Seit mehr als 100 Jahren wird im Einsatz auf Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor gesetzt, im Automobilsektor findet bereits seit 2017 ein intensiver Umbruch statt, wie die Zahlen der Statistik Austria klar belegen.

PKW-Neuzulassungen: Koventionelle und Alternative Antriebskonzepte

Quelle: in Anlehnung an STATISTIK AUSTRIA, Kraftfahrzeuge, Kfz-Neuzulassungen. Erstellt am 17.01.2022.

Wir befinden uns bereits inmitten einer Trendwende, weg vom konventionellem Verbrennungsmotor, hin zu alternativen Antriebs- und Speicherkonzepten. Die PKW-Sparte gilt hier sicher als Vorreiter aber auch die LKW-Sparte stellt, wenn auch etwas zeitverzögert, um. Doch welche Alternativen gibt es? Welche Vor- bzw. Nachteile haben sie?

In diesem Artikel versuche ich etwas Klarheit in das komplexe Thema der alternativen Antriebskonzepte zu bringen.

 

Die verschiedenen Konzepte

Elektroantrieb mit Batterie (BEV – Battery Electric Vehicle):

Die wahrscheinlich bekannteste Form des alternativen Antriebes. Bereits vor 100 Jahren gab es die ersten e-Fahrzeuge, durchgesetzt haben sie sich allerdings nicht. Heute sieht es etwas anders aus. Das Fahrzeug wird vollelektrisch betrieben. Batterien speichern die Energie und das Fahrzeug wird via Elektromotoren angetrieben.

Speichermedium: Hochvolt-Batterie
Antrieb: Elektromotoren

Vorteile:

  • Rein elektrischer Betrieb, wenn Batterien mit erneuerbarer Energie geladen werden CO2 neutral
  • Kein Kraftstoffverbrauch im Stillstand (Stau, Ampel,…)
  • Hoher Gesamtwirkungsgrad 65-70 %

Energiebilanz des Elektroautos mit Strom aus erneuerbaren Quellen

Energiebilanz des Elektroautos

Die Prozentzahlen beschreiben Verluste bzw. Wirkungsgrade der jeweiligen Stufe. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der Wirkungsgrade des gesamten Pfades.
Eigene Darstellung mit Informationen von https://wikipedia.org/wiki/elektroauto und H. Tschüke, Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2015.

  • Geräuscharmes Fortbewegen
  • Gute Beschleunigung
  • Gut ausgebautes öffentlich zugängliches e-Ladenetz für PKW
  • Geringer ökologischer Fußabdruck

Nachteile:

  • Derzeit geringere Reichweiten als konventionelle Antriebsformen
  • Ladedauer
  • Hohe Anschaffungskosten
  • Öffentlich zugängliches e-Ladenetz für LKW ist noch nicht so stark ausgebaut

 

Hybridantrieb (HEV – Hybrid Electric Vehicle):

Bei der Hybridantriebstechnologie werden Verbrennungsmotoren mit Elektromotoren kombiniert. Unterschieden wird zwischen paralleler Hybrid und serieller Hybrid:

  • Paralleler Hybrid: Verbrennungsmotor und Elektromotor treiben gemeinsam das Fahrzeug an (mechanische Verbindung), teilweise ist ein rein elektrischer Betrieb möglich.
  • Serieller Hybrid: Antrieb des Fahrzeuges ausschließlich über Elektromotor, der Verbrennungsmotor treibt den Elektromotor an oder lädt die Batterie.

