Austrian Automotive Business Show

Wasserstoff und E-Motor als Antrieb der Zukunft

Professor Bernhard Geringer von der TU Wien gab bei der "Austrian Automotive Business Show" einen Überblick über die Antriebstechnologien der Zukunft.

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Mobilität muss über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs nachhaltig werden. Es kommt also neben der Produktion des Vehikels vor allem auch auf eine nachhaltige Energiequelle im Betrieb an. Bei (schweren) Nutzfahrzeugen könnte sich letztendlich der E-Antrieb und die Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Energieträger durchsetzen

Die Entwicklungen im Bereich der Fahrzeugantriebe stehen vor allem in Verbindung mit den politischen Zielsetzungen und regulatorischen Vorgaben zur Reduktion des CO2-Ausstoßes. Neue Pkw dürfen in der EU schon ab 2021 im Durchschnitt nur noch maximal 95 Gramm CO2 pro Kilometer ausstoßen. Das ist entspricht einer Verminderung um 35 Gramm gegenüber dem Ziel von 2015. Für Überschreitungen werden Strafzahlungen fällig, die Autohersteller haben also einen hohen Innovationsdruck zur Erreichung dieser Zielvorgaben. Außerdem ist bei 95 Gramm noch lange nicht Schluss, denn die Emissionen sollen bis 2030 weiter drastisch gesenkt werden.

Bernhard Geringer vom Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik an der TU Wien ist der Meinung, dass sich diese Ziele alleine mit dem Verbrennungsmotor nicht erreichen lassen. Der Wandel in der Antriebstechnik wird sich daher schrittweise vollziehen. Mit Weiterentwicklungen des Verbrennungsmotors, wie der Optimierung der Thermodynamik und Mechanik, können vielleicht noch zehn bis maximal fünfzehn Prozent Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors erzielt werden. Die nächste Stufe besteht aus einer Hybridisierung, also dem Einsatz des Verbrenners in Verbindung mit einem E-Antrieb. In Verbindung mit der entsprechenden Betriebsstrategie, also dem gezielten Einsatz der E-Technik bei Bremskraftrückgewinnung (Rekuperation) und Beschleunigung (Boost) sind hier nochmals bis zu 20 Prozent Effizienzsteigerung möglich. Derartige Fahrzeuge sind bereits heute auf den Straßen unterwegs, entweder als Vollhybrid oder 48-Volt-Mild-Hybrid, der nur über eine sehr kleine Pufferbatterie für kurzfristige Zwischenspeicherung verfügt. Allerdings wird auch diese Strategie mittelfristig nicht ausreichen, um die gesetzten CO2-Ziele zu erreichen.

Die nächste Stufe ist daher die Verbindung des Verbrenners mit einem leistungsstarken E-Motor und entsprechender Speichertechnologie für einen kombinierten Betrieb: Der Plug-in-Hybrid. Damit lassen sich in Summe bis zu 50 Prozent der lokalen Emissionen einsparen. Voraussetzung ist jedoch, dass die Batterie auch regelmäßig geladen wird. Der Nachteil dieses Konzepts liegt am deutlichen Mehrgewicht und der Komplexität durch die Kombination zweier völlig unterschiedlicher Antriebs- und Energiespeichertechnologien. Dies führt auch zwangsläufig zu hohen Produktions- und Anschaffungskosten.

Das Problem der Komplexität kann durch den gänzlichen Verzicht auf den Verbrennungsmotor gelöst werden. Allerdings erfüllen rein batterieelektrische Fahrzeuge derzeit die Erwartungen vieler Kunden noch nicht. Die Reichweite ist nach wie vor ein Thema, auch wenn bei einzelnen Modellen inzwischen fast 500 Kilometer möglich sind. Die entsprechende Batterie ist jedoch ausgesprochen teuer und schwer. Ein weiteres Problem ist die Betankung: Diese ist im Vergleich zur Tankung eines Flüssigtreibstoffs ausgesprochen zeitintensiv. Für einen größeren Fahrzeugbestand bedarf es außerdem massiver Investitionen in die Ladeinfrastruktur.

