliche Investitionen nach sich.
schen Ziele im Verkehrsbereich leisten. Die sich er-
gänzenden Technologien ermöglichen die Substitution Umstellung auf Elektromobilität: Zur Unterstüt-
von konventionellen Verbrennern ohne Komfortein- zung des Markthochlaufs empfiehlt sich die Um-
schränkungen. Mittel- bis langfristig können sie dazu stellung der Fahrzeugflotten im privaten wie öf-
beitragen, die volkswirtschaftlichen Kosten der Mobi- fentlichen Bereich.
lität im Vergleich zum Status quo zu senken. Voraus-
setzung ist die Schaffung der erforderlichen Rahmen- Begleitende Forschung zum Markthochlauf:
bedingungen. Hierzu zählen: Sowohl für Batterien als auch Brennstoffzellen
herrscht im Vergleich zu herkömmlichen Ver-
Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur für den brennern Forschungsbedarf in den Bereichen Ne-
öffentlichen Personen- und Güterverkehr: Der öf- bensysteme, Lebensdauer bzw. Degradationsver-
fentliche Nahverkehr stellt einen Schlüsselsektor halten im Realbetrieb sowie Lebenszyklusanaly-
zur Einführung von innovativen Verkehrssyste- sen.
men dar und liefert einen entscheidenden Beitrag
zur angestrebten Luftreinhaltung. Die hierbei ge- Wertschöpfung in Deutschland: Ein großer Anteil
schaffene Infrastruktur beschleunigt den Markt- der Wertschöpfung für Batterien liegt heute nicht
hochlauf im Individualverkehr, da sie der Ein- in Europa, die Batteriezellenproduktion findet
satzfähigkeit von Elektrofahrzeugen zugute- überwiegend in Asien statt. Zur Unterstützung
kommt. der Wettbewerbsfähigkeit sollte die Politik durch
Schaffung geeigneter Rahmenbedingungen den
Realisierung der geplanten 400 Wasserstofftank- Aufbau von Produktionseinrichtungen/Arbeits-
stellen: Das bestehende Tankstellennetz ist für plätzen für Brennstoffzellen und Batterien in
einige Anwendungen ausreichend. Jedoch erst bei Deutschland unterstützen.
Vorhandensein einer ausreichenden Infrastruktur
sind aus Sicht des Privatkunden die Vorausset- Serienproduktion von Komponenten elektrischer
zungen gegeben, um Wasserstofffahrzeuge ohne Antriebssysteme: Im Bereich Elektromotor und
Einschränkungen zu nutzen. Batterien haben serientaugliche Herstellprozesse
Einzug gehalten. Für Brennstoffzellen, -kompo-
Überprüfung der Regularien zur schnelleren nenten und Wasserstoffspeicher muss weiter an
Realisierung von Tankstellen: Die Realisierung solchen gearbeitet werden, auch um die erforder-
von Wasserstofftankstellen ist mit diversen Auf- liche Kostendegression zu erreichen.
lagen verbunden, die die Umsetzung verzögern.
Zur Beschleunigung des Genehmigungsprozesses Rahmenbedingungen für Elektromobiltät: Es sind
sind bundesweit einheitliche standardisierte Ver- diskriminierungsfreie politische Rahmenbedin-
fahren unter Beibehaltung der entwickelten hohen gungen zu schaffen. Die Anrechenbarkeit nach
Sicherheitsstandards einzuführen. Die Notwen- RED II (Vorgabe des Europäischen Parlaments)
digkeit der Genehmigung nach BImschG bei Ein- ist für FCEV und BEV gleichzustellen.
satz von Elektrolyseuren ist zu überprüfen und
Kosten der Energiebeschaffung: Die Kosten der
sinnvolle Ausnahmen sind zu definieren.
Elektromobilitiät durch EEG-Umlagen, Netz-
Einbeziehung des Energieträgers Wasserstoff in entgelte sowie Steuern sind zu überprüfen.
die sektorenübergreifende Langzeitstrategie für
www.vdi.deVDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 9
Zusammenfassung
Politik lässt sich allein über die Vergrößerung des Tanks
erreichen. Der Gewichtszuwachs ist gering. Dies gilt
Die führenden Industrienationen unterstützen die es bei der Anwendung der Fahrzeuge zu berücksichti-
Einführung der Elektromobilität. Für Europa insbe- gen. BEV besitzen heute Vorteile im Kurzstreckenbe-
sondere forciert die Europäische Kommission mit reich, während sich FCEV insbesondere im Nutzlast-
ihren Klimazielen die Verringerung der Emissionen und Langstreckenverkehr empfehlen.
von Treibhausgasen im Verkehrsbereich.
Bei konventionellen Fahrzeugen erfolgt die Behei-
Die deutsche Regierung unterstützt die Elektromobili- zung der Fahrgastzelle durch Nutzung der Motoren-
tät mit Kaufprämien und dem Ausbau einer Ladein- abwärme. Bei FCEV reicht die Brennstoffzellenab-
frastruktur. In Bezug auf Wasserstoff und Brennstoff- wärme im Allgemeinen aus. Im Unterschied hierzu ist
zellen sieht der Koalitionsvertrag eine Förderung der bei BEV eine Beheizung nur über die Batterie mög-
Sektorenkopplung sowie eine Anpassung des regula- lich. Dies kann bei niedrigen Umgebungstemperatu-
tiven Rahmens zur Einführung von „grünem Wasser- ren die Reichweite deutlich verringern.
stoff“ vor.
Die Umwandlung des Wasserstoffs in der Brennstoff-
Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) und Batteriefahr- zelle in elektrische Energie ist mit Wirkungsgradver-
zeuge (BEV) können bei Nutzung erneuerbarer Ener- lusten verbunden. FCEV weisen deshalb im Vergleich
gien gleichermaßen Beiträge zur Unterstützung der zu BEV eine deutlich geringere Effizienz auf. Im
umweltpolitischen Ziele leisten. Brennstoffzel- Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor
lenelektrische Antriebe bieten darüber hinaus für besitzt ein FCEV jedoch vor allem im Teillastbereich,
Deutschland und Europa das Potenzial, einen hohen dem überwiegenden Betriebsbereich der Pkw, einen
Anteil der Wertschöpfung darzustellen. wesentlich höheren Wirkungsgrad.
