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Die Rolle DeR infRastRuktuR füR Das automobil DeR ZukunftDie Geschichte des Automobils zeigt, dass die Infrastruktur für die

Energiebereitstellung eine entscheidende Rolle für die Gestaltung des

Antriebs spielt. Der Frage, welche Voraussetzungen geschaffen werden

müssen, damit die Energieträger Strom und Wasserstoff eine Chance

haben, geht Professor Hans Peter Lenz nach.

Grundsätzliche ÜberleGunGen

In Zukunft wird es eine Vielfalt an Antriebssystemen geben: Neben den Ver-brennungsmotoren, die ganz besonders bei Nutzfahrzeugen, aber auch im übri-gen Straßenverkehr noch lange die Hauptrolle spielen werden, gewinnen elektrische Antriebssysteme in verschie-dener Bauart, einschließlich Brennstoff-zellen auf Basis von Wasserstoff, an Bedeutung. Batterieelektrischen Antrie-ben werden für kleine Fahrzeuge und Kurzstrecken, Brennstoffzellen-Antrieben für größere Fahrzeuge und Langstrecken (50 % aller Fahrzeuge) Chancen einge-räumt [1].

„Infrastruktur“ bedeutet in erster Linie: Stationen zur Energieversorgung, also Tankstellen für flüssige und gegebenen-falls gasförmige Kraftstoffe (CNG, LPG), für elektrische Energie und für Wasser-stoff. In zweiter Linie bedeutet „Infra-struktur“ aber auch Serviceeinrichtungen wie Werkstätten, Prüfstellen und Pannen-hilfe mit geschultem Personal sowie zusätzliche Parkmöglichkeiten, da Elek-tromobile vielfach Zweit- oder Drittfahr-zeuge sein werden. In diesem Artikel wird der Schwerpunkt auf Stationen zur Ener-gieversorgung gelegt.

Sicher ist, dass die Infrastruktur eine wesentliche Rolle bei der Einführung der Antriebssysteme der Zukunft spielen wird. Einfach deshalb, weil der Konsu-ment daran gewöhnt ist, jederzeit und in kurzer Entfernung eine Tankstelle zu erreichen. Eine Tankstelle, an der er nicht

nur Kraftstoff tanken kann, sondern mehr und mehr Dienstleistungen erhält, wie den Verkauf von Lebensmitteln, Geträn-ken, Imbissen, 1. Bankgeschäfte oder Postdienstleistungen ergänzen die heute meist schon vorhandenen fahrzeugbezo-genen Dienstleistungen wie Autowäsche und kleine Reparaturen.

In Deutschland stehen zirka 15.000 sol-cher Dienstleister, in Österreich etwa 2800 bereit. An diesem Komfortstandard müs-sen sich alle neuen „Energietankstellen“ messen. Genauso aber auch an der Dauer des Tankvorgangs.

Durch die Vielfalt zukünftiger Antriebe und der von ihnen verwendeten Energie-formen wird sich die Infrastruktur gene-rell verteuern; die entstehenden Kosten hat der Konsument letztlich zu tragen. Im Folgenden wird dargelegt, wie sich die Infrastrukturkosten einzelner Energieträ-ger zueinander verhalten.

tankstellen fÜr flÜssiGe und GasförmiGe kraftstoffe

Biokraftstoff-Beimischungen in geringen Prozentsätzen (bis etwa 10 % biogener Kraftstoffe) werden infrastrukturseitig und somit kostenseitig relativ wenig Probleme bereiten, wenn auch von Seiten der Mine-ralölindustrie darauf hingewiesen wird, dass alle Kosten notwendiger Umbaumaß-nahmen an Tankstellen letztlich vom Kun-den zu tragen sind und so neue Kraftstoffe wie E10 teurer verkauft werden müssen.

Der nächste Schritt, das Anbieten reiner Biokraftstoffe oder hoher Anteile biogener

113125 Jahre AutomobilApril 2011

Stoffe mit bis zu 85 % Ethanol im Benzin, benötigt zusätzliche Kraftstoff-Infrastruk-turen und somit höhere zusätzliche Kos-ten für den Konsumenten.

