Sector Strategy. Engineering & Industrials. Engineering & Industrials Special. Brennstoffzelle im Transportwesen Technikrevival als Antriebsinnovation

Engineering & Industrials Special

Sector Strategy

Brennstoffzelle im Transportwesen – Technikrevival als Antriebsinnovation

28. Februar 2022

Engineering &

Industrials

Health Care

Aviation Chemistry

Strategy

Energy

Inhalt

Einleitung ... 2

Grundlagen von Brennstoffzellen ... 3

Definition ... 3

Aufbau und Funktionsweise ... 3

Vor- & Nachteile ... 5

Wirkungsgrad ... 5

Wärmenutzung ... 6

Emissionen ... 6

Laden und Tanken ... 7

Wartung und Verschleiß ... 7

Versorgung und Speicherung von Wasserstoff ... 7

Energiedichten ... 8

Rekuperation ... 9

Der Markt ... 10

Wachstum ... 10

Verteilung am Weltmarkt ... 11

Verteilung nach Technik-Typ ... 11

Nachfrage der Anwendungstypen ... 12

Mögliche Einsatzgebiete für Brennstoffzellen im Transport ... 13

Güterkraftverkehr ... 14

Schienenfahrzeuge ... 18

Schifffahrt ... 22

Luftfahrt ... 25

Sicherheit und technische Freigaben ... 26

Überblick Unternehmen ... 27

Key Takeaways und Fazit ... 28

Brennstoffzellen-Technologie profitiert von der angestoßenen Energiewende ... 28

Fazit: Der Markt wird weiter wachsen ... 28

Literaturverzeichnis ... 29

Anhang ... 32

Ansprechpartner in der NORD/LB... 32

Wichtige Hinweise ... 34

Mehr Studien auf: https://www.nordlb.de/die-nordlb/research

Einleitung

Analyst: Thomas Wybierek Mitarbeit: Henrik Winkelmann

Bis zum Jahr 2050 möchte die Europäische Kommission (EU-Kommission) die Netto-Treib- hausgasemissionen auf null reduzieren. Viele Sektoren sollen dabei sogar schon vor diesem Stichdatum die CO2-Neutralität erreicht haben. Um diesem Problem gerecht zu werden, müssen insbesondere im Transportwesen neue Techniken entwickelt und erprobt werden, welche keine fossilen Energieträger verbrennen. Die Brennstoffzelle ist keine revolutionäre neue Technik, da sie bereits 1966 erstmals im Automobilbau auftauchte. Neue Testreihen kamen dann erst wieder Ende des letzten Jahrhunderts auf.

Im Bereich der PKWs (Individualverkehr) sind Batterien in Verbindung mit Elektromotoren aktuell Mittel der Wahl, was auch im Zusammenhang mit politischen Vorgaben (Subventio- nen/Kaufanreize/Steuerbefreiungen) zu sehen ist. In anderen Sektoren des Verkehrs gilt dies jedoch nicht. Welche Technik sich im Zugverkehr, im Schiffsverkehr, in der Luftfahrt und bei LKWs langfristig durchsetzen lässt, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Die Brenn- stoffzelle bietet aus unserer Sicht die Chance, in allen genannten Bereichen und auch in wei- teren Sektoren eine Alternative zu Batterien zu sein.

Um die Potenziale dieser Technik zu zeigen, werden in der folgenden Studie der Aufbau und die Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle dargestellt. Dabei fällt bereits auf, dass die Brenn- stoffzelle gemessen an der Effizienz Verbrennungsmotoren einiges voraushat. Im Rahmen der Marktbetrachtung werden die Wachstumsmöglichkeiten dieser Technik ersichtlich.

Nach den Bereichen Güterfernverkehr (LKW), Zug-, Schiffs- und Luftverkehr abgestuft zeigen sich bereits deutliche Unterschiede bei den denkbaren Einsatzmöglichkeiten der Brennstoff- zelle.

Als Medium einer Brennstoffzelle eignen sich diverse Stoffe. Vorrangig gehen wir auf die Nutzung in direkter Verbindung mit Wasserstoff ein.

Weitere Informationen zu dem Zukunftsthema Wasserstoff (Hydrogen) finden Sie hier:

NORD/LB Research Wasserstoffstudie 05 2021

Grundlagen von Brennstoffzellen

Definition

Eine Brennstoffzelle (englisch: fuel cell (international gebräuchliche Abk.: FC)) wandelt die in einem Brennstoff enthaltene chemische Energie in elektrische Energie um und ist somit eine galvanische Zelle. Dabei wird der Brennstoffzelle kontinuierlich ein Brennstoff zuge- führt, welcher mit einem Oxidationsmittel reagiert. Meist wird die Brennstoffzelle mit Was- serstoff als Brennstoff assoziiert, aber auch andere Materialien, wie Methanol, Ammoniak oder Erdgas können verwendet werden. Letzteres fällt jedoch vor dem Hintergrund der Energiewende als Stoff fossilen Ursprungs aus. Die Nutzung von Ammoniak als Brennstoff befindet sich erst in einem Anfangsstadium. Der Stoff hat wie Methanol einige Vorteile ins- besondere in Bezug auf die Betankung, ist jedoch hochtoxisch. Methanol wird aufgrund der Verfügbarkeit und seiner Benzin- und Diesel- ähnlichen Eigenschaften hingegen verstärkt diskutiert. Generell müssen alle drei Basisstoffe (Wasserstoff, Ammoniak und Methanol) in Zukunft natürlich mit Hilfe regenerativer Energien gewonnen werden, um als „grün“ zu gel- ten und eine CO2-neutral Nutzung zu gewährleisten.

Als Oxidationsmittel werden in der Zelle entweder (Umgebungs-) Luft oder reiner Sauerstoff verwendet. Bei der Reaktion des Oxidationsmittels mit dem Brennstoff, welche auch als

„kalte Verbrennung“ bezeichnet wird, entstehen Wasser, Strom und Wärme.

Aufbau und Funktionsweise

Grundlage jeder Brennstoffzelle sind zwei Elektroden: Die Anode sowie die Kathode. Ge- trennt sind die beiden Elektroden durch ein Elektrolyt, welcher im Gegensatz zu den Elekt- roden keine Elektronen leiten kann, sondern nur für bestimmte Ionen durchlässig ist und dementsprechend als Ionenleiter bezeichnet wird.

Quelle: NORD/LB Research

Im ersten Schritt wird an die Anode der Brennstoff – Wasserstoff im obigen Beispiel - in Form des Moleküls H2 geliefert. Dieses Molekül wird im nächsten Schritt in positiv geladene Was- serstoff-Protonen (H⁺) und negativ geladene Elektronen (e^-) geteilt. Die positiv geladenen Wasserstoff-Protonen durchdringen den Elektrolyt, während die Elektronen den Elektrolyt

4x H⁺+ 4x e^-+ O₂= 2x H₂O

-

- - -

-

- -

H

- -

-

-

-

-

-

- -

H

-

H

O O

O

O O

O

-

H H O

- -

Anode Elektrolyt Katode Wasserstoff (H₂)

Sauerstoff (O₂)

Wasser (H₂O)

H H O

- -

H H O

- -

Funktionsweise Brennstoffzelle

nicht durchdringen können. Das führt dazu, dass die Elektronen gezwungen werden, durch den elektrischen Leiter zu fließen. Wird an dem elektrischen Leiter nun ein Verbraucher an- geschlossen z. B. eine Glühbirne, so geben die Elektronen elektrische Energie ab. An der Kathode wird entweder reiner Sauerstoff oder Sauerstoff aus der Umgebungsluft zugeführt.

Dieser Sauerstoff nimmt die Elektronen, welche durch den elektrischen Leiter geflossen sind, auf und reagiert mit dem Wasserstoff zu Wasser, das dann abgeleitet wird. Da die Spannung für eine Zelle bei 0,5-1,0 Volt liegt, werden viele Zellen in Reihe geschaltet, um eine Spannung zu erhalten, welche genug Leistung für Anwendungen bereitstellt. Eine sol- che Zusammenschaltung von einzelnen Zellen wird auch „Stack“ oder „Stapel“ genannt. Dies führt dazu, dass Brennstoffzellenstacks einfach modular skaliert werden können. Bosch ent- wickelt zurzeit zusammen mit dem Start-up PowerCell Sweden ein derartiges Brennstoffzel- lensystem, welches mit 400 einzelnen Zellen ein Stack mit einer Leistung von 120 kW liefert.¹ Unterschiede gibt es in dem Aufbau verschiedener Arten von Brennstoffzellen. I.d.R. werden größtenteils sechs verschiedene Typen von Brennstoffzellen differenziert, welche sich alle in dem verwendeten Elektrolyt oder dem Brennstoff abgrenzen. Diese sechs unterschiedli- chen Typen haben bereits eine ausreichende Reife erreicht, um Relevanz in technischen An- wendungen zu erlangen:

1. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) 2. Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)

3. Alkalische Brennstoffzelle (AFC) 4. Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) 5. Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 6. Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC)

Die genannten Zelltypen unterscheiden sich jeweils in ihrer Effizienz und den möglichen An- wendungsbereichen. So sind die Festoxid- (SOFC), Schmelzkarbonat- (MCFC) und Phosphor- säure-Brennstoffzelle (PAFC) für den stationären Betrieb geeignet und könnten zum Beispiel für Blockheizkraftwerke verwendet werden.

Wohingegen die Polymerelektrolytmembran- (PEMFC), die Direktmethanol- sowie die alka- lische (AFC) Brennstoffzelle eher für den mobilen Gebrauch und damit zum Beispiel auch für Fahrzeuge geeignet sind.² Hier wird zurzeit am häufigsten die PEMFC-Technik verwendet.

