Entwicklung und Aufbau einer Wasserstofftankstellen-Infrastruktur für LKW basierte Transportsysteme

Der Mobilitätssektor ist heute für 19% der globalen Kohlenstoffemissionen verantwortlich und wird bis 2050 mit einer Nachfrage von 285 Mt der größte Wasserstoffendverbraucher sein. [1]

Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien ist eine Alternative zur Umsetzung des emissionsfreien Antriebs von PKW sowie von leichten- und mittelschweren LKW. Bei Anwendungsszenarien, die große Reichweiten, hohe Betriebszeiten und kurze Lade- bzw. Tankvorgänge erfordern, kann der auf Wasserstoff basierende Antrieb sowohl technisch als auch wirtschaftlich sinnvoller sein. Daher setzen viele LKW-Produzenten zur Elektrifizierung des Antriebs von schweren LKW auf die Brennstoffzelle. So haben beispielsweise Daimler Truck und die Volvo Group das Joint Venture cellcentric gegründet, um Brennstoffzellensysteme für Fernverkehr-LKW zu entwickeln, zu produzieren und zu vermarkten. [3], [4]

Dieses Jahr haben NEUMAN & ESSER und Ballard sich an den bayerischen Hersteller von elektrischen Nutzfahrzeugen Quantron beteiligt. Das Ziel ist die beschleunigte Entwicklung von batterieelektrischen und brennstoffzellenelektrischen Nutzfahrzeugen mit dem Fokus auf schwere LKW. Die Investition von Ballard soll dazu dienen, die Entwicklung von Brennstoffzellen-Fahrzeugplattformen zu unterstützen. NEUMAN & ESSER unterstützt durch die Bereitstellung der notwendigen Infrastruktur, insbesondere Elektrolyseure und Reformer-Technologien sowie Kolben- und Membrankompressoren für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff bis zu kompletten Wasserstofftankstellen und Abfüllanlagen. Studien prognostizieren, dass sich schwere LKW bis 2050 mit einem jährlichen Verbrauch von 110 Mt zum größten Wasserstoffendverbraucher entwickeln werden. [5]

Emissionsfreie/Emissionsarme Antriebstechnologien für LKW

Für den LKW-Bereich sind vier emissionsfreie/emissionsarme Antriebstechnologien relevant.

Potentiale von brennstoffzellenelektrischen LKW für den Fernfrachtverkehr

Aus Sicht der Gesamtbetriebskosten (englisch: Total Cost of Ownership TCO) werden batterieelektrische und brennstoffzellenelektrische Antriebe sowie der Wasserstoff-Verbrennungsmotor bis 2050 die relevanten Technologien für LKW sein. [11]

Im Kurzstreckenfrachtverkehr erreichen batterieelektrische Transporter und LKW in bestimmten Use Cases bereits Parität mit Dieselantrieben in der TCO. Gründe dafür sind die weiter sinkenden Batteriekosten und die Einführung von speziell entwickelten, batterieelektrischen Transportern. [12]

Doch im Langstreckenfrachtverkehr herrschen andere Anforderungen. Lange, unvorhersehbare Routen, strenge Lenkzeitvorschriften und höhere Nutzlasten erschweren den Einsatz des Batterieantriebs. Bei der aktuellen Energiedichte sind die Batterien zu schwer und die Ladegeschwindigkeiten zu langsam, um batterieelektrische LKW wirtschaftlich sinnvoll für lange Strecken einzusetzen. [13]

Eine Alternative bietet der Antrieb auf Basis von Wasserstoff (Brennstoffzelle oder Wasserstoff-Verbrennungsmotor): Zum einen kann durch die schnellere Betankung und die größere Reichweite das Betriebszeitpotenzial der LKW erhöht werden. Zum anderen kann durch das geringere Gewicht im Vergleich zu Batterien die Nutzlastkapazität gesteigert werden. Insgesamt verbessern diese Faktoren die TCO von Wasserstoff-LKW. [14]

Bis zum Jahr 2035 könnten in Europa bis zu 850.000 brennstoffzellenelektrische mittelschwere und schwere LKW (Medium-duty trucks, MDT und Heavy-duty trucks, HDT) unterwegs sein. Zusammen würden sie 6,9 Mt Wasserstoff pro Jahr verbrauchen, was den Aufbau von bis zu 4.800 Wasserstofftankstellen erfordern würde.[15]

Entwicklung und Realisierung von Wasserstofftankstellen in integrierten Projekten

Die Wasserstoffinfrastruktur wird oft als die größte Herausforderung bei der Realisierung von wasserstoffbasierten Logistiksystemen angesehen. Wasserstofftankstellen sind heute spärlich vorhanden. In Deutschland sind zurzeit über 110 Wasserstofftankstellen (350 bar und 700 bar) im Betrieb. [17] Zum Vergleich: Bei den Benzin- und Dieseltankstellen sind es über 14.000. Der Aufbau einer Wasserstofftankstelle erfordert beträchtliche Investitionen sowie eine Wertschöpfungskette zur Wasserstoffversorgung.

