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Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität - IVT

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Technische Universität Graz
Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik
Vorstand: Univ.-Prof.Dipl.-Ing.Dr.techn. H. Eichlseder
Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Dozentenvorlesung im Rahmen der Lehrveranstaltung
„Ausgewählte Kapitel der Verbrennungskraftmaschine“
Vortragender: Univ.-Doz.Dipl.-Ing.Dr.techn. Wolfgang Wachter
Sommersemester 2014
Vorwort
Der motorisierte Verkehr darf als eine der Säulen des Wohlstandes in den Industrieländern angesehen werden. Gleichwohl bringt er eine Reihe von Problemen mit sich. Abgase, CO2-Emissionen und Lärm betreffen sowohl die Menschen im Nahbereich der Verkehrswege als auch das globale Klima, Gewässer und Pflanzen. Deshalb wird seit vielen
Jahren an der Verbesserung der Situation gearbeitet, nicht zuletzt auf Druck der Gesetzgeber.
Das vorliegende Skriptum wurde mit Wirksamkeit des Sommersemesters 2012 insofern
überarbeitet, als der Fokus nun auf den Kraftstoffen und den komplexen Fragestellungen im Zusammenhang mit der Elektromobilität liegt. Spezielle Berücksichtigung finden
biogene Kraftstoffe. Die Kapitel über die klassischen Schadstoffe zufolge des motorisierten Verkehrs und den Lärm, abgesehen von Elektrofahrzeugen, wurden aus Platzgründen weggelassen.
Das Skriptum ist von der Homepage des Instituts für Verbrennungskraftmaschinen und
Thermodynamik der TU Graz abrufbar:
www.ivt.tugraz.at bzw.
www.ivt.tugraz.at/index.php/de/lehre/skripten.html
Wolfgang Wachter
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung .......................................................................................................................................... 1
1.
Einleitung ................................................................................................................................................... 2
2.
Lenkungsmaßnahmen .......................................................................................................................... 3
3.
Kraftstoffe .................................................................................................................................................. 5
3.1 Kraftstoffverbrauch und CO2 ..................................................................................................... 5
3.2 Flüssige Alternativkraftstoffe................................................................................................. 11
3.3 Gasförmige Biokraftstoffe ........................................................................................................ 15
3.4 Ökologische Aspekte der Biokraftstoffe ............................................................................. 16
3.5 Wassergefährdung durch Kraftstoffe .................................................................................. 19
3.6 Hybridtechnik............................................................................................................................... 19
3.7 Speicherdichte von Kraftstoffen............................................................................................ 20
4.
Elektromobilität ................................................................................................................................... 22
4.1 Energiebedarf ............................................................................................................................... 22
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
Reichweite, Gewicht und Infrastruktur .................................................................................... 24
Wirkungsgrade.................................................................................................................................... 26
Heizung und Klimatisierung .......................................................................................................... 29
Sicherheit............................................................................................................................................... 30
4.3.1
4.3.2
4.3.3
4.3.4
Pumpspeicherkraftwerke ............................................................................................................... 34
Druckluftspeicherkraftwerke ....................................................................................................... 34
EE-Gas (Solargas, Windgas) ........................................................................................................... 34
Smart Grids ........................................................................................................................................... 35
4.2
4.3
Energieaufkommen .................................................................................................................... 31
Technologien zur Energiespeicherung ............................................................................... 34
4.4
4.5
CO2-Emissionen ........................................................................................................................... 36
Lärm ................................................................................................................................................. 42
4.6
Schlussfolgerungen .................................................................................................................... 49
4.5.1
4.5.2
4.5.3
Nach außen wirkender Lärm ........................................................................................................ 42
Messungen des Innengeräusches ................................................................................................ 45
Resümee................................................................................................................................................. 48
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Zusammenfassung
Die politischen Rahmenbedingungen beeinflussen maßgeblich technische Entwicklungen. Aus diesem Grund werden die Lenkungsmaßnahmen der EU hinsichtlich treibausrelevanter Emissionen kurz vorgestellt. Das ist zum Verständnis der nachfolgenden Kapitel hilfreich.
Die Thematik der Kraftstoffe wird eingehend behandelt. Hier wird auch auf die synthetischen Kraftstoffe auf der Basis von fossilen Kohlenwasserstoffen und aus Biomasse eingegangen. Nicht unerheblich sind in diesem Zusammenhang die Reichweiten, die mit
den unterschiedlichen Energiespeichern zu erzielen sind, sowie das Eigengewicht solcher Systeme.
Schließlich werden die Vor- und Nachteile der Elektromobilität aufgezeigt. Es wird unter
anderem der Frage nachgegangen, wie die Substitution fossiler Kraftstoffe durch elektrische Energie erfolgen könnte. Die CO2-Bilanzen werden anhand von Life-Cycle-Analysen
betrachtet. Die Lärmemission wird detailliert behandelt.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
1
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
1.
Einleitung
Jede technische Entwicklung ist in einem gewissen Ausmaß mit den politischen Vorgaben verknüpft. Für den Verkehr trifft dies in besonderem Maße zu. Für die Industrie ist
es deshalb wichtig, die Marschrichtung der Entscheidungsträger und die daraus resultierenden Gesetze früh genug zu kennen. Für den europäischen Wirtschaftsraum haben
die Entscheidungen auf EU-Ebene die größte Bedeutung.
