Die ultimative Energiequelle für Autos: Wie lange wird es dauern, bis wasserstoffbetriebene Fahrzeuge populär werden?

Heute sind die „dualen Kohlenstoffziele“ – Erreichen des CO2-Peaks und CO2-Neutralität – weltweiter Konsens und eine wichtige Strategie für die wirtschaftliche Entwicklung vieler Länder. Vor diesem Hintergrund ist der Verkehrssektor, der von allen menschlichen Aktivitäten für den größten Anteil der Kohlendioxidemissionen verantwortlich ist, ein Schlüsselbereich, dem große Aufmerksamkeit und Veränderungen zuteil werden. Die Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Energie ist zu einem gängigen Branchenbegriff und einem wichtigen Teil der Energiewende geworden.

In den letzten Jahren haben die Popularität von Elektrofahrzeugen und die rasante Entwicklung von Brennstoffzellen die Dynamik dieser gewaltigen Energiewende aufgewühlt. Auch wasserstoffbetriebene Fahrzeuge mit „Null-Emissionen“ rücken zunehmend in den Fokus der Öffentlichkeit.

Der Hype um die Entwicklung von Wasserstoffenergie begann in entwickelten Ländern und Regionen wie Europa, den Vereinigten Staaten und Japan. Die Europäische Union, die Vereinigten Staaten und Japan haben die Wasserstoffenergie in ihre nationalen Energieentwicklungsstrategien aufgenommen und Pläne für die industrielle Entwicklung sowie Förderrichtlinien herausgegeben. Das Land hat die Wasserstoffenergie als strategische Energietechnologie positioniert und nach und nach werden förderliche Maßnahmen ergriffen. Im Jahr 2019 wurde die Wasserstoffenergie erstmals in den Arbeitsbericht der Regierung aufgenommen. Im Jahr 2020 wurde im „Energiegesetz der Volksrepublik China (Entwurf zur Kommentierung)“ erstmals Wasserstoffenergie als Energiekategorie aufgeführt. Im selben Jahr wurde die Wasserstoffenergie in den jährlichen nationalen Wirtschafts- und Sozialentwicklungsplan aufgenommen und mit der Demonstration und Förderung von Brennstoffzellenfahrzeugen sowie der Ausarbeitung des nationalen Strategieplans zur Entwicklung der Wasserstoffenergieindustrie begonnen.

In einem anhaltend stabilen politischen Umfeld – sei es in Bezug auf Gesetzgebung, Spitzendesign oder spezifische Demonstrationsanwendungen – haben Markt und Industrie einen fruchtbaren Boden für die nachhaltige Entwicklung der Wasserstoffenergie geschaffen, indem sie die nachhaltige Entwicklung der Wasserstoffenergiebranche koordiniert, standardisiert und in eine gesunde Richtung unterstützt haben.

Wie wird das Wachstum von Wasserstofffahrzeugen, die als „ultimative Form“ der Automobilenergie gelten, durch diese Welle der Begeisterung vorangetrieben? Welche Stile werden sich in Zukunft entwickeln? Welche schwierigen Probleme werden bei der großflächigen Einführung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen auftreten? Werden Wasserstoffautos Elektroautos ersetzen? Wenn Sie diese Unklarheiten und Fragen haben, folgen Sie BrainJiTi, um einen Blick auf den Wachstumspfad von Wasserstofffahrzeugen zu werfen und ihn zu diskutieren.

Großer Wert, aber langsame Umsetzung

Das Funktionsprinzip wasserstoffbetriebener Fahrzeuge besteht nicht darin, Energie durch Wasserstoffverbrennung umzuwandeln, wie der Name vermuten lässt. Die Energiequelle wasserstoffbetriebener Fahrzeuge erfolgt hauptsächlich durch die chemische Reaktion von Wasserstoffbrennstoffzellen im Batteriestapel, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die Energieumwandlungsmethode, die wir wörtlich nehmen, war zuvor auch eine Art Technologieweg für den Antrieb von Wasserstofffahrzeugen, nämlich der Wasserstoff-Verbrennungsmotor.

Ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor ähnelt einem herkömmlichen Verbrennungsmotor, mit dem Unterschied, dass er mit hochkomprimiertem Wasserstoff betrieben wird. Das Prinzip besteht darin, durch die Verbrennung von Wasserstoff und die Umwandlung von Verbrennungsenergie in kinetische Energie Strom zu erzeugen. Dieser Weg ist aus Gründen der Sicherheit und der Energieumwandlungseffizienz mit zu vielen Hindernissen für die Umsetzung verbunden und der Markt tendiert eher dazu, den Weg über Wasserstoff-Brennstoffzellen zu wählen.

