Im Rahmen dieser Projektarbeit werden die verschiedenen Mobilitätsmöglichkeiten im PKW-/ÖPNV-Busbereich und der Schifffahrt dargestellt. Diese werden hinsichtlich der jeweiligen Ausgangssituation, politischer Rahmenbedingungen, Kosten, Anreizsystemen, technischer Daten und Umweltaspekten gegenübergestellt.
Zunächst wird das grundsätzliche Problem, aus dem der Handlungsbedarf im Bereich alternativer Antriebsarten resultiert, dargestellt. Dabei werden sowohl die erneuerbaren Energien als auch der Klimawandel und relevante politische Maßnahmen zum Klimaschutz definiert. Die einzelnen Kapitel bieten Übersichten über die aktuellen Entwicklungsstadien und die weiteren Planungen und Ziele der Verkehrsbranche.
Inhaltsverzeichnis
I. Inhaltsverzeichnis
II. Abbildungsverzeichnis
III. Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Erneuerbare Energien
2.1 Definition
2.2 Klimawandel
2.3 Klimaschutz im gesellschaftspolitischen Kontext
3 Wasserstoff, das chemische Element mit dem Symbol H
3.1 Farbvarianten
3.2 Herstellung von Wasserstoff
3.2.1 Dampfreformierung
3.2.2 Elektrolyse
3.3 Technischen Vor- und Nachteile
3.3.1 Technische Vorteile
3.3.2 Technische Nachteile
4 Aktueller Stand von zugelassenen E-Fahrzeugen
4.1 Staatliche Zielvorgaben
4.2 Förderung
4.3 Lithium-Ionen-Batterie
4.4 Ökobilanz Elektroauto
5 Einsatz von Wasserstoff in verschiedenen Verkehrsmitteln
5.1 Einsatz von Brennstoffzellenbussen im ÖPNV
5.1.1 Ausgangssituation
5.1.2 Marktübersicht
5.1.3 Anschaffungskosten und Anreizsysteme
5.1.4 „Joint Initiative for hydrogen Vehicles across Europe“ (JIVE) 1 und 2
5.1.5 SWOT-Analyse
5.2 Einsatz von Brennstoffzellentechnologie im PKW-Bereich
5.2.1 Reichweite von Elektro- und Wasserstoffautos
5.2.2 Lade- und Infrastruktur
5.2.3 Wasserstoff vs. Verbrenner komprimierter Vergleich
5.2.4 SWOT-Analyse E-Mobilität
5.3 Einsatz von Brennstoffzellen in der Schifffahrt
5.3.1 Ausgangssituation
5.3.2 Alternative Treibstoffmöglichkeiten in der Schifffahrt
5.3.3 Pilotprojekte in der Schifffahrt
6 Vergleich zwischen den Verkehrsmitteln
7 Fazit
IV. Literaturverzeichnis
Anhang
II. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 5 Verteilung der weltweiten CO2 Emissionen nach Sektoren (2018)
Abbildung 9 JIVE Cluster nach Stolzenburg, K. et al. 2020, S. 48
Abbildung 10 Anzahl der Ladestationen und Anschlüsse
III. Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 Weltweite Hersteller und Modelle von Brennstoffzellenbussen
Tabelle 2 Der A330 FC und der Urbino 12 hydrogen im Vergleich
1 Einleitung
Im Rahmen dieser Projektarbeit werden die verschiedenen Mobilitätsmöglichkeiten im PKW-/ÖPNV-Busbereich und der Schifffahrt dargestellt. Diese werden hinsichtlich der jeweiligen Ausgangssituation, politischer Rahmenbedingungen, Kosten, Anreizsystemen, technischer Daten und Umweltaspekten gegenübergestellt.
Zunächst wird das grundsätzliche Problem, aus dem der Handlungsbedarf im Bereich alternativer Antriebsarten resultiert, dargestellt. Dabei werden sowohl die erneuerbaren Energien als auch der Klimawandel und relevante politische Maßnahmen zum Klimaschutz definiert. Die einzelnen Kapitel bieten Übersichten über die aktuellen Entwicklungsstadien und die weiteren Planungen und Ziele der Verkehrsbranche.
Abschließend wird die Rolle von Wasserstoff in den Mobilitätsmöglichkeiten der Zukunft formuliert. In diesem Zug wird der direkte Vergleich zur Elektromobilität herangezogen. Das Ziel dieser Projektarbeit besteht somit darin, aufgrund der Gegenüberstellung von Wasserstoff und Elektromobilität auf Basis des heutigen Forschungs- und Entwicklungsstandes, darzustellen, welche Antriebsart am ehesten zukunftsfähig ist.