Aus den jüngsten Weichenstellungen der Europäischen Union ist abzuleiten, dass in den
nächsten Jahren mit weiteren Reduktionen der Schadstoffemissionen zu rechnen ist,
dass biogenen Kraftstoffen im Sinne einer Übergangslösung mehr Bedeutung zukommt
und dass der Ausstoß von Treibhausgasen massiv zu limitieren ist. Der Einsatz regulierender Maßnahmen kann als sicher angesehen werden.
Bei der Suche nach Auswegen aus den klassischen Umweltproblemen des motorisierten
Verkehrs gewinnen Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung, ganz besonders in der
öffentlichen Diskussion. Bis zur Substitution eines nennenswerten Anteils konventioneller PKW wird sicherlich noch einige Zeit vergehen. Dennoch ist es durchaus sinnvoll,
sich über grundlegende Fragen in diesem Zusammenhang Klarheit zu verschaffen, beispielsweise wie die Energie aus fossilen Kraftstoffen durch elektrischen Strom ersetzt
werden soll, ohne die Klimaschutzziele zu vernachlässigen und ohne die Emissionen nur
geographisch zu verlagern.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
2
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
2.
Lenkungsmaßnahmen
Neben der klassischen Abgasgesetzgebung stehen aktuell vor allem die Treibhausgase
und, eng damit verbunden, der Kraftstoffverbrauch im Fokus der europäischen Wirtschafts- und Umweltpolitik. Von den Vorgaben seitens der Politik ist ganz maßgeblich
auch die Fahrzeugindustrie betroffen.
Die EU hat am 23.1.2008 ein Positionspapier mit folgenden Eckpunkten veröffentlicht1,
welches die Chancen Europas im Klimawandel zum Inhalt hat:
 Senkung der Treibhausgase um mindestens 20 % bis 2020 – oder sogar um 30 %,
sofern ein internationales Abkommen zustande kommt, in dem sich andere Industrieländer „zu vergleichbaren Emissionsreduzierungen und die wirtschaftlich weiter
fortgeschrittenen Entwicklungsländer zu einem ihren Verantwortlichkeiten und jeweiligen Fähigkeiten angemessenen Beitrag“ verpflichten.
 Verbindliches Ziel in Höhe von 20 % für den Anteil erneuerbarer Energien am Energieverbrauch der EU bis 2020.
Weiters wurde Folgendes (nahezu wörtlich) festgehalten: Im Jahr 2008 lag der Anteil
der erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch der EU bei 8,5 %. Ein durchschnittlicher Anstieg um 11,5 % ist erforderlich, um bis 2020 das Ziel von 20 % zu erreichen.
Mit Technologien für erneuerbare Energien wurde bereits 2008 ein Umsatz von 20 Milliarden Euro erwirtschaftet, und der Wirtschaftszweig zählte 300.000 Arbeitsplätze. Bei
einem Anteil der erneuerbaren Energien von 20 % dürfte die Branche bis 2020 fast eine
Million Arbeitsplätze aufweisen – oder sogar noch mehr, wenn Europa seine Möglichkeiten voll ausschöpft, auf diesem Gebiet weltweit führend zu werden. In der Öko-Industrie
Europas ist das Wachstumspotenzial besonders stark ausgeprägt. Grüne Technologien
sind nicht das Monopol irgendeines Teils Europas. Sie nehmen einen immer größeren
Platz in einer Branche ein, deren jährlicher Umsatz inzwischen 227 Milliarden Euro
ausmacht.
Der Emissionshandel soll forciert werden. Für Emissionsrechte hat sich ein eigener
Markt entwickelt, da Unternehmen die ihnen zugeteilten Berechtigungen verkaufen
können, wenn sie weniger eigene Emissionen ausstoßen, oder hinzukaufen müssen,
wenn ihre Emissionen über der Menge liegen, zu der sie berechtigt sind. Unternehmen,
die in Emissionssenkung investieren, können somit einen Erlös aus dem Verkauf von
Emissionsrechten erzielen, was gleichzeitig die Innovation anregt und Veränderungen
dort vorantreibt, wo der größte Kosten-Nutzen-Effekt erzielt werden kann. Auf die
Energiewirtschaft entfällt ein großer Teil der Emissionen. Da weniger als die Hälfte der
Treibhausgasemissionen vom neuen Emissionshandels-System erfasst würden, ist ein
EU-Rahmen erforderlich, damit die Mitgliedstaaten auch die übrigen Emissionen in ihre
Verpflichtungen einbeziehen. Dieser Rahmen beträfe Bereiche wie den Gebäudesektor,
den Verkehr, die Landwirtschaft, die Abfallwirtschaft und Industrieanlagen, deren Emissionen unterhalb der Schwelle liegen. Es ist deshalb eine Emissionssenkung über das
derzeitige Emissionshandels-System hinaus notwendig.
Mitteilung der Kommission an das Europäische Parlament, den Rat, den europäischen Wirtschafts- und
Sozialausschuss und den Ausschuss der Regionen: Chancen Europas im Klimawandel
1
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
3
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Schließlich hat sich der Europäische Rat für ein separates Mindestziel für den Anteil
nachhaltiger Biokraftstoffe am verkehrsbedingten Kraftstoffverbrauch in der EU ausgesprochen. Da Biokraftstoffe auf absehbare Zeit die einzige realistische KraftstoffAlternative darstellen, muss ihre umweltpolitische Nachhaltigkeit mit festen Wachstumskriterien gefördert werden. Die vorgeschlagene Regelung enthält daher Mindestanforderungen an die Emissionswerte von Biokraftstoffen, die im Falle ihrer Anrechnung
auf das 10 %-Ziel einzuhalten sind. Ebenso werden verbindliche Kriterien für die Bewahrung der Artenvielfalt vorgegeben und bestimmte Formen der Flächenumwidmung
verboten.
