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Antriebsformen der Zukunft – Elektroauto, Brennstoffzelle oder E-Fuel?
Im Jahr 2019 hatte ich im bereits mit den Antriebsformen der Zukunft beschäftigt und in zwei Teilen die verschiedenen Technologien vorgestellt, sowie meine persönliche Prognose abgegeben. Nun hat seit Anfang 2020 die globale Covid-19-Pandemie das komplette Leben durcheinandergewürfelt, natürlich auch das Thema Mobilität. Laut einer Studie vom Verkehrsclub Deutschland und dem Borderstep Institut, spart verstärktes Homeoffice und die Nutzung von Videokonferenzen jährlich drei Millionen Tonnen Treibhausgase. Statt etwa 65 Kilogramm CO2 für eine Dienstreise mit der Bahn von Stuttgart nach Berlin, fällt bei einer vierstündigen Videokonferenz mit vier Teilnehmern lediglich ein Kilogramm CO2 an. Hierbei wurden von den Studienautoren sowohl der Betrieb des Rechenzentrums der Videokonferenz-Software als auch der Ressourcenverbrauch beim Internet-Provider sowie von vier Notebooks mit je 65 Watt Stromverbrauch einbezogen. So könnte manches Unternehmen eine neue Kosten-Nutzen-Rechnung in Bezug auf Firmenwagen aufmachen und zum Ergebnis kommen, dass wesentlich weniger Dienstwagen ausreichen, ohne dass dies negativen Einfluss auf das Unternehmensergebnis hat. Firmen könnten durch den Verzicht auf Geschäftswagen viel Geld sparen und zugleich einen Beitrag zum Umweltschutz leisten.
So ist es höchste Zeit, mal wieder ein aktualisiertes Bild zur Zukunft der Auto-Mobilität abzugeben.
Seit dem 4. November 2016 gilt in der EU das Pariser Klimaabkommen, an das sich alle in der Europäischen Union vertretenen Länder halten müssen, sonst drohen Strafzahlungen. Die Zielsetzung ist es, den Anstieg der globalen Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen und so die Folgen des Klimawandels erheblich zu verringern, da ein vollständiger Stopp wohl unmöglich ist. Im Dezember 2020 hatte die EU ihren aktualisierten NDC vorgelegt, sodass die Treibhausgasemissionen bis 2030 gegenüber dem Jahr 1990 um mindestens 40 Prozent reduziert werden müssen. Insgesamt beteiligen sich weltweit mehr als 190 Partner am Pariser Klimaabkommen, darunter seit Kurzem auch wieder die USA unter Präsident Joe Biden. Um die ehrgeizigen Klimaschutzziele zu erreichen, muss jeder einzelne Sektor eines Landes etwas für mehr Klimaschutz tun. Hierzu zählt natürlich auch der Verkehrssektor, da hier die Regierung besonders leicht den Hebel ansetzen und jeden Bundesbürger/innen dazu aufrufen kann, aktiv etwas für den Umweltschutz zu tun. Laut der internationalen Energieagentur verursachte der gesamte Verkehrssektor im Jahr 2018 rund 18 Prozent der Treibhausgasemissionen von Deutschland. Der größte Produzent von Treibhausgasemissionen ist die Industrie mit 41,5 Prozent, gefolgt von der Strom- & Wärmeerzeugung mit 18,9 Prozent, die Haushalte sind nur für 3,4 Prozent aller Treibhausgasemissionen verantwortlich, der Rest verteilt sich auf den Bereich Sonstiges. Problematisch ist nicht nur die Gesamtbilanz der Treibhausgasemissionen, sondern auch die lokalen Abgase, da diese zu gesundheitlichen Problemen bei Menschen führen können und nicht nur schädlich für die Natur und die Tiere sind.
Es gibt aber auch noch einen wirtschaftlichen Grund, wieso alle Autohersteller auf alternative Antriebe setzen. Bis zum Jahr 2030 muss der CO2-Ausstoß pro Kilometer 35 % unterhalb des herstellerabhängigen CO2-Grenzwertes aus dem Jahr 2021 liegen, so die EU. Zwar gilt aktuell 95 Gramm CO2/km als Grenzwert für neu zugelassene PKW, allerdings bekommt jeder Autohersteller einen CO2-Bonus zugesprochen in Abhängigkeit des durchschnittlichen Leergewichts seiner angebotenen Autos. So liegt beispielsweise der von BMW einzuhaltende CO2-Grenzwert bei 104 Gramm CO2 pro Kilometer, da der bayerische Autobauer viele große und schwere Autos anbietet. Übrigens wird für die Berechnung des Grenzwertes auf die Verbrauchsangaben der Hersteller nach dem veralteten NEFZ/NEDC-Messzyklus zurückgegriffen und nicht etwa auf den realistischeren WLTP-Messzyklus gesetzt. Bei leichten Nutzfahrzeugen und darauf aufbauenden PKW-Versionen wie beispielsweise dem Mercedes Vito und der PKW-Version Mercedes-Benz V-Klasse gelten diese CO2-Grenzwerte nicht, da sie explizit nur für reine Personenkraftwagen aka Autos entworfen worden sind. Bei Autos dagegen bedeutet der CO2-Grenzwert, dass Autohersteller 95 Euro Strafe pro verkauftes Auto an die EU zahlen müssen, wenn die in einem Kalenderjahr innerhalb der Europäischen Union verkauften Neuwagen den CO2-Grenzwert nicht einhalten. So musste beispielsweise Volkswagen für das Jahr 2020 eine Millionenschwere Strafzahlung leisten, Audi, BMW und Mercedes haben dagegen die Grenzwerte eingehalten, weil neben Elektroautos, die mit 0 Gramm CO2-Ausstoß gewichtet werden, auch viele Plug-in-Hybride verkauft worden sind, die die Grenzwerte einhalten und zudem auch rein elektrisch gefahren werden können. Bis zum Jahr 2030 werden die CO2-Grenzwerte verschärft, sodass bis spätestens 2030 vermehrt Plug-in-Hybride und natürlich vollelektrische Fahrzeuge – mit Batteriepaket oder Brennstoffzelle – zum Kauf angeboten werden müssen, um möglichst keine Strafzahlungen an die EU leisten zu müssen. Mit den anderen in diesem Artikel vorgestellten Hybridarten ist dieser Grenzwert sehr wahrscheinlich nicht zu schaffen. Zudem gilt ab dem Jahr 2025 für alle neu zugelassenen Autos die Abgasnorm Euro 7, welche vor allem den NOx-Ausstoß strenger reguliert als bei bisherigen EU-Abgasnormen. Wie viel NOx die PKWs bei Euro-7-Abgasnorm ausstoßen dürfen, wird wohl in diesem Jahr festgelegt werden.