2 Erneuerbare Energien
2.1 Definition
Um den Begriff der erneuerbaren oder auch regenerativen Energien genauer definieren zu können, bedarf es zunächst einer Erläuterung der Energieumwandlungskette. Sie beschreibt den Prozess von der Primärenergie bis zur Nutzenergie und der damit verbundenen Energiedienstleistung. Die Primärenergie bezeichnet den Energieinhalt der Primärenergieträger, welcher ohne Umwandlungsvorgänge gewonnen werden kann. Hierzu gehören beispielsweise Solarstrahlung, Wasserkraft oder Braunkohle. Diese Primärenergieträger können in einem oder mehreren Vorgängen in Sekundärenergieträger, wie beispielsweise Benzin, Heizöl oder Strom, umgewandelt werden. Hierdurch entstehen Umwandlungs- und Verteilungsverluste. Die Sekundärenergieträger können wiederum in Endenergieträger umgewandelt werden, welche dem Endverbraucher als Endenergie zur Verfügung stehen. Auch hier entstehen Umwandlungs- und Verteilungsverluste. Wenn diese Umwandlungsprozesse abgeschlossen sind, kann der Endverbraucher die ihm zur Verfügung stehende Endenergie als Nutzenergie verbrauchen. Bei der Nutzenergie handelt es sich beispielsweise um Wärme, Kraft oder Licht, durch deren Konsum der Endverbraucher verschiedene Bedürfnisse, wie die Beleuchtung oder die Erwärmung des eigenen Wohnraumes, befriedigen kann. In diesem Zusammenhang ist auch die Energiedienstleistung zu nennen. Sie beschreibt die durch die Nutzenergie sowie weiteren Produktionsfaktoren hergestellten Güter und Dienstleistungen. Dabei kann die Energiedienstleistung als Endprodukt der Energiewandlungskette wie beispielsweise einer Klimatisierung oder einer Beleuchtung betrachtet werden (Vgl. Kaltschmitt et al., 2020, 5 f).
Bei den erneuerbaren Energien handelt es sich um den Teil der Primärenergien, der unbegrenzt verfügbar ist und stetig aus den drei unterschiedlichen regenerativen Energiequellen entsteht (Vgl. ebd., 8). Hierbei handelt es sich um die Sonnenenergie, die geothermische Energie sowie der aufkommenden Energie aus der Massenanziehung und Bewegung von Himmelskörpern. Besonders die Sonnenenergie nimmt Einfluss auf nahezu alle Energien, die auf der Erde umgesetzt werden. Zudem entstehen durch die aus der Sonnenergie resultierende Solarstrahlung andere erneuerbare Energieformen wie beispielsweise Wasserkraft und Wind (Vgl. Geyer et al., 2020, 60 ff). Darüber hinaus kann auch Abfall als erneuerbare Energie betrachtet werden. Die Voraussetzung hierfür ist, dass es sich um organische Abfälle wie beispielsweise Biomüll oder Gartenabfälle handelt (Vgl. Kaltschmitt et al., 2020, 8).
Das Merkmal „erneuerbar“ als Kennzeichen für die dargestellten Primärenergien kann darüber hinaus als Abgrenzung zur Sekundär- oder Endenergie herangezogen werden, welche lediglich das Produkt von einem oder mehreren Umwandlungsprozessen darstellen. Wenn also beispielsweise Solarstrahlung mit Hilfe einer technischen Anlage in Strom umgewandelt wird, ist dieser Strom von der Umwandlungsanlage abhängig. Somit kann der Strom nur so lange produziert werden wie auch die Umwandlungsanlage zur Verfügung steht. In diesem Fall ist also nicht der Strom als Sekundär- oder Endenergie erneuerbar bzw. regenerativ, sondern die Solarstrahlung (Vgl. ebd., 8).
2.2 Klimawandel
Der Klimawandel bezeichnet die weltweiten klimatischen Veränderungen und die damit zusammenhängenden weitreichenden Folgen für das Leben auf dem Planeten Erde. Als Indikatoren sind beispielsweise Temperaturerhöhungen, der Anstieg des Meeresspiegels oder die Zunahme von Naturkatastrophen zu nennen (Vgl. Quaschning, 2019, 29 f).
In diesem Zusammenhang sind sowohl der natürliche als auch der anthropogene Treibhauseffekt entscheidend. Der natürliche Treibhauseffekt kann als Grundvoraussetzung für das Leben auf der Erde angesehen werden. Verschiedene Spurengase innerhalb der Erdatmosphäre wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid (CO2), halten die eintreffende Solarstrahlung zurück. Durch diesen Vorgang entsteht eine Durchschnittstemperatur von ungefähr +15 °C. Ohne die schützende Funktion der Atmosphäre läge die Durchschnittstemperatur bei ungefähr -18 °C.
Der anthropogene Treibhauseffekt hingegen stellt die vom Menschen verursachten steigenden Emissionen von Spurengasen, als Folge des steigenden Energieverbrauchs, dar. Der hieraus resultierende Temperaturanstieg ist die erste Temperaturänderung für die Lebewesen verantwortlich sind. Dabei hat das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe emittierte CO2 mit rund 74 % den höchsten Anteil am Treibhauseffekt. Hinzu kommt das Treibhausgas Methan, welches beispielsweise bei der Rinderzucht, der Erdgasförderung oder der Nutzung fossiler Brennstoff emittiert wird. Darüber hinaus führt auch die Emission von Dickstoffoxid (N2O) bei der Brandrodung von Wäldern oder beim Einsatz mineralischer Stickstoffdünger im Bereich der Landwirtschaft zum Treibhauseffekt. Der prozentuale Anteil ist im Vergleich zu CO2 zwar wesentlich geringer, dennoch kann das Treibhausgas N2O aufgrund der langen Verweildauer in der Atmosphäre als kritisch angesehen werden (Vgl. ebd., 25 ff).
