Antriebe für das postfossile Zeitalter «E-Fuels, Wasserstoff und Batterien»

Vortrag von Professor Dr. Maximilian Fichter.

Herzlichen Dank an Youtube Kanal Haustechnik Hamburg für diese Produktion und die Publikation in Youtube.

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Kurze Zusammenfassung.

Die Diskussion um Antriebe für das postfossile Zeitalter konzentriert sich hauptsächlich auf batterieelektrische Fahrzeuge (BEV), Wasserstoff/Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) und E-Fuels. E-Fuels sind zur Klimaneutralität der bestehenden Verbrennerflotte gedacht, gelten jedoch als extrem energieaufwendig: Die Herstellung eines Liters E-Diesel benötigt zwischen 23 und 27 Kilowattstunden elektrische Energie, was bei einem Verbrauch von 6 Litern etwa zehnmal so viel ist, wie ein Elektroauto pro 100 km benötigt. Die prognostizierte globale E-Fuel-Produktion bis 2035 wird nur einen winzigen Bruchteil (etwa ein Tausendstel) der aktuellen Ölproduktion abdecken.

Im Effizienzvergleich zwischen Elektroantrieben zeigen BEVs die beste Energieeffizienz: Etwa 75 % bis 80 % der ursprünglichen Energie kommen am Rad an, während bei Wasserstofffahrzeugen aufgrund der Umwandlungs- und Kompressionsverluste nur 18 % bis 20 % genutzt werden können. Batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) weisen die mit Abstand geringsten Treibhausgasemissionen, die höchste Energieeffizienz und perspektivisch die geringsten Kosten auf. Die Fertigungskosten für Batterien sinken konstant (in den letzten 10 Jahren um 90 %). Neuere Technologien wie die Cell-to-Pack-Architektur und der Einsatz von Lithium-Eisenphosphat (LFP) ermöglichen bereits Reichweiten von 1000 km und Ladezeiten, bei denen 700 km in 10 Minuten geladen werden können. Im Schwerlastverkehr liegen die Kilometerkosten für batterieelektrische LKW (35–55 Cent/km) deutlich unter denen für Wasserstoff-LKW (1,40 €–2,00 €/km), was zur Dominanz von BEV-Trucks bei den Zulassungen führt (Verhältnis 100:1).

Antriebe für das postfossile Zeitalter – Eine Analyse von E-Fuels, Wasserstoff und Batterien.

1. Einleitung und globale Motivation.

Die Notwendigkeit einer umfassenden Energiewende ergibt sich aus alarmierenden globalen Entwicklungen, insbesondere im Hinblick auf den Klimawandel und die Endlichkeit fossiler Ressourcen. Die globale Durchschnittstemperatur, insbesondere in den Weltmeeren, hat sich grundlegend verändert, was darauf hindeutet, dass die Pufferfunktion der Weltmeere langsam erschöpft ist. Eine Erwärmung von 1,5 Grad Celsius im globalen Mittel bedeutet, dass in Regionen wie Hamburg mit 6 bis 8 Grad Celsius Temperaturanstieg gerechnet werden muss. Bei anhaltender Entwicklung, beispielsweise einer Erwärmung um 3 Grad global, könnte die Kombination aus hoher Temperatur und Luftfeuchtigkeit in weiten Teilen des Tropengürtels so extrem werden, dass der menschliche Körper sich nicht mehr kühlen kann. Solche Bedingungen würden voraussichtlich 2,3 Milliarden Menschen zur Flucht zwingen.

Die Menschheit begann im 20. Jahrhundert, riesige Mengen an fossilen Energieträgern zu verfeuern, was bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts zunahm und seither wieder abnimmt. Dieser Rückgang erfolgt nicht aus höherer Einsicht, sondern weil diese Energieträger (wie Erdöl, bekannt für seine hohe Energiedichte) früher oder später zur Neige gehen werden. Die Schliessung dieser dadurch entstehenden Energielücke ist eine der grössten Herausforderungen für Wissenschaftler und Ingenieure.

