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