Klimatische Veränderungen haben bislang auf der Erde regelmäßig stattgefunden. Der Unterschied zwischen dem heutigen Klimawandel und den bisherigen Phasen klimatischer Veränderungen besteht neben der Beeinflussung durch den Menschen vor allem in der zeitlichen Komponente. Der Übergang von der letzten Eiszeit zur Warmzeit vollzog sich über knapp 5000 Jahre und führte zu einem Anstieg der Durchschnittstemperatur um rund 2,5 °C. Zum heutigen Zeitpunkt wird ein Anstieg der Durchschnittstemperatur zwischen 1,5 °C und 6 °C bis zum Ende des 21. Jahrhunderts prognostiziert. Hieraus können schwerwiegende Auswirkungen auf die Menschheit und die Ökosysteme resultieren. So kann es beispielsweise vermehrt zu Hungersnöten als Folge von Ernteausfällen, geringeren Waldbeständen oder steigender Migration kommen. Das volle Ausmaß des Klimawandels kann aktuell nur abgeschätzt werden. Dennoch sind gewisse Entwicklungen bereits erkennbar, wodurch ein Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energieträger notwendig wird (Vgl. ebd., 29 ff).
2.3 Klimaschutz im gesellschaftspolitischen Kontext
In Bezug auf den internationalen Klimaschutz haben insbesondere die Klimakonferenzen in Rio de Janeiro 1992, in Kyoto 1997 und in Paris 2015 einen historischen Stellenwert. Die Beschlüsse der entsprechenden Konferenzen werden nachfolgend näher beleuchtet.
Im Jahre 1992 wurde in Rio de Janeiro die Klimarahmenkonvention der vereinten Nationen (UNFCCC) beschlossen. In Artikel 2 des Vertrages, welcher inzwischen von 197 Staaten oder Parteien anerkannt wird, sind die Zielsetzungen festgehalten (Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, 2020a, S.15). Demnach stehen vor allem die Reduzierung der Treibhausgasemissionen, unter Berücksichtigung des Zeitaspekts, im Vordergrund. Wie bereits in Kapitel 1.2 dargestellt, führt ein zu schnell vorantreibender Klimawandel zu einer Überlastung der Ökosysteme. Der Stellenwert dieses Aspekts wird in Artikel 2 des Vertrages verdeutlicht:
The ultimate objective of this Convention and any relatedlegal instruments that the Conference of the Parties may adoptis to achieve, in accordance with the relevant provisions of the Convention, stabilization of greenhouse gasconcentrations in the atmosphere at a level that would preventdangerous anthropogenic interference with the climate system. Such a level should be achieved within a time-frame sufficient to allow ecosystems to adapt naturally to climate change, toensure that food production is not threatened and to enableeconomic development to proceed in a sustainable manner. (United Nations, 1992, S. 9)
Die 1992 unterzeichnete Klimarahmenkonvention wird nicht als UN-Klimakonferenz verstanden. Es wurden zu diesem Zeitpunkt auch noch keine konkreten Maßnahmen benannt. Dennoch kann sie als Grundstein für die inzwischen 25 UN-Klimakonferenzen angesehen werden. Es wurde bereits damals erkannt, dass der Klimawandel eine steigende globale Herausforderung darstellt (Vgl. Quaschning, 2019, S. 51). Die Klimarahmenkonvention trat im Jahre 1994 in Kraft (Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, 2019).
Auf der dritten Weltklimakonferenz in Kyoto im Jahre 1997 wurden die Absichten der Klimarahmenkonvention konkretisiert. Die rechtsverbindlichen Begrenzungs- und Reduzierungsverpflichtungen für Industrieländer wurden in einem Abkommen festgehalten, das vor allem als Kyoto-Protokoll bekannt ist und im Jahre 2005 in Kraft trat. Im Rahmen des Kyoto-Protokolls wurden bislang zwei Verpflichtungsperioden durchgeführt in welchen die Treibhausgasemissionen verringert werden sollten. Die erste Verpflichtungsperiode begann im Jahre 2008 und endete im Jahre 2012. Das anvisierte Reduktionsziel der Treibhausgasemissionen wurde auf 5 Prozent im Vergleich zum Jahre 1990 angesetzt. Am Ende der ersten Verpflichtungsperiode wurde eine Reduktion der Treibhausgasemissionen in Höhe von rund 20 Prozent erreicht. Dennoch muss dieses Ergebnis relativiert werden, da weltweit bis zum Jahre 2010 die Treibhausgasemissionen um 29 Prozent stiegen. Die Ursache liegt vor allem darin, dass Staaten wie die USA, China oder Indien nicht zu den Vertragsparteien unter Anlage B des Kyoto-Protokoll gehörten. Die zweite Verpflichtungsperiode wurde für den Zeitraum 2013 bis 2020 vorgesehen. Für diesen Zeitraumen einigten sich die Vertragsparteien auf eine Reduktion der Treibhausgasemissionen in Höhe von 18 Prozent (Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, 2017).