2. Grenzen alternativer Energieträger.

Verschiedene Vorschläge zur Energieversorgung, wie Kernkraft und Fusion, sind auf absehbare Zeit nur begrenzt oder gar nicht verfügbar:

2.1. Kernkraft (Uran).

Das noch einigermassen sinnvoll abbaubare Uran beläuft sich auf etwa 2,1 Millionen Tonnen. Bei einem aktuellen Verbrauch von etwa 55.000 Tonnen pro Jahr wären diese Ressourcen bei einer Stagnation des Verbrauchs für etwa 40 Jahre verfügbar.

Die mittlere Laufzeit von Kernkraftwerken beträgt de facto 43 Jahre. Der Anteil der Atomkraft an der Stromerzeugung ist global von 17% im Jahr 2000 auf derzeit 9% gesunken. Um diesen Anteil zu halten, müssten bis 2050 etwa 270 neue Reaktoren ans Netz gehen, was etwa 11 pro Jahr entspricht. Derzeit werden jedoch nur etwa fünf bis sechs Reaktoren pro Jahr zugeschaltet, wobei etwa gleich viele vom Netz gehen, was keinen Netto-Zubau bedeutet.

Zudem sind neue Kernkraftwerke mit extrem hohen Kosten verbunden. Das Projekt Hinkley Point in Grossbritannien kostete über 50 Milliarden. Der notwendige Strompreis zur Amortisation läge bei 14,8 Cent, weit über dem aktuellen Baseload-Preis von etwas über 6 Cent, was eine Subvention von etwa 100 Milliarden britischen Pfund über die Laufzeit erfordert.

2.2. Fusionskraft.

Die Fusionskraft ist eher etwas für Menschen mit viel Geduld. Die Fertigstellung des ITER-Projekts wurde kürzlich von 2026 auf 2034 verschoben. Ein aktiver Betrieb mit dem eigentlichen Brennstoff (Deuterium und Tritium) wird erst um 2040 erwartet, und die Erwartung eines selbsterhaltenden Plasmas liegt weitere fünf Jahre später. Die Konstruktion eines nachfolgenden kommerziellen Reaktors (DEMO-Reaktor) wird auf weitere 40 bis 60 Jahre geschätzt, was eine kommerzielle Energielieferung erst gegen Ende dieses Jahrhunderts erwarten lässt, was zu spät ist.

3. Anforderungen und Effizienz der neuen Antriebstechnologien.

Um die fossile Lücke zu füllen, müssen erneuerbare Energien gespeichert werden. Im Mobilitätssektor (Antriebe) stehen hauptsächlich drei Technologien zur Debatte: Batterie-elektrische Fahrzeuge (BEV), Wasserstoff/Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) und E-Fuels.

Neue Antriebstechnologien müssen auf folgende Fragen Antworten liefern: Beitrag zur Treibhausgasminderung (THG), Energieeffizienz, Rohstoffsituation, Kosten und Nutzerfreundlichkeit.

3.1. THG-Bilanz und Effizienz im Lebenszyklus.

Die Bewertung der THG-Minderung erfolgt über den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs, von der Rohstoffgewinnung über die Fertigung und den Betrieb bis zur Wiederverwertung.

3.1.1. E-Fuels und Verbrenner.

Der Verbrennungsmotor verursacht hohe Emissionen durch die Verbrennung von Diesel oder Benzin und durch die sogenannte Vorkette (Gewinnung und Verarbeitung der fossilen Träger). Beispielsweise ist die Gewinnung eines Liters Diesel aus Teersanden so energieaufwendig, dass dafür ein halber Liter Diesel verbrannt werden muss.

E-Fuels sind dazu gedacht, die bestehende Verbrennerflotte klimaneutral zu machen. Die Herstellung von E-Fuels (durch Sammlung von CO2 aus der Luft und Reaktion mit Wasserstoff) ist jedoch extrem energieaufwendig. Die Produktion von 1 Liter E-Diesel benötigt 23 bis 27 Kilowattstunden (kWh) elektrische Energie.

