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Letzte Änderung: 10.08.2010
Das Umweltbundesamt hat die Brennstoffzellentechnik als Fahrzeugantrieb einer Analyse und Bewertung unterzogen, um zu ermitteln, welche Vor- und Nachteile aus Sicht des Umweltschutzes sie nach derzeitigem Wissensstand im Vergleich zu konventionellen Antriebskonzepten im Verkehr hat. Ziel der Analyse ist es, die Entwicklung der Brennstoffzelle aus Sicht des Umweltschutzes konstruktiv zu begleiten.
Nach den Berechnungen einer Kosten-Nutzen-Analyse auf der Basis der verfügbaren Daten zeichnet sich ab, dass Emissionsminderungen und Ressourcenschutz in den nächsten 10 bis 20 Jahren wesentlich kostengünstiger durch verbrauchsoptimierte Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mit niedrigsten Abgasemissionen (ULEV- "Ultra Low Emission Vehicle" oder EURO 4-Standard) realisiert werden können als durch Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb. Die durch den kalifornischen ULEV- oder den EURO 4-Standard für Benzin-Pkw erreichbare Reduktion der direkten Emissionen reicht aus, um die notwendigen Luftqualitätsziele in Deutschland zu erreichen. Eine weitergehende Reduktion der direkten Abgasemissionen bei Pkw wird über die dargestellten Minderungen bei Benzinfahrzeugen hinaus in absehbarer Zeit nicht notwendig sein.
Da das Brennstoffzellenauto nach Herstellerangaben nicht vor dem Zeitraum 2005 - 2010 marktreif verfügbar sein wird, aber bereits jetzt der Ausstoß von Kohlendioxid (CO2) aus dem Verkehr zum Schutz des Klimas dringend erheblich verringert werden muss, sind auf absehbare Zeit nur von der Weiterentwicklung der heutigen, konventionellen Antriebstechniken deutliche und kosteneffiziente Emissionsminderungen zu erwarten.
Denn anders als bei den limitierten Abgasemissionen zeigt die Entwicklung der Kohlendioxidemissionen keine ausreichende Entkoppelung von den Fahrleistungen. Beispiel: Allein in den Jahren 1990 bis 1995 stiegen die Fahrleistungen und die Kohlendioxidemissionen gleichermaßen um 9 %. Zwischen 1997 und 2010 erwartet das Umweltbundesamt eine Zunahme der Fahrleistungen im Straßenverkehr um 23 % bei einer etwas niedrigeren Zunahme der CO2-Emissionen um weitere 15 %.
Die Studie des UBA prognostiziert für zukünftige Pkw mit Verbrennungsmotor gegenüber heutigen Fahrzeugen eine Halbierung des Verbrauches ohne Einschränkung der Nutzungsmöglichkeiten. Daher können alternative Antriebe auch langfristig aus Umweltschutzsicht nur dann erfolgreich sein, sofern deren Primärenergieverbräuche und CO2-Emissionen bei gleichen oder geringeren Kosten noch günstiger ausfallen.
Positive Beispiele für Weiterentwicklungen der Ottomotoren sind die verfügbaren Antriebe mit Benzin-Direkteinspritzung. Die Hubräume der Motoren und ggf. die Zylinderzahl können generell verkleinert werden, möglichst in Kombination mit mechanischer Aufladung, variabler Verdichtung oder variabler Ventilsteuerung. Sinnvoll sind diese Technologien besonders in Kombination mit einer Reduzierung der Fahrwiderstände und des Fahrzeuggewichtes. Die angekündigten "Dreiliterfahrzeuge" mit Dieselmotoren sind aus Gründen des Gesundheitsschutzes nur in Kombination mit einem Partikelfilter sinnvoll.
Im Vergleich dazu verspricht die Brennstoffzellentechnologie bei der stationären Energieversorgung gegenüber der klassischen Kraft-Wärme-Kopplung auf der Grundlage von Stationärmotoren oder Gasturbinenanlagen Vorteile. Vor allem die PEM-Brennstoffzelle ist durch ihre Dynamik, ihre geringe Startdauer, ihre Geräuscharmut und wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrades auch im Teillastbereich für einen Einsatz in Blockheizkraftwerken kleiner Leistung prädestiniert und kann der dezentralen Stromerzeugung neue Impulse geben.
Entscheidend für den Markterfolg werden auch hier die Kosten sein, zu denen Strom und Wärme bereitgestellt werden können, daher sind für die Zukunftschancen von Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerken auch das energiepolitische Umfeld für die umweltgerechte Kraft-Wärme-Kopplung wichtig. Da in diesem Bereich noch viele Verbesserungen möglich sind, werden diese gegenwärtig im Auftrag des Umweltbundesamtes untersucht.
