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Die Wahrheit über Elektromobilität (Teil 4)

Es ist ein Thema, welches seit Jahren nicht nur am Stammtisch heiß diskutiert wird: die Elektromobilität. Wir haben uns umgehört, welche Meinungen Experten vertreten und welche Prognosen sie für die Zukunft stellen können. In diesem Teil haben wir mit dem Institutsvorstand am Institut für Fahrzeugtechnik Univ.-Prof. Peter Fischer von der Technischen Universität Graz gesprochen.

Verbrennungsmotor und Diesel

Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren ist an der Obergrenze des thermodynamisch Machbaren angelangt. Viel besser geht es - auch theoretisch betrachtet - nicht mehr. Bei einem PKW Antrieb ist der durchschnittliche Wirkungsgrad stark vom Nutzungsprofil abhängig und beträgt. ca. 15% - 25% (Stadt / Land / Autobahn). Der Diesel ist dabei relativ zum Otto-Motor um etwa 20% besser, d.h. hat um ca. 20% weniger CO2-Emissionen. Dies ist in der günstigeren Thermodynamik des Diesel-Verbrennungsprozesses begründet. Achtung: CO2 ist kein Schadstoff im Sinne von "giftig", aber ein wesentlicher Treiber der Klimaerwärmung.

Bei den "giftigen" Luftschadstoffen, wie Partikel oder Stickoxiden, gerät nun der Dieselmotor in eine Schere: Durch den besseren Wirkungsgrad hat er auch geringere Abgastemperaturen. Die geringen Abgastemperaturen erschweren die katalytische Abgasreinigung. Zusätzlich hat der Diesel bei bestimmten Schadstoffen höhere Rohemissionen (das sind die Emissionen vor der Reinigung), speziell Partikel und Stickoxide. Der Aufwand für weitere Schadstoffreduktionen - unabhängig ob Diesel oder Otto - steigt überproportional und erhöht im Allgemeinen den Verbrauch. Bereits jetzt betragen Kosten und Bauraum für die Abgasreinigung eines Dieselmotors etwa 1/3 jener des gesamten Motors und werden noch weiter steigen.

Ungleiche Vergleiche Elektroantrieb - Verbrennungsmotor

Bei einem Elektrofahrzeug darf man den Wirkungsgrad des Elektroantriebes nicht direkt mit dem Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors vergleichen. Bei einem Verbrennungsmotor fällt z.B. die Heizwärme gratis an, während wiederum die Energie für Klimatisierung bei beiden Antrieben von Motor bzw. der Batterie abgezweigt werden muss. Weiteres kann beim E-Antrieb Bremsenergie rekuperiert werden, die beim Verbrennungsmotor verloren geht. Dazu kommt noch die Frage der Energiequelle, die beim Strom im Durschnitt nicht klimaneutral ist. Dazu muss aber bemerkt werden, dass auch die Herstellung von Otto- oder Dieselkraftstoff signifikant CO2 produziert. Diese Nicht-Vergleichbarkeit öffnet nun einen breiten Interpretationsspielraum. Je nachdem welche Seite propagiert werden soll, sind immer Kennwerte zu finden, welche entweder den E-Antrieb oder den Verbrennungsmotor als "besser" dastehen lassen.

Eine der neutralsten Vergleichsbasen bezüglich Fahrzeug ist vielleicht der Traktionswirkungsgrad. Dies beschreibt jene Energiemenge, welche ausgehend von der Zapfsäule (beim Verbrennungsmotor) oder Steckdose (beim E-Fahrzeug) in Vortriebsenergie umgewandelt wird. Zum Vergleich benötigt man auch ein typisches Nutzungsprofil, das heißt einen gleichen Mix aus Streckenanteilen (Stadt/Land) über einen Klimazyklus von einem Jahr. Dabei ergibt sich für einen relativ kundennahen WLTP-Zyklus ein Traktionswirkungswirkungsgrad bei Verbrenner-Dieselfahrzeugen von ca. 20 % (beim Otto etwas schlechter) und beim E-Fahrzeug von ca. 60%. Wesentliche Verluste beim E-Fahrzeug ergeben sich zum Beispiel aus Heizen, Klimatisierung und Lade-/Entladezyklen.