Wenn ein Fahrzeug 6 Liter E-Diesel pro 100 km verbraucht, werden für die Herstellung dieser Menge 140 bis 160 kWh elektrische Energie benötigt. Das ist etwa zehnmal so viel Energie, wie ein reines Elektroauto für 100 km benötigt. Zudem verbessern E-Fuels das lokale Klima in Städten nicht, da sie weiterhin Lärm, Vibrationen, NOx, Russ und Kohlenmonoxid ausstossen.

3.1.2. Wasserstoff (FCEV).

Grauer Wasserstoff: Da 99,6% des heute genutzten Wasserstoffs aus Erdgas hergestellt werden, wobei CO2 freigesetzt wird, haben heutige Wasserstoffautos einen grossen CO2-Fussabdruck und sind somit "ein Teil des Problems und nicht der Lösung". Der Zielzustand ist grüner Wasserstoff (hergestellt durch Wasserspaltung mit erneuerbarer Energie), der CO2-arm ist.

THG-Fussabdruck der FCEV-Architektur: FCEVs haben einen signifikanten THG-Fussabdruck durch die Wasserstoff-Drucktanks an Bord. Diese 700-Bar-Tanks bestehen aus Verbundwerkstoffen (Kohlefaser-Epoxidharz-Gemisch), die schwer zu recyceln sind.

3.1.3. Effizienzvergleich (Well-to-Wheel).

Die Energieeffizienz beschreibt, wie viel der ursprünglich gesammelten erneuerbaren Energie tatsächlich am Rad als Vortrieb ankommt.

• Technologie: Batterie-elektrisch (BEV)
• Energieeffizienz (Ende der Kette): 75% bis 80%
• Verluste und Prozessschritte: Geringe Verluste
  
  
• Technologie: Wasserstoff (FCEV)
• Energieeffizienz (Ende der Kette): 18% bis 20%
• Verluste und Prozessschritte: Elektrolyse (30% Verlust), Aufreinigung/Kompression (14–15% Verlust), Kompression an der Tankstelle auf 1050 Bar und Abkühlung auf -40°C (20–25% Verlust), Brennstoffzelle (50% Verlust).
  
  
• Technologie: E-Fuels
• Energieeffizienz (Ende der Kette): Äusserst gering
• Verluste und Prozessschritte: Wird nicht direkt in Prozent angegeben, ist aber etwa zehnmal so ineffizient wie BEV.

Der Verein Deutscher Elektroingenieure (VDE) hat berechnet, wie viel Fahrzeuge ein einziges Windrad im Jahr versorgen kann:

• 1600 Batterie-elektrisch (BEV)
• 600 Wasserstoff (FCEV)
• 250 Fahrzeuge, die mit E-Fuels betrieben werden.

3.2. Verfügbarkeit und Hochskalierung von E-Fuels.

Die prognostizierte Produktion von E-Fuels ist extrem gering im Verhältnis zum globalen Bedarf:

• Der grösste Projektplan (Haru Oni in Patagonien, Chile, von Porsche und Siemens Energy) soll bis 2030 etwa 550 Millionen Liter E-Fuels erzeugen.
• Der deutsche Spritverbrauch der Verbrennerflotte beträgt 48 Milliarden Liter pro Jahr. Das weltgrösste E-Fuel-Projekt würde nur etwa 1,3% des deutschen Bedarfs abdecken.
• Die Internationale Energieagentur (IEA) prognostiziert für 2035 eine globale E-Fuel-Produktion von 45 Terawattstunden, was etwa einem Tausendstel (1/1000) der aktuellen Ölproduktion entspricht.
• Diese Menge würde nur etwa 8% des ausschliesslich deutschen Spritverbrauchs decken (ohne Berücksichtigung von Schiffen oder Flugzeugen).
• Nur 1% der weltweiten E-Fuel-Projekte sind durch tatsächliche Investitionen abgesichert. Der Grossteil sind "PowerPoint-Projekte".

