3.3 Verwendung von Wasserstoff
3.3.3 Verwendung in der Mobilität
3.3.3.1 Allgemeiner Teil:
Verwendung von Wasserstoff in der Mobilität
In diesem Kapitel wird ein Überblick über den Reife-grad sowie die Verfügbar-keiten der verschiedenen wasserstoffbetriebenen Fahrzeugklassen präsen-tiert. Auf dessen Basis werden im nächsten Kapitel Darstellungen und Empfeh-lungen gegeben, welche Fahrzeugklassen über ein ausreichendes Transfor-mationspotenzial verfügen und sich somit kurz- oder mittelfristig für die
Wasser-stoffnutzung eignen. Tab. 6 | Übersicht der Projektansätze im Bereich „Verwendung (Industrie)“
Involvierte
Stakeholder Beschreibung Jährlicher
Gasverbrauch Steckbrief im Anhang Die Glasschmelze plant kurzfristig die
Belieferung mit Kokereigas (60% Wasser-stoffanteil) aus der Kokerei Prosper von ArcelorMittal (Bottrop). Auslegung der Leitungen soll H2-ready erfolgen, sodass eine spätere Umstellung auf 100 % Wasserstoff erfolgen kann. Umstellung frühestens 2030.
400 GWh 4.15
Die Aluminiumschmelze TRIMET plant ebenfalls die kurzfristige Belieferung der Standorte Essen und Gelsenkirchen mit Kokereigas aus der Kokerei Prosper (Bottrop) (Übergangstechnologie, Leitungsbau daher H2-ready). Mittel- bzw.
langfristig ist auch hier eine Umstellung auf 100 % Wasserstoff geplant.
150 GWh 4.13
Die Glasschmelze Gerresheimer hat bestehende Dekarbonisierungbestre-bungen. Einsatz von Wasserstoff stellt Alternative zur Elektrifizierung der Feue-rungsprozesse dar. Nächster Investitions-zyklus ist 2024. Umrüstung zu diesem Zeitpunkt ungewiss.
215 GWh 4.5
Das Energieversorgungskonzept der LSE (Kühllager) basiert u.a. auf dem Einsatz von gasbetriebenen BHKW, welche künftig auf H2 umgestellt werden könnten. Technologisches Interesse ist vorhanden. Interessante Alternative ist eine Elektrifizierung der Kühlprozesse.
18 GWh 4.7
Keine konkreten Projekte zur Dekar-bonisierung des evonik Standorts Goldschmidtstraße (Spezialchemie).
Umstellung der Dampferzeugung bzw.
der Wärmeerzeugungsanlagen ab 2035 denkbar.
Abb. 8 | Verortung von Projektansätzen in der Stadt Essen pro Jahr
Erläuterung Technologischer Reifegrad35:
TRL 1 – Beobachtung und Beschreibung der Grundprinzipien TRL 2 – Technologiekonzept formuliert
TRL 3 – Experimenteller Nachweis des Konzepts TRL 4 – Technologie im Labor überprüft
TRL 5 – Technologie in relevanter Umgebung überprüft (bei Schlüsseltechnologien im industrieorientierten Umfeld)
TRL 6 – Technologie in relevanter Umgebung getestet (bei Schlüsseltechnologien im industrieorientierten Umfeld)
TRL 7 – Test eines System-Prototyps im realen Einsatz TRL 8 – System ist komplett und qualifiziert
TRL 9 – System funktioniert in operationeller Umgebung (bei Schlüsseltechnologien oder Raumfahrt wett-bewerbsfähige Fertigung)
3.3.3.1.1 Stadtbusse
Stadtbusse mit Wasserstoffantrieb weisen einen hohen technischen Reifegrad aus. Die Technik wurde bereits in vielen deutschen Städten, wie z.B. Wuppertal und Hamburg, erprobt. Es gibt dabei zwei Konzepte, die sich vor Allem in der zugehörigen Batteriegröße unterscheiden. Das erste und gängige Konzept umfasst die Kombination aus einer Brennstoffzelle mit Wasserstofftank, die für die Versorgung des Antriebs zuständig ist. Zusätzlich ist eine kleinere Batterie verbaut, die die zurückgewonnene Bremsenergie aufnimmt und bei Leistungsspitzen zusätzliche Energie bereitstellen kann. Das zweite Konzept, welches sich technisch noch in
35 Vgl. TWI Ltd (2021), https://www.twi-global.com/locations/deutschland/was-wir-tun/haeufig-gestellte-fragen/was-sind-technology-readi-ness-levels-trls, eingesehen: 19.08.2021
36 https://www.kba.de/DE/Statistik/Kraftverkehr/VerkehrKilometer/vk_inlaenderfahrleistung/vk_inlaenderfahrleistung_inhalt.