Es gibt sehr wohl eine Käufergruppe, die auf den Verbrennungsmotor schwört. Quer durch alle Altersgruppen sind das mehrheitlich Kunden, für die zum Autofahren eben ein Fahrzeug mit klassischem Sound und der Technik eines Verbrenners gehört. Zudem sind weltweite mehrere Millionen PKW in Benutzung, die über einen Verbrennungsmotor angetrieben werden. Um diese Bestandsfahrzeuge weiterhin fahren zu können und zugleich etwas für den Umweltschutz zu tun, bieten sich synthetische Kraftstoffe an. Sogenannte E-Fuels sind allerdings aktuell lediglich in Modellversuchen im Einsatz und noch nicht an Tankstellen verfügbar. Es muss und wird noch an etliche Punkte geforscht, denn – zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels – gibt es keine Möglichkeit, in großen Mengen synthetischen Kraftstoff herzustellen. Einige Unternehmen arbeiten derzeit an Lösungen für die Massenfertigung. Fakt ist, dass die E-Fuels auch im Motorsport entwickelt werden. So wird die Formel 1 ab dem Jahr 2023 ihrem speziellen Rennsprit auch synthetisch hergestellten Kraftstoff beimischen, perspektivisch möchte man die F1-Rennwagen nur noch mit E-Fuels betreiben. Andere Rennserien, wie etwa die DTM, wollen in den nächsten Jahren ebenfalls auf synthetische Kraftstoffe umsteigen und somit die Rennstrecke als „rollendes Labor“ nutzen.
Synthetische Kraftstoffe können auf verschiedene Art und Weise produziert werden. So ist es etwa möglich, aus CO2 und Wasserstoff einen Kraftstoff herzustellen. Die entsprechenden Produktionsprozesse sind aber noch nicht massentauglich. Eine andere Option ist es, Kraftstoff aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Mais, Raps oder Palmöl herzustellen, doch zeigt sich, dass diese Art der Herstellung zu Umweltproblemen führt, sodass inzwischen eher auf die Kombination aus Wasserstoff und CO2 gesetzt wird. Letztlich ist es aktuell aber noch offen, wie E-Fuels zusammengesetzt werden und vor allem, wie diese ökonomisch in Großserie produziert werden können. So muss man davon ausgehen, dass eine Tankfüllung mindestens genauso teuer wird, wie mit Erdöl-basiertem Benzin/Diesel, da auch für E-Fuels zahlreiche Steuern fällig werden sowie die Herstellung teurer ist. Die grundlegende Idee ist es, nicht nur unabhängig vom Erdöl zu werden, sondern bilanziell CO2-neutral zu werden. So soll der CO2-Ausstoß der Autos mit Verbrennungsmotor durch die Verwendung von CO2 bei der Herstellung des E-Fuels kompensiert werden. Für die Umwelt bringt das aber nur bedingt etwas. Hier mal eine Zusammenfassung über Vor- und Nachteile von synthetischem Kraftstoff:
Viele Leute halten die Brennstoffzelle für die eine Lösung. Ich hatte bereits im Jahr 2019 darauf hingewiesen, dass es bei dieser Technologie zahlreiche Baustellen gibt. Zwei Jahre später zeigt sich immer stärker, dass die Brennstoffzellen komplett aus dem PKW-Bereich verschwinden wird. Warum ist das so? Ein Vorteil eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs ist die schnelle Betankung. Innerhalb von weniger als 5 Minuten sind die Tanks voll. Allerdings kostet eine Zapfsäule für H2 rund eine Million Euro und damit erheblich mehr als eine Ladesäule. Schließlich müssen die Schläuche etc. die hohen Drücke von 700 bar aushalten und speziell gesichert sein. Mit einem randvollen Tank sind dann auch mal rund 750 Kilometer drin, verspricht beispielsweise der Hersteller Hyundai. Im aktuell modernsten Fuel-cell-Auto – dem Hyundai Nexo – stellt sich allerdings Ernüchterung ein. Im Test auf dem Youtube-Kanal Car Maniac zeigt sich, dass der aktuelle Hyundai Nexo nur rund 550 Kilometer weit kommt und der Ressourcenverbrauch im Vergleich zum Batterie-Elektroauto deutlich höher ausfällt. Um ein Kilogramm Wasserstoff herzustellen, werden 33 kWh an Energie bei der Produktion benötigt. Allerdings verbraucht der Hyundai Nexo gut 1,6 Kilogramm H2 pro 100 Kilometer. Ein Batterie-Elektroauto ist da ökologischer, weil es mit weniger eingesetzter Energie weiter als das Brennstoffzellenauto kommt. So hat beispielsweise ein Hyundai Ioniq Batterie-E-Auto nur einen Akku mit 28 kWh Kapazität, kommt damit aber gut 220 Kilometer weit (inkl. aktiver Klimaanlage). Zudem haben die Passagiere im Brennstoffzellen-Auto Hyundai Nexo weniger Platz als bei vergleichbar großen Batterie-Elektroautos oder herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor.
