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Antriebe der Zukunft

Herkömmliche Treibstoffe wie Diesel und Benzin stoßen zu viele Schadstoffe aus und schaden dem Klima. Dass sie keine Zukunft mehr haben – davon sind die meisten Energieforscher überzeugt. Doch welche Technologie wird künftig unter den Motorhauben stecken?

In 50 Jahren gibt es keinen herkömmlichen Benzin- und Dieselkraftstoff mehr. Alle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor tanken dann regenerative Kraftstoffe“, sagt Thomas Koch. Er leitet das Institut für Kolbenmaschinen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und forscht an Alternativen zu herkömmlichen Treibstoffen. Er setzt auf synthetische Kraftstoffe. Bei ihnen wird größtenteils aus Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid sowie – zu geringen Anteilen – Bioabfällen oder biogenen Reststoffen, etwa aus der forst- und holzindustriellen Produktion, ein Benzin- oder Dieselersatz gewonnen. Doch auch zwei weitere Technologien konkurrieren darum, Benzin & Co abzulösen und künftig  den Massenmarkt zu erobern: die Batterie und die Brennstoffzelle. Elektromotoren mit Akku, in dem die Energie gespeichert wird, sind bereits weit verbreitet. Je mehr Kapazität die Batterie bietet, umso mehr Kilometer lassen sich am Stück zurücklegen. Mit im Rennen ist zudem Wasserstoff als Energieträger: Bei einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Luftsauerstoff zu Wasser und dabei fließt Strom, der genutzt werden kann.

Potenziell sind alle drei Antriebsformen emissionsneutral – jedoch nur, wenn der gesamte eingesetzte Strom aus regenerativen Quellen stammt. Die Energieeffizienz wird also zum entscheidenden Faktor der Mobilität von morgen. „Auf diesem Gebiet sind Batteriefahrzeuge unschlagbar“, sagt Maximilian Fichtner, der in  Ulm das Helmholtz-Institut für Batterieforschung leitet: „Solange die Kraftwerke aber noch nicht mehr Strom produzieren als benötigt, müssen wir die verfügbare Energie so  effizient wie möglich einsetzen.“ 

Ein Instrument, um die Effizienz eines Antriebes auszurechnen, ist die „Well-to-Wheel“- Analyse. Sie zeigt, wie viel Ausgangsenergie letztlich in Bewegung umgesetzt wird. Das hat die Wirtschaftsprüfungsgesellschaft Pricewaterhouse Coopers (PwC) vor zwei Jahren für alle drei Technologien untersucht. Ihr Ergebnis: Beim Elektrofahrzeug kommen nach Stromerzeugung und Speicherung 70 Prozent am Rad an, beim Brennstoffzellenauto sind es 36 Prozent und bei Fahrzeugen, die mit synthetischem Kraftstoff angetrieben werden, 11 Prozent. 

In einem zweiten Schritt berechnete PwC, wie viel zusätzlicher Strom in Deutschland produziert werden müsste, wenn alle zugelassenen Autos bei gleicher Laufleistung mit alternativen Antrieben ausgestattet wären: Würden sie mit Batterien betrieben, müssten zusätzlich 176 Terawattstunden (TWh) Strom erzeugt werden. Tankten alle Fahrzeuge Wasserstoff, stiege der Energiebedarf um 344 TWh, bei synthetischen Kraftstoffen sogar um 1.079 TWh. Hinter diesen Zahlen verbirgt sich somit eine immense Herausforderung: Laut Umweltbundesamt wurden 2018 rund 17 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland aus erneuerbaren Energien bereitgestellt, knapp 428 TWh. Davon entfielen mit 226 TWh mehr als die Hälfte auf die nachhaltige Stromproduktion. 

