Wasserstoffbetankung von Schwerlastfahrzeugen - die Optionen im Überblick - H2 Mobility
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08/2021
Wasserstoffbetankung von
Schwerlastfahrzeugen –
die Optionen im Überblick
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2 Wir bereiten den Weg: Unsere Wasserstoff- infrastruktur ermöglicht emissionsfreien Transport von Gütern und Personen.“Nikolas Iwan, CEO H2 MOBILITY
3
INHALT
01 EINLEITUNG 4 06 WASSERSTOFFBETANKUNG
6.1 KOMPRIMIERTER GASFÖRMIGER WASSERSTOFF 16
02
(CGH2) 350 BAR
SICHERHEIT 5 6.2 KOMPRIMIERTER GASFÖRMIGER WASSERSTOFF 20
(CGH2) 700 BAR
03
6.3 SUBCOOLED LIQUID HYDROGEN (SLH2) 24
WASSERSTOFF-BETANKUNGSINFRASTRUKTUR 6.4 KRYOKOMPRIMIERTER WASSERSTOFF (CCH2) 28
3.1 STATUS QUO WASSERSTOFFTANKSTELLEN 7
07
3.2 DIE ZUKUNFT DER WASSERSOFF-BETANKUNGS- 7
INFRASTRUKTUR BEWERTUNG DER TECHNOLOGIEN
7.1 TECHNOLOGISCHER REIFEGRAD 31
04 SCHWERE BRENNSTOFFZELLENNUTZFAHRZEUGE
7.2 KOSTENBEWERTUNG DER INFRASTRUKTUR 33
08
4.1 STATUS QUO UND ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNG 10
ZUSAMMENFASSUNG 36
05 WASSERSTOFFWERTSCHÖPFUNGSKETTE
5.1 WASSERSTOFFTRANSPORT 12 09 ÜBER H2 MOBILITY 37
5.2 WASSERSTOFFSPEICHERUNG 13
10 ABKÜRZUNGEN 38
01 4
WASSERSTOFF IST DER „GAME CHANGER“
Wir alle streben auf Basis von erneuerbaren Energien einer sauberen Zukunft Reichweiten von 1.000 km und mehr pro Tankfüllung üblich. Bei einem durch-
entgegen, in der Fortschritt, wirtschaftlicher Wohlstand, Arbeitsplätze und schnittlichen Verbrauch von 7 bis 8 kg Wasserstoff pro 100 km ist also ein
Gesundheit erhalten bleiben oder sogar zunehmen. Wasserstoff kann dabei Wasserstoffspeicher von mindestens 40 kg an Bord des Fahrzeugs erforderlich.
eine zentrale Rolle spielen, denn Wasserstoff macht es möglich, Wind-, Wasser- Zurzeit werden für die Betankung von MNF und SNF mit Betankungszeiten von
und Sonnenenergie unabhängig von Ort und Zeit der Erzeugung zu speichern. 10–15 min und Wasserstoffmengen von 40 bis 100 kg verschiedene Betankung-
Dies ist entscheidend für eine erfolgreiche Mobilitätswende. soptionen entwickelt – mit unterschiedlichen Vorteilen.
H2 MOBILITY baut und betreibt das erste flächendeckende Wasserstofftank- In diese Übersicht aufgenommen wurden die vier Optionen der Wasserstoff-
stellennetz in Deutschland und damit die Voraussetzung für eine elektromobile betankung, die derzeit bei mindestens einem Automobilhersteller und einem
Zukunft mit kurzen Betankungszeiten und hohen Reichweiten, sauber und Gaslieferanten bzw. Technologieunternehmen in der Entwicklung sind: Wasser-
leise. Während bisher die Hauptwachstumstreiber Personenkraftwagen (Pkw), stoffbetankung mit komprimiertem gasförmigem Wasserstoff bei 350 oder
leichte Nutzfahrzeuge (LNF) und Busse mit Brennstoffzellenantrieb (BZ) 700 Bar (compressed gaseous hydrogen, CGH2), kryokomprimiertem Wasser-
waren, werden zukünftig mittelschwere (MNF) und schwere Nutzfahrzeuge stoff (cryo-compressed hydrogen, CcH2) und ein neues Verfahren zur
(SNF) mit Brennstoffzellenantrieb (BZ) eine wichtige Rolle einnehmen. Betankung mit flüssigem Wasserstoff (subcooled Liquid Hydrogen, sLH2).
Deshalb hat H2 MOBILITY seine Strategie erweitert und baut nun auch für MNF
und SNF öffentliche Wasserstofftankstellen, wobei diejenige Betankungstechno- Das Ziel dieser Ausarbeitung besteht darin, einen umfassenden Überblick über
logie zum Einsatz kommt, die hinsichtlich der Kosten und der Verfügbarkeit die verschiedenen Betankungstechnologien zu geben sowie deren derzeitigen
am vielversprechendsten erscheint. Denn während die Betankungstechnologien Entwicklungsstand zu zeigen. Dargestellt werden technische Spezifikationen
für Pkw, LNF und Busse mit geringen Betankungsmengen bereits erprobt und der einzelnen Technologien für die Wasserstoffbetankung, ihre Vor- und Nachteile,
im Einsatz sind, befinden sich die Technologien für MNF und SNF mit höheren die Auswirkungen auf Design und Platzbedarf von Wasserstofftankstellen sowie
Betankungsmengen und kurzer Befüllzeit noch in der Entwicklung (mit Aus- eine erste Bewertung des technologischen Reifegrades und der Kostenfaktoren.
nahme der 350-Bar-Technologie für MNF). Die Analyse erfolgt ausschließlich aus der Infrastrukturperspektive von
H2 MOBILITY Deutschland und ist folglich auch als solche zu verstehen.
Für Logistikunternehmen, die über einen Umstieg auf alternative Antriebe
nachdenken, sind kurze Betankungszeit, uneingeschränkte Nutzlast, hohe
Reichweite sowie vergleichbare Kosten relevante Kriterien. 500 km pro Tank-
füllung gelten für die Logistikbranche als Mindestreichweite, denn heute sind
02 5
SICHERHEIT
Wasserstoff ist ein ungiftiges, geruchloses, nicht selbstentzündliches Gas, das Auf nationaler Ebene ist H2 MOBILITY Mitglied der Clean Energy Partnership
seit über 100 Jahren in der Gasindustrie verwendet wird. Wie bei allen Anwend- (CEP), eines Zusammenschlusses von Unternehmen entlang der gesamten
ungen, bei denen hohe Energieströme fließen, gibt es bestimmte Risiken, die Wasserstoff-Wertschöpfungskette. In der CEP werden technologische und
beachtet werden müssen. Deshalb hat das Thema Sicherheit bei H2 MOBILITY sicherheitstechnische Aspekte auf Basis der gemeinsamen Erfahrungen aller
oberste Priorität. Mitglieder gesammelt, um technische Standards für die Zukunft der Wasser-
stoffmobilität zu entwickeln. Basis für eine Betriebsfreigabe von allen
Um die sichere Handhabung, Beförderung und Lagerung von Wasserstoff Wasserstofftankstellen sind die CEP-Tests (DIN EN 17127), eine Kombination
sowie den sicheren Betrieb an den Stationen zu gewährleisten, wurden aus sich ergänzenden Leistungs- und Sicherheitstests, die in Zusammenarbeit
technische Standards und Sicherheitsverfahren etabliert. Alle technischen mit Wasserstofftankstellen- und Fahrzeugherstellern (engl. Original Equipment
Komponenten von Wasserstofftankstellen und -fahrzeugen werden regelmäßig Manufacturer - OEM) entwickelt wurden.
und umfassend auf die Einhaltung aller Vorschriften und auf die Gewährleistung
eines hohen Sicherheitsniveaus geprüft. Die „Technischen Regeln für die Be-
triebssicherheit für einen sicheren Bau und Betrieb von Wasserstofftank-
stellen (TRBS)“ gehören beispielsweise zu den relevanten Vorschriften in
Deutschland. H2 MOBILITY erfüllt bei Bau und Betrieb von Wasserstofftank-
stellen stets alle erforderlichen Zertifizierungs- und Sicherheitsvorgaben nach
Stand der Technik. Zusätzlich führt H2 MOBILITY ergänzende Prüfungen und
Tests für den sicheren Betrieb der öffentlichen Tankstellen durch. In Zusam-
menarbeit mit den H2 MOBILITY Shareholdern werden Störfälle während Bau
und Betrieb sowie potenzielle Auswirkungen auf die Fahrzeuge systematisch
analysiert, um mögliche Fehler frühzeitig zu erkennen und entsprechende
Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
Unsere Basisinfrastruktur für Wasserstoff-Pkw und leichte -Nutzfahrzeuge steht: jetzt werden wir Pionier auch für emissionsfreien Schwerlastverkehr.