Neben dem Elektromotor wird auch eine Einheit zur Elektrolyse benötigt sowie Wasserstofftanks und ein – wenn auch im Verhältnis – kleines Akkupaket. Der zu betankende Wasserstoff wird mit hohem Druck von 700 bar in die Tanks gepresst. Diese müssen spezifisch gesichert sein, damit unter diesem gewaltigen Druck nichts passiert. An Bord des Fuel Cell-Elektroautos (oder kurz FCEV genannt) befindet sich ein kleines Kraftwerk, welches den Wasserstoff umwandelt in Strom. Dieser muss dann in einer Traktionsbatterie gespeichert werden, damit der E-Motor darauf zugreifen kann. So viel Technik braucht Platz im Auto und kostet den Autohersteller und dann auch dem Endkunden viel Geld. So besteht die Brennstoffzelle selbst teilweise aus Platin, was sie sehr teuer macht. Auch die speziellen Tanks sind teuer, sodass etwa Hyundai für den Brennstoffzellen-SUV rund 79.000 Euro verlangt, während etwa das Tesla Model Y Long Range 58.620 Euro kostet und mehr als 400 Kilometer weit in Tests kommt. Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen muss man für einen randvollen Tank mit gut 50 Euro rechnen und kommt damit nicht mal so weit, wie bei einem Verbrenner mit E-Fuels.
Mercedes hat etwa bereits die Notbremse gezogen und die Entwicklung von Autos mit Brennstoffzelle eingestellt. Vielmehr arbeitet Daimler nun mit Volvo Trucks zusammen und erforscht, wie man die Brennstoffzelle in LKWs einsetzen könnte. Der japanische Hersteller Honda hat ebenfalls bereits die Entwicklung von Autos mit Brennstoffzelle eingestellt. Opel erforscht etwa für den Stellantis-Konzern den Einsatz der Brennstoffzelle in Nutzfahrzeugen und wird ab diesem Jahr eine Kleinserie des Transporters Opel Vivaro mit Fuel Cell auf den Markt bringen. Man kann davon ausgehen, dass auch weitere Hersteller diesen Beispielen folgen werden und die Brennstoffzelle nur noch für den Einsatz in leichten und schweren Nutzfahrzeugen vorsehen werden. Schließlich hat man etwa in einem Mercedes-Benz Sprinter oder in einem Opel Vivaro mit Außenlängen von um die fünf Meter genug Platz für die aufwendige Technologie. Die zusätzlichen Kosten könnten zudem im Flottenkunden-Bereich nicht so stark zuschlagen, wie bei den PKWs, die ja auch Privatpersonen kaufen. Wenn man eine ähnliche Reichweite wie bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen bei einem Batterieelektrischen Nutzfahrzeug erreichen will, braucht man ein Akkupaket mit hohen Kapazitäten, die dann wiederum den Preis nach oben treiben. So kommt beispielsweise das Batterie-Elektro-Nutzfahrzeug Opel e-Vivaro mit dem größten verfügbaren Akkupaket mit 75 kWh-Kapazität nur 230 Kilometer – laut Hersteller – weit, da es einen hohen Verbrauch durch die über 1,80 Meter hohe Karosserieform Hochdachkombi und den schlechten Luftwiderstand gibt. So könnte die Brennstoffzelle in Nutzfahrzeugen durchaus eine sinnvolle Alternative darstellen.
Einige Leute halten das Elektroauto mit Akkupaket für die umweltfreundlichste und zukunftsfähigste Lösung im Bereich des Automobils. Ein immenser Vorteil des E-Autos ist der beste aller hier in dieser Reihe vorgestellten Wirkungsgrade. Mit Nutzung von über 85 Prozent der vom Batteriepaket gelieferten Energie, ist die Kombination aus E-Motor und Traktionsbatterie unübertroffen effizient!
In der Vergangenheit gab es immer wieder Berichte darüber, dass die Rohstoff-Produktion für die Akkuzellen umweltschädlich sei. Mittlerweile reagieren jedoch immer mehr Hersteller darauf und passen ihre Herstellungsprozesse an, sodass es etwa bei BMW darauf geachtet wird, die Produktion des Akkupakets so nachhaltig, wie möglich zu machen. So setzt beispielsweise BMW auf einen nachhaltigen Bezug von Lithium. Zudem benötigen viele E-Motoren mittlerweile keine Seltenen Erden mehr, sodass auch dieser Nachteil gar kein Nachteil mehr ist.
Doch wie bei allen Antriebsarten, gibt es auch beim BEV Nachteile. So oder so bleibt aber die Herstellung eines Elektroautos mit Traktionsbatterie energieintensiv. Je nach jährlicher Fahrleistung dauert es durchaus einige Jahre, bis ein BEV-Fahrer/innen den CO2- und Schadstoffausstoß der Herstellung wieder hereingefahren hat. Die Ladezeiten von Batterie-Elektroautos sind deutlich länger, als beim Brennstoffzellen-Fahrzeug und bei (synthetischen) Kraftstoffen und hängen von verschiedenen Faktoren ab, etwa der Kapazität des Akkus, dem Akkustand, den Außentemperaturen und der kW-Menge, die die Ladesäule abgeben und das E-Auto aufnehmen kann. Um umweltfreundlich unterwegs sein zu können, sollte auch der geladene Strom möglichst aus regenerativen Quellen stammen. Definitiv von Vorteil ist, dass jedes Batterieelektrische Vehikel während der Fahrt außer Brems- und Reifenabrieb keine Schadstoffe ausstößt und man somit direkt seiner Umwelt etwas Gutes tun kann.
Falls der Akku kaputt ist, kann man die Traktionsbatterie in einer Fachwerkstatt reparieren lassen. Hierbei muss nicht das komplette Akkupaket getauscht werden. Vielmehr werden nur einzelne Akku-Module getauscht. Laut VW kostet ein Akku-Modul für den vollelektrischen ID.3 bei der VW-Vertragswerkstatt inklusive sechs Arbeitsstunden knapp 2.000 Euro. Allerdings bieten nahezu alle Autohersteller beim Kauf eines E-Autos eine explizite Akkupaket-Garantie über sechs Jahre oder 160.000 Kilometer, je nachdem, was zuerst eintrifft. Innerhalb der Garantiezeit ist der Tausch des Akkupakets kostenfrei möglich, insofern der SoH-Wert unter 70 Prozent liegt. Beim State-of-Health-Wert geht es um die Gesundheit der Batterie, wobei 100 Prozent dem Auslieferungszustand des Neuwagens entsprechen. Über die Jahre verliert ein Lithium-Ionen-Akku immer etwas an Kapazität. Fairerweise muss aber angemerkt werden, dass viele BEV-Besitzer auch Jahre später noch mit dem ersten Akkupaket unterwegs sind und es kaum vorkommt, dass der SoH-Wert unter 70 Prozent fällt. Wenn man auf Nummer sicher gehen will, sollte man den Akku möglichst langsam laden.