Im Rahmen der 21. UN-Klimakonferenz in Paris im Jahr 2015 wurden weitere Maßnahmen zum Klimaschutz konkretisiert. Demnach soll die globale Erwärmung auf unter 2 °C gegenüber dem Jahr 1990 begrenzt werden. Darüber hinaus sollen wirtschaftlich schwache Staaten bei der Erreichung dieses Zieles finanziell unterstützt werden. Es müssen alle 5 Jahre neue Ziele formuliert werden, die ambitionierter als die vorangegangenen Ziele sind. Sofern ein Staat sein Ziel nicht erreicht drohen allerdings keine Sanktionen (Vgl. Quaschning, 2019, S. 51). Das Abkommen wurde von 187 Vertragsparteien anerkannt und trat im Jahr 2016 in Kraft (Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, 2020a, S.15 f). Der hieraus resultierende Klimaschutzplan der deutschen Bundesregierung sieht unter anderem eine Reduktion der Treibhausgasemissionen in Höhe von 55 Prozent zum Jahr 2030 bzw. 80 bis 95 Prozent zum Jahr 2050 vor (Vgl. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, 2020b).
3 Wasserstoff, das chemische Element mit dem Symbol H
Wasserstoff ist das leichteste und häufigste Element im Universum. Auf der Erde kommt Wasserstoff nur in gebundener Form, also in Wasser, in Kohlenwasserstoffen oder in Mineralien vor. Wasserstoff ist ein geruchloses, farbloses und geschmackloses Gas, das ohne schädigende Folgen eingeatmet werden kann. Das Element ist nicht als krebserregend bekannt und zu dessen Nachweis sind bestimmte typische chemische Reaktionen oder Sensoren notwendig (Vgl. Welzl, 1985, S. 41). Schon lange wird Wasserstoff als neuer Energieträger diskutiert, der an der Seite oder auch an der Stelle von Strom den Durchbruch zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft garantieren soll. Denn unsere Industrie erlebt derzeit einen großen Wandel, auch im Hinblick auf den Klimawandel, werden Erdöl, Gas und Kohle zunehmend kritisch gesehen. Grüne Energie hingegen ist laut vielen Wissenschaftlern die Lösung, um die bestehende Klimakrise zu bewältigen (Vgl. Öko-Institut, 2020, S. 3). Wasserstoff kann somit ein wichtiger Baustein im Klimaschutzportfolio für die Zukunft sein. Dabei ist zu beachten, dass nur grüner Wasserstoff, also Wasserstoff, der unter Verwendung von erneuerbarem Strom aus Wasser oder Biogas hergestellt wird, die Anforderungen der Nachhaltigkeit erfüllt. (Vgl. Staiger & Tantau, 2020, S. 47)
3.1 Farbvarianten
Das Element Wasserstoff ist natürlich ein farbloses, geruchsloses geschmackloses Gas sowohl in fester als auch in flüssiger Form. Gegenwärtig kursieren jedoch je nach Erzeugungsart verschiedene Bezeichnungen wie grauer, blauer, türkiser und grüner Wasserstoff. Die unterschiedlichen Kennzeichnungen beziehen sich auf die Herstellungsverfahren von Wasserstoff und die damit verbundenen indirekten und direkten freigesetzten CO²-Emissionen. Grauer Wasserstoff wird aus Erdgas gewonnen, dabei wird der Prozess der Dampfreformierung angewandt. Dabei wird mit Hilfe von Wasserdampf, der im Erdgas enthaltene Wasserstoff gewonnen und vom Kohlenstoff getrennt. Der Nachteil dabei ist, dass bei der Herstellung von grauem Wasserstoff viel Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre freigesetzt wird. Blauer Wasserstoff ist bei der Herstellung gleichzusetzen mit der Herstellung von grauem Wasserstoff. Der Unterschied der Farbkennzeichnung liegt darin, dass das beim Prozess der Dampfreformierung anfallende Kohlenstoffdioxid nicht in die Atmosphäre gelangt. Das anfallende Kohlenstoffdioxid wird durch die Anwendung der Carbon Capture and Storage Technologie gespeichert und in der Industrie weiterverarbeitet (Vgl. Vogt, 2011, S. 24).
Türkiser Wasserstoff wird ebenfalls aus Erdgas gewonnen, das dabei angewendete Verfahren ist jedoch die Methanpyrolyse. In einem thermochemischen Verfahren, bei hohen Temperaturen, wird dabei Methan (CH4) in festen Kohlenstoff und gasförmigen Wasserstoff zerlegt. Sofern bei der Methanpyrolyse Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wird, handelt es sich um ein C0²-neutrales Verfahren. (Vgl. Lehmann & Lutschinetz, 2014, S. 6) Grüner Wasserstoff wird auf Basis regenerativer Energieträger mit Elektrolyseanlagen erzeugt. Weitere Optionen grünen Wasserstoff zu gewinnen, bestehen in der Reformierung von Biogas und in der Vergasung und Vergärung von Biomasse. Dabei handelt es sich ebenfalls um CO²-neutrale Verfahren. Grüner Wasserstoff hat großes Potential, einen entscheidenden Faktor in der Klimawende zu spielen. Allerdings muss die Technologie hinsichtlich ihrer Kosten optimiert werden und der Herstellungsprozess verbessert werden (Vgl. Staiger & Tantau, 2020, S. 51).
