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Published in: MTZ - Motortechnische Zeitschrift 5/2022

01-05-2022 | Im Fokus

Zusammenspiel aller Antriebsarten

Authors: Christian Beidl, Alexander Heintzel

Published in: MTZ - Motortechnische Zeitschrift | Issue 5/2022

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Vor allem die in Deutschland prognostizierte Zahl für Pkw mit vollelektrischen Antrieben bis 2030 erscheint mehr denn je unrealistisch. Zu groß sind die Unwägbarkeiten bei der Energiebereitstellung sowie beim Erfolg dieser Fahrzeuge im Markt. Gleichzeitig kann als gesichert gelten, dass durch den Einsatz von synthetischen Kraftstoffen auch andere Antriebsarten einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leisten. Dies könnte ein Wendepunkt in der Klimadebatte sein.
Der Kampf gegen den Klimawandel gleicht vielerorts, zum Beispiel in Deutschland, der Bekämpfung der Corona-Pandemie: Anerkannte Fachleute empfehlen nachhaltige und systemische Maßnahmen - die Politik setzt diese aber oft populistisch um oder verfällt der Versuchung vereinfachter, ideologisch geprägter Ansätze. Dabei wird die Latte für die E-Mobilität sehr hoch gelegt: Sie soll das Klima retten, die Mobilität der Zukunft bestimmen und gleichzeitig eine mindestens ebenso gute Funktionalität bereitstellen wie andere Antriebsarten. Das klingt erstmal toll. Diese Erwartungshaltung ist aber derart groß, dass sie der E-Mobilität eher schadet als nutzt, denn sie kann ihr volles Potenzial eigentlich nur im Mix verschiedener Antriebsarten ausspielen. Wohl deshalb fordert die EU seit Kurzem den zügigen Einsatz von synthetischen und von Biokraftstoffen. In Deutschland stuft Agora Energiewende diese Energieträger erstmalig als wichtig zur Erreichung der Klimaziele ein. Selbst der heutige Staatssekretär im Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung und ehemalige Umwelt-Staatssekretär, Jochen Flasbarth, der sich in den vergangenen Jahren als großer E-Lobbyist positionierte, trat zuletzt mit einer ähnlichen Botschaft vor die Presse. Und auch die neue Bundesregierung setzt sich im Koalitionsvertrag "dafür ein, dass nachweisbar nur mit E-Fuels betankbare Fahrzeuge neu zugelassen werden können" [1].
Eine spürbare und nachhaltige Reduktion der durch den Verkehrssektor verursachten, globalen CO2-Emissionen ist machbar. Dies kann aber nicht ausschließlich mit E-Fahrzeugen erreicht werden. Es bedarf auch des flächendeckenden Einsatzes flüssiger oder gasförmiger Energieträger auf nachhaltiger Basis. Diese Ansicht ist zwar in den oft sehr einseitig geführten öffentlichen Diskussionen zur Umweltpolitik nicht gerade populär, stellt aber eine Conditio sine qua non dar. Denn der aktuelle Fahrzeugbestand beträgt allein in Deutschland 57 Millionen Fahrzeuge, davon rund 48 Millionen Pkw. In der EU sind rund 250 Millionen und global etwa 1,4 Milliarden Fahrzeuge auf der Straße. Eine Umweltpolitik, die diesen Altbestand nicht berücksichtigt, ist nicht zielführend, denn viele dieser Fahrzeuge werden in 20 Jahren noch auf den Straßen unterwegs sein - auch in Europa. Selbst hohe Zuschüsse beim Kauf von BEVs kompensieren nicht die fehlende Reichweite und den hohen Anschaffungspreis, denn selbst im reichen Deutschland lag 2020 der Durchschnittsverdienst von Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmern in Vollzeit bei 3975 Euro brutto im Monat [2] - und auch diese Menschen müssen an Mobilität teilhaben können. Hinzu kommt die Problematik einer unzureichenden Infrastruktur im Stromnetz. Sicher, genug Wind- und Solarstrom ließe sich vielleicht produzieren, aber leider nicht puffern, da bisher keine Anlagen dafür bereitstehen. Und der Strom lässt sich auch nicht in die Wohngebiete bringen, da die Mittelspannungsleitungen vielerorts nicht dafür ausgelegt sind, in jeder Straße eine größere Anzahl E-Fahrzeuge sicher zu versorgen. Dabei ist die Industrie, die ebenfalls auf Strom aus nachhaltigen Quellen umgestellt werden soll, noch gar nicht berücksichtigt.