Dazu losgelöst kommt die Problematik von Klimaneutralität und Schadstofffreiheit der Energiebereitstellung, sowie die Betrachtung von Herstellung und Recycling. Auch hier ist der Interpretationsspielraum durch die schlechte Vergleichbarkeit der Technologien sehr groß und nahezu beliebig für eine gewünschte Zielsetzung der Aussage nutzbar. Aktuell häufige Aussagen beziehen sich z.B. auf den hohen Energiebedarf zur Erzeugung der Batterie und die schlechte soziale Situation bei der Rohstoffgewinnung. Meist nicht gegengerechnet wird dabei, dass beim E-Fahrzeug der Elektromotor nur einen Bruchteil des Gewichts von Verbrennungsmotor plus Getriebe wiegt und damit etwa 150 - 200 kg des Antriebstranges wegfallen und 50 kg für ein durchschnittlich gefülltes Tanksystem. Eine Batterie für ein 400 km Reichweiten E-Fahrzeug wiegt ca. 450 kg. Das Systemmehrgewicht sind somit nicht 450 kg, sondern etwa 200-250 kg. Die Herstellungsenergie für "1 kg Motor" unterscheidet sich nicht wesentlich von "1 kg Batterie".

Bei der sozialen Situation des Rohstoffabbaus ist ebenso wenig von Bedeutung, ob mühevoll geschürftes Mangan oder Kobalt als Legierungselement für Alu und Stahl verwendet wird oder als Beigabe für das Kathodenmaterial der Batterie eingesetzt wird. Ähnliches gilt für die Häufigkeit von Rohstoffvorkommen, welche für Verbrennungsmotor + Getriebe oder Batterie durchaus vergleichbar sind. Lithium ist ein Leichtmetall, welches etwa so häufig vorkommt wie Zink oder Zinn. Das Anodenmaterial einer Li-Ion-Batterie ist Kohlenstoff, wobei auf 1 kg Lithium in der Kathode ca. 10 kg Kohlenstoff in der Anode kommen. Neben dem Kohlenstoff ist einer der schwersten Einzelstoffe einer typischen E-Fahrzeugbatterie das Aluminium für das crash- und brandfeste Gehäuse.

Im Vergleich zum Verbrennungsmotor stehen Fahrzeuge mit Elektroantrieb eher am Beginn der Entwicklung. Bei E-Fahrzeugen ist nicht nur auf das Antriebssystem zu achten, sondern auf das Gesamtpaket und Interaktion aller Verbraucher, sowie das Nutzungsmuster spezifischer Fahrzeugtypen. Neben der Zelltechnologie selbst, lassen Optimierungen im Gesamtsystem einer Batterie, die Kurzzeit-Überlastfähigkeit von Komponenten oder die Auslegung von Kühlsystemen noch deutliche Verbesserungen erwarten. Seit den ersten markttauglichen E-Fahrzeugen vor ca. 10 Jahren ist der spezifische Energieverbrauch im Kundenbetrieb pro km um etwa 30% gesunken, das Batteriegewicht pro km-Reichweite noch stärker. Die Preise der Li-Ionen Batterien haben sich etwa um den Faktor 3 reduziert. Dieser Trend wird weitergehen, auch wenn nicht mehr in der bisherigen Geschwindigkeit.

Zusätzlich zur Schad- und Klimastoffproblematik kommt die Geräuscharmut und das Drehmomentverhalten von Elektroantrieben. Fahrzeugbesitzer, welche einmal den Schritt zu einem (durchwegs teureren E-Fahrzeug) gemacht haben, wechseln nicht mehr zurück. Elektrische Fahrzeuge, die primär als Zweitfahrzeuge angeschafft wurden, werden mehr und mehr als Hauptfahrzeug genutzt. Ein häufiger Vorteil den Kunden von Plug-In Hybridfahrzeugen nennen ist, dass kaum mehr getankt werden muss: Mit den 50 km Reichweiten werden die meisten Strecken rein elektrisch erledigt, der Verbrenner läuft kaum mehr. Und: Heizen beim E-Fahrzeug verbraucht zwar Energie der Batterie, wärmt jedoch bereits ab den ersten Fahrtmetern mit voller Leistung.