3.2 Herstellung von Wasserstoff
Der grundsätzliche Energiespeicher eines heutigen Brennstoffzellenmotors ist Wasserstoff, der dann zu Strom umgewandelt wird. Um daher den ökologischen und ökonomischen Aspekt einer Brennstoffzellenmobilität abzuwägen, ist es wichtig, sich auch die Herstellungsverfahren von Wasserstoff anzusehen (Vgl. Lehmann & Lutschinetz, 2014, S.26) Prinzipiell gibt es folgende Verfahren:
3.2.1 Dampfreformierung
Das derzeit am häufigsten angewendeten Verfahren bei der Wasserstoffherstellung ist, wie oben bereits genannt, die Dampfreformierung (Steam Reforming). Dabei wird Erdgas aus dem fossilen Energieträger Erdöl gewonnen. Anschließend wird Wasserdampf bei einer endothermen Reaktion unter einer Temperatur von 750 °C – 1000 °C und unter dem Druck von 15 – 25 Bar zum Erdgas hinzugefügt. Dies sorgt dafür, dass sich das Erdgas in die jeweiligen Elemente Methan, Kohlestoffdioxid und Wasserstoff spaltet. Ein Katalysator beschleunigt die ganze Reaktion. Die Gase werden voneinander getrennt und der Wasserstoff wird gespeichert (Vgl. Töpler & Lehmann, 2017, S. 6). Der Prozess der Dampfreformierung ist nicht ökologisch, da der CO²-Ausstoß hoch ist. Je nach Produktion welcher Wasserstoff Farbvariante ist das Verfahren ökologischer und weniger CO²-Emissionen werden in die Atmosphäre ausgestoßen. Die Technologie der Dampfreformierung ist aktuell jedoch die herkömmlichste Variante, welche mit einem Marktanteil von etwa 50% überwiegt (Vgl. Öko-Institut, 2020, S. 47). Bei einem Blick auf die Kosten, wird klar, warum aktuell der Marktanteil der Technologie Dampfreformierung überwiegt.
„Grüner Wasserstoff ist im Moment in Westeuropa mit 15-18 ct/kWh (5-6 €/kgH2) doppelt so teuer wie Blauer Wasserstoff und etwa dreimal teurer als Grauer Wasserstoff“ (Deutscher Bundestag, 2020, S. 9).
3.2.2 Elektrolyse
Die Elektrolyse kann ohne CO²-Ausstoß erfolgen, wenn erneuerbare Energie bei der Produktion von Wasserstoff verwendet wird. Der Ablauf erfolgt, indem zwei Elektroden in eine stromleitende Lösung eintauchen. Dabei werden Anode und Kathode unter Gleitstrom gesetzt, dies führt dazu, dass das Element Wasser in die jeweiligen Wasserstoffmoleküle und Sauerstoffmoleküle gespalten wird (Vgl. Lehmann & Lutschinetz, 2014, S. 80 ff.). Beim Verfahren der Elektrolyse bedarf es jedoch weiterer Optimierungen für die Zukunft. Denn der Energieverlust bei der Elektrolyse ist hoch. Das bedeutet durch die Spaltung des Wassers zu Wasserstoff, den Transport und der Umwandlung in der Brennstoffzelle zu Strom, bleiben dem Endverbraucher nur mehr 25% Prozent der Energie, die anfangs eingesetzt wurde. Daher ist die Elektrolyse von Wasser und die damit verbundene Herstellung von Wasserstoff unter Berücksichtigung der heutigen Energiekosten noch nicht wirtschaftlich (Vgl. Staiger & Tantau, 2020, S. 61 ff.) Dies wird sich in Zukunft aber ändern, da die Stromentstehungskosten für erneuerbare Energien geringer werden. „Sollten in Europa die Preise für Elektrolyseure bis 2030 von derzeit 500-1500 €/kW auf 200 €/kW sinken, wären konkurrenzfähige Preise für Grünen Wasserstoff ab 2030 möglich“ (Deutscher Bundestag, 2020, S.9). Für eine zukünftige Energiestrategie einer 100%igen Versorgung durch erneuerbare Energiequellen (Solar-, Windkraft, Biomasse, Geothermie, usw.) sind solche Umwandlungsprozesse und alternative Speichermöglichkeiten essenziell. Daher muss es das Ziel sein, die Wasserstoffproduktion aus erneuerbarer Energie nachhaltig und kostengünstig umzustellen (Vgl. Bund-NRW, o. J.).
3.3 Technischen Vor- und Nachteile
Der Wasserstoffantrieb bringt im Vergleich zu den Energiespeichern des Akkus und der fossilen Brennstoffe, in Bezug auf mobile Anwendungen sehr viele Vorteile aber auch sehr viele Nachteile aufgrund der komplexen Technik mit sich. Wie diese Vor- und Nachteile aussehen, wird nun in den folgenden Abschnitten erläutert.