Die Energiebilanz von FCEV lässt sich abhängig von
der Nutzung mittels zusätzlicher Batterien (plug-in)
Tanken und Reichweite
verbessern. Hierbei erfolgt eine Ladung der Batterie
sowohl über das Netz als auch während der Fahrt über
Tankverhalten und Tankdauer von FCEV sind mit
die Brennstoffzelle oder während der Rekuperation
dem konventioneller Fahrzeuge auf Mineralöl- und
der Bremsenergie, sodass die Vorteile beider Systeme
Erdgasbasis vergleichbar. Der Tankvorgang liegt bei
(BEV und FCEV) zum Tragen kommen.
3 min bis 5 min und entspricht dem eines konventio-
nellen – mit Flüssigkraftstoff auf Mineralölbasis be-
triebenen – Fahrzeugs. Zum Vergleich hierzu beträgt
die Ladezeit bei BEV für eine Vollladung abhängig Infrastruktur
von der Ladeleistung bis zu mehreren Stunden. Mit-
tels Schnelladestationen ist eine Ladezeit (bei einer BEV- und FCEV-Infrastrukturen stellen wichtige
Begrenzung auf 80 % der Batteriekapazität (SOC)) Bausteine für den Verkehrsbereich dar. Sie bieten die
von ca. 20 min erreichbar. Möglichkeit, klimaverträgliche, saubere und erneuer-
bare Verkehrskonzepte zu realisieren.
Die mechanische Schnittstelle zwischen Fahrzeug und
Zapfsäule sowie der Betankungsprozess sind beim Vorteilhaft in Bezug auf Wasserstoff ist die leichtere
Tanken von Wasserstoff weltweit einheitlich. Im Umsetzung, da vorhandene Strukturen genutzt werden
Gegensatz dazu gibt es für das Laden von BEV unter- können. Bestehende Tankstellen lassen sich entspre-
schiedliche Stecksysteme und Ladeleistungen. Des chend erweitern.
Weiteren ist die Anpassung der Netzinfrastruktur eine
Die Verweildauer von FCEV am Ort der Betankung
wesentliche Voraussetzung für die Installation von
ist vergleichbar mit dem heutigen Standard für Benzin
DC-Schnellladestationen.
oder Diesel bzw. LPG/CNG (Flüssigwasserstoff/
Bei BEV korreliert die Leistung der Batterie mit der komprimiertes Erdgas). Entsprechend erfolgt die
Kapazität. Mit zunehmender Reichweite, das heißt Kapazitätsauslegung von Wasserstofftankstellen in
zunehmender Kapazität, erhöhen sich auch die Leis- einem zu heutigen Tankstellen vergleichbaren Vorge-
tung und das Gewicht der Batterie. Demgegenüber hen. An einer Tanksäule können also in einer gewis-
sind bei FCEV Energiewandlung und -speicherung, sen Zeitdauer viele Fahrzeuge nacheinander tanken.
und damit Leistung und Kapazität, entkoppelt. Eine Zum Vergleich hierzu wird bei BEV eine Vielzahl
Vergrößerung der Reichweite, das heißt Kapazität, von Ladesäulen benötigt, um das gleichzeitige Laden
www.vdi.de10 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
einer vergleichbaren Anzahl von Fahrzeugen während Eine Szenarienanalyse des Forschungszentrums Jülich
dieser Zeitdauer zu ermöglichen. Dies gilt auch bei und der RWTH Aachen zum Infrastrukturbedarf von
Einsatz von DC-Schnellladesäulen. Sie verkürzen BEV und FCEV zeigt, dass für große Fahrzeugflotten
zwar die Ladezeiten, dennoch ist auch hier im Ver- von 20 Mio. Pkw die Investitionen in ein H2-Versor-
gleich zu FCEV von 3-mal bis 5-mal längeren Lade- gungssystem geringer ausfallen als für eine Batterie-
zeiten bei einer Begrenzung auf 80 % der Batterieka- ladeinfrastruktur; die spezifischen Kosten je gefahre-
pazität auszugehen. Deshalb ist eine entsprechend nen Kilometer sind hingegen vergleichbar. Die Inves-
größere Zahl an Stellplätzen mit Ladeeinrichtungen tition für die H2-Versorgung berücksichtigt hierbei
vorzusehen, um die gleiche Betankungskapazität zu neben den Tankstellen und Logistikkomponenten
erreichen. Dies gilt insbesondere für Lademöglichkei- auch saisonale Speicher mit einer Gesamtkapazität
ten entlang der Autobahnen. Zusätzlich kann aufgrund von 60 Tagesverbräuchen. Als Speicheroption für den
des in diesem Fall nicht steuerbaren Ladens ein Netz- Wasserstoff bieten sich Salzkavernen an, mit deren
ausbau in den vorgelagerten Netzebenen erforderlich Hilfe die Speicherung großer Mengen (einige
sein. 10 TWh) an erneuerbaren Energien besonders kosten-
günstig darstellbar ist. Die Investition für das Laden
Der Platzbedarf von Wasserstoffzapfsäulen weicht von Batteriefahrzeugen umfasst die Kosten der Lade-
nicht wesentlich von dem heutiger Benzin- und Die- säulen sowie des Netzausbaubedarfs in Verteilnetzen.
selzapfsäulen ab. Je nach Anlieferungskonzept ist Ein eventuell notwendiger Netzausbau im Übertra-
jedoch von einem erhöhten Platzbedarf für den erfor- gungsnetz sowie saisonale Speicher sind dabei bislang
derlichen H2-Speicher am Tankstellenort auszugehen. nicht berücksichtigt worden. Ein Vergleich sollte
jedoch auch für BEV den Aufwand für einen Lang-
Das Tanken ist wie bisher als eigenständiger Vorgang zeitspeicher für erneuerbare Energien berücksichti-
zu betrachten, die Tankstellen müssen hierzu angefah- gen.
ren werden. Dies kann, insbesondere in der Einfüh-
rungsphase von Wasserstofftankstellen, mit längeren
Anfahrtstrecken verbunden sein.
Energiebeschaffung
Der Transport von H2 erfolgt in der Regel mit Lkw.