Aus unserer Sicht sind aber auch Methanol-Brennstoffzellen für mobile Anwendungen inte- ressant, da Methanol gegenüber reinem Wasserstoff signifikante Vorteile in der Transport- und Lagerfähigkeit aufweist. Methanol bzw. Methylalkohol kann als Flüssigkeit wie Benzin und Diesel gelagert, transportiert und vor allem getankt werden. Entsprechend kann auf vorhandene Infrastrukturen zurückgegriffen werden. Ein nicht unerheblicher Vorteil ggü.

Wasserstoff oder den E-Ladesäulen.

Auf diese Karte setzt u.a. die Firma Gumpert Aiways Automobile GmbH in Ingolstadt. Fir- mengründer Roland Gumpert hat bereits einen Sportwagen („Nathalie“) entwickelt, welcher auf einer 15 kW-Methanol-Brennstoffzelle basiert. Die Energiekapazität des Gesamtsystems (Methanol Power Cell mit 65l Tank und Pufferbatterie) beträgt 190 kWh. Aufgetankt ist das Fahrzeug laut Hersteller wie ein herkömmliche PKW in drei Minuten mit einfachster Infra- struktur.³ Vorausgesetzt, es findet sich eine Tankstelle, die reines Methanol anbietet. Die Versorgung ist für die Kunden der Prototype-Sportwagen im ersten Jahr nach Auslieferung kostenfrei. Ein Über-Nacht-Lieferservice ist für den exklusiven Kundenkreis in Deutschland, Österreich und der Schweiz installiert und soll europaweit ausgebaut werden.

1 Vgl. Blogbeitrag der Robert Bosch GmbH „Brennstoffzellen-Stacks: So soll die Serienfertigung gelingen.“

2 Vgl. Noreikat in „Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs“.

3 Vgl. Gumpert Aiways Automobile GmbH – https://www.rolandgumpert.com/.

Vor- & Nachteile

Die Brennstoffzelle hat im Vergleich zu konventionellen Energiewandlern, wie dem Verbren- nungsmotor, gerade im Hinblick auf die durch den Klimawandel induzierten regulatorischen Vorgaben (Zulassungsverbote etc.) gravierende Vorteile. Ebenso könnten mit der Brenn- stoffzelle Probleme der Lithium-Ionen-Batterie klimafreundlich behoben werden. Allerdings besitzt die Brennstoffzelle im Vergleich mit beiden Techniken auch einige Nachteile:

Vorteile + Wirkungsgrad + Wärmenutzung + Emission

+ Lade- und Tank-Geschwindigkeit + Rekuperation

Nachteile

- Emission inkl. Produktion - Infrastruktur (insb. H2) - Energiedichte des Brennstoffs - Langzeiterfahrung/Verschleiß/War-

tung und Reparatur

- Höhere Kosten ggü. Batterien Wirkungsgrad

Ein Vorteil der Brennstoffzelle in Verbindung mit einem Elektromotor gegenüber dem Ver- brennungsmotor ist der höhere Wirkungsgrad. Dies liegt an den unterschiedlichen Wir- kungsweisen. So wandelt ein Verbrennungsmotor die im Treibstoff enthaltene chemische Energie über eine Verbrennung in thermische Energie und im folgenden Schritt in mechani- sche Energie um. Diese kann nun zum Beispiel in kinetische Energie für einen LKW oder ein Schiff verwendet werden. Bei diesen energetischen Umwandlungsprozessen geht viel Ener- gie in Form von Abwärme verloren. Im optimalen Lastbereich erreicht ein Benzinmotor ei- nen Wirkungsgrad von bis zu 35% und ein Dieselmotor einen Wirkungsgrad von bis zu 45%.

Dieser Wert sinkt allerdings auf ca. 14% - 26% bei einer durchschnittlichen Nutzung in ver- schiedenen Lastbereichen. Die Brennstoffzelle hingegen erreicht im optimalen Fall je nach Bauart einen Wirkungsgrad von bis zu 70% und im Betrieb von 45% - 60%. Dies liegt daran, dass die Brennstoffzelle die in dem Brennstoff enthaltene chemische Energie direkt in elekt- rische Energie wandelt und kein zusätzlicher Zwischenschritt notwendig ist.

Im Unterschied zu einer Brennstoffzelle wird in der Batterie die elektrische Energie im Inne- ren gespeichert und nicht von außen durch einen Brennstoff zugeführt. Somit finden keine energetischen Umwandlungsprozesse in der Batterie statt. Das führt dazu, dass die Batterie einen noch besseren Wirkungsgrad, als die Brennstoffzelle besitzt. Die Lithium-Ionen-Batte- rie erreicht beispielsweise einen Wirkungsgrad von ca. 90%.

Diese sogenannte Tank-to-Wheel-Betrachtung ist allerdings beschränkt auf den Wirkungs- grad des Motors und es wird die Herstellung, Weiterverarbeitung, Lieferung und der Trans- port der Treibstoffe bzw. des Stroms nicht mit in die Wirkungsgradbetrachtung aufgenom- men.

Bei der Well-to-Wheel-Betrachtung hingegen werden diese Aspekte mit aufgenommen. So sinkt der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad zum Beispiel auf 21-26% beim Dieselmotor.

Aber auch die Batterie und Brennstoffzelle haben einen deutlich niedrigeren Wert. So redu- ziert sich der Wert der Batterie auf 32% mit dem europäischen Strommix und auf ca. 50%

mit dem österreichischen Strommix. Die Brennstoffzelle kommt mit dem europäischen Wir- kungsgrad auf einen Wert von ca. 22% Well-to-Wheel und ca. 34% mit dem österreichischen Strommix⁴. Es wird ersichtlich, dass der Wirkungsgrad Well-to-Wheel stark von der Herstel- lung des Stroms abhängt. So hat eine Brennstoffzelle entlang der gesamten Prozesskette beim jetzigen⁵ Strommix Europas keinen besseren Gesamtwirkungsgrad als ein Dieselmotor.

4 Im Gegensatz zum europäischen Strommix mit 39%, enthält der österreichische Strommix mit 79% einen deutlich höheren Anteil regenerativer Energien (Daten für 2020, Quelle: Ember/Agora „The European Power Sector 2020“, S. 15).

5 Stand 2020.

Quelle: Kleebinder, NORD/LB Research

Die Bezeichnungen der Wirkungsgrade sind kraftfahrzeugbezogene Werte, allerdings sind diese auch repräsentativ für andere Bereiche. Insgesamt hat die Batterie den besten Ge- samtwirkungsgrad vorzuweisen, gefolgt von der Brennstoffzelle und den Verbrennern, wenn zum Betrieb erneuerbare Energie verwendet wird. Insbesondere steigen die Well-to- Wheel-Wirkungsgrade der Batterie und Brennstoffzelle weiter, je mehr erneuerbare Energie verwendet wird.

Wärmenutzung

Dies bringt wiederum ein anderes Problem mit sich. Viele mobile Anwendungen, wie LKWs oder Züge benötigen neben Strom ebenso Wärme, zum Beispiel für die Temperierung des Fahrgastraums. Der Elektromotor an sich hat zwar einen sehr hohen Wirkungsgrad. Bei- spielsweise hat ABB einen Elektromotor entwickelt, welcher einen Wirkungsgrad von 99,05% erreicht. Dieser wird allerdings stationär betrieben. In mobilen Anwendungen errei- chen die Motoren meist einen Wirkungsgrad von circa 80%. Die restlichen 20% sind Verluste, welche als Wärme frei werden. Die Brennstoffzelle selber hingegen, wie auch der Verbren- nungsmotor geben deutlich mehr Wärme ab. Diese kann bzw. muss sogar für die Temperie- rung des Innenraums verwendet werden. Demgegenüber sinken bei Elektroautos die Reich- weiten im Winter signifikant, da die elektrische Energie der Batterie zusätzlich zum Antrieb zur Wärmeerzeugung für den Innenraum verwendet werden muss.

Emissionen

Neben den Wirkungsgraden ist im Zuge des Klimawandels ebenfalls eine Analyse der Emis- sionen der einzelnen Techniken interessant. Hier gilt, dass die Brennstoffzelle nur Wasser- dampf und die Batterie keinerlei Emissionen lokal ausstößt. Wohingegen die Abgase des Verbrennungsmotors Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Stickoxide enthalten.

Ein Vergleich der Treibhausgasemissionen verschiedener Antriebsarten im Automobilbe- reich mit einem unterstellten Anteil von erneuerbaren Energien in Höhe von 67% fällt zu- gunsten der Batterie aus. Die Lithium-Ionen-Batterie produziert in Summe am wenigsten Treibhausgas (THG)-Emissionen, gefolgt von der Brennstoffzelle und dem Diesel- sowie dem Benzinmotor.

Leicht verständlich ist dabei, dass die Emissionen der Brennstoffzelle und der Batterie immer weiter sinken werden, desto größer der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix ausfällt.