3.3.1 Technische Vorteile
Hoher Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad zeigt, wie viel der zugeführten Energie bei der Fortbewegung des Fahrzeugs umgesetzt wird. Das bedeutet, wie viel Energie kommt im Brennstoffzellenmotor beim Fahrzeug, nach Berücksichtigung der Produktion, Speicherung & Transport und der Betankung an. Beim Strom wird von Primärenergie aus erneuerbaren Energien ausgegangen. Im Vergleich zum klassischen Verbrennungsmotor verlieren Brennstoffzellen durch ihre chemische Reaktion kaum Energie, das macht Sie sehr effizient. Allerdings sind Akkus noch deutlich effizienter, da diese nur Gleitstrom zu Wechselstrom umwandeln (Vgl. Töpler & Lehmann, 2017, S.66 ff.). Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen nach derzeitigem Entwicklungsstand gegenüber Batteriefahrzeugen über eine größere Reichweite bei gleichzeitiger größerer Nutzlast (Vgl. VDI/VDE-Studie, 2019, S.8).
Verfügbarkeit: Im Gegensatz zu den Rohstoffen Lithium & Kobalt die für die Herstellung von E-Akkus benötigt werden und den fossilen Brennstoffen steht Wasserstoff unbegrenzt zur Verfügung. Allerdings nur dann, wenn Wasserstoff durch Elektrolyse, Methanpyrolyse produziert wird. Das hat den Grund, warum in Zukunft vermehrt auf grünen und türkisen Wasserstoff gesetzt werden muss. Denn wie bereits in Punkt 2.1 „Farbvarianten“ erwähnt, sind die beiden Farbvarianten von fossilen Rohstoffen unabhängig und CO²-neutral, sofern die Stromversorgung für die Herstellung aus erneuerbaren Energien erfolgt (Vgl. Staiger & Tantau, 2020, S. 47 ff.). Des Weiteren sind wasserstoffbetriebene Fahrzeuge geräuschlos und emissionsfrei. Bei einem Brennstoffzellenantrieb hat man als Endprodukt nur Wärme und Wasser, aus dem Auspuff kommt also praktisch Wasserdampf (Vgl. Toyota, 2020). Ein weiterer Vorteil ist, dass der Vorgang der Betankung deutlich schneller verläuft als der Beladungsvorgang beim Elektroauto (Vgl. Energieheld, 2020).
3.3.2 Technische Nachteile
Mit einem Brennstoffzellenmotor kann eine Distanz von ca. 100 Kilometer pro Kilogramm Wasserstoff zurückgelegt werden. Doch wie hoch sind die dabei anfallenden Betriebskosten für 1 Kilogramm Wasserstoff. Dies ist davon abhängig welche Wasserstofffarbvariante final getankt wird. Deshalb schauen wir uns nun die Produktionskosten am Beispiel von grünem Wasserstoff, produziert mittels erneuerbarer Energien und blauem Wasserstoff, produziert mittels der angewendeten Carbon Capture Storage Technologie an. Die Produktionskosten bei grünem Wasserstoff setzen sich wie folgt zusammen. Sie beinhalten die Kosten für den Strombezug aus erneuerbaren Energien, Kosten für den Rohstoff Wasser, sowie die Kosten für den Elektrolyseur (Vgl. Deutscher Bundestag, 2020). Die Produktionskosten bei blauem Wasserstoff sind abhängig von den Gaspreisen und den Investitionskosten. Im Jahr 2019 lagen die Produktionskosten von grünem Wasserstoff bei 16,5 Cent pro Kilowattstunde hergestellten Wasserstoffgas, im Vergleich lagen die Produktionskosten von blauem Wasserstoff bei 6,3 Cent pro Kilowattstunde hergestellten Wasserstoffgas (Vgl. Statista, 2020). Grüner Wasserstoff ist also mehr als doppelt so teuer in der Produktion, wie blauer Wasserstoff im Jahr 2019 gewesen. Dies hat unterschiedliche Gründe, der Neubau von alternativen Energieträgern wie Windparks, Solarstromanlagen ist nach wie vor in einer Entwicklungsphase und oftmals vielerorts mit regionalen und lokalen Widerständen verbunden (Vgl. Bukold, 2020, S.16). Im europäischen Durschnitt werden die Kosten für blauen Wasserstoff bei der Bereitstellung auf ca. 1,50€ - 3,00€ pro Kilogramm Wasserstoff geschätzt. Beim grünen Wasserstoff sind die genauen Kosten bei der Bereitstellung im europäischen Durchschnitt nicht definierbar und nur Prognosen möglich. Da die Gewinnung von Strom aus regenerativen Energieträgern in Zukunft weiter gefördert und ausgebaut wird, ist es möglich das im Jahr 2030 die Kosten für 1 Kilogramm grüner Wasserstoff bereits unter dem Preis von blauem Wasserstoff liegt. „Die Produktionskosten für Grünen Wasserstoff in Europa könnten bei rapiden fallenden Kosten für Elektrolyseuren bis 2030 von derzeit 2,00€ - 5,70 €/kgH2 auf nur noch 1,20 €/kgH2 sinken. Bis 2050 seien sogar 0,70 €/kgH2 möglich“ (Bukold, 2020, S.35). Ein wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellenauto ist somit bei Inbetriebnahme deutlich günstiger als der heutige weit verbreitete