Grüner Strom für Millionen Autos

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Dr.-Ing. Thomas Grube, Gruppenleiter Mobilität am Institut für Energie- und Klimaforschung | IEK-3: Elektrochemische Verfahrenstechnik des Forschungszentrums Jülich beim TELI-Jour-fixe im Internationalen PresseClub München. (Bild: Peter Knoll)
Dr.-Ing. Thomas Grube, Gruppenleiter Mobilität am Institut für Energie- und Klimaforschung | IEK-3: Elektrochemische Verfahrenstechnik des
Forschungszentrums Jülich beim TELI-Jour-fixe im Internationalen PresseClub München. (Bild: Peter Knoll)

Passend zur Verkündung des Urteils des Bundesverwaltungsgerichtes über die Zulässigkeit von Diesel-Fahrverboten informierte die TELI am 27. Februar 2018 bei ihrem Jour-fixe im Internationalen PresseClub München über alternative Antriebe ohne Emissionen.

Nach allgemeiner Auffassung sind elektrische Antriebe auf Basis erneuerbarer Energien der Schlüssel zu einem klimafreundlichen Verkehr. Doch noch ist unklar, welche Technologie das Rennen machen wird: Batterien müssen regelmäßig an die Ladesäule, Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff-Tankstellen. Was im Kleinen bei Elektroautos mit Batterie (Akku) schon funktioniert – das Laden an heimischen, öffentlichen oder firmeneigenen Steckdosen – versagt im Großen: Müssen nämlich Millionen Fahrzeuge mit elektromotortauglicher Energie versorgt werden, reichen die vorhandenen Versorgungseinrichtungen für Strom oder (grünen) Wasserstoff auf keinen Fall aus. Was wirklich zu tun ist und wie viel das kosten wird, war das Thema der TELI-Veranstaltung:

“Batterie oder Brennstoffzelle: eine Frage der Infrastruktur”

Als Referent war Dr. Thomas Grube vom Forschungszentrum Jülich nach München gereist, um über die Ergebnisse einer Studie zum Thema Null-Emissions-Mobilität zu berichten. Er leitet die Arbeitsgruppe Mobilität am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) des Forschungszentrums Jülich. Als Schwerpunkte seiner Arbeit im Bereich der Energiesystemanalyse spielen aktuell emissionsfreie Antriebe mit Batterien und Brennstoffzellen eine besondere Rolle. Das IEK-3 hat jüngst die Studie “Comparative Analysis of Infrastructures: Hydrogen Fueling and Electric Charging of Vehicles” in Kooperation mit der Berliner Firma H2 MOBILITY erstellt. Sie erhält vom Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur (BMVI) Fördermittel im Rahmen des Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP) und benennt die Firmen BMW, Honda, Hyundai, Toyota, Volkswagen sowie die Nationale Organisation Wasserstoff und Brennstofftechnologie (NOW) als assoziierte Partner und Berater. Ihr Ziel ist es, bis 2023 im Bundesgebiet 400 Wasserstofftankstellen zu errichten. Zurzeit gebe es 900 Erdgastankstellen, berichtete Dr. Grube. Langfristig erwartet Dr. Grube ein Absinken der Zahl von Tankstellen für Benzin und Diesel von 14000 auf 10000.

Batterie-elektrische Fahrzeuge verursachen deutlich mehr CO2-Emissionen als solche mit Brennstoffzelle. (Grafik: FZ Jülich)
Batterie-elektrische Fahrzeuge verursachen deutlich mehr CO2-Emissionen als solche mit Brennstoffzelle. (Grafik: FZ Jülich)

Die Studie liefert Antworten auf die Frage, was wann zu tun ist, um bis zum Jahr 2050 die CO2-Emissionen um 80 Prozent verringern zu können. Auf den Transportsektor entfallen 21 Prozent der CO2-Emissionen in Deutschland (2015 insgesamt 762 Megatonnen), also ein lohnender Bereich für CO2-Einsparungen.

Um Wege dorthin aufzuzeigen, wertete das IEK-3 insgesamt 25 bestehende Studien über Infrastruktur-Szenarios aus, führte eine Tiefenanalyse der gewonnen Erkenntnisse durch, erstellte ein konsistentes Rahmenkonzept für verschiedene Durchdringungsgrade des Verkehrs mit Elektrofahrzeugen (100.000, 1 Million, 20 Millionen Stück), generierte räumlich und zeitlich aufgelöste Modelle für die Erzeugung, die Umwandlung, den Transport und die Verteilung der Energie und analysierte schließlich Wirkungsgrade, Emissionen und Kosten.