Dies liegt daran, dass die Batterie direkt mit Strom geladen wird und der für die Brennstoff- zelle notwendige Wasserstoff mit dem Strom direkt durch Elektrolyse hergestellt wird.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

Tank-to-Wheel Well-to-Wheel (Europäischer Strommix)

Well-to-Wheel (Österreichischer Strommix)

Wirkungsgrade unterschiedlicher Technologien

Benzinmotor Dieselmotor Brennstoffzelle Li-Ionen-Batterie

Quelle: Umweltbundesamt Österreich, NORD/LB Research

Zu bedenken ist darüber hinaus u.E. aber noch, dass die größten Emissionen für einen Ver- brennungsmotor während der eigentlichen Nutzung entstehen. Dem gegenüber werden bei der Brennstoffzelle und der Batterie im Herstellungsprozess (Rohstoffe) am meisten Emissi- onen freisetzt. Studien kommen zu dem Schluss, dass mittels sogenannten e-fuels - also nur durch Verwendung von aus regenerativen Energiequellen erzeugten Stroms nachhaltig her- gestellten Treibstoffen – Emissionsreduzierungen in sehr niedrige Bereiche möglich sind.⁶ Laden und Tanken

Ein klarer -und auf Sicht nicht behebbarer- Schwachpunkt der Elektromobilität ist die Dauer des Ladevorgangs beim Gebrauch von Batterien. Dieses Problem kann mit einer Brennstoff- zelle umgangen werden, da wie beim herkömmlichen Verbrenner, der eigentliche Brenn- stoff (Wasserstoff oder Methanol) innerhalb weniger Minuten nachgeladen bzw. getankt werden kann. Dies zu bedenken ist auch wichtig, wenn es um andere Transportmittel abseits der Straße geht. Für größere Transportmittel wie Flugzeuge oder Schiffe würden enorme Batteriegrößen mit entsprechend langen Ladezeiten benötigt, Gewichtserhöhungen und La- deraumreduktionen (in Summe alles unrentabel und nur bedingt umsetzbar).

Wartung und Verschleiß

Zwar erscheinen Brennstoffzellen – ebenso wie Batterien - im Vergleich zu einem Verbren- nungsmotor aufgrund der Masse der verbauten Komponenten deutlich verschleiß- und war- tungsärmer. Eine Vielzahl an mechanischen Teilen, die im klassischen Kolbenmotor (Ver- brenner) notwendig sind (u.a. Zylinder, Kolben, Keilriemen, Zündkerzen etc. pp), entfallen.

Allerdings sind Brennstoffzellen bisher nur wenig im Langzeitbetrieb erprobt worden. Der sog. „Brennstoffzellenstack“ verfügt auch noch über eine begrenzte Lebensdauer. Das For- schungszentrum Jülich hat aber in einem Projekt eine Brennstoffzelle über 11 Jahre lang betrieben. Dementsprechend ist davon auszugehen, dass bei weiterer Forschung und ge- machten Erfahrungen im Einsatz der Technik deutlich längere Lebenszyklen möglich sind.

Versorgung und Speicherung von Wasserstoff

Auch wenn viele Firmen und Start-Ups an Brennstoffzellen forschen und arbeiten, sind die technologischen Anforderungen und die Investitionskosten noch relativ hoch. Dies gilt dar- über hinaus für die Versorgung und Speicherung von Wasserstoff, denn: Noch ist die Infra- struktur für einen flächendeckenden Einsatz von Brennstoffzellen nicht gegeben.

6 Vgl. Studie des FVV „Cradle-to-Grave-Lebenszyklus-Analyse im Mobilitätssektors“ (S.5).

214,13

169,61

126,89

79,3

0 50 100 150 200 250

Benzin Diesel Brennstoffzelle Li-Ionen-Batterie

Lebenszyklus-Emissionen unterschiedlicher Technologien

THG-Emissionen in g pro gefahrenen Fahrzeugkilometern

Hierzu müsste vor allen Dingen die notwendige Infrastruktur zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff aufgebaut werden. So soll zum Beispiel der Hamburger Hafen bis 2030 über ein eigenes Wasserstoffnetz verfügen. Wird allerdings die Anzahl der vorhande- nen konventionellen Benzin- und Dieseltankstellen mit der von Wasserstofftankstellen ver- glichen, so fällt auf, dass sowohl in Deutschland, als auch europa- und weltweit der Anteil von Wasserstofftankstellen marginal ist. In Deutschland gab es zum Jahresbeginn 2021 ca.

14.500 konventionelle Tankstellen. Im Gegensatz dazu gab es im Juli 2021 nur 91 Wasser- stofftankstellen⁷. Damit ist Deutschland im Vergleich mit anderen Ländern und Regionen sogar noch gut aufgestellt. Beispielsweise wurden in den USA im September 2021 nur 48 öffentliche Wasserstofftankstellen betrieben.⁸

Neben den Problemen in der flächendeckenden Versorgung mit Wasserstoff ist die Speiche- rung in Tanks im Vergleich zu herkömmlichen Treibstoffen ungleich komplizierter. Es gibt hauptsächlich zwei Arten, Wasserstoff zu speichern. Zum einen das Druckgasspeichern, zum anderen das Flüssigwasserstoffspeichern. Beim Druckwasserstoffspeichern wird der Was- serstoff auf 700 bis 800 bar komprimiert. Dafür müssen allerdings bereits ca. 12% des Ener- gieinhalts des Wasserstoffs für die Speicherung verwendet werden. Beim Flüssigwasser- stoffspeichern wird der Wasserstoff auf die Siedetemperatur von ca. -253 °C gekühlt, um den Wasserstoff somit in einen flüssigen Zustand zu überführen. Dieses Verfahren soll unter anderem in dem neuen GenH2-Truck von Daimler ab 2027 zum Einsatz kommen, welcher auf einer Brennstoffzelle basiert.⁹

Um die aufwändige Speicherung zu umgehen, wird auch an anderen Brennstoffzellen-Kon- zepten geforscht, welche meist darauf basieren, dass der Wasserstoff in flüssiger Form ge- bunden wird. Eine Möglichkeit wäre z.B. die Brennstoffzelle mit Ammoniak zu betrieben.

Hierbei wird flüssiges Ammoniak in einem Spaltreaktor zu Stickstoff und Wasserstoff, wo- raus dann in der Brennstoffzelle elektrische Energie gewonnen werden kann. Der Vorteil gegenüber reinem Wasserstoff ist, dass flüssiges Ammoniak bei Normaldruck bei -33°C und bei 20°C bei 9 bar vorliegt wodurch die Speicherung im Vergleich zum Wasserstoff einfacher ist. Bereits 2023 wird das Fraunhofer-Institut ein Versorgungsschiff der norwegischen Ree- derei Eidesvik mit einer Ammoniak-Brennstoffzelle ausstatten.¹⁰

Energiedichten

Interessant ist zudem eine Betrachtung der Energiedichten der unterschiedlichen Antriebs- konzepte. Dabei wird die volumetrische und gravimetrische Energiedichte unterschieden.

Wasserstoff weist die höchste gravimetrische Energiedichte auf. Diese ist allerdings für mo- bile Anwendungen nicht so wichtig, wie die volumetrische Energiedichte. Diese fällt bei Was- serstoff deutlich geringer aus, als bei Diesel oder Benzin. Dabei erreicht der Wasserstoff in flüssiger Form noch einmal größere Werte, als in gasförmiger Form. Aus diesem Grund forscht Daimler Trucks an einer zuverlässigen Flüssigwasserstoffbetankung für den GenH2¹¹. Grundsätzlich ist die geringe volumetrische Energiedichte des Wasserstoffs aber auch ein Problem, welches gelöst werden kann. Die zeigt exemplarisch der Vergleich zwischen dem Toyota Mirai (mit 128 kW-Brennstoffzelle in Verbindung mit einer 1,24 kWh großen Batte- rie) und dem VW Arteon. Um eine Reichweite von 650 Kilometern zu erhalten, benötigt der Mirai einen Wasserstofftank mit einem Volumen von 142,2 Litern.¹²

7 Vgl. H2 Mobility.

8 Vgl. Alternative Fuels Data Center.

9 Vgl. Artikel der Daimler Truck AG „Brennstoffzellen – Teststart des neuen GenH2 Truck Prototypen“.

10 Vgl. Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme. Artikel: „Weltweit erste Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit Am- moniak für Schiffe“.

11 Vgl. Artikel der Daimler Truck AG „Brennstoffzellen – Teststart des neuen GenH2 Truck Prototypen“.

12 Vgl. Toyota Deutschland GmbH – Website (https://www.toyota.de/automobile/mirai/ausstattungen-und-spezifikationen).

Quelle: RP-Energie-Lexikon, NORD/LB Research

Der VW mit Dieselmotor kommt auf eine Reichweite von bis zu 1080 km mit einem 66 Liter- Tank¹³. Der Vergleich verdeutlich die Probleme. Wasserstofftanks nehmen relativ viel Raum ein. Darüber hinaus ist die Reichweite geringer als bei konventionellen Verbrennern.

Im Massenmarkt für PKW ist die reine Batterietechnik derzeit das Mittel zur Wahl. Für An- wendungen im Transportsektor hingegen, beispielsweise für LKWs oder Züge ist die Brenn- stoffzelle aber eine Alternative zu herkömmlichen Verbrennern und Lithium-Ionen-Akkus.

Im maritimen Anwendungsbereich ist die Brennstoffzelle bisher nicht wesentlich über das Versuchsstadium hinausgekommen. Für die Hochseeschifffahrt scheint die Technik aktuell keine Alternative zu Verbrennern zu sein. Als Aggregat für Hilfsmaschinen sowie in speziel- len Nischen können sich jedoch Nutzungsfelder auftun.

Rekuperation

Batteriebetriebene Fahrzeuge können während des Bremsvorgangs die Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie umwandeln. Diesen Vorteil können auch Brennstoffzellen in vielen Anwendungen ausnutzen. Immer dann, wenn eine Brennstoffzelle mit einer Batterie kombiniert wird. Dies ist in den meisten mobilen Anwendungen der Fall, um Leistungsspit- zen mit Strom aus der Batterie abzufangen. Die Funktionsweise ist ähnlich zu der eines Dy- namos. Dabei wird die Funktionsweise des Elektromotors umgedreht und dieser als Gene- rator verwendet. Dadurch wird die kinetische Energie, welche bei Bremsvorgang verloren geht, wieder in elektrische Energie umgewandelt. Bei klassischen Verbrennungsmotor wird die kinetische Energie über die Bremsen hingegen als Wärme an die Umgebung abgegeben.