Verbrennungsmotor, wo die Kosten für 8 Liter Benzin auf 100km Reichweite bei ca. 12,00€ - 13,00€ liegen. In Relation zum Elektroauto besteht jedoch noch deutlicher Optimierungsbedarf. Denn beim Elektrofahrzeug liegt der Preis für die benötigten 15kWh, um 100km zu fahren bei 4,50€ und das Stand Juli 2020. (Vgl. Energieheld, 2020) In der Preisskala vom Strom bei Elektrofahrzeugen befinden sich mit grünem Wasserstoff betriebene Wasserstofffahrzeuge voraussichtlich erst, wie oben bereits prognostiziert, im Jahr 2030. Grüner Wasserstoff ist also auf einen schnellen Ausbau, Neubau erneuerbarer Energien angewiesen um klimapolitisch eine sinnvolle Option zu werden, um mit der E-Mobilität in Zukunft zu konkurrieren (Vgl. Bukold, 2020. S. 12). Denn blauer Wasserstoff kann langfristig keine Lösung sein, da die Herstellung nicht CO²-neutral ist. Darüber hinaus besteht eine schlechte Infrastruktur für Wasserstoff. Solange die Infrastruktur nicht international ausgebaut wird, sehen die Autohersteller keinen Markt in Wasserstofffahrzeugen. Dies ist bei Betrachtung der vorhandenen Wasserstofftankstellen und dem aktuellen Wasserstoffpipelinenetz klar erkennbar. Während es im Jahr 2018 noch 47 Wasserstofftankstellen waren, sind es im Jahr 2021 mittlerweile 148 Tankstellen europaweit (Vgl. Statista, 2021). Deutschland ist dabei klarer Vorreiter mit 91 fertig gestellten Wasserstofftankstellen und weiteren 15 geplanten (Vgl. h2.live, 2020). Die Anzahl an Wasserstofftankstellen ist deutlich zu wenig, um dem klassischen Verbrennungsmotor Konkurrenz bieten zu wollen, schließlich gibt es in Deutschland 14.459 Tankstellen wo Benzin, Diesel getankt werden kann (Vgl. Statista, 2021). Das verdeutlicht warum die Automobilbranche aktuell noch keinen Markt in Wasserstofffahrzeugen in Europa sieht. Der Bau eines Wasserstoffpipelinenetz in Deutschland mit über 40.000km Länge, welche die Tankstellen versorgt, wäre mit Hilfe des Staates und unterschiedlicher Institutionen finanzierbar (Vgl. Geitmann, 2017) ist jedoch Stand heute nach wie vor eine Zukunftsvision.
4 Aktueller Stand von zugelassenen E-Fahrzeugen
Auf Deutschlands Straßen fahren mittlerweile rund 365.300 reine Elektro-Pkws (Stand 01.04.2021 vgl. Statista 05.07.2021). Im Jahr 2020 wurde ein Rekordwert von 194.163 neu zugelassenen E-Fahrzeugen erreicht. (Vgl. KBA 2020). Das entspricht einem Wachstum gegenüber 2019 von 306,83 Prozent. Dieser Trend hält an, denn bis einschließlich Juni wurden 2021 bereits 148.716 E-Fahrzeuge neu zugelassen und Hochrechnungen zufolge wird somit das angestrebte Ziel aus dem Jahre 2010 von einer Millionen E-Fahrzeuge dieses Jahr erreicht. (Vgl. Daniel del Haes, Handelsblatt, 02.2020). Ein Vergleich zwischen den Neuzulassungen von Verbrennern und E-Autos macht deutlich, wie stark die Nachfrage in unserer Bundesrepublik an Elektromobilität ist. Denn im ersten Quartal 2021 lag das Gesamtvolumen an neu zugelassenen Fahrzeugen bei 656.452. Auf alternativ angetriebene Fahrzeuge fällt ein Volumen von 246.689. Rein elektrisch fahrende Fahrzeuge haben an diesen ein Volumen von 64.694. Somit erreichen die alternativen Antriebe einen Anteil von 37,6 Prozent am Gesamtvolumen. 2020 lag dieser Wert noch bei 16,8 Prozent. Ein deutlicher Aufwärtstrend ist nicht zu verkennen. (KBA Pressemitteilung Nr. 17/2021). Vor allem deutsche Automobilhersteller wie VW, BMW, Mercedes, Audi und Porsche können Ihre Marktanteile an alternativen Antriebsarten deutlich stärken, wodurch der wirtschaftliche Aspekt erkennbar wird. Es ist beeindruckend, wie hoch, trotz Corona-Krise, die Absatzzahlen sind.
4.1 Staatliche Zielvorgaben
Das Angestrebte Ziel der Bundesregierung von 2010 waren eine Millionen Elektrofahrzeuge bis 2020. Dieses Ziel wurde verfehlt, denn mit rund 365.300 rein elektrischen Fahrzeugen (Stand 01.04.2021 vgl. Statista 05.07.2021) wurde dieses Ziel bislang nur zu einem guten Drittel erreicht. Werden allerdings Plug-in-Hybridfahrzeuge in die genannte Statistik miteinberechnet, ergibt sich ein deutlich besseres, aber auch stark verfälschtes Ergebnis. Laut Kraftfahrt-Bundesamt bringt es das Elektro-Segment so auf rund 600.000 Fahrzeuge (KBA 1. Quartal, 21.04.2021).
Glaubt man den Worten Peter Altmaiers, so wird es Merkel in ihrer endenden Amtszeit diesen September schaffen, das gesetzte Ziel von einer Millionen zugelassenen E-Fahrzeugen, zu erreichen (Vgl. Daniel del Haes, Handelsblatt, 02.2020).
