Batterie oder Brennstoffzelle für Elektromobilität

Die Elek­tri­fizierung des Antrieb­sstrangs ermöglicht hochef­fiziente, geräuscharme, emis­sions­freie und dynamis­che Mobil­ität, die Inte­gra­tion von Erneuer­baren Energien in den Trans­port­sek­tor sowie die Unab­hängigkeit des Trans­port­sek­tors vom Energi­eträger Erdöl. Dabei kommt der Schlüs­selkom­po­nente Energiespe­ich­er entschei­dende Bedeu­tung zu, da sie Fahrzeugeigen­schaften wie Reich­weite, Kosten, Fahr­dy­namik und Gewicht maßge­blich mit bee­in­flusst. »Bat­terie oder Brennstof­fzelle?« — das ist in den ver­gan­genen Jahren inten­siv disku­tiert wor­den, ist aber eine entweder/oder Entschei­dung tat­säch­lich zielführend?
Kosten­fak­tor: Energie oder Leistung?
Bei bat­terieelek­trischen Fahrzeu­gen skalieren die Bat­ter­iesys­temkosten mit dem Energiein­halt der Bat­terie und steigen daher mit der geforderten Fahrzeu­gre­ich­weite und dem Energiebe­darf des Fahrzeugs. Brennstof­fzellen hinge­gen sind Energiewan­dler, deren Größe und Kosten durch die erforder­liche Max­i­malleis­tung definiert wer­den. In Abhängigkeit des Anwen­dungs­falls ergänzen sich somit Bat­te­rien und Brennstof­fzellen und erweit­ern in hybri­den Antrieb­sstrangkon­fig­u­ra­tio­nen das Anwen­dungsseg­ment für Elek­tro­mo­bil­ität: Die Brennstof­fzelle ermöglicht Langstreck­enelek­tro­mo­bil­ität und kurze Nach­tankzeit­en in Anwen­dun­gen, in denen sich die geforderte Reich­weite rein bat­terieelek­trisch aus tech­nis­chen und wirtschaftlichen Grün­den nicht darstellen lässt. Im Gegen­zug kann durch die Bat­terie in Batterie/Brennstoffzellenhybridkonzepten die max­i­male Leis­tung des Brennstof­fzel­len­sys­tems reduziert und der Gesam­tantrieb­sstrang­wirkungs­grad durch die Möglichkeit der Brem­sen­ergiereku­per­a­tion gesteigert wer­den — dies ist heute in allen aktuellen Brennstof­fzel­len­fahrzeu­gen bere­its Stand der Technik.
Antrieb­sstrangkonzepte
Denkbar sind dabei unter­schiedliche Antrieb­sstrangkonzepte hin­sichtlich der Dimen­sion­ierung von Bat­terie und Brennstof­fzel­len­sys­tem: Brennstof­fzel­len­dom­i­nante Sys­teme, bei denen ein Brennstof­fzel­len­sys­tem mit ca. 80 ‑100 kW elek­trisch­er Leis­tung mit ein­er Leis­tungs­bat­terie geringer Kapaz­ität kom­biniert wird, ermöglichen die Darstel­lung kon­ven­tioneller Fahrleis­tun­gen auch für große Pkw und hohe Dauergeschwindigkeit­en > 120 km/h.
Im Fokus von Brennstof­fzellen Range-Exten­der Konzepten ste­hen möglichst geringe Betrieb­skosten. Im Kurz- und Mit­tel­streck­en­be­trieb kann ein Großteil der Fahrten bei höch­sten Wirkungs­graden und niedrig­sten Betrieb­skosten bat­terieelek­trisch als Plug-In Fahrzeug zurück­gelegt wer­den. Das Brennstof­fzellen Range-Exten­der Sys­tem deckt bat­terieladezu­s­tandsab­hängig den mit­tleren Leis­tungs­be­darf des Fahrzeugs und ermöglicht emis­sions­freie Langstreck­enelek­tro­mo­bil­ität. Infra­struk­tur­seit­ig ver­ringern sich die Anforderun­gen an die Aus­baustufe von Wasser­stoff- und Schnellladeinfrastruktur.
Als unab­hängiger Entwick­lungspart­ner bietet das ZBT der Auto­mo­bilin­dus­trie Unter­stützung bei der Entwick­lung von Brennstof­fzel­len­sys­te­men für die unter­schiedlichen Antrieb­sstran­gop­tio­nen. So wird z.B. in Koop­er­a­tion mit der FEV GmbH, der Gräben­er Maschi­nen­tech­nik GmbH & Co. KG und der RWTH Aachen ein 30 kW Brennstof­fzellen Range-Exten­der Mod­ul für Elek­tro­fahrzeuge mit Förderung des Lan­des NRW sowie der Europäis­chen Union im Pro­gramm »Ziel2.NRW Regionale Wet­tbe­werb­s­fähigkeit und Beschäf­ti­gung« entwickelt.
Weltweit­er Sta­tus Brennstoffzellenfahrzeuge
Brennstof­fzel­len­fahrzeuge wer­den heute in umfan­gre­ichen Flot­ten­ver­suchen in Asien, den USA und Europa von End­kun­den erfol­gre­ich getestet. Die Kun­den schätzen dabei die her­vor­ra­gen­den Fahreigen­schaften und gerin­gen Geräus­che­mis­sio­nen des elek­trischen Antrieb­sstrangs, den Fahrkom­fort sowie geringe Ver­brauch­swerte. Die Fahrzeuge lassen sich inner­halb weniger Minuten betanken und erzie­len Reich­weit­en von bis zu 650 km. Seit­ens der führen­den Her­steller Daim­ler, Toy­ota, Hon­da, GM und Hyundai wird die Mark­te­in­führung von Klein­se­rien für das Jahr 2014/2015 angekündigt. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Kostenre­duk­tion, hier beste­ht erhe­blich­es Poten­zial durch Syn­ergieef­fek­te mit bat­terieelek­trischen Fahrzeu­gen und kon­ven­tionellen Hybrid­fahrzeu­gen ins­beson­dere im Bere­ich des elek­trischen Antrieb­sstrangs sowie der elek­tri­fizierten Nebe­nag­gre­gate. Par­al­lel arbeit­et die Indus­trie in Deutsch­land aber auch in Japan, Süd­ko­rea, Eng­land und den USA an der Errich­tung der erforder­lichen Wasserstoffinfrastruktur.
Faz­it
Zukün­ftig wird keine Einzel­tech­nolo­gie im gesamten Anwen­dungsspek­trum des Indi­vid­ual- und Güter­verkehrs die Anforderun­gen hin­sichtlich Emis­sio­nen, Energieef­fizienz, Ressourcenscho­nung und Diver­si­fika­tion der einge­set­zten Primären­ergi­eträger erfüllen kön­nen. Vielmehr wird ein Tech­nolo­gieport­fo­lio aus opti­mierten Ver­bren­nungskraft­maschi­nen, Biokraft­stof­fen, Hybrid­fahrzeu­gen und Elek­tro­fahrzeu­gen erforder­lich sein.
Brennstof­fzellen kön­nen dabei in Kom­bi­na­tion mit Bat­ter­iesys­te­men hochef­fiziente Langstreck­en-Elek­tro­mo­bil­ität mit kurzen Nach­tankzeit­en ermöglichen und das Anwen­dungsspek­trum sowie die Mark­takzep­tanz von Elek­tro­mo­bil­ität erweitern.
Dr.-Ing. Jörg Karstedt
Koor­di­na­tor Elek­tro­mo­bil­ität ZBT GmbH
j.karstedt@zbt-duisburg.de