Die Rekuperation ist jedoch keine neue Innovation im Zuge der Entwicklung von Elektroau- tos. Bereits in den 1920er Jahren fuhren elektrische Züge, welche beim Bremsen Energie zurückgewinnen konnten. Dieses Prinzip wird auch heutzutage verwendet und wurde im Laufe der Zeit verbessert. In den moderneren Zügen der Deutschen Bahn wird die Rekupe- ration beispielsweise bereits eingesetzt. In Zügen mit Oberleitung wird die beim Bremsen zurückgewonnene Energie direkt wieder in das Stromnetz eingespeist. In Zügen mit einem Dieselmotor könnte diese Energie hingegen nur dann gespeichert werden, wenn zusätzliche Batterien verbaut werden. Die gespeicherte Energie könnte dann für andere Funktionen, wie das Heizen oder die Beleuchtung verwendet werden. In Batterie- oder Brennstoffzellen- zügen kann die wiedergewonnene Energie über die Batterien direkt wieder für den Antrieb des Zugs eingesetzt werden.

13 Vgl. ADAC Autotest VW Arteon 2.0 TDI SCR Elegance 4MOTION DSG (7-Gang), Oktober 2017 (S.2).

4,25 4,4 2,36 1,85

6,25 5,6

33,3 33,3

1 10 100

Ammoniak Methanol Flüssiger Wasserstoff Wasserstoff (700 bar)

Energiedichten im Vergleich (logarithmisch)

Gravimetrische Speicherdichte in kWh/kg Volumetrische Speicherdichte in kWh/l

Der Markt

Wachstum

Der weltweite Markt an Brennstoffzellen befindet sich unverändert im Wachstum¹⁴. Es gab zwar in den letzten zehn Jahren Perioden mit etwas geringerer Nachfrage und das Tempo hatte sich seit 2013 etwas verlangsamt. Insgesamt beläuft sich die jährliche Wachstumsrate (CAGR 2011-2020) der ausgelieferten Einheiten aber auf 14,4%. Aus unserer Sicht ist die ausgelieferte Leistung aber bemerkenswerter, spiegelt sie doch einen gewissen Technolo- giefortschritt über die Jahre. So ist die CAGR der ausgelieferten Brennstoffzellen in Mega- watt in dem betrachteten Zeitraum mit 31,9% noch deutlich höher, als die der Stückzahlen.

Quelle: E4Tech/ERM Group, NORD/LB Research

Trotz der Corona-Pandemie konnte die Zahl der ausgelieferten Brennstoffzellen gemessen in Megawatt 2020 um 10,2% ggü. dem Vorjahr gesteigert werden. 2019 lag die Wachstums- rate noch bei 48,5%. Damit verlangsamte sich das Wachstum im Zuge der Pandemie zwar deutlich, im Vergleich zu anderen Industriezweigen brach es aber auch nicht signifikant ein, sondern blieb unverändert positiv. Die zuvor prognostizierten höheren Wachstumsraten konnten aber nicht erzielt werden. Entsprechend sollte die Nachfrage mit Ausklingen der der Pandemie wieder deutlich anziehen. Eine genaue Prognose abzugeben, ist schwierig, aber wir gehen von einer Steigerung der mittelfristigen Wachstumsrate der ausgelieferten Megawatt zwischen 20% und 30% aus. Hierbei ist vor allen Dingen die Politik einer der wich- tigsten Faktoren. In dem Bestreben, die Industrie zu dekarbonisieren, kann und wird die Brennstoffzelle u.E. einen wertvollen Beitrag liefern. Um das volle Potenzial dieser Technik auszuschöpfen, muss die globale Akzeptanz der klimafreundlichen Technologien jedoch noch weiter massiv ausgebaut werden. Dies ist mit einer hohen Ungewissheit verbunden.

Die USA sind zwar unter Präsident Biden wieder in das Pariser Klimaschutzabkommen ein- getreten und wollen sich stärker dem Klimaschutz verpflichten. Ebenso haben sich Japan und Südkorea für die Brennstoffzellen-Technik wichtigen ambitionierten Wasserstoffstrate- gien verpflichtet. Nichtsdestotrotz können sich die Ziele in Bezug auf den Ausbau von Was- serstoff-Infrastrukturen auch wieder ändern, sobald die politischen Entscheidungsträger wechseln.

14 Vgl. The Fuel Cell Industry Review 2020.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Ausgelieferte Brennstoffzellen in 1.000 Einheiten

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Ausgelieferte Brennstoffzellen in Megawatt

Verteilung am Weltmarkt

Asien ist die mit Abstand größte und am schnellsten wachsende Region, wenn es um den Einsatz von Brennstoffzellen geht. Dies liegt u.a. daran, dass die asiatischen Regionen bereits früh begonnen haben, die Brennstoffzelle zu fördern. Vor allen Dingen Japan, Südkorea und China subventionieren die Brennstoffzellen- und Wasserstoffwirtschaft oder handeln zu- mindest nach langfristigen Strategien, um die Branche aufzubauen.

Quelle: E4Tech/ERM Group; NORD/LB Research

Verteilung nach Technik-Typ

Die Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEMFC) hatte im Jahr 2020 mit ca. 78% den mit Abstand größten Marktanteil unter den unterschiedlichen Brennstoffzellentypen. Die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) kam auf ca. 11,2%, die Phosphorsäurebrennstoffzelle (PAFC) erreichte 10%. Andere Techniken, wie die alkalische (AFC), die Schmelzkarbonat- (MCFC) und Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) hatten in Summe bisher nur einen Marktanteil von rund einem Prozent.

Quelle: E4Tech/ERM Group (Schätzung 2020 basierend auf 9M-Daten); NORD/LB Research 0

200 400 600 800 1000

2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020f

Ausgelieferte Brennstoffzellen in Megawatt nach Kontinent der Nutzung

Europa Nordamerika Asien Rest der Welt

78,1%

11,2%

10,0% 0,7%

Anteil unterschiedlicher Brennstoffzellen- Technologien 2020

PEMFC SOFC PAFC Others (MCFC, DMFC, AFC)

Die Begründung ist relativ einfach. PEMFC ist vielseitig einsetzbar und hat großes Potenzial für die Massenfertigung. Daher liegt der Fokus in der Entwicklung neuer Anwendungen vor allen Dingen auf der Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle.

Zwei Arten vom PEMFC-Typen werden unterschieden. Einerseits die Niedertemperaturzel- len (bis etwa 90°C), die aber empfindlich auf Kohlenmonoxid (CO) reagieren. CO kann den Anoden-Katalysator blockieren und einen Leistungsabfall auslösen. Andererseits die Hoch- temperaturzellen (bis etwa 180°C), die relativ unempfindlich gegenüber CO und anderen Verunreinigungen sind, da der Elektrolyt aus PBI (Polybenzimidazole) besteht. Dieses Mate- rial wird beispielsweise auch für feuerfeste Kleidung eingesetzt. Brennstoffzellen mit sol- chen Elektrolyten haben eine einfachere Wärmeabfuhr, sind kompakter und insgesamt auch billiger zu produzieren.

Die PEMFC wird sowohl in den stationären, den Transport- und portablen Anwendungen eingesetzt¹⁵.

Nachfrage der Anwendungstypen

Portable Anwendungen können kleine Batterieladeeinheiten oder auch militärische Geräte sein. Aber auch kleine Generatoren zur Versorgung von Wohnmobilen oder Booten sind un- ter diesem Oberbegriff zusammengefasst. Stationäre Anwendungen sind zum Beispiel Hei- zungen oder Notstromaggregate. Unter die Transport-Anwendungen fallen PEMFC-Systeme in Autos, LKWs, Bussen und Züge.

Quelle: E4Tech/ERM Group; NORD/LB Research

Der in Megawatt gemessene Markt für Transport-Anwendungen ist in den letzten Jahren am stärksten gewachsen. Für den Zeitraum zwischen 2011 und 2020 lag die durchschnittli- che jährliche Wachstumsrate (CAGR) bei 48,9%. Das Wachstum hat dabei natürlich unter der Pandemie gelitten. Wurde 2019 noch ein Anstieg im Jahresvergleich von 57,6% gemes- sen, ging das Plus infolge der COVID-19-Auswirkungen 2020 auf 7,9% zurück. Im Zuge der Erholung der Weltwirtschaft und der mittelfristigen Fokussierung auf CO2-neutrale An- triebskonzepte wird wieder mit einer Rückkehr auf einen deutlich steileren Wachstumspfad bei den Transport-Anwendungen gerechnet. Fortschreitende Tests im LKW-Bereich sowie die ersten Erfolge bei der Vermarktung von Brennstoffzellen-Zügen deuten das Potenzial bereits an. Die Aussichten für Brennstoffzellen-Autos (wie die auf dem H2-Einsatz basieren- den Konzepte von Hyundai und Toyota) sind dagegen aktuell deutlich vager. Aus unserer Sicht ist die Technik aufgrund der Fokussierung der großen europäischen OEMs auf die Bat- terietechnik ins Hintertreffen geraten.

15 Vgl. TÜV Süd AG, Services zu Brennstoffzellensystemen (2021); https://www.tuvsud.com/de-de/indust-re/wasserstoff-brenn- stoffzellen-info/brennstoffzellen/pem-brennstoffzelle.

