Tauglich nur im Nahbereich: Möglichkeiten und Grenzen der Elektromobilität

Tauglich nur im Nahbereich: Möglichkeiten und Grenzen der Elektromobilität

Mit E-Fuels angetriebene
Fahrzeuge sind eine
zukunftsfähige Lösung
für die angestrebte CO
2-
neutrale Mobilität.
  

Im Fahrbetrieb emittieren elektrisch angetriebene Fahrzeuge kein beziehungsweise weniger CO2 als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Politik und Umweltorganisationen gehen davon aus, dass in absehbarer Zeit weder Elektrofahrzeuge, die den Strom für den Antrieb mit Wasserstoff (H2) in einer Brennstoffzelle erzeugen, noch mit CO2-neutral hergestellten Treibstoffen angetriebene Fahrzeuge eine Reduktion der auf den Strassenverkehr zurückgehenden CO2-Emissionen ermöglichen. Mit der Entwicklung, Produktion und in Verkehrssetzung batterieelektrischer Fahrzeuge könnte es jedoch gelingen.

Die mit dieser Antriebstechnik im Fahrbetrieb erreichbaren CO2-Reduktionen werden bestimmt durch den Strommix im Netz. Der Strom für den Antrieb sollte deshalb überwiegend und im Idealfall vollständig CO2-frei erzeugt werden. Solange die Batterien nicht CO2-frei produziert werden, führt die Produktion batterieelektrischer Fahrzeuge aber zu mehr CO2-Emissionen als bei vergleichbaren Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Abhängig von Strommix und Antriebsleistung können diese höheren Emissionen meist erst nach rund 80 000 Kilometer Laufleistung durch die im Fahrbetrieb geringeren Emissionen kompensiert werden.

Spürbar teurere Fahrzeuge

Vorerst ist nicht mit einer weitgehenden Verdrängung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren durch batterieelektrische PKW und LKW zu rechnen. Komforteinbussen bei Reichweite und Ladedauer sowie netzbedingte und rechtliche Hindernisse beim Aufbau einer privaten Ladeinfrastruktur sprechen gegen rasche Gewinne bei den Marktanteilen.

Batterieelektrische Fahrzeuge sind und bleiben trotz tendenziell sinkenden Batteriepreisen spürbar teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Eine auf diese Antriebstechnik setzende Politik wird daher den Beziehern niedrigerer Einkommen – trotz den geringeren Wartungskosten – die Finanzierung individueller Mobilität erschweren.

Bei den heutigen Strom- und Treibstoffpreisen lohnen sich batterieelektrische Fahrzeuge vor allem für Pendler, die täglich nur etwa 30 bis 60 Kilometer fahren müssen, sich bewusst auf Fahrzeuge mit kleineren Batterien sowie kürzeren Reichweiten beschränken und auf der Arbeitsstelle oder über Nacht zu Hause nachladen können. Problemlose längere Fahrstrecken würden nur durch ein europaweites Netz von Schnellladestationen ermöglicht, in dem Batterien – unter Inkaufnahme einer von der Batteriegrösse abhängigen Aufladedauer – bis zu einer Leistung von 80 Prozent wieder aufgeladen werden könnten. Bei einem batterieelektrischen 40-Tonnen-LKW mit einer knapp 10 Tonnen schweren Batterie und einer dadurch deutlich reduzierten Nutzlast müssten jedoch mehrere Stunden Wartezeit für eine Aufladung in Kauf genommen werden.

Die Kosten für Back-up-Kraftwerke, Netzausbau und Speicher werden bei einem zunehmenden Anteil frischer erneuerbarer Energieträger an der Stromproduktion zu höheren Strompreisen führen. Bei einer wachsenden Anzahl batterieelektrischer Fahrzeuge müssen öffentliche Haushalte zudem die geringer werdenden Einnahmen aus Motorfahrzeug- und Treibstoffsteuern durch eine stärkere Belastung der Elektrofahrzeuge mit Steuern und/oder Abgaben kompensieren.