Die Kommission ist entschlossen, die rasche Entwicklung von Biokraftstoffen der zweiten Generation in allen Bereichen ihrer politischen Tätigkeit zu fördern. Sie wird die
Marktentwicklungen und ihre Folgen für Nahrungs- und Futtermittel, das Energiewesen
und andere industrielle Verwendungen von Biomasse genau verfolgen und gegebenenfalls geeignete Maßnahmen ergreifen.
Verkehr, Gebäude und eine effizientere Erzeugung, Weiterleitung und Verteilung von
Strom bieten Chancen, die durch Gesetzgebungs- und Informationsmaßnahmen stimuliert, aber auch aus dem Wunsch heraus ergriffen werden sollten, den Folgen höherer
Energiekosten für die Verbraucher zu entgehen. Bei vielen Gütern vom Fernseher über
Kraftfahrzeuge bis hin zu Heizgeräten und Straßenleuchten lässt sich die Energieeffizienz mittels der Produktnormung verbessern.
Das künftige Emissionshandels-System wird gewährleisten, dass die Preise hoch genug
sind, um den Unternehmen starke wirtschaftliche Anreize zu geben, den Kosten für die
Verschmutzungsrechte zu entgehen.
In den neuen Leitlinien wird u.a. anerkannt, dass staatliche Beihilfen gerechtfertigt sein
können, wenn höhere Produktionskosten den Marktzutritt erneuerbarer Energien behindern. Sie erlauben die volle Unterstützung erneuerbarer Energien, damit sie wirtschaftlich werden.
Die Ergebnisse der großen Welt-Klimakonferenzen lassen kein gemeinsames Vorgehen
der wichtigsten Industrienationen und Schwellenländer erkennen. Es ist deshalb durchaus denkbar, dass die EU eine eigene Strategie umsetzt, wie dies in der oben erwähnten
Grundsatzerklärung bereits angedeutet ist, freilich unter Beachtung der Spielregeln des
Welthandels. Traditionell sind die Demokratien Europas mehr zu Maßnahmen der
Marktregulierung bereit als beispielsweise die USA, wo man auf die Selbstregulierung
setzt. Inwieweit diese Maxime der freien Marktwirtschaft geeignet ist, die enormen
Umweltprobleme globalen Ausmaßes zu bewältigen, wird sich zeigen. Immerhin verfolgt auch die EU das Ziel, dass die Wirtschaft die finanziellen Vorteile ressourcenschonender Produktionstechnologien erkennt und sich in diese Richtung entwickelt. Die
Vorgaben von Anreizen und Benachteiligungen bei Nichtbefolgen hingegen sind klar
dirigistischer Natur.
Da der motorisierte Verkehr untrennbar mit diesen Vorgaben verknüpft ist, ist eine kritische und möglichst emotionslose Betrachtung der Zusammenhänge notwendig.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
4
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
3.
Kraftstoffe
Die Kraftstoffe haben wesentlichen Einfluss auf den Verbrauch und die Emissionen von
Motoren und damit auf die Umwelt. Über die Kraftstoffeigenschaften kann die Immissionssituation in kritischen Gebieten unmittelbar verändert werden. Global betrachtet
eröffnet sich die Möglichkeit, die CO2-Emissionen signifikant zu beeinflussen. Hier zählt
jedoch nicht nur der Ausstoß der Fahrzeuge, sondern die gesamte Prozesskette – von
der Förderung über die Herstellung und die Distribution bis zur Verbrennung im Motor.
Man spricht in diesem Zusammenhang von den „well-to-wheel“-Emissionen. Dazu gehört auch die für die Herstellung der Speichermedien und für die Lagerung eingesetzte
Energie. So wird beispielsweise für die Speicherung von Wasserstoff (kalt verflüssigt2
oder hoch verdichtet) wesentlich mehr Energie aufgewendet als beispielsweise für konventionelle flüssige Energieträger. Für die Befüllung eines mit 700 bar betriebenen
Druckgasspeichers werden 15% des chemischen Energiegehaltes benötigt.
Bei einer umfassenden Beurteilung ist auch die Frage der Gewässergefährdung zu behandeln.
Schließlich spielt noch die Speicherdichte eines Kraftstoffes eine wichtige Rolle, die über
die Praxistauglichkeit entscheiden kann.