Synthetische Kraftstoffe sind nachhaltig

Oft wird der Energieverlust bei der Herstellung beispielsweise von Wasserstoff aus grünem Strom als ein sogenannter Game-Stopper gegenüber der batterieelektrischen Mobilität angeführt. Allerdings müsse bedacht werden, sagt Prof. Michael Bargende (FKFS), dass zukünftig zum einen grüner Strom zwischengespeichert werden muss, um eine Versorgungssicherheit zu gewährleisten, und zum anderen Energieimporte in Form chemischer Energieträger erfolgen werden. "In beiden Fällen führt eine Rückverstromung zu derartigen Wirkungsgradverlusten, dass eine Direktverwendung die weit effizientere Lösung ist. Wenn wir von Wasserstoff zu E-Fuels übergehen, dann tritt - entgegen anderslautender Meinungen - praktisch kein Wirkungsgradverlust auf, weil die erheblichen Energieverluste beim Wasserstoff von der Produktion bis zum Fahrzeugtank zu berücksichtigen sind", bilanziert Bargende [3]. Demnach stellen synthetische Kraftstoffe eine nachhaltige Lösung dar, die keine neue weltweite Infrastruktur benötigt und nicht nur für die Bestandsfahrzeuge eine dringend notwendige CO2-Reduktion gewährleistet, sondern auch ausschlaggebend sein wird für eine systemwichtige und nachhaltige Mobilität der Zukunft. Auch für die Fahrzeuge selbst ist der Unterschied wesentlich geringer als oft kolportiert, wenn die tatsächlichen Realfahrwirkungsgrade betrachtet werden und der heutige Stand der Technik zugrunde gelegt wird.
Das von der EU und dem Bundesland Bremen geförderte Elektrolyseur-Testfeld im Wasserstoff-Kompetenzzentrum Bremerhaven ist in diesem Zusammenhang beispielsweise ein wichtiger Technologieträger: "Die Anwendungsmöglichkeiten reichen", so die Initiatoren, "von der Verwendung zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe für Fahrzeuge, Methanersatz für die Gasheizung von Gebäuden und bis zum Ersatz fossiler Rohstoffe in der Industrie" [7]. Die Motivation der Partner der Initiative folgt dabei den Grundsätzen der Physik: "Sonne und Wind sind nicht jeden Tag in gleichem Maße verfügbar - eine Energieversorgung, die in zunehmendem Maße auf erneuerbare Energien setzt, benötigt ein Speichermedium, um die natürlichen Schwankungen ausgleichen und Überschüsse erhalten zu können: Wasserstoff als molekularer Energiespeicher, der durch Verbrennung wieder zu Energie wird, gilt als ein zentraler Baustein der Energiewende" [8]. Würde diese Kompetenz nun in Länder exportiert, die einen hohen Ertrag an Wind- und Sonnenenergie haben, dann könnte dies zum Schlüssel für künftige Primärenergieimporte werden und gleichzeitig den Technologiestandort Deutschland stärken.

