Alternativen für die Individualmobilität von morgen

Nürnberg, im Januar 2021. Der Deutsche Bundestag hat im September 2016 den Beitritt zum Uno-Klimaschutzabkommen einstimmig beschlossen und damit das Ziel der Klimaneutralität in rund 30 Jahren festgelegt; demnach dürfen wir zukünftig im Gesamtsystem nur maximal so viel CO ₂ emittieren, wie wir gleichzeitig absorbieren. Der Ruf nach Antriebsalternativen wird immer lauter und stellt Industrie und Gesellschaft vor große Herausforderungen. Doch welche Alternativen gibt es und welche sind die richtigen? Ein kritischer Kommentar von Dr. Guido Weißmann (Leiter Kompetenzstelle Elektromobilität) und Prof. Dr.-Ing. habil. Oliver Mayer (Leiter Spezialisierungsfeld Energie) über die Antriebsalternativen der Zukunft und ihre jeweiligen Stärken und Schwächen.

Insgesamt decken wir heute etwas weniger als 20 Prozent unseres gesamten Energiebedarfes durch regenerative Energien (Wärme und Strom). Die restlichen 80 Prozent werden durch Öl, Kohle , Gas und Kernkraft getragen, die wir zukünftig ersetzen müssen. Betrachtet man nur den Strombereich, so liegt der Grünanteil bilanziell immerhin schon bei 40 bis 50 Prozent, ist aber insgesamt noch immer deutlich zu niedrig.

Entzieht man nun dem Stromnetz Grünstrom für neue Anwendungen, dann fehlt dieser im Netz. Andere Verbraucher laufen aber trotzdem und beziehen ihre Energie folglich aus fossilem Strom. Selbst bei neu aufgebauten PV- oder Windkraftanlagen kann man gegenrechnen, dass man diesen Zusatz-Grünstrom als Kohleersatz zumindest bilanziell auch einspeisen könnte.

Für eine vereinfachte Gesamtbetrachtung ist es daher legitim, bei jeder verbrauchten Kilowattstunde immer die CO ₂ -Emission im Deutschen Strommix von heute 400 g pro kWh anzusetzen (ganz nebenbei: der Mensch erzeugt pro kWh 1450 g CO ₂ ). Das sind die Rahmenbedingungen, an denen sich unser Handeln sowie unsere individuellen Wünsche und Interessen zunehmend orientieren müssen.

Optimierungsvisionen des Verbrenners

In Diskussionen werden häufig die Optimierungspotenziale der Verbrennertechnologie genannt. Dabei ist die Suche nach einem Verbrennungsmotor mit weniger CO ₂ -Emission eigentlich ein Trugschluss. Genau genommen will man möglichst viel CO ₂ erzeugen, denn - vereinfacht ausgedrückt - ist das der chemische Prozess, um die Energie aus dem Treibstoff zu bekommen (ohne Berücksichtigung von Nebenprozessen, bei denen andere Schadstoffe entstehen, z. B. NOx, SOx etc.): “Kohlenwasserstoff verbrennt mit Sauerstoff zu CO ₂ und setzt dabei Energie frei.”

Jedes C-Atom, das nicht in CO ₂ umgewandelt wurde, trägt nicht vollständig zum Fahrzeugantrieb bei und landet letztlich ungenutzt als Ruß im Abgas. Bei einer idealen Verbrennung entstehen somit zwangsweise 2,6 kg / 2,3 kg CO ₂ pro verbranntem Liter Diesel / Benzin. Moderne Verbrenner kommen diesem Grenzwert näher und erzeugen pro Liter Treibstoff mehr CO ₂ als ältere Aggregate, weil sie effizienter verbrennen.

Nach einer aktuellen Studie der TU Eindhoven kommen noch über 30 Prozent Emissionen aus

• Treibstofferzeugung,
• Treibstofftransport,
• Treibstofflagerung und
• Treibstoffbereitstellung dazu.

Die vielfach beschworenen Verbrennerpotenziale, sofern nach rund 150 Jahren Motorentwicklungen hier überhaupt noch deutliche Entwicklungen zu erwarten sind, beziehen sich daher ausschließlich darauf, wie effizient im übertragenen Sinne die erzeugte CO ₂ -Menge in Motor- bzw. Antriebsleistung umgesetzt wird.

Aus Umweltsicht sind jedoch ausschließlich die erzeugten, rund 3 kg CO ₂ pro verbranntem Liter Treibstoff entscheidend. Ungeachtet diverser Hochglanz-Fahrzeugprospekte liegt der tatsächliche Treibstoffverbrauch in Deutschland durchschnittlich bei etwas über 7 Liter pro 100 km. Dem gegenüber fordert die Rechtslage in der Flottenemission bis 2030 praktisch ein 2,5 Liter Auto. Mit Blick auf die physikalisch-chemischen Grundlagen sowie den Trend zum leistungsstakten SUV erscheint es daher schon fast absurd, dem Verbrenner noch umweltrelevante Optimierungspotenziale zuzuschreiben.