Für die Zukunft bietet es sich bei einer größeren Die Wasserstoffbeschaffung ist in jeder Phase der
Nachfrage an, vorhandene Erdgasleitungen durch Markteinführung als unkritisch hinsichtlich Verfüg-
Umrüstung für den H2-Transport zu nutzen. barkeit und Kosten einzuschätzen. Während kurzfris-
tig vor allem Nebenprodukt-Wasserstoff aus Indust-
Analysen zum Nutzerverhalten von BEV zeigen, dass rieprozessen sowie Wasserstoff aus der Methan-
BEV überwiegend zu Hause und am Arbeitsplatz dampfreformierung zur Verfügung gestellt werden
geladen werden. Dennoch werden auch für BEV- kann, sollten mittel- bis langfristig nach Möglichkeit
Nutzer ohne eigene Garage Lösungen benötigt, die nur erneuerbare Primärenergien zur H2-Produktion
das Nachladen sicherstellen. Hierzu zählen unter eingesetzt werden.
anderem öffentliche Ladesäulen. In der Diskussion ist
derzeit auch das sogenannte „Laternenladen“. Wasserstoff entwickelt sich zu einem globalen Han-
delsgut. Untersuchungen zu einer weltweit angelegten
Beim Übernachtladen kann bei einem gesteuerten H2-Logistik zeigen zudem, dass Wasserstoff in Regi-
Laden von einer Reduzierung des Ausbaubedarfs an onen mit besonders hohem Aufkommen an erneuerba-
Netzkapazität gegenüber dem ungesteuerten Ladevor- ren Energien kostengünstig produziert und beispiels-
gang ausgegangen werden. Die Umsetzung dieses weise per Schiff zu den Verbrauchszentren transpor-
Konzepts ist jedoch in hohem Maße von für Batterie- tiert werden kann.
fahrzeuge reservierten Stellplätzen abhängig, da diese
mit unterschiedlich hohem Aufwand mit Lademög- Unter Einbeziehung der erforderlichen Infrastruktur-
lichkeiten ausgestattet werden müssen. komponenten lässt sich nachweisen, dass die H2-
Kosten an der Tankstelle gegenüber heutigen Kraft-
Die Infrastrukturinvestitionen für BEV sind bei einer stoffkosten wettbewerbsfähig sind (jeweils ohne Steu-
geringen Marktdurchdringung geringer als für FCEV. ern und Abgaben). Im Vergleich mit Batteriefahrzeu-
Bei einer größeren Marktdurchdringung ist von gerin- gen ist aber zu berücksichtigen, dass in dem Strom-
geren Investitionen für die H2-Infrastruktur auszuge- preis für Batteriefahrzeuge Abgaben und Steuern ent-
hen. Eine Mischung beider Systeme – BEV für die halten sind, was gegenüber wasserstoffversorgten
kürzeren Strecken und FCEV für die Langstrecke – Fahrzeugen eine Benachteiligung darstellt.
könnte ein Kostenoptimum ergeben. Dies zu belegen,
erfordert jedoch noch detaillierte weiterführende Stu- Wasserstoff als chemischer Energieträger lässt sich
dien. ohne Verluste kostengünstig längerfristig speichern,
hat jedoch höhere Umwandlungsverluste. In Verbin-
dung mit geeigneten Speichersystemen (z. B. Kaver-
www.vdi.deVDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 11
nen) ist eine Entkopplung von Erzeugung und Bedarf prognostizierte Elektromobilität bis zum Jahr 2050
bis hin zur saisonalen Speicherung möglich. und unter Einbeziehung aller weiteren Anwendungen
nicht ausreichen, jedoch aber deren Rohstoffressour-
Wasserstoff bietet die Möglichkeit, in unterschiedli- cen. Daher sind Preissteigerungen und temporäre
chen Bereichen (Strom, Wärme, Verkehr und Indust- Verknappungen durchaus vorstellbar, sofern nicht in
rie) zum Einsatz zu kommen. Der Energieträger bietet gleichem Maße neue Bergwerk- und Recyclingkapa-
damit das Potenzial für die von der Politik gewünsch- zitäten geschaffen werden. Dagegen sind absolute
te Sektorenkopplung. Verknappungen eher unwahrscheinlich, da üblicher-
weise entweder zuvor neue Rohstoffvorkommen ge-
Der Einsatz von Elektrolyseuren zur Wasserstoffer- sichtet und erschlossen oder Rohstoffsubstitutionen
zeugung ermöglicht eine emissionsfreie Energiebe- eingeleitet werden. So gibt es bereits erste erfolgrei-
reitstellung, sofern diese mit Erneuerbaren-Energien- che Entwicklungen, diese kritischen Rohstoffe deut-
Strom betrieben werden. Ein wirtschaftlich konkur- lich effizienter zu nutzen oder sogar komplett zu sub-
renzfähiger Einsatz setzt aber günstige Strompreise stituieren.
voraus.
Elektrolyseure für die Versorgung von FCEV und
BEV bieten das Potenzial zur Optimierung der Strom- Kosten
versorgung. Durch gezielten Einsatz der Systeme ist
ein netzdienlicher Betrieb möglich. Die Kosten für die Nutzung von BEV und FCEV
werden derzeit von den Anschaffungskosten
dominiert. Da die Kostenreduktion durch Serienfer-
tigung für Batteriesysteme weiter fortgeschritten ist
Kritische Rohstoffe
als für Brennstoffzellensysteme, sind diese aufgrund
der späteren Markteinführung zurzeit wirtschaftlich
Im Bereich „Elektromobilität“ gelten Lithium, Nickel
benachteiligt.
und Kobalt für die Batterie und Platin für die Brenn-
stoffzelle sowie Seltenerdmetalle für den Elektromo- Mit Aufnahme der Serienfertigung auch bei Brenn-
tor als sogenannte kritische Rohstoffe. stoffzellensystemen sind für Fahrzeuge mit höheren
Energie- bzw. Reichweitenanforderungen bei der
Zur Vermeidung von Rohstoffverknappungen oder
Anschaffung Kostenvorteile für das Brennstoffzellen-
Preissteigerungen müssen die Förderkapazitäten aller
fahrzeug zu erwarten. Größere FCEV-Fahrzeuge wie
genannten kritischen Rohstoffe erhöht werden, insbe-
SUVs sollten hierbei anfangs Kostenvorteile haben,
sondere die für Lithium und Kobalt. Dies erfolgt bes-
da vergleichbare BEV entsprechend große Batterien
tenfalls in Form einer gesteigerten Recyclingrate, die
benötigen. Bei kleineren Fahrzeugen ist von einer
besonders für Lithium de facto im technischen Maß-
etwas späteren Kostenparität auszugehen.
stab noch nicht existiert.