Die Analyse fiel ernüchternd aus: Die bestehende Infrastruktur reicht, sollen Millionen Fahrzeug elektrisch angetrieben sein, hinten und vorne nicht aus – ganz gleich, ob diese mit Batterie (Battery Electric Vehicles – BEV) oder Brennstoffzelle (Fuel Cell Electric Vehicle – FCEV) ausgestattet sind. Man denke nur an Autobahn-Tankstellen: Sollen dort einst Dutzende batterieelektrischer Autos gleichzeitig Strom aus Schnellladesäulen saugen, braucht jede Tankstelle ein eigenes Umspannwerk für den Mittelspannungsbereich; Niederspannungsanschlüsse liefern bestenfalls genug Strom für Kraftstoffpumpen, Beleuchtung, Shop, Sanitäreinrichtungen und Bewirtung.

Warum lokal emissionsfreies Fahren ohne massiven Ausbau der Infrastruktur unmöglich ist, führte Dr. Grube im Dialog mit den Teilnehmern aus. “Lokal emissionsfrei” bedeutet, dass die Fahrzeuge selbst, abgesehen vom Abrieb von Reifen und Bremsen, keine Schadstoffe ausstoßen – wohl aber die heutigen Stromquellen, im Energiemix, also einschließlich CO2-emittierender Kohlevertromer. Man könne sich mit CO2-Zertifikaten zwar ein grünes Mäntelchen erhandeln, an der Physik ändere das nichts, so Dr. Grube.

Die Teilnehmer am TELI-Jour-fixe konnten richtig dazu lernen. Seit zehn Jahren gebe es nun einen Batterie-Hype, ausgelöst durch Unternehmer wie Elon Musk (Tesla), was zumindest zu intensiven Nachdenken über Elektromobilität geführt habe. Auf Nachfrage aus der Zuhörerschaft räumte Dr. Grube ein, dass eine wiederaufladbar Batterie auf Deutsch korrekterweise Akkumulator, kurz: Akku, heißen müsse; der internationale Sprachgebrauch habe indes das Wort “Batterie” selbst für wiederaufladbare Stromspeicher etabliert (secundary battery, rechargeable battery).

Im Transportbereich wurden bisher am wenigsten CO2-Emissionen eingespart. Aber Elektromobilität wird nur dann helfen, wenn die Energie aus grünen Quellen kommt. (Grafik: FZ Jülich)
Im Transportbereich wurden bisher am wenigsten CO2-Emissionen eingespart. Aber Elektromobilität wird nur dann helfen, wenn die Energie aus grünen Quellen kommt. (Grafik: FZ Jülich)

Der aktuelle KfZ-Bestand beträgt 56,5 Millionen, davon 46,5 Millionen Pkw (Kraftfahrtbundesamt, Januar 2018). Zu Beginn unserer Analysen im Jahr 2014 hatte Deutschland einen Bestand von 43,7 Mio. Pkw. Am Beginn des eigentlichen Projekts hatten sich die Forscher des IEK-3 mit ihrem Projektpartner H2 MOBILITY auf eine Flotte von 20 Mio. Fahrzeugen Pkw mit Elektroantrieb geeinigt, über den Daumen also etwa die Hälfte des Bestands. Davon ließe sich jedoch nur die Hälfte kontrolliert laden, etwa zuhause oder am Arbeitsplatz, die andere Hälfte müsste sich im öffentlichen Raum versorgen. Deshalb sei der der Aufbau einer zusätzlichen Infrastruktur für Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle in Erwägung zu ziehen, also ein Netz von Wasserstoff-Tankstellen. Ein Kopernikus-Projekt habe die Erkenntnis erbracht, dass Transport und Speicherung großer Energiemengen mit Wasserstoff (H2) machbar ist. Flüssiger Wasserstoff sei zwar ungeeignet, so ein Casting im Jahr 2004, in Frage kämen Druckspeicher (PKW bis 700 Bar) oder eine chemische Speicher-Technik auf Basis eines Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC): Bei dieser Technik wird Wasserstoff an einen flüssigen Träger aus organischem Material gebunden und später wieder freigesetzt, was Transport und Lagerung wie bei Benzin erlaube. Metall-Hydride seien hingehen ungeeignet weil nicht langzeitstabil und zu schwer. Ein Druck für 700 Bar sei zwar hoch, aber technisch mit kohlefaserumantelten Kunststoffbehältern so gut beherrschbar, dass der TÜV dafür sogar Typ-Zertifizierungen erteile. Schon 1994 habe Mercedes-Benz den ersten „neuzeitlichen“ Brennstoffzellenansatz mit reinem Wasserstoff in einem Transporter erprobt.