03 7
WASSERSTOFF-BETANKUNGSINFRASTRUKTUR
3.1. Status Quo Wasserstofftankstellen Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur wurden Infrastruktur aufzubauen. Außerdem werden
Das Wasserstofftankstellennetz wächst weltweit. kleine Stationen („small“ = S, max. Durchsatz 200 kg Wasserstofftankstellen in der Nähe von wichtigen
Derzeit führt Asien mit 275 Wasserstofftankstellen, H2/Tag) und mittlere Stationen („medium“ = M, Logistik- und Verteilerzentren errichtet, um Kunden-
Europa folgt mit etwa 200, von denen sich fast max. Durchsatz 500 kg H2/Tag) errichtet. Derzeit anforderungen zu begegnen.
100 in Deutschland befinden. In Nordamerika sind betreibt H2 MOBILITY über 90 Tankstellen in
75 Wasserstofftankstellen in Betrieb, ca. 50 davon Deutschland und Österreich und ist damit der
in Kalifornien. größte Einzelbetreiber von Wasserstofftankstellen
weltweit.
AMERIKA EUROPA, MITTLERER OSTEN
90+ Pkw sowie LNF werden nach Stand der Technik mit
160+
7
700-Bar-CGH2 betankt, Busse mit 350-Bar-CGH2.
1
50+ Hamburg
Auch die Wasserstoffbetankung von MNF ist an ein- 24
230+ APAC igen H2 MOBILITY Wasserstofftankstellen bereits 1
möglich. Zurzeit wird der Wasserstoff hauptsäch- Berlin
Region 2
lich im gasförmigen Aggregatzustand angeliefert Rhein-Ruhr
7
9
3
und gespeichert. Einige Stationen werden zudem 14
Abb. 1 – Wasserstofftankstellennetz weltweit (2021) mit flüssigem Wasserstoff versorgt, der entsprech- 4
end in diesem Aggregatzustand gespeichert wird. 3
Frankfurt 92 H2 Stationen (700 bar)
a.M.
Das deutsche Wasserstofftankstellennetz 13 in Planung/Bau
Juni 2021
In den letzten Jahren wurde in Deutschland ein 3.2. Die Zukunft der
3
6
Nürnberg
Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur
9
flächendeckendes und zuverlässiges Wasserstoff-
5
3
tankstellennetz errichtet. Die Wasserstoff-Betan In Europa wird sich die künftige Wasserstoff- Stuttgart
8
7
kungstechnologie hat sich aus dem Forschungs- und Betankungsinfrastruktur mit der Fahrzeugnachfrage München 8
Entwicklungsstadium herausentwickelt zu einer und entsprechend den Kundenanforderungen
leistungsfähigen kommerziellen Anwendung mit entwickeln. Ziel muss sein, alle wichtigen Verkehrs-
hoher Verfügbarkeit für private und betriebliche korridore für die transeuropäische Wasserstoff- Abb. 2 – Wasserstofftankstellennetz
in Deutschland (2021)
Kunden. Für den ersten Hochlauf der öffentlichen logistik zu ertüchtigen und so eine internationale
03 8
WASSERSTOFF-BETANKUNGSINFRASTRUKTUR
Größe S M L 2XL
Maximaler
200 kg 500 kg 1,000 kg 4,000 kg
Wasserstoffdurchsatz/Tag
MNF, SNF
Fahrzeugklassen Pkw, LNF (Pkw, LNF, Busse), MNF (Pkw, LNF, Busse),MNF, SNF
(Pkw, LNF, Busse)
Durchschnittlicher
150 kg 350 kg 700 kg 2.500 kg
Wasserstoffdurchsatz/Tag
Jährliche Nachfrage 1-10 t > 100 t > 500 t > 900 t
Zapfpistolen 1 2 2-3 2-4
Platzbedarf 80-250 m2 200-350 m2 250-800 m2 abhängig von der H2-Technologie
Abb. 3 – Größendefinition Wasserstofftankstellen
Zahlreiche Akteure auf internationaler, europäischer und deutscher Ebene haben MNF und SNF auf Wasserstofftankstellen der Größen L bis XXL (Definition
sich zum Aufbau einer umfassenden Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur siehe Abb. 3). Eine Kombination von Nachrüstung und Netzerweiterung
verpflichtet. Dabei macht die zentrale Lage Deutschlands die transeuropäischen gestaltet sich aufgrund von Synergien wirtschaftlich günstig.
Routen zum integralen Bestandteil der hiesigen Transportinfrastruktur.
Die Nachrüstung von Stationen der Größe S auf Stationen der Größen M, L oder
Insbesondere die benötigten Wasserstoffmengen bei zeitgleicher Betankung sogar XXL ist technisch möglich. Jede Wasserstofftankstelle kann hinsichtlich
mehrerer schwerer Nutzfahrzeuge macht einen weiteren Ausbau des Wasser des Wasserstoffbedarfs, der Spitzenleistung und der Effizienz an spezifische
stofftankstellennetz – entweder durch Nachrüstung oder durch Neubauten – Kundenbedürfnisse angepasst werden.
unumgänglich. Dabei liegt der Fokus wegen der steigenden Nachfrage durch
03 9 WASSERSTOFF-BETANKUNGSINFRASTRUKTUR Es ist davon auszugehen, dass die künftige Zunahme von SNF-Betankung eine ist oder die Tankstelle neu gebaut werden muss. Darüber hinaus müssen bei XXL-Konfiguration mit einem durchschnittlichen Wasserstoffdurchsatz von einer möglichen Erweiterung der Wasserstofftankstelle die technologische 2,5 t/Tag notwendig macht. Bei einem angenommenen durchschnittlichen Machbarkeit und die wirtschaftlichen Auswirkungen berücksichtigt werden. Wasserstoffbedarf von 60 kg pro Betankung könnten so mehr als 40 Lkw pro Tag und Station betankt werden. Wenn keine besonderen Anforderungen an Welche Wasserstoff-Betankungstechnologien und welche Zulieferketten in Spitzenlasten gestellt werden, sind zwei Zapfsäulen je Station ausreichend. Zukunft bei H2 MOBILITY zum Einsatz kommen, ist von den Fahrzeugkonfi- Diese Konfiguration würde eine Betankung von bis zu acht SNF stündlich mit guration, dem Reifegrad der Technologien, den Gesamtkosten und den einer angestrebten Betankungszeit von 10 bis 15 Minuten ermöglichen. Die möglichen Synergien mit der bestehenden Wasserstofftankstelleninfrastruktur sorgfältige Prüfung des Platzbedarfs für eine Wasserstofftankstelle bildet die abhängig. Grundlage für die Entscheidung darüber, ob eine Aufrüstung der Station möglich
04 10
SCHWERE BRENNSTOFFZELLEN-NUTZFAHRZEUGE
4.1. Status Quo und zukünftige Entwicklung 1% 2% 6% 4%
1%
Brennstoffzellenfahrzeuge fahren bereits seit
Segmentanteil in 2% 14 %
einigen Jahren in mehreren Erdteilen. Während der 33 %
Deutschland an 53 %
Langzeittreiber der Pkw sein wird, verlagert sich 53 %
Brennstoffzellen-
Fahrzeugen 96 % 25 % 25 %
derzeit der Entwicklungsschwerpunkt des Brenn- Pkw
3% LNF (< 3,5 t)
stoffzellenantriebs auf schwere und mittelschwere
MNF (3,5 t-15 t)
Nutzfahrzeuge. Vor allem im Vergleich zu batterie- 6% 6% SNF (> 15 t)
6% 1%
11 % 7% Busse
elektrischen Fahrzeugen und ihrer Ladeinfrastruktur,
Prognose der 26 % 17 % 8%
die weiterhin Einschränkungen in Bezug auf Reich- Gesamtnachfrage 46 %
für Deutschland
weite, Nutzlast und Ladezeit verzeichnen, überzeu- 25 % 58 % 80 %
gt die Brennstoffzellentechnologie bei schweren
und kommerziell genutzten Fahrzeugen. Weltweit 3%
entwickeln, produzieren und verkaufen etablierte 2021 2025 2030
Fahrzeughersteller und Newcomer BZ-Fahrzeuge. 400 t/a 16.000 t/a 305.000 t/a
In den nächsten Jahren werden durch die anhal-
Abb. 4 – BZ-Fahrzeuge und Nachfrageentwicklung bis 2030
tende Forderung nach emissionsfreien Antrieben (Quelle: McKinsey (2021) & H2 MOBILITY)
der Markt und die Verfügbarkeit von BZ-Fahrzeu-
gen vor allem in Anwendungsfeldern mit Bedarf
für große Reichweite wachsen. Um den Fahrzeu-
ghochlauf zu gewährleisten, muss eine passende
Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur geschaffen
werden. Zwischen der Wasserstoff-Betankungs-
technologie und dem Wasserstoffahrzeug bestehen
wesentliche Wechselwirkungen, die eine gut koor-
dinierte Zusammenarbeit zwischen Infrastruktur-
betreibern und Fahrzeugherstellern erfordern.04 11
SCHWERE BRENNSTOFFZELLEN-NUTZFAHRZEUGE
Mit der flächendeckenden Markteinführung von Brennstoffzellenfahrzeugen
ist zu erwarten, dass aufgrund der hohen Fahrleistung und des damit verbundenen
hohen Wasserstoffverbrauchs im Transportsektor der Schwerlastverkehr im
Jahr 2030 etwa 80 % des nationalen Wasserstoffbedarfs ausmachen wird.