3.1
Kraftstoffverbrauch und CO2
Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission sind bei gegebenem Kraftstoff direkt proportional. Wie viel Treibhausgas CO2 bei einem bestimmten Verbrauch gebildet wird, hängt
vom Kraftstoff ab. Entscheidend ist das Verhältnis von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen. Herkömmliche Dieselkraftstoffe und Benzine bestehen zu rund 85 bis 87 Masseprozent aus Kohlenstoff und zu 13 bis 15 Prozent aus Wasserstoff. Bei Erdgas beträgt
das Verhältnis 75:25, bei Rapsmethylester (RME; „Biodiesel“) 77:12; der Rest von 11%
ist Sauerstoff. Auf dieser Basis würde ein benzinbetriebener Ottomotor etwas weniger
CO2 verursachen als ein Dieselmotor; Erdgas läge bei 86% eines Dieselmotors, ausgedrückt in kmol CO2/kg Brennstoff. Die Heizwertunterschiede und der Energieaufwand
bei der Herstellung und Verteilung der Kraftstoffe verzerren diese Zahlen etwas. Folgende Werte können für die Umsetzung der Kraftstoffe im Motor angesetzt werden:
Dieselmotor: 2,63 kg CO2/l Dieselkraftstoff
Ottomotor: 2,32 kg CO2/l Benzin
Erdgasmotor: 2,23 kg CO2/kg Erdgas
Um den globalen Effekt quantifizieren zu können, müssen die Emissionen von der Quelle
bis zum Rad („well-to-wheel“) berücksichtigt werden; der CO2-Ausstoß des Fahrzeuges
alleine („tank-to-wheel“) ist zur Beurteilung des Treibhauseffektes nicht ausreichend.
Auch die Wirkungsgrade für die Erzeugung und Bereitstellung der Energie sind von Bedeutung. Bild 3.1 zeigt einen Vergleich3. Der geringe Aufwand bei der Gewinnung und
Verarbeitung von Erdgas (Trocknung und Entschwefelung) spiegelt sich in hohen Wirkungsgraden von rund 90% wieder. Auch fossile Kraftstoffe sind in dieser Hinsicht unkompliziert. Bei biogenen Kraftstoffen spielen die Art des Rohstoffes und das gewählte
Herstellungsverfahren eine große Rolle, sodass sich Wirkungsgrade zwischen 15 und
50% einstellen. Die Erzeugung von Strom erfolgt je nach Verfahren bei Wirkungsgraden
zwischen 15 und 90%. Wasserstoff kann bei Wirkungsgraden bis 80% aus Methan herflüssig bei -252,9 °C
M. Klell und P. Cona: Wirkungsgrade und CO2-Emissionen verschiedener Energieketten, HyCentA TU
Graz, 2009
2
3
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
5
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
gestellt werden, bei der Erzeugung mittels Elektrolyse reichen die Wirkungsgrade bis
75%, wobei der Wirkungsgrad der jeweiligen Stromerzeugung zusätzlich zu berücksichtigen ist. Zu den Erzeugungswirkungsgraden des Wasserstoffs sind noch die Wirkungsgrade für die Verdichtung (ca. 85%) oder Verflüssigung (ca. 70%) hinzuzurechnen.
Wirkungsgrade Well-to-Tank
100
90
80
Wirkungsgrad [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
Erdgas
Benzin-Diesel
Biokraftstoffe
Strom
H2
Bild 3.1:Wirkungsgrad der Energieerzeugung (Well-to-Tank)
In Bild 3.2 sind die CO2-Emissionen für Well-to-Tank dargestellt. Die große Bandbreite
beim Elektrofahrzeug ergibt sich aus CO2-freiem Betrieb mit regenerativ gewonnenem
Strom bis zum Strom aus Braunkohle. Beim Wasserstoffantrieb (H2) in Brennstoffzelle
und Verbrennungskraftmaschine wird regenerativ gewonnener Druckwasserstoff aus
Erdgas4 angenommen. Elektrofahrzeuge fahren nur dann umweltfreundlich, wenn sie
aus regenerativen Stromquellen gespeist werden.
Großtechnisch wird Wasserstoff bislang aus Erdgas (CH4) hergestellt. Die dafür notwendige Energie
kann z.B. fossil oder in Zukunft aus regenerativen Quellen bereitgestellt werden.
4
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
6
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
600
CO2-Emission [g/km]
500
400
300
200
100
0
Kleinwagen
elektr.
Kleinwagen
VKM
Mittelkl. BZelle H2
Mittelkl.
Hybrid
Mittelkl. VKM Mittelkl. CH4 Mittelkl.
H2
Benz./Diesel
Luxuskl.
Benzin
Bild 3.2: CO2-Emissionen Well-to-Wheel
Den Vergleich der CO2-Äquivalente für Stadtbusse zeigt Bild 3.3 für Dieselkraftstoffe
und Wasserstoff. Die CO2-Bilanz ist ungünstig, wenn Wasserstoff aus Erdgas oder mittels
Elektrolyse (Strom aus dem Kraftwerksnetz Deutschlands) erzeugt wird. Weiters sind
der hohe Energieaufwand für die Speicherung (Verflüssigung oder Verdichtung) und die
Aufwendungen für die Tanksysteme (z.B. dickwandige Druckspeicher mit entsprechendem Energieeinsatz zur Stahlherstellung) zu berücksichtigen. Wasserstoff trägt nur
dann zu einer signifikanten Verbesserung der CO2-Situation bei, wenn er mit Strom aus
regenerativen Energiequellen an der Tankstelle vor Ort erzeugt und verdichtet wird.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
7
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
CO2-Äquivalente Stadtbus
H2-Motor, H2 aus Offshore-Strom
Quelle: MAN Nutzfahrzeuge AG
29. Wiener Motoren-Symposium
Brennstoffzelle, H2 aus Holz
H2-Motor, H2 aus Holz
Dieselmotor, BTL aus Holz
H2-Motor, H2 aus Erdgas
Brennstoffzelle, H2 aus Erdgas
Brennstoffzelle, H2-Elektrolyse
Kraftwerke D
Erdgasmotor
Dieselmotor Euro 4
0
50
100
150
200
250
300
CO2 [kg/100 km]
Bild 3.3: CO2-Äquivalente eines Stadtbusses
Die EU hatte 2007 beschlossen, den CO2-Ausstoß von neuen PKW (Flotte) ab dem Jahr
2012 auf 130 g/km zu senken (bzw 120 g/km durch eine Kombination von verbesserter
Motorentechnik und sonstigen Maßnahmen wie verbrauchssparende Reifen, moderne
Klimaanlagen und dergleichen). 2009 wurde eine entschärfte Regelung in Kraft gesetzt5.