Abb. 1: Entwicklung der Emissionen des Straßenverkehrs im Vergleich zu 1998 (Deutschland)
Die Abgase des Straßenverkehrs verursachen vielfältige Umweltbelastungen, die eine erhebliche Minderung dieser Emissionen dringend erforderlich machen. In Deutschland ist eine Minderung der NOx-Emissionen um 70 bis 80 % gegenüber 1990 notwendig, um die von der WHO und der EU definierten Luftqualitätsziele zu erreichen. Der Kohlenwasserstoff Benzol und Dieselrußpartikel sind krebserzeugende Stoffe, deren Konzentrationen vor allem in Ballungsgebieten ein Problem darstellen. Sie müssen in Deutschland um 70 bis 80 % gegenüber 1990 gemindert werden, um die o.a. Luftqualitätsziele zu erreichen. Kohlenmonoxid (CO) stellt dagegen kein lufthygienisches Problem mehr dar.
Schon heute ist absehbar, dass sich die Belastungen durch die Luftschadstoffemissionen des Straßenverkehrs als Folge der Verschärfungen der Abgasgesetzgebung und der verbesserten Kraftstoffe trotz zunehmender Fahrleistungen in Deutschland in den kommenden Jahren erheblich reduzieren werden (Abb. 1 ).
Der Einsatz von Brennstoffzellenantrieben im Straßenverkehr könnte zukünftig nur dann eine konkurrenzfähige Option zum Erreichen der offenen Umwelthandlungsziele sein, falls durch deren Einsatz nicht nur die Luftschadstoffemissionen reduziert würden, sondern auch ein nennenswerter und kosteneffizienter Beitrag zur Reduzierung der Kohlendioxidemissionen und des Ressourcenverbrauches sowie zur Lärmminderung geleistet würde.
Mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge müssen mit dem zukünftigen Stand konventioneller Antriebe verglichen werden, steht die Serieneinführung von Brennstoffzellenfahrzeugen nach Herstellerangaben doch frühestens zur Mitte des nächsten Jahrzehnts an.
Im Vergleich zu anderen Verfahren der Stromerzeugung verfügt die Brennstoffzelle wegen ihres hohen Wirkungsgrades, des niedrigen Schadstoffausstoßes in der Gesamtkette und der Möglichkeit, gleichzeitig elektrische und thermische Energie zu nutzen, über Vorteile. Daneben bestehen prinzipielle Unterschiede zwischen den Anwendungsgebieten im Verkehr und in Stationäranlagen, weshalb deren Einsatz differenziert nach Einsatzgebieten und den jeweiligen Energiedienstleistungen zu betrachten ist.
Brennstoffzellenfahrzeuge verwenden Wasserstoff oder Methanol als Energieträger, die zunächst selbst mit einem relativ hohen Energieaufwand aus fossilen oder nicht fossilen Energieträgern gewonnen werden müssen. Bis zur angenommenen Markteinführung ca. 2005 werden wegen des technischen Aufwandes und der daraus resultierenden Kosten nur geringfügige Mengen von durch regenerative Energieträger (z.B. Elektrolyse mit Solarstrom, Wasserstoff aus Biomasse) gewonnenen Wasserstoffs zur Verfügung stehen.
Jedoch ist selbst bei einem zukünftig denkbaren Einsatz regenerativer elektrischer Energie für eine Wasserstoffelektrolyse der elektrische Energiebedarf zur Erzeugung und Aufbereitung des Wasserstoffes mindestens doppelt so hoch wie derjenige der Herstellung und Aufbereitung von Benzin aus fossilem Rohöl. Regenerativ erzeugte Elektrizität könnte jedoch wesentlich effektiver direkt genutzt werden und damit andere fossile Energieträger bei der Elektrizitätserzeugung ersetzen.
Aus Sicht des Umweltschutzes ist daher nach heutigem Kenntnisstand der Einsatz von Wasserstoff im Verkehr obwohl der hohen Energieverluste bei der Herstellung und Aufbereitung des Energieträgers nicht zu befürworten. Auch die Option, aus Erdgas - unter hohem Energieverlust - Methanol herzustellen, ist nicht zu befürworten, da das Erdgas auch direkt in niedrig emittierenden Verbrennungsmotoren genutzt werden kann. Gleiches gilt für Optionen zur Wasserstoffproduktion aus Biogas.