Nicht die kostengünstigste Möglichkeit

Unter Berücksichtigung der höheren Anschaffungspreise sowie der Kosten für private und öffentlich zugängliche Ladeinfrastrukturen sind batterieelektrische Fahrzeuge nicht die kostengünstigste Möglichkeit zur Reduktion der auf Strassenverkehr zurückgehenden CO2-Emissionen. Die erhoffte CO2-freie bzw. CO2-arme Mobilität ist auch aus ökologischer und sozialer Sicht nicht unbedenklich. Förderung und Aufbereitung der für die Batterien benötigten Rohstoffe belasten die Umwelt und erfolgen teilweise unter menschenunwürdigen Bedingungen.

Von einem Hersteller neu in den Verkehr gebrachte Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren dürfen in der EU Höchstwerte für CO2-Emissionen im Mittel nicht überschreiten. Die Hersteller versuchen deshalb, mit – als CO2-frei geltenden – Elektro- und vor allem batterieelektrischen Fahrzeugen den zulässigen Flottendurchschnitt zu erreichen.

Automobil- und Zulieferindustrie müssen für Fahrzeugentwicklung und Umrüstung der Produktionsanlagen hohe Investitionen tätigen. Diesen Investitionen werden noch länger keine nennenswerten Erträge gegenüberstehen. Heute noch führenden Herstellern und Zulieferern werden trotz Sparprogrammen künftig Mittel für – aus Gründen des Wettbewerbs und des globalen Marktes – unentbehrliche Weiterentwicklungen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren fehlen. Der Wandel in der Antriebstechnik wird Lieferketten, Wertschöpfungsanteile drastisch verändern und zu Arbeitsplatzverlusten führen.

Gibt es bessere Lösungen?

Batterieelektrische PKW werden auch in Zukunft kaum mehr als 400 Kilometer (nach WLTP) bei einem normalen Fahrbetrieb und unter Berücksichtigung des Energiebedarfs von Nebenaggregaten ohne Nachladen zurücklegen können. Für den Schwerverkehr sind die Einsatzmöglichkeiten batterieelektrischer Fahrzeuge ohnehin limitiert, so dass alternative Lösungen nicht von vorneherein ausgeschlossen werden sollten.

Mit Erdgas und mit Dieselmotoren angetriebene Fahrzeuge emittieren weniger CO2 als Fahrzeuge mit Benzinmotoren. Bei Förderung, Aufbereitung und Transport von Erdgas entweicht aber auch das Treibhausgas Methan in die Atmosphäre. Das NO×-Problem der Dieselmotoren ist technisch gelöst. Fahrzeuge mit Dieselmotoren könnten daher aufgrund des meist deutlich geringeren Treibstoffverbrauchs einen Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen des Strassenverkehrs erbringen.

Mit Hybridfahrzeugen, insbesondere mit Plug-in-Hybriden, deren Batterien auf eine elektrische Reichweite von etwa 100 Kilometer ausgelegt sind, lässt sich ein Grossteil der üblichen Fahrstrecken elektrisch bewältigen. Die dadurch mögliche Reduktion der CO2-Emissionen reicht in vielen Fällen aus, um die von der EU geforderten Werte einhalten zu können.

Mit Strom kann durch Elektrolyse aus Wasser H2 gewonnen und in einer Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt werden. H2 muss aber bei hohem Druck oder tiefen Temperaturen gelagert werden. Die Infrastruktur für Lagerung, Transport und Verteilung ist daher aufwendig. Da die Umwandlung von Strom in H2 und mit einer Brennstoffzelle wieder in Strom die Energieeffizienz verringert, bietet sich auch eine technisch vergleichsweise einfach machbare Lösung mit H2 als Treibstoff für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren an.

H2 kann mit CO2 zu flüssigen Kohlenwasserstoffen kombiniert werden. Auf diese Weise CO2-neutral hergestellte Treibstoffe (E-Fuels) können mit der vorhandenen Infrastruktur gelagert, transportiert und verteilt werden. Das für die Erzeugung von E-Fuels benötigte CO2 kann aus Biomasse gewonnen, der Atmosphäre oder hoch konzentrierten CO2-Emissionen grundlastfähiger Gaskraftwerke entnommen werden.

