Betriebswirtschaftlicher Vergleich zwischen einem brennstoffzellenbetriebenen und einem batteriebetriebenen Elektroantrieb

Diplomarbeit von Florian Friederich

Einleitung:

Die zunehmende Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs ist spätestens seit dem weltweiten Erfolg von Hybridfahrzeugen (wegen des hohen Dieselanteils in weit geringerem Maße in Europa), allen voran des Toyota Prius, in den Blickpunkt der Öffentlichkeit gerückt. Vielen gilt die Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor jedoch nur als Übergangslösung auf dem Weg zum rein elektrischen Antrieb.

Laut Versprechen der Hersteller können schon in ein bis zwei Jahren mit Hybridfahrzeugen, welche über eine Steckdose zur Ladung über das Stromnetz verfügen (z.B. GM: Chevrolet Volt, Opel Ampera, Ford: Escape Hybrid) Fahrstrecken von bis zu 60 Kilometern rein elektrisch zurückgelegt werden. Um eine höhere Reichweite zu erzielen, springt anschließend der Verbrennungsmotor als so genannter ‘Range Extender’ ein. Alternativ kann bei der unvollständigen Ausnutzung der o.g. Reichweite das Fahrzeug an der heimischen Steckdose aufgeladen werden. Diese ‘Plug-In Hybrid Electric Vehicle’ (PHEV) genannten Fahrzeuge stellen eine deutliche Verbesserung der heute eingesetzten Hybridtechnik dar, bei der sich auf Grund der heute noch verwendeten Batterietechnologie (Nickel-Metall-Hydrid) und somit geringen elektrischen Reichweite der Verbrennungsmotor schon nach weniger als fünf Kilometern Fahrstrecke zuschaltet. Die Verwendung eines konventionellen Motors wirkt sich bei der Hybridtechnologie jedoch nachteilig auf das Gewicht und die Kosten aus.

Langfristig von strategischer Bedeutung ist allerdings die Notwendigkeit des Einsatzes von konventionellen Kraftstoffen, die zum einen Treibhausgase emittieren und zum anderen eine hohe Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, wie z.B. Öl oder Erdgas, bedingen. Diese zwei Faktoren sind letztlich die entscheidenden Triebfedern für die Entwicklung von alternativen Antrieben und Kraftstoffen, was auch die Bundesregierung dazu veranlasst hat, Fördergelder im Rahmen von Industriepartnerschaften bereitzustellen (z.B. ‘Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff’ und Brennstoffzellentechnologie (NIP), ‘Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität’). Im Folgenden soll zunächst näher auf die Beweggründe hierfür eingegangen werden.

Die in den vergangenen Jahrzehnten beobachtete, von Menschen beeinflusste (‘anthropogene’) globale Erwärmung - synonym ist heutzutage der Begriff ‘Klimawandel’ gebräuchlich - wird langfristig die größte Herausforderung für die Menschheit sein, führt sie doch u.a. zu einem Anstieg des Meeresspiegels, einer Zunahme von Wetterextremen wie Überschwemmungen oder Dürre sowie der Ausbreitung von Krankheiten.

Bedingt wird die globale Erwärmung durch die Zunahme der Treibhausgase, insbesondere von Methan und Kohlenstoffdioxid (CO2), welche sich in der Atmosphäre ansammeln und dadurch die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung absorbieren. Dies führt dazu, dass die Wärmestrahlung in der Atmosphäre zurückgehalten wird und somit zu einem Anstieg der Temperatur. So gehören 12 der letzten 13 Jahre (1995 – 2007) zu den wärmsten seit Beginn der Wetteraufzeichnungen im Jahre 1850.

Die Emission des wichtigsten Treibhausgases, Kohlenstoffdioxid, stieg von 1970 bis 2004 um 80 Prozent. Maßgeblichen Anteil daran hatten die Energieversorgung (+145 Prozent) sowie der Verkehr (+120 Prozent). Dazu trägt u.a. der weltweit zunehmende Bedarf an Mobilität bei, der vor allem in den Städten zu mehr Verkehrslärm und einer Verschlechterung der Luftqualität führt.

Um diesen Trend umzukehren, haben sich die Mitgliedsländer der Europäischen Union (EU) verpflichtet, bis 2020 die Treibhausgase durchschnittlich um 30 Prozent zu senken. Zur Erreichung dieses Ziels hat das Bundeskabinett im August 2007 die weltweit ehrgeizigsten Maßnahmen unter dem Titel ‘Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm’ beschlossen. Einer der Kernpunkte ist hierbei die effiziente Energieerzeugung, -verteilung und –Nutzung.