html?nn=2351536, eingesehen: 19.08.2021
der Erprobung befindet, ist das Brennstoffzellen-Range-extender-Konzept. Die Busse sind wie ein PlugIn-Batteriebus aufgebaut. Die Energie für den Antrieb wird durch die, im Vergleich zum klassischen Brennstoffzellenbus, relativ große Batterie gespeist. Die Brennstoffzelle und der Wasserstoff-tank sind deutlich kleiner dimensioniert und fungieren, wie der Name bereits andeutet, zur Reichweitenerweiterung, welche die Batterie kontinuierlich auflädt.
Im Vergleich zu konventionellen Busantrieben sind die Investitions- und Betriebskosten hoch, wodurch Förde-rungen für eine nachhaltige Markteinführung benötigt werden. Zudem müssen geeignete Konzepte und techni-sche Lösung entwickelt werden, um eine durchgängige Verfügbarkeit der Tankinfrastruktur zu gewährleisten.
Kraftomnibus Fahrzeugbestand Essen (Stand Januar 2020) Insgesamt: 50836
3.3.3.1.2 Fahrzeuge für Entsorgungsbetriebe
Ähnlich wie bei Bussen mit Wasserstoffantrieb, gibt es für größere Entsorgungsfahrzeuge ebenfalls zwei Antriebs-konzepte: In einigen Fahrzeugen ist das Brennstoffzellen-system die einzige Energiequelle, während sie in anderen Fahrzeugen als Range-Extender mit zusätzlichen Batterien eingesetzt werden. Ab 2021 startet die Faun Gruppe als erstes deutsches Unternehmen die Serienproduktion von wasserstoffbetriebenen Sammelfahrzeugen und Kehr-maschinen. Die „Bluepower“-Technologie der Fa. Faun setzt auf 700 bar Druckspeichersysteme und kann an den jeweiligen Bedarf der abzufahrenden Strecken und Mengen modular angepasst werden. Das Fahrzeug kann maximal mit drei Brennstoffzellen-Modulen je 30 kW und mit bis zu vier Tanks à 4,2 kg Wasserstoff bestückt werden. Die Maxi-malausstattung mit 90 kW und 16,8 kg H2 soll an einem Tag zwei Touren mit 10 t Sammelgut fahren können. Die Maximalreichweite ohne Stop-and-Go sowie Ladevorgänge soll bis zu 400 km betragen.
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad
Busse 200 – 470 km 350 bar;
Ca. 40 kg; 170 – 250 kW Vergleichbar zu
konven-tionellen Antrieben 7 – 9
Van Hool (BE) 350 km 350 bar;
39 kg 210 kW 9
Solaris (PL) 200 km 350 bar;
45 kg 240 kW 7
Tab. 7 | Übersicht aktueller H2-Stadtbusse
Auch bei dieser Fahrzeuggruppe betragen die Anschaf-fungskosten für BZ-Fahrzeuge ein Vielfaches der konventio-nellen Dieselfahrzeuge, wodurch zur Marktdurchdringung Subventionen benötigt werden.