Aus dem Rennen als Energieträger ist das Methanol, das später in der zweiten Hälfte der 90er Jahre ein Thema für das Fahrzeug gewesen ist. Schon in den 1980er Jahren des letzten Jahrhunderts hätten die USA diesen Kraftstoff erprobt aber wegen seiner Giftigkeit wieder aufgegeben hätten.

Nicht einmal Brasilien könne als Vorbild dienen – die Flächenumwidmung für die Erzeugung von Bio-Kraftstoffen weise eine verheerende CO2-Bilanz auf (wie auch Palmöl aus Indonesien), weshalb hierzulande die Beimischung von Biokraftstoffen zum Stillstand gekommen sei. Ökologisch sinnvoll sei die Power-to-Fuel-Technologie (P2F) dort, wo reiner Wasserstoff als Kraftstoff nicht einsetzbar sei: Im Flugzeug- und zumindest teilweise im LKW-Bereich.

Dr. Grubes Erläuterungen zur Studie erfolgte im Dialog mit Teilnehmern am TELI-Jour-fixe, deren Fragen Dr. Grube durchweg als klugen und kompetent wahrgenommen hatte. Als Highlights stellte er heraus: Die wichtigsten Hebel, um 900 Millionen Tonnen CO2 (ohne Stromerzeugung für Züge) im Verkehrssektor einzusparen, seien kontrolliertes Laden für BEV und Wasserstoff für FCEV. Für Wasserstoff brauche es ab 2035 ein Transmissionsnetz mit 12.000 Kilometern. Das müsse jedoch nicht erst neu gebaut werden, denn in Deutschland gibt es bereits ein Erdgas-Netz mit einer Gesamtlänge von gut 500.000 Kilometer. Ein Teil der vielfach mehrsträngig geführten Erdgas-Pipelines ließe sich für Wasserstoff umwidmen; mit einem Druck von 100 Bar im Norden eingespeist, fließt dieser gasförmige Energieträger wegen seiner geringen Reibung sogar ohne Verdichterstationen (Erdgas: alle 100 km) bis tief in den Süden, und zwar energetisch wesentlich effizienter als die elektrische Energieübertragung, selbst in HGÜ-Leitungen. Das größte Windkraft-Potenzial liege nun einmal offshore im Norden, und weil dicht besiedelte Regionen im Westen und Südwesten gar nicht genügend Fläche für die Erzeugung ausreichender Mengen erneuerbarer Energien haben, sind Energietransporte immer unerlässlich.

Das Verhältnis zwischen Erzeugen und Verbrauch erneuerbarer Energien ist im Westen und Südwesten so schlecht, dass ein Energietransport im großen Maßstab unerlässlich bleibt. Wasserstoff-Pipelines können Stromtrassen sehr effizient ersetzen. (Grafik: FZ Jülich)
Das Verhältnis zwischen Erzeugen und Verbrauch erneuerbarer Energien ist im Westen und Südwesten so schlecht, dass ein Energietransport im großen Maßstab unerlässlich bleibt. Wasserstoff-Pipelines können Stromtrassen sehr effizient ersetzen. (Grafik: FZ Jülich)