Neben dem Ausbau der Erneuerbaren Energien soll im Bereich Verkehr u.a. die Umstellung der Kfz-Steuer auf CO2-Basis erfolgen, welche ab dem 1. Juli 2009 gelten wird. Der Fokus liegt hierbei auf der Erreichung der von der Europäischen Kommission festgelegten Grenzwerte für Kohlenstoffdioxid von 120g/km, welche ab 2012 für 65 Prozent und bis 2015 stufenweise (2013: 75, 2014: 80 Prozent) für alle in der EU zugelassenen Neuwagen gelten sollen. Dieses Ziel erscheint sehr ambitioniert, lag doch der durchschnittliche CO2-Ausstoß aller in Deutschland neu zugelassenen Personenkraftwagen im Jahr 2008 bei 165 Gramm pro Kilometer.

Doch nicht nur der Klimawandel, sondern auch die hohe Abhängigkeit von Ölimporten bereitet insbesondere den Industrieländern zunehmend Sorgen. Die hohen Schwankungen des Ölpreises im vergangenen Jahr zeigen, dass nicht nur die weltweit steigende Nachfrage, sondern auch Spekulationen den Preis nach oben treiben können (auf über 140 US-Dollar pro Barrel im Juli 2008), was zu einem zu einer hohen Kostenbelastung von Unternehmern und Verbrauchern führte und zum anderen die hohe Abhängigkeit der entwickelten Länder von der gegenwärtig wichtigsten Rohstoffquelle einmal mehr demonstrierte. Der zwischenzeitlich um über 70 Prozent gefallene Ölpreis kann nicht darüber hinwegtäuschen, dass Öl eine endliche Ressource ist und möglicherweise in 40 bis 50 Jahren zu Ende gehen wird.

Insbesondere im Verkehrssektor, welcher zu 98 Prozent vom Öl abhängt, sind langfristig neue Konzepte notwendig, um dem weiter zunehmenden Mobilitätsbedarf Rechnung zu tragen. Hierzu beitragen könnten in Zukunft zum einen alternative Kraftstoffe (z.B. Ethanol), zum anderen neue Antriebskonzepte, da die auf fossilen Ressourcen basierenden Kraftstoffe voraussichtlich nicht alle durch erneuerbare Biokraftstoffe ersetzt werden können. Zudem kritisieren Experten im neuesten Bericht des Weltklimarats (IPCC – Intergovernmental Panel on Climate Change), dass für den Anbau der zur Biospritherstellung benötigten Pflanzen (z.B. Zuckerrohr) große Flächen tropischen Regenwalds gerodet werden müssen, in dessen Vegetation große Mengen an CO2 gebunden sind und es zwischen 40 und 120 Jahren dauere, bis die als Folge der Abholzung verursachte Freisetzung des Treibhausgases durch die Einsparung bei fossilen Kraftstoffen kompensiert würde.

Eine sinnvoller erscheinende Option sowohl zur Senkung der CO2-Emissionen – insbesondere im Hinblick auf die Erreichung der EU-Vorgaben von 120 g/km im Jahr 2015 - als auch zur Reduktion der Ölabhängigkeit stellen Elektroantriebe dar, welche die Bundesregierung im Rahmen der Veranstaltung ‘Nationale Strategiekonferenz für Elektromobilität’, die am 25. und 26. November 2008 in Berlin stattfand, auf Grund ihres möglichen Beitrags zur Zielerreichung in ihr Programm aufgenommen hat.

Elektroantriebe bergen - unabhängig davon, ob elektrische Energie oder Wasserstoff als Energieträger dient – strategisch hohes Potenzial, da ihre Energieträger mit Hilfe von Erneuerbaren Energien erzeugt und dadurch sowohl die Schadstoffemissionen als auch die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen verringert werden können. Darüber hinaus sind auch mit dem heutigen Strommix – zumindest im Falle des batterieelektrischen Antriebs - schon beachtenswerte Senkungen des CO2-Ausstoßes möglich (siehe Kapitel 3.1.2). Zwei wesentliche Faktoren stehen jedoch einem Serieneinsatz bisher im Weg: nicht ausgereifte Technologien sowie hohe Kosten.

Gang der Untersuchung:

Die vorliegende Arbeit enthält zunächst eine Gegenüberstellung der Ökobilanzen der beiden Elektroantriebskonzepte. Anschließend soll zunächst auf deren Komponenten (Brennstoffzelle, Lithium-Ionen-Akkumulator sowie Elektromotor) hinsichtlich Aufbau, Funktionsweise und verwendeter Werkstoffe (mögliche Kostentreiber) eingegangen werden.

Im Hauptteil sollen Antworten u.a. auf folgende Fragen gefunden werden: Welche Infrastruktur ist für den Betrieb von batterie- bzw. brennstoffzellenbetriebenen Elektrofahrzeugen notwendig und was kostet deren Aufbau? Welche Kosten entstehen bei der Herstellung eines Elektroautos und zu welchem Ausmaß spiegeln sich diese in den Anschaffungspreisen wider?

