Neue Antriebe auf dem Prüfstand

Frau arbeitet im Labor

Text Johannes Giesler
Fotografie Laila Tkotz, Amadeus Bramsiepe, Elvira Eberhardt

06. Dezember 2019

Fossile Kraftstoffe waren gestern, die Zukunft der Mobilität ist nachhaltig. Welche Antriebe erfüllen diesen Anspruch und haben auch das Zeug, sich am Massenmarkt durchzusetzen? Ein Überblick.

Diesel? Stossen zu viel Stickstoffdioxid aus. Benziner? Pusten klimawirksames Kohlendioxid in die Atmosphäre. Verbrennungsmotoren, wie sie heute auf den Strassen fahren, sind schädlich für die Umwelt und gesundheitsgefährdend für den Menschen. Mitte Oktober hat die Europäische Umweltagentur (EEA) dazu den „Air Quality Report 2019“ veröffentlicht. Aus der Studie geht hervor, dass fast alle Bewohner europäischer Städte einer zu hohen Schadstoffbelastung ausgesetzt sind. Die EEA spricht in der Summe von etwa 400‘000 vorzeitigen Todesfällen, verursacht durch Feinstaub, Stickstoffdioxid und Ozon. Zudem seien viele Ökosysteme, insbesondere deren Vegetationen, verunreinigt. Mitverantwortlich: der Verkehrssektor. Seit Jahren ist deshalb die Rede von einer „Verkehrswende“ hin zu einer nachhaltigeren Mobilität. 

Antriebe im Wettrennen

Das Umdenken auf der Strasse bedingt aber ein kultureller Wandel: Weniger Individualverkehr, mehr Carsharing und Radfahren, ein leistungsfähiger Öffentlicher Personennahverkehr. Weil aber vielen Mobilitätskonzepten natürliche Grenzen gesetzt sind, Sharing-Angebote haben vor allem im urbanen Gebiet grosses Potenzial und weniger auf dem Land, ist eine erfolgreiche Verkehrswende auch auf innovative Technologien angewiesen. Doch welche Antriebe können helfen, die Emissionen im Verkehrssektor im grossen Stil zu senken? Konkret: Was steckt in Zukunft unter den Motorhauben? 

Derzeit konkurrieren vor allem drei Ideen: Elektromotoren, Brennstoffzellen und synthetische Kraftstoffe.

Elektromotoren mit kompakten Lithium-Ionen-Akkus finden sich bereits im Handel. Nicht ganz so weit sind Brennstoffzellenantriebe, die mit Wasserstoff arbeiten. Heute wird der Wasserstoff meist aus Erdgas, in Zukunft aber vermehrt mit Hilfe von elektrischer Energie in sogenannten Elektrolyseuren aus Wasser, gewonnen. In Drucktanks gespeichert, reagiert der Wasserstoff später kontrolliert in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff und setzt die elektrische Energie wieder frei. Zuletzt setzen viele Forscher Hoffnung in synthetische Kraftstoffe – ein Benzin- oder Dieselersatz aus Wasserstoff und biogenen Reststoffen oder Kohlenstoffdioxid. Allen Technologien ist gemein, dass ihre Primärenergie aus Strom erzeugt wird. Stammt dieser aus nachhaltigen Quellen, sind die Antriebsformen potenziell emissions-neutral.

Effizienz gewinnt

Dieser Gemeinsamkeit stehen gravierende Unterschiede gegenüber. „Der grösste ist für mich die Energieeffizienz der Antriebe“, sagt Maximilian Fichtner. Er ist im süddeutschen Ulm Direktor am Helmholtz-Institut für Batterieforschung, eines der europaweit führenden Zentren auf diesem Gebiet.

„Entscheidend für die Mobilität der Zukunft ist, wie viel Energie uns zur Verfügung stehen wird. Solange wir nicht Solar- und Windkraft im Überschuss haben, müssen wir den Strom so effizient wie möglich einsetzen.“

Ein Instrument, um die Effizienz eines Antriebes auszurechnen, ist die „Well-to-Wheel“-Analyse. Sie zeigt, wie viel Ausgangsenergie in Bewegung umgesetzt wird. Das hat die Wirtschaftsprüfungsgesellschaft PricewaterhouseCoopers (PwC) vor zwei Jahren für alle drei Antriebe untersucht. Das Ergebnis: Das Elektrofahrzeug gewinnt den Vergleich, nach Stromerzeugung und Speicherung, mit 70 Prozent am Rad. Beim Brennstoffzellenauto sind es 36 Prozent und bei Fahrzeugen mit synthetischem Kraftstoff im Tank elf Prozent.