Mit Strom auf die Straße

Betrachtet man Mobilität isoliert, dann sind E-Autos besonders umweltgerecht, wenn sie mit regenerativer Energie betrieben werden. In der Realität bieten daher praktisch alle nennenswerten Ladeinfrastrukturbetreiber ausschließlich Grünstrom an ihren Ladesäulen an. Aus Sicht des Gesamtsystems ist es allerdings irrelevant, ob der begrenzte Grünstrom für ein Elektroauto, einen PC oder einen Kochherd eingesetzt wird. Verbrauchen kann man ihn nur einmal.

Bilanziell schlägt jede Kilowattstunde im Deutschen Strommix immer mit rund 400 g CO ₂ pro kWh zu Buche. Ein mittelgroßer E-PKW verbraucht durchschnittlich 16 kWh pro 100 km. Dazu kommen noch insgesamt rund 20 Prozent Effizienzverluste im Stromnetz sowie beim Ladevorgang der Batterie. Damit steigt der tatsächliche Energiebedarf auf 20 kWh, was in der Gesamtbetrachtung einer Emission von 80 g CO ₂ pro km ergibt. Da man mit jedem elektrisch gefahrenen Kilometer den entsprechenden Benzin- bzw. Diesel-Verbrauch vermeidet, reduziert das E-Auto die CO ₂ -Emission um etwa die Hälfte. Darüber hinaus verringert sich die Emission mit jeder neuen PV- oder Windkraftanlage kontinuierlich weiter.

Alleine in den letzten fünf Jahren ist die CO ₂ -Emission im Energiemix um rund 25 Prozent gefallen, wohingegen beim Verbrenner aus physikalisch-chemischen Gründen keine wesentlichen Verbesserungen mehr zu erwarten sind. Genau genommen wäre es aus Umweltsicht sogar noch besser, den Treibstoff in einer modernen KWK-Anlage (Kraftwärmekopplung) zu verstromen und damit E-Autos zu betreiben. Außerdem könnte dadurch auch die zusätzliche Wärme genutzt werden, die sonst separat mit fossilen Brennstoffen erzeugt werden müsste.

Oder doch lieber Wasserstoff?

In öffentlichen Diskussionen wird oftmals der Umstieg auf Wasserstoff (H2) gefordert. Brennstoffzellen erzeugen daraus im Fahrzeug Strom für den Elektromotor. Daher zählen H2-Fahrzeuge eigentlich auch zur Elektromobilität. Lediglich der Energiespeicher ist keine Batterie, sondern ein Brennstoffzellensystem. Als Abfallprodukt entsteht dabei Wasser. Das ist Umweltschutz par excellence.

Im Fahrzeug (“Tank-to-Wheel") ist das auch durchaus richtig. Ärgerlicherweise liegt das Problem aber vor dem H2-Fahrzeug. Denn in der Natur kommt reiner Wasserstoff praktisch nicht vor. Vielmehr muss man ihn mit hohem Energieaufwand aus dem ziemlich stabilen Wasser-Molekül extrahieren. Allein dieser eine Schritt ist etwa so effizient wir die gesamte “Strom-Kette” der Batterie-Elektromobilität vom Windrad bis zum Reifen (Well-to-Wheel). Hinzu kommen bei H2 noch deutliche Verluste durch Transport, Lagerung, Bereitstellung sowie Rückverwandlung in Strom.

Glaubt man einschlägigen Studien, dann kommen am Ende lediglich rund 20 bis 30 Prozent der eingesetzten Energie am Reifen an. Spart man sich den letzten Umwandungsschritt und verbrennt H2 direkt im Zylinder, dann bleibt am Ende noch weniger nutzbare Energie übrig (ca. 18 Prozent). Im Vergleich dazu ist es bei der Batterie-Elektromobilität genau andersherum, 20 Prozent Verlust und 80 Prozent Energienutzung. Setzt man auch beim H2-Fahrzeug einen Energiebedarf von 16 kWh je 100 km an, so erhält man letztlich in der Gesamtbetrachtung bilanziell einen desaströsen Emissionswert von über 300 g CO ₂ pro km.