Anschließend soll beleuchtet werden, mit welchen Kosten der Kunde neben dem Anschaffungspreis – insbesondere für den Betrieb und den Unterhalt – rechnen muss. Dabei wird auch darauf eingegangen, wie die Politik Einfluss nehmen kann, um den Absatz von Elektrofahrzeugen zu fördern.

Darüber hinaus gilt es eine Antwort auf folgende Fragen zu finden: Gibt es hinsichtlich der Kapazität des Lithium-Ionen-Akkus bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ein optimales Verhältnis von Gewicht, Kosten und benötigter Reichweite? Welche Faktoren können die Wirtschaftlichkeitsanalyse negativ beeinflussen? Welche Erkenntnisse hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen können aus aktuellen Feldversuchen mit Kundenbeteiligung gewonnen werden?

Der Kunde schließlich ist die letzte Instanz, dessen Entscheidung trotz aller politischer Einflussnahmen über den Erfolg oder Misserfolg des Elektrofahrzeugs bestimmt, und dieser [Kunde] orientiert sich in der heutigen Zeit - auch auf Grund der allgegenwärtigen Diskussionen um CO2-Steuer und stetig steigenden Lebenshaltungskosten - zunehmend an Fahrzeugen, die neben einem günstigen Anschaffungspreis auch niedrige Kosten für Betrieb und Unterhalt aufweisen. So legten die Neuzulassungen von Personenkraftwagen mit einem CO2-Ausstoß von bis zu 140 Gramm pro Kilometer im Jahr 2008 entgegen dem Trend (Gesamtmarkt für Pkw: minus zwei Prozent) um gut 25 Prozent zu und machten damit ein Viertel aller Zulassungen aus, während der der Markt für Pkw mit Emissionswerten >140 g/km um etwa neun Prozent einbrach (Effekte durch die so genannte ‘Umweltprämie’ sind hierbei noch nicht berücksichtigt, da diese erst Anfang Januar 2009 als Gesetzesvorschlag aufgenommen und bekannt wurde).

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Kapitel 3.1.1.4, Bereitstellung an der Tankstelle:

Auch bei der Betankung von Fahrzeugen zeigt der flüssige Wasserstoff gravierende Nachteile. So darf der tiefkalte (kryogene) Kraftstoff aus Sicherheitsgründen nicht manuell in den Tank befördert werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Roboter, der zunächst mit Hilfe eines Kamera- und Lasersystems die genaue Position des Fahrzeugs ermittelt. Anschließend prüft er, ob das Kraftstoffsystem ausreichend gekühlt ist und stellt – bei positiver Prüfung – eine luftdichte Verbindung zwischen Tankstutzen und Speicherbehälter her. Läuft der gesamte Vorgang störungsfrei ab, ist der Tank in etwa acht Minuten vollständig befüllt, was einer Betankung mit konventionellem Kraftstoff nur wenig nachsteht.

Die Kosten für die Speicherung von Wasserstoff vor Ort in speziellen Gasdrucktanks sind extrem hoch. Sie reichen von 500 US-$ bei 200 bar bis zu 2.000 US-$ bei 500 bar je Kilogramm. Sollte allerdings in ferner Zukunft flüssiger Wasserstoff flächendeckend eingesetzt werden – was auch heutiger Sicht unwahrscheinlich ist – würde dies die Ausrüstung der Tankstellen mit so genannten Tankrobotern erfordern, was die Investitionskosten nochmals erheblich ansteigen ließe.

Als wesentlich einfacher stellt sich die Betankung von Fahrzeugen mit gasförmigem Wasserstoff dar. Eine manuelle Bedienung seitens des Kunden ist hier ohne Probleme möglich. Dazu wird der Schlauch in den Tankstutzen eingeklinkt, damit eine luftdichte Verbindung besteht. Anschließend kann, wie bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor üblich, getankt werden. Der Benutzer muss lediglich – je nach verwendetem Druck (350 oder 700 bar) - zuvor die richtige Zapfsäule auswählen.

Von Experten wird ein Bedarf von zunächst 1.000 Wasserstofftankstellen prognostiziert, was bei Investitionskosten von 1 bis 1,7 Millionen Dollar je Tankstelle zu Gesamtkosten von bis zu 1,7 Milliarden Euro führen würde.

Speicherung im Fahrzeug:

Die Anforderungen an einen Speicherbehälter für Wasserstoff in Fahrzeugen sind hoch. So soll mit dem gespeicherten Kraftstoff eine Reichweite von bis zu 400 Kilometern erreicht werden (z.B. Mercedes-Benz F-Cell), gleichzeitig aber auch keine räumliche Einschränkung im Kofferraum oder der Fahrgastzelle geben. Darüber hinaus sollte ein Austreten des Wasserstoffs verhindert und das Gewicht möglichst klein gehalten werden. Zu Kosten und Details soll im Kapitel 3.2.1.4. eingegangen werden.