0 200 400 600 800 1000 1200

Ausgelieferte Brennstoffzellen in Megawatt nach Anwendungstyp

Portable Stationary Transport

Mögliche Einsatzgebiete für Brennstoffzellen im Transport

Der globale CO2-Ausstoß wurde durch die Covid-19-Pandemie 2020 nur temporär gebremst.

Die sog. energiebedingten CO2-Emissionen stiegen ersten Schätzungen zufolge mit der zu- nehmenden Erholung der Weltwirtschaft 2021 nach den Lockdown-Unterbrechungen wie- der deutlich an. Unter einer energiebedingten Emission wird das Freisetzen von Treibhaus- gasen und Luftschadstoffen, die durch die Umwandlung (Verbrennen) von fossilen Energie- trägern in z.B. Strom und Wärme entstehen, verstanden.

Quelle: NORD/LB Research

Aufgrund der stabilere Datenbasis wird die Verteilung der energiebedingte CO2-Emissionen in 2018 vor Beginn der Pandemie betrachtet. Weltweit wurden 2018 ca. 33,5 Mrd. t energie- bedingte CO2-Emissionen gemessen. Das Gros kam mit 42% aus der Elektrizitäts- und Wär- meerzeugung. Die Industrie war für 19% verantwortlich. Gebäude und andere energieerzeu- gende Industrien verursachten 6% rsp. 5%, kommerzielle und öffentliche Dienstleistungen trugen 3% bei. Auf den Transportsektor entfiel 2018 dabei mit ca. 8 Mrd. t annähernd ein Viertel (25%) dieser Emissionen.

Quellen: Our world in data; IEA; ICCT (2019); NORD/LB Research

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Mrd. t

Energiebedingte CO₂-Emissionen weltweit

45,1%

29,4%

11,6%

10,6%

1,0% 2,2%

Globale Verkehrsemissionen an CO

(2018)

Straße (Personenverkehr) Straße (Frachtverkehr) Luftverkehr (81% Passagier- /19% Fracht-)

Schifffahrt Schienenverkehr Andere (Transport via Pipeline etc.)

Entsprechend wichtig ist es, die Emissionen in diesem Bereich zu senken. Hierbei können Wasserstoff und Brennstoffzelle eine wichtige Rolle spielen. Im Folgenden werden daher die Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzellentechnik in den Bereichen LKW, Schifffahrt sowie dem Schienen- und Luftverkehr untersucht und Entwicklungen aufgezeigt. Der Individualver- kehr spielt in diesen Überlegungen keine wesentliche Rolle, da hier aktuell andere Antriebs- konzepte favorisiert werden.

Güterkraftverkehr

Der Güterkraftverkehr ist global für ca. ein Drittel der auf den Faktor Verkehr entfallenden CO2-Emissionen verantwortlich. Ähnlich sind die Zahlen für die EU und für Deutschland.

Mehr als 35% der Verkehrsemissionen waren 2018 laut Aussagen des Umweltbundesamtes Nutzfahrzeugen (inkl. Bussen) zuzurechnen. In der EU belief sich der Anteil der LKW und Busse auf 26 %, weitere 13 % wurden darüber hinaus den leichten Nutzfahrzeuge zugerech- net¹⁶. Deshalb wird ein Antriebswechsel auch bei Nutzfahrzeugen im Allgemeinen als wich- tiger Hebel angesehen, um die Emissionen des Verkehrssektors insgesamt zu reduzieren.

Um die Transformation zu solch einem emissionsärmeren Verkehr zu schaffen, müssen auch die Antriebskonzepte im LKW- bzw. Nutzverkehr überarbeitet werden. Lastwagen müssen ihren CO2-Ausstoß lt. neuer EU-Vorgaben2025 um 15% und bis 2030 um mindestens 30%

ggü. 2019 senken.¹⁷

Zunehmend wahrscheinlich erscheint aktuell ein Mix aus batteriebetriebenen Fahrzeugen, welche eher auf der Kurzstrecke eingesetzt werden oder für kleinere Nutzlasten ausgelegt sind und Brennstoffzellentrucks. Insbesondere im Schwerlasttransporte bzw. bei Fahrten mit langen Lieferstrecken scheint die derzeit verfügbare Batterietechnik noch an Grenzen zu stoßen. Entsprechend wird weiter seitens der OEMs der Einsatz von Brennstoffzellen im LKW erprobt. ¹⁸

Daimler Trucks plant beispielsweise, ab 2027 die ersten Serienfahrzeuge des „GenH2“ an Kunden auszuliefern. Um einen großen Teil der Wertschöpfungskette abzudecken, hat das Unternehmen zusammen mit der Volvo Group 2021 das Joint Venture cellcentric gegründet, welches eines der weltweit führenden Unternehmen in der Brennstoffzellenherstellung werden soll.¹⁹ Daimler Trucks sieht die Batterie als einen wichtigen Baustein bei LKWs, die im Nahverkehr bzw. regional mit einer eher geringeren Reichweite im Einsatz sind. Der eActros, ein LKW, welcher entweder mit einer Batteriekapazität von 315 kWh oder 420 kWh ausgestattet ist, kommt z. Zt. auf eine Reichweite von bis zu 400 km. Produktionsstart dieses E-Trucks war der Oktober 2021. Dem eActros sollen weitere auf Langstrecke ausgelegte Mo- delle folgen. Zuletzt wurde ein Zukunftspaket über die Produktion von „Zero Emission Trucks“ für das Mercedes-Benz Werk Wörth abgeschlossen. Dies beinhaltet die nachhaltige Serienproduktion von batterieelektrischen und Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw. Nach- dem seit April 2021 eine optimierte Version des 2020 vorgestellten Prototyps getestet wurde, erhielt der GenH2 vergangenes Jahr die Straßenzulassung. Der wasserstoffbetrie- bene Brennstoffzellen-Lkw ist für Reichweiten bis zu 1.200 Kilometer ausgelegt, die ohne Tank-Zwischenstopp erreicht werden sollen. Kunden müssen sich jedoch noch gedulden, da erst für 2027 die Auslieferung bzw. die Serienproduktion vom Unternehmen prognostiziert wird. Eingebaut sind zwei 150 kW starke von cellcentric gelieferte Brennstoffzellen. Wird kurzfristigen mehr Strom benötigt (z.B. Beschleunigung im Überholvorgang o.ä.), sorgt eine 70 kWh große Hochvolt-Batterie für Unterstützung und hilft dem Gesamtsystem zu einer

16 Vgl. Destatis „Straßenverkehr: EU-weite CO2--Kohlendioxid--Emissionen seit 1990 um 24 % gestiegen“.

17 Vgl. Rat der EU PI (19.02.2019) „Schwere Nutzfahrzeuge: Ratsvorsitz und Parlament einigen sich auf erste europäische CO2‑Emis- sionsreduktionsziele für Lkw“.

18 Vgl. MAN Truck & Bus-Artikel (26.05.2021): „Wasserstoff meets LKW – MAN baut erste Prototypen“.

19 Vgl. DB Group PI (01.03.2021): „Daimler Truck AG und Volvo Group gründen Brennstoffzellen-Joint Venture cellcentric“.

Leistung von ca. 400 kW.²⁰ Mittels Nutzung von flüssigem Wasserstoff, der eine höhere Ener- giedichte als gasförmiger Wasserstoff hat, wird eine ähnlich hohe Leistungsfähigkeit wie beim konventionellen Diesel-LKW erreicht. Daimler kooperiert zudem beim Thema Wasser- stoff und Betankung mit Linde. Entwickelt wird ein optimiertes System, das u.a. höheren Druck nutzt. Somit soll das Tanken von Wasserstoff vereinfacht und sicherer werden. ²¹ Während der Weltmarktführer Daimler im Verbund mit anderen Unternehmen, wie Iveco und Volvo sowie den Energiekonzerne Shell, OMV und Total somit eine Doppelstrategie fährt, setzt die VW-Nutzfahrzeugholding Traton mit Marken wie MAN und Scania verstärkt auf die Batterielösung. Untermauert wurde dies jüngst durch die Ergebnisse einer Machbar- keitsstudie.²² Untersucht wurde der Einsatz von batteriebetriebenen MAN-LKW im Einsatz für die REWE Group. 2020 hatte MAN noch eine Roadmap vorgestellt, in der die verschie- denen Wasserstoff-basierten Konzepte ebenfalls enthalten waren.²³

Der Stellantis-PSA-Konzern (Peugeot) sowie der französische Konkurrent Renault entwickeln dagegen weiter Konzepte für den Gebrauch von Brennstoffzellen für kleine LKW-Klassen.²⁴ In Asien wird vorrangig auf das Know-how japanischer Hersteller zurückgegriffen. In China haben FAW und Dongfeng Trucks sowie die GAC Group (Guangzhou Automobile Group), die BAIC Group (Beijing Automotive Group) und SinoHytec zusammen mit Toyota das Joint Ven- ture „United Fuel Cells Systems R&D“ gegründet, welches Brennstoffzellen für den Gebrauch in Nutzfahrzeugen entwickelt.²⁵ Isuzu, gemessen am Umsatz im Jahr 2019 weltweit der zehntgrößte Truck-Hersteller, testet unterdessen Brennstoffzellen von Honda. Der US-ame- rikanische Konzern Paccar arbeitet ebenfalls mit Toyota zusammen.

Es fällt auf, dass viele Unternehmen Joint Ventures eingehen. Angesichts der Kosten, die in Zukunft auf die Branche zukommen, macht das Eingehen von Allianzen durchaus Sinn.

