Wasserstoff-Brennstoffzelle oder Batterie als Haupt-Energiequelle von Elektrofahrzeugen?

Wasserstoff-Brennstoffzelle oder Batterie als Haupt-Energiequelle von Elektrofahrzeugen? (Bild: Webasto)

Der Wandel hin zur Elektromobilit├Ąt vollzieht sich in rasender Geschwindigkeit. W├Ąhrend sich im PKW-Bereich abzeichnet, dass das batterieelektrische Fahrzeug (BEV) die 100-j├Ąhrige Dominanz der Verbrenner brechen und zumindest in der mittelfristigen Zukunft die Vorherrschaft ├╝bernehmen wird, ist das Bild im Nutzfahrzeugbereich noch nicht so eindeutig.

Hier ist das Spektrum an Einsatzszenarien nochmals deutlich vielf├Ąltiger und gleichzeitig kostengetriebener als beim PKW. Gesamtkosten und Kosten je Kilometer bzw. Maschinenstundens├Ątze sind dabei die ├╝blichen Kalkulationswerte. Ergebnisseitig werden diese stark durch Anschaffungs- und Betriebskosten, Stillstandzeiten und Zuladungswerte bei Gewicht und Volumen beeinflusst.

Waren Zuladungswerte bei Dieselantrieben quasi fix, variieren sie bei den neuen Antriebssystemen deutlich. So ist zum Beispiel der batterieelektrische Nikola TRE um 2.270 kg schwerer als sein brennstoffzellengetriebenes Zwillingsmodell, was sich auf die Nutzlast auswirkt. Weitere Vorteile der Brennstoffzelle liegen aktuell in der h├Âheren Reichweite und der k├╝rzeren Lade- bzw. Tankzeit.

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, H├╝thig)

In diesem Themenschwerpunkt ÔÇ×E-MobilityÔÇť dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Lades├Ąulen: Von Halbleitern ├╝ber Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie ├╝ber Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.

Die Nachteile sind gegenw├Ąrtig die h├Âheren Energiekosten, die geringe Verf├╝gbarkeit von Wasserstoff, ein geringerer Energie-Wirkungsgrad, h├Âhere Systemkosten sowie der geringere Reifegrad und damit einhergehend die schwankende Zuverl├Ąssigkeit des Systems.

Aus technischer Sicht sind die Unterschiede zwischen BEV und FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle, Fahrzeug mit Brennstoffzelle) ├╝berschaubarer. Das liegt daran, dass auch ein Brennstoffzellenfahrzeug in erster Linie ein Elektrofahrzeug ist. Gro├če Teile des Antriebssystems sind nahezu identisch mit dem BEV: von den Elektromaschinen ├╝ber die Umrichter, das Reduktionsgetriebe etc. bis zur Hochvolt-Batterie. Lediglich das Tanksystem und ein Hochvolt-Gleichspannungswandler machen das Brennstoffzellensystem etwas komplexer. Unterschiede beim Packaging, also bei der Unterbringung der Komponenten in den Fahrzeugbaur├Ąumen, sind im direkten Vergleich kaum vorhanden.

5 Fragen und Antworten zur Frage: Batterie (BEV) oder Brennstoffzelle (FCEV) im Fahrzeug ÔÇô Wo liegen die Vor- und Nachteile? Und gibt es die bessere L├Âsung?

Welche Vor- und Nachteile haben batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) und Fahrzeuge mit Brennstoffzelle (FCEVs)?

BEVs haben den Vorteil einer h├Âheren Reichweite und schnelleren Ladezeiten, w├Ąhrend FCEVs aufgrund der Wasserstofftechnologie eine h├Âhere Reichweite und k├╝rzere Tankzeiten bieten. Nachteile von BEVs sind h├Âhere Energiekosten, begrenzte Verf├╝gbarkeit von Wasserstoff und geringere Systemreife. FCEVs haben h├Âhere Systemkosten und eine schwankende Zuverl├Ąssigkeit.