Flüssigwasserstoff:

Neben den unbestreitbaren Vorzügen wie höherer Energiedichte und leichterer Transportierbarkeit besitzt LH2 entscheidende (Kosten-)Nachteile: seine Temperatur von -253 Grad Celsius verlangt nicht nur einen hohen Energieeinsatz, sondern vor allem äußerst vorsichtigen Umgang mit dem Kraftstoff.

Unvermeidlich ist – trotz hochwertiger, teurer Isolationsmaterialien – seine Erwärmung. Als Folge wird er (wieder) gasförmig und dehnt sich aus. Um eine Explosion des Tanks zu verhindern, wird er – wie im Fall des BMW Hydrogen 7 – über Sicherheitsventile ausgeleitet. Somit kann sich der Tank auch ohne Benutzung des Fahrzeugs entleeren, im Fall des BMW ist nach 9 Tagen Standzeit bereits die Hälfte verdunstet, nach drei Wochen hat er sich vollständig entleert.

Sollte tatsächlich der letztgenannte Fall eintreten, ist eine so genannte ‘Warmbetankung’ erforderlich. Dabei wird der Tank vor der Befüllung tiefgekühlt - ein Vorgang, der nur von geschultem Personal durchgeführt werden darf, viel Energie benötigt und hohe Kosten verursacht.

Gasförmiger Wasserstoff:

Verdichteter, gasförmiger Wasserstoff (CGH2) kommt gegenwärtig in fast allen Brennstoffzellen-Prototypen zum Einsatz. Die Kompression von H2 ist im Vergleich zu LH2 günstiger und ein technisch weit entwickelter Prozess, bei dem ca. 10-20% des Energiegehalts des zu komprimierenden Wasserstoffs benötigt wird. Bereits heute – und mit hoher Wahrscheinlichkeit auch mittel- bis langfristig werden Drücke von 700 bar in einem Tank für CGH2 das Mittel der Wahl sein. Doch selbst bei diesem hohen Druck ist der Energiegehalt von Wasserstoff – bezogen auf das Volumen – noch wesentlich niedriger als der von Benzin.

Als Folge daraus besitzt ein moderner 700-bar-Tank ein sechs bis acht Mal größeres Volumen als ein mit Benzin gefüllter Kraftstofftank mit vergleichbarem Energieinhalt. Auf Grund des – im Vergleich zu Verbrennungsmotoren – etwa doppelt so hohen Wirkungsgrades bei der (Kalt-)Verbrennung reicht jedoch ein etwa vier Mal so großer Tank aus, um eine vergleichbare Reichweite zu erzielen.

Die Herausforderung besteht allerdings darin, einen solchen Tank Platz sparend und ohne räumliche Einschränkungen im Fahrzeug unterzubringen, zumal die Tanks – ähnlich wie Gasflaschen – eine zylindrische Form besitzen, um dem hohen Druck standzuhalten.

Metallhydridspeicher:

Eine weitere Möglichkeit Wasserstoff zu speichern sind Metall-Legierungen (z.B. Palladium oder Magnesium). Dabei lagern sich Wasserstoffatome durch eine chemische Reaktion an das Metall an und werden so gespeichert. Der Vorgang ähnelt einem Schwamm, der sich voll Wasser saugt. Bei Bedarf – d.h. wenn der Fahrer beschleunigt, wird Wärme zugeführt, so dass sich der Prozess umkehrt, die Wasserstoffatome freigesetzt werden und somit in der Brennstoffzelle eingesetzt werden können.

Zu den Vorteilen dieses Speicherverfahrens zählen die höhere volumetrische Dichte– so benötigt 5 kg Wasserstoff bei 350 bar nur ein Drittel des Volumens im Vergleich zu Flüssigwasserstofftanks - sowie die größtenteils verlustfreie Speicherung über einen längeren Zeitraum. Außerdem ist die Form des Tanks nicht auf die Zylinderbauart beschränkt, sondern kann der Karosserie angepasst werden. Der größte Nachteil ist jedoch das hohe Gewicht: so macht die gespeicherte Menge Wasserstoff in einem Tank mit den zugehörigen Systemkomponenten nur ca. 2% des Gesamtgewichts aus. Das bedeutet, dass ein Tank für 5 kg Wasserstoff 250 kg wiegen würde. Zudem verschlechtert die notwendige Wärmezufuhr, die für die Herauslösung des Wasserstoffs notwendig ist, den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellenantriebs. Im folgenden Abschnitt soll auf die benötigte Infrastruktur für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge eingegangen werden.