Am Ende des Lebenszyklus des Batteriepakets kann dieses in sein zweites Leben gehen. Es wird von einer vom Hersteller-zertifizierten Vertragswerkstatt ausgebaut und dann beispielsweise an Großkunden verkauft. So werden beispielsweise im Fußballstadion von Ajax Amsterdam tausende alte Akkupakete von Nissan Leaf genutzt, um Strom zu speichern. Auf dem Stadiondach sind Solarzellen angebracht. Der so gewonnene Strom wird – so er nicht direkt verbraucht wird – eben in alten Batterien gespeichert. Dies ist als ein Beispiel einer Wiederverwendung von Traktionsbatterien aus dem Elektroauto zu sehen. Opel bietet etwa eine Reparatur von defekten Akkupaketen an, die im Werk in Rüsselsheim erfolgt. Für die Zukunft forschen unter anderem Northvolt und BMW daran, wie man möglichst viel von einem Akkupaket recyceln kann.
Im Jahr 2019 schrieb ich: „Sprich es gibt einen Anteil x an Verbrenner, einen Teil y an batterieelektrischen Fahrzeugen und einen Teil z an Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Die jeweiligen Anteile werden je nach Markt und Jahr variieren. Aber einzig und allein die Vielfalt macht´s! Nicht für jeden ist ein batteriebetriebenes E-Auto optimal, da ein Vertreter der jeden Tag seine 400 Kilometer am Stück unter Zeitdruck zurücklegen muss, schlicht keine Zeit hat, sich mindestens 30 Minuten an irgendeiner Ladesäule die Füße zu vertreten.“
Zwei Jahre später muss ich meine damalige Einschätzung – teilweise – korrigieren. Im Zuge der globalen Coronavirus-Pandemie zeigt sich nämlich, dass in vielen Berufen keine Geschäftsreisen notwendig sind und es – in letzter Konsequenz – auch weniger Firmenwagen braucht. Vielmehr arbeiten immer mehr Menschen im Homeoffice und legen so täglich weniger Fahrtstrecke zurück, als noch im Jahr 2019. Zwar könnte es sich auch um einen temporären Effekt handeln, doch wenn die Unternehmen die riesigen Einsparpotenziale erkennen, dann wird es auch nach Corona weniger Geschäftsreisen im Vergleich zur Vor-Covid-Zeit geben. Folglich könnte für noch mehr Menschen ein Elektroauto mit Akkupaket in Frage kommen, da die vergleichsweise geringe Reichweite bei wenigen Kilometern weniger stark ins Gewicht fallen.
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Im Jahr 2019 hatte ich im bereits mit den Antriebsformen der Zukunft beschäftigt und in zwei Teilen die verschiedenen Technologien vorgestellt, sowie meine persönliche Prognose abgegeben. Nun hat seit Anfang 2020 die globale Covid-19-Pandemie das komplette Leben durcheinandergewürfelt, natürlich auch das Thema Mobilität. Laut einer Studie vom Verkehrsclub Deutschland und dem Borderstep Institut, spart verstärktes Homeoffice und die Nutzung von Videokonferenzen jährlich drei Millionen Tonnen Treibhausgase. Statt etwa 65 Kilogramm CO2 für eine Dienstreise mit der Bahn von Stuttgart nach Berlin, fällt bei einer vierstündigen Videokonferenz mit vier Teilnehmern lediglich ein Kilogramm CO2 an. Hierbei wurden von den Studienautoren sowohl der Betrieb des Rechenzentrums der Videokonferenz-Software als auch der Ressourcenverbrauch beim Internet-Provider sowie von vier Notebooks mit je 65 Watt Stromverbrauch einbezogen. So könnte manches Unternehmen eine neue Kosten-Nutzen-Rechnung in Bezug auf Firmenwagen aufmachen und zum Ergebnis kommen, dass wesentlich weniger Dienstwagen ausreichen, ohne dass dies negativen Einfluss auf das Unternehmensergebnis hat. Firmen könnten durch den Verzicht auf Geschäftswagen viel Geld sparen und zugleich einen Beitrag zum Umweltschutz leisten.
So ist es höchste Zeit, mal wieder ein aktualisiertes Bild zur Zukunft der Auto-Mobilität abzugeben.
Warum braucht es alternative Antriebe für Autos?
Seit dem 4. November 2016 gilt in der EU das Pariser Klimaabkommen, an das sich alle in der Europäischen Union vertretenen Länder halten müssen, sonst drohen Strafzahlungen. Die Zielsetzung ist es, den Anstieg der globalen Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen und so die Folgen des Klimawandels erheblich zu verringern, da ein vollständiger Stopp wohl unmöglich ist. Im Dezember 2020 hatte die EU ihren aktualisierten NDC vorgelegt, sodass die Treibhausgasemissionen bis 2030 gegenüber dem Jahr 1990 um mindestens 40 Prozent reduziert werden müssen. Insgesamt beteiligen sich weltweit mehr als 190 Partner am Pariser Klimaabkommen, darunter seit Kurzem auch wieder die USA unter Präsident Joe Biden. Um die ehrgeizigen Klimaschutzziele zu erreichen, muss jeder einzelne Sektor eines Landes etwas für mehr Klimaschutz tun. Hierzu zählt natürlich auch der Verkehrssektor, da hier die Regierung besonders leicht den Hebel ansetzen und jeden Bundesbürger/innen dazu aufrufen kann, aktiv etwas für den Umweltschutz zu tun. Laut der internationalen Energieagentur verursachte der gesamte Verkehrssektor im Jahr 2018 rund 18 Prozent der Treibhausgasemissionen von Deutschland. Der größte Produzent von Treibhausgasemissionen ist die Industrie mit 41,5 Prozent, gefolgt von der Strom- & Wärmeerzeugung mit 18,9 Prozent, die Haushalte sind nur für 3,4 Prozent aller Treibhausgasemissionen verantwortlich, der Rest verteilt sich auf den Bereich Sonstiges. Problematisch ist nicht nur die Gesamtbilanz der Treibhausgasemissionen, sondern auch die lokalen Abgase, da diese zu gesundheitlichen Problemen bei Menschen führen können und nicht nur schädlich für die Natur und die Tiere sind.