Diese sieht Zielvorgaben in Abhängigkeit von der Fahrzeugmasse vor (siehe Bild 3.4).
Diese Zielwerte sind gemäß folgender Formel zu berechnen:
CO2  130  0 ,0457  M  M0  [ g / km]
Mit:
M
Fahrzeugmasse in kg
M0
Änderungsfaktor; bis 31.10.2014 konstant 1372,0 (ab dann werden von der EU
alle drei Jahre Anpassungen auf der Basis der durchschnittlichen Masse neuer Personenkraftwagen erlassen)
Jeder Hersteller hat ab 2012 sicherzustellen, dass die Zielvorgaben eingehalten werden.
Zur Bestimmung der durchschnittlichen spezifischen CO2-Emissionen eines Herstellers
werden im Jahr 2012 jedoch nur 65% aller Neuwagen herangezogen, 2013 75%, 2014
80% und 2015 schließlich die gesamte Palette („Phase-in-Model“). Im Sinne einer Begünstigung zählt jeder PKW mit weniger als 50 g CO2/km im Jahr 2012 für 3,5 Fahrzeuge, auslaufend mit 2016. Als Langfristziel für die Flottenemission wurden 95 g/km
ab 2020 festgelegt. Für Hersteller mit geringen Zulassungszahlen gibt es deutlich weniger strenge Vorgaben (z.B. Hummer, Bentley, Ferrari).
5
Verordnung (EG) Nr. 443/2009 vom 23.4.2009
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
8
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
EU-Zielvorgabe 2012-2015
200,0
180,0
Verordnung (EG) 443/2009
CO2 [g/km]
160,0
140,0
120,0
100,0
80,0
60,0
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
Fahrzeugmasse [kg]
Bild 3.4: Zielvorgabe der EU für PKW
In Österreich ist ein Anstieg der verkehrsbedingten CO2-Emissionen während der letzten Jahre zu beobachten. Die Entwicklung der Anzahl der PKW ist in Bild 3.5 dargestellt.
Die Verbesserungen beim Einzelfahrzeug werden durch die Verkehrszunahme überkompensiert (die Nutzfahrzeuge sind in diesem Bild noch nicht berücksichtigt). Dabei ist
als österreichische Besonderheit der überaus hohe Anteil von PKW mit direkt einspritzenden Dieselmotoren herauszuheben, welche bezüglich der CO2-Emission die schon
beschriebenen Vorteile haben (im Jahr 2012 waren rund 60% der neuzugelassenen
PKW mit Dieselmotor ausgestattet, 39% mit Benzinmotor) .
5.000.000
4.500.000
Anzahl PKW in Ö
4.000.000
3.500.000
3.000.000
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
Jahr
Bild 3.5 PKW-Bestand in Österreich (Statistik Austria) 6
6
Statistik Austria: www.statistik.at/web_de/statistiken --> dort „Verkehr“
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9
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Im Zeitraum zwischen 1996 und 2008 hat die jährliche Fahrleistung um rund 25 Prozent
auf mehr als 62 Milliarden km zugenommen (davon entfallen 37,77 Mrd. auf DieselPKW).
Untersuchungen an LKW mit Erdgasmotoren und stöchiometrischer Verbrennung zeigen, dass die Fahrbedingungen (stockender Verkehr mit großen Niedriglastanteilen,
Überlandbetrieb) einen erheblichen Einfluss auf die CO2-Emission ausüben. Im Stadtverkehr sind Fahrzeuge mit Gasmotor gegenüber dem Dieselmotor im Nachteil; im zügigen Überlandverkehr emittiert der Gasmotor weniger CO2.
Zur kurz- und mittelfristigen CO2-Reduktion von Ottomotoren bieten sich folgende
Maßnahmen an: Variabler Ventiltrieb (Steuerzeiten und Ventilhub bis zur vollvariablen
Steuerung), Direkteinspritzung mit strahlgeführten Verfahren, Aufladung, „Downsizing“
(d.h. Verkleinerung des Hubraumes, verbunden mit Aufladung), „Downspeeding“7, variables Verdichtungsverhältnis (auch in Kombination mit Aufladung) und Einbindung
elektrischer Antriebe im Sinne eines angepassten Hybridantriebes (was auch für Dieselantriebe gilt). Die Realisierung der Start-Stopp-Funktion ist vergleichsweise kostengünstig und ermöglicht nennenswerte Verbrauchseinsparungen im stockenden Verkehr.