3.3.3.1.3 Lieferverkehr (Leichte Nutzfahrzeuge) Wie bei wasserstoffbetriebenen Stadtbussen und im Entsorgungsbetrieb weisen auch Fahrzeuge im Liefer-verkehr eine ähnliche Technik auf. Auch hier gibt es zwei Konzepte, die sich durch reine Wasserstoffversorgung oder einen Hybridantrieb mit größerer Batterie unter-scheiden. Bei ersterem werden je nach Projekt Drucktanks von 350 und 700 bar verwendet, bei den Hybridfahr-zeugen ein Drucktank mit 700 bar. Ein Demonstrations-projekt mit sieben umgerüsteten „Renault Kangoo“
Hybridfahrzeugen ist in Hanau im Einsatz. Außerdem sind einige weitere Prototypen von Fahrzeugklassen im Bereich von 3,5 bis 12 Tonnen erhältlich.
Im Vergleich zu konventionellen Lieferwagen sind die Inves-titionskosten (Umrüstung/Anschaffung) hoch, wodurch Förderungen für eine nachhaltige Markteinführung benö-tigt werden.
Lkw Fahrzeugbestand Essen (Stand Januar 2020)33
< 2.800 kg: 7078 2.801 – 3.500 kg: 8007
3.501 – 5.000 kg: 302 5.001 – 7.500 kg: 848 7.501 – 12.000 kg: 235
3.3.3.1.4 Schwere Nutzfahrzeuge
Im Bereich des Schwerlastverkehrs gibt es am Markt ein gemischtes Feld in Bezug auf den technologischen Reifegrad.
Während Hyundai im Jahr 2020 für ein Projekt in der Schweiz 50 Wasserstoff-LKW ausliefern konnte, mit der Perspektive für 1600 weitere Fahrzeuge bis 2025, liegt die Entwicklung auf dem europäischen Markt noch im Bereich von Prototypen. Im Gegensatz zu PKWs wird eine Druckstufe von 350 bar genutzt.
Dies vereinfacht die Komplexität der Füllanlagen, da auf eine Vorkühlung und mehrere Druckstufen verzichtet werden kann.
Im Vergleich zu Batteriebetriebenen LKWs (BEV) ist sowohl die Ladezeit niedriger als auch die Reichweite deutlich höher, bei vergleichbaren Zuladekapazitäten wie bei der Dieselaus-führung. Bei weiterem technologischem Fortschritt wird der Umstieg zu 700 bar Tanks angestrebt.
Im Vergleich zu konventionellen LKWs sind neben den hohen Investitionskosten, vor Allem die Treibstoffkosten inklusive Tankinfrastruktur noch zu hoch für einen wirt-schaftlichen Betrieb. Es wird erwartet, dass sich durch Förderungen der Investitionskosten und technologischem Fortschritt sowie bei größerer Skalierung der Fahrzeug-anzahl und Tankstellen die Kosten angleichen oder sogar besser darstellen.
Tab. 8 | Übersicht aktueller H2-Fahrzeuge für Entsorgungsbetriebe
Tab. 9 | Übersicht aktueller H2-LNF
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad
Entsorgungs-fahrzeuge < 285 km 350 oder
700 bar;
16kg 7 – 8
Faun Bluepower < 285 km 700 bar 10,5 To. 7
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad
Lieferverkehr > 350 km*
350 oder 700 bar,
> 53 l*,
> 1,7 kg*
* Vergleichbar zu
konventio-nellen Antrieben 4 – 7
Renault Kangoo
Hydrogen 350 km 350 bar;
1,7 kg
540 kg
(4 m3 Ladevolumen) 7
Renault Master
Hydrogen 350 km 700 bar;
106 l
1000 kg
(10 – 20 m3 Lade volumen) 5 Symbio Maxity
(12 To.) 100 – 250 km 700 bar 4
Lkw Fahrzeugbestand Essen (Stand Januar 2020)33 12.001 – 20.000 kg: 331
> 20.001 kg: 521
3.3.3.1.5 PKW für den Individualverkehr
Die Funktionsweise der Brennstoffzellen-PKW ist ähnlich wie die der anderen Fahrzeugklassen: Es sind sowohl Brennstoffzelle, Wasserstofftank sowie eine kleine Batterie verbaut. Die Batterie fungiert ebenfalls als Zwischenspeicher und deckt Lastspitzen z.B. beim Beschleunigen ab. Zudem nimmt sie Rekuperationsenergie auf und speichert sie. In Deutschland sind 876 Brennstoffzellen-PKW zugelassen (BMVI Stand 01.02.2021). Serienmäßige Brennstoffzellen-fahrzeuge gibt es auf dem deutschen Markt lediglich den Hyundai Nexo und den Toyota Mirai. Aus Deutschland selbst hatte bisher nur Daimler mit dem Mercedes GLC F-Cell ein Auto mit Wasserstoffantrieb auf dem Markt. Im April 2020 gab Mercedes das Ende des Projekts bekannt und die Produktion des GLC F-Cell wurde eingestellt. Für März 2021 hat Toyota die zweite Generation angekündigt, den Mirai II, welcher eine Reichweite von bis zu 650 km bewältigen soll.