Mit den Zahlen ist Fichtner, der selbst auch zehn Jahre an Wasserstoffspeicherung geforscht hat, nicht ganz zufrieden. Er gibt zu bedenken, dass die Studie nur eine „stationäre Verwendung“ von Wasserstoff berücksichtigt. Nicht aber den Transport zu den Tankstellen, für den das Gas energieaufwendig auf mehrere 100 bar komprimiert und minus 40 Grad gekühlt werden muss. „In der Summe kommt Wasserstoff daher nur auf 15 Prozent anstatt 36 Prozent am Rad“, sagt er.

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Entscheidend, wo der Strom herkommt

Aus ihrem Ergebnis haben die PwC-Analysten noch ein Gedankenspiel gemacht: Sie haben für Deutschland berechnet, wie viel mehr Strom nötig wäre, würde die gesamte zugelassene Pkw-Flotte mit den alternativen Antrieben fahren – bei gleicher Laufleistung: 176 Terrawattstunden zusätzlich für den Betrieb mit Batterien. 825 Terrawattstunden, berücksichtigt man die Zahlen des Wissenschaftler Fichtners, wenn alle Fahrzeuge Wasserstoff tankten. Und um 1079 Terrawattstunden stiege der Energiebedarf mit synthetischen Kraftstoffen. Die Herausforderung dabei: Vergangenes Jahr wurden landesweit gerade Mal 226 Terrawattstunden Öko-Strom produziert.

Trotz der günstigen Energieeffizienz vollständig auf Batterie-Antrieb zu setzen, ist aber auch keine Lösung. Für grössere Fahrzeuge sind die gängigen Akkus nicht sinnvoll, da ihre Energiedichte zu gering ist.

Sie produzieren zu wenig Leistung. Selbst die zurzeit beliebten SUVs zu elektrifizieren ist ein zweischneidiges Schwert. Einerseits kann der Strom für den Betrieb regenerativ gewonnen werden, andererseits müssen Batterien für diese Fahrzeugklasse sehr schwer sein. „Sie schlucken viele Rohstoffe und ihre Herstellung benötigt grosse Mengen Energie, die ebenfalls aus erneuerbaren Quellen kommen muss. Wer umweltrelevant argumentiert, muss einsehen: Da fangen Batterien bereits an, unsinnig zu werden“, sagt Fichtner. Hinzu kommt: Die wichtigsten Rohstoffe für die Elektromobilität, Lithium und Kobalt, sind Prognosen zufolge bei rapide steigender Nachfrage von Förderengpässen bedroht. In den lithiumhaltigen Salzseen Südamerikas kommt es zudem in einigen Fällen zu Grundwasserabsenkungen, weil die Fördermethoden grosse Mengen des salzhaltigen Grundwassers nutzen, welches für die Lithiumgewinnung verdunstet wird.

Rohstoff-Abbau setzt Fragezeichen

Wer seine Hoffnung aber in Wasserstoff setzt, kommt an einer Rohstoffdebatte auch nicht vorbei. „Die Brennstoffzelle benötigt Platin als Katalysator“, sagt Fichtner. „Davon gibt es ebenfalls wenig und das Edelmetall wird unter sehr schlechten Arbeitsbedingungen abgebaut.“ In einer Studie schreibt „Brot für die Welt“, dass in Südafrika, dem Weltmarktführer bei der Förderung, Platin untrennbar mit Umweltverschmutzung und Menschenrechtsverletzung verbunden sei.

Selbst bei synthetischen Kraftstoffen gab es vor einigen Jahren eine lautstark geführte „Tank-oder-Teller-Debatte“ um den regenerativen Anteil von Biodieseln. Der wurde bislang grösstenteils aus Raps gewonnen, was die Frage aufwarf: Dürfen landwirtschaftliche Flächen nur zur Lebensmittelproduktion oder auch zur Herstellung von Kraftpflanzen genutzt werden? Für moderne synthetische Kraftstoffe soll der notwendige Kohlenstoffanteil daher aus biogenen Reststoffen wie Stroh, Speiseresten oder Abfallfetten stammen.