Hybridantrieb: Paralleler Hybrid vs. Serieller Hybrid

Speichermedium: Hochvolt-Batterie / Kraftstoff
Antrieb: Elektromotor / Verbrennungsmotor

Vorteile:

  • Hohe Reichweiten
  • Geringe Ladedauer, da via Kraftstoff Energie zugeführt werden kann
  • Gute Beschleunigung

Nachteile:

  • CO² Ausstoß während Fahrt mit Verbrenner
  • Nur der Plug-In-Hybrid kann extern mit erneuerbarer Energie geladen werden
  • Höhere Wartungskosten
  • Hohes Gewicht

 

Wasserstoffantrieb (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicles):

Das Fahrzeug wird durch Elektromotoren angetrieben, anders als beim BEV wird die elektrische Energie allerdings durch die Brennstoffzelle bereitgestellt. Wasserstoff reagiert in einem chemischen Prozess mit Sauerstoff und erzeugt Energie. Üblicherweise ist auch ein kleiner Batteriespeicher im Fahrzeug installiert, um als Zwischenspeicher auch Lastspitzen abzudecken sowie auch bei der Rekuperation die Bremsenergie rückzugewinnen. Wasserstoff kann in Tanks gasförmig gespeichert und transportiert werden.

Speichermedium: Wasserstoff
Antrieb: Elektromotor

Vorteile:

  • Kurze Betankungszeiten (ähnlich Diesel/Benzin betriebene Fahrzeuge)
  • Im Betrieb CO2 neutral
  • Hohe Reichweiten möglich

Nachteile:

  • Sehr überschaubares Versorgungsnetz (ca. 5 Tankstellen in Österreich und ca. 100 in Deutschland)
  • Sehr hohe Anschaffungskosten
  • Geringer Gesamt-Wirkungsgrad (Herstellung Wasserstoff bis Vortrieb Fahrzeug)

Energiebilanz des Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugs mit Strom aus erneuerbaren Quellen

Energiebilanz des Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugs

Die Prozentzahlen beschreiben Verluste bzw. Wirkungsgrade der jeweiligen Stufe. Der Gesamtwirkungsgrad ist das Produkt der Wirkungsgrade des gesamten Pfades.
Eigene Darstellung mit Informationen von https://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle#Elektrischer_Wirkungsgrad_Kosten_Lebensdauer und H. Tschüke, Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2015.

 

Erdgas CNG (Compressed Natural Gas) / Autogas LPG (Liquefied Petroleum Gas):

Als Antrieb dient der klassische Ottomotor. Meist in der Form eines Bivalenten Antriebes d.h. man kann den Motor sowohl mit Erdgas (CNG) als auch mit Benzin betreiben. Um die entsprechende Energiedichte zu erreichen muss das Erdgas (CNG) unter Druck gesetzt werden (ca. 200bar), dies macht die Lagerung etwas aufwändiger im Vergleich zum flüssigen Autogas (LPG).

Vorteile Erdgas (CNG): 

  • Geringerer Schadstoffausstoß als konventionelle Antriebsarten (Benzin/Diesel) bis zu 80 % –> im Fahrbetrieb
  • Wirkungsgrad ähnlich eines Dieselantriebes
  • Natürlich vorkommendes Erdgas
  • Treibstoffkosten sind günstiger als Diesel und Benzin

Nachteile Erdgas (CNG):

  • Sehr flüchtig, da leichter als Luft
  • Treibhausgas –> Methan trägt stark zur Erderwärmung bei
  • Tankstellennetz ist noch nicht flächendeckend verfügbar
  • Aufgrund geringerer Energiedichte im Vergleich zu Benzin (31,7 MJ/l) und Diesel (35,8 MJ/l) ergibt sich ein Verbrauchs-Mehrbedarf –> Zum Vergleich CNG weist eine Energiedichte von 21 MJ/l auf

Vorteile Autogas (LPG):

  • Höhere Reichweiten als bei Erdgasbetriebenen Fahrzeugen (gleicher Tankinhalt, Reichweite ca. x3)
  • Treibstoffkosten sind günstiger als Diesel und Benzin
  • Tankstellennetz ist bereits gut ausgebaut

Nachteile Autogas (LPG):