E-Fuels haben Zukunft

Die für die Herstellung von E-Fuels notwendigen Umwandlungsschritte beeinträchtigen den Gesamtwirkungsgrad. Nur etwa 13 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie bleibt am Ende noch für den Antrieb der Fahrzeuge. Die Vorprodukte – Strom aus neuen erneuerbaren Energieträgern zur Elektrolyse und CO2 – stehen aber nahezu unbegrenzt zur Verfügung.

Die Eigenschaften der E-Fuels lassen sich zur Vermeidung unerwünschter Verbrennungsrückstände und zur Verbesserung der Effizienz der Motoren gezielt beeinflussen. E-Fuels sind derzeit noch teurer als Treibstoffe aus Mineralölen. Korrekt gerechnet sind – umgerechnet in Literpreise – die Herstellkosten für E-Fuels aber bereits mit denen für Treibstoffe aus Mineralölen vergleichbar. Für eine Beurteilung der Wirtschaftlichkeit müssen die Belastungen der Treibstoffe mit Steuern und Abgaben, die gesamten Kosten für die Stromproduktion mit neuen erneuerbaren Energieträgern und für die Ladeinfrastruktur, die Steuervorteile für elektrisch angetriebene Fahrzeuge usw. mitberücksichtigt werden.

Bessere Technik muss sich im Wettbewerb beweisen. Für lange Strecken und den Transport schwerer Lasten sind batterieelektrische Fahrzeuge keine optimale Lösung. Fahrzeuge, die den Strom für den Antrieb in einer Brennstoffzelle erzeugen, können – nach Lösung des Lager- und Transportproblems von H2 – einen Beitrag zur Reduktion der CO2-Emissionen des Strassenverkehrs erbringen. Mit E-Fuels angetriebene PKW und LKW sind insgesamt eine zukunftsfähige Lösung für die von Politik und Umweltorganisationen angestrebte CO2-neutrale Mobilität.

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Dieser Beitrag ist als Gastkommentar in der NZZ vom 29. Juni 2019 erschienen.

Panikmache ist kontraproduktiv
Photovoltaik und Wasserkraft (Leserbrief NZZ)
 
E-Fuels sind nicht zukunftsfähig!

Die VOLLSTÄNDIGE (!) Dekarbonisierung des Stromnetzes muss der Elektrifizierung einzelner Energiesektoren (Gebäudeheizung, Mobilität) VORANGEHEN (!), weil sonst der CO2-Ausstoss dieser Energiesektoren lediglich in die Stromproduktion verlagert wird: Wärmepumpen und Elektroautos werden nicht mit dem durchschnittlichen Strommix, sondern mit dem jeweiligen zusätzlichen «Grenzstrom» gespeist, welcher ohne die Elektrifizierung dieser Energiesektoren nicht hergestellt werden müsste. Die Menschheit wird also ohne Atomstrom noch solange mit Kohlestrom heizen und fahren müssen, bis die weltweiten Kohlevorräte versiegt sind.
Insbesondere Wasserstoff aus Solar-Elektrolyse zur Herstellung synthetischer Treibstoffe (E-fuels) wird in der Mobilität nie eine grosse Rolle spielen:
Der solare Netzstrom müsste zur Produktion von Wasserstoff zunächst wieder von Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden. Dabei treten Verluste von ca. 7% auf. Bei der elektrolytischen Herstellung gasförmigen Wasserstoffs mit Hilfe des Gleichstroms liegt der Wirkungsgrad bei ca. 65%. Um den Wasserstoff transportfähig zu machen, muss er unter Einsatz von weiterer Energie verflüssigt werden, dann unter erneutem Einsatz von Energie zum Verbraucher transportiert werden. Wird aus dem Wasserstoff dann z.B. mit Hilfe von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wieder Strom gewonnen, kommt es zu weiteren Verlusten. Insgesamt gesehen gehen 75% der ursprünglich vorhandenen elektrischen Energie verloren, die Stromausbeute über die Zwischenstufe Wasserstoff liegt bei Brennstoffzellenautos gerade einmal bei 25%, die Energieausbeute bei E-fuels liegt schlussendlich bei nur 13%! Würde der Solarstrom ohne die Zwischenstufe Wasserstoff ins Netz eingespeist und an der Steckdose genutzt, liegt der Verlust nur bei 10%. Die Begründung einer E-fuel- Mobilität auf dieser Basis wäre also nicht nur volkswirtschaftlicher Unsinn, sondern eine Energieverschwendung nie dagewesenen Ausmasses!

