IEA AFC TCP: Methodical Approach for the Evaluation of Hydrogen Fuel Cell Powertrain Concepts for Mobility Applications (2022)

In dieser Präsentation wurden verschiedene Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antriebskonzepte für Mobilitätsanwendungen, die aus einem Brennstoffzellensystem, einem Wasserstoffspeichersystem und einer Traktionsbatterie bestehen, unter Verwendung einer ganzheitlichen Entwicklungsmethodik analysiert und verglichen. Ausgehend von den Systemanforderungen für Brennstoffzellen (BZ)-Range-Extender-, BZ-Mid-Size- und BZ-Dominant-Topologien werden die techno-ökonomischen Schlüsselattribute des Antriebsstrangs ermittelt, wobei die gesamte Bandbreite der Brennstoffzellen-Antriebsstrangkonzepte abgedeckt und die jeweiligen Vor- und Nachteile identifiziert werden.

Der methodische Ansatz besteht aus zwei Teilen: 

1. Ein umfassendes Antriebsstrang-Simulationsmodell zur Abschätzung von Leistung, Wirkungsgrad und Reichweite. Als Simulationsinput werden repräsentative Fahrzyklen auf Basis von Nutzungsprofilen ausgewertet, um die Fahrzeugleistung und den Wasserstoffverbrauch abzuschätzen und die optimale Konfiguration zwischen Brennstoffzellensystem, Wasserstoffspeichersystem und Batteriegröße zu definieren. 
2. Für die Bewertung von Masse, Volumen und Kosten wird ein virtuelles generisches Antriebsstrangmodell mit Standardprodukten verwendet. Die Kostenabschätzung für Brennstoffzellen-Antriebsstränge basiert auf einem berechneten Bottom-up-Ansatz für zukünftige Marktverkaufszahlen und wird durch mehrere in der Literatur gefundene Schätzungen validiert.

Die Ergebnisse basieren auf zwei Fahrzeugklassen, nämlich All-Terrain-Vehicles (ATVs) und schweren Lastkraftwagen, und bewerten die Antriebskonzepte hinsichtlich Volumina, Masse und Kosten mittels einer Break-Even-Point-Analyse. Für ATVs zeigen die Ergebnisse, dass das BEV für kurze Strecken ausreicht und für kurze Reichweiten unterhalb des durchschnittlichen Nutzungsprofils die günstigste Option darstellt. Das BZS hingegen bietet die kosteneffizienteste Technologie für höhere Reichweiten und schwere Lasten. Je höher die Reichweite, desto größer ist also der Kostenvorteil des Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) gegenüber dem Battery Electric Vehicles (BEV). Bei schweren Nutzfahrzeugen sind das Antriebsstranggewicht und die Gesamtkosten (Herstellung und Betrieb) entscheidend und hängen stark vom Nutzungsprofil ab. 

Die Ergebnisse zeigen, dass der Betrieb von wasserstoffbetriebenen Lkw im Vergleich zur batterieelektrischen Technologie preislich wettbewerbsfähig sein wird. Zudem geht der Effizienzvorteil des rein batterieelektrischen Antriebsstrangs auf Kosten des Systemgewichts, das für die zusätzliche Nutzlast entscheidend ist. Es ist auch klar, dass eine höhere Marktdurchdringung für FCEVs von Vorteil ist und aufgrund von Skaleneffekten zu einer weiteren Senkung der Herstellungskosten (Brennstoffzelle und Wasserstoffspeicher) führt.

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