Das Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebssystem scheint komplizierter zu sein als das Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem, bietet jedoch größere Vorteile hinsichtlich der Energieumwandlungsrate, der Sicherheit und des Umweltschutzes. Im Vergleich zu Elektrofahrzeugen haben Wasserstoffbatterien auch das Potenzial, einige Elektrofahrzeuge zu ersetzen. Im Vergleich zu Elektrofahrzeugen sind die herausragenden Vorteile von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb die hohe Energiedichte, die kurze Wasserstoffbetankungszeit, die große Reichweite und der umweltfreundliche Umgang damit.

Nehmen wir beispielsweise die Tankzeit: Wir wissen, dass das Aufladen eines reinen Elektrofahrzeugs mindestens 5 Stunden oder länger dauert, wenn es langsam aufgeladen wird, und etwa eine Stunde, wenn es schnell aufgeladen wird. Die Tankzeit eines Wasserstofffahrzeugs ist nahezu die gleiche wie die eines herkömmlichen Kraftstofffahrzeugs. Die durchschnittliche Tankzeit beträgt ca. 6 Minuten. Im Vergleich zu reinen Elektrofahrzeugen weisen Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb eine weitaus bessere Energieaufladeeffizienz auf.

Hinsichtlich der Reichweite eignen sich Wasserstofffahrzeuge aufgrund ihrer Energiedichte eher für Langstrecken- sowie Mittel- und Schwerlastfahrzeuge wie Ferntransport-Lkw, Busse und Logistikfahrzeuge. Dies ist derzeit auch der Hauptanwendungsbereich von Wasserstofffahrzeugen. Mit Wasserstoff betriebene Schwerlast-Lkw werden in Nutzfahrzeugumgebungen eingesetzt, wo hohe PS-Zahlen erforderlich sind, sowie für mittlere und lange Strecken und mittlere und schwere Beanspruchung.

In Großstädten werden mittlerweile einige mit Wasserstoff betriebene Schwerlast-Lkw eingesetzt. Im August dieses Jahres wurde die erste Charge schwerer Wasserstoff-Lkw (5 Fahrzeuge) des Wasserstoffenergie-Selbstnutzungsprojekts von Rongchengzhonghe, Tianjins erstem Demonstrationsanwendungsszenario für den Transport mit Wasserstoffenergie, offiziell in Betrieb genommen. Im Oktober wurde die zweite Charge von 10 Wasserstoff-Schwerlast-Lkw in Betrieb genommen. Neben schweren Lkw haben einige Städte auch andere Arten von Wasserstofffahrzeugen zu Demonstrationszwecken in Betrieb genommen. Im Ejin Horo Banner in der Inneren Mongolei wurden zwei Wasserstoffbusse, sieben Wasserstoff-Nutzfahrzeuge und zehn Wasserstoff-Müllwagen für die städtische Garten- und Sanitärversorgung in Betrieb genommen. Darüber hinaus wird Ejin Horo Banner mindestens 20 wasserstoffbetriebene Schwerlast-Lkw für den Nahverkehr in Betrieb nehmen. Um die Versorgung mit Wasserstoffkraftstoff sicherzustellen, hat Ejin Horo Banner außerdem 28 Wasserstofftankstellen geplant und die Standortauswahlarbeiten sind abgeschlossen.

Am 12. November übergab Toyota im Rahmen der feierlichen Übergabezeremonie der Fahrzeuge für die Olympischen und Paralympischen Winterspiele 2022 in Peking offiziell 2.200 Fahrzeuge mit alternativer Antriebstechnologie an das Organisationskomitee der Olympischen Spiele in Peking, darunter zwei Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb. Darüber hinaus wurden die Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge von BAIC Foton in die Liste der offiziellen Dienstleistungen für die Olympischen Winterspiele aufgenommen.

Nach Angaben der China Society of Automotive Engineers wird die Zahl der wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge im Land bis 2025 100.000 und bis 2035 eine Million erreichen. Dies bedeutet, dass sich der Markt für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge in den nächsten drei bis vier Jahren mehr als verzehnfachen wird. Gemessen an den Investitionen in den gesamten Markt für Wasserstofffahrzeuge befinden sich Wasserstofffahrzeuge jedoch noch in der Anfangsphase der Entwicklung und entwickeln sich langsam.

Laut Statistiken der zuständigen Behörden wurden im Jahr 2020 weltweit insgesamt 9.006 wasserstoffbetriebene Fahrzeuge verkauft, davon 937 in den USA, 1.177 in China und 5.823 in Südkorea. Statistiken der chinesischen Vereinigung der Automobilhersteller zeigen, dass das kumulierte Inlandsabsatzvolumen in den fünf Jahren zwischen 2016 und 2020 lediglich 7.100 Fahrzeuge betrug. Dies liegt weit entfernt von der Prognose der China Society of Automotive Engineers, die von 100.000 Fahrzeugen bis 2025 ausgeht. Obwohl man seit 2015 aktiv auf diese Politik reagiert, sind inzwischen sechs Jahre vergangen und die Entwicklung von Wasserstofffahrzeugen geht nur noch im Schneckentempo voran.