Es gibt aber auch noch einen wirtschaftlichen Grund, wieso alle Autohersteller auf alternative Antriebe setzen. Bis zum Jahr 2030 muss der CO2-Ausstoß pro Kilometer 35 % unterhalb des herstellerabhängigen CO2-Grenzwertes aus dem Jahr 2021 liegen, so die EU. Zwar gilt aktuell 95 Gramm CO2/km als Grenzwert für neu zugelassene PKW, allerdings bekommt jeder Autohersteller einen CO2-Bonus zugesprochen in Abhängigkeit des durchschnittlichen Leergewichts seiner angebotenen Autos. So liegt beispielsweise der von BMW einzuhaltende CO2-Grenzwert bei 104 Gramm CO2 pro Kilometer, da der bayerische Autobauer viele große und schwere Autos anbietet. Übrigens wird für die Berechnung des Grenzwertes auf die Verbrauchsangaben der Hersteller nach dem veralteten NEFZ/NEDC-Messzyklus zurückgegriffen und nicht etwa auf den realistischeren WLTP-Messzyklus gesetzt. Bei leichten Nutzfahrzeugen und darauf aufbauenden PKW-Versionen wie beispielsweise dem Mercedes Vito und der PKW-Version Mercedes-Benz V-Klasse gelten diese CO2-Grenzwerte nicht, da sie explizit nur für reine Personenkraftwagen aka Autos entworfen worden sind. Bei Autos dagegen bedeutet der CO2-Grenzwert, dass Autohersteller 95 Euro Strafe pro verkauftes Auto an die EU zahlen müssen, wenn die in einem Kalenderjahr innerhalb der Europäischen Union verkauften Neuwagen den CO2-Grenzwert nicht einhalten. So musste beispielsweise Volkswagen für das Jahr 2020 eine Millionenschwere Strafzahlung leisten, Audi, BMW und Mercedes haben dagegen die Grenzwerte eingehalten, weil neben Elektroautos, die mit 0 Gramm CO2-Ausstoß gewichtet werden, auch viele Plug-in-Hybride verkauft worden sind, die die Grenzwerte einhalten und zudem auch rein elektrisch gefahren werden können. Bis zum Jahr 2030 werden die CO2-Grenzwerte verschärft, sodass bis spätestens 2030 vermehrt Plug-in-Hybride und natürlich vollelektrische Fahrzeuge – mit Batteriepaket oder Brennstoffzelle – zum Kauf angeboten werden müssen, um möglichst keine Strafzahlungen an die EU leisten zu müssen. Mit den anderen in diesem Artikel vorgestellten Hybridarten ist dieser Grenzwert sehr wahrscheinlich nicht zu schaffen. Zudem gilt ab dem Jahr 2025 für alle neu zugelassenen Autos die Abgasnorm Euro 7, welche vor allem den NOx-Ausstoß strenger reguliert als bei bisherigen EU-Abgasnormen. Wie viel NOx die PKWs bei Euro-7-Abgasnorm ausstoßen dürfen, wird wohl in diesem Jahr festgelegt werden.
Synthetische Kraftstoffe – Sind E-Fuels die Lösung für Autos?
Es gibt sehr wohl eine Käufergruppe, die auf den Verbrennungsmotor schwört. Quer durch alle Altersgruppen sind das mehrheitlich Kunden, für die zum Autofahren eben ein Fahrzeug mit klassischem Sound und der Technik eines Verbrenners gehört. Zudem sind weltweite mehrere Millionen PKW in Benutzung, die über einen Verbrennungsmotor angetrieben werden. Um diese Bestandsfahrzeuge weiterhin fahren zu können und zugleich etwas für den Umweltschutz zu tun, bieten sich synthetische Kraftstoffe an. Sogenannte E-Fuels sind allerdings aktuell lediglich in Modellversuchen im Einsatz und noch nicht an Tankstellen verfügbar. Es muss und wird noch an etliche Punkte geforscht, denn – zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels – gibt es keine Möglichkeit, in großen Mengen synthetischen Kraftstoff herzustellen. Einige Unternehmen arbeiten derzeit an Lösungen für die Massenfertigung. Fakt ist, dass die E-Fuels auch im Motorsport entwickelt werden. So wird die Formel 1 ab dem Jahr 2023 ihrem speziellen Rennsprit auch synthetisch hergestellten Kraftstoff beimischen, perspektivisch möchte man die F1-Rennwagen nur noch mit E-Fuels betreiben. Andere Rennserien, wie etwa die DTM, wollen in den nächsten Jahren ebenfalls auf synthetische Kraftstoffe umsteigen und somit die Rennstrecke als „rollendes Labor“ nutzen.
Synthetische Kraftstoffe können auf verschiedene Art und Weise produziert werden. So ist es etwa möglich, aus CO2 und Wasserstoff einen Kraftstoff herzustellen. Die entsprechenden Produktionsprozesse sind aber noch nicht massentauglich. Eine andere Option ist es, Kraftstoff aus nachwachsenden Rohstoffen, wie Mais, Raps oder Palmöl herzustellen, doch zeigt sich, dass diese Art der Herstellung zu Umweltproblemen führt, sodass inzwischen eher auf die Kombination aus Wasserstoff und CO2 gesetzt wird. Letztlich ist es aktuell aber noch offen, wie E-Fuels zusammengesetzt werden und vor allem, wie diese ökonomisch in Großserie produziert werden können. So muss man davon ausgehen, dass eine Tankfüllung mindestens genauso teuer wird, wie mit Erdöl-basiertem Benzin/Diesel, da auch für E-Fuels zahlreiche Steuern fällig werden sowie die Herstellung teurer ist. Die grundlegende Idee ist es, nicht nur unabhängig vom Erdöl zu werden, sondern bilanziell CO2-neutral zu werden. So soll der CO2-Ausstoß der Autos mit Verbrennungsmotor durch die Verwendung von CO2 bei der Herstellung des E-Fuels kompensiert werden. Für die Umwelt bringt das aber nur bedingt etwas. Hier mal eine Zusammenfassung über Vor- und Nachteile von synthetischem Kraftstoff:
- E-Fuels können – nach der offiziellen Freigabe des Autoherstellers – in Autos mit herkömmlichem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
- Zielsetzung ist, bilanziell CO2-neutral zu werden. Sprich bei der Herstellung des synthetischen Kraftstoffs wird CO2 verwendet, um so den CO2-Ausstoß während der Fahrt auszugleichen.