Doch, bevor ein tieferer Einstieg in die Thematik der E-Fahrzeuge vollzogen wird, stellt sich die Frage: „Warum dieses Thema in den letzten Monaten und Tagen so hoch brisant geworden ist.“
Die alten, aber neu beschlossenen Emissions-Reduktionsziele sehen vor, dass Deutschland bis zum Jahre 2030 seine Emissions-Ausstöße gegenüber 1990 um 65 Prozent reduziert. Bis 2045 soll Deutschland emissionsfrei sein und ab 2046 „sollen demnach negative Emissionen erreicht werden.“ (Georg Ehring, dpa, Reuters, cs, og, ww). Der Bundestag stimmte diesen verschärften neuen Zielen am 24.06.2021 zu, nachdem die Regierungskoalition darüber debattierte und diese Ziele festhielt. (Deutschlandfunk, 2021). Autohersteller müssen somit immer weiter auf Elektrofahrzeuge setzen, um Obergrenzen für den erlaubten CO2 Ausstoß für Ihre PKWs nicht zu überschreiten. Auch dieser Wert wurde von der Politik in den vergangenen Jahren immer weiter herabgesetzt. Seit 2021 liegt dieser Wert kumuliert bei 95gr CO2 pro Kilometer pro Fahrzeugflotte. 2015 lag dieser Wert noch bei 130gr CO2 pro Kilometer pro Fahrzeugflotte. (vgl. VDA 2021). Zukünftig werden Verbrenner diese Werte nicht mehr einhalten können. (Vgl. Kartle, Anton, 2016, S. 169). Somit nimmt der Stellenwert von Elektrofahrzeugen für den Verkehrssektor eine immer größere Bedeutung an und wird stark politisch und wirtschaftlich thematisiert.
Auf den folgenden Seiten wird ein Überblick über die Thematik des Elektroautos gegeben und die aktuelle Situation in Deutschland genauer dargestellt. Unter Anderem wird die Nachhaltigkeit der Elektromobilität erörtert, sowie Vor- und Nachteile dieser überprüft. Gerade der ökologische Aspekt der Elektromobilität, ist oft Startschuss für eine hitzige Debatte von Befürwortern und deren Gegnern.
Der Lithium-Ionen-Akku spielt eine wichtige Rolle in der Nachhaltigkeit unserer Elektromobilität. Diesen Grund wird zum Anlass genommen, einen genaueren Überblick über Abbau und Recycling dieser Rohstoffe zu geben. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die oft als unzureichend beschriebene Reichweite. Gibt es in diesem Bereich einen Nachholbedarf und ist der Ausbau der Ladeinfrastruktur überhaupt ausreichend, um ein sicheres Verkehrsnetz aufbauen zu können? Für den Endverbraucher ist die Kostenfrage ein weiterer relevanter Entscheidungsfaktor. Sind Elektroautos Preis-/Leistungstechnisch auf dem gleichen Niveau, wie unsere uns bekannten Verbrenner?
Diese Fragen und weitere werden im Folgenden behandelt. Der Inhalt meiner Untersuchung wird sich nicht nur auf das Elektroauto beschränken, sondern sich im Verlauf dieser Arbeit auch auf das Themengebiet der Wasserstoffautos ausweiten und in einem Vergleich beider Mobilitätstechniken enden.
4.2 Förderung
Obwohl das Ziel von einer Millionen E-Autos auf Deutschlands Straßen bislang nicht erreicht wurde, liegt das neue Ziel der Bundesregierung seit Oktober 2019 (Bundesregierung, 2019) bei sieben bis zehn Millionen E-Autos im Jahr 2030 und dieses Ziel soll vor allem durch staatliche Subventionierungen erreicht werden. „Um den Umstieg zu beschleunigen, haben Bundesregierung und Automobilindustrie haben die Kaufprämie, den "" für E-Autos erhöht.“ (Bundesregierung, Klimaschutz in Zahlen, 2020) Käuferinnen und Käufer können für Elektro- und Brennstoffzellen- Autos eine Förderung von bis zu 6000 Euro erhalten. Im Zuge der Corona-Krise verdoppelte die Bundesregierung Ihren staatlichen Förderanteil zunächst befristet bis Ende 2021, doch nach dem vierten Spitzengespräch soll diese Förderung bis Ende 2025 verlängert werden.Wodurch die Förderung auf bis zu 9000 Euro Innovationsprämie steigt. (Bundesregierung, Änderung der KFZ Steuer 2019) Zudem gelten seit Beginn des Jahres 2020 weitere steuerliche Vorteile für Elektrofahrzeuge. Die Besteuerung für E-Firmenfahrzeuge ist deutlich günstiger, denn bis 2030 gilt, dass lediglich 0,25 Prozent des Bruttolistenpreises versteuert werden müssen. Für Hybridfahrzeuge gilt nach wie vor eine 0,5-prozentige Versteuerung des Bruttolistenpreises (Vgl. Bundesregierung, Änderung der KFZ Steuer, 2019).
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- Mats Pilgenröder (Autor), Etienne Chroscinski (Autor), Jens Friedrich (Autor), 2021, Ist Wasserstoff die Zukunft der Mobilität?, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1154518
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