Wann werden batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) lukrativ?

Die wirtschaftliche Rentabilit├Ąt von BEVs h├Ąngt von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise den Fortschritten bei der Batterietechnologie, der Infrastruktur f├╝r das Laden von Elektrofahrzeugen und den Strompreisen. Eine genaue Zeitangabe kann nicht gemacht werden, da dies von der Marktentwicklung und den individuellen Bedingungen abh├Ąngt.

Wie unterscheiden sich Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs) und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) technisch?

Technisch gesehen sind die Unterschiede zwischen FCEVs und BEVs gering. Beide sind Elektrofahrzeuge, bei denen gro├če Teile des Antriebssystems ├Ąhnlich sind, wie Elektromaschinen, Umrichter, Reduktionsgetriebe und Hochvolt-Batterie. Der Hauptunterschied liegt im Tanksystem und im Hochvolt-Gleichspannungswandler, die das Brennstoffzellensystem etwas komplexer machen.

Welche Energiequelle ist optimal f├╝r Elektrofahrzeuge: Wasserstoff-Brennstoffzelle oder Batterie?

Die optimale Energiequelle f├╝r Elektrofahrzeuge h├Ąngt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Einsatzzweck, der Reichweite, den Lade- bzw. Tankzeiten und den Kosten. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEVs) sind derzeit besser geeignet f├╝r k├╝rzere Strecken und eine etablierte Ladeinfrastruktur, w├Ąhrend Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEVs) f├╝r l├Ąngere Strecken und schnelles Betanken vorteilhaft sind.

Gibt es eine bessere L├Âsung zwischen Batterie und Brennstoffzelle im Fahrzeug?

Es gibt keine eindeutig bessere L├Âsung zwischen Batterie und Brennstoffzelle im Fahrzeug. Beide Technologien haben ihre Vor- und Nachteile und sind f├╝r unterschiedliche Anwendungsf├Ąlle optimal. In Zukunft werden wir eine Koexistenz verschiedener Systeme sehen, einschlie├člich Batterie-, Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeuge, je nach den individuellen Anforderungen und Bedingungen.

Wie unterscheiden sich die Systeme FCEV (Brennstoffzelle) und BEV (Batterie)

Im Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff unter Zuf├╝hrung von Umgebungsluft oxidiert. Als Ergebnis entstehen elektrische Energie, W├Ąrme und Wasser. Der Wirkungsgrad dieser ÔÇ×kalten VerbrennungÔÇť liegt im Maximum bei zirka 60 Prozent und im Nennlastbereich bei ungef├Ąhr 45 Prozent. Damit ├╝bertrifft die Brennstoffzelle den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors deutlich.

Ein Brennstoffzellensystem besteht aus einer Vielzahl von Komponenten. Da die einzelne Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle in der Theorie eine Spannung von 1,23 V und in der Praxis deutlich unter 1,0 Volt erzeugt, werden f├╝r ein Hochspannungssystem mehrere hundert einzelne Zellen zu einem Stack in Serie verschaltet, um den gew├╝nschten Spannungsbereich zu erreichen. Der Stack muss mit hohen Mengen Luft und H2-Gas bei gleichen Dr├╝cken versorgt werden. Auf der Wasserstoff- oder Anodenseite sind daf├╝r Druckminderer und Dosierventile sowie ein Rezirkulationsgebl├Ąse erforderlich, mit dem ├╝bersch├╝ssiges Wasserstoffgas r├╝ckgewonnen wird. Auf der Kathoden- oder Luftseite kommt zur Ansaugung und Verdichtung der Umgebungsluft ein hochdrehender elektrischer Kompressor mit Maximaldrehzahlen bis zu 200.000 U/min zum Einsatz. Ein Befeuchter dient dazu, die Feuchtigkeit der Brennstoffzellenmembran im optimalen Fenster zu halten. Der Wasserstoff wird aktuell in der Regel in komprimiertem gasf├Ârmigem Zustand (CGH2) in einem Drucktanksystem mit 350 bar oder 700 bar mitgef├╝hrt.