4. Technologische Entwicklungen im Batteriebereich (BEV).

Die BEV-Technologie erlebt eine rasante Entwicklung, die Kosten senkt und die Leistung erhöht.

4.1. Kosten und Marktentwicklung.

Die Fertigungskosten für Batterien folgen einer Kostenkurve: Sie sind in den letzten 10 Jahren um 90% gesunken, während die Kapazität sich verdoppelt hat. Historisch gesehen kostete das Tesla Model S (mit 350–400 km Reichweite) vor 10 Jahren 80.000 US-Dollar. Neuere Fahrzeuge, wie das BYD Model Qin Plus mit Lithium-Eisenphosphat-Batterie (LFP) und 400 km WLTP-Reichweite, kosten heute 14.000 Euro. Diese Entwicklung liegt genau auf der vorhergesagten Kostenkurve.

• Kostenvergleich in der Produktion: Der Produktionspreis für ein modernes Wasserstoffauto (z.B. Hyundai Nexo, 500 km Reichweite) liegt bei 120.000 €. Der Unterschied zum BEV (14.000 €) beträgt mittlerweile einen Faktor 10 und die Kurvenentwicklung zeigt, dass dieser Abstand tendenziell weiter auseinanderdriftet.
• Die Kosten für den Betrieb sind ebenfalls entscheidend: Wasserstoff kostet in Deutschland (subventioniert/unbesteuert) 20 € pro 100 km, in Österreich (besteuert) 30 € pro 100 km.

4.2. Rohstoffe und Zellchemie.

Die chemische Zusammensetzung der Batterien entwickelt sich weg von kritischen Rohstoffen. Ursprüngliche Batterien nutzten Kobaltoxid im Pluspol, aber Kobalt ist teuer, giftig, kann Sicherheitsprobleme verursachen und stammt oft aus ethisch fragwürdigen Quellen. 

Der Trend geht hin zu Materialien wie Nickel Mangan Kobalt (NMC) mit ständig reduziertem Kobalt-Anteil oder zu Materialien ohne Kobalt und Nickel (wie alle grün markierten Materialien).

Der derzeitige Gewinner ist Lithium-Eisenphosphat (LFP). LFP ist ein Allerweltsmaterial, ungiftig (gewinnbar aus kommunalem Abwasser) und unglaublich billig sowie sicher. Obwohl LFP eine geringere Energiedichte hat, wird es durch neue Batteriearchitekturen wettbewerbsfähig. Auch Tesla verbaut in Grünheide bereits LFP-Batterien.

4.3. Innovation in der Architektur (Cell-to-Pack).

 Ein signifikanter Durchbruch kam durch die Optimierung der Batteriearchitektur, die sogenannte Cell-to-Pack (CTP) Technologie (z.B. Blade Battery von BYD oder CTP von CATL).

Die traditionelle europäische Architektur besteht aus kleinen Zellen, die zu Modulen und dann zu einem Pack verbunden werden. Dabei besteht der Anteil des eigentlichen Speichermaterials in dieser Einheit nur aus 25% bis 30%, der Rest ist Gehäuse, Verdrahtung und Verbindungstechnik.

Die CTP-Technologie verwendet wesentlich grössere Zellen (so gross wie ein DIN A3-Blatt) und verzichtet auf die Modul-Ebene. Dadurch wird der Raum für Speichermaterialien um die Hälfte erhöht. Dies ermöglicht die Nutzung des billigen und sicheren Eisenphosphats und führt zu:

• Reichweiten von 1000 km.
• Ladezeiten, bei denen 700 km in 10 Minuten nachgeladen werden können.
• Laderaten von bis zu 6C (1 km Reichweite pro Sekunde bei geeigneter Ladesäule).

Zukünftige Entwicklungen wie "Anoden-freie" oder "überschussfreie Zellen", könnten bei gleichem Volumen bis zu 1900 km Reichweite pro Ladung ermöglichen oder die Batteriegrösse drastisch reduzieren.