Allerdings ist Wasserstoff ein gutes Speichermedium und bietet insbesondere bei großen Energiemengen einen Gewichtsvorteil, wenn Batterien aufgrund ihrer Größe zu schwer werden. Diesen Vorteil kann H2 aber eigentlich erst oberhalb eines PKWs ausspielen. Tatsächlich wiegt ein Toyota Mirai bei vergleichbarer Reichweite etwa genauso viel wie ein Tesla Model 3. Interessant wird es allerdings bei LKWs oder Reisebussen, der Schifffahrt oder im Flugverkehr. Dennoch ist es auch hier entscheidend, dass H2 nicht einfach nur mit Grünstrom aus dem Netz, sondern mit regenerativem Überschussstrom erzeugt wird.

Gemeint ist Strom, der wegen lokalen Netzengpässen nicht eingespeist werden kann und damit verloren wäre. Das Potenzial hierfür ist mit 5 bis 6 Terrawattstunden pro Jahr jedoch derzeit relativ überschaubar und würde lediglich für den Betrieb von rund 500.000 H2-PKWs genügen, bei H2-LKWs entsprechend weniger. Andererseits wird dieser wirklich grüne Wasserstoff auch für viele andere Anwendungen dringend benötigt (Industrieprozesse, z. B. Stahlproduktion, Netzstabilisierung etc.) und ist damit eigentlich zu schade, um auf der Straße verfahren zu werden. Ohne massiven Import von grünem Wasserstoff und den damit verbundenen geopolitischen, wirtschaftlichen, großindustriellen und gesellschaftlichen Auswirkungen wird es nicht gehen. Insofern ist eine klimafreundliche H2-Mobilität im PKW-Bereich auf absehbarer Zeit eigentlich noch nicht ernsthaft zu realisieren.

Warum nicht mehr Biokraftstoffe?

Unter Biokraftstoffen versteht man Kohlenwasserstoffe, die aus Pflanzen hergestellt wurden, z. B. Pflanzenöl, Bioethanol, Biomethan und Biodiesel. Grundsätzlich sind Biokraftstoffe erneuerbar und CO ₂ neutral, da bei ihrer Entstehung über die Pflanze genauso viel CO ₂ aufgenommen wurde, wie bei der Verbrennung wieder abgegeben wird. Allerdings verschlechtert sich ihre Klimabilanz dann, wenn sie in agroindustriellem Maßstab mit großen Mengen an fossilem Treibstoff, Stickstoffdünger oder Strom gewonnen werden. Biokraftstoffe aus Abfall- bzw. Rest-Biomasse sind hier weniger problematisch, da die Pflanzen ihren eigentlichen Zweck bereits erfüllt hatten und ohnehin thermisch verwertet oder kompostiert worden wären. Allerdings ist das Potenzial zur Kraftstoffherstellung überschaubar.

Daher wird Biokraftstoff vorwiegend aus explizit hierfür angebaute Energiepflanzen gewonnen, z. B. Raps in Deutschland oder Zuckerrohr in Brasilien. Folgeerscheinungen durch Monokulturen und einseitige Bodenbelastungen aufgrund fehlender Fruchtfolge sind oft unausweichlich. Problematischer wird es zusätzlich dann, wenn man Regenwälder, Moore oder andere Biotope zerstört, um sie als Anbaufläche zu erschließen. Einschlägige Studien behaupten, dass Biodiesel aus gerodeten Regenwald-Flächen sogar klimaschädlicher ist als klassischer Diesel aus Erdöl. Ungeachtet dessen muss man sich auch der “Teller-Tank-Diskussion" stellen, insbesondere wenn in ärmeren Regionen landwirtschaftliche Nutzfläche für die Mobilität der Industrienationen genutzt wird.

Insgesamt kann man davon ausgehen, dass flüssige oder gasförmige Biokraftstoffe sicherlich eine geeignete Option als Beimischung in klassischen Treibstoffen (z. B. E10 Benzin), Nischenanwendungen oder überschaubaren Mobilitätssystemen (städtischer Nahverkehr etc.) sein können aber eher keine tragbare Lösung für unsere gesamte Massenmobilität.

Und dann gibt es noch die Synthetischen

Bei der Diskussion um den Antrieb von morgen kommen immer wieder synthetische Kraftstoffe ins Spiel. Was hat es damit auf sich? Synthetische Kraftstoffe sind ebenfalls regenerativ, basieren aber nicht auf Biomasse. Vereinfacht ausgedrückt wird zunächst durch Elektrolyse H2 hergestellt, der dann mit Hilfe von CO ₂ zu Kohlenwasserstoffen, also C-H-Ketten, karbonisiert wird. Der dadurch gewonnene künstliche Treibstoff ist nahezu identisch zu klassischem Benzin. Dabei wird CO ₂ absorbiert, bei der späteren Verbrennung im Motor aber wieder emittiert.