Auch würde ein verstärktes Recycling insbesondere
das Risiko von strukturellen Verknappungen mindern, Offene Punkte
die vor allem bei Sekundärmetallen auftreten können,
da deren Minenproduktionsmenge nur vom Primär- Die Analysen im Rahmen dieser Studie zeigen, dass
metall abhängt. Dies betrifft vor allem Kobalt und zu verschiedenen Punkten nicht ausreichende Infor-
teilweise Platin. In gleicher Weise würden monopol- mationen vorliegen oder vorliegende Informationen
artige Strukturen in den Bereichen „Minenprodukti- teilweise nicht konsistent sind. Dies spricht für einen
on“ und „Rohstoffreserven“, wie es sie z. B. für Sel- weitergehenden Forschungsbedarf. Insbesondere sind
tenerdmetalle (China), für Platin (Südafrika) und für hiervon die Themenblöcke „Nebensysteme“, „Le-
Kobalt (Kongo) gibt, abgemildert und langfristig benszyklusanalysen“, „Lebensdauer der Systeme“
aufgebrochen. sowie „Serienproduktionsprozesse für deren Kompo-
nenten“ betroffen.
Nach heutigem Stand würden, wenn überhaupt, nur
die Rohstoffreserven an Kobalt und Nickel für eine
www.vdi.de12 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
1 Einführung
Die Reduzierung der Treibhausgasemissionen ist Bord gerade die Menge Kohlendioxid freigesetzt
oberstes Ziel der globalen Klimapolitik. Fossile Ener- wird, die bei der Herstellung benötigt wird, gelten
gieträger müssen hierzu in allen Sektoren durch er- diese Kraftstoffe als klimaneutral. Als vorteilhaft ist
neuerbare Energien ersetzt werden. Im Verkehrssektor hierbei zu werten, dass das vielfältig diskutierte
sind elektrische Antriebe ein wichtiger Lösungsweg. Reichweitenproblem, insbesondere in Verbindung mit
Sie zeichnen sich durch die im Vergleich zum Ver- Batteriesystemen, aufgrund der mit den heutigen
brennungsmotor sehr hohe Effizienz aus und ermögli- Kraftstoffen vergleichbaren Energiedichte nicht mehr
chen den Einsatz von Strom aus Windkraft und Foto- zur Diskussion stehen würde. Nachteilig ist jedoch der
voltaik. Dies ist von großer Bedeutung, da der Anteil schlechtere Wirkungsgrad der gesamten Kette durch
der biogenen Energieträger begrenzt ist und die hier- die zusätzlichen Wandlungsverluste bei der Herstel-
für erforderlichen Agrarflächen mit der Nahrungsmit- lung dieser Kraftstoffe sowie durch den schlechteren
telherstellung im Wettbewerb stehen. Weiterhin ist Wirkungsgrad der Verbrennungsmotoren. Außerdem
beim Straßenverkehr die lokale Emissionsfreiheit der bleiben die lokalen Emissionen erhalten. Darüber
elektrischen Antriebe von großer Bedeutung. Nur so hinaus sind die Produktionsanlagen für synthetische
lassen sich die lokalen Emissionen – einschließlich Kraftstoffe mit hohen Investitionen verbunden, da sie
Lärm – nachhaltig reduzieren und die Lebensqualität eine CO2-Bereitstellung, Wasserstoffproduktion und
in den Ballungszentren deutlich verbessern. Produktsynthese umfassen.
Zur Elektromobilität zählen grundsätzlich alle Fahr- Das Thema klimaneutrale Mobilität spielt (in naher
zeugsysteme mit elektrischen Antriebssystemen. Sie Zukunft) eine wichtige Rolle sowohl im Luft-, Schie-
sind in unterschiedlicher technischer Ausprägung nen-, Schiff- als auch Straßenverkehr. Der Straßen-
verfügbar. Neben den derzeit intensiv diskutierten verkehr beinhaltet hierbei die Bereiche Personen- und
Batteriefahrzeugen, insbesondere solche mit Lithium- Lastkraftwagen (Pkw und Lkw), Busse, Fahrräder
Ionen-Batterien, zählen hierzu auch Systeme, die sowie im weiteren Sinne auch Flurförderfahrzeuge
Wasserstoff als Energieträger nutzen. Wasserstoff und Gabelstapler.
kann per Elektrolyse – vorzugsweise mit erneuerba-
rem Strom – gewonnen und mittels Brennstoffzellen Die folgenden Ausführungen konzentrieren sich auf
(typischerweise Niedertemperatur-Polymer-Elektro- batterieelektrische Fahrzeuge sowie Fahrzeuge mit
lyt-Brennstoffzellen, kurz PEMFC) an Bord der Fahr- Brennstoffzellenantrieb. Ziel ist es aufzuzeigen, wel-
zeuge wieder in elektrische Energie umgewandelt che Konsequenzen aus der Nutzung der unterschiedli-
werden. Im Unterschied zu Batteriefahrzeugen, bei chen Technologien resultieren können. Dabei werden,
denen die elektrische Energie in Batterien gespeichert dem Kenntnisstand entsprechend, die Vor- und Nach-
wird, wird bei Brennstoffzellenfahrzeugen der Was- teile der einzelnen Entwicklungen dargestellt.
serstoff heute üblicherweise in Druckbehältern bei
hohen Drücken gespeichert. Diese Technik hat sich Neben der bereits angesprochenen Möglichkeit, er-
gegenüber früher angedachten Speichersystemen mit neuerbare Energien nutzen zu können, ist von Rele-
tiefkaltem flüssigem Wasserstoff oder Methanol ba- vanz, dass sich insbesondere Elektrolyseure, mit de-
sierten Systemen mit H2-Reformer durchgesetzt. nen der Wasserstoff aus erneuerbarem Strom gewon-
nen wird, für eine umfassende Systemintegration
Parallel zu den Elektrofahrzeugen arbeitet die Öl- und eignen. Neben der Nutzung von Strom- und Gasnet-
Kraftfahrzeugindustrie an Systemen, die synthetische zen zum Transport von elektrischer Energie und Was-
Kraftstoffe – flüssig oder gasförmig – als Energieträ- serstoff zählen hierzu auch Maßnahmen, die die Nut-
ger für Verbrennungsmotoren nutzen. Sie dienen als zung dieser Systeme zur Flexibilisierung des Energie-
Ersatz der fossilen Produkte und werden über regene- angebots als auch der Energienachfrage ermöglichen.
rativ gewonnenen Wasserstoff sowie Kohlendioxid Auch bietet sie die Möglichkeit, bei lokal vorhande-
z. B. aus der Luft, biogenen Quellen oder industriellen nem Bedarf Wärme bereitzustellen, die bei der Elekt-
Prozessen gewonnen. Da bei der Verbrennung an rolyse als Nebenprodukt anfällt.