4.4. Lebensdauer und Sicherheit.

Auch Lebensdauer und Sicherheit verbessern sich: CATL bietet Garantien von 15 Jahren Betriebsdauer oder 1,5 Millionen Kilometern. Eine neue Batteriegeneration hält 1 Million Kilometer ohne Leistungsverlust.

Die Sicherheitstests in China (genannt "The Six Torments") beinhalten das Durchbohren der Batterie mit Nägeln, wobei sich die Einstichstelle nur auf 60°C erwärmt, ohne dass sich die Batterie entzündet. Auch Verformung (Crash), Herabfallen aus grosser Höhe oder das Werfen in heisses Wasser führen zu keiner Entzündung.

5. Schwerlastverkehr (LKW).

Der Schwerlastverkehr wurde lange als prädestiniert für Wasserstoff angesehen. Auch hier zeigen die Entwicklungen jedoch eine klare Dominanz der BEV-Technologie.

Wirtschaftlichkeit im Schwerlastverkehr: Analysten sehen Wasserstoff-LKW nur als konkurrenzfähig, wenn die Kosten pro Kilogramm Wasserstoff unter 4 bis 5 € liegen. Aktuell liegen die Kosten in Deutschland jedoch bei 16 bis 18 € pro Kilogramm (grauer Wasserstoff).

• Antrieb: Diesel-LKW (40t)
• Verbrauch pro 100 km: 30 Liter Diesel
• Kilometerkosten (Deutschland): 45 Cent/km
  
  
• Antrieb: Brennstoffzellen-LKW
• Verbrauch pro 100 km: 8 kg Wasserstoff (Nikola-Daten)
• Kilometerkosten (Deutschland): 1,40 €/km (D) bis 2,00 €/km (A)
  
  
• Antrieb: BEV-LKW
• Verbrauch pro 100 km: 90 kWh (Daimler eActros)
• Kilometerkosten (Deutschland): 35 bis 55 Cent/km

Zulassungszahlen: Die Zulassungen von Batterie-elektrischen Trucks stehen im Verhältnis von etwa 100:1 zu den Brennstoffzellen-Trucks.

Betankung/Ladezeiten: Entgegen der Annahme, die Ladezeit sei ein Nachteil, sind die Lenkzeiten für BEV-LKW-Fahrer identisch mit denen für Diesel-LKW. Dies liegt daran, dass der Fahrer ohnehin alle viereinhalb Stunden eine Stunde Pause machen muss, in der das Fahrzeug am 350-kW-Lader genügend Energie für die nächsten 300 bis 400 km laden kann.

6. Zusammenfassung und Ausblick.

Die Analyse der verschiedenen Antriebsoptionen im postfossilen Zeitalter zeigt, dass batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) die mit Abstand geringsten Treibhausgasemissionen, die beste Energieeffizienz und perspektivisch die geringsten Kosten bieten.

Die Haupttrends sind:

1. Weg von kritischen Rohstoffen (Hinwendung zu LFP-Batterien).

2. Reduzierter Energieaufwand in der Fertigung (neue Werke werden mit 100% erneuerbaren Energien betrieben).

3. Optimiertes Packdesign (CTP/Blade), das Reichweiten von 1000 km und Ladezeiten von 700 km in 10 Minuten ermöglicht.

4. Der Markt verschiebt sich rasant: In China werden bereits die meisten angebotenen Elektromodelle billiger verkauft als gleich grosse Verbrenner.

Während E-Fuels aufgrund des extrem hohen Energiebedarfs und der mangelnden globalen Produktionskapazitäten (ein Tausendstel der aktuellen Ölproduktion bis 2035 ist abgesichert) keine Lösung für die bestehende Flotte darstellen, wird Wasserstoff aufgrund seiner geringen Effizienz und hohen Kosten (insbesondere im Vergleich zu BEV im Schwerlastverkehr) wahrscheinlich nur eine Nischenrolle einnehmen.

Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.

Herzlichen Dank für den Vortrag von Professor Dr. Maximilian Fichter.

Vielen Dank auch an Youtube Kanal Haustechnik Hamburg für diese Produktion und die Publikation in Youtube.

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