Die Elektrolyse von Wasser kann zwei weitere Probleme von Energie aus erneuerbaren Quellen lösen – die Auslastung der Erzeugungsanlagen (vornehmlich Windkraft und Photovoltaik) und besonders die Speicherung: Wasserstoff lässt sich gut in Salzstöcken lagern, das werde seit Jahren industriell dargestellt. Und der Abbau habe, vornehmlich im Norden, untertage ausreichend viele Kavernen hinterlassen. Sie reichen bis zu 2000 Meter tief, fassen bei Drucken von 100 bis 190 Bar typischerweise 4000 Tonnen; schon 100 davon bringen es auf eine Kapazität von 30 Terawattstunden. Batterie-Speicher mit solchen Kapazitäten sind unbezahl- und technisch nicht beherrschbar. Dr. Grube hob außerdem die enorme Effizienz von Wasserstoff als Energieträger hervor: Ein Kilogramm davon weise drei Liter Benzin- und drei bis vier Liter Diesel-Äquivalent auf. Der bei der Wasserstoff-Elektrolyse anfallende Sauerstoff werde indes einfach “weggeworfen”.

Wasserstoff wird heute schon in enormen Mengen benötigt: Haupteinsatzfelder sind in der Raffinerie und in der Ammoniakherstellung, letztere als Rohstoff für die Düngemittelherstellung. Hauptsenke für Wasserstoff sei indes die Entschwefelung von Rauchgasen (etwa aus Kohlekraftwerken), so Dr. Grube. Rund die Hälfte des weltweit erzeugten Wasserstoffes werde durch Dampfreformierung (Steam Reforming) aus Erdgas und Wasserdampf gewonnen, wobei jedoch im Gegensatz zur Elektrolyse mit grünem Strom große Mengen klimaschädliches Kohlendioxid freigesetzt werden.

Die Kosten für Batterielade-Infrastruktur hängen davon ab, ob sich die Ladesäulen im öffentlichen Raum befinden (Mehrfachnutzung) oder nicht. (Grafik: FZ Jülich)
Die Kosten für Batterielade-Infrastruktur hängen davon ab, ob sich die Ladesäulen im öffentlichen Raum befinden (Mehrfachnutzung) oder nicht. (Grafik: FZ Jülich)

Nachfragern, die wissen wollten, ob Wasserstoff einst auch LKW antreiben könne, antwortete Dr. Grube: Wasserstoff-betriebene Verbrennungsmotoren benötigten aufgrund der geringeren Effizienz nochmals mehr Wasserstoff als der Brennstoffzellenantrieb. “Letzteren halten wir durchaus für realistisch im LKW und damit im Prinzip auch für die letzte Meile beim Oberleitungs-LKW.” Ansonsten bleibe es beim Diesel, weil die relativ großen Wasserstoff-Tanks zu Lasten des Ladevolumens (typischerweise 80 bis 90 Kubikmeter) gehe. Auch Oberleitungs-LKW könnten nur dort fahren, wo es eine Oberleitung gebe; sie brauchten also zusätzlich doch wieder einen Dieselmotor für die letzten Meilen. Den Güterverkehr stattdessen gleich ganz auf die Schiene zu bringen, scheitere daran, dass die Bahn den Infrastruktur-Ausbau “radikal verpennt” habe. Um die Rohöl-Importe, 100 Millionen Tonnen pro Jahr, zu verringern, bedarf es also zwei neuer Infrastrukturen – für BEV und für FCEV.

Bei der Schnelllade-Infrastruktur toppt China den Rest der Welt bereits um Längen. (Grafik: FZ Jülich)
Bei der Schnelllade-Infrastruktur toppt China, was absolute Zahlen anbelangt, den Rest der Welt bereits um Längen. (Grafik: FZ Jülich)

Für Batterie-elektrische Fahrzeuge (BEV) gebe es vier Ladesäulentypen, die sich im Wesentlichen durch ihre Ladeleistung unterscheiden. Zum (kontrollierten) Laden über Nacht, beispielsweise am heimischen Stromanschluss, eigenen sich solche mit drei respektive elf Kilowatt. Doch lassen sich so höchstens 10 Millionen BEVs mit Energie versorgen. Ab 22 Kilowatt Ladeleistung spricht man von Schnellladen in den Optionen 40 bis 60, Tesla 120 und Porsche 350 Kilowatt. Typisch sind Batterie-Kapazitäten von 70 bis 120 Kilowattstunden. Für die Belastung beim Laden ist die C-Zahl relevant: Mit C6 kann eine Batterie in zehn Minuten von 20 auf 80 Prozent ihrer Kapazität aufgeladen werden, bei Batteriespannungen von 600 bis 800 Volt. Für die Flächendeckung sind 12.000 Schnellladesäulen erforderlich, der Typ City M4 kostet rund 50.000 Euro pro Stück. Bundes-Autobahn-Tankstellen müssen im Gegensatz zu Autohöfen mit Mittelspannung neu angebunden werden.