Verhalten der Brennstoffzelle

Aufgrund der gro├čen Latenz der Brennstoffzelle bei Lastwechseln wird diese in der Regel ├╝ber einen leistungsf├Ąhigen Gleichstrom-Umrichter an den Hochvolt-Zwischenkreis angebunden. Dieser DC/DC-Wandler ist an die Leistungsklasse des Brennstoffzellensystems angepasst und stellt ├╝ber eine sehr hohe Regelgeschwindigkeit die dynamische Anpassung an den Hochspannungs-DC-Zwischenkreis sicher.

Eine Hochvoltbatterie puffert die Lastwechsel. Dabei nimmt die Hochvoltbatterie entweder die ├╝bersch├╝ssige elektrische Energie der Brennstoffzelle auf oder sie schlie├čt die notwendige L├╝cke zur Leistungsanforderung des Fahrzeugs, indem sie Energie abgibt. Erst mit Hilfe der Batterie kann das Fahrzeug Energie beim Bremsen ├╝ber Rekuperation zur├╝ckgewinnen, was den Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs deutlich erh├Âht; dies geschieht durch Einstellen eines Bremsmoments an der Elektromaschine und Umschalten in den generatorischen Betrieb. Dazu stellt die Batterie Energie f├╝r viele andere Situationen zur Verf├╝gung, in denen die Brennstoffzelle nicht aktiv ist, etwa f├╝r systemkritische Funktionen. Letztere beinhalten das Starten des Gesamtsystems oder die zyklische Trocknung des Brennstoffzellensystems, um ein Einfrieren des Wassers auf den Membranen und im Wasserpfad zu verhindern.

Ab der Einspeisung der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie durch den DC/DC-Wandler sind die Systeme  von FCEV und BEW weitestgehend identisch. Der substanzielle Unterschied liegt in der Kapazit├Ąt der Batterie, da die Batterie in einem BEV die gesamte Energie f├╝r den Antrieb speichert, w├Ąhrend beim FCEV der Gro├čteil der Energie im Wasserstoff gebunden ist.

Bild 1: Die Architekturen eines BEV und eines FCEV f├╝r ein schweres Nutzfahrzeug im Beispielvergleich. Die gr├Â├čere Anzahl an Kreislaufsystemen und an Komplexit├Ąt beim FCEV wird hier ebenso deutlich wie auch die viel gr├Â├čere Batteriekapazit├Ąt, die ein BEV erfordert.
Bild 1: Die Architekturen eines BEV und eines FCEV f├╝r ein schweres Nutzfahrzeug im Beispielvergleich. Die gr├Â├čere Anzahl an Kreislaufsystemen und an Komplexit├Ąt beim FCEV wird hier ebenso deutlich wie auch die viel gr├Â├čere Batteriekapazit├Ąt, die ein BEV erfordert. (Bild: Webasto)

Energiedichte als das Ma├č aller Dinge?

Wie stellt sich das in Zahlen, speziell bei Gewicht und Volumen dar? Ausgehend vom ÔÇťACEA Paper: CO2 emissions from heavy-duty vehicles ÔÇô Preliminary CO2 baseline (Q3ÔÇôQ4 2019)ÔÇť vom M├Ąrz 2020 sind 4x2-Zugfahrzeuge mit mehr als 16 t zul├Ąssigem Gesamtgewicht (5-LH) f├╝r 62,8% der CO2-Emissionen im LKW-Verkehr verantwortlich, also klassische Sattelschlepper im Fernverkehr. Vollbeladen mit 40 t Gesamtgewicht ben├Âtigen diese in der Ebene bei 85 km/h eine Antriebsleistung von zirka 100 kW. Um auch bei anderen Topografien die Geschwindigkeit weitestgehend halten zu k├Ânnen, sind zwischen 300 und 400 kW erforderlich. Dies entspricht auch der Motorisierung der ├╝berwiegenden Mehrzahl heutiger Diesel-LKW mit diesem Einsatzziel. Verbrauchsseitig sind f├╝r 100 km im Mittel 120 kWh oder unter Ber├╝cksichtigung der Wirkungsgradverluste der Brennstoffzelle 7,7 kg Wasserstoff erforderlich.