Aufgrund der sehr geringen Konzentration (0,04 Prozent) kann das CO ₂ jedoch nicht direkt aus der Luft entnommen werden. Anlagen zur synthetischen Kraftstoffherstellung stehen daher idealerweise dort, wo durch Industrieprozesse automatisch hohe CO ₂ -Konzentrationen anfallen. Das ist technisch nicht trivial aber durchaus in den Griff zu bekommen. Problematischer ist allerdings die Energiebilanz, denn die Karbonisierung von H2 reduziert die ohnehin schlechte Effizienz der Wasserstoffkette um weitere 5 bis 10 Prozent. Wenn wir daher schon bei grünem Wasserstoff auf Importe angewiesen sind, dann wird das bei Synthetischen noch drängender werden.

Allerdings bietet synthetischer Kraftstoff zwei wichtige Vorteile:

• Einerseits lässt er sich über längere Strecken effizienter bzw. wirtschaftlicher Transportieren und erfordert im Gegensatz zu reinem H2 keine energieintensive Kühlung oder Komprimierung.
• Andererseits kann er unmittelbar und ohne Anpassung von Motorentechnik oder Infrastruktur als vollständiger Treibstoffersatz für unsere heutigen Verbrenner eingesetzt werden.

Auch wenn die erforderlichen Mengen an überschüssiger regenerativer Energie nicht zur Verfügung stehen und die nötigen Produktionsanlagen noch nicht einmal geplant sind, könnten synthetische Kraftstoffe dennoch mittelfristig eine sinnvolle Möglichkeit darstellen, um den gigantischen Fahrzeugbestand von weltweit über 1,3 Mrd. Verbrennern klimaneutral zu gestalten. Heutige Autos haben (zumindest in Deutschland) eine Lebenserwartung von statistisch 12 Jahren. Viele Nationen wollen in 10 bis 20 Jahren keine neuen Verbrenner mehr zulassen. Die enorme Wertschöpfung der Synthetischen ist daher vermutlich nur auf die kommenden 30 bis 40 Jahre befristet. Das erschwert entsprechende Investitionsentscheidungen erheblich. Außerdem würde diese Alternative der politisch favorisierten H2-Energiewirtschaft widersprechen, weil dann auf lange Zeit grüner Wasserstoff zugunsten der Treibstoff-Synthetisierung nicht direkt zur Verfügung stehen würde.

Gibt es sonst noch Alternativen?

Abgesehen von der Batterie-Elektromobilität sehen die Wirkungsgrade der Antriebsalternativen nicht berauschend aus. Oder um es mit den Worten von VW-Chef Herbert Diess auszudrücken: “Wir haben die Forschung nicht eingestellt. Im Gegenteil. Gerade weil wir uns mit allen Alternativen zum Verbrenner intensiv beschäftigt haben, legen wir uns so klar auf die E-Mobilität fest.”

Andere Aspekte unserer heutigen Mobilität haben wir jedoch mit Blick auf Übersichtlichkeit und Komplexität dieses Textes überhaupt noch nicht thematisiert, z. B. der enorme Rohstoffeinsatz, der verhältnismäßig hohe Flächenbedarf eines Autos oder die immensen Kosten für eine Systemumstellung. Wenn man daher über Mobilität nachdenkt, kommt man zwangsweise auch zur Kernfrage: "Wie viel Mobilität brauchen wir überhaupt und wie viel können wir uns zukünftig noch erlauben?"

Zunächst ist das schwierig zu beantworten, da wir unsere heutige Mobilität seit jeher so gewohnt sind. Wie sollte es da jemals anders sein? Aber gerade hier bietet sich ein Ansatz, Mobilität neu zu denken . Und dabei geht es nicht um die Einschränkung von persönlichen Freiheiten. Heute befördern wir beispielsweise Menschen zwischen Wohnung und Arbeitsplatz hin und her. Ist das immer notwendig? In Zeiten von Covid-19 werden durch Homeoffice-Regelungen andere Möglichkeiten sichtbar, die für viele Tätigkeiten und Berufe durchaus funktionieren. Müssen Waren und Lebensmittel immer durch die halbe Welt geschifft werden? Schon heute bieten Supermärkte erste Regale mit heimischen Produkten, zwar noch in Maßen, aber durchaus ein Anfang. In Zukunft sind auch Prozesse denkbar, bei denen eine Firma ein Produkt entwickelt, aber nur die Produktionsdaten verschickt und beispielsweise über 3D-Druck vor Ort herstellt.

Viele derartiger Konzepte sind noch Theorie und bringen bei näherer Betrachtung oftmals andere Nachteile mit sich. Wichtig dabei ist allerdings, dass wir anfangen, Mobilität ganzheitlich zu denken, also insbesondere über das Auto hinaus, und alltagstaugliche Konzepte zu entwickeln.