Insgesamt dürften die Kosten für zukünftige flüssige Kraftstoffe aber ver-gleichsweise überschaubar bleiben.

Für gasförmige Kraftstoffe sieht die Situation weniger günstig aus. Seit Jahr-zehnten bemüht man sich, ein zufrieden-stellendes Infrastrukturnetz zu erreichen, was aber immer noch nicht gelungen ist. Und dies, obwohl seit langer Zeit große staatliche Förderungen in Form geringerer Steuern auf diese Kraftstoffe gegeben werden.

Soeben wurde wieder eine Initiative von Automobilherstellern, Energieunter-nehmen und Verkehrsverbänden unter der Führung der Deutschen Energie-Agentur gestartet, um hier voranzukommen [2]. Letztlich wird aber der Konsument nur durch massive staatliche Subventionen dazu zu bringen sein, gasbetriebene Fahr-zeuge zu kaufen, da flüssige Kraftstoffe – wie die Erfahrung zeigt – für mobile Zwe-cke besser geeignet sind.

tankstellen fÜr elektrische enerGie

Zunächst die unproblematische Seite: Es gibt genügend elektrische Energie, um die zu erwartende Anzahl elektrischer Fahr-zeuge zu versorgen. Da der batterieelek-trische Antrieb vorzugsweise in kleinen Fahrzeugen mit geringer Reichweite Ein-satz finden wird, kann man davon ausge-hen [3], dass bei einer täglichen Gesamt-fahrstrecke von 30 km etwa 5 KWh Ener-gie benötigt wird. Diese Energie kann prinzipiell aus dem vorhandenen öffent-lichen Elektrizitätsnetz bezogen werden, wenn genügend leicht zugängliche Steck-dosen auf Parkplätzen, in Parkhäusern und Garagen vorhanden sind.

Bei entsprechender logistischer Steue-rung des Ladevorgangs ist mit dem vor-handenen Niederspannungsnetz, ohne zusätzlichen Ausbau, eine Nachladung prinzipiell möglich. Bei einer Durchdrin-gungsrate von 500 Fahrzeugen pro 1000 Einwohner würde sich der Strombedarf in Österreich nur um 12 % erhöhen. Die Pro-bleme liegen im Detail: schmutzige Ste-

cker und Steckdosen, noch nicht vollstän-dige internationale Normung, wie etwa der Lage der Stecker und Kabel am Fahr-zeug (vorne, hinten, seitlich).

Hilfe beim Service ist kaum zu erwar-ten (Scheibenreinigung, Füllung der Scheibenwaschanlage). Eine ausreichende Zahl von Ladeparkplätzen ist in Städten kaum vorstellbar.

Das Hauptproblem scheint aber die Dauer des Ladevorgangs zu sein: Eine Haushaltssteckdose mit 230 V und 16 A Strom und einer Leistung von 3,7 kW kann eine 30-kWh-Fahrzeugbatterie in rund acht Stunden aufladen; ein Drehstromanschluss mit bis zu 63 A (44 kW) schafft dies in zirka 45 Minuten. Die Gleichspannungsaufla-dung, bei der die Umwandlungstechnik in der Ladesäule integriert ist, ermöglicht Ladeleistungen von mehreren Hundert kW. So ließe sich ein E-Mobil in wenigen Minu-ten aufladen, wenn dies die Batterien nicht zu stark belasten würde. Dies ist aufgrund der hohen Verlustleistung in den Zellen, der dadurch steigenden Temperaturen und somit gestörten chemischen Prozessen zu befürchten [4].

1 Die moderne Tankstelle ist längst zu einem Dienstleistungszentrum geworden, das nur noch einen Teil seiner Umsätze mit Kraftstoffen und einen größeren seines Ertrages mit Handelswaren und Gastronomie erwirtschaftet

125 Jahre automobil

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Eine von den Elektrizitätsversorgern gewünschte zeitliche Steuerung des Lade-vorgangs bei langen Aufladezeiten stimmt nicht unbedingt mit den Wünschen der Konsumenten überein.

Für den Fernverkehr sind batterieelekt-rische Fahrzeuge – es sei denn mit starken Range Extendern – wegen der langen Auf-ladezeiten kaum denkbar.