Die VOLLSTÄNDIGE (!) Dekarbonisierung des Stromnetzes muss der Elektrifizierung einzelner Energiesektoren (Gebäudeheizung, Mobilität) VORANGEHEN (!), weil sonst der CO2-Ausstoss dieser Energiesektoren lediglich in die Stromproduktion verlagert wird: Wärmepumpen und Elektroautos werden nicht mit dem durchschnittlichen Strommix, sondern mit dem jeweiligen zusätzlichen «Grenzstrom» gespeist, welcher ohne die Elektrifizierung dieser Energiesektoren nicht hergestellt werden müsste. Die Menschheit wird also ohne Atomstrom noch solange mit Kohlestrom heizen und fahren müssen, bis die weltweiten Kohlevorräte versiegt sind. Insbesondere Wasserstoff aus Solar-Elektrolyse zur Herstellung synthetischer Treibstoffe (E-fuels) wird in der Mobilität nie eine grosse Rolle spielen: Der solare Netzstrom müsste zur Produktion von Wasserstoff zunächst wieder von Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden. Dabei treten Verluste von ca. 7% auf. Bei der elektrolytischen Herstellung gasförmigen Wasserstoffs mit Hilfe des Gleichstroms liegt der Wirkungsgrad bei ca. 65%. Um den Wasserstoff transportfähig zu machen, muss er unter Einsatz von weiterer Energie verflüssigt werden, dann unter erneutem Einsatz von Energie zum Verbraucher transportiert werden. Wird aus dem Wasserstoff dann z.B. mit Hilfe von Brennstoffzellen in Fahrzeugen wieder Strom gewonnen, kommt es zu weiteren Verlusten. Insgesamt gesehen gehen 75% der ursprünglich vorhandenen elektrischen Energie verloren, die Stromausbeute über die Zwischenstufe Wasserstoff liegt bei Brennstoffzellenautos gerade einmal bei 25%, die Energieausbeute bei E-fuels liegt schlussendlich bei nur 13%! Würde der Solarstrom ohne die Zwischenstufe Wasserstoff ins Netz eingespeist und an der Steckdose genutzt, liegt der Verlust nur bei 10%. Die Begründung einer E-fuel- Mobilität auf dieser Basis wäre also nicht nur volkswirtschaftlicher Unsinn, sondern eine Energieverschwendung nie dagewesenen Ausmasses!
Gäste - Philippe Huber am 02.07.2019
Es ist erfreulich, dass es bei CCN diese Einsicht doch noch gibt,

natürlich sind E-fuels nicht konkurrenzfähig, solange Erdöl und Erdgas relativ günstig und in grossen Mengen aus der Muttererde extrahiert werden können. Aber früher oder später brauchen wir Alternativen, egal ob das Klima Menschen bedingt oder nicht sich um 5 C erwärmt hat. Falls es dank Kernenergie sogar andere sichere Alternativen gibt, umso besser.
Die Zukunft wird doch zeigen, welche Technologien sich durchsetzen, die Sinnfrage ist hingegen eine Frage der Werte, die man für richtig hält.

natürlich sind E-fuels nicht konkurrenzfähig, solange Erdöl und Erdgas relativ günstig und in grossen Mengen aus der Muttererde extrahiert werden können. Aber früher oder später brauchen wir Alternativen, egal ob das Klima Menschen bedingt oder nicht sich um 5 C erwärmt hat. Falls es dank Kernenergie sogar andere sichere Alternativen gibt, umso besser. Die Zukunft wird doch zeigen, welche Technologien sich durchsetzen, die Sinnfrage ist hingegen eine Frage der Werte, die man für richtig hält.
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