Brennstoffzellen: Der Bedarf an emissionsfreien Fahrzeugen mit großer Reichweite, erörtert von IDTechEx!

Alle wichtigen Akteure der Automobilindustrie arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung und dem Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen: Ein stürmischer Wandel in der Antriebstechnologie ist im Gange. Der neue Bericht von IDTechEx, „Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge 2022-2042„, analysiert die Rolle von Brennstoffzellen in Straßenfahrzeugen. Brennstoffzellensysteme haben das Potenzial, als Technologie für Straßenfahrzeuge eingesetzt zu werden, die emissionsfrei sein müssen, bei denen aber der tägliche Bedarf nicht durch einen reinen Batterieantrieb gedeckt werden kann.

Der Straßenverkehr trägt wesentlich zu den Treibhausgasemissionen eines jeden Landes bei. So sind beispielsweise Pkw, leichte Nutzfahrzeuge, Lkw und Busse insgesamt für rund 93 % der verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen in der EU verantwortlich. In den USA verursachen Straßenfahrzeuge etwa 85 % der inländischen Verkehrsemissionen. Dieser hohe Anteil rückt den Sektor in das Fadenkreuz der politischen Entscheidungsträger.

Es wird anerkannt, dass eine fast vollständige Dekarbonisierung des Straßenverkehrs erforderlich ist, damit die Länder ihre im Pariser Abkommen festgelegten Klimaziele für 2050 erreichen können. Ebenso wichtig ist die wachsende Erkenntnis, dass sich die Verkehrsemissionen auf die lokale Luftqualität und die Gesundheit der Stadtbevölkerung auswirken. Großstädte versuchen zunehmend, die Einfahrt von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren in die Stadtzentren zu verbieten oder zu besteuern, was sich auf die Wahl der Technologie für öffentliche Verkehrsmittel, Lieferfahrzeuge und Taxiflotten sowie auf private Autos auswirkt. Emissionsfreie Lösungen werden für alle Fahrzeugsegmente auf der Straße benötigt, und die Technologie muss in der Lage sein, den täglichen Arbeitszyklus dieser Anwendungen zu erfüllen, egal wie anstrengend sie sind.

Während batterieelektrische Lösungen den Übergang zu emissionsfreien Antrieben anführen, bedeutet die Energiedichte der heutigen Lithium-Ionen-Autobatterien, dass die tägliche Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen (BEVs) sowohl durch das maximale Gewicht der Batterien, die in einem Fahrzeug transportiert werden können, als auch durch den verfügbaren Platz für die Batterien im Fahrzeug begrenzt ist.

Brennstoffzellensysteme (bei denen eine Wasserstoff-Brennstoffzelle in ein Elektrofahrzeug integriert ist) erzeugen elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff (der unter hohem Druck in Tanks im Fahrzeug gespeichert wird) und gereinigter Ansaugluft. Brennstoffzellensysteme können im Vergleich zu reinen Batterieantrieben eine höhere Energiedichte aufweisen und daher bei gleichem Gewicht eine größere Reichweite bieten.

Dieser Vorteil in Verbindung mit der Möglichkeit, Wasserstoff wesentlich schneller zu tanken als eine große Lithium-Ionen-Batterie aufzuladen, bedeutet, dass Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV) eine Betriebsflexibilität bieten, die der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor näher kommt als die von BEV. In einigen Anwendungsbereichen könnten FCEV die einzige praktikable Lösung für emissionsfreie Antriebe sein.

Große Hersteller wie Toyota, Ford, Honda, GM, Hyundai, Volkswagen, Daimler und BMW haben in den letzten 30 Jahren große Summen in die Weiterentwicklung der Brennstoffzellentechnologie investiert, und die Technologie ist seit 2014 kommerziell verfügbar, als Toyota die Massenproduktion seines Mirai FCEV begann.

Bei Personenkraftwagen gipfeln diese Bemühungen jedoch in der Tatsache, dass im Jahr 2021 nur zwei große OEMs, Toyota und Hyundai, FCEV-Fahrzeuge in Produktion haben und im Jahr 2020 weniger als 10.000 FCEV verkauft wurden. Im Vergleich dazu wurden von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, deren Entwicklung zu einem ähnlichen Zeitpunkt wie die von FCEV begann, im Jahr 2020 mehr als 3 Millionen Fahrzeuge verkauft. FC-Pkw sind ein bewegliches Ziel, das nur schwer einzuholen sein wird, da sich die BEV-Technologien in diesem Segment rasch verbessern. Während bei BEV-Antriebssträngen Bedenken bestehen, dass die Batterien während der Betriebsdauer des Fahrzeugs ausgetauscht werden müssen, und es mehrere Rückrufe im Zusammenhang mit Batteriebränden gegeben hat, werden FCEV-Fahrzeuge wahrscheinlich vor ähnlichen Problemen stehen, wenn die Brennstoffzellentechnologie ausgereift ist. Hyundai hat im August dieses Jahres angekündigt, 15.000 NEXOs (alle NEXOs, die vor Juni 2021 verkauft wurden) zurückzurufen, um ein Klapperproblem zu beheben. Hyundai hat außerdem ein Rückkaufprogramm für NEXOs angekündigt, bei denen der Brennstoffzellenstapel vor Ablauf von 250.000 km ausgetauscht werden muss. Die Qualitätsmängel bei Hyundai sind ein Rückschlag für die Befürworter von FCEV-Autos, da der NEXO etwa die Hälfte der weltweiten FCEV-Verkäufe ausmacht.