- Problematisch für die Umwelt bleibt, dass die Verbrennungsmotoren weiterhin bei jeder Fahrt CO2 und andere Schadstoffe ausstoßen. So nutzen E-Fuels nichts für die Fußgänger und Tiere etc., die gerade an einem Auto vorbeigehen und weiterhin die giftigen Gase einatmen müssen.
- Aktuell gibt es keine Massenfertigung von synthetischem Kraftstoff. Es müssen erstmal entsprechende Verfahren entwickelt werden.
- Unklar ist aktuell auch, wie sich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verändert. So muss man etwa die Frage klären, ob der Kraftstoffverbrauch steigt, wenn man E-Fuels statt herkömmlichem Benzin/Diesel tankt.
Ist die Brennstoffzelle die Lösung?
Viele Leute halten die Brennstoffzelle für die eine Lösung. Ich hatte bereits im Jahr 2019 darauf hingewiesen, dass es bei dieser Technologie zahlreiche Baustellen gibt. Zwei Jahre später zeigt sich immer stärker, dass die Brennstoffzellen komplett aus dem PKW-Bereich verschwinden wird. Warum ist das so? Ein Vorteil eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs ist die schnelle Betankung. Innerhalb von weniger als 5 Minuten sind die Tanks voll. Allerdings kostet eine Zapfsäule für H2 rund eine Million Euro und damit erheblich mehr als eine Ladesäule. Schließlich müssen die Schläuche etc. die hohen Drücke von 700 bar aushalten und speziell gesichert sein. Mit einem randvollen Tank sind dann auch mal rund 750 Kilometer drin, verspricht beispielsweise der Hersteller Hyundai. Im aktuell modernsten Fuel-cell-Auto – dem Hyundai Nexo – stellt sich allerdings Ernüchterung ein. Im Test auf dem Youtube-Kanal Car Maniac zeigt sich, dass der aktuelle Hyundai Nexo nur rund 550 Kilometer weit kommt und der Ressourcenverbrauch im Vergleich zum Batterie-Elektroauto deutlich höher ausfällt. Um ein Kilogramm Wasserstoff herzustellen, werden 33 kWh an Energie bei der Produktion benötigt. Allerdings verbraucht der Hyundai Nexo gut 1,6 Kilogramm H2 pro 100 Kilometer. Ein Batterie-Elektroauto ist da ökologischer, weil es mit weniger eingesetzter Energie weiter als das Brennstoffzellenauto kommt. So hat beispielsweise ein Hyundai Ioniq Batterie-E-Auto nur einen Akku mit 28 kWh Kapazität, kommt damit aber gut 220 Kilometer weit (inkl. aktiver Klimaanlage). Zudem haben die Passagiere im Brennstoffzellen-Auto Hyundai Nexo weniger Platz als bei vergleichbar großen Batterie-Elektroautos oder herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor.
Neben dem Elektromotor wird auch eine Einheit zur Elektrolyse benötigt sowie Wasserstofftanks und ein – wenn auch im Verhältnis – kleines Akkupaket. Der zu betankende Wasserstoff wird mit hohem Druck von 700 bar in die Tanks gepresst. Diese müssen spezifisch gesichert sein, damit unter diesem gewaltigen Druck nichts passiert. An Bord des Fuel Cell-Elektroautos (oder kurz FCEV genannt) befindet sich ein kleines Kraftwerk, welches den Wasserstoff umwandelt in Strom. Dieser muss dann in einer Traktionsbatterie gespeichert werden, damit der E-Motor darauf zugreifen kann. So viel Technik braucht Platz im Auto und kostet den Autohersteller und dann auch dem Endkunden viel Geld. So besteht die Brennstoffzelle selbst teilweise aus Platin, was sie sehr teuer macht. Auch die speziellen Tanks sind teuer, sodass etwa Hyundai für den Brennstoffzellen-SUV rund 79.000 Euro verlangt, während etwa das Tesla Model Y Long Range 58.620 Euro kostet und mehr als 400 Kilometer weit in Tests kommt. Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen muss man für einen randvollen Tank mit gut 50 Euro rechnen und kommt damit nicht mal so weit, wie bei einem Verbrenner mit E-Fuels.
Brennstoffzelle wird künftig nur noch bei Klein-Transportern und in LKWs eingesetzt
Mercedes hat etwa bereits die Notbremse gezogen und die Entwicklung von Autos mit Brennstoffzelle eingestellt. Vielmehr arbeitet Daimler nun mit Volvo Trucks zusammen und erforscht, wie man die Brennstoffzelle in LKWs einsetzen könnte. Der japanische Hersteller Honda hat ebenfalls bereits die Entwicklung von Autos mit Brennstoffzelle eingestellt. Opel erforscht etwa für den Stellantis-Konzern den Einsatz der Brennstoffzelle in Nutzfahrzeugen und wird ab diesem Jahr eine Kleinserie des Transporters Opel Vivaro mit Fuel Cell auf den Markt bringen. Man kann davon ausgehen, dass auch weitere Hersteller diesen Beispielen folgen werden und die Brennstoffzelle nur noch für den Einsatz in leichten und schweren Nutzfahrzeugen vorsehen werden. Schließlich hat man etwa in einem Mercedes-Benz Sprinter oder in einem Opel Vivaro mit Außenlängen von um die fünf Meter genug Platz für die aufwendige Technologie. Die zusätzlichen Kosten könnten zudem im Flottenkunden-Bereich nicht so stark zuschlagen, wie bei den PKWs, die ja auch Privatpersonen kaufen. Wenn man eine ähnliche Reichweite wie bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen bei einem Batterieelektrischen Nutzfahrzeug erreichen will, braucht man ein Akkupaket mit hohen Kapazitäten, die dann wiederum den Preis nach oben treiben. So kommt beispielsweise das Batterie-Elektro-Nutzfahrzeug Opel e-Vivaro mit dem größten verfügbaren Akkupaket mit 75 kWh-Kapazität nur 230 Kilometer – laut Hersteller – weit, da es einen hohen Verbrauch durch die über 1,80 Meter hohe Karosserieform Hochdachkombi und den schlechten Luftwiderstand gibt. So könnte die Brennstoffzelle in Nutzfahrzeugen durchaus eine sinnvolle Alternative darstellen.
- Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen ist viel Technik notwendig und das benötigt viel Platz im Fahrzeug. So werden etwa neben einem Elektromotor zwingend ein kleines Akkupaket, eine Brennstoffzelle und mehrere Wasserstofftanks benötigt.
- Viele Technik bedeutet auch hohe Kosten für die Hersteller.
- Man kann Wasserstoff innerhalb von nur fünf Minuten tanken, wenn man denn eine Wasserstoff-Tankstelle findet.
- Eine Zapfsäule für Wasserstoff kostet rund 1 Million Euro, da die Schläuche etc. Drücke von 700 bar aushalten und speziell gesichert sein müssen.
- Viele Autohersteller verbauen die Brennstoffzelle nicht mehr in Autos, sondern nur noch in Transporter mit um die fünf Meter Außenlänge und testen den Einsatz in LKWs.
Batterieelektrische Vehikel als Zukunftslösung?
Einige Leute halten das Elektroauto mit Akkupaket für die umweltfreundlichste und zukunftsfähigste Lösung im Bereich des Automobils. Ein immenser Vorteil des E-Autos ist der beste aller hier in dieser Reihe vorgestellten Wirkungsgrade. Mit Nutzung von über 85 Prozent der vom Batteriepaket gelieferten Energie, ist die Kombination aus E-Motor und Traktionsbatterie unübertroffen effizient!
In der Vergangenheit gab es immer wieder Berichte darüber, dass die Rohstoff-Produktion für die Akkuzellen umweltschädlich sei. Mittlerweile reagieren jedoch immer mehr Hersteller darauf und passen ihre Herstellungsprozesse an, sodass es etwa bei BMW darauf geachtet wird, die Produktion des Akkupakets so nachhaltig, wie möglich zu machen. So setzt beispielsweise BMW auf einen nachhaltigen Bezug von Lithium. Zudem benötigen viele E-Motoren mittlerweile keine Seltenen Erden mehr, sodass auch dieser Nachteil gar kein Nachteil mehr ist.
Doch wie bei allen Antriebsarten, gibt es auch beim BEV Nachteile. So oder so bleibt aber die Herstellung eines Elektroautos mit Traktionsbatterie energieintensiv. Je nach jährlicher Fahrleistung dauert es durchaus einige Jahre, bis ein BEV-Fahrer/innen den CO2- und Schadstoffausstoß der Herstellung wieder hereingefahren hat. Die Ladezeiten von Batterie-Elektroautos sind deutlich länger, als beim Brennstoffzellen-Fahrzeug und bei (synthetischen) Kraftstoffen und hängen von verschiedenen Faktoren ab, etwa der Kapazität des Akkus, dem Akkustand, den Außentemperaturen und der kW-Menge, die die Ladesäule abgeben und das E-Auto aufnehmen kann. Um umweltfreundlich unterwegs sein zu können, sollte auch der geladene Strom möglichst aus regenerativen Quellen stammen. Definitiv von Vorteil ist, dass jedes Batterieelektrische Vehikel während der Fahrt außer Brems- und Reifenabrieb keine Schadstoffe ausstößt und man somit direkt seiner Umwelt etwas Gutes tun kann.
Was passiert, wenn der Akku eines Elektroautos kaputt ist?
Falls der Akku kaputt ist, kann man die Traktionsbatterie in einer Fachwerkstatt reparieren lassen. Hierbei muss nicht das komplette Akkupaket getauscht werden. Vielmehr werden nur einzelne Akku-Module getauscht. Laut VW kostet ein Akku-Modul für den vollelektrischen ID.3 bei der VW-Vertragswerkstatt inklusive sechs Arbeitsstunden knapp 2.000 Euro. Allerdings bieten nahezu alle Autohersteller beim Kauf eines E-Autos eine explizite Akkupaket-Garantie über sechs Jahre oder 160.000 Kilometer, je nachdem, was zuerst eintrifft. Innerhalb der Garantiezeit ist der Tausch des Akkupakets kostenfrei möglich, insofern der SoH-Wert unter 70 Prozent liegt. Beim State-of-Health-Wert geht es um die Gesundheit der Batterie, wobei 100 Prozent dem Auslieferungszustand des Neuwagens entsprechen. Über die Jahre verliert ein Lithium-Ionen-Akku immer etwas an Kapazität. Fairerweise muss aber angemerkt werden, dass viele BEV-Besitzer auch Jahre später noch mit dem ersten Akkupaket unterwegs sind und es kaum vorkommt, dass der SoH-Wert unter 70 Prozent fällt. Wenn man auf Nummer sicher gehen will, sollte man den Akku möglichst langsam laden.
Am Ende des Lebenszyklus des Batteriepakets kann dieses in sein zweites Leben gehen. Es wird von einer vom Hersteller-zertifizierten Vertragswerkstatt ausgebaut und dann beispielsweise an Großkunden verkauft. So werden beispielsweise im Fußballstadion von Ajax Amsterdam tausende alte Akkupakete von Nissan Leaf genutzt, um Strom zu speichern. Auf dem Stadiondach sind Solarzellen angebracht. Der so gewonnene Strom wird – so er nicht direkt verbraucht wird – eben in alten Batterien gespeichert. Dies ist als ein Beispiel einer Wiederverwendung von Traktionsbatterien aus dem Elektroauto zu sehen. Opel bietet etwa eine Reparatur von defekten Akkupaketen an, die im Werk in Rüsselsheim erfolgt. Für die Zukunft forschen unter anderem Northvolt und BMW daran, wie man möglichst viel von einem Akkupaket recyceln kann.