Aber auch wenn die Wasserstoffnachfrage für Pkw, leichte Nutzfahrzeuge und
Busse geringer ausfallen wird, liegen hier aufgrund der hohen Stückzahlen
wichtige Business-Cases für Fahrzeughersteller.
Auf Grundlage der prognostizierten Fahrzeugzahlen wird die Gesamtwasser-
stoffnachfrage in Deutschland bis 2030 bei etwa 300.000 Tonnen pro Jahr
liegen. Strengere Emissionsnormen innerhalb der EU für alle Fahrzeugsegmente
sowie eine hohe Marktnachfrage nach emissionsfreien Antrieben allgemein
sind die wichtigsten Wachstumstreiber für die Wasserstoffnachfrage im
Mobilitätsbereich.
© 2021 Nikola Corporation
Abb.5 – Schwere Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb für den EU-Markt05 12
WASSERSTOFF-WERTSCHÖPFUNGSKETTE
Die Wertschöpfungskette für Wasserstoff besteht bare Tanks des Typs III. Mit der jüngsten Anpassungen Druck von 500 Bar verdoppelt sich die Speicherdichte
aus verschiedenen Prozessschritten, von der der Sicherheitsvorschriften wird es zukünftig auf 31,6 kg/m3. Mit einem 40-Fuß-Trailer können
Wasserstoffproduktion über den Transport bis hin möglich, leichter und damit kostengünstiger mit 500 Bar mehr als 1.000 kg nutzbarer Wasser-
zur Speicherung und Betankung. In diesem Papier Speicherbehälter herzustellen, die bei gleicher stoff transportiert werden. Mit steigendem Druck
steht die Wasserstoffbetankung im Fokus. Die Tankkonfiguration durch höhere Druckstufen mehr erhöht sich die Effizienz der gasförmigen Betankung
weiteren Prozessschritte werden lediglich ange- Wasserstoff transportieren können. mit Wasserstoff. Um allerdings höhere Trailer-
rissen, um ein allgemeines Verständnis zu schaffen. drücke zu erzielen, sind längere Betankungszeiten
Die Speicherdichte von auf 200 Bar komprimiertem und mehr Kompressorleistung an den Abfüllanlagen
5.1. Wasserstofftransport Wasserstoff bei 15 °C beträgt 14,9 kg/m , bei einem
3
erforderlich.
Je nach Betankungstechnologie wird der Wasser-
Energie- Betankungs-
stoff in gasförmiger oder flüssiger Form an die erzeugung Produktion Transport Speicherung HRS optionen
Wasserstofftankstelle geliefert. Für die kommer-
zielle Nutzung gilt die Anlieferung per Trailer
(CGH2- oder LH2-Trailer) oder Pipeline (CGH2) als
CGH2
CGH2
CGH2
zukunftsträchtig. Außerdem kann Wasserstoff vor O2
Trailer Trailer-Swap
Ort durch Elektrolyse erzeugt werden. Andere Erneuerbare Elektrolyse H2
Energien
Transportoptionen, wie flüssige organische Wasser-
Vor-Ort- Gasversorgungs-
stoffträger (liquid organic hydrogen carriers, LOHC), Nebenprodukt Elektrolyse speicher Gaskompressor
H2 und Dispenser
werden in dieser Übersicht nicht berücksichtigt,
Biogas/ Pipeline
könnten aber in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Erdgas
Reformierung
Derzeit kommen beim Transport von gasförmigem
LH2
Wasserstoff Tankwagen mit einem Druckniveau
Biomasse Vergasung
zwischen 200 und 500 Bar zum Einsatz. Dabei LH2-Trailer Kryotank
Kryopumpe
variiert das Verhältnis zwischen Gewicht und Vo- und Dispenser
lumen je nach für den Speichertank eingesetztem
Material erheblich. Neuere Tanks des Typs IV sind
wesentlich leichter und langlebiger als vergleich- Abb. 6 – Die Wasserstoff-Wertschöpfungskette05 13
WASSERSTOFF-WERTSCHÖPFUNGSKETTE
Alternativ kann Wasserstoff flüssig in LH2-Trailern mit vakuumisolierten Kryo- 5.2. Wasserstoffspeicherung
Tanks transportiert werden. Aufgrund der besonders hohen Speicherdichte von Im Allgemeinen kann Wasserstoff physisch oder in chemisch gebundener Form
71,4 kg/m3 (bei -253 °C und 3 Bar) kann im Vergleich zu einem 500-Bar-CGH2- gespeichert werden. Materialbasierte Optionen für die Wasserstoff-
Trailer so wesentlich mehr Wasserstoff transportiert werden. Um die Logistik- speicherung wie Metallhydride oder LOHC befinden sich noch in einer früheren
kosten bei Tankstellen der Größe XXL zu senken, erscheint die Anlieferung per Entwicklungsphase als die etablierten Optionen und können zukünftig für
LH2-Trailer als naheliegend, denn so werden weniger Lieferzyklen benötigt. bestimmte Anwendungsfälle eine Alternative werden. Heute ist die am
Die Sicherstellung der Verfügbarkeit von LH2 ist allerdings noch eine große häufigsten genutzte kommerzielle Wasserstoffspeicherungsvariante die durch
Herausforderung, vor allem bei steigender Nachfrage. Derzeit gibt es in Europa Kompression und/oder Verflüssigung. Auch an Wasserstofftankstellen wird
nur drei Anlagen zur Wasserstoffverflüssigung. der Wasserstoff für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge heute meist in gasförmiger
Form in Tanks gelagert. Das Druckniveau liegt hier überlicherweise bei 45 Bar
Alternativ kann eine Wasserstofftankstelle auch gasförmig mit Wasserstoff via bis 200 Bar, in kyrogenen Speichertanks wird LH2 bei 2-3 Bar gelagert. Die ste-
Pipeline versorgt werden. Zurzeit wird die Nutzung der bestehenden Erdgas- tige Zunahme an BZ-Fahrzeugen wird zu einem Anstieg des Wasserstoffbe-
Pipeline-Infrastruktur für den künftigen Transport des Wasserstoffs durch ganz darfs an den einzelnen Tankstellen und damit zu höheren benötigten
Europa erforscht (European Hydrogen Backbone), wobei insbesondere die Speicherkapazitäten führen. Statt Nachrüstung einzelner Stationen ist auch der
Verknüpfung von Pipeline-Netz und Wasserstofftankstellennetz untersucht Trailer-Austausch (sog. Trailer-Swap )eine Alternative für Bestandstankstellen.
wird. Um die für die Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff benötigte Hier werden die Trailer selbst mobile Speichersysteme und ersetzen stationäre
Reinheit zu garantieren, wird wahrscheinlich eine Wasserstoffaufbereitung an Tanks.
den Entnahmestellen (z. B. an der Wasserstofftankstelle) nötig sein.06 14
WASSERSTOFFBETANKUNG
Je nachdem, ob der Wasserstoff im Fahrzeug flüssig oder gasförmig gespeichert großen Fahrzeugtanks (bis zu 100 kg H2). Im Rahmen des europäischen Projekts
wird, kommen unterschiedliche Wasserstoff-Betankungstechnologien zum „PRHYDE” (Protocol for Heavy-duty Hydrogen Refuelling) werden Protokolle
Einsatz. Um vergleichbare Betankungszeiten wie mit Diesel-Lkw und somit für hohe Durchflussraten entwickelt, um Langstrecken-Lkw in weniger als
die gleiche zeitliche Taktung zu gewährleisten, werden auch mit Wasserstoff 15 Minuten betanken zu können.