Die Brennstoffzellentechnologie kann nur dann Vorteile aus energetischer Sicht bringen, sofern die Energieverluste der Treibstoffherstellung (Wasserstoff, Methanol) im Fahrzeug überkompensiert werden. Dies bedeutet: Für die Antriebseinheit im Brennstoffzellenfahrzeug ist mindestens ein um 30 bis 35 % höherer Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Benzin- oder Erdgasverbrennungsmotor erforderlich, um einen insgesamt höheren Primärenergieverbrauch zu vermeiden. Im Vergleich zu fortschrittlichen Verbrennungskraftmaschinen wird dies aus heutiger Sicht nicht erreichbar sein.
Bei den Lärmemissionen ist zu erwarten, dass der brennstoffzellenelektrische Antrieb nur bei geringen Geschwindigkeiten leiser ist als das vergleichbare Benzinfahrzeug, da schon bei Geschwindigkeiten von über 40-50 km/h bei Pkw das Rollgeräusch der Reifen dominiert. Die Vorteile leiser Brennstoffzellen- und anderer Elektroantriebe würden sich damit nur bei einer flächendeckenden Verkehrsberuhigung innerorts nennenswert positiv bemerkbar machen.
Bewertet man den Umweltnutzen eines derartigen neuen Antriebes für Pkw bezogen auf den Zeitraum ab 2005, so werden sowohl die Emissionsminderungen der limitierten Schadstoffe, als auch das Potential zur Reduktion der CO2-Emissionen und des fossilen Primärenergieverbrauches unter Berücksichtigung der gesamten Prozesskette bis zur Nutzung der Treibstoffe betrachtet.
Folgende Konzepte für Pkw der Kompaktklasse mit einem Leergewicht zwischen 650 bis 750 kg werden verglichen:
Berücksichtigt man das für Brennstoffzellenfahrzeuge zu erwartende Mehrgewicht, so erscheinen die hier aus Angaben der Hersteller entnommenen Verbräuche der Brennstoffzellenfahrzeuge im Vergleich zu Fahrzeugen der Mittelklasse eher zu optimistisch, während für die Pkw mit Verbrennungsmotor noch ein großes Potential der Gewichtsreduzierung und der Optimierung des Antriebes zur Verfügung steht.
Das mit Wasserstoff aus regenerativ erzeugtem Strom betriebene Brennstoffzellenfahrzeug weist im Vergleich zu allen anderen Fahrzeugtypen die beste Emissionsbilanz auf. Diese Variante realisiert weitgehend ein Nullemissionsfahrzeug, sofern unterstellt wird, dass dem Brennstoffzellenantrieb nur der regenerativ erzeugte Strom zugerechnet wird und die Umweltwirkungen der Herstellung der Anlagen vernachlässigt werden. Bei dem mit Methanol betriebenem Brennstoffzellenfahrzeug treten geringfügige direkte und indirekte Emissionen auf. Hingegen ergeben sich bei dem mit Wasserstoff aus Erdgas betriebenem Brennstoffzellenfahrzeug nur indirekte Emissionen. Obwohl die Emissionsminderungen der Brennstoffzellenfahrzeuge bei den Luftschadstoffen (CO, NOx, NMVOC, CH4, SO2, PM) zunächst eindrucksvoll erscheinen (Abb. 2), weist das ULEV-Fahrzeug (Ultra-Low-Emission-Vehicle), dessen Emissionsniveau dem zukünftigen EURO 4 Standard für Otto-Pkw entspricht, gegenüber einem EURO 2-Pkw bei allen Schadstoffen bereits Emissionsminderungen von bis über 80 % auf.
Abb. 2: Reduktionspotentiale der Vergleichsfahrzeuge während der Lebensdauer von 10 Jahren
Betrachtet man die Minderungspotentiale der CO2-Emissionen und der fossilen Ressourcen, so ergibt sich folgendes Bild (Abb. 2):
Brennstoffzellenfahrzeuge, deren Treibstoffe aus fossilen Energieträgern bereitgestellt werden, besitzen ein gegenüber Verbrennungsmotoren mit einer energieeffizienten Super-Katalysator-Technologie (3-Liter-Auto mit niedrigsten Emissionen) vergleichbares Minderungspotential für Kohlendioxid, falls Methanol aus Erdgas hergestellt und genutzt wird. Die Verwendung von Wasserstoff kann die CO2-Emissionen und den Primärenergieverbrauch noch weiter oder sogar vollständig reduzieren, sofern ausschließlich Solarwasserstoff verwendet wird. Die Vorteile niedriger Kohlendioxidemissionen sind jedoch ausschließlich auf die Verwendung kohlenstoffarmer oder regenerativer Treibstoffe (Erdgas, Solarwasserstoff, Biogas) zurückzuführen. Solche Minderungen sind nicht auf die Eigenschaften des Antriebes zurückzuführen, da diese Treibstoffe auch im Verbrennungsmotor verwendet werden können.