Nur auf Batterieantrieb zu setzen geht – zumindest derzeit – nicht: Die aktuellen Akkus sind für größere Fahrzeuge nicht sinnvoll, da ihre Energiedichte zu gering ist. „Selbst SUVs zu elektrifizieren ist ein zweischneidiges Schwert“, sagt Maximilian Fichtner: „Wer mit Blick auf die Umwelt argumentiert, muss einsehen: Da fangen Batterien bereits an, unsinnig zu werden. Einerseits kann der Strom für den Betrieb regenerativ gewonnen werden, andererseits sind die Batterien für diese Fahrzeugklasse sehr schwer. Sie erzeugen große Mengen CO2 bei der Herstellung und schlucken viele Rohstoffe.“ Deshalb arbeiten Forscher an alternativen Batterien, beispielsweise aus Feststoffen wie Keramik oder mit umweltfreundlichen Elementen wie Magnesium oder Natrium. Diese Ansätze befinden sich allerdings noch in der Laborphase.

Auch die Brennstoffzelle benötigt einen teuren und knappen Rohstoff: Platin. „Etwa 20 Gramm für einen SUV“, sagt Ulf Groos. Er leitet die Abteilung Brennstoffzellensysteme am Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). „Das ist in etwa die doppelte Menge Platin, die ein moderner Abgaskatalysator enthält, der bei Brennstoffzellenautos dann nicht mehr nötig ist.“ Er hat aber nicht nur für Pkw die Entwicklung der Brennstoffzelle im Blick: „In den kommenden fünf Jahren werden wir Lastwagen, Busse und Züge mit Brennstoffzellenantrieben sehen.“ In Norddeutschland etwa sind seit Herbst 2018 zwei Prototypen eines Brennstoffzellenzugs im Einsatz. „Das Potenzial auf der Schiene ist groß, weil ungefähr 40 Prozent des Schienennetzes in Deutschland nicht elektrifiziert sind“, sagt Ulf Groos. Für den gleichen Einsatz bieten sich auch synthetische Kraftstoffe an. „Diesel-Loks können mit ihnen betrieben werden“, sagt Thomas Koch. Der KIT-Motorenexperte forscht seit Anfang des Jahres am Projekt „reFuels“. Es hat zum Ziel, mithilfe erneuerbarer Energien synthetische Kraftstoffe zu gewinnen. Zunächst geht es Thomas Koch und seinem Team aber um eine Übergangsstrategie: Bis 2030 sollen dem Treibstoff gewöhnlicher Verbrennungsmotoren 15 bis 20 Prozent der reFuels beigemischt und dadurch Emissionen gesenkt werden. Wie bei Batterie und Brennstoffzelle gibt es auch bei synthetischen Kraftstoffen eine Ressourcendebatte: „Der regenerative Anteil von Biodiesel wurde früher größtenteils aus Raps gewonnen. Da gab es eine Tank-oder-Teller-Debatte“, sagt Thomas Koch in Anspielung auf die umstrittene Frage, ob landwirtschaftliche Flächen nur zur Lebensmittelproduktion oder eben auch zur Herstellung von Kraftpflanzen für die Mobilität genutzt werden sollen. „In Zukunft müssen wir alternative Kohlenstoffquellen finden, möglich sind biogene Reststoffe wie Stroh oder die Verwertung von Speiseresten und Abfallfetten.“ Der zentrale Vorteil seiner reFuels: Der Fahrzeugbestand könnte erhalten bleiben. Nur die Flüssigkeit, die für den Vortrieb verbrannt werde, ändere sich. Und: „Auch wenn weiterhin ein Verbrennungsprozess stattfindet, haben wir dank moderner Filtersysteme kein Partikelproblem mehr“, sagt Thomas Koch. Was ebenfalls für die reFuels spreche, sei die vorhandene Infrastruktur zum Betanken. Tankstellen, eine dezentrale Erzeugung und die Logistik – nichts müsse verändert werden.