Die Möglichkeiten der induktiven Auf-ladung werden untersucht, sind aber noch nicht genügend geklärt. Verschiedene Unternehmen arbeiten daran intensiv, zum Beispiel IAV [5] und Siemens [4].

Batteriewechselsysteme werden unter anderem wegen der erforderlichen Nor-mung für allgemeine Anwendungen über-wiegend als nicht realistisch eingeschätzt.

tankstellen fÜr Wasserstoff

Da nach allgemeiner Ansicht überwiegend größere Fahrzeuge für längere Fahrstrecken mit Brennstoffzellen ausgerüstet werden, ist hier das Problem der Wasserstoff-Infrastruk-tur besonders groß. Insellösungen, wie sie

bei batterieelektrischen Fahrzeugen zu Beginn des Einsatzes denkbar sind, kom-men hier kaum in Betracht. Das „Henne-Ei“-Problem erscheint besonders gravierend.

Daimler [6] weist darauf hin, dass beide Produkte – Fahrzeug und Tankstelle – gleichzeitig entwickelt werden müssen. Nur dann werden die Technologien Brennstoffzelle und Wasserstoff auf eine Akzeptanz bei den Kunden und in der Öffentlichkeit stoßen.

Die Linde AG stellte als Modellprojekt einen mit einer Wasserstoff-Infrastruktur ausgestatteten Autobahnring durch Deutschland vor [7]. Mit diesem Projekt sollte der Aufbau einer Wasserstoff-Infra-struktur für den Verkehr in Deutschland beginnen.

Mit dem Autobahnring würden wich-tige Ballungsgebiete und in der H

2-Tech-nologie führende Unternehmen verbun-den. Etwa 35 H2-Tanksäulen würden im Abstand von zirka 50 km für die insge-samt etwa 1800 km lange Strecke instal-liert. Die Investitionen betrügen für dieses Projekt zirka 30 Millionen Euro.

Die vorgesehenen Tankstellen könnten am preisgünstigsten per Tanklastzug mit flüssigem Wasserstoff versorgt werden. Eine Versorgung per Pipeline oder die H2-Erzeugung vor Ort wäre deutlich teu-rer. Es erscheint schwer verständlich, wie mit einer solchen Infrastruktur eine Kon-kurrenzfähigkeit gegenüber rund 15.000 Tankstellen in Deutschland für flüssige Kraftstoffe erreicht werden kann. Es sei denn, der Staat griffe massiv ein.

Die Kosten für den Aufbau einer euro-päischen Infrastruktur zur Versorgung von 41,2 Millionen Fahrzeugen mit Wasser-stoff an 18.600 Tankstellen bis 2030 wur-den auf 18,5 Milliarden Euro geschätzt.

kostenverGleich der verschiedenen tank- infrastrukturen

In der umfassenden Studie [1] aller The-men alternativer Antriebe wurde auch ein detaillierter Kostenvergleich erstellt. Dabei wurde optimistisch vorausgesetzt, dass durch Mengeneffekte und technische Fort-

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schritte Brennstoffzellenantriebe bis 2020 um 90 %, batterieelektrische Systeme um 80 % und Wasserstoff bis 2025 um 70 % billiger werden. Bei Verbrennungsmotoren geht man von 30 % Verbrauchssenkung, aber gleichen Kosten infolge Hybridisie-rung und Leichtbau aus.

Trotz der enormen Kostensenkungen lägen die Infrastrukturkosten für batterie-elektrisch- und brennstoffzellenangetrie-bene Fahrzeuge 2020 um den Faktor 5, 2, und 2050 um den Faktor 2, 3, höher als für Benzin und Diesel.

Ergänzend zu den beiden Darstellungen noch Folgendes: [1] geht von der Voraus-setzung aus, dass 50 % der Fahrzeuge zu Hause zu Kosten von 200 bis 400 Euro je Ladestation geladen werden und zu 50 % bei öffentlichen Ladestationen. Für Letztere werden Kosten von 10.000 Euro für zwei Autos genannt. Dies ergäbe Kosten von 1500 bis 2500 Euro je Fahrzeug. Die Kosten der elek trischen Ladeinfrastruktur werden jedoch unterschiedlich eingeschätzt: So gibt [8] an: 25.000 Euro für Produktion, Errich-tung und Anschluss einer Strom tankstelle für Pkw.