www.vdi.deVDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 13
2 Marktentwicklung von
Brennstoffzellenfahrzeugen
H2 als Energieträger und Brennstoffzellen als Ener- Fahrstunden [9] bzw. 25.000 Fahrstunden [10] errei-
giewandler für den mobilen Bereich wurden in zahl- chen, und bei zahlreichen Projekten konnte ein positi-
reichen Projekten untersucht, bewertet und realisiert. ves Fazit gezogen werden: „All of these projects have
Hierbei hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass H2- proven that fuel cell buses can operate with the same
Brennstoffzellenlösungen erhebliche Marktanteile bis flexibility as diesel buses without compromising the
2050 erreichen können [1]. Begründet liegt dies in der productivity of public transport“ [11]. Eine deutliche
leichten Handhabung der Fahrzeuge, der großen Reduzierung der Anschaffungskosten ist in den letz-
Reichweite sowie der Erfüllung der technischen Her- ten Jahren ebenso zu verzeichnen [12; 13].
ausforderungen.
Aufgrund der zahlreichen Anwendungsfälle ist es
nicht verwunderlich, dass die Bedeutung der Brenn-
2.1 Anwendungspotenziale stoffzellentechnologie, insbesondere im mobilen Be-
reich in Nordamerika und Asien, deutlich wächst [14].
Für elektrisch angetriebene Fahrzeuge gibt es einen Diese Wachstumsraten werden auch zu einem Anstieg
großen Markt. So werden bereits heute beispielsweise der Beschäftigten im Brennstoffzellenbereich führen.
im Schichtbetrieb von Logistikunternehmen
elektrisch- oder gasbetriebene Gabelstapler genutzt.
Um dort die Auslastung noch weiter zu erhöhen, wer- 2.2 Absatzentwicklung
den heutzutage bereits sehr schnell wieder zu betan-
kende Brennstoffzellen-Gabelstapler eingesetzt. So In den letzten Jahren ist ein stark wachsender Absatz
wird der größte Marktanteil von brennstoffzellenbe- für sämtliche Elektromobilitätsvarianten zu verzeich-
triebenen Fahrzeugen mit ca. 65 % bei Gabelstablern nen (Bild 1). Er beläuft sich derzeit auf etwa 1 % des
im Jahr 2050 gesehen [1]. Brennstoffzellen- globalen Markts [15]. Verglichen untereinander liegen
Gabelstaplern wird bereits heute die vollständige die BEV-Pkw-Neuzulassungen mit gut 750.000 Fahr-
technische Reife, TRL 9, und Massenmarkteignung zeugen alleine im Jahr 2017 im Vergleich zu PHEVs
attestiert [1]. Allein in den USA wurden seit 2009 und FCEVs um den Faktor 2 bzw. 230 höher. Den
über 16.000 [2] Brennstoffzellen-Gabelstapler be- größten Absatzmarkt bildet die Volksrepublik China,
schafft bzw. bestellt und bei verschiedensten Endkun- in dem bereits jedes zweite BEV verkauft wird.
den kommerziell erfolgreich eingesetzt [3; 4]. Gegen-
über batteriebetriebenen Gabelstaplern ergeben sich Die große Absatzdiskrepanz im Bereich der Null-
klare Vorteile aufgrund der längeren Lebensdauer des Emissionen-Fahrzeuge (engl. zero emission vehicles
Brennstoffzellenstacks, der größeren Reichweite, (ZEVs)) ist auf einen früheren (Massen-)Markteintritt
deutlich schnelleren Betankungszeiten und geringeren der reinen Batteriefahrzeuge im Vergleich zu Brenn-
Betriebskosten [5]. Daneben überzeugen die Brenn- stoffzellenfahrzeugen, deutlich mehr Fahrzeugmodel-
stoffzellen-Gabelstapler auch durch ein unproblemati- len und einen tendenziell besseren Ausbaugrad der
sches und sicheres Handling [5]. Ladeinfrastruktur zurückzuführen. Dennoch haben
auch die FCEV-Neuzulassungen in den derzeit drei
Auch Brennstoffzellen-Autos (FCEV) haben eine Absatzmärkten USA (Kalifornien), Japan und Europa
vollständige technische Reife erreicht [6]. Dies bestä- rasant zugenommen (Bild 1).
tigen praktische Erfahrungen: Bereits 2011 hatten im
Rahmen der F-Cell World Drive drei B-Klasse F-Cell Aus Verbrauchersicht spielen die Anschaffungskosten
von Mercedes Benz in 125 Tagen rund um die Welt eine entscheidende Rolle. In Bezug auf die Marktent-
erfolgreich 30.000 km zurücklegen können [7; 8]. wicklungen von BEV, PHEV und FCEV kommt der
Mittlerweile sind Brennstoffzellenautos auch von Umstand zum Tragen, dass Batteriefahrzeuge kleiner
Honda, Toyota und Hyundai [6] kommerziell erhält- und kostengünstiger gebaut werden können. Die sin-
lich. kenden Kosten für Li-Ionen-Batterien unterstützen
dies; mit unter 200 €/kWh nähern sie sich inzwischen
Im Vergleich zu Brennstoffzellen-Autos wird für den Rohstoffkosten an. Beigetragen zu dieser Kosten-
Brennstoffzellen-Busse zukünftig ein höherer Markt- senkung haben die Anstrengungen verschiedener
anteil erwartet. Zudem ist mit TRL 8 nahezu die voll- Hersteller (Tesla, Samsung, LG etc.), die Batteriezel-
ständige technische Reife bestätigt [6]. Im realen len für Elektromobile auf den Markt bringen.