Laden des E-Fahrzeuges kostet Zeit. Da ein durchschnittlicher Privat-PKW zu 95% - 98% der Zeit steht, ist im praktischen Betrieb die Ladezeit auch bei langsam-Laden keine wirkliche Einschränkung. Geladen wird über Nacht in der Garage oder am Stellplatz. Die Stopps an der Tankstelle entfallen. Mit einem typischen Hausanschluss, 380V / 16 Ampere kann mit 10 KW geladen werden. Nach 10 Stunden Ladezeit sind ca. 500 km Reichweite geladen. Schnellladungen von Langstrecken-E-Fahrzeugen, sind im praktischen Betrieb sehr selten. Die Zeit, welche an Schnelladestationen verbracht wird, ist in Summe über ein Fahrzeugjahr erheblich geringer als die Summe der Aufenthaltszeiten von Verbrennungsmotor-PKW an konventionellen Tankstellen.

Der richtige Mix

Recht konvergent sind Schätzungen von Stückzahlen reiner E-Antriebe im Deutschsprachigen Raum: 2025 werden Zulassungsanteile von ca. 10% bis 15% realistisch sein. Wesentliche Gründe für die vergleichsweise niedrigen Zahlen sind der noch immer höhere Preis, Nachteile in der Reichweit und all-in-one Multifunktionalität. Der Einstieg in private E-Mobilität erfolgt in den meisten Fällen über Zweitfahrzeuge von Familien, welche ein Einfamilienhaus mit eigenem Stell- und Ladeplatz besitzen und im Einzugsgebiet eines Ballungsraumes leben.

Empfehlenswerte Einsätze von E- oder Verbrennerfahrzeugen sind dort, wo die jeweiligen Konzepte Ihre besonderen Stärken haben.

  • Die Stärken reiner E-Fahrzeuge liegen vor allem im städtischen Bereich und in Ballungszentren. Die beste Nutzung erfolgt als kleines Stadtfahrzeug oder Zweitfahrzeug für kurz- und Mittelstrecke. Für kleinere Stadtfahrzeuge sind Real-Reichweiten von 100 - 150 km völlig ausreichend. Die kommende Generation von E-Fahrzeugen wird mittlere "Tagesausflug-Reichweiten" von ca. 300 km Kunden-Realbetrieb bereits gut abdecken.
  • Im Langstreckenbetrieb wird der Verbrennungsmotor noch lange Zeit die beste Wahl für den Kunden sein. Speziell wenn der Betrieb des Fahrzeuges auf vorwiegend lange Strecken eingeschränkt werden kann (man besitzt z.B. ein E-Fahrzeug für die Kurz- und Mittelstrecke), wird der der Dieselmotor die beste Wahl sein: er hat deutlich weniger CO2 Ausstoß als ein Otto-Motor und die Abgasnachbehandlung wird bei den mittleren Lasten und wenigen Kaltlaufphasen sehr gut wirksam sein.
  • Für den gemischten Einsatz, z.B. ein Familien-Allzweckfahrzeug, wird ein Hybridantrieb viele Vorteile bieten. Eine gute Basis für Hybridisierung sind Otto-Motoren. Sie sind im Vergleich zum Diesel billiger, technisch einfacher, leichter und federn somit den Mehraufwand für die Hybridisierung ab. Je billiger und kleiner ein Fahrzeug sein soll, desto besser eignen sich geringe Hybridisierungsgrade: Die Elektrifizierung unterstützt zwar den Verbrennungsmotor, rein elektrisches Fahren ist nicht möglich. Je teurer und schwerer das Fahrzeug sein darf, desto empfehlenswerter werden höhere Hybridisierungsgrade, wie Voll- oder Plug-In Hybride. Aktuellen Plug-In Hybride haben meist 50 km elektrische Reichweite, wodurch die meisten Stadtfahrten auch rein elektrisch abgewickelt werden können. Bei höheren Hybridisierungsgraden können zusätzliche Features genutzt werden, wie z.B. die Anordnung der E-Motoren an der Hinterachse um Allradantrieb zu realisieren. Der Fachbegriff dazu lautet "elektrische Achse".
  • Im Bereich der Nutzfahrzeuge scheinen E-Fahrzeuge im lokalen Verteilerverkehr eine sehr vielversprechende Lösung darzustellen. Für den Langstrecken-LKW ist ein batterieelektrisches Fahrzeug in absehbarer Zeit keine ernstzunehmende Alternative zum Diesel-LKW. Allerdings wird zunehmende Elektrifizierung auch im Langstrecken LKW Einzug halten. Dabei spielt nicht nur die Hybridisierung des Antriebs, sondern die Elektrifizierung der Nebenaggregate und deren bedarfsgerechte Nutzung eine wesentliche Rolle.