Bezüglich der Kosten einer Wasserstoff- Infrastruktur nennt [6] 5 % der Gesamt-kosten eines Brennstoffzellenfahrzeugs, also 1000 bis 2000 Euro pro Fahrzeug. Als Anfangsinvestition werden drei Milliarden Euro für Wasserstoff-Produktion, Verteilung und Einzelverkauf errechnet. Der Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur für 25 % Marktabdeckung soll nach [6] in der ersten Dekade drei Milliarden Euro im Jahr, später zwei bis drei Milliarden Euro jährlich kos-ten. Insgesamt schätzt [1] das Gesamt-Investment für einen „Large-scale roll-out“ einer Wasserstoff-Infrastruktur in Europa über 40 Jahre auf 100 Milliarden Euro.

Die Risiken des Aufbaus einer Wasser-stoff-Infrastruktur werden in [1] für so hoch gehalten, dass kein einzelnes Unter-nehmen dies tragen kann; die Allgemein-heit müsste sich beteiligen. Es wird nur eine geringe Chance gesehen, dass das Unternehmen, das als Erstes eine Wasser-stoff-Infrastruktur aufbaut, Vorteile erzielt.

infrastruktur entscheidend

Die Infrastruktur (Tankstellen, Service-einrichtungen einschließlich geschultem Personal) wird die Einführung alternativer Antriebssysteme in erheblichem Maß beeinflussen.

a/b

se

Gm

en

t

fahrzeuG verkaufspreisWartunGs-

kostenkraftstoff-

kosten1infrastruktur2 tco

FCEV 20,0 2,8 4,6 2,2 29,6

BEV 16,9 2,3 2,8 2,5 24,5

PHEV 14,7 2,9 3,3 1,4 22,3

ICE – Benzin 11,3 3,0 3,7 0,5 18,5

ICE – Diesel 11,3 3,0 3,7 0,4 18,4

c/d

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fahrzeuG verkaufspreisWartunGs-

kostenkraftstoff-

kosten1infrastruktur2 tco

FCEV 20,0 2,8 4,6 2,2 29,6

BEV 16,9 2,3 2,8 2,5 24,5

PHEV 14,7 2,9 3,3 1,4 22,3

ICE – Benzin 11,3 3,0 3,7 0,5 18,5

ICE – Diesel 11,3 3,0 3,7 0,4 18,4

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fahrzeuG verkaufspreisWartunGs-

kostenkraftstoff-

kosten1infrastruktur2 tco

FCEV 20,0 2,8 4,6 2,2 29,6

BEV 16,9 2,3 2,8 2,5 24,5

PHEV 14,7 2,9 3,3 1,4 22,3

ICE – Benzin 11,3 3,0 3,7 0,5 18,5

ICE – Diesel 11,3 3,0 3,7 0,4 18,4

1 Beinhaltet Produktions- und Distributionskosten2 Beinhaltet WiederverkaufskostenAnmerkung: Annahme 15 Jahre Lebensdauer, jährliche Laufleistung 12.000 km, keine Steuern (zum Beispiel Kraftstoffsteuer, Mehrwertsteuer)

2 Verkaufspreise, Wartungskosten, Kraftstoffkosten und Infrastrukturkosten von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV), Batterie-Elektrofahrzeugen (BEV), Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEV), Fahrzeugen mit Ottomotoren (ICE – Benzin) und Fahrzeugen mit Dieselmotoren (ICE – Diesel) für das Jahr 2020