Das Wasserstoffverteilnetz entlang der Bundesautobahnen soll bis zum Jahr 2023 von derzeit rund 100 Tankstellen auf 400 Tankstellen anwachsen. (Grafik: FZ Jülich)
Das Wasserstoffverteilnetz entlang der Bundesautobahnen soll bis zum Jahr 2023 von derzeit rund 100 Tankstellen auf 400 Tankstellen anwachsen. (Grafik: FZ Jülich)

Für Brennstoffzellen-elektrische Fahrzeuge (FCEV) gibt es noch fast gar keine Infrastruktur. Weltweit sind nur 4300 FCEV auf der Straße, versorgt von lediglich 213 öffentlichen Wasserstofftankstellen, davon 43 in Deutschland. Bis 2023 soll diese Zahl hierzulande jedoch auf 400 steigen. Der Infrastrukturaufwand pro Fahrzeug betrage 2000 bis 4000 Euro.

Der Wasserstoff lässt sich über große Entfernungen in Pipelines an Verteilzentren anliefern und von dort mit Tanklastern “konkurrenzlos günstig” zu den Tankstellen bringen. Ein 40-Tonnen-LKW fasst wahlweise vier Tonnen flüssigen, zwei Tonnen chemisch gebundenen (LOHC) oder eine Tonne gasförmigen Wasserstoff.

 

Wohin mit dem Steuergeld

“Im Jahr 2012 beliefen sich die umweltschädlichen Subventionen auf über 57 Milliarden Euro”, verlautet das Bundesumweltamt und erläutert: “Umweltschädliche Subventionen belasten den Staatshaushalt doppelt: Zunächst durch Mehrausgaben und Mindereinnahmen des Staates. Später durch erhöhte Kosten für die Beseitigung von Schäden an Umwelt und Gesundheit.”  Im Vergleich zu den jährlichen Subventionen aus Steuergeldern verliert die Größenordnung der Investitionen in den Infrastruktur-Ausbau für Elektromobilität jedoch ihren Schrecken. Um 20 Millionen elektrisch angetriebene PKW flächendeckend versorgen zu können, müssen für die Batterielade-Infrastruktur 51 Milliarden Euro fließen, für die Brennstoffzellen-Infrastruktur 40 Milliarden; insgesamt gut 90 Milliarden; bis 2050. Im gleich Zeitraum flössen, bliebe es wie 2012, wenigstens 1250 Milliarden Euro an Subventionen aus Steuergeldern in den Erhalt alter, dreckiger Energieträger. Welcher Elektro-Mobilist will sich schon ein grünes Öko-Mäntelchen umhängen, wenn es Braunkohlestaub verunzieren würde…

Die Investitionen für die Wasserstoff-Infrastruktur sind anfangs höher, liegen aber schon ab 10 Mio. Fahrzeugen deutlich unter der fürs Laden von Batterien. (Grafik: FZ Jülich)
Die Investitionen für die Wasserstoff-Infrastruktur sind anfangs höher, liegen aber schon ab 10 Mio. Fahrzeugen deutlich unter der fürs Laden von Batterien. (Grafik: FZ Jülich)

Der Aus- und Aufbau einer doppelten Infrastruktur für Strom- und Wasserstofftankstellen würde sich gleich mehrfach lohnen: massiv Kohlendioxid-Emissionen einsparen, preiswerte Speicher für erneuerbare Energie aufbauen, die Transport-Effizienz für erneuerbare Energie steigern – und den Bundeshaushalt entlasten, sogar ohne private Investoren.

So konnte der TELI-Jour-fixe klar stellen, dass die Antwort auf die Herausforderung Elektromobilität nicht “Batterie oder Brennstoffzelle”, sondern “Batterie und Brennstoffzelle” lauten muss. Dem Referenten Dr. Grube und seinem Institut am Forschungszentrum Jülich gebührt Dank für die umfassende und detailreiche Analyse. Und klar ist ferner, dass zumindest der Transportsektor für PKW massiv zur Wahrung der CO2-Klimaziele beitragen kann – wenn wir gleich damit anfangen.

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