Im deutschsprachigen Raum werden im Jahr 2025 etwa 85-90% aller PKW-Neuzulassungen noch immer einen Verbrennungsmotor besitzen. Während in den entwickelten Ländern die Anzahl der Fahrzeuge stagniert, wird weltweit die Gesamtzahl der Fahrzeuge rasch steigen (Asien, Afrika). In den Regionen mit stark wachsender Fahrzeugdichte, typischerweise Dritte-Welt-Länder, werden Hybride oder Elektrofahrzeuge kaum eine Rolle spielen. Der reine Verbrennungsmotor-Antrieb wird dort noch lange die primäre Antriebsart bleiben. Ausnahme bilden Ballungsräume mit Verkehrs- und Luftproblemen - aber dort ist die Obergrenze der Fahrzeugdichte ohnehin bereits erreicht.

Zusammengefasst, wird die Anzahl der weltweit benötigten Verbrennungsmotoren in absehbarer Zeit eindeutig wachsen. Jede Verbrauchs- und Schadstoffreduktion die durch Weiterentwicklung von Motoren erzielt wird - auch wenn sie klein ist -umgelegt auf die hohe Anzahl der Motoren hohe Vorteile ergeben: 10% Verbrauchs- und Schadstoffreduktion bei 100 Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben etwa die gleiche entlastende Wirkung wie 10 E-Fahrzeuge mit 100% grünem Strom.

Zur möglichst kurzfristigen Reduktion von Umweltauswirkungen ist der Technologiemix aus Verbrennungsmotoren UND Elektrifizierung ein wichtiger Faktor. Jede Technologie sollte dort eingesetzt werden, wo Sie entsprechend dem aktuellen Stand der Technik den größten Nutzen bietet. Dementsprechend ist mittel- und langfristig mit einer immer stärkeren Durchdringung der Fahrzeugflotte mit hohen Elektrifizierungsgraden und reinen E-Fahrzeugen zu rechnen. In speziellen Nischen der Elektrifizierung hat auch die Wasserstoff-Brennstoffzelle eine Berechtigung, und zwar wenn unabhängig von Kosten- und CO2-Betrachtungen kurzfristig die lokale Luftgüte verbesserte werden muss. Langfristige Schlüsseltechnologien ist in allen Fällen die Gewinnung regenerativen Energie. Dabei sind Energien wie Wasser, Wind und Sonne weitestgehend CO2 und schadstofffrei. Biogene Energiequellen können weitgehend klimaneutral sein-, werden für Mobilität und Transport i.a. nicht schadstofffrei sein.

Die Lösung: Wasserstoff und Brennstoffzelle?

Vielfach werden auch Brennstoffzellenfahrzeuge propagiert, welche mit Wasserstoff betrieben werden. Ein Brennstoffzellenfahrzeug ist ein Elektrofahrzeug, bei dem der Strom durch die Brennstoffzelle produziert wird. Da Brennstoffzellen nur bei relativ gleichmäßigen Lasten mit halbwegs gutem Wirkungsgrad arbeiten, haben praktisch alle Wasserstoff-PKW einen zusätzliche Li-Ion Batterie zur Pufferung der Energie für Leistungsspitzen und Rekuperation. Ein Wasserstofffahrzeug ist sozusagen eine "Elektro-Elektro"-Hybrid.

Wasserstoff ist allerdings keine Primärenergie, sondern muss aus anderen Energieformen erzeugt werden. Die Szenarien Wasserstoff-Mobilität gehen meist davon aus, dass der Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Strom und Wasser erzeugt wird. Verglichen mit einem batterieelektrischen "Elektro-Fahrzeug", könnte man könnte man ein Brennstoffzellenfahrzeug dann "Elektro-Wasserstoff-Elektro-Elektro"-Hybrid nennen.