Betankungszeiten von 10 bis 15 Minuten angestrebt.
Weitere Betankungsoptionen wie „subcooled liquid hydrogen“ (sLH2), also die
In Deutschland und Österreich kann heute bereits gasförmiger Wasserstoff Betankung mit flüssigem Wasserstoff, und kryokomprimierter Wasserstoff
mit 350 oder 700 Bar getankt werden. Dabei wird der Wasserstoff entweder (CcH2), also die Betankung mit kryogenem Wasserstoff unter Druck, erfordern
gasförmig gelagert und gekühlt vertankt oder in flüssiger Form vorgehalten die Vorhaltung von flüssigem Wasserstoff. Bei der sLH2-Technologie wird
und dann vor dem Eintritt in den Fahrzeugspeicher erwärmt. Während für die flüssiger Wasserstoff auf bis zu 16 Bar komprimiert, während bei der
Wasserstoffbetankung von Pkw, LNF und Bussen bereits Standards festgelegt CcH2-Technologie der Wasserstoff in einem kryogenen, aber gasförmigen
wurden, gibt es noch keine Tankprotokolle für schwere Nutzfahrzeuge mit Zustand auf 300 Bar komprimiert wird. Sowohl sLH2- als auch CcH2-Betankung-
sprotokolle befinden sich noch in der Entwicklung. Die
Erkenntnisse werden im Rahmen der Clean Energy
Wasserstoffspeicherdichte (g/l) Energiedichte (kWh/l) Partnership ausgetauscht und betrachtet. In Abbildung
80 6 ist die maximale Wasserstoffspeicherdichte im
2,5
70 Fahrzeugtank für die verschiedenen Speichertechno-
72 2,4
60 65 2,2 2,0 logien dargestellt. Die Grafik zeigt, dass CGH2 mit
50 350 Bar die geringste und CcH2 potenziell die höchste
1,5
40 Speicherdichte aufweisen.
40,2 1,3
30 1,0
20 24 0,8 In den folgenden Kapiteln werden die vier Wasser-
0,5
10 stoff-Betankungsoptionen einschließlich des jeweiligen
0 0 Technologiestatus, verfügbarer bzw. in Entwicklung
CGH2 CGH2 sLH2 CcH2 befindlicher Wasserstofffahrzeuge sowie möglicher
350 bar, 15 0C 700 bar, 15 0C 16 bar, -247 0C 300 bar, -219 0C
Tankstellenbauweisen beschrieben.
Abb. 7 – Wasserstoffspeicherdichte bei 100 % Füllstand (SOC) im FahrzeugtankHyundai Xcient Fuel Cell - der erste 350-Bar-Wasserstoff-Lkw in Serienproduktion © Hyundai Hydrogen Mobility
06 16
WASSERSTOFFBETANKUNG
6.1 Komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH2) 350 Bar
Status Quo Fahrzeuge Wasserstofftankstellen
Die meisten BZ-Busse, LNF, MNF und SNF nutzen Heute fahren bereits diverse BZ-Busse, -LNF und Eine 350-Bar-CGH2-Wasserstofftankstelle kann
zurzeit die 350-Bar-CGH2-Technologie für eine -Lkw mit 350-Bar-Fahrzeugtechnologie auf unseren mit gasförmigem oder flüssigem Wasserstoff
maximale Reichweite von ca. 400 km. Von den in Straßen. Die Fahrzeugtanks sind als Typ III bzw. beliefert werden, so dass alle Optionen der Trans-
dieser Übersicht beschriebenen Technologien hat Typ IV klassifiziert und besitzen daher entweder portkette möglich sind. Je nach gewählter Option
die 350-Bar-CGH2-Technologie die geringste Aluminium- oder Polymer-Liner. Einer der ersten ist ein Kompressor oder eine Kryopumpe für die
volumetrische Energiedichte (0,8 kWh/l). Fahr- kommerziell eingesetzten MNF in Europa ist der Betankung der Fahrzeuge erforderlich. Nach An-
zeugaufbau und Speicherkapazität schränken die Hyundai XCIENT Fuel Cell in der Schweiz, der etwa gaben der Society of Automotive Engineers (SAE)
Reichweite ein. Betankungsprotokolle für bis zu 35 kg Wasserstoff mitführt und eine Reichweite von sind heute Durchflussraten von bis zu 120 g/s
42,5 kg Wasserstoff sind in der Entwicklung und ca. 400 km hat. Die Fahrzeuge werden vor allem im möglich. Im Vergleich zu einer 700-Bar-Tankstelle
werden in den nächsten Monaten veröffentlicht. regionalen Verteilerverkehr eingesetzt. Um die wird bei 350 Bar weniger Gesamtenergie für Ver-
Die maximale Menge an Wasserstoff, die in den 350-Bar-Technologie auch für 40-Tonnen-Lkw dichtung und Vorkühlung benötigt. Für den kommer-
BZ-Fahrzeugen gespeichert werden kann, ist anwendbar zu machen, müssen Fahrzeugdesign ziellen Einsatz und die Back-to-Back-Betankung
sowohl von den Kundenanforderungen als auch und -tanks weiterentwickelt werden. mehrerer Fahrzeuge mit 80-kg-Speichersystemen
von der technologischen Entwicklung und von sind jedoch deutlich höhere Durchflussraten sowie
weiteren Innovationen abhängig. noch zu entwickelnde Komponenten notwendig.
Der Bedarf an Vorkühlung wird in Zukunft stark von
der Betankungsstrategie, den Protokollen und der
technologischen Entwicklung abhängen.06 17
WASSERSTOFFBETANKUNG
Möglicher Aufbau einer 350-Bar-
CGH2-Wasserstofftankstelle
Diese Abbildung zeigt den beispielhaften
Aufbau einer XXL-Wasserstofftankstelle,
die SNF mit 350 Bar Nominaldruck versor-
gen kann. Die Belieferung der hier abge-
bildeten Tankstelle erfolgt mit Trailern.