Die Schwierigkeit des Skalenwachstums

Es ist verständlich, dass neue Dinge in der frühen Entwicklungsphase Zeit brauchen, um zu wachsen, aber bei Wasserstofffahrzeugen scheint die Situation noch schwieriger zu sein. Darüber hinaus werden sie durch die drei großen Hürden Kosten, Technologie und Einschränkungen bei der Energieversorgung belastet. Sie befinden sich noch in der Anfangsphase der Entwicklung von Elektrofahrzeugen und sind in hohem Maße von Subventionen abhängig.

1. Die Kosten sind zu hoch und die Markteinführung verläuft langsam. Die Kosten eines Wasserstofffahrzeugs umfassen nicht nur die Kosten des gesamten Fahrzeugs, sondern – noch wichtiger – die Kosten für die Energieauffüllung. Sowohl die Kosten für die Wasserstoffproduktion als auch für die Energieversorgungskette, beispielsweise für Wasserstofftankstellen, steigen in den frühen Entwicklungsphasen langsam an. Beispielsweise betragen die Baukosten einer Wasserstofftankstelle mehrere zehn Millionen und die Einrichtungen können nicht mit herkömmlichen Tankstellen geteilt werden. Es muss verlegt und neu aufgebaut werden und die Baukosten sind dreimal so hoch wie die einer Tankstelle. Die Hauptquelle für die Wasserstoffproduktion sind derzeit fossile Brennstoffe, die nicht umweltfreundlich sind. Nach Angaben der China Hydrogen Energy Alliance werden 64 % des Wasserstoffs aus Kohle, 21 % aus industriellen Nebenprodukten und nur 1 % durch das umweltfreundlichste Elektrolyseverfahren hergestellt.

2. Die industrielle Kette ist lang und komplex und es gibt viel Raum für technologische Verbesserungen. Sowohl die Brennstoffzellentechnologie von Wasserstofffahrzeugen als auch die Wasserstoffproduktionstechnologie auf der Energieversorgungsseite müssen verbessert werden. Das Brennstoffzellensystem eines Wasserstofffahrzeugs entspricht dem Motor eines herkömmlichen Kraftstofffahrzeugs und ist die wichtigste Komponente des gesamten Fahrzeugs. Die technische Membranelektrode des Batterie-Brennstoffstapels und der Herstellungsprozess weisen Schwierigkeiten und Engpässe auf, die nicht nur die Brennstoffumwandlungsrate begrenzen, sondern auch einer der Hauptfaktoren für die hohen Kosten von Batterien sind. Obwohl es sich bei grünem Wasserstoff um eine wichtige Energieergänzung zum Batteriekraftstoff handelt, ist die Technologie für die großflächige Gewinnung von grünem Wasserstoff noch nicht ausgereift. Die weltweite Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse befindet sich noch in der Anfangsphase und kann nicht hochskaliert werden.

3. Im Hinblick auf den Infrastrukturausbau gibt es nur wenige Wasserstofftankstellen. Daten des chinesischen Verbands der Automobilhersteller zeigen, dass das Land bis Ende 2020 etwas mehr als 110 Wasserstofftankstellen gebaut hatte. Bei Fahrzeugen, die auf Wasserstoffenergie angewiesen sind, ist die groß angelegte Entwicklung des Energieaufladebereichs eine der Voraussetzungen für die schnelle Entwicklung von Wasserstoffenergiefahrzeugen. Im Vergleich zu den Tankstellen und Ladesäulen im ganzen Land ist die Zahl der Wasserstofftankstellen nahezu verschwindend gering.

Die Beseitigung dieser drei Haupthindernisse hat dazu geführt, dass das Verkaufsvolumen von Wasserstofffahrzeugen lange Zeit auf einem niedrigen Niveau blieb und die Markteinführung relativ langsam vorankam. Ausgehend vom Entwicklungspfad der Elektrofahrzeuge erfordern die frühen Phasen der Entwicklung von Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb kontinuierliche Investitionen in die Energieversorgung und in Wasserstoffbrennstoffzellen. Erst wenn das Fundament der Infrastruktur gelegt ist, kann das Haus Schicht für Schicht errichtet werden.

Derzeit basiert die Entwicklung von Wasserstofffahrzeugen noch immer hauptsächlich auf politischen Subventionen, und auch schwere Lkw für den Fernverkehr werden bereits in Betrieb genommen. Die Entwicklung von Personenkraftwagen erfordert noch Zeit und Marktvorbereitung. Relativ gesehen sind feste Langstreckenverbindungen wesentlich kostengünstiger als die Kosten für den Bau von Wasserstofftankstellen. Durch den Bau von Wasserstoff-Schwerlastkraftwagen entlang dieser festen Routen können diese als Ergänzung der Transportkapazitäten über lange Strecken dienen.