Neben den bekannten OEM investiert zum Beispiel auch Bosch als weltgrößter Automobil- zulieferer in die Brennstoffzelle. Seit Jahren wird mit dem US-Startup Nikola Motors zusam- mengearbeitet. Nikola will bereits 2023 seinen „Nikola Tre“ auf den Markt bringen, der mit Brennstoffzellentechnik von Bosch ausgestattet sein wird. Bosch liefert neben vollständig montierten Brennstoffzellen-Einheiten auch nur Komponenten wie Stack, Luftkompressor mit Leistungselektronik sowie Steuereinheiten mit Sensoren an Nikola, das die Komponen- ten in seinem US-Werk selbst zusammenbaut. Die Leistung der Module bewegt sich zwi- schen 200 kW und 300 kW. Die erste Ausbaustufe ist für den Regionalverkehr konzipiert.

Der „Nikola Tre“ soll eine Reichweite von 500 Meilen rsp. 800 km haben. Folgen soll dann ein Langstreckenmodell, der „Nikola Two“, das über eine Reichweite von 900 Meilen (ca.

1.450 km) verfügen soll.²⁶ Darüber hinaus kooperiert Nikola mit Iveco und erhält somit den Zugriff auf ein umfassendes Service-Netz. Ähnlich wie Daimler wird aber eine zweigleisige Strategie gefahren, die sowohl eine Batterie- als auch eine Brennstoffzellenlösung beinhal- tet.²⁷

Um den Güterverkehr auf der Straße zu dekarbonisieren, werden aktuell verschiedene Wege getestet. Neben den LKW-Prototypen mit Brennstoffzelle oder Batterie laufen noch Versuche mit Oberleitungen. Näher an der konventionellen Motorentechnik sind e-fuels.

20 Vgl. Roland Dold „Let’s talk: GenH2 Truck Technology“ (20.09.2021).

21 Vgl. Linde PI (10.12.2020) „Linde and Daimler Truck to Collaborate on Hydrogen Refueling Technology”.

22 Vgl. Fraunhofer ISI (11.11.2021) „Lieferverkehr mit Batterie-Lkw: Machbarkeit 2021 Fallbeispiel REWE Group - Region Nordost”

23 Vgl. MAN Truck and Bus PI (19.10.2020) „Zero-Emission Roadmap vorgestellt”.

24 Vgl. www.hyvia.eu sowie www.stellantis.com/en/technology/hydrogen-fuel-cell-technology.

25 Vgl. Toyota Motor Corporation. Pressemitteilung: „Six companies establish R&D Joint Venture for commercial vehicle fuel cell systems for the creation of a hydrogen-based society in China”.

26 Vgl. Werksangaben Nikola Motors (https://nikolamotor.com/two-fcev).

27 Vgl. CNH Industrials PI (15.09.2021) „IVECO and Nikola inaugurate joint-venture manufacturing facility for electric heavy-duty trucks in Ulm, Germany”.

Alle vier Alternativen zum reinen Verbrenner (bisheriger Standard) senken die CO2-Emissio- nen. Bis auf die Batterie haben alle diskutierten Konzepte große Reichweite und Beladungs- möglichkeiten, wie der Verbrenner, wobei das Oberleitungssystem natürlich einer anderen Abhängigkeit, dem Vorhandensein der Leitung, unterliegt.

Entscheidend wird aber die Entwicklung der Kosten in den nächsten Jahren sein, wie eine Studie der Strategieberatung von PwC spiegelt. ²⁸ Das Ergebnis des Technikvergleichs zeigt, dass der Verbrenner bei einer Leistung des LKWs von 300 kW bezüglich der Investitionskos- ten im Jahr 2020 eindeutig noch die günstigste Technik war. Die höchsten Kosten entfielen auf den Brennstoffzellenantrieb (Leistung von 200 kW). Dahinter folgte der batterieelektri- sche Antrieb mit Investitionen von 192.000 EUR. Unter der Annahme erhöhter Stückzahlen und veränderter Nachfragemuster werden die Kosten bis ins Jahr 2030 für die beiden letzt- genannten Varianten deutlich fallen.

Quelle: Strategy& (2020), NORD/LB Research

Der Vergleich der Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership (TCO))²⁹ lässt mittelfristig ebenfalls den konventionellen Dieselmotor im Bereich der Schwerlastkraftwagen (Heavy Duty Trucks³⁰) unverändert als günstigste Technikform erscheinen.

Bei der aufgestellten Modellierung der Kostenverhältnisse pro gefahrenem Kilometer für das Jahr 2030 wurde von einer jährlichen Fahrleistung von 100.000 km und einer Haltedauer von vier Jahren ausgegangen. Dabei fielen nur 0,57 EUR für LKW an, die mit herkömmlichen Dieseltreibstoff aus fossilen Quellen betrieben werden. Batterieelektrische LKW lagen mit 0,68 EUR/km sogar leicht hinter der auf Wasserstoff basierenden Brennstoffzellen-Version, welche auf 0,65 EUR/km kam. Deutlich fiel hingegen die Version ab, die den Einsatz eines synthetischen Kraftstoffes unterstellte (0,95 EUR/km). Zu beachten sind jedoch u.a. die zu dem Zeitpunkt der Betrachtung unterstellten sehr geringen Energiekosten. Aktuell (Stand:

Februar 2022) würde selbst der als „worst case“ titulierte Fall eher billig erscheinen. Insge- samt verändert sich zwar auf den ersten Blick wenig an der Reihenfolge, bei steigenden Treibstoffkosten –von denen allein schon aufgrund der prognostizierten Steuer- und CO2- Aufschläge³¹ auszugehen ist- verringern sich jedoch die Differenzen weiter.

28 Vgl. Strategy& Studie: “Making zero-emission trucking a reality - Truck Study 2020: Routes to decarbonizing commercial vehicles”.

29 TCO beinhalten Energiekosten, Wartungskosten und Abschreibungen auf das Fahrzeug.

30 HDT wird je nach Land und Kontinent etwas unterschiedlich definiert. In Europa werden darunter LKW ab 16t gefasst.

31 Vgl. ADAC (23.12.2021) „CO₂-Steuer – warum manche Autos nun mehr kosten“.

79 79

192

235

107

83 83

166 161

88 88 95

154 145

89

0 50 100 150 200 250

Kosten für Technologie in 1.000 EUR

2020 2025e 2030e

Die Berechnung macht aber bereits die hohe Abhängigkeit von der Entwicklung der einzel- nen Energiepreise deutlich. Aus unserer Sicht werden vermutlich eher die Preise für das Kilo Wasserstoff sowie die kWh-Preise mit dem Ausbau der notwendigen Infrastrukturen und im Laufe der sog. Energiewende fallen. Dem stehen steigende Preise für fossile Energieträger gegenüber. Auf ökonomischer Basis macht der Einsatz von e-fuels zunächst wenig Sinn.

Diese synthetischen Treibstoffe sind im Vergleich zu fossilen derzeit noch deutlich teurer.

Ihre Herstellung benötigt relativ viel Strom und erscheint dadurch auf den ersten Blick inef- fizient. Trotzdem bleibt es mittelfristig notwendig, Brücken zu bauen und Übergangstechnik zu nutzen, da die Implementierung neuer Antriebskonzepte vor allem Zeit benötigt. Der ACEA wies für 2020 einen LKW-Bestand (ab 3,5 t) von 6,23 Mio. Fahrzeugen für die EU aus.

Zusätzliche 0,16 Mio. entfielen auf die Schweiz, Island und Norwegen. Werden noch die Be- stände der Türkei (0,93 Mio.), Großbritanniens (0,73 Mio.) und insbesondere Russlands (3,77 Mio.) hinzu gerechnet, summiert sich der Gesamtfuhrpark auf 11,82 Mio. Fahrzeuge³². Hinzu kommt noch ein Bus-Bestand von 1,41 Mio. Fahrzeugen. Europaweit lag das durch- schnittliche (!) Nutzungsalter der LKW-Flotte bei 13,9 Jahren.

Quelle: Strategy& (2020), NORD/LB Research

Der Gebrauch von Oberleitung im Straßennetz ist keine sinnvolle Alternative, da die Infra- strukturkosten sehr hoch sind. Im Idealfall könnten die Gesamtbetriebskosten (TCO) im Be- reich der herkömmlichen Verbrenner liegen. Wahrscheinlicher ist allerdings, dass sich die Kosten deutlich über denen der Batterie und der Brennstoffzelle bewegen werden.

Um eine Entwicklung zur Elektrifizierung der Fahrzeugflotten zu beschleunigen, wird es ge- nerell notwendig sein, die Kosten für Strom zu senken. Die Brennstoffzellen-Technik ist da- bei abhängig vom Preis für aus erneuerbaren Energien gewonnenen „grünen“ Wasserstoff.

Wenn dieser in der Brennstoffzelle genutzt werden kann, ist die Technik entlang der gesam- ten Prozesskette emissionsfrei. Der Kostenvergleich zeigt, dass die Brennstoffzellentechnik im Straßengüterverkehr wettbewerbsfähig ist. Ähnlich wie bei der Batterietechnik hängt je- doch sehr viel vom Aufbau der notwendigen (Tankstellen-) Infrastruktur ab.