Ein Wechseltrailer-Konzept ersetzt den
stationären Versorgungsspeicher. Um
genügend Wasserstoff für den täglichen
Trailer-Swap Bedarf vorzuhalten, sind etwa drei Trailer
Mitteldruckspeicher pro Tag notwendig. An- und Abfahrt der
Kompressoreinheit Trailer kann mit einem Durchfahrt-Konzept
Mess- und Regeltechnik realisiert werden. Die Betankung eines
Kühlaggregat oder mehrerer Fahrzeuge erfolgt zuerst
Dispenser durch Überströmen des höher verdichteten
Wasserstoffs aus den Trailern, bis eine
Druckerhöhung über Verdichter erforder-
lich wird, um den Fahrzeugtank ganz
aufzufüllen. Um einen Trailer nahezu vol-
lständig entleeren zu können, werden
Komprimierter gasförmiger Mitteldruckspeicher an der Tankstelle als
Puffer eingesetzt. Um die schnelle
Wasserstoff (CGH2) 350 Bar
Betankung ohne Überschreiten von Tem-
peraturgrenzen zu ermöglichen, muss
der Wasserstoff vorgekühlt werden.06 18
WASSERSTOFFBETANKUNG
Komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH2) 350 Bar
Status HRS Spezifikationen
Anlieferung CGH2, LH2
› bestehende und wachsende Infrastruktur von 350 Bar CGH2
H2-Speicher, Kompressor oder Kyropumpe,
› erprobte Technologie für Busse, Pkw und LNF (Betankung von 8 kg als
Baugruppen einer Wasserstofftankstelle Vorkühlung (bei gasförmiger Anlieferung),
Standard, bis 42,5 kg wird kurzfristig verfügbar sein) Dispenser (Kupplung, Schlauch)
› wachsender Bus- & LNF-/MNF-Markt Abhängig von der Ausstattung, Möglichkeiten:
› Trailer-Swap
Vorratsspeicher
› stationärer Versorgungsspeicher
Beispielhafte OEM-Projekte in Europa › Pipeline
Nominaldruck 350 bar
› Xcient Fuel Cell (Hyundai Motors)
Aufwendige und kostspielige Integration
› HyMax 450 (Hyzon Motors) Erweiterbarkeit auf 700-Bar-Pkw aufgrund des höheren Speicherdrucks
und Kühlbedarfs
Kommunikation zwischen Tankstelle
Erforderlich für einen besseren Füllgrad
und Fahrzeug
Vorteile Nachteile
Angestrebte max. Durchflussrate 300 g/s
› bewährte und etablierte › geringe Energiedichte
Fahrzeug Spezifikationen
Technologie › limitierte Reichweite
› verschiedene H2-Anlieferungs- › Datenkommunikation Wasserstoffdruck im Fahrzeugtank
350 bar (437,5 bar)
(max. zulässiger Arbeitsdruck)
optionen erforderlich
Fahrzeugtank-Temperatur -40 °C bis +85 °C
› heute bis zu 42,5 kg
Fahrzeug-Speicherkapazität
› geplant > 42,5 kgViele OEM entwickeln
700-Bar-Brenstoffzellen-Lkw
© Toyota06 20
WASSERSTOFFBETANKUNG
6.2 Komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH2) 700 Bar
Status Quo Fahrzeuge Wasserstofftankstelle
Im Vergleich zu 350-Bar-CGH2 verfügt die Bei den Entwicklungen für der Schwerlasttrans- Ähnlich wie bei 350 Bar kann eine 700-Bar-
700-Bar-CGH2-Technologie über eine höhere port konzentrieren sich einige Fahrzeughers- CGH2-Wasserstofftankstelle mit gasförmigem
volumetrische Energiedichte (1,3 kWh/l) – ein teller auf Fahrzeuge mit 700-Bar-CGH2- und flüssigem Wasserstoff über alle in Ab-
großer Vorteil in Bezug auf die Fahrzeugtank- Technologie, um zum einen Synergien mit schnitt 5.1 beschriebenen Transportoptionen
größe. Heute sind alle BZ-Pkw mit 700-Bar- schon erprobten Pkw-Komponenten nutzen zu beliefert werden. Die Betankung von 700-Bar-
Fahrzeugtank und einer Speicherkapazität von können und zum anderen Kundenanforderungen CGH2 in Fahrzeugtanks von bis zu 100 kg Fas-
4-6,5 kg H2 ausgestattet. Seit 2021 sind in nach Reichweite und kurzen Betankungszeiten sungsvermögen ist noch nicht möglich, da sowohl
Deutschland außerdem Müllsammelfahrzeuge zu entsprechen. Die Fahrzeugtanks sind meist geeignete Betankungsprotokolle als auch die
mit 700-Bar-Technologie und einer Speicher- leichte Tanks des Typs IV. Schon heute erreicht dafür erforderlichen Komponenten noch in der
kapazität von 16 kg H2 in je zwei 8-kg-Fahr- der Klasse-8-Lkw Toyota Hino mit einem Entwicklung sind. Vor allem sind standardisi-
zeugtanks im Einsatz. Weitere Hersteller haben 700-Bar-Speichertank eine Reichweite von bis erte Betankungsprotokolle für Durchflussraten
SNF mit 700-Bar-CGH2-Speichertechnologie zu 600 km. Nikola Motors und Iveco entwickeln erforderlich, die Betankungszeiten von 10-15
angekündigt, die den Reichweitenforderungen gemeinsam einen Lkw ebenfalls der Klasse 8 Minuten ermöglichen. Außerdem gilt es, die
ihrer Kunden entsprechen sollen. mit einer Reichweite von bis zu 1.200 km für technischen Herausforderungen aus dem
den amerikanischen Markt. Zusammenspiel hoher Massenströme und
Drücke zur Gewährleistung der Sicherheit und
hohen Verfügbarkeit von Anlagen zu überwinden.06 21
WASSERSTOFFBETANKUNG
Möglicher Aufbau einer 700-Bar-
CGH2-Wasserstofftankstelle
Das in dieser Abbildung dargestellte
Layout basiert ebenfalls auf einem
Wechseltrailer-Konzept zur Wasserstoff-
Belieferung. Im Grundsatz gleichen sich
Trailer-Swap die 350-Bar-CGH2- und die 700-Bar-
Mitteldruckspeicher CGH2-Betankung. Sowohl Überströmen
Hochdruckspeicher als auch Direktverdichtung aus den
Kompressoreinheit Trailern sind mögliche Betankungsop-
Mess- und Regeltechnik tionen. Voraussichtlich wird aufgrund
Kühlaggregat des höheren Zieldrucks von 700 Bar (im
Dispenser Vergleich zu 350 Bar) ein zusätzlicher
Hochdruckspeicher zur Unterstützung der
Direktverdichtung notwendig. Sowohl
die Kompression als auch die Vorkühlung
des Wasserstoffs erfordern im Vergleich
Komprimierter gasförmiger zu 350 Bar mehr Leistung. Infolgedessen
wird die 700-Bar-CGH2 Wasserstoff-
Wasserstoff (CGH2) 700 Bar
tankstelle nicht nur mehr Platz, sondern
auch mehr Energie benötigen.06 22
WASSERSTOFFBETANKUNG
Komprimierter gasförmiger Wasserstoff (CGH2) 700 Bar
Status HRS Spezifikationen
Anlieferung CGH2, LH2
› bestehende Betankungstechnologie und Protokolle
H2-Speicher, Kompressor oder Kyropumpe,
für Pkw, LNF, MNF (Müllsammler usw.)
Baugruppen einer Wasserstofftankstelle Hochdruckspeicher, Dispenser (Tankstutzen,
› Wasserstofftankstelle und Fahrzeugtank für MNF und SNF Schlauch)
in der Validierungsphase Abhängig von der Ausstattung, Möglichkeiten:
› Trailer-Swap
Vorratsspeicher
› Vorratslagerung
Exemplarisches OEM-Projekt in Europa › Rohrleitung
Nominaldruck 700 bar
› Nikola TRE ( Nikola Motors & Iveco)
Relativ einfache Erweiterbarkeit durch
Erweiterbarkeit auf 700-Bar-Pkw vorhandene Technologie und geringer
Leistungsanforderungen
Vorteile Nachteile Kommunikation zwischen Tankstelle
Erforderlich für eine bessere Leistung
und Fahrzeug
Angestrebte max. Durchflussrate 300 g/s
› höchste Reichweite möglich › hoher Materialbedarf
› bestehende Betankungs- ➔ kostspielige Komponenten
protokolle für Fahrzeugtanks › hoher Bedarf an Kompressor- Fahrzeug Spezifikationen
> 10 kg, aber nicht für Anwen- und Kühlleistung Wasserstoffdruck im Fahrzeugtank
700 bar (875 bar)
(max. zulässiger Arbeitsdruck)
dungen mit hohem Durchfluss › Datenkommunikation
› verschiedene H2-Anlieferungs- erforderlich Fahrzeugtank-Temperatur -40 °C bis +85 °C
optionen Fahrzeug-Speicherkapazität Vorgesehen: bis zu 100 kgDaimler startet die Erprobung beim Kunden mit dem GenH2-Truck in 2023 mit sLH2-Technologie ©Daimler Truck
06 24
WASSERSTOFFBETANKUNG
6.3 Subcooled Liquid Hydrogen (sLH2)
Im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff verfügt weiten bei hoher Energieeffizienz möglich werden. stelle möglich. Lange Stillstandzeiten oder Teil-
die LH2-Speichertechnologie über eine wesentlich Derzeit befindet sich die Technologie noch im betankungen unter suboptimalen Bedingungen
höhere volumetrische Energiedichte. Allerdings Forschungs- und Entwicklungsstadium (FuE) mit führen jedoch zu Wasserstoffverlusten.
stellen Wärmeeintrag und entsprechender Boil-Off ersten Prototypen in der Fertigung.