Für Wasserstoff- oder Elektrofahrzeuge jedoch muss das ganze Land mit einer neuen Infrastruktur überzogen werden, was mit großen Kosten verbunden ist. „Ein ausreichendes Wasserstofftankstellennetz müsste wohl 1.000 Tankstellen umfassen“, sagt Ulf Groos vom Fraunhofer ISE. Laut dem Betreiber der Wasserstoffinfrastruktur in Deutschland sind derzeit 75 Tankstellen in  Betrieb, jedoch vor allem in Ballungszentren. Bis Ende des Jahres sollen es immerhin 100 sein. Hinzu kommt, dass auch das Betanken bei einem gasförmigen Kraftstoffs sehr aufwendig ist. „Damit der Wasserstoff zügig von der Zapfsäule auf das Fahrzeug überströmt, wird der Wasserstoff in den Tankstellen auf minus 40 Grad gekühlt und auf 800 Bar komprimiert“, sagt Ulf Groos. Zwar merke der Nutzer davon wenig, doch das Vorgehen sei technologisch aufwendig. Maximilian Fichtner sieht vor allem den Wirkungsgrad – also das Verhältnis der eingesetzten zur nutzbaren Energie – kritisch: Komprimiere man Wasserstoff für den Transport, müsse man mit 20 Prozent Wirkungsgradverlust rechnen; verflüssige man ihn, sogar mit 50 Prozent. Mit dem aufwendigen Tankvorgang käme ein weiterer erheblicher Verlust hinzu.

Jedoch ist auch für die batteriebetriebene Mobilität das Aufladen – trotz privater  adestationen – ein Hemmnis. „Vor allem für die Langstrecke haben wir viel zu wenig Schnellladestationen“, sagt er. „Für mehr Leistung an den Zapfsäulen muss in ganz Deutschland ein Mittelspannungsnetz etabliert werden, das mehrere Tausend Volt ermöglicht. Sonst gehören zum Verreisen künftig halbstündige Ladestopps.“ Die Kosten für das Aufspannen beider Versorgungsnetze hat das Forschungszentrum Jülich vergangenes Jahr berechnet: Müssten in Deutschland jeweils 20 Millionen Fahrzeuge versorgt werden – aktuell zugelassen sind laut Kraftfahrt-Bundesamt knapp 57 Millionen Fahrzeuge – würden sich die Kosten für eine ausreichende  Infrastruktur bei Wasserstofffahrzeugen auf 40 Milliarden Euro, bei batteriebetriebenen auf 51 Milliarden Euro belaufen. 

"In zukunft müssen wir alternative Kohlenstoffquellen finden."

Entscheidend dürfte aber auch der Preis der Technologien für die Verbraucher sein. Die Beratungsgesellschaft PwC hat deshalb die Kosten für Kraftstoff, Unterhalt und Wertverlust der Fahrzeuge mit den unterschiedlichen Antriebsarten verglichen. Eingeflossen sind Faktoren wie Skaleneffekte, technologische Potenziale und wahrscheinliche Effizienzsteigerungen. Das Ergebnis: Je 100 Kilometer belaufen sich die Gesamtkosten des Betriebs bei batterieelektrischen Fahrzeugen auf 49,90 Euro, bei mit Wasserstoff betriebenen auf 55,50 Euro und bei Pkws mit synthetischen Kraftstoffen auf 69,30 Euro. Die Autoren der Studie wagen zudem einen Blick in die Zukunft, genauer ins Jahr 2030: Fahrzeuge mit synthetischen Kraftstoffen sollen mit 64,40 Euro zwar günstiger werden, bleiben im Vergleich zu den anderen beiden Technologien aber weiterhin am teuersten. Die Kosten der anderen Antriebe werden voraussichtlich nicht sinken. Doch welcher Antrieb wird sich nun durchsetzen? Da sind sich die drei Wissenschaftler verblüffend einig: keiner. Maximilian Fichtner, der Batterieforscher aus Ulm, sagt es so: „Wir benötigen einen Mobilitätsmix. Weder kann die Batterie jede Mobilitätsform abdecken, noch ist es sinnvoll, mit Brennstoffzellen oder synthetischen Kraftstoffen den Energiebedarf kleiner Fahrzeuge zu vervielfachen.“ Das sieht auch Ulf  roos, der Wasserstoffexperte, so: „In 50 Jahren wird die Brennstoffzelle absoluter Standard in Lastwagen und Bussen sein. Auch Züge werden damit fahren.“ Thomas Koch vom KIT sagt: „Verbrenner erlauben für alle Geldbeutel unter allen Randbedingungen und zu jeder Zeit Mobilität für alle. Die Technologie wird deshalb bleiben, nur der Kraftstoff wird sich ändern. Ob sich reFuels durchsetzen oder Wasserstoff, das wird sich zeigen.“ 

11.10.2019 , Johannes Giesler

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