32 Vgl. ACEA „Vehicles in use Europe 2022” (January 2022).

52

81

61 55 55

57

95

68 65 79

73

126

79 82

119

0 20 40 60 80 100 120 140

Total Cost of Ownership (TCO) in EUR-ct/km 2030

Best Case Base Case Worst Case

Energiekosten Verbrenner eFuels Batterie Brennstoffzelle Oberleitung

Worst Case 1,4 €/l 3,2 €/l 39 ct/kWh 10,1 €/kg 95 ct/kWh

Base Case 1,1 €/l 2,3 €/l 29 ct/kWh 6,8 €/kg 57 ct/kWh

Best Case 0,9 €/l 1,8 €/l 23 ct/kWh 4,8 €/kg 34 ct/kWh

Schienenfahrzeuge

In vielen Ländern sind Diesel-Lokomotiven ein wichtiger Bestandteil des Zugnetzes. In Deutschland sind zum Beispiel 41% und in Großbritannien sogar 62% des Schienennetzes nicht elektrifiziert³³. Aber auch der Zugverkehr hat das Ziel, klimaneutral zu werden. Um dies zu erreichen, haben die Bahnunternehmen die Möglichkeit, den Bau weiteren Oberleitun- gen anzustoßen, was Investitionen in die Infrastruktur der Bahnnetzte bedeutet, oder Tech- niken zu verwenden, welche ohne Oberleitungen funktionieren. Dabei kann die Brennstoff- zelle einen wichtigen Part einnehmen. Beim Einsatz auf der Schiene ist zu beachten, dass bei Zügen die Wasserstoff-Brennstoffzellen und die -Speichertanks auf dem Dach montiert wer- den, um Raum für Passagiere zu sparen. Dies gilt natürlich nicht beim Einsatz der Technik in Lokomotiven, die im Rangierbetrieb bzw. Güterverkehr genutzt werden.

Quelle: Alstom

Einer der größten Hersteller von Zügen weltweit, Alstom, hat mit dem Coradia iLint bereits einen Brennstoffzellen-Zug im Angebot, welcher ausgiebig getestet wurde. In Deutschland wurden bereits 41 iLints bestellt. 14 davon sollen 2022 für die Eisenbahnen und Verkehrs- betriebe Elbe-Weser GmbH den Betrieb aufnehmen. Dabei wurden bereits zwischen Sep- tember 2018 und Februar 2020 zwei Loks erfolgreich getestet. Die Züge werden an einer Wasserstofftankstelle in Bremervörde getankt, welche durch Linde extra nur für Züge er- richtet wird. Die anderen 27 iLints sollen ab 2022 in der Nähe von Frankfurt betrieben wer- den und ebenfalls Dieselloks ersetzt. Hierfür wurde mit der Firma Infraserv ein Vertrag zur Belieferung mit Wasserstoff geschlossen.³⁴

Quelle: Alstom Quelle: Siemens Mobility

Siemens arbeitet ebenfalls intensiv an einem Wasserstoffzug, dem „Siemens Mireo Plus H“.

Dieser befindet sich derzeit aber noch in der Probephase. Der, mit einer Brennstoffzelle von Ballard ausgestattete Zug soll eine Reichweite von bis zu 1.000 Kilometern besitzen.

33 Vgl. e4tech. Studie: “The Fuel Cell Industry Review 2020” (S.23).

34 Vgl. e4tech. Studie: “The Fuel Cell Industry Review 2020“ (S.23).

Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei bis zu 160 km/h.³⁵ In der Kooperation „H2goesRail“ der deutschen Bahn und Siemens Mobility soll der Mireo Plus H ab 2024 zum Einsatz kommen.

Zudem will ihn die Bayrische Regionalbahn einsetzen³⁶. Eine mobile Tankstelle ist ebenfalls in Planung. Durch innovative Ansätze soll eine Schnellbetankung mit Wasserstoff ermöglicht werden, wodurch der Tankvorgang ebenso schnell ist, wie der einer Diesellok.³⁷

Neben Alstom und Siemens arbeiten auch weitere Unternehmen in Europa an der Entwick- lung von Brennstoffzellzügen. Der spanische Zughersteller CAF plant mit Brennstoffzellen von Toyota den Regionalzug Civia klimaneutral zu gestalten. Talgo, ein weiterer spanischer Zughersteller, hat verkündet, den brennstoffzellenbetriebenen Vittal-One nach einer Test- phase in 2021 im Jahr 2023 an Kunden ausliefern zu können.³⁸ Im besonders schwach elektri- fizierten Streckennetz Großbritanniens wurde die Suche nach Alternativen für Dieselloks ebenfalls ausgedehnt.

Um im Zugverkehr mittelfristig die Klimaneutralität zu erreichen, hat die britische Zuglea- singgesellschaft Porterbrook’s zunächst eine alte Class 319 EMU mit einer Ballard-Brenn- stoffzelle ausgestattet, um den Betrieb zu testen³⁹. Class 319 EMU ist ein -uraltes- elektri- sches Modell der britischen Zuggesellschaft. Die Lebensdauer der alten Class 319 soll mit dem Einbau von Brennstoffzellen verlängert werden, um diese anstatt der 2.500 Dieselloks, welche in nächster Zeit ausgetauscht werden müssen, einzusetzen. Darüber hinaus kommt in Großbritannien ebenfalls Alstom-Technik zum Einsatz. Nach erfolgreich durchgeführten Versuchsreihen, die ebenfalls auf alten Zügen basierten, haben Alstom und Eversholt Ende 2021 ein MoU („Memorandum of Understanding“) unterzeichnet.⁴⁰ Eine Flotte von 10 mo- dernen Alstom-Brennstoffzellen-Zügen soll ab 2024 zum Einsatz kommen.

Aufgrund der Vorgaben der schottischen Regierung, im Zugverkehr bereits 2035 Klimaneut- ralität zu erzielen, testete Arcola Energy in Zusammenarbeit mit Ballard Power die Brenn- stoffzellentechnik in Zügen. Ende 2021 übernahm Ballard Power das Unternehmen.⁴¹ Es fällt auf, dass Großbritannien eine andere Strategie zur Einführung der Technik gewählt hat. Zunächst wurden alte, bereits im Einsatz bewährte, Baureihen umgerüstet, bevor neue Züge mit Brennstoffzellen-Technik bestellt wurden. Theoretisch könnte man daraus sogar eine weitere Möglichkeit ableiten, Brennstoffzellen schneller auszurollen. Wir halten jedoch den Bau neuer insgesamt auf Effizienz getrimmter Züge für sinnvoller.

Neben den europäischen Ländern arbeiten auch Hersteller in asiatischen Staaten daran, die Brennstoffzelle in Zügen zu verwenden.

Japan hat bereits sehr früh angefangen, Brennstoffzellen in die Energieversorgung zu integ- rieren. Bei Heizungsanlagen und in der Automobilindustrie kam die Technik wie auch in Zü- gen zum Einsatz. Bereits Anfang der 2000er Jahren begann die Entwicklungen von Brenn- stoffzellenzügen. Allerdings gab es in dieser Zeit keinen Durchbruch dieser Technik. Erst 2020 hat die East Japan Railway mit Hitachi und Toyota beschlossen, den brennstoffzellen- basierten Zug „HYBARI“ (HYdrogen-HYBrid Advanced Rail vehicle for Innovation) zu entwi- ckeln⁴². Dieser soll ab 2022 in einer Testphase auf Alltagstauglichkeit geprüft werden.

35 Vgl. Siemens. Artikel: „Der Weg ist bereitet für den Mireo Plus H“.

36 Vgl. BRB testet Wasserstoffzug 12.07.2021 (https://www.brb.de/de/neuigkeiten/brb-testet-wasserstoffzug).

37 Vgl. Deutsche Bahn AG: „H2 goes Rail - Grüne Mobilität dank Wasserstoff“ (https://gruen.deutschebahn.com/de/massnah- men/wasserstoff/h2goesrail).

38 Vgl. Talgo PI (19.11.2020): “Talgo’s hydrogen train will be ready in 2023”.

39 Vgl. HydroFLEX Hydrogen Train 28.06.2019 (https://www.railway-technology.com/projects/hydroflex-hydrogen-train/).

40 Vgl. Alstom PI (10.11.2021) „Alstom and Eversholt Rail sign an agreement for the UK’s first ever brand-new hydrogen train fleet”.

41 Vgl. Ballard Power PI (11.11.2021) “Ballard Power announces acquisition of Arcola Energy to help customers integrate fuel cell engines into heavy-duty mobility “.

42 Vgl. Toyota PI (06.10.2020) „JR East, Hitachi and Toyota to Develop Hybrid (Fuel Cell) Railway Vehicles Powered by Hydrogen”.

In Südkorea startete 2021 eine mehrjährige Testphase für einen Brennstoffzellenzug. Das Korean Railroad Research Institute (KRRI) arbeitet dafür mit Horizon Fuel Cell Technologies zusammen. Zusammen mit Hyundai Rotem, der Bahntochter der Hyundai Motor Group, forscht das KKRI auch an einer Straßenbahn-Lösung. Auch bei diesen innerstädtischen Zügen wird der vorhanden Raum komplett für Passagiere ausgenutzt und die Wasserstofftechnik Richtung Dach verlagert.⁴³

Chinas Anfänge im Gebrauch von Brennstoffzellen in Straßenbahnen reichen sogar bis 2015 zurück. Die Technik stammte damals von Ballard Power. 2017 folgte dann der Auftrag zum Bau von insgesamt acht Trams durch CSR Sifang, dem Partner von Ballard Power. Im Dezem- ber 2019 wurden die Züge auf der „Gaoming Linie“ in Forsan erstmals in Betrieb genommen.

44 Mitte November 2021 berichtete der chinesische Zughersteller CRRC –Mutterkonzern von CSR Sifang- die Aufnahme des Testbetriebes einer Brennstoffzellen-Lokomotive im Güter- einsatz. Sinnigerweise wird die Lok zum Kohletransport auf einer Strecke in der Mongolei eingesetzt⁴⁵.