(Verdampfen von H2) bei der Nutzung von Wasser- Wasserstofftankstelle
stoff im flüssigen Aggregatzustand eine Heraus- Fahrzeuge Da die Betankung direkt mit flüssigem Wasserstoff
forderung dar, wie frühere Erfahrungen mit der Die Daimler Truck AG hat die Serienproduktion ab erfolgt, erscheint die LH2-Anlieferung als sinnvollste
Betankung von Flüssigwasserstoff in Pkw gezeigt 2027 angekündigt und arbeitet zurzeit am ersten Versorgungsoption. Eine Vor-Ort- Speicherung ist
haben (Abdampfungsverluste usw.). Die Weiter- Prototypen des Brennstoffzellen-Konzept-Lkws möglich, ebenso wie ein Wechseltrailer-Konzept.
entwicklungen sLH2- (neuere Entwicklung von LH2) Mercedes-Benz GenH2 Truck mit sLH2-Technologie. Jeder Zapfpunkt benötigt eine eigene sLH2-Pumpe,
und CcH2-Technologie (Fortführung der früheren Die Betankung von sLH2 für eine Energiedichte von die aber im Vergleich zu Gaskompressoren einen
BMW-Entwicklung, siehe nächster Abschnitt) sollen 2,2 kWh/l erfolgt bei ca. -247 °C in einen isolierten wesentlich geringeren Energiebedarf aufweist. Der
Abdampfungsverluste und Rückleitungslängen Fahrzeugtank mit einem Druck von bis zu 16 Bar. Betankungsprozess selbst erfordert keine konti-
minimieren. Ziel der sLH2-Technologie ist, den Siedepunkt auf nuierliche Datenkommunikation zwischen Tankstelle
eine höhere Temperatur zu heben, um so einen und Fahrzeug, was die Komplexität weiter reduziert.
Status Quo größeren Wärmeeintrag bis zur Verdampfung zu Die derzeit größten Herausforderungen bestehen in
Die Technologieentwicklung für tiefkalten Flüssig- ermöglichen und Boil-Off-Verluste zu verringern. der Erhöhung der Lebensdauer der Komponenten,
wasserstoff wird derzeit von der Daimler Truck AG Statt der bei CGH2-Fahrzeugen verwendeten die den tiefkalten Temperaturen des flüssigen
auf der Fahrzeugseite und von der Linde GmbH als Kohlefasertanks werden sLH2-Tanks vakuumisoliert, Wasserstoffs ausgesetzt sind, einer präzisen
Wasserstofftankstellen-Hersteller vorangetrieben. um den direkten Wärmeeintrag zu minimieren und Durchfluss-Messtechnik sowie der Minimierung
Mit der Verwendung von tiefkaltem Flüssigwasser- so ein schnelles Boil-Off zu vermeiden. Die der Abdampfverluste, beispielsweise durch ver-
stoff sollen hohe Speicherkapazitäten an Bord, Betankung ohne GH2-Rückgas ist im regulären, kürzte vakuumisolierte Rohrleitungen.
Betankung mit hohem Durchfluss und große Reich- kontinuierlichen Betrieb einer Wasserstofftank-06 25
WASSERSTOFFBETANKUNG
Möglicher Aufbau einer
sLH2-Wasserstofftankstelle
Die Kraftstoffversorgung erfolgt mit
LH2-Trailer etwa 3,5 t nutzbarem flüssigen
LH2-Versorgungslager Wasserstoff, der von einem Trailer
sLH2-Pumpencontainer angeliefert und vor Ort in einem
Dispenser Kryotank nahe den sLH2-Pumpen
gelagert wird. Um zwei Lkw gleich-
zeitig betanken zu können, sind zwei
Pumpen erforderlich. Im Vergleich zu
einer CGH2-Station fällt der Platz-
bedarf einer sLH2-Tankstelle wesen-
tlich kleiner aus, da weniger Kompo-
nenten verbaut werden.
Subcooled Liquid Hydrogen
(sLH2)06 26
WASSERSTOFFBETANKUNG
Subcooled Liquid Hydrogen (sLH2)
Status HRS Spezifikationen
Anlieferung LH2
› Weiterentwicklung der LH2-Technologie
LH2-Speicher, sLH2-Pumpe, Dispenser,
› Wasserstofftankstelle und Fahrzeugtank in der Entwicklungsphase Baugruppen einer Wasserstofftankstelle
Tankstutzen, Schlauch
Abhängig von der Ausstattung, Möglichkeiten:
Exemplarische OEM-Projekte in Europa Vorratsspeicher › Vorratslagerung oder
› Trailer-Swap
› GenH2-Truck (Daimler Truck AG) Nominaldruck ca. 16 bar
Aufwendige und kostspielige Integration eines
Erweiterbarkeit auf 700 bar-Pkw zusätzlichen Hochdruck-Kryopumpsystems,
einer Düse, eines Schlauchs usw.
Kommunikation zwischen Tankstelle
Vorteile Nachteile Nicht erforderlich
und Fahrzeug
Angestrebte max. Durchflussrate 400-500 kg/h
› höchste mögliche Reichweite für › Boil-Off bei längeren Standzeiten
MNF/SNF › beschränkte Verfügbarkeit von
Fahrzeug Spezifikationen
› (potenziell) niedrigste Kosten für LH2- Anlieferungsoptionen
den Fahrzeugtank › keine Synergien mit der Wasserstoffdruck im Fahrzeugtank (ca. 20 bar)
ca. 5 - 16 bar
(max. zulässiger Arbeitsdruck)
› wahrscheinlich keine Daten- bestehenden CGH2-Infrastruktur
kommunikation erforderlich › frühes Entwicklungsstadium der Fahrzeugtank-Temperatur -248 °C bis -245 °C
Technologie auf Tankstellen und Fahrzeug-Speicherkapazität > 80 kg
FahrzeugseiteDie CcH2-Technologie kombiniert das Beste aus beiden Welten © Cryomotive
06 28
WASSERSTOFFBETANKUNG
6.4 Kryokomprimierter Wasserstoff (CcH2)
Die Kryokompression bietet die Möglichkeit, die Status Quo Wasserstofftankstelle
bereits beschriebenen Speichermethoden zu kom- Die Technologie für die Betankung und Speicherung Um Wasserstoff an Tankstellen aus dem flüssigen
binieren und damit die Speicherdichte weiter zu von kryokomprimiertem Wasserstoff in Fahrzeug- Zustand auf ca. 300 Bar zu komprimieren, werden
erhöhen. Die technologischen Grundlagen wurden tanks ist bekannt und für Pkw getestet. Da bei der wahrscheinlich Kryopumpen zum Einsatz kommen.
bereits in den frühen 2000er Jahren von BMW als CcH2-Technologie der Wasserstoff bei kryogenen Demnach wäre ein Konzept mit LH2-Ver-
Weiterentwicklung der LH2-Technologie geschaffen, Temperaturen nahe dem kritischen Punkt (-240 °C) sorgungsspeicher oder LH2-Wechseltrailer
bei der ein zu hoher Boil-Off auftrat. gehalten und mit bis zu 300 Bar komprimiert wird, möglich, nur ohne zusätzliche Kälteanlage. Die
ist die volumetrische Energiedichte (2,4 kWh/l) größten Herausforderungen betreffen die Halt-
höher als bei den drei vorher beschriebenen barkeit der Tankstellenkomponenten und Materialien,
Betankungsmethoden. Diese Technologie wird für die mit dem unter Druck stehenden kryogenen
den zukünftigen Einsatz im SNF von der Firma Wasserstoff in Berührung kommen, beispielsweise
Cryomotive GmbH entwickelt, wozu u. a. der Bau des Befüllschlauchs und der Zapfpistole. Wie bei
eines vakuumisolierten Hochdrucktanksystems sLH2 ist die Präzision der Durchfluss-Messtechnik
gehört. Die niedrigen Temperaturen bei hohem von entscheidender Bedeutung, um die Techno-
Druck erfordern jedoch noch die weitere Forschung logie zur Marktreife zu bringen. Können die Heraus-
an diversen Fahrzeug- und Wasserstofftankstellen- forderungen gelöst werden, lässt sich eine
Komponenten. 350-Bar-CGH2-Betankungsschnittstelle relativ
leicht integrieren. Im Vergleich zu sLH2 ist der
Fahrzeuge CcH2-Betankungsprozess robuster. So sind
Die Ankündigung erster CcH2-Lkw-Prototypen Betankungen ohne Rückgas auch mit wärmeren
wird 2022/23 erwartet. Tanks möglich, auch wenn in diesen Fällen
möglicherweise nicht die maximale Speicherdichte
erreicht wird.06 29
WASSERSTOFFBETANKUNG
Möglicher Aufbau einer
CcH2-Wasserstofftankstelle
Zur Deckung des Wasserstoffbe-
darfs einer großen CcH2-Tankstelle
bei kommerzieller Nutzung sind die
tägliche Kraftstofflieferung per
LH2-Trailer LH2-Trailer und die Lagerung in einem
LH2-Versorgungslager vakuumisolierten Versorgungs-
Kyropumpen-Container speicher ausreichend. Für die zeit-
Dispenser gleiche Betankung von zwei Lkw
sind zwei Kryopumpen erforderlich,
die jeweils einen Zapfpunkt ver-
sorgen. Der Platzbedarf einer solchen
Wasserstofftankstelle wird voraus-
sichtlich ähnlich groß sein wie bei
sLH2.