In Deutschland gibt es derzeit 90 Wasserstofftankstellen mit 700 bar Betankungssystem in Bereitschaft (Stand
Februar 2021), die größtenteils von H2 Mobility betrieben werden.
PKW Fahrzeugbestand Essen (Stand Januar 2020) 33 Insgesamt: 292.043
3.3.3.1.6 Fahrzeuge für den Taxibetrieb
Für den Taxibetrieb sind PKW-Brennstoffzellenfahrzeuge erhältlich. In Deutschland gibt es allerdings nur sehr wenige Taxiunternehmen, die Brennstoffzellenfahrzeuge in ihren Flotten haben. Eines davon ist CleverShuttle, ein Unternehmen aus Berlin, welches mit rund 67 Brennstoff-zellenfahrzeugen eine der größten Wasserstoff-Flotten Deutschlands unterhält. In Frankreich, hingegen plant das Wasserstoff-Joint-Venture HysetCo 600 Dieselfahrzeuge durch Toyota Mirais zu ersetzen. Zusätzlich sollen bis 2024 in Paris rund 20 H2-Stationen betrieben werden.
3.3.3.1.7 Schienengebundener Nahverkehr
Der technologische Reifegrad im Schienenverkehr ist serien-tauglich. In Holland und Italien sind bereits einige Züge der
„Alstom Coradia iLint“ in Betrieb und das Streckennetz wird fortlaufend ausgebaut. Diese Züge sind seit über 1,5 Jahren und mit mehr als 180.000 gefahrenen Kilometern in Betrieb Tab. 10 | Übersicht aktueller H2-SNF
Tab. 11 | Übersicht aktueller H2-PKW
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad Schwerlastverkehr 300 – 600 km 350 bar;
30 – 45 kg 250 – 350 kW Vergleichbar zu
konventio-nellen Antrieben 4 – 9
„Xcient Fuel
Cell“Hyundai (35 To.) 400 km 350 bar;
32 kg 350 kW 9
Toyota
(40 To.) 480 km 350 bar; 210 – 290 kW 7
Nikola Two FCEV
Sleeper 1.450 km 700 bar 4
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad
Taxi / Pkw 480 – 750 km 700 bar 114 – 137 kW 9
Hyundai Nexo 750 km 700 bar;
6,3 kg 120 kW 9
Toyota Mirai II 650 km 700 bar;
5,6 kg 137 kW 9
Honda Clarity
Fuel Cell 650 km 700 bar;
5,0 Kg 130 kW 9
momentan marktführend und bieten bis zu 160 Sitzplätze und doppelt so viele Stehplätze. Am 25.01.2021 wurde das innovative Wasserstoffzugprojekt der Coradia iLint im Auftrag der LNVG Niedersachsen mit dem diesjährigen Euro-pean Railway Award ausgezeichnet. Weitere Projekte z.B.
von Siemens sind bis zum Jahr 2024 in Planung.
Im Vergleich zum konventionellen schienengebundenen Nahverkehr steht die Alstom Coradia iLint mit ihren 1000 km Reichweite in nichts nach. Schon mit einer einzelnen Tankstelle ist eine ausreichende Infrastruktur im Stadtge-biet gegeben.
3.3.3.1.8 Flurförderfahrzeuge in Produktions- und Logistikbetrieben
Konventionelle Flurförderzeuge, die mit Diesel oder Gas betrieben werden, dürfen aufgrund ihrer Schadstoff-Emis-sionen nicht innerhalb von Gebäuden betrieben werden.