- Während der Fahrt gibt es bei Elektroautos – neben dem bei allen Autos üblichen Brems- und Reifenabrieb – keinen Ausstoß von Schadstoffen, wie CO2.
- Der sehr hohe Wirkungsgrad von 85 Prozent ist ein Vorteil des Elektroantriebs mit Akkupaket.
- Produktion des Akkupakets wird umweltfreundlicher (im Vergleich zu 2019), da immer mehr Hersteller auf neue Herstellungsverfahren setzen.
- Ein nicht mehr im Auto gebrauchtes Akkupaket kann ein zweites Leben bekommen, etwa als Stromspeicher für Zuhause.
- Problematisch ist die Herstellung eines Elektroautos mit Traktionsbatterie, da die Produktion sehr energieintensiv ist. So dauert es auch schon mal ein paar Jahre, ehe der Ressourcenverbrauch bei der Fahrzeug- und Akku-Fertigung wieder hereingefahren ist.
- Problematisch kann die verfügbare Reichweite sein. Je nach Außentemperatur, aktivierter Heizung/Klimaanlage, Höhenunterschied der Fahrtstrecke und gefahrenem Tempo schwankt die Reichweite eines Batterieelektrischen Vehikels.
- Der Tausch eines Akku-Moduls kostet beispielsweise beim VW ID.3 knapp 2.000 Euro inklusive Arbeitsstunden.
Fazit
Im Jahr 2019 schrieb ich: „Sprich es gibt einen Anteil x an Verbrenner, einen Teil y an batterieelektrischen Fahrzeugen und einen Teil z an Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Die jeweiligen Anteile werden je nach Markt und Jahr variieren. Aber einzig und allein die Vielfalt macht´s! Nicht für jeden ist ein batteriebetriebenes E-Auto optimal, da ein Vertreter der jeden Tag seine 400 Kilometer am Stück unter Zeitdruck zurücklegen muss, schlicht keine Zeit hat, sich mindestens 30 Minuten an irgendeiner Ladesäule die Füße zu vertreten.“
Zwei Jahre später muss ich meine damalige Einschätzung – teilweise – korrigieren. Im Zuge der globalen Coronavirus-Pandemie zeigt sich nämlich, dass in vielen Berufen keine Geschäftsreisen notwendig sind und es – in letzter Konsequenz – auch weniger Firmenwagen braucht. Vielmehr arbeiten immer mehr Menschen im Homeoffice und legen so täglich weniger Fahrtstrecke zurück, als noch im Jahr 2019. Zwar könnte es sich auch um einen temporären Effekt handeln, doch wenn die Unternehmen die riesigen Einsparpotenziale erkennen, dann wird es auch nach Corona weniger Geschäftsreisen im Vergleich zur Vor-Covid-Zeit geben. Folglich könnte für noch mehr Menschen ein Elektroauto mit Akkupaket in Frage kommen, da die vergleichsweise geringe Reichweite bei wenigen Kilometern weniger stark ins Gewicht fallen.
Quellen
- Automobil-Produktion: Was Euro 7 für die Zukunft der Verbrennungsmotoren bedeutet. [01.03.2021].
- Auto Motor und Sport: Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur. [20.02.2020].
- Auto Motor und Sport: CO2-Strafzahlungen für Flottenverbrauch – VW-Konzern zahlt trotz E-Auto-Offensive Millionen. [25.01.2021]
- Auto Motor und Sport: E-Auto vs. Verbrenner – Wer ist wirklich sauberer? – Bloch erklärt #128. [03.02.2021].
- Auto Motor und Sport: Akku-Reparatur – nicht teurer als ein Turbo-Tausch. [19.03.2021].
- Bimmertoday: CO2-Ziele der EU 2020 – BMW unterbietet Ziel um 5 Gramm. [22.01.2021].
- BMW: BMW Group beschleunigt Technologie-Offensive für umfassende Neuausrichtung – kompromisslos elektrisch, digital, zirkulär. [17.03.2021].
- BMW: Für einen schnellen Ausbau der E-Mobilität – BMW Group erhöht nachhaltigen Bezug von Lithium für die Batteriezellfertigung. [30.03.2021].
- Car Maniac: Wasserstoffauto vs. Elektro: Brennstoffzelle wirklich besser? [20.07.2020].
- Daimler: Startschuss für „H2Accelerate“: beteiligte Unternehmen wollen emissionsfreien Wasserstoff-Lkw gemeinsam zum Durchbruch verhelfen. [15.12.2020].
- Edison: Opel repariert die Akkus von Elektroautos erst einmal. [23.03.2021].
- E-Fuel Today: Wie werden E-Fuels hergestellt? [27.01.2021].
- Electrive.net: Kurze Ausfahrt mit dem Opel e-Vivaro. [17.09.2020].
- Europäische Union: Übereinkommen von Paris. [27.12.2020].
- Hyundai: Nexo. [04.04.2021].
- Internationale Energieagentur: CO2 Emissions from Fuel Combustion. [16.11.2020].
- Nissan: Nissan Leaf Batterien setzen Fußball-Arena in Amsterdam unter Strom. [02.07.2018].
- MDR: Keine Förderung für klimaneutrale Kraftstoffe? [11.08.2020].
- Opel: e-Vivaro. [05.04.2021].
- Instadriver: E-Auto vs. Verbrenner – was Bloch uns nicht erklärt. [04.02.2021].
- PC Games Hardware: Dank Videokonferenz-Boom – Theoretisch 700.000 PKW überflüssig. [22.02.2021].
- Stellantis: Hydrogen Fuel Cell Zero Emission by Stellantis. [März 2021].
- Tesla: Model Y. [04.04.2021].
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