Einen durchaus ambitionierten Plan verfolgt eigentlich auch Indien. Bis 2024 ist beabsichtigt, das gesamte Schienennetz zu elektrifizieren und ab 2030 nur noch Strom aus erneuerbaren Energien zu verwenden. Hierbei schien zunächst auch die Brennstoffzelle eine gewichtige Rolle zu spielen.⁴⁶ Noch im August wurden Ausschreibungen für Brennstoffzellenzüge publi- ziert. Im September folgte dann jedoch überraschend die Schließung der IROAF (Indian Rail- ways Organisation of Alternative Fuels)⁴⁷.

Der Fokus der Entwicklungen von Zügen mit Brennstoffzellen-Technik liegt bisher weltweit eher bei Passagierzügen und hier auf Regionalzügen, da gerade auf wenig frequentierte Re- gionalstrecken oft keine Oberleitungen vorhanden sind. Im Stadtverkehr und dem Einsatz von Straßenbahnen war der Betrieb mit Diesel nie eine Option. In diesem Fall spielt eher das Vorhandensein von Oberleitungsnetzen als Hindernis eine Rolle. Da Fernlinien sehr oft be- reits elektrifiziert sind, ist der Einsatz von Brennstoffzellen hier keine Alternative. Zudem kommt das Thema der Reichweite und der Energiedichte von Wasserstoff in Verbindung mit Tankvolumina wieder ins Spiel. Kostenseitig könnte der Vorsprung vom Dieselbetrieb zudem sinken, wie eine Gesamtkostenbetrachtung (TCO) aus den USA zeigt:

Quelle: Argonne National Laboratory, US Department of Energy (03/2019); NORD/LB Research

43 Vgl. TÜV SÜD PI “TÜV SÜD Korea beteiligt sich am vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie durchgeführten Projekt der wasserstoffelektrischen Straßenbahn“.

44 Vgl. Ballard Power Case Study “World’s First Fuel Cell Tram for Foshan, China.” (July 2021).

45 Vgl. CRRC PI (18.11.2021) “China’s first hydrogen fuel cell hybrid locomotive put into operation”.

46 Vgl. Ministry of Railways – Government of India. Studie: “National Rail Plan 2030”.

47 Vgl. Hydrogen Fuels News (14.09.2021) „Indian Ministry of Railways shuts down hydrogen fuel cell trains bidding”.

9,46

25,18

11,01 7,48

17,18

8,15

0 5 10 15 20 25 30

Diesel Brennstoffzelle - aktueller Preis

Brennstoffzelle - voraussichtlicher Preis

USD/Meile

Total Cost of Ownership (TCO) in USD/Meile

Güterzug Regionalzug

Werden diese Gesamtbetriebskosten (TCO), welche Servie- und Reparatur- neben den reinen Treibstoffkosten mit beinhalten, für einen diesel- und brennstoffzellenbetriebenen Zug verglichen, ist offensichtlich, dass zum Ende der letzten Dekade der Dieselzug noch einen recht deutlichen Kostenvorsprung vor einem Brennstoffzellenzug hatte. Dies verwundert aber auch nicht, da es sich bei den meisten Zügen eher um Versuchsträger oder eine Art Prototyp handelte. Die TCO waren 2019 ungefähr 2,5 mal so hoch wie die eines konventionellen Dieselzugs. Allerdings werden die Kosten für Brennstoffzellen mittelfristig natürlich weiter sinken sofern die Technik weiter verbreitet werden kann. Kostete eine Zelle in 2019 noch ca. 285 USD/kW elektrischer Energie wird diese in einigen Jahren zu einem Preis von 60 USD/kW erwartet. Zudem werden auch die Kosten von Wasserstoffspeichersystemen sinken. Ein solches System ist immer notwendig, um den Wasserstoff im Zug mitzuführen.

Dementsprechend ist auch von einem wirtschaftlichen Betrieb auszugehen. Allerdings sind diese Kosten nur ein geringerer Faktor in der Bewertung der TCO⁴⁸, denn 80% der gesamten TCO sind durch den Treibstoff begründet. Dabei wurde der Diesel-Preis mit nur 0,79 USD/l eingerechnet. Die Wasserstoffkosten wurden mit 9 USD/kg angenommen. Das zukünftigen Preisniveau wurde auf 4 USD/kg taxiert. Ersichtlich ist, dass die Total Cost of Ownership für die Brennstoffzelle in beiden Fällen höher sind, als die des klassischen Dieselzugs. Der Break- Even-Punkt bei einem Preis von 0,79 USD/l Diesel liegt beim Güterzug bei einem Preis von 3,3 USD/kg Wasserstoff. Bei dem Regionalzug liegt der Break-Even bei einem Preis von 3,6 USD/kg Wasserstoff. Je höher der Preis für einen Liter Diesel ist, desto höher kann der Preis für Wasserstoff sein, um trotzdem den Break-Even-Punkt zu erreichen. Zu Jahresbeginn 2022 lag selbst in den USA der Literpreis oberhalb von 1,00 USD und damit bereits deutlich über den angennommenen 0,79 USD/l.

Quelle: U.S. Energy Information Administration (EIA); NORD/LB Research (Stand per 21.02.22) Tendenziell wird der Preis für Diesel durch regulatorische Eingriffe speziell in Europa auch mittelfristig noch weiter steigen, während der für Wasserstoff insgesamt sinken wird. In- folge des enormen Bedarfs zur Stromproduktion werden die Produktionskapazitäten hoch- gefahren. Daraus abgeleitet ist von einer steigenden Wettbewerbsfähigkeit der Brennstoff- zelle im Vergleich zum Dieselantrieb auszugehen.

In Deutschland werden ab 2022 erste Brennstoffzellenzügen den Betrieb aufnehmen. Die Zahl wird ab Mitte der 2020er Jahre u.E. dann deutlich zunehmen.

48 Vgl.: H2@Rail Workshop 03/2019 “Total Cost of Ownership for Line Haul, Yard Switchers and Regional Passenger Locomotives”

(Ahluwalia/Papadias/Peng/Krause - Argonne National Laboratory and Chan/Devlin Fuel Cell Technologies Office U.S. Dep.of Energy)

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Jan.

10 Jan.

11 Jan.

12 Jan.

13 Jan.

14 Jan.

15 Jan.

16 Jan.

17 Jan.

18 Jan.

19 Jan.

20 Jan.

21 Jan.

22

USD/kg

USD/l

Preise

Diesel Preis (lhs) H2 Zielgröße H2 Basispreis

Schifffahrt

Bis zu 90% des globalen Handels erfolgt über den Seeweg. Auch die Schifffahrt ist wie alle Transport-relevanten Sektoren für einen beachtlichen Anteil der weltweiten CO2-Emissio- nen verantwortlich. Der Anteil an den globalen anthropogenen Kohlendioxidemissionen be- wegt sich seit Jahren nahe der Marke von 3%.⁴⁹ Darüber hinaus waren laut Umweltverbän- den außerdem noch ca. 13% des Schwefeldioxid- und 15% des Stickoxid-Ausstoßes der Schiffsindustrie zuzurechnen.⁵⁰

Quelle: IMO; NORD/LB Research

Auf die Schifffahrt entfällt somit ein nicht unerheblicher Anteil der globalen Treibhaus- gasemissionen. Entsprechend eindeutig ist, dass diese Emissionen ebenfalls signifikant re- duziert werden müssen. Hierzu wurden bereits in der Vergangenheit erste Regeln aufge- stellt. Eine Maßnahme gilt beispielsweise seit dem 01.01.2020. Der Grenzwert des Schwe- felanteils im Schiffstreibstoff (Bunker) wurde von 3,5% auf 0,5% gesenkt. Das sollte dazu führen, dass weniger Schwefeldioxide in die Luft emittiert werden.

Nachdem zunächst noch geplant war, den CO2-Ausstoß von Schiffen bis 2100 auf null zu reduzieren, hat die Branche aktuell als Ziel das Erreichen der Klimaneutralität bis 2050 aus- gerufen. Dementsprechend muss mittel- bis langfristig auf Antriebstechniken gesetzt wer- den, welche keine fossilen Energieträger mehr verbrennen.

Grundsätzlich sind bei derart großen Transportmitteln wie Schiffen jedoch gänzlich andere Faktoren als auf der Schiene oder der Straße zu beachten. So können Schiffe, anders als Autos, die erforderlichen langen Strecken nicht mit Batteriekraft bewältigen, zumindest nicht ohne signifikanten Verlust an Ladekapazität. Das Gewicht der erforderlichen Batterien wäre ein weiteres Hindernis. Aber auch die wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle hat ge- waltige Nachteile, da für die Speicherung des Wasserstoffs entsprechende voluminöse Tanks erforderlich wären. Die Brennstoffzelle spielt entsprechend als Substitut für die origi- näre Antriebseinheit eines Schiffes, welches im Hochseeeinsatz auf langen Strecken genutzt wird, aus unserer Sicht keine Rolle. Hier ist nur der Austausch von Nebenaggregaten eine denkbare und teilweise bereits genutzte Nische. Andere Möglichkeiten bietet dagegen der Einsatz auf kurzen Strecken oder in der Binnenschifffahrt.

49 Vgl. Fourth IMO GHG study 2020 (S.2).

50 Vgl. Ingenieur.de (08.03.2021) “So könnte die Schifffahrt endlich nachhaltig werden“.

2,60 2,65 2,70 2,75 2,80 2,85 2,90 2,95 3,00

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Anteile der Schifffahrt an weltweiten CO₂ - Emissionen (in %)