Abhilfe bei der Betankungszeit kann Wasserstoff in Verbindung mit der Brennstoffzellentechnologie schaffen. Das Fahrzeug lässt sich dabei rasch mit flüssigem Wasserstoff (H2) betanken. In der Brennstoffzelle wird aus dem Wasserstoff elektrische Energie erzeugt, emittiert wird dabei lediglich Wasser (H2O). Der Antriebsstrang ist ansonsten ident mit dem eines batterieelektrischen Autos. An sich wäre dies also die ideale Technologie für einen lokal emissionsfreien Fahrzeugbetrieb. Derzeit ist die Brennstoffzellentechnologie aber noch nicht Großserienreif und damit entsprechend teuer. Ein weiteres, wesentlich größeres Problem liegt in der fehlenden Infrastruktur. In Österreich gibt es derzeit gerade einmal fünf Tankstellen. Es geht beim Ausbau der Infrastruktur aber nicht nur um die Distribution des Wasserstoffs, sondern auch um dessen Erzeugung. Derzeit wird Wasserstoff nämlich aus fossilem Erdgas (Methan – CH4) gewonnen, für eine nachhaltige Mobilitätsstrategie macht das aber keinen Sinn. Stattdessen müssten Elektrolyseanlagen zur Erzeugung des Wasserstoffs mit Strom, idealerweise aus Netzüberkapazitäten und nachhaltiger Stromerzeugung, errichtet werden.

Fazit

Die technologischen Entwicklungen und der Aufbau der Infrastruktur brauchen Zeit und werden sich daher nicht über Nacht vollziehen. „Wir werden ein Nebeneinander haben, zumindest die nächsten zehn Jahre“, ist Geringer überzeugt. Langfristig zeichnet sich jedoch ab, dass sich im Pkw-Bereich die batterieelektrischen Fahrzeuge durchsetzen werden. Entscheidende Faktoren für den Erfolg sind sinkende Kosten in der Batterieproduktion, die höhere Energiespeicherdichte und damit eine größere Reichweite und schlussendlich der Ausbau der Ladeinfrastruktur.

Für den Antrieb schwerer Nutzfahrzeuge sieht Geringer in Zukunft eine Kombination aus E-Antrieb und Brennstoffzelle. Der Schlüsselfaktor ist aber, neben der Großserienentwicklung der Brennstoffzellentechnik, der Aufbau einer leistungsstarken Wasserstoffinfrastruktur.

Und eines gibt der Experte im Sinne einer nachhaltigen und wirklich umweltfreundlichen Mobilität außerdem zu bedenken: Es geht nicht nur um das Ziel der lokalen „Zero Emission“ sondern auch um eine Betrachtung der Emissionen und des Ressourcenverbrauchs über den gesamten Lebenszyklus der Fahrzeuge. Gerade bei E-Fahrzeugen spielt hier auch die Quelle des Stroms eine wichtige Rolle, damit die Ökobilanz am Ende der Nutzungsdauer auch tatsächlich besser ist als bei herkömmlichen Fahrzeugen. 

Exkurs: E-Fuels

Einen völlig anderen Ansatz zur Verbesserung der CO2-Bilanz in der Fahrzeugnutzung stellen sogenannte E-Fuels dar. Gemeint sind damit synthetische Treibstoffe, die mit nachhaltig erzeugter, regenerativer Energie produziert werden. Der Vorteil: Diese lassen sich mit der konventionellen Technologie eines Verbrennungsmotors nutzen und auch die Tankstelleninfrastruktur ist bereits flächendeckend vorhanden. Allerdings müsste die Infrastruktur für die Produktion derartiger E-Fuels erst in großem Maßstab aufgebaut werden. Das würde ebenfalls fünf bis zehn Jahre in Anspruch nehmen. Die Fahrzeuge wären in der Nutzung dann allerdings nicht lokal emissionsfrei und der Verbrennungsmotor hat – im Vergleich zum E-Motor – einen relativ schlechten Wirkungsgrad.