In integrierten Projekten mit mehreren Beteiligten, wie z.B. Tankstellenbetreibern, Flottenbetreibern, LKW-Produzenten und eventuell auch mit Beteiligten aus der Politik, plant und baut NEUMAN & ESSER Wasserstofftankstellen. In diesen Projekten werden zunächst für abgegrenzte Gebiete respektive vordefinierte Routen und für die zu betankende Fahrzeugflotte verschiedene Konzepte für das Wasserstofftankstellennetz entwickelt. Die Entwicklung der Konzepte erfolgt mit einem HRS-Simulationsprogramm (mehr dazu hier), das NEUMAN & ESSER in Kooperation mit TLK Energy entwickelt hat. Die Konzepte umfassen die Verteilung, die Anzahl sowie das Design der Wasserstofftankstellen. Das Design bezieht sich unter anderem auf die Wasserstoffversorgung, die Speicherbehälter, das Kühlsystem und die Dispenser. Die einzelnen Konzepte sind für verschiedene Zielgrößen optimiert, die z.B. durch die Wasserstoffverfügbarkeit, Dichtheit, den Durchsatz respektive Kosten dargestellt werden können (siehe Abbildung 4). Die entwickelten Konzepte bilden die Entscheidungsgrundlage für den Kunden, um das meistgeeignete Konzept entsprechend den Anforderungen des Anwendungsfalls auswählen zu können. Nach der Entscheidung für ein zu implementierendes Konzept beginnt die Detailplanung und -optimierung und der physische Aufbau der Wasserstofftankstellen.

Projektbeispiel: Aufbau von Wasserstofftankstellen in China

NEUMAN & ESSER hat 2022 mit der ShaanGu Europa Forschung und Entwicklung GmbH und Shaanxi Winner Digital Technology Co., Ltd. eine Kooperationsvereinbarung mit dem Ziel der Entwicklung und des Aufbaus der Wasserstoffwirtschaft in China unterzeichnet. Das erste Projekt ist gestartet: In der Provinz Shaanxi, China, soll eine Wasserstofftankstellen-Infrastruktur für LKW aufgebaut werden. Das Projekt teilt sich in drei Phasen auf:

Die Wasserstofftankstellen sind mit Membrankompressoren oder trockenlaufenden, hydraulisch angetriebenen Kolbenkompressoren NEA|HOFER TKH ausgerüstet, mit denen der Wasserstoff auf einen Druck von 1.000 bar gebracht werden kann. Aktuell sind über 130 NEA|HOFER TKH weltweit in Wasserstofftankstellen verbaut. Bei größeren Mengen an Wasserstoff ist eventuell die Kombination bzw. Integration von einem trockenlaufenden Kolbenkompressor notwendig. Alle genannten Kompressortypen arbeiten ölfrei, sodass der Wasserstoff die hohen Reinheitsanforderungen für die Mobilität erfüllt.

In vielen Anwendungsfällen ist die Integration eines Elektrolyseurs in die Wasserstofftankstelle sinnvoll, da der Wasserstoff dann direkt vor Ort produziert und in die Fahrzeuge getankt werden kann. Somit werden Kosten eingespart, die anfallen würden, wenn man den Wasserstoff über Rohrleitungen oder in Trailern zur Tankstelle transportiert.

Im November 2022 verkaufte NEUMAN & ESSER seine erste Wasserstoffproduktions- und Betankungsstation (englisch: Hydrogen Production Refueling Station HPRS). Der Lieferumfang umfasst einen PEM-Elektrolyseur mit 300 kW, der Wasserstoff mit 30 bar produziert, einen NEA|HOFER MKZ Membrankompressor für 200 und 900 bar, Nieder- und Hochdruckspeicher, einen Dispenser für die Betankung von Fahrzeugen, einen Generator Set (GenSet) für die Energieumwandlung sowie die komplette Installation und Inbetriebnahme vor Ort. Diese schlüsselfertige Anlage wird in Brasilien in der Universität UNIFEI für den internen Bedarf an Wasserstoffmobilität installiert. Die Universität befindet sich selben Bundesstaat wie das Büro von NEUMAN & ESSER in Belo Horizonte.