Bild 2: Die Masse von BEV- und FCEV-Systemen f├╝r unterschiedliche Reichweiten im Vergleich (in kg)
Bild 2: Die Masse von BEV- und FCEV-Systemen f├╝r unterschiedliche Reichweiten im Vergleich (in kg) (Bild: Webasto)

Wie unterscheiden sich FCEV und BEV aus volumetrischer Sicht

Eine in den Rahmendaten nicht un├╝bliche Auslegung f├╝r FCEVs verwendet ein Brennstoffzellensystem mit ungef├Ąhr 200 kW Maximalleistung sowie eine Batterie mit zirka 120 kWh. So kann die Brennstoffzelle genug Leistung f├╝r den Gro├čteil des Einsatzprofils bereitstellen ÔÇô und zwar ganz ohne ├ťberdimensionierung der Brennstoffzelle. Gleichzeitig l├Ąsst sich die Maximalanforderung des Antriebs auch f├╝r l├Ąngere Anstiege aus der Batterie puffern. Beim Tanksystem liegt bereits ein CGH2-Tanksystem mit 700 bar zugrunde, auch wenn die wenigen aktuell verf├╝gbaren Fahrzeuge noch schwerere und gr├Â├čere 350-bar-Systeme nutzen

Das Volumen von BEV- und FCEV-Systemen f├╝r unterschiedliche Reichweiten im Vergleich (Angaben in Liter)
Das Volumen von BEV- und FCEV-Systemen f├╝r unterschiedliche Reichweiten im Vergleich (Angaben in Liter) (Bild: Webasto)

Unter solchen normierten Rahmenbedingungen zeigt sich ├╝ber einen Volumen- und Gewichtsvergleich (Abbildung 2 und 3) der gr├Â├čeren unterscheidenden Kernelemente der einzelnen Systeme, dass der Vorteil des FCEV klar im Gewicht liegt.

Beim Volumen der Komponenten bewegen sich die Systeme auf Augenh├Âhe (Bild 4 und 5). Allerdings unterliegen Bewertungen dieser Art aktuell einem sehr starken technologiegetriebenen Wandel.

Bild 4: Volumenbedarf eines von einer Brennstoffzelle mit Energie versorgten Nutzfahrzeugs (FCEV).
Bild 4: Volumenbedarf eines von einer Brennstoffzelle mit Energie versorgten Nutzfahrzeugs (FCEV). (Bild: Webasto)

Auf einen Blick: Vor- und Nachteile von Brennstoffzelle vs Batterie im Fahrzeug

  • Vorteile der Brennstoffzelle liegen aktuell in der h├Âheren Reichweite und schnelleren Lade- bzw. Tankzeit.
  • Nachteile sind h├Âhere Energiekosten, die geringe Verf├╝gbarkeit von Wasserstoff und die geringere Zuverl├Ąssigkeit des Systems.
  • Brennstoffzellen sind f├╝r den Fernlastverkehr fr├╝hestens 2035 lukrativ.
  • Wir werden eine Koexistenz verschiedener Systeme sehen.

Bei der Chemie der Batteriezellen wird weiterhin mit Hochdruck an einer Erh├Âhung der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte gearbeitet. Hier gehen Experten aktuell von einer Verbesserung um etwa 50 Prozent bis 2030 aus, also von einer Reduktion des Volumens und der Masse (ergo auch des Gewichts) um zirka ein Drittel.

Bei Brennstoffzellensystemen liegt das gr├Â├čte Potential beim Wechsel der Tanktechnologie auf fl├╝ssigen Wasserstoff (sLH2, Subcooled Liquid Hydrogen) oder auf kryokomprimierten Wasserstoff (CcH2). Beide versprechen eine deutliche Steigerung der volumetrischen Energiedichte, befinden sich aber noch im Prototypenstatus.