3 Verkaufspreise, Wartungskosten, Kraftstoffkosten und Infrastrukturkosten von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV), Batterie-Elektrofahrzeugen (BEV), Plug-in-Hybridfahrzeugen (PHEV), Fahrzeugen mit Ottomotoren (ICE – Benzin) und Fahrzeugen mit Dieselmotoren (ICE – Diesel) für das Jahr 2050

a/b

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fahrzeuG verkaufspreisWartunGs-

kostenkraftstoff-

kosten1infrastruktur2 tco

FCEV 14,3 2,3 3,7 1,0 21,4

BEV 13,4 2,2 2,4 2,5 20,5

PHEV 12,8 2,8 3,5 1,4 20,5

ICE – Benzin 10,8 2,9 4,6 0,5 18,8

ICE – Diesel 11,0 2,9 4,6 0,4 18,9

c/d

se

Gm

en

t

fahrzeuG verkaufspreisWartunGs-

kostenkraftstoff-

kosten1infrastruktur2 tco

FCEV 23,7 4,0 4,0 1,1 32,8

BEV 23,5 3,5 2,8 2,5 32,3

PHEV 23,5 4,8 3,6 1,4 33,3

ICE – Benzin 20,5 5,1 5,8 0,6 32,0

ICE – Diesel 21,2 5,4 5,8 0,5 32,9

J s

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me

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fahrzeuG verkaufspreisWartunGs-

kostenkraftstoff-

kosten1infrastruktur2 tco

FCEV 30,4 5,0 4,6 1,3 41,4

BEV 33,3 5,1 3,4 2,5 44,3

PHEV 32,6 6,6 5,1 1,4 45,7

ICE – Benzin 27,9 6,9 7,7 0,8 43,2

ICE – Diesel 28,7 7,2 8,0 0,7 44,6

1 Beinhaltet Produktions- und Distributionskosten2 Beinhaltet WiederverkaufskostenAnmerkung: Annahme 15 Jahre Lebensdauer, jährliche Laufleistung 12.000 km, keine Steuern (zum Beispiel Kraftstoffsteuer, Mehrwertsteuer)

125 Jahre automobil

116DO

I: 10

.136

5/s3

5778

-011

-060

-62

Antriebssysteme, die keine neue Infra-struktur oder nur geringe Änderungen an der bestehenden Infrastruktur benötigen, haben große Vorteile bei der Einführung. Dies zum einen durch die große Verfüg-barkeit der vorhandenen Infrastruktur, zum anderen wegen der nicht erforder-lichen Aufwendungen für eine neue Infra-struktur, die letztlich vom Benutzer jedes neuen Antriebssystems zu tragen ist.

Unter dem Aspekt der Infrastruktur haben somit Verbrennungsmotoren, die Kraftstoffbeimischungen verwenden, Vorteile. Selbst die Verwendung neuer flüssiger Kraftstoffe ist infrastrukturmäßig überschaubar.

Die großen Aufwendungen für Elektro-tankstellen werden die Einführung der Elektromobilität erschweren. Dazu kommt das „Ladeparkplatzproblem“, da viele E-Mobile Zusatzfahrzeuge sein werden, sowie der Zeitbedarf zum Laden.

Sehr aufwendig ist der Aufbau einer Wasserstoff-Infrastruktur. Dieses Problem wird zu einer Verzögerung der Einführung von Brennstoffzellenantrieben führen.

literaturhinWeise[1] A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis.The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles. www.zeroemissionvehicles.eu[2] www.automobilwoche.de, 22.12.2010[3] Brauner, G.: Elektrische Energieversorgung und Mobilität in Europa. 30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009. VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 12, Nr. 697[4] Siemens (Hrsg.): Pictures of the Future, Herbst 2010. S. 34-36

[5] Nietsche, W.: Interview in ATZelektronik 1/2010; Blumenröder, K.: Interview in ATZ 07-08/2009[6] Daimler: Der Kraftstoff Wasserstoff. Wasser-stoff-Tankstellen: Aufbau eines flächendeckenden Netzes. www.daimler.com/dccom, 8.11.2010[7] Wolf, J.; Reijerkerk, J.: Wasserstoff-Infra-struktur. 24. Mai 2005[8] www.wienenergie.at/we/ep/programView.do, 8.11.2010

autor

univ.-prof. dr. hans peter lenz von der Technischen Universität Wien leitet den Österreichischen Verein für Kraftfahrzeugtechnik (ÖVK) und veranstaltet das weltbekannte Wiener Motorensymposium.

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