Ziele vollelektrifiziert verfehlt

Vor diesem Hintergrund ist das im Koalitionsvertrag der neuen Bundesregierung fixierte Ziel von "einer Million öffentlich zugängliche[n] Ladepunkte[n] bis 2030 mit Schwerpunkt auf Schnellladeinfrastruktur" [9] sowie "mindestens 15 Millionen vollelektrische[n] Pkw im Jahr 2030" [10] kritisch zu betrachten. Denn es setzt zum einen eine Infrastruktur voraus, die erst noch unter hohem Investitionsaufwand zu schaffen ist, impliziert einen zumindest fraglichen CO2-Vorteil elektrischer Energieträger und unterstellt zum anderen eine hohe Bereitschaft zum Kauf batterieelektrischer Fahrzeuge, die selbst in einem stark regulierten Markt derzeit nicht zu erkennen ist. Da in Deutschland pro Jahr knapp 3 Millionen Neufahrzeuge zugelassen werden, hieße dies, dass rund 60 % der Verkäufe auf BEVs entfallen müssten, was auch dann nicht sehr realistisch erscheint, wenn der Fahrzeugbestand tatsächlich, wie teilweise prognostiziert, um knapp 4 % zunimmt. Aktuell sind hierzulande rund 517.000 BEVs und 494.000 PHEVs zugelassen, was einem Anteil von 0,64 beziehungsweise 0,58 % am Fahrzeugbestand entspricht (Stand Oktober 2021) [11]. Die EU prognostiziert einen Anteil von 20 % E-Pkw in 2030 in allen ihren Mitgliedsstaaten bei einem Marktanteil von FCEVs und BEVs von 50 %. Dabei ist oftmals unklar, ob die jeweiligen Urheber nun nur BEVs aufführen oder auch PHEVs und FCEVs miteinbeziehen. Diese Prognose scheint jedoch sehr optimistisch, da sie viele Unwägbarkeiten enthält. Selbst wenn sie eintrifft und gleichzeitig zur Energie- auch eine intermodal orientierte Verkehrswende vollzogen wird, befindet sich eine große Anzahl von Fahrzeugen im Markt, die gasförmige oder flüssige Energieträger benötigen, um funktionale und systemische Anforderungen zu erfüllen, die zwingend abgebildet werden müssen [12].
Eine dieser erwähnten Unwägbarkeiten in der Prognose ist die Menge des vor Ort zur Verfügung stehenden Stroms. Eine durchschnittliche Autobahnraststätte verfügt über rund zwölf Zapfsäulen. Bei einer Pumpenleistung pro Zapfsäule von 35 l/min liege, so Bargende, eine Tankleistung von 18 MW pro Zapfsäule vor. Nehme man demgegenüber eine Anschlussschlussleistung von 6 MW pro Ladepunkt an, dann benötige eine typische Autobahntankstelle mit rund zwölf Zapfsäulen 600 Schnellladepunkte mit 72 MW Anschlussleistung, um den heute üblichen Durchsatz an energieaufnehmenden Fahrzeugen annäherungsweise auch für schnellladende BEVs zu erreichen. Bargende: "Selbst, wenn wir von einem Energieverbrauchsunterschied zwischen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, bezogen auf die Bestandsflotte, und BEVs um den Faktor 3 ausgehen, wird zu Spitzenzeiten immer noch eine elektrische Anschlussleistung von mindestens 50 bis 60 MW benötigt. Es ist schwer vorstellbar, dass dies realisierbar ist" [13, 14].

