Letzte Aktualisierung im Januar 2023

6  Alternativen zu batterieelektrischen Autos

  • Brennstoffzellenfahrzeuge werden wie batterieelektrische Fahrzeuge von Elektromotoren mit einem hohen Wirkungsgrad von rund 90 Prozent angetrieben. Allerdings nutzen sie dafür Strom, der im Fahrzeug aus der Umwandlung von komprimiertem Wasserstoff und Sauerstoff in Brennstoffzellen erzeugt wird. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle liegt je nach abgerufener Leistung aber bei nur 40 bis 60 Prozent. Höhere elektrische Wirkungsgrade einer Brennstoffzelle werden nur bei niedriger Leistung erreicht.

    Es existieren heute Kleinserien an Brennstoffzellen-Pkw wie dem Toyota Mirai II und dem Hyundai Nexo. Relevante Stückzahlen konnten bislang im Vergleich zu Elektro- und Plug-in-Hybridfahrzeugen jedoch nicht abgesetzt werden. Während sich im Jahr 2020 weltweit bereits etwa 6,9 Mio. batterieelektrische und 3,4 Mio. Plug-In-Hybridfahrzeuge im Fahrzeugbestand befanden, waren es gerade einmal 35.000 Pkw mit Brennstoffzelle. Dies liegt zum einen daran, dass die meisten Fahrzeughersteller ausschließlich batterieelektrische Fahrzeuge entwickelt haben, zum anderen sind die Kosten für den Wasserstoffspeicher und das Brennstoffzellensystem sehr hoch.

    Grundsätzlich bietet der Einsatz von Wasserstoff den Vorteil, dass die Pkw ähnlich schnell wie ein Verbrenner getankt werden können und dabei wie beim batterieelektrischen Fahrzeug in der Nutzung keine Treibhausgase und keine verbrennungsbedingten Luftschadstoffemissionen entstehen. Allerdings stammt der meiste heute erzeugte Wasserstoff aus fossilen Quellen mit einer schlechten Klimabilanz. Alternativ könnte Wasserstoff zukünftig aber auch mit Hilfe von erneuerbarem Strom erzeugt werden. Das dabei genutzte Elektrolyse-Verfahren und die anschließende Wasserstoffkompression sind allerdings auch sehr energieintensiv, fast die Hälfte der eingesetzten Energie geht dabei verloren.

    Vergleicht man die gesamte Energiebilanz von der Erzeugung erneuerbaren Stroms bis zur Bewegungsenergie, schneidet das Elektroauto deutlich besser ab als der Brennstoffzellen-Pkw: Das batterieelektrisch betriebene Fahrzeug kommt auf eine Energieeffizienz von rund 69 Prozent, das mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellenfahrzeug nur auf rund 26 Prozent. Mit derselben Menge an erneuerbarem Strom kann das batterieelektrische Auto also mehr als 2,5-mal so weit bewegt werden. Im Vergleich zum Einsatz von eFuels sind Brennstoffzellen-Pkw aber deutlich energieeffizienter. Zudem wird keine CO2-Quelle für die Synthese benötigt.

    Wasserstoff-Brennstoffzellen können dort von Vorteil sein, wo die direkte Nutzung von Strom nicht oder nur schwer möglich ist, wo lange Distanzen zurückgelegt werden müssen und es genügend Platz für Wasserstofftanks gibt. Ein Beispiel ist die Seeschifffahrt.

  • Als eFuels werden Kraftstoffe, meist flüssige Kohlenwasserstoffe, bezeichnet, die nicht aus Erdöl, sondern auf Basis von Strom gewonnen werden: Per Elektrolyse wird Wasserstoff aus Wasser erzeugt und dieser dann mit CO2 aus der Luft oder aus Punktquellen mit einer höheren Konzentration (z. B. Biogaskraftwerk) weiter zu Flüssigkraftstoffen verarbeitet.
    Damit könnten Verbrenner betankt, existierende Fahrzeugtechnik und Tankinfrastruktur könnten also weiter genutzt werden.

    Würde der benötigte Strom ausschließlich aus Überschüssen erneuerbarer Energien stammen, die zum Beispiel durch Windkraftanlagen bei starkem Wind entstehen, könnten solche Kraftstoffe zum Klimaschutz beitragen. Aus heutiger Sicht ist dies jedoch unwahrscheinlich. Der Bau von Anlagen zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe ist mit großen Investitionen verbunden. Um die Anlagen wirtschaftlich zu betreiben, muss die Auslastung hoch sein. Weil der Strombedarf dafür aber nicht allein aus Überschüssen der regenerativen Stromerzeugung gedeckt werden kann, müsste die Erzeugung von regenerativem Strom zusätzlich ausgebaut werden. Dabei entscheiden die Wirkungsgrade der verschiedenen Prozessschritte über den zusätzlichen Strombedarf.