Kryokomprimierter
Wasserstoff (CcH2)06 30
WASSERSTOFFBETANKUNG
Kryokomprimierter Wasserstoff (CcH2)
Status HRS Spezifikationen
Anlieferung LH2 (CGH2 möglich)
› Weiterentwicklung bei der LH2-Technologie
LH2-Speicher, Kyropumpe, Dispenser
› bestehende Pilotprojekte und Daten für Pkws Baugruppen einer Wasserstofftankstelle
(Tankstutzen, Schlauch)
› Fahrzeugtank und Wasserstofftankstelle für SNF Abhängig von der Ausstattung:
in der Entwicklungsphase Vorratsspeicher › Vorratsspeicher oder
› Trailer-Swap
Exemplarische OEM-Projekte in Europa Nominaldruck 300 bar
Aufwendige und kostspielige Integration eines
Erweiterbarkeit auf 700 bar-Pkw zusätzlichen Hochdruck-Kryopumpsystems,
› Werden 2022/23 bekannt gegeben
einer Düse, eines Schlauchs usw.
Kommunikation zwischen Tankstelle
Nicht erforderlich
und Fahrzeug
Vorteile Nachteile Angestrebte max. Durchflussrate 200-800 kg/h
› Höchste volumetrische › hoher Materialbedarf aufgrund
Fahrzeug Spezifikationen
Dichte im Fahrzeugtank von hohem Druck und niedrigen
Wasserstoffdruck im Fahrzeugtank
› keine Datenkommunikation Temperaturen ≤ 300 bar (350 bar)
(max. zulässiger Arbeitsdruck)
erforderlich › beschränkte Verfügbarkeit von
Fahrzeugtank-Temperatur ca. -240 °C bis -150 °C
› (potenziell) leichteres Tank- LH2- Anlieferungsoptionen
system als bei 350/700 Bar › frühes Entwicklungsstadium der Fahrzeug-Speicherkapazität > 80 kg
CGH2 Technologie auf Tankstellen und
Fahrzeugseite07 31
BEWERTUNG DER TECHNOLOGIEN
7.1. Technologischer Reifegrad
Reifegrad Idee/Forschung Prototype Validierung Kommerzialisierung
Um einen ersten Überblick über den technologischen
Reifegrad der einzelnen Wasserstoff-Betankungs-
Lieferkette LH2 CGH2
technologien zu geben, werden die verschiedenen
Optionen ihrem Entwicklungsstand zugeordnet und
Fahrzeugtanks CcH2 sLH2 700 bar CGH2 350 bar CGH2
der Reifegrad in den folgenden vier Dimensionen
bewertet: Lieferkette, Fahrzeugspeichersystem,
Wasserstoff-
Wasserstofftankstelle und Stand bei Normen und sLH2 CcH2 700 bar CGH2 350 bar CGH2
tankstellen
Standards.
Standards für
sLH2
Wasserstoff- 700 bar CGH2 350 bar CGH2
CcH2
Reifegrad der Lieferkette tankstellen
Der Transport und die Anlieferung von gasförmigem
und flüssigem Wasserstoff ist weltweit seit vielen Abb. 8 - Technologischer Reifegrad
Jahren etabliert. Die Herausforderung besteht aller-
dings darin, die benötigten Mengen von mehreren kommt meist nur im Rahmen von Demonstrations- weniger kann LH2 in den nächsten 5 bis 10 Jahren zu
hundert Kilogramm Wasserstoff pro Tag verfügbar projekten vor. Ein neues Pipeline-Netz erfordert einer wesentlichen Säule werden, um kostengünstige
zu machen und täglich große Mengen an die Wasser- hohe Anfangsinvestitionen. Eine gute Alternative erneuerbare Energie per Schiff zu importieren.
stofftankstellen zu liefern. Heute haben Trailer für scheint die Umrüstung bestehender Netze. Lang-
gasförmigen Wasserstoff eine Kapazität von etwa fristig sind Pipelines wahrscheinlich die günstigste Reifegrad der Fahrzeugtanks
500 bis 1.000 kg. Auch wenn technologische Möglichkeit, um große Mengen Wasserstoff über Fahrzeugtanksystem für die 350-Bar-CGH2-Techno-
Weiterentwicklungen und neue Standardisierungen weite Entfernungen zu transportieren. logie sind heute bereits etabliert. Um allerdings
die Transportkapazitäten von GH2-Trailern erhöhen größere Mengen Wasserstoff im Fahrzeug zu
werden, bleibt der LH2-Trailer aufgrund der hohen Ein LH2-Trailer fasst heute etwa 3,5 t nutzbaren Was- speichern, müssen die Fahrzeugtanks für 700-Bar-
Speicherdichte konkurrenzlos. serstoff. Allerdings ist die Produktionskapazität von CGH2 weiterentwickelt werden. Die größte Heraus-
LH2 in Europa noch begrenzt. Bislang produzieren forderung für die 350-Bar-CGH2-Technologie im
Die Versorgung per Wasserstoffpipeline ist derzeit nur drei Wasserstoff-Produktionsanlagen eine Ge- Schwerlastverkehr liegt in der Reichweitenbegren-
nur in wenigen Regionen in Europa möglich und samtkapazität von 25 t LH2 pro Tag. Nichtsdesto- zung und dem begrenzten Platz. Neue Längen-07 32
BEWERTUNG DER TECHNOLOGIEN
vorschriften und Tankkonfigurationen im SNF-Ver- Reifegrad der Wasserstofftankstellen keit einzelner Komponenten und Mengenmessung
kehr könnten dazu beitragen, Reichweiten zu erhöhen. Busse, LNF und MNF tanken bereits heute mit noch als kritisch dar. Vor allem die Komponenten,
Für Lkw mit 700-Bar-Systemen wären dann bis zu 350-bar-CGH2-Technologie. Ein erweitertes die mit Wasserstoff in Berührung kommen, müssen
1.000 km Reichweite möglich. Betankungsprotokoll wird im dritten Quartal 2021 hohen Temperaturschwankungen und einem Druck
veröffentlicht, um Betankungen für Speicher- von bis zu 300 Bar standhalten. Heute befinden sich
Fahrzeugtanks für die sLH2-Technologie im Schwer- kapazitäten von bis zu 42,5 kg zu ermöglichen. Die sowohl die sLH2- als auch die CcH2-Technologie
lastverkehr befindet sich im FuE-Stadium und Anpassung für größere Wasserstofftanksysteme für den Schwerlastverkehr noch im Stadium der
werden in den nächsten Jahren in ersten Prototypen für den Schwerlastverkehr ist einfach umsetzbar. Forschung und Entwicklung, diverse technische
getestet. Zu den größten Herausforderungen der Um allerdings auch angemessene Betankungs- Fragen müssen noch geklärt und validiert werden.