Betrachtet man die Kosten dieser Antriebe, so werden diese wesentlich durch die Annahmen und Voraussetzungen zu den Herstellungskosten des Brennstoffzellenantriebes bestimmt. Hier wurden verschiedene Kostenschätzungen u.a. mit U.S. Zieldaten berücksichtigt. Sofern im Straßenverkehr Treibstoffe zum Einsatz kommen, die auf regenerativen Energieträgern basieren (z.B. Solarwasserstoff), werden die Gesamtkosten außerdem erheblich von den Treibstoffkosten beeinflusst. Der komprimierte Solarwasserstoff aus konkurrenzfähiger Wind- und Wasserkraft wurde mit Kosten von 2,86 DM/l Benzinäquivalent zugrunde gelegt.
Das Kosten-Nutzen-Verhältnis der neuen Technologien wird ermittelt, indem man die im Vergleich zum heutigem Referenz-Pkw - einem Kompakt-Pkw mit einem Verbrauch von 6 l/100km und EURO 2 Abgasstandard - höheren oder geringeren Kosten ins Verhältnis zu den erreichbaren Emissionsminderungen setzt. Der bilanzierte Zeitraum berücksichtigt eine Lebensdauer von 10 Jahren bei 13.000 km/Jahr.
Nach den bisherigen Berechnungen zur Kosten-Nutzen-Analyse zeichnet sich ab, dass Emissionsminderungen und Ressourcenschutz wesentlich kostengünstiger durch verbrauchsoptimierte Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mit niedrigsten Abgasemissionen (ULEV- "Ultra Low Emission Vehicle" oder EURO 4-Standard) realisiert werden können als durch Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb.
Zum Vergleich: Die heutigen Kosten eines versuchsmäßig dargestellten 50-kW-Brennstoffzellenmodules schlagen mit mindestens einer Million Mark zu Buche. Die zukunftsgerichteten Analysen basieren daher auf den Angaben und Prognosen von Herstellern. Berücksichtigt wurden auch darüber hinausgehende U.S. Entwicklungsziele des PNGV-Projektes (Partnership For A New Generation Of Vehicle) für den kompletten Brennstoffzellenantrieb (Brennstoffzellenmodul, Reformer, Leistungselektronik, Elektromotor, etc.), wonach 50 US$/kW (»88 DM/kW) für eine Einführungsstrategie von Brennstoffzellenfahrzeugen notwendig wäre, um zu heutigen Antrieben konkurrenzfähig zu sein. Am Beispiel von Kohlendioxid führt dies zu Vermeidungskosten, die gegenüber der effizienten ULEV Technologie mindestens noch 150 DM je vermiedener Tonne CO2 ausmachen (Abb. 4 ). Die Vermeidungskosten einer Tonne CO2 können für Brennstoffzellenantriebe sogar bis zu 500 DM erreichen.
Abb. 4: Analyse der CO2-Vermeidungskosten für verschiedene Antriebssysteme unter Berücksichtigung der Antriebs- und Energiekosten bei wechselnden Randbedingungen
Bezogen auf die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs werden andererseits die Mehrkosten für einen verbrauchsarmen Verbrennungsmotor mit Super-Katalysator-Technologie in Verbindung mit verbesserten Kraftstoffen durch die Einsparung bei den Kraftstoffkosten mehr als ausgeglichen. Das verbrauchsarme Super-Katalysator-Fahrzeug kann also die CO2-Emissionen verringern und verursacht über die Lebensdauer gleichzeitig durch den niedrigen Kraftstoffverbrauch noch um 1.000 DM (minus 23 %) geringere Gesamtkosten als ein heutiges Fahrzeug. Demgegenüber ist die Brennstoffzellentechnologie mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden.
Einer vehementen Befürwortung der Brennstoffzelle für die mobile Anwendung im Verkehr durch die Industrie steht die detaillierte und sogar auf den optimistischen Annahmen von Herstellern basierende Analyse des Umweltbundesamtes gegenüber, die das Konzept der Brennstoffzelle im Straßenverkehr derzeit aus Umweltschutzsicht als nicht kosteneffizient betrachtet.
Unabhängig davon sind Grundlagenuntersuchungen zur Optimierung der Brennstoffzellentechnik als solcher, die gerade auch der als aussichtsreich angesehenen zukünftigen Anwendung im stationären Bereich dienen, zu befürworten.