    Wirkungsgrad von Pkw mit unterschiedlichen Antriebskonzepten ausgehend von erneuerbar erzeugtem Strom

    Wirkungsgrad von Pkw mit unterschiedlichen Antriebskonzepten ausgehend von erneuerbar erzeugtem Strom
    Quelle: Agora Verkehrswende, Agora Energiewende und Frontier Economics (2018): Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe. | 2018

    Bei den Prozessen zur Synthese von eFuels geht ein großer Anteil der eingesetzten Energie verloren, zudem ist der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren deutlich niedriger als der von Elektromotoren: Im Vergleich müssten fünfmal mehr Anlagen zur Stromerzeugung errichtet werden. Damit ist diese Lösung auch wesentlich teurer. Zudem werden eFuels heute nur in sehr kleinen Mengen hergestellt. Größere Mengen können erst gegen Ende des Jahrzehnts erwartet werden. Deshalb sind eFuels aus aktueller Perspektive nur dort sinnvoll, wo Strom nicht direkt genutzt werden kann, zum Beispiel im Flug- und Schiffsverkehr. Für Pkw sind batterieelektrische Fahrzeuge eine bessere Option.

    Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass Verbrenner mit eFuels im Gegensatz zu batterieelektrischen Pkw weiterhin gesundheitsschädliche verbrennungsbedingte Luftschadstoffemissionen wie Stickoxide und Feinstaub verursachen.

  • Seit Anfang der 2000er Jahre wurden Erdgas-Pkw verstärkt vermarktet, Hauptgrund waren die niedrigeren Luftschadstoffemissionen im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen. Während der Bestand bis zum Jahr 2013 angestiegen ist, liegt er seitdem konstant bei ungefähr 80.000 Fahrzeugen. Aktuell werden in Deutschland rund 82.000 oder 0,2 Prozent der Pkw im Bestand mit CNG, also komprimiertem Erdgas, betrieben. Der Einsatz von Erdgas in Pkw ist also eine etablierte Technologie, die sich in Deutschland aber nie richtig durchsetzen konnte. In Staaten mit finanziellen Anreizen oder direkter Nähe zu Erdgasquellen wie Iran, Pakistan und Argentinien sind Gasautos jedoch wesentlich weiterverbreitet.

    Grundsätzlich hat Erdgas gegenüber den längeren Kohlenwasserstoffmolekülen im Benzin und Diesel den Vorteil, dass der Kohlenstoffanteil geringer ist. Ein Erdgasfahrzeug stößt deshalb rund 17 Prozent weniger verbrennungsbedingte klimaschädliche Emissionen aus als ein Benziner. Dennoch ist Erdgas problematisch: Das Gasgemisch besteht hauptsächlich aus fossilem Methan und die Klimawirkung von Methan ist 28-mal so groß wie die von CO2. Entweicht Methan bei der Förderung, beim Transport oder der Nutzung des Erdgases, entstehen weitere Treibhausgasemissionen.

    Unter Berücksichtigung der Anteile an fossilem Erdgas und Biogas im deutschem Gas-Mix besitzen Erdgas-Pkw nur einen geringen Klimavorteil gegenüber Dieselfahrzeugen und verursachen deutlich höhere Treibhausgasemissionen als Elektroautos.

    Die Klimabilanz von Erdgas verbessert sich, wenn Bio-Methan, also aufbereitetes Biogas, verwendet wird. Biogas wird aus Biomasse hergestellt, aus Reststoffen, Gülle oder Anbaubiomasse wie Mais. Es ähnelt Erdgas in seiner Zusammensetzung. Nachhaltiges Biogas aus Reststoffen kann in Deutschland allerdings nur in begrenztem Umfang gewonnen werden und würde lediglich einen Bruchteil des Bedarfs aus dem Straßenverkehr decken. Wird stattdessen Anbau-Biomasse verwendet, besteht die Gefahr, dass Konkurrenz zur Ernährungssicherung und ungewollte Flächennutzungsveränderungen auftreten. Deshalb müssen strenge Nachhaltigkeitskriterien an die Nutzung von Biogas geknüpft werden. Zudem wird die Biomasse auch in anderen Sektoren benötigt, so dass Fahrzeuge mit Erdgas oder Biomethan auf die Dauer in Deutschland keine geeignete klimafreundliche Alternative zur Elektromobilität darstellen. Zudem verursachen sie weiterhin Luftschadstoffemissionen, wenn auch in einem geringeren Umfang als Benzin- und Diesel-Pkw.

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