Leute arbeiten im Labor

Milliardenschwere Investitionen in Infrastruktur 

Eignen sich Batterien daher vor allem für leichte Vehikel, punkten synthetische Kraftstoffe und Brennstoffzellen beim Einsatz in schweren Fahrzeugen. Das liegt an ihrer Energiedichte: Während des Tankvorgangs fliesst jeweils Energie im Megawattbereich pro Minute durch den Rüssel. Beide Antriebsarten eignen sich für Lastwagen, Busse und Züge.

In Norddeutschland sind seit Herbst 2018 zwei Prototypen eines Brennstoffzellenzuges unterwegs. Das Potenzial auf der Schiene ist gross: Ungefähr 46 Prozent des europäischen Schienennetzes sind nicht elektrifiziert. Dieselloks, die hier aktuell zum Einsatz kommen, könnten künftig auch mit synthetischen Kraftstoffen betrieben werden.

Das beste Argument für synthetische Kraftstoffe aber zeigt sich in regelmässigen Abständen am Strassenrand: die Tank-Infrastruktur. Die könnte bestehen bleiben. Und da sich nur die Flüssigkeit, die zum Vortrieb verbrannt wird, ändert, gilt das ebenfalls für das Innenleben der Fahrzeuge.

Ganz anders bei Batterie- und Wasserstoffantrieb. Hier würde, laut dem Forschungsinstitut Jülich, das Aufspannen der Versorgungsnetze ungefähr 91 Milliarden Euro kosten. Gerechnet wurde mit 40 Millionen Fahrzeugen, zu gleichen Teilen mit Batterie- und Wasserstoffbetrieb. „Das ist so aufwendig, weil für die Leistung an den Zapfsäulen ein Mittelspannungsnetz etabliert werden müsste, das mehrere Tausend Volt ermöglicht. Sonst gehören zum Verreisen mit Elektrofahrzeugen künftig halbstündige Ladestopps“, sagt Maximilian Fichtner.

Kombination ist die Lösung

Entscheidend für Verbraucher dürfte zuletzt auch der Preis der drei Technologien im Unterhalt sein. Die Beratungsgesellschaft PwC hat deshalb die Kosten für Kraftstoff, Unterhalt und Wertverlust von ähnlichen Mittelklassefahrzeugen verglichen, dazu Skaleneffekte, technologische Potenziale und wahrscheinliche Effizienzsteigerungen eingepreist. Das Ergebnis: Je 100 Kilometer kostet der Betrieb eines batterieelektrischen Fahrzeugs 49,90 Euro, für das Fahrzeug mit Wasserstoff 55,50 Euro und 69,30 Euro für jenes mit synthetischen Kraftstoffen. 

Welcher Antrieb wird sich nun durchsetzen? Hier hat Maximilian Fichtner eine überraschende Antwort parat

„Keiner. Wir benötigen eine Kombination aller Technologien. Weder kann die Batterie jede Mobilitätsform abdecken, noch ist es sinnvoll, mit Brennstoffzellen oder synthetischen Kraftstoffen den Energiebedarf kleiner Fahrzeuge zu vervielfachen. Synthetische Kraftstoffe sind zudem noch ein Versprechen: Es ist ein unglaublicher Vorteil, die bestehende Fahrzeugflotte und die Tankinfrastruktur beizubehalten, aber synthetische Kraftstoffe kosten in der Herstellung zu viel Energie und sind derzeit noch zu teuer. Die Brennstoffzelle hinkt da ebenfalls hinterher, deshalb ist sie ungefähr doppelt so teuer wie eine Batterie. Lithium-Ionen-Akkus sind das mit Abstand energieeffizienteste System und auch sehr langlebig. Ihr hoher Rohstoffbedarf kann abgefangen werden, wenn wir bei den Batterien in eine Kreislaufwirtschaft einsteigen, so wie es Wirtschaft und Politik jetzt auch anstreben.“


Ich möchte mit meinen Wissenstexten etwas mehr Verständnis finden und für andere schaffen. Kein Thema, das ich bisher bearbeitet habe, ist Schwarz oder Weiss. Erst im Grau dazwischen wird's spannend. Ich beschäftige mich zurzeit viel mit: gefährlicher Sprache, Zukunftstreiber und veganer Ernährung.
Fotografie Laila Tkotz, Amadeus Bramsiepe, Elvira Eberhardt

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