Auch das Nebenaggregate-Management (z.B. abschaltbare Kühlmittelpumpen, geregelte
Ölpumpen, Elektrifizierung der Nebenaggregate, …) birgt ein Potenzial zur Verbrauchsund damit zur CO2-Einsparung, das mit rund 10% abzuschätzen ist. Von Wälzlagern anstelle von Gleitlagern, beispielsweise bei Kurbelwellen, wird ebenfalls ein Verbrauchspotenzial erwartet. Auch Möglichkeiten zur Nutzung der Abwärme werden diskutiert,
wie beispielsweise thermodynamische Kombiprozesse (z.B. Dampfprozess aus Abgaswärme), elektrisches Turbocompounding (Abgasturbine mit einem Motorgenerator auf
der Turbinenwelle) oder Erzeugung von Strom mittels Thermoelektrizität (z.B. SeebeckZellen8). Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass der Trend zu großen Fahrzeugen mit vergleichsweise schlechten Strömungseigenschaften, großer Frontfläche und
hohem Gewicht die Erreichung der angestrebten Flottenverbräuche erschwert (Geländewagen für den Einsatz in der Stadt, …).
Die Bedeutung der einzelnen Einflussfaktoren auf den Kraftstoffverbrauch zeigt Bild 3.6
für einen durchschnittlichen LKW (40 Tonnen) bei Autobahnfahrt.
Nennleistung schon bei niedrigen Drehzahlen verfügbar, damit mehr Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, damit Verschiebung des Lastkollektivs im realen Verkehr zu niedrigen Drehzahlen.
8 Basiert auf dem Peltier-Effekt: eine Temperaturdifferenz an Halbleiterelementen erzeugt einen Stromfluss.
7
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
10
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Leistungsverteilung 40-t-LKW, Autobahn
50
45
45
40
40
35
Prozent
30
25
20
15
10
8
7
Aggregate
Antrieb
5
0
Rollwiderstand
Luftwiderstand
Bild 3.6: Leistungsverteilung eines 40-Tonnen-LKW
Durch verbesserte Aerodynamik können signifikante Verbrauchseinsparungen erzielt
werden. Bis zu 20% wären möglich, wenn die gesetzlichen Vorgaben bezüglich der
Fahrzeuglänge angepasst würden. Aerodynamische Verbesserungen wie der „Delfinbuckel“ wären dann ohne Einbuße von Laderaum möglich (Senkung des Luftwiderstandsbeiwertes cw von derzeit rund 0,55 auf 0,3). Die Kühlsysteme, die beispielsweise durch
erhöhte Kühllast zufolge AGR-Kühlung voluminöser werden, müssen bezüglich cw-Wert
ebenfalls optimiert werden. Versuchsreifen mit drastisch reduziertem Rollwiderstand
ermöglichen eine Einsparung von 10%. Weitere Verbesserungen ergeben sich durch den
Rankine-Dampfprozess (Nutzung der Abwärme des Abgases durch eine Expansionsmaschine, Verbrauchseinsparung bis zu 5% im Fernverkehr), die elektrische Servolenkung
oder „vorausblickende“ Navigationssysteme, die eine verbrauchsoptimale Geschwindigkeit vorgeben („E-horizon“).
3.2
Flüssige Alternativkraftstoffe
Maßgeschneiderten Kraftstoffen aus Biomasse, Erdgas oder Kohle als Ersatz für Diesel
und Benzin wird großes Potenzial zugeschrieben. Die so genannten BTL-, GTL- und CTLKraftstoffe9 können die Situation bei den Schadstoff- und CO2-Emissionen deutlich entschärfen. Die Bestandteile dieser synthetischen Kraftstoffe können genau auf die Anforderungen moderner Motorkonzepte zugeschnitten werden. Biokraftstoffe der ersten
Generation wie RME (Rapsmethylester, „Biodiesel“), FAE (Fettsäureester) oder Bioethanol hingegen sind nur in sehr eingeschränktem Maß anzupassen.
Eine Einteilung der Biokraftstoffe zeigt das nachstehende Bild 3.7.
9
GTL: Gas-to-Liquid
BTL: Biomass-to-Liquid
CTL: Coal-to-Liquid
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11
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Bild 3.7: Einteilung der Biokraftstoffe
Bei der Herstellung von BTL-Kraftstoffen wird Biomasse (Holz, Stroh, Gras, Biomüll,
Energiepflanzen) zur Gänze vergast und mit Wasserstoff angereichert („CO-Shift“ über
die homogene Wassergasreaktion; Wasser und CO werden in H2 und CO2 übergeführt).
Es folgt die Synthese nach Fischer-Tropsch (FT-Synthese) oder nach dem MTGVerfahren (Methanol-to-Gasoline) mit Methanol als Zwischenstufe. Schließlich wird das
Produkt fraktioniert. Es gibt mehrere patentierte Verfahren (z.B. Carbo-V-Verfahren,
Bioliq-Verfahren). Die Herstellungskosten betragen je nach Literaturquelle 0,5 bis 1,5
€/Liter. Wenn Wasserstoff kostengünstig hergestellt werden könnte (vorzugsweise
durch den Einsatz regenerativer Energiequellen), wäre die Produktion wesentlich kostengünstiger. Auf diese Weise könnte Wasserstoff im Verkehr genutzt werden, noch bevor die zur Verwendung reinen Wasserstoffes notwendige, aufwändige Infrastruktur
geschaffen ist. Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit ist zudem der Rohölpreis.