Fahrbetrieb konnten Brennstoffzellen-Busse bereits
DOE (U.S. Department of Energy)-Ziele von 20.000
www.vdi.de14 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
Was die derzeitige Preissituation bei ZEV betrifft, 490 km mit einem Preis von 74.500 US$ (unverbind-
sind in Tabelle 1 Indikatoren für die drei Hauptmärkte liche Preise der Hersteller). Dies entspricht einer
Deutschland, USA und Japan aufgezeigt. In den USA Kaufpreisersparnis von rund 16.000 US$ bzw.
ist beispielsweise der Toyota Mirai mit 58.365 US$ 160.000 km Fahrstrecke (bei 10 $/kgH2), etwa ver-
bei einer Reichweite von knapp 620 km gelistet und gleichbar mit einer typischen Pkw-Lebensdauer.
der Tesla Model S (75 kWh) bei einer Reichweite von
Bild 1. BEV, FCEV und PHEV Neuzulassungen von 2014 bis 2017 [16; 17]
(Quelle: Universität Hannover)
Tabelle 1. Aktuelle Listenpreise für drei repräsentative ZEV [18] (Quelle: Fraunhofer ISE)
Deutschland USA Japan
€ USD € Jap. Yen €
Toyota Mirai 78.600 MSRP of 58.365 48.923 7.236.000 55.500
(+ 895 for delivery) (49.652)
Tesla Model S75 69.999 74.500 62.319 9.600.000 73.632
(71.999 ohne
Umweltprämie)
Nissan Leaf 40 kWh 31.950 29.900 25.136 3.150.360 24.195
(Ausstattung ZE1) (22.490 after
(18.850)
federal tax credit)
www.vdi.deVDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 15
3 Bewertungskriterien der Elektromobilität-
Technologien
Eine objektive Bewertung der Technologien erfordert Auf der Basis dieser Kriterien wurden für die Katego-
die Erfassung aller wesentlichen Einflussgrößen. rien
Hierzu zählen neben den politischen Zielstellungen
und der Stärkung des Wirtschaftsstandorts Deutsch- politische Zielstellungen,
land die Marktentwicklung, technische Aspekte, Fra-
gen zur Infrastruktur, Möglichkeiten der emissions- Tanken und Reichweite,
freien Mobilität, die Verfügbarkeit von Rohstoffen,
Infrastruktur,
Lebensdaueranalysen (Life Cycle Cost) sowie der
Kundennutzen. Dieser Studie liegen deshalb die in Energiebeschaffung,
Bild 2 aufgeführten Bewertungskriterien zugrunde.
Sie werden in Abschnitt 4 erläutert und soweit mög- kritische Rohstoffe und
lich detailliert bewertet.
Kosten (TCO)
unter Berücksichtigung des Kundennutzens Kernaus-
sagen erarbeitet, die in den nachfolgenden Abschnit-
ten detaillierter ausgeführt werden.
Bild 2. Bewertungskriterien der Elektromobili-
tät
www.vdi.de16 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
4 Elektromobilität – Kernaussagen und
Argumente
Die Verordnung 333/2014 [21] fordert bis 2021
4.1 Politische Zielstellungen eine Reduktion der durchschnittlichen CO2-
Emissionen von Neuwagenflotten auf 95 g CO2
Kernaussagen pro km. Dies entspricht einem Benzinverbrauch
von etwa vier Litern pro 100 Kilometer.
FCEV und BEV sind lokal emissionsfrei. Dar-
über hinaus haben sie das Potenzial, die politi- Die Richtlinie 2014/94 „Infrastruktur für alterna-
schen Zielsetzungen der Bundesregierung in tive Kraftstoffe“ [22] sieht die stärkere Verbrei-
Bezug auf die Senkung der CO2-Emissionen tung von umweltverträglichen, alternativen Kraft-
zu unterstützen, wenn regenerativer Strom zum stoffen vor. Für teil- und vollelektrische Fahrzeu-
Einsatz kommt. ge ist die Infrastruktur mit nicht diskriminieren-
dem Zugang zu öffentlicher Ladeinfrastruktur
Die Elektromobilität fördert den Einsatz er- auszubauen.
neuerbarer Energien im Verkehr und unter-
stützt die Bemühungen zur Sektorenkopplung. Diese Zielstellungen spiegeln sich in unterschiedli-
chen Aktivitäten der EU-Mitgliedsländer wider. Unter
Mit der Herstellung von Brennstoffzellen und anderem haben Großbritannien [23] und Frankreich
Brennstoffzellensystemen inklusive zugehöri- [24] angekündigt, bis 2040 den Verkauf von Fahrzeu-
ger Komponenten könnte die Wertschöpfung gen mit fossilen Brennstoffen zu verbieten. Der
in Deutschland gesteigert werden. schwedische Autohersteller Volvo plant, ab 2019 nur
noch Hybrid- oder Elektroautos zu produzieren und
anzubieten [111]. Auch VW hat im Dezember 2018
angekündigt ab 2026 die letzte Produktion auf einer
Verbrenner-Basis zu starten [112].
Ökologie/emissionsfreie Mobilität
Speziell für Deutschland sieht die Bundesregierung in
Die Einführung der Elektromobilität wird durch die der Elektromobilität einen Beitrag zur Vereinigung
führenden Industrienationen unterstützt. Die Politik von technologischem Fortschritt und Umwelt-/Klima-
forciert dies durch Gestaltung entsprechender Rah- schutz. Sie bietet die Chance, die Spitzenposition der
menbedingungen. deutschen Unternehmen auf dem Weltmarkt zu stär-
ken und den wirtschaftlichen Aufschwung in Deutsch-
Die Europäische Kommission unterstützt mit ihren land zu unterstützen. Großflächige Fahrverbote in den
Klimazielen die Verringerung der Treibhausgasemis- Städten könnten sich auf diese Weise vermeiden las-
sionen im Verkehrsbereich. Der Umwelt- und Ener- sen [25]. Sie unterstützt deshalb die Einführung der
gieplan, den die Kommission im Jahr 2014 vorgestellt Elektromobilität u.a. mit Kaufprämien für den Erwerb
hat, sieht bis zum Jahr 2030 eine Verringerung des von Elektrofahrzeugen, mit der Förderung des Aus-
Ausstoßes an Treibhausgasen um 40 % vor (ausge- baus einer Ladeinfrastruktur sowie der Beschaffung
hend vom Stand im Jahr 1990). Der Anteil der erneu- von Elektrofahrzeugen für den öffentlichen Bereich
erbaren Energien soll bis dahin um 27 % gesteigert [26].
und eine Verbesserung der Energieeffizienz (z. B.