Um den großflächigen Einsatz von Wasserstofffahrzeugen zu realisieren, müssen natürlich Kosten, Technologie und Infrastrukturaufbau gleichzeitig vorangetrieben werden, und es wird einige Zeit dauern, bis die verschiedenen Industrieketten durchbrochen sind.

Werden Wasserstoffautos Elektroautos ersetzen?

Langfristig gesehen wissen wir, dass sich mit der kontinuierlichen Vertiefung politischer Strategien und Industrien letztendlich auch Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb entwickeln werden. Werden also Wasserstofffahrzeuge in Zukunft Elektrofahrzeuge ersetzen? Aus der Perspektive der endgültigen Entwicklung des Energieverbrauchs ist in dieser Hinsicht jedoch Null-Emissionen das ultimative Ziel. Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge nehmen eine sehr hohe strategische Stellung ein, doch kurzfristig hat die Entwicklung von Elektrofahrzeugen die von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen weit hinter sich gelassen, und das Ziel, Elektrofahrzeuge zu ersetzen, scheint eher in weiter Ferne. Elektrofahrzeuge haben herkömmliche Fahrzeuge mit Kraftstoff im Stadtverkehr effektiv ersetzt. Ob Personenkraftwagen, öffentliche Verkehrsmittel oder exklusive Fahrzeuge: Elektrofahrzeuge sind in alle Bereiche des städtischen Verkehrs integriert.

Im Fernverkehr haben reine Elektrofahrzeuge jedoch eine begrenzte Reichweite und müssen häufig aufgetankt werden, was den Betrieb erschwert. Unabhängig von der zukünftigen technologischen Entwicklung sind Elektrofahrzeuge durch die Leistungsgrenzen der Lithiumbatteriematerialien und ihre Reichweite begrenzt. Dies eröffnet auch die Möglichkeit, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge als Ergänzung zu Fahrzeugen mit alternativer Antriebstechnik im Fernverkehr in die Entwicklung einzubinden. Bei der Entwicklung von Wasserstoff- und Elektrofahrzeugen handelt es sich nicht um eine Beziehung, bei der sich das eine das andere ersetzt, sondern um eine sich ergänzende Beziehung in unterschiedlichen Anwendungsszenarien.

Wir wissen, dass bei der Entwicklung von Fahrzeugen mit alternativer Energie die Politik immer an erster Stelle stand, sei es als Orientierung und strategische Planung oder als echtes Geld zur Unterstützung der Entwicklung der Branche. Für Wasserstofffahrzeuge gibt es mit der neuen Politik auch Änderungen bei der Förderung, die sich von denen für Elektrofahrzeuge unterscheiden. Beispielsweise ist der Bonus ergebnisorientiert und kann nur nach der Projektbewertung und -abnahme gewährt werden; Es wird klargestellt, dass der Bonus nicht für Investitionen in Fahrzeugprojekte und den Bau von Wasserstofftankstellen verwendet werden kann, sondern nur für die Industrialisierung von Kerntechnologien, die Einführung von Talenten sowie die Demonstration und Anwendungsförderung neuer Modelle und neuer Technologien. Diese neuen Maßnahmen sind strenger und detaillierter geworden, um das bisherige Phänomen des Subventionsbetrugs bei Elektrofahrzeugen zu verhindern.

Mit der Lenkung auf politischer und strategischer Ebene und einer intensiven Entwicklung von Industrie und Technologie wird die Entwicklung von Wasserstofffahrzeugen vorerst langsam vorankommen, aber nicht stagnieren. Genau wie die Entwicklung von Elektrofahrzeugen wird auch sie nach einer gewissen Zeit und mit entsprechender Technologie süsse Früchte tragen. Wasserstofffahrzeuge bieten insbesondere Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz und Umweltschutz. Diese Vorteile werden dazu beitragen, dass der Transportsektor eine umfassende Dekarbonisierung erreicht und das Ziel der „Kohlenstoffneutralität bis 2060“ im Kontext der Energieentwicklung und Emissionskontrolle erreicht wird.

Ob es um Energieeinsparung und Umweltschutz, die Reduzierung der CO2-Emissionen in der digitalen Wirtschaft und der digitalen Infrastruktur selbst oder die Modernisierung des Energiesystems im Verkehrsbereich geht, sie alle sind äußerst wichtige Komponenten der Energiewende. In diesem System verfügen wasserstoffbetriebene Fahrzeuge über unbegrenzten Entwicklungs- und Vorstellungsspielraum und werden zur wichtigsten Entwicklungsrichtung und Anwendungsform des zukünftigen Transports.