BTL-Kraftstoffe (Biokraftstoffe der 2. Generation) sind hinsichtlich ihrer CO2-Bilanz wesentlich günstiger als Biokraftstoffe der 1. Generation (z.B. RME). Diese sind zu rund
50% CO2-neutral, bezogen auf den Anbau, die Herstellung und die Verwendung im Fahrzeug. Der Ertrag liegt bei rund 1500 Liter/ha, während mit BTL-Kraftstoffen rund 4000
l/ha herauszuholen sind. Die Verbrennung von reinem Pflanzenöl in Dieselmotoren erfordert eine Umrüstung. Die Adaptierung der Motoren ist nicht erforderlich, wenn das
Pflanzenöl zu HVO (hydrotreated vegetable oil) verarbeitet wird. Dabei wird Pflanzenöl
in Hydrieranlagen bei 350 bis 450 °C und 48 bis 152 bar unter Zugabe von Wasserstoff
hydriert. Die Eigenschaften wie der Siedeverlauf entsprechen fossilem Dieselkraftstoff,
während verestertes Pflanzenöl wie RME diesbezüglich wesentlich ungünstiger ist.
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12
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Der Energiegehalt des jährlichen Pflanzenwachstums auf der Erde entspricht etwa dem
fünfzigfachen Energieverbrauch der Menschheit. Im Unterschied zu RME wird bei Biokraftstoffen der 2. Generation versucht, die ganze Pflanze zu verwerten, nicht nur das Öl
oder den vergärbaren Zucker. Die Umwandlung von zellulose- und ligninhaltigen Ausgangsstoffen in BTL-Kraftstoffe ist sehr energieaufwendig (Temperaturen bis 1500 °C)
und schmälert deshalb die CO2-Vorteile. Betrachtet man die CO2-Bilanz umfassend, nämlich von der Bereitstellung der Anbauflächen bis zur Verbrennung des Kraftstoffes, sehen die Vorteile ernüchternd aus. Wenn Regenwald durch Brandrodung in Ackerland
zum Anbau von Energiepflanzen umgewandelt wird, stehen laut einer Studie der Princeton-University10 durchschnittlich 351 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente pro ha aus verrottender oder verbrennender Biomasse einer Einsparung von beispielsweise 1,8 Millionen Tonnen jährlich durch Bioethanol aus Mais gegenüber. Diese mittlerweile mehrfach zitierte Zahl ist überaus hoch gegriffen und deshalb zu hinterfragen; andere Literaturquellen gehen von >1000 Tonnen CO2/ha im Zusammenhang mit Waldrodung aus.
Die grundsätzlich umweltschädigende Wirkung der Brandrodung steht jedenfalls außer
Zweifel. Man muss berücksichtigen, dass durch das Abholzen dieser mächtigen CO2Senken auch Absorptionspotenzial für CO2 verloren geht. Für den Anbau von Palmöl
werden Zeiträume zwischen 75 und 600 Jahren angesetzt, bis es zu einem Ausgleich der
treibhausrelevanten Effekte durch Rodung kommt (Bild 3.8). Eine Schätzung geht davon aus, dass 20 Prozent aller von Menschen verursachten CO2-Emissionen auf die
Brandrodung der (Ur)wälder zurückgehen. Wenn holzartige Abfälle und Reststoffe verwendet werden, sind BTL-Kraftstoffe (Biokraftstoffe der 2. Generation) nahezu CO2neutral. Häufig werden bei den Rodungen auch die Böden zerstört. Die Regenwälder auf
der Insel Borneo beispielsweise stehen überwiegend auf morastigen und sumpfigen
Torfböden. Nach der Rodung trocknen diese Böden aus, wodurch ebenfalls große Mengen Kohlendioxid und Methan freigesetzt werden. Der Treibhauseffekt von 1 kg Methan
wurde bislang mit jenem von 21 bis 25 kg CO2 gleichgesetzt; neuere Forschungen gehen
von 30 bis 35 kg aus.
600
600
Waldrodung zur Gewinnung von Palmöl
500
Jahre
400
300
200
100
75
93
0
Rodung ohne Feuer
Brandrodung
Brandrodung Torfwald
Bild 3.8: Ausgleich treibhausrelevanter Effekte bei der Rodung von Regenwald
Science Express, 7. Februar 2008
www.princeton.edu/~tsearchi/writings/Searchinger_et_al-ScienceExpress.pdf
10
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13
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Bioethanol der ersten Generation wird auf direktem Weg durch Umwandlung des
Fruchtzuckers in Alkohol im Zuge der Gärung gewonnen. Die zweite Generation zeichnet
sich dadurch aus, dass Enzyme weitere Bestandteile der Pflanze wie Lignozellulose spalten. Am Ende dieses biochemischen Zerlegungsprozesses stehen gärfähige Zuckerarten.
Enzyme sind Biokatalysatoren auf der Basis von Proteinen. Sie setzen die Aktivierungsenergie der jeweiligen Reaktion herab. Mit Hilfe der Gentechnik lassen sich hochgradig
spezialisierte Enzyme herstellen. Das gilt auch für die Hefen, welche die Umsetzung von
Zucker in Alkohol bewerkstelligen. Durch gentechnisch modifizierte Hefen könnten von
der Pflanze produzierte Pentosen fermentiert werden, um die Alkoholausbeute weiter
zu steigern. Pentosen sind Monosaccharide, deren Kohlenstoffgrundgerüst fünf Kohlenstoff-Atome enthält. Sie haben alle die Summenformel C5H10O5, aber unterschiedliche
Strukturformeln.
Auch die kombinierte Erzeugung von Bioethanol und Biogas ist möglich. Die Biomasse
wird vor der Verzuckerung und Vergärung einer thermischen Hydrolyse unterzogen.