  • Erhöhter Schadstoffausstoß im Vergleich zu Erdgas –> Im Fahrbetrieb
  • Aufgrund geringerer Energiedichte im Vergleich zu Benzin (31,7 MJ/l) und Diesel (35,8 MJ/l) ergibt sich ein Verbrauchs-Mehrbedarf –> Zum Vergleich LPG weist eine Energiedichte von 24,8 MJ/l auf

 

E-Fuel (Elektro-Kraftstoff):

Unter E-Fuel versteht man synthetisch hergestellte Kraftstoffe. Grundsätzlich würde die Infrastruktur (Tankstellennetz) und Fahrzeuge (Diesel/Benzin) gleichbleiben, nur eben nicht mit herkömmlichen Kraftstoffen betankt werden, sondern mit E-Fuel. Hierzu wird in einem energieintensiven Prozess per Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser gewonnen und mit Kohlenstoff aus CO₂ der Umgebungsluft oder Industrieabgasen verbunden. Der Grundgedanke ist gut, die Umsetzung aber derzeit noch nicht ausreichend greifbar.

Vorteile:

  • Infrastruktur (Tankstellennetz) und Fahrzeuge (Benzin/Diesel) könnten weiter genutzt werden
  • Betankungszeit, Transport, Lagerung – ähnlich Benzin und Diesel

Nachteile:

  • Zur Gewinnung von E-Fuel wird elektrische Energie benötigt – sehr ineffizient
    • Gesamtwirkungsgrad: Von der ursprünglichen elektrischen Energie, werden nur etwa 10-35 % in Nutzenergie (Vortrieb Fahrzeug) umgewandelt.
Gesamtwirkungsgrad Alternative Antriebskonzepte

Quelle: in Anlehnung an: https://www.futuremanagementgroup.com/de/haben-wasserstoff-brennstoffzellen-autos-eine-glaenzende-zukunft/# and
WTT ( LBST, IEA, World Bank) TTW, T&E calculations

  • Beim derzeitigen Deutschen Strommix (2018) würde 3-4x mehr Treibhausgase erzeugt werden, als mit vergleichbaren fossilen Kraftstoffen –> Für eine Klimafreundliche Bilanz müsste der Strommix bei min. 90 % erneuerbarer Energie liegen!
  • Aufgrund der noch nicht massentauglichen Produktion sind die Preise horrend und das Produkt auch nur in sehr begrenzten Mengen verfügbar

 

Fazit

Aus derzeitiger Sicht unter Berücksichtigung der verfügbaren und massentaugleichen Technologien, bleibt Kurz- bzw. Mittelfristig nur das BEV (Battery Electric Vehicle) als einzige Alternative übrig, um die konventionellen Verbrennungsmotoren abzulösen. Die Antriebstechnologie ist ausgereift und im Akku-Sektor werden weiterhin große Fortschritte gemacht. Ebenfalls gilt es zu beachten, dass im Katastrophenfall die Energieversorgung mit elektrischer Energie einfacher zu bewerkstelligen ist, als fossile Brennstoffe zu erhalten. Natürlich ist derzeit Diesel Energiequelle Nummer 1 im Katastrophenfall, allerdings wird es wohl auch hier ein Umdenken geben mit zunehmender Elektrifizierung von Fahrzeugen.

Langfristig wird das BEV in der breiten Masse die konventionellen Antriebe verdrängen. Für Spezialanwendungen, wo der rein-elektrische Antrieb nicht darstellbar oder unwirtschaftlich ist, wird man auf andere Technologie zurückgreifen müssen, wie allerdings erkennbar ist, sind die meisten noch nicht ausgereift, zu teuer oder schlicht und ergreifend nicht klimafreundlich.

Im LKW-Sektor sind bereits zwei Tendenzen in Bezug auf alternative Antriebskonzepte abzulesen: Innerstädtischer Verteilverkehr mit rein elektrischen Antrieb, Langstrecken-Transportverkehr mit Wasserstoff-Brennstoffzellen Antrieb.