Keine Zukunft ohne Technologieoffenheit

Wohl deshalb verspricht die deutsche Bundesregierung, dass "gemäß den Vorschlägen der Europäischen Kommission […] im Verkehrsbereich in Europa ab 2035 nur noch CO2-neutrale Fahrzeuge zugelassen [werden]" und setzt sich "für die Verabschiedung einer ambitionierten und umsetzbaren Schadstoffnorm Euro 7 ein" [15]. Dies soll "technologieoffen" [16] ausgestaltet werden. Und hier kommen synthetische Kraftstoffe und Biokraftstoffe der neuesten Generation ins Spiel. Offensichtlich wurde nun erkannt, dass diese flüssigen oder gasförmigen Energieträger einen ebenso wichtigen Beitrag zur nachhaltigen CO2-Senkung leisten können wie elektrische. An den Sweet-Spots dieser Welt mit nachhaltiger Energie produziert, werden sie als Blend oder in Reinform zur Verfügung stehen - und das nicht nur für den Fahrzeugaltbestand, sondern auch für neue Fahrzeuge. Mit synthetischem Diesel- und Ottokraftstoff oder Wasserstoff betriebene, thermodynamische Energiewandler wirken in der Gesamtbilanz Cradle-to-Cradle ebenso defossilisierend wie rein elektrische Antriebe. Laut Prof. Uwe Dieter Grebe (AVL) beträgt der klimarelevante Footprint über den gesamten Lebenszyklus mit heutigen Energieträgern und heutigem Energiemix 31 t CO2 bei einem Mittelklasse-Pkw mit Verbrennungsmotor, 24 t bei einem BEV und 32 t bei einem FCEV. Kommen synthetische Kraftstoffe und Wasserstoff sowie Strom aus nachhaltigen Quellen zum Einsatz, liegen die drei Antriebsarten nahezu gleich auf, selbst wenn für E-Fuels im Pkw nur eine begrenzte Verfügbarkeit angenommen wird [17].
Ausgehend von der Prämisse, dass sich die Diskussion derzeit an einem entscheidenden Wendepunkt befindet, gewinnt sie in ihrer Fokussierung auf die Klimawirksamkeit langsam an Reife und Struktur, zum Beispiel dadurch, dass die Vermischung von Klima- und Luftqualität aufgelöst wird. Aufgrund der zahlreichen vorliegenden Fakten zu den Auswirkungen moderner Energieträger und -wandler insgesamt, der nachweislichen Marktreife synthetischer Kraftstoffe sowie der Zukunftsfähigkeit moderner Verbrennungskraftmaschinen in Verbindung mit diesen nachhaltigen Kraftstoffen müsste das Potenzial hinsichtlich der Erreichung der Luftqualitätsziele auch unvoreingenommen für alle Antriebsarten bewertet werden, wie ein weiterführender Beitrag auf SP-Online zeigt [18].
Auch beim Thema Klimaschutz trifft wissenschaftliche Expertise auf eine gefährliche Melange: Politische Entscheidungsträger überhören sie, und in einer auf Entertainment ausgerichteten Medienwelt oder der Öffentlichkeit werden komplexe Erkenntnisse gern ignoriert. Gleichzeitig wird sich gern der Wissenschaft bedient, aber nur diejenigen Ergebnisse akzeptiert, die den jeweiligen Standpunkt untermauern. Nötig für erfolgreichen Klimaschutz ist aber eine systemische und technologieoffene Betrachtung von Energieträgern und -wandlern über die gesamte Wirkungskette. Nur so lassen sich die Potenziale für eine nachhaltige globale CO2-Senkung gezielt heben. Die große Aufgabe von Wissenschaft, Politik, Industrie und Medien ist es, die Technologiediskussion als ein "Sowohl-als-auch" in Richtung Next Generation Engines in einem nachhaltigen Energiesystem zu gestalten und dies auch in der Gesellschaft zu verankern. Den aktuellen Entscheidungen in der EU und dem Programm der neuen Bundesregierung scheint zumindest die Erkenntnis innezuwohnen, dass nur eine zukunftsgerichtete Koexistenz aller nachhaltigen Energieträger und aller Energiewandler den CO2-Ausstoß global dauerhaft zu senken hilft.

Literaturhinweise

[1]
Koalitionsvertrag zwischen SPD, Bündnis 90/ Die Grünen und FDP: Mehr Fortschritt wagen. Bündnis für Freiheit, Gerechtigkeit und Nachhaltigkeit, S. 51. Online: https://www.spd.de/fileadmin/Dokumente/Koalitionsvertrag/Koalitionsvertrag _2021-2025.pdf, aufgerufen: 28. Januar 2022
 
[2]
Statistisches Bundesamt: Verdienste und Verdienstunterschiede. Verdienste 2020. Online: https://www.destatis.de/DE/Themen/Arbeit/Verdienste/ Verdienste-Verdienstunterschiede/verdienste -branchen.html, aufgerufen: 28. Januar 2022
 