sLH2-Technologie gehören der Betankungsprozess zeiten garantieren zu können, werden zudem
und das Thermo-Management, da Boil-Off-Verluste höhere Durchflussraten mit entsprechenden An- Reifegrad der Normen und Standards
auf ein Minimum reduziert werden müssen. Beim passungen erforderlich sein. Ähnliches gilt für die für Wasserstofftankstellen
Einsatz in der Logistikbranche, wo Fahrzeuge im 700-Bar-CGH2-Technologie, die bereits bei Pkw, Technologiestandards sind für eine erfolgreiche
täglichen Betrieb mit niedrigen Standzeiten laufen, Bussen, LNF und MNF eingesetzt wird; bei dieser Einführung von Wasserstoff im Schwerlast- und
sind Boil-Off-Verluste eher vernachlässigbar. Aller- stellen die erforderlichen höheren Durchflussraten Langstreckenverkehr unerlässlich. Erst standardisierte
dings bleibt die Herausforderung durch diese Ver- jedoch größere Herausforderungen an Vorkühlung Betankungsprotokolle ermöglichen eine schnelle
luste bei der Betankung kritisch. Pkw-Fahrzeugtanks und zuverlässige, langlebige Kompressionstechno- und einheitliche Einführung ohne Sicherheitsrisiken
für geringere Wasserstoffmengen mit CcH2-Tech- logien, die es noch zu validieren gilt. wie der Überschreitung von Tanktemperatur- oder
nologie sind bereits getestet und verfügbar. Für den Druckgrenzen. Für die 350-Bar- bzw. 700-Bar-
Einsatz im SNF-Bereich muss das Tanksystem nun An Prototypen erster LH2-Wasserstofftankstellen CGH2-Betankungstechnologie mit großen Wasser-
skaliert und validiert werden, um den höheren Men- wurden bereits Pkw-Betankungen durchgeführt, stoffmengen und hohen Durchflussraten (bis zu
genanforderungen zu entsprechen. Auch wenn die eine sLH2-Befüllung wurde hingegen noch nicht 300 g/s) existieren bislang keine Betankungsproto-
Boil-Off-Verluste bei der sLH2-Technologie eine demonstriert. Obwohl die sLH2-Pumpentechno- kolle. Die Erstellung der Protokolle für die sLH2-
geringere Herausforderung darstellen, erhöhen die logie vielversprechend und weniger komplex und CcH2-Technologien stellt keine besonders große
zusätzlichen Temperatur- und Hochdruckanforderun- erscheint, ist das Konzept noch in der Validierung. Herausforderung dar, allerdings befinden sich die
gen die Komplexität, insbesondere in Bezug auf die Bei ersten Betankungen von BZ-Pkw an CcH2- Technologien noch in der Entwicklungsphase.
Lebensdauer der Komponenten. Wasserstofftankstellen stellten sich Zyklenfestig-07 33
BEWERTUNG DER TECHNOLOGIEN
Außer der Erstellung von Betankungsprotokollen gilt es, weitere Komponenten Wasserstofftankstellen mit Flüssigspeicher haben tendenziell einen geringeren
wie Zapfpistole und Tankstutzen zu standardisieren und Messgeräte und Platzbedarf und verursachen so geringere Kosten für Kauf bzw. Anmietung von
Qualitätsstandards für die Wasserstoffmengenmessung samt zulässiger Gewerbeimmobilien.
Toleranzen festzulegen. Dies wird bei der 350-Bar- bzw. 700-Bar-CGH2-Techno-
logie und für höhere Durchflussraten einfacher als bei flüss OPEX
igen Wasserstoff. Bei CGH2-Wasserstofftankstellen mit 350 und 700 Bar sind das Kühlaggregat
und der Kompressor die störungsanfälligsten und energieaufwendigsten
7.2. Kostenbewertung der Infrastruktur Komponenten. Bei Tankstellen mit Flüssigtank spart die Verflüssigung in der
Bei der Bewertung der verschiedenen Technologien müssen die Kosten der Produktionsanlage Kosten im Betrieb, außerdem ist der Energieverbrauch für
Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur berücksichtigt werden. Für diese Über- die Kryopumpe geringer; dieser Kostenvorteil verfällt jedoch durch einen höheren
sicht wurden Investitionsausgaben (CAPEX, d. h. Kompressor, Kryopumpe, Boil-Off. Entscheidend für die Bewertung der Technologien ist auch die Verfüg-
Rohrleitungen, Lagerung, Kühleinheit, Bauarbeiten, Stromanschluss), Betriebs- barkeit von Ersatzteilen. Bei CGH2-Wasserstofftankstellen gibt es eine große
ausgaben (OPEX, d. h. Wartung, Reparatur, Bestandsverluste, Energieverbrauch) Anzahl von Anbietern, die bereits Erfahrungen mit Wasserstoff gesammelt
sowie Gestehungskosten (COGS) bewertet. Verglichen wurden Wasserstoff- haben. Dies bietet nicht nur den Vorteil niedrigerer Ersatzteilpreise, sondern
tankstellen mit denselben Wasserstoffspeicherkapazitäten, wobei die Fahrzeug- auch größere Versorgungssicherheit. Bei LH2-Wasserstofftankstellen sind die
seite unberücksichtigt blieb. Kosten für Ersatzteile aufgrund kleinerer Skaleneffekte und geringerer Anzahl
von Lieferanten noch vergleichsweise höher.
CAPEX
Bei Bau und Inbetriebnahme von Wasserstofftankstellen mit denselben COGS
Kapazitäten gibt es für jede Technologie spezifische Kostentreiber, beispiels- Die Wasserstoffgestehungskosten (engl. costs of goods sold, COGS) hängen
weise bei CGH2-Wasserstofftankstellen Kompressor, Pumpe, Speichereinheiten stark von den Wasserstofftransportkosten ab, da für den Transport Personal
und Vorkühlung. Im Gegensatz dazu findet sowohl bei CcH2- als auch bei und Trailer benötigt werden. Je größer die Menge, die pro Trailer transportiert
sLH2-Wasserstofftankstellen ein Großteil der Vorkonditionierung in der werden kann, desto geringer sind die Lieferkosten pro Kilogramm Wasserstoff
LH2-Produktionsanlage statt, was zu einer Verringerung des CAPEX auf der an die Tankstelle. Im Vergleich zum gasförmigem Wasserstofftransport kann
Wasserstofftankstellenseite führt. im Flüssigwasserstoff-Trailer bis zur dreifachen Menge transportiert werden.07 34
BEWERTUNG DER TECHNOLOGIEN
Allerdings verlängern sich mittelfristig die Lieferwege aufgrund der geringen Schon heute zeigt sich, dass aufgrund der hohen Wasserstoffvolumina im
Anzahl von Produktionsanlagen für flüssigen Wasserstoff. Langfristig können Wasserstoffschwerlastverkehr alle in der Übersicht beschriebenen Techno-
Transportkosten durch ein Wasserstoffpipeline-Netz verringert werden, dafür logien langfristig wirtschaftlich betrieben werden können. Die Voraussetzung
müssen allerdings Anfangsinvestitionen getätigt werden, um das Pipeline-Netz sind hohe Stückzahlen von BZ-Fahrzeugen und anfängliche staatliche Hilfen bei
aufzubauen bzw. das existierende Gasnetz umzurüsten. Um die geforderte der Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen und Wasserstoffinfrastruktur.
Qualität für die Fahrzeugbetankung sicherzustellen, fallen außerdem zusätzliche
Investitionen für die Aufbereitung des Wasserstoffs an.
Ausblick
Technologie 350 Bar CGH2 700 Bar GH2 sLH2 CcH2
Anlieferung CGH2 LH2 CGH2 LH2 LH2 LH2
Kostentreiber › C APEX › COGS › CAPEX › COGS › COGS
(heutige Perspektive) (Vorkühlung, (längere Lieferstrecke, (Vorkühlung, (längere Liefers- (längere Lieferwege, Prozessgase,
Lagerkosten) Boil-Off) Lagerkosten) trecke, Boil-Off) Kosten der Moleküle)
› OPEX › OPEX › OPEX noch keine Daten der Anlage
(Reparaturkosten) (Energiekosten, (Reparaturkosten) verfügbar
Wartung- und
Reparaturkosten)
Mögliche Entwicklungs- › Skalenvorteile Siehe sLH2 / CcH2 › Skalenvorteile Siehe sLH2 / CcH2 › höhere Auslastung der Wasserstoff-
pfade › direkte Verdichtung › direkte Verdichtung tankstelle & Größenvorteile
› höherer Versorgungs- › mehr LH2-Quellen und -Lieferanten
druck › Pilotstationen zur Gewinnung
von Daten über die Ausrüstung
Abb. 9 – Kostentreiber für jede TechnologieSie können auch lesen