Verringerung von thermischen Verlusten) um eben- Aussagen im Koalitionsvertrag der neuen Bundesregie-
falls 27 % erreicht werden [19]. rung [27] unterstützen dies. Die Regierung fühlt sich
hiernach mit ihrer Mobilitätspolitik dem Pariser Klima-
Speziell für den Verkehrsbereich fördert die EU die schutzabkommen und dem deutschen Klimaschutzplan
Einführung innovativer Antriebssysteme durch ihr 2050 verpflichtet. In Bezug auf Wasserstoff und
Weißbuch und entsprechende Richtlinien: Brennstoffzellen sollen das Nationale Innovationspro-
gramm und die Mobilitäts-/Kraftstoffstrategie (MKS)
Das Weißbuch Verkehr [20] geht davon aus, dass technologieoffen weiterentwickelt und die Mittel zu
sich mittels Elektromobilität der Anteil konventi- deren Umsetzung erhöht werden. Die Sektorenkopp-
oneller Fahrzeuge in der Stadtlogistik halbieren lung soll vorangebracht und der regulative Rahmen so
lässt. Bis 2030 sollte sich eine CO2-freie städti- verändert werden, dass „grüner Wasserstoff“ und
sche Logistik erreichen lassen. Wasserstoff als Nebenprodukt von industriellen Pro-
zessen als Kraftstoff genutzt oder für die Herstellung
www.vdi.deVDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge 17
konventioneller Kraftstoffe (z. B. Erdgas/CH4) ver- Ein Schwerpunkt der japanischen Aktivitäten
wendet werden kann. liegt bei der Einführung von Wasserstoffantrie-
ben. Schon frühzeitig hat Japan Bestrebungen un-
In Bezug auf die Elektromobilität (batterieelektrisch, terstützt, Wasserstoff als Energieträger zu för-
Wasserstoff und Brennstoffzelle) sollen bestehende dern. Unter anderem will die Regierung von To-
Förderprogramme, soweit erforderlich, über das Jahr kyo, das Tokyo Metropolitan Government
2020 hinaus aufgestockt und ergänzt werden. Der (TMG), mit einem Investitionsvolumen von
Aufbau einer flächendeckenden Lade- und Tankinfra- 348 Mio. US$ die Errichtung von Tankstellen
struktur soll intensiviert werden. Bis 2020 sollen und anderer H2-Infrastrukturelemente bis 2020,
mindestens 100.000 Ladepunkte für Elektrofahrzeuge dem Jahr der olympischen Spiele, fördern [31].
zusätzlich zur Verfügung stehen, hiervon mindestens
ein Drittel als DC-Schnellladesäulen. Für eine nach- Aus Sicht des japanischen METI (Ministry of
haltige Umstellung der Busflotten auf alternative Economy, Trade and Industry) bestehen bei den
Antriebe sind neben den Fahrzeugen auch geeignete Käufern drei Vorbehalte gegen Elektroautos: der
Ladeinfrastrukturen sowie Betriebsmanagementsys- hohe Preis, die geringe Reichweite und die nied-
teme geplant. In Bezug auf Wasserstoff hat die Bun- rige Zahl von Ladestationen. Hier setzt die staat-
desregierung bereits 2016 das zweite Regierungspro- liche Förderung an. Der hohe Preis wird durch
gramm Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie den teilweisen bis vollständigen Verzicht auf
2016 bis 2026 beschlossen. Das Programm ist Be- Steuern für Elektroautos verringert. Durch Sub-
standteil der Innovationsstrategie der Bundesregie- ventionen sinkt der Kaufpreis um durchschnitt-
rung und Baustein eines nachhaltigen Energiesystems lich 5 %.
[29].
Zur Steigerung der Reichweite werden die Auto-
Der Blick auf andere Regionen bestätigt das globale hersteller ermutigt, leistungsfähigere Batterien zu
Interesse an der Elektromobilität: entwickeln. Der Staat unterstützt dies, indem die
Subvention für den Kaufpreis mit der Reichweite
In Europa sind die Aktivitäten der französischen steigt. Für jeden Kilometer Reichweite zahlt der
Regierung erwähnenswert [29]. Der Wasser- Staat 1.000 Yen (7,40 Euro).
stoffentwicklungsplan soll die Industrie in die
Lage versetzen, im globalen Wettbewerb eine In Bezug auf die Ladeinfrastruktur fördert die
führende Rolle zu spielen. Bis 2023 sollen bis zu Regierung den Bau von Ladestationen mit über
5.000 H2-Fahrzeuge auf die Straße gebracht wer- 55 Mrd. Yen (407 Mio. Euro). Die regionalen
den (derzeit 250 Fahrzeuge). Für die H2-Versor- Präfekturen stellen ebenfalls Gelder dafür bereit.
gung der Fahrzeuge ist die Errichtung von 100 Ende März 2017 waren bereits rund 40.000 La-
Tankstellen vorgesehen, verglichen mit derzeit destationen verfügbar [32]. Zusätzlich will die
20. Zielmarkt für die H2-Anwendung ist vorran- Stadtregierung der Hauptstadt Tokio ab diesem
gig der kommerzielle Sektor. Angestrebt wird der Jahr den Bau von Ladestationen für Apartment-
Einsatz von Wasserstoff in Taxis, Baumaschinen, blocks und Hochhäuser subventionieren.
Stadtbussen, Reisebussen, Lastwagen und Eisen-
bahnen. USA: Obwohl die Administration unter Präsident
Donald Trump den Klimawandel bezweifelt und
Insbesondere China strebt eine schnelle Elektri- höhere CO2- und Stickoxidemissionen für US-
fizierung des Verkehrssektors an. Bereits 2016 Neuwagen zwischen 2022 und 2025 erlaubt [33],
verfügt China über 500.000 Elektrofahrzeuge und sprechen sich dutzende US-Städte für die Reduk-
Plug-in-Hybride [30]. Bis 2025 will die chinesi- tion der Treibhausgasemissionen und für mehr
sche Regierung den Anteil an E-Fahrzeugen auf Klimaschutz aus.
7 Mio. steigern. Laut dem Vorstandsvorsitzenden
von BYD, Wang Chuanfu, will China den Ver- Dreißig Städte, darunter auch New York City und
kehr im Land bis 2030 vollständig elektrifizieren. Chicago wollen in den kommenden Jahren insge-
Öffentliche Busse könnten bis 2020 vollständig samt 114.000 Elektrofahrzeuge im Wert von
elektrifiziert sein, Lkw und Sonderfahrzeuge bis 10 Milliarden US-Dollar für den städtischen Ein-
2025. Als problematisch könnten sich die derzeit satz anschaffen. Dazu zählen Polizeifahrzeuge,
fehlenden Batterien herausstellen. Experten er- Straßenkehrmaschinen oder Müllwagen. Die Zahl
warten hier bis 2020 einen Engpass. der Bestellungen entspricht rund drei Viertel des
gesamten Elektroautoabsatzes in den USA im
Japan hat bei der Weltklimakonferenz 2015 in vergangenen Jahr.