Die Vorteile von FCEV in Bezug auf Reichweite und Betankung bedeuten, dass schwere Anwendungen, wie z. B. Langstrecken-LKWs oder Busse mit hoher Kilometerleistung, die eine sehr große Batterie mit einer reinen Batteriearchitektur erfordern würden, in naher Zukunft wahrscheinlich größere Chancen für die Brennstoffzellentechnologie bieten. Der IDTechEx-Bericht befasst sich mit dem Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen in diesen Sektoren und untersucht die Fortschritte, die gemacht werden. Hyundai beispielsweise führt in der Schweiz kommerzielle Versuche mit einer Flotte von 46 FCEV-Lkw durch und plant, diese bis 2025 auf 1.600 Fahrzeuge zu erweitern. Hyundai hat außerdem bevorstehende FCEV-Lkw-Projekte in den USA und Aufträge für 4.000 FCEV-Lkw in China angekündigt. Auch auf dem Busmarkt sind FCEVs bereits in gewissem Umfang vertreten: In Europa sind mehr als 150 Brennstoffzellenbusse im Einsatz, in den USA 65 und in China mehr als 3000. Ein wachsender Auftragsbestand für FCEV-Busse deutet darauf hin, dass die Nachfrage steigt, zumindest bis zu einem Pilotmaßstab für Tests.

Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge können eine Rolle bei der Erreichung der Klimaziele spielen, aber es gibt noch erhebliche Hindernisse zu überwinden, bevor emissionsarme Brennstoffzellenfahrzeuge kommerziell nutzbar sind. Nicht zuletzt ist eine kostengünstige Produktion von erneuerbarem, grünem Wasserstoff erforderlich, um FCEV sowohl wirtschaftlich rentabel zu machen, als auch die niedrigen Emissionswerte zu erreichen, mit denen die Technologie beworben wird.

Die hohen Kosten für die Herstellung von grünem Wasserstoff und seine relative Knappheit bedeuten, dass er derzeit als Kraftstoff für den Verkehr nicht wirtschaftlich machbar ist. 95 % des heute produzierten Wasserstoffs wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, die zwar billig sind, aber die CO2-Bilanz von Straßenfahrzeugen nicht wesentlich verbessern. Die Notwendigkeit, Wasserstofftankstellen zu errichten, ist ebenfalls ein Hindernis, das die Einführung von FCEV auf die Länder beschränkt, die bereit sind, umfangreiche Infrastrukturmittel bereitzustellen. Außerdem ist die Verwendung von grünem Wasserstoff als Kraftstoff ineffizient. Aufgrund von Effizienzverlusten bei der Umwandlung von Strom aus erneuerbaren Energien in Druckwasserstoff und dann wieder in Strom für den Antrieb des Fahrzeugs wird Strom aus erneuerbaren Energien wahrscheinlich einen größeren Einfluss auf die Emissionsreduzierung haben, wenn er in batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen eingesetzt wird.

Der IDTechEx-Bericht „Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge 2022-2042“ beschreibt den aktuellen Stand der Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen für Pkw, leichte Nutzfahrzeuge, Lkw und Stadtbusse. Der Bericht gibt einen Überblick über Brennstoffzellentechnologien, Wasserstofferzeugung sowie Kohlenstoffabscheidung und -speicherung. IDTechEx analysiert die technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen des Einsatzes von Brennstoffzellen in den verschiedenen Straßenverkehrsanwendungen und stellt seine unabhängigen 20-Jahres-Prognosen für die Zukunft von Brennstoffzellenfahrzeugen auf der Straße vor, einschließlich Prognosen zum Absatz, zur Nachfrage nach Brennstoffzellen und zum Marktwert.

Der Bericht „Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge 2022-2042” ist Teil des breiteren Mobilitätsforschungsportfolios von IDTechEx, das die Einführung von Elektrofahrzeugen, Batterietrends, Autonomie und Nachfrage zu Lande, zu Wasser und in der Luft verfolgt. Wir helfen Ihnen dabei, die Zukunft zu meistern. Erfahren Sie mehr unter www.IDTechEx.com/Research/EV .

Das war es natürlich längst noch nicht gewesen!

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