Geht man als Energiequelle von jenem Strom aus der notwendig ist um den Wasserstoff zu erzeugen, liegt der Traktionswirkungsgrad etwa bei 20%. Das ist ca. drei mal schlechter als bei einem rein batterieelektrischem Fahrzeug mit 60%. Diesem. Das heißt: egal wo der Strom herkommt, eine Brennstoffzellenfahrzeug hat ca. 3x höhere CO2 und Schadstoffemissionen (aus der Stromerzeugung) als ein reines Batteriefahrzeug. Ausnahme ist, wenn der Strom rein regenerativ und schadstofffrei erzeugt wird. Aber dann könnte man um die gleiche Energiemenge drei Batteriefahrzeuge statt einem Wasserstoff-Fahrzeug betreiben.

Tatsächlich jedoch erfolgt die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff heutzutage kaum mittels Elektrolyse und Strom. Der Großteil des Wasserstoffes wird in Raffinerien aus Erdgas und Schweröl hergestellt. Dies ist kostengünstiger als die Herstellung durch Elektrolyse mittels Strom. Praktisch gesehen liegt damit der heutige reale CO2 Ausstoß von Brennstoffzellenfahrzeugen deutlich schlechter als jeder Verbrennungsmotor. Die Schadstoffemission hängen von den Emissionen der Raffinerieprozesse ab. Zur Klimaneutralität ist es ein noch sehr, sehr weiter Weg.

Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie ist im Vergleich zu batterieelektrischer Technologie um ein vielfaches teurer. Unter anderem wird Platin als Katalysatormaterial benötig. Die derzeit teuersten Komponenten in derzeitigen (Klein)Serien Wasserstoff-PKW sind die Hochdruck-Gasspeicher, welche eine diffusionsfreie Lagerung des Wasserstoffes erlauben. Wasserstoff hat eine niedrige volumenbezogene Energiedichte und braucht zur Speicherung etwa 3x so großes Volumen oder 3 x so großen Druck wie Erdgas für die gleiche Energiemenge. Neuere Brennstoffzellenfahrzeuge haben ein Druckspeicherniveau von 700 bar. Dies sind Flaschen aus gewickelten Kohlefaserbandagen mit einer Wandstärke von ca. 5 cm. Mit zwei Flaschen von etwa 1,5 m Länge und 30 cm Außendurchmesser lässt sich Wasserstoff für ca. 400 km Reichweite speichern. Eine der Flaschen wiegt ca. 70 kg. Wasserstoffdruckspeicher können schnell betankt werden, allerdings ist die Infrastruktur dafür sehr aufwendig.

Eine weitere Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff in Fahrzeugen mit einem besseren Gewichtsverhältnis sind kryogene Systeme. Diese Speicher haben allerdings Diffusionsverluste bis zu 3% pro Tag. Dies spielt bei Fahrzeugen mit hoher km-Leistung und niedrigen Standzeiten wenig Rolle, zum Beispiel bei LKW. Bei PKW mit kleineren km-Leistungen wird ein großer Teil des Wasserstoffes durch ausdampfen verlorengehen.

Brennstoffzellenfahrzeuge haben in gewissen Nischen jedoch durchaus eine Einsatzberechtigung. Und zwar dort, wo es notwendig ist schadstofffrei zu fahren und rein batterieelektrisches Fahren aufgrund der Reichweitenbegrenzung nicht möglich oder sinnvoll ist. Beispiele sind Metropolregionen mit hoher Luftverschmutzung, bei denen der Leidensdruck so hoch ist, dass die Kosten eine untergeordnete Rolle spielen und CO2 ohnehin nachrangig ist. Dies ist in vielen asiatischen Städten der Fall, wo Diesel- LKW und Busse aus den Städten verbannt wurden und der Güterverkehr vorwiegend mit Brennstoffzellen-LKW abgewickelt wird.

In Schlagworten zusammengefasst:

Auch wenn es viele "Umwelt-Aktivisten" nicht wahrhaben möchten:

  • Kurzfristig und weltweit gesehen wird ein höherer Umweltnutzen durch die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren generiert, als durch Elektrifizierung realerweise umgesetzt werden kann.

Auch wenn es viele "Verbrennungsmotoren-Verfechter" nicht wahrhaben wollen:

  • Die Zukunft der individuellen Mobilität ist mittel- bis langfristig hochgradig elektrifiziert und batterieelektrisch.

Auch wenn es viele Fahrzeugtechniker nicht wahrhaben wollen:

  • Der Schlüssel zu klimaneutraler und schadstofffreier Mobilität sind nicht bestimmte Arten von Antrieben, sondern regenerativ erzeugt Energie.

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