Paris verkündet, bis 2030 einen Marktanteil von
20 % bis 30 % für Elektroautos und Plug-in- Nach Aussagen des Umweltbeauftragten von Los
Hybride anzustreben. Angeles werden die Städte weiterhin führend sein
beim Umgang mit dem Klimawandel, unabhän-
www.vdi.de18 VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge
gig von Entscheidungen der US-Regierung. Los in Deutschland und Europa. Für Europa zeigt dies
Angeles begann bereits Ende 2015 im Verbund z. B. die vom „Fuel Cell and Hydrogen Joint Under-
mit drei anderen Städten mit den Anfragen nach taking“ recherchierte Übersicht zur Wertschöpfungs-
Elektroautos. Ursprünglich lautete die Anfrage kette von Brennstoffzellensystemen [35]. In der Erhe-
auf 24.000 Elektroautos, seither haben sich 26 bung gaben fast 50 Unternehmen an, im Bereich
andere Städte angeschlossen. Brennstoffzellenfahrzeuge außer Brennstoffzellenbus-
se aktiv zu sein, davon ca. 15 als Fahrzeugintegrator.
Weitere Unterstützung erhält die Elektromobilität Im Bereich der Brennstoffzellenbusse gibt es mit
durch eine Kampagne von 16 Autoherstellern und insgesamt mehr als 80 aktiven Firmen sogar noch
7 US-Bundesstaaten [34]. Sie investieren mehr Marktteilnehmer, wovon sich mehr als 30 als
1,5 Mio. US$ für Anzeigen wie „Drive Change, Fahrzeugintegratoren bezeichnen.
Drive Electric“, mit denen die Vorzüge von
Elektroautos herausgestellt werden. Zu den Au- Der Brennstoffzellenbranchenführer Deutschland
tobauern gehören Daimler, BMW, Volkswagen, 2018 der Arbeitsgemeinschaft Brennstoffzellen im
Toyota und General Motors, zu den Bundesstaa- VDMA [36] listet insgesamt 57 aktive Unternehmen
ten zählen u.a. Connecticut, Massachusetts und und Einrichtungen im Bereich der Brennstoffzellen
New York. Trotz hoher Investitionen der Auto- unabhängig von der Anwendung. Diese haben gemäß
bauer läuft der Absatz bisher aber eher zögerlich. den dort aufgeführten Ergebnissen einer Industriebe-
fragung im Jahr 2017 einen Umsatz in Deutschland
von 190 Mio. Euro erzielt.
Wertschöpfung
Besonders stark sind Deutschland und Europa im
Deutschland ist in der Automobilindustrie mit extrem Bereich der Komponenten und Materialien aufgestellt.
hoher Fertigungstiefe und kompletter Wertschöp- So hat eines der führenden Unternehmen für Elektro-
fungskette vertreten. Diese Situation könnte sich beim katalysatoren seinen Hauptsitz in Europa und zwei
Einsatz von BEV tiefgreifend ändern, da derzeit die weitere bedeutende Hersteller sitzen in Deutschland.
Batteriefertigung vorrangig in den USA und in asiati- Ebenso sitzt ein weltweit führender Hersteller von
schen Ländern etabliert ist. Elektrolytmembranen in Europa. Europaweit gibt es
weiterhin mehrere Hersteller von Membran-
Im Bereich der elektrotechnischen Komponenten hat Elektrodeneinheiten, von denen ein führender Herstel-
auch Deutschland hervorragende Kompetenzen. Offen ler seinen Sitz in Deutschland hat. Gleiches gilt für
ist die Situation bei der Fertigung von Brennstoffzel- Bipolarplatten und Dichtungstechnik. In den letzten
len. Hier hat die Automobilindustrie lange auf kanadi- Jahren haben sich in Europa darüber hinaus mehrere
sches Know-how zurückgegriffen, dabei aber auch Zulieferer für Brennstoffzellenstapel für den automo-
stets parallele Entwicklungen vorangetrieben. In bilen Antrieb etabliert. Maßgeblich waren hier sicher-
Nordamerika und Japan haben sich Hersteller von lich die Autostack- und Auto-Stack-Core-Aktivitäten
Brennstoffzellenstapeln schon etablieren können, in des „Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking“
Deutschland wird mit „Autostack Industrie“ ein Pro- (FCH-JU), die aktuell im Rahmen des von Bundesmi-
jekt zur Vorbereitung der Massenfertigung im Rah- nisterium für Wirtschaft und Energie finanzierten
men des NIP gefördert (Daimler, VW, Ford und ande- Vorhabens „Autostack Industrie“ weitergeführt wer-
re Partner). den. Gleichfalls stark vertreten ist die Industrie im
Bereich Tank- und Hochdrucktechnologie.
Brennstoffzellenelektrische Antriebe umfassen im
Wesentlichen die Baugruppen elektrische Antriebe Insgesamt bieten brennstoffzellenelektrische Antriebe
mit Elektromotor, Leistungselektronik, Pufferbatterie, für Deutschland und Europa das Potenzial, einen
Stromerzeugung mit dem Brennstoffzellenstapel, hohen Anteil der Wertschöpfung darstellen zu kön-
Peripheriekomponenten für Anodenversorgung (Was- nen, mit entsprechenden Auswirkungen z. B. auf den
serstoff), Kathodenversorgung (Luft), Kühlung und Arbeitsmarkt. Derzeit sind keine Bauteile oder Kom-
Stromeinspeisung in den Fahrzeugzwischenkreis ponenten bekannt, für die bereits eine marktdominie-
sowie den Wasserstoffspeicher einschließlich Sicher- rende Stellung nicht europäischer Firmen etabliert
heits- und Betankungsvorrichtungen. wäre. Allerdings ist die Produktionskapazität weltweit
auch noch sehr beschränkt, da es im Gegensatz zur
Jede dieser Baugruppen umfasst wiederum eine grö- Batterie, wo Zellen z. B. auch im großen Umfang für
ßere Zahl von Bauteilen, für deren Herstellung zum den IKT- und Verbrauchermarkt produziert werden,
Teil spezielle Materialien benötigt werden, sodass für die meisten Brennstoffzellenkomponenten keine
sich analog zur heutigen Antriebstechnik eine struktu- alternativen Absatzmärkte gibt.
rierte Wertschöpfungskette aufbauen lässt. Dabei gibt
es gerade im Bereich der Material- und Komponen-
tenzulieferer schon eine Reihe aktiver Unternehmen
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