Der Nachteil an elektrisch betriebenen Fahrzeugen ist, dass deren Batterien über mehrere Stunden geladen werden müssen. Während der Ladezeit sind diese Fahrzeuge nicht verfügbar, es sei denn es werden zusätzliche Batterien für den Wechsel vorgehalten. Wasserstoffbetriebene Flur-fahrzeuge bieten hingegen Vorteile aus beiden Systemen.
Zunächst dauert die Betankung der 350 bar Systeme, ähnlich wie in konventionell betriebenen Fahrzeugen,
wenige Minuten, sodass Betriebsabläufe optimiert und die Produktivität gesteigert werden kann. Da keine lokalen Emissionen ausgestoßen werden, können sie im Gegensatz zu konventionellen Fahrzeugen in Gebäuden betrieben werden. Ein weiterer Vorteil im Gegensatz zu Elektro-staplern ist, dass sie auch in Kühlräumen über längere Zeiträume ohne negative Auswirkungen betrieben werden können. Zusätzlich werden keine kostbaren Flächen durch größere Batterieladestationen verschwendet.
Im Vergleich zu konventionellen Flurförderzeugen sind sie noch teuer, was auf ihre geringe Stückzahl zurückzuführen ist. In vergangenen Projekten wurde nachgewiesen, dass sich der Betrieb von Brennstoffzellenflurförderzeugen positiv auf Betriebs- und Wartungskosten auswirkt und sie sich somit mittelfristig amortisieren.
3.3.3.1.9 Binnenschifffahrt
In der Binnenschifffahrt sind, je nach Anwendungs-kategorie, hauptsächlich Prototypen erhältlich. Verein-zelt gibt es kommerzielle Modelle für Fahrgastschiffe (vgl. Fahrgastschiffe auf der Alster, Hamburg). Gängige Methode zur Flottenumrüstung ist der Umbau von Bestandsschiffen. Dabei werden in der Regel Dieselge-neratoren durch Brennstoffzellen ersetzt oder ergänzt.
Die größte Herausforderung ist der Bunkerungsvorgang.
Tab. 12 | Übersicht aktueller H2-SPNV
Tab. 13 | Übersicht aktueller H2-Flurförderzeuge
Tab. 14 | Übersicht aktueller H2-Binnenschiffe
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad
Schienen-gebundener
Nahverkehr (Alstom) 1.000 km 700 bar 450 kW 300 Personen /
160 Sitzplätze 9
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad
Flurförderfahrzeuge 8 – 15 Betriebsstunden
350 bar;
1,2 – 3,2 kg;
1,5 – 5 min
5-10 kW/
20-40 kW
Spitzenlast* Spitzenlast 9
Linde Schlepper P30C 350 bar 3 Tonnen Zugkraft 9
Still Schubmaster FM-X-20
350 bar;
1,2 kg 5 kW 9
Fahr zeug klasse Reichweite Betankung Leistung Motor Gewicht/Nutzlast Technologischer Reifegrad
Binnenschifffahrt *
Wechselcon-tainer mit
Druckgasfla-schen
* * 7
Eine Betankung per Schlauch oder Ladearm von einem mobilen Truck ist aufgrund von geringen Bunkerraten nur für Kleinstanwendungen geeignet. Betankungsschiffe oder Pieranlagen haben im Vergleich höhere Bunker-raten, sind aufgrund der hohen Investitionskosten aber nur bei großen Projekten wirtschaftlich. Die Container-to-Ship Methode, bei der z.B. umgebaute Seecontainer mit Druckflaschenbündeln eingesetzt werden, ist für die meisten Anwendungen die empfohlene Methode, da die Investitionskosten gering und die Flexibilität hoch sind.
Im Anhang 5 werden weiterführende Informationen zum Technologievergleich in der Mobilität und zu bestehenden und abgeschlossenen H2-Projekten zu den einzelnen Fahr-zeugklassen aufgelistet.
3.3.3.2 Qualitative Bewertung und Vergleich geeigneter