Bild 5: Volumenbedarf eines rein batterieelektrisch betriebenen Nutzfahrzeugs (BEV).
Bild 5: Volumenbedarf eines rein batterieelektrisch betriebenen Nutzfahrzeugs (BEV). (Bild: Webasto)

Was kostet ein FCEV-Antrieb?

Ein solider Vergleich der Investitionskosten je Fahrzeug ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht zuverl├Ąssig m├Âglich. Das liegt vor allem an den unterschiedlichen Reifegraden der Systeme. W├Ąhrend in verschiedenen Segmenten wie beispielsweise bei Stadtbussen bereits seit mehreren Jahren BEVs auf dem Markt im Einsatz sind und die Technologie sich kontinuierlich weiterentwickelt, kl├Ąrt sich auch die Frage des Schnelladens ├╝ber das MCS (Megawatt Charging System) langsam. Gleichzeitig herrscht jedoch beim FCEV noch ein Wettbewerb um die besten Technologien, z. B. bei den Tanksystemen. Daher sind die Kosten f├╝r das FCEV weniger generalisierbar und schlechter prognostizierbar. Diverse Hersteller und Studien gehen aber davon aus, dass FCEV f├╝r den Fernlastverkehr in puncto TCO fr├╝hestens 2035 Kostenparit├Ąt mit vergleichbaren BEVs erreichen werden.

Fazit: Batterie oder Brennstoffzelle? Was ist besser?

Eine leistungsf├Ąhige Hochvoltbatterie ist f├╝r Brennstoffzellenfahrzeuge wie auch f├╝r alle anderen elektrifizierten Antriebe unerl├Ąsslich. Ihre richtige Dimensionierung und Auslegung h├Ąngt vom Einsatzszenario ab. Ist die Brennstoffzelle in der Lage, die Maximalleistung zu bedienen? Ist der Fahrzeugbetrieb geringen Lastschwankungen unterworfen? Ist ausreichend Tankvolumen verf├╝gbar? Dann gen├╝gt eine Batterie mit geringem Energiegehalt und Maximalleistung. Im Gegenzug muss das Volumen der Tanks entsprechend gro├č dimensioniert sein.

Kommt die Brennstoffzelle hingegen als Reichweitenverl├Ąngerer (REX: Range Extender) im Quasi-Station├Ąrbetrieb zum Einsatz und verf├╝gt das Fahrzeug ├╝ber Schnellladef├Ąhigkeit, wird die Hauptlast auf dem Batteriesystem liegen und hier sowohl eine hohe Kapazit├Ąt als auch eine entsprechend ad├Ąquate Maximalleistung erforderlich sein. Bei noch gr├Â├čeren Batteriesystemen ist der ├ťbergang zum BEV flie├čend, da dem hohen finanziellen Aufwand f├╝r das zus├Ątzlich erforderliche Brennstoffzellensystem plus Peripherie zunehmend weniger Nutzen gegen├╝bersteht. Folglich ist eine sehr spitze Auslegung des Gesamtsystems unter Ber├╝cksichtigung des Einsatzszenarios notwendig, um ein wirtschaftliches Fahrzeug anbieten zu k├Ânnen.

In den kommenden Jahren werden wir im Nutzfahrzeugsektor daher verschiedene Systeme ÔÇô vom Plug-In-Hybriden ├╝ber BEV und FCEV bis hin zu Oberleitungsfahrzeugen ÔÇô sehen. Dabei wird der Elektroantrieb der gemeinsame Nenner sein. Ein ├╝ber alle Segmente dominantes System ÔÇô den n├Ąchsten Dieselmotor ÔÇô wird es nicht geben. (av)

Robert Gantner, Director BEM bei Webasto Battery Systems
Robert Gantner, Director BEM bei Webasto Battery Systems

Robert Gantner

Robert Gantner ist Director BEM bei Webasto Battery Systems

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