[3]
Bargende, M.: Kraftfahrzeugantriebe der Zukunft - im Spannungsfeld zwischen Wunsch und Wirklichkeit. Tagung Zukunft antreiben. Quo vadis Verbrennungsmotor? Festkolloquium anlässlich des 60. Geburtstages von Prof. Dr. techn. Christian Beidl, Darmstadt, 2021
 
[4]
Klement, W.: Realenergiebedarf alternativer Fahrzeugkonzepte. In: ATZ 122 (2020), Nr. 12, S. 76-80
 
[5]
Lipp, S.: Real World Emissionen elektrifizierter Antriebe und Effekte der RDE-Gesetzgebung. Graz, Technische Hochschule, Dissertation, 2021
 
[6]
Wouters, C.G.L. et al: ICE2025+ Ultimate System Efficiency, 30. Aachen Colloquium Sustainable Mobility, Aachen, 2021
 
[7]
Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung mbH: Projekt "Grüner Wasserstoff für Bremerhaven" startet. Online: https://green-economy-bremerhaven.de/2020/06/projekt-gruener-wasserstoff-fuer-bremerhaven-startet/, aufgerufen: 18. Februar 2022
 
[8]
Ebenda
 
[9]
Koalitionsvertrag zwischen SPD, Bündnis 90/ Die Grünen und FDP, ebenda, S. 51f
 
[10]
Ebenda, S. 27
 
[11]
Statistisches Bundesamt: Anzahl der Elektroautos in Deutschland von 2011 bis 2021. Online: https://de.statista.com/statistik/daten/ studie/265995/umfrage/anzahl-der-elektroautos -in-deutschland/, aufgerufen: 28. Januar 2022
 
[12]
Beidl, C.: Einleitungs-Keynote. Tagung Zukunft antreiben. Quo vadis Verbrennungsmotor? Festkolloquium anlässlich des 60. Geburtstages von Prof. Dr. techn. Christian Beidl, Darmstadt, 2021
 
[13]
Bargende, M.: ebenda
 
[14]
Elektroautos auf der Langstrecke: Wie kann das funktionieren? Online: https://www.adac.de/rund-ums-fahrzeug/tests/elektromobilitaet/ schnellladen-langstrecke-ladekurven/, aufgerufen: 28. Januar 2022
 
[15]
Koalitionsvertrag zwischen SPD, Bündnis 90/Die Grünen und FDP, ebenda, S. 51
 
[16]
Ebenda, S. 55
 
[17]
Grebe, U. D.: Zukünftiger "Motor" der Mobilität - elektrisch oder thermodynamisch? Tagung Zukunft antreiben. Quo vadis Verbrennungsmotor? Festkolloquium anlässlich des 60. Geburtstages von Prof. Dr. techn. Christian Beidl, Darmstadt, 2021
 
[18]
Beidl, C.; Heintzel, A: Moderne Antriebssysteme entscheidend für Luftqualität. Online: https://go.sn.pub/futuremobilityMTZ, abrufbar ab: 8. April 2022
 

Meinung

"Es ist schön, dass an einigen Stellen in Politik und Medien neu gedacht wird, denn nur wenn die komplexen Strukturen durchdrungen werden, kann eine zielgerichtete Defossilisierung gelingen. Bleibt zu hoffen, dass dieses Umdenken nachhaltig ist, denn nur eine faktenbasierte und entpolarisierte Beurteilung der Maßnahmen zum Klimaschutz hat eine Chance auf Erfolg. Das geht nur mit und nicht gegen die Expertise von Wissenschaft und Technik und nur im Zusammenspiel aller Antriebsarten."

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Metadata
Title
Zusammenspiel aller Antriebsarten
Authors
Christian Beidl
Alexander Heintzel
Publication date
01-05-2022
Publisher
Springer Fachmedien Wiesbaden
Published in
MTZ - Motortechnische Zeitschrift / Issue 5/2022
Print ISSN: 0024-8525
Electronic ISSN: 2192-8843
DOI
https://doi.org/10.1007/s35146-022-0811-0

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