Simulationsaufbau und Ergebnisse
Die Untersuchung erfolgt simulativ anhand eines modellhaften 200-ha-Ackerbaubetriebs in Südhannover. Das agentenbasierte Simulationsmodell bildet 49 Arbeitsgänge mit drei Traktoren über ein vollständiges Anbaujahr mit Winterweizen als Hauptfrucht ab. Selbstfahrende Erntemaschinen werden hier nicht berücksichtigt, nur die Traktoren. Drei Szenarien werden miteinander verglichen: Dieselbetrieb als Referenz, H₂-ICE bei 700 bar und H₂-ICE bei 350 bar, jeweils mit hofseitiger Betankung und einem Bordtankvolumen von 500 Litern beim jeweiligen Speicherdruck. Abbildung 1 fasst die Ergebnisse nach Arbeitsart zusammen.
Arbeiten wie Düngung, Pflanzenschutz und Erntetransport erfordern bereits im Dieselbetrieb planmäßige Rückfahrten zum Betriebshof zum Aufnehmen oder Abladen landwirtschaftlicher Güter bzw. Betriebsmittel. Die Wasserstoffbetankung kann in diese Routinefahrten opportunistisch integriert werden. Im 700-bar-Szenario ergeben sich dadurch keine zusätzlichen Tankfahrten und auch bei 350 bar bleibt der operative Mehraufwand gering. Für einen erheblichen Teil der Arbeitsgänge über das Jahr liegt der Wasserstoffbetrieb damit hinsichtlich des Energiebedarfs und der Maschinenstunden auf dem Niveau der Dieselreferenz.
Bei energieintensiven Arbeiten wie Bodenbearbeitung und Aussaat mit Bestellkombination ergeben sich demgegenüber deutliche Mehraufwände. Diese Arbeiten werden kontinuierlich im Feld ausgeführt, ohne planmäßige Rückkehr zum Betriebshof, sodass der begrenzte Bordvorrat dedizierte Fahrten zu einer hofnah oder regional lokalisierten Tankstelle erzwingt. Im 700-bar-Szenario mit einer mittleren Feld-Hof- bzw. Tankstellen-Entfernung von 3,5 km ergeben sich über die Saison 12 % zusätzliche Maschinenstunden gegenüber der Dieselreferenz, entsprechend etwa neun zusätzlichen Achtstundentagen. Diese konzentrieren sich auf die witterungsabhängigen Kernkampagnen. Der Energiebedarf für die gleiche Feldarbeit steigt um rund 7 %, ausschließlich bedingt durch die zusätzlich zurückgelegten Wege. Im 350-bar-Szenario verschärfen sich diese Effekte deutlich. Der nutzbare Bordvorrat halbiert sich nahezu, die Anzahl dedizierter Tankfahrten nimmt stark zu, die zusätzlichen Maschinenstunden erreichen über 21 %, und der Mehrenergiebedarf liegt bei rund 14 %.
Abgeleitete Anforderungen
Aus den Ergebnissen lassen sich zwei zentrale Anforderungen ableiten. Die erste betrifft die Fahrzeugauslegung. Der Bordvorrat ist bei höchstmöglichem Speicherdruck zu maximieren. Für die in jeder Fruchtfolge auftretenden energieintensiven Kernarbeiten stellt eine maximale Tankkapazität bei hohem Speicherdruck eine notwendige Bedingung dar.
Die zweite Anforderung betrifft die räumliche Nähe zur Wasserstoffquelle. Die für Arbeiten mit planmäßigen Hofrückfahrten ermittelte nahtlose Integration beruht auf der Verfügbarkeit nahe am Betriebshof. Mit zunehmender Entfernung zur nächsten Betankungsmöglichkeit verschlechtert sich das Betriebsprofil. Für energieintensive Feldarbeiten ohne regelmäßige Hofbesuche wären alternative Logistikkonzepte zu prüfen, etwa mobile Feldbetankung oder regionale Verteilkonzepte mit Containerpuffern.
Hinzu kommt eine ausgeprägte saisonale Dynamik des Wasserstoffbedarfs. Die Lastspitzen fallen mit Bodenbearbeitung und Aussaat zusammen, wenn mehrere Betriebe einer Region gleichzeitig große Mengen nachfragen. Die Versorgungsinfrastruktur muss diese Schwankungen auffangen, etwa durch Pufferspeicherung an den Hofstellen oder durch skalierbare Liefersysteme.
Die beschriebenen Anforderungen ziehen unmittelbare wirtschaftliche Konsequenzen nach sich. Größere Bordvorräte bei höherem Speicherdruck bedingen entsprechend dimensionierte und kostenintensivere Drucktanks am Traktor. Eine 700-bar-Hofbetankung ist technisch anspruchsvoller als eine 350-bar-Lösung und ist ebenfalls mit höheren Kosten verbunden. Wasserstoff stellt dabei eine von mehreren Dekarbonisierungsoptionen dar. Biokraftstoffe, synthetische Kraftstoffe, Biomethan und die Elektrifizierung bringen jeweils eigene Anforderungen an Infrastruktur, Verfügbarkeit und Kosten mit sich. Welche Kombination sich in der Praxis etabliert, hängt nicht allein an der Antriebstechnik, sondern ebenso an regionalen Rahmenbedingungen sowie an der Entwicklung von Verfügbarkeit und Kosten der Energieträger.
Fazit und Ausblick
Die Berechnungen zeigen, dass der Traktorbetrieb mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren unter klar definierten Randbedingungen technisch darstellbar ist. Für Arbeiten mit planmäßigen Hofrückfahrten lässt sich die Betankung nahtlos in bestehende Betriebsabläufe integrieren. Bei energieintensiven Kernarbeiten liegt die zentrale Herausforderung in der Kombination aus maximalem Bordvorrat und räumlicher Nähe zur Wasserstoffquelle.
Die Ergebnisse unterliegen zwei wesentlichen Einschränkungen. Zum einen werden ausschließlich Traktoren betrachtet. Selbstfahrende Erntemaschinen mit hohem Energiebedarf, langen Arbeitstagen in engen Erntefenstern und angeschlossener Logistikkette würden die Anforderungen an Tankvolumen und Versorgungsinfrastruktur zusätzlich verschärfen. Zum anderen ist die Analyse auf den Wasserstoff-Verbrennungsmotor beschränkt. Das Verhalten von Brennstoffzellenantrieben, die je nach Antriebskonzept knapp 20 % effizienter arbeiten, wird ebenfalls im Vortrag „Hydrogen engine or fuel cell tractors?“ auf der VDI-Tagung „Antriebssysteme in mobilen Arbeitsmaschinen“ vorgestellt.