Dabei wird die Struktur der Lignozellulose gelockert, was die Ethanolausbeute erhöht.
Biokraftstoffe aus Algen versprechen großes Potenzial, da Algen schnell wachsen und
dabei vergleichsweise viel CO2 durch Photosynthese binden. Man spricht hier von der 3.
Generation von Biokraftstoffen. Erste Versuchsanlagen wurden bereits errichtet. Zuchterfolge auf dem offenen Meer sind noch nicht zu verzeichnen. Ökologisch bedenklich
jedenfalls sind die Absichten, CO2 aus Kraftwerken ins Meer zu pumpen, um damit das
Algenwachstum zu beschleunigen. Schon jetzt führt der CO2-Eintrag in das Wasser zur
Übersäuerung der Weltmeere.
Einer Studie zufolge rechnet man in Europa mit einem Anstieg von Biokraftstoffen von 2
Millionen Tonnen im Jahr 2006 auf bis zu 21 Millionen Tonnen im Jahr 2020. Als Lieferanten für die pflanzlichen Rohstoffe könnten Malaysia, Indonesien und die Ukraine in
Frage kommen. Zum Vergleich: 2003 betrug der Energieverbrauch des Verkehrs in den
25 EU-Staaten rund 344 Millionen Tonnen Rohöläquivalent, jener der USA rund 635*106
Tonnen.
GTL-Kraftstoffe entstehen durch Umwandlung von Erdgas (CH4) in flüssige synthetische
Kraftstoffe. Der Prozess gleicht den Verfahren zur Erzeugung von BTL-Kraftstoffen.
Schätzungen gehen davon aus, dass 20% des Dieselbedarfes durch GTL ersetzt werden
könnten. GTL-Kraftstoffe haben einen höheren Wasserstoffanteil als ihre fossilen Pendants und bieten dadurch einen zusätzlichen CO2-Vorteil. Günstig ist auch, dass bei
schwierigen Transportbedingungen für Erdgas der GTL-Kraftstoff an Ort und Stelle erzeugt werden kann; der Abtransport ist wesentlich einfacher als bei CH4.
CTL-Kraftstoffe basieren auf der Entgasung von Kohle. Die weitere Herstellung erfolgt
analog jener der GTL- und BTL-Kraftstoffe.
Da das Synthesegas zur Herstellung von flüssigen Kraftstoffen aus allen organischen
Substanzen gewonnen werden kann, spricht man auch von XTL-Kraftstoffen. Neben den
klassischen Synthesegasen aus Biomasse, Kohle, Erdgas oder Hausmüll ist auch CO2
(z.B. aus kalorischen Kraftwerken) geeignet. Besonders effizient wäre die Verwendung
von CO2, wenn in kalorischen Kraftwerken die Verbrennungsluft durch reinen Sauerstoff ersetzt würde, der aus der Elektrolyse stammt; der dort anfallende Wasserstoff
wird zur Kraftstoffproduktion benötigt. Die elektrische Energie dazu liefern beispielsweise Windkraftwerke.
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14
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Man schätzt, dass aus Deutschlands Hausmüll der gesamte Dieselbedarf des Landes in
Form von XTL-Kraftstoff hergestellt werden könnte.
XTL-Kraftstoffen auf Basis der FT-Synthese werden derzeit die größten Chancen eingeräumt, Diesel aus Erdöl ersetzen zu können.
3.3
Gasförmige Biokraftstoffe
Biogas kann auch gasförmig eingesetzt werden als Ersatz für Erdgas. Biogas stammt
primär aus Mülldeponien, Kläranlagen und anderen Quellen (z.B. Gülle). Da es bis zu
50% CO2 und Verunreinigungen enthält (hauptsächlich Schwefelwasserstoff, der zu Korrosionserscheinungen führt und SO2-Emission verursacht), sind diese Substanzen im
Zuge der Aufbereitung zu entfernen.
CO2 kann durch Absorption (Wasser und organische Lösungsmittel) oder Adsorption
(Aktivkohle, Membranprozesse) abgeschieden werden. Bei Aufbereitungsverfahren wie
Wasserwäsche, Druckwechseladsorption oder Glykolwäsche liegt der Methanschlupf im
Bereich von 2%, beim Aminwaschverfahren bei 0,01 bis 0,1%.
Je nach Art der Bereitstellung von Biogas sind CO2-Einsparungen von bis zu 90% möglich. Biogas ist von allen Alternativkraftstoffen derzeit ökologisch am effektivsten. Einerseits können mit vergleichsweise geringem Aufwand und bei höchstem Wirkungsgrad
organische Abfälle verwertet werden, andererseits sind die Flächenerträge um den Faktor 3,5 bis 4,5 höher als bei Biodiesel oder Bioethanol (bei BTL-Kraftstoffen über 2). Zudem ist ein breiteres Spektrum an Pflanzen verwertbar.
Da aufbereitetes Biogas problemlos in das Versorgungsnetz für Erdgas eingespeist werden kann, steht diese Infrastruktur zu dessen Verteilung zur Verfügung. Bio-Methan
wird in Österreich bereits eingespeist und ist an Erdgas-Tankstellen verfügbar. Die Verfügbarkeit von Erdgastankstellen ist im Zunehmen begriffen. Somit bietet sich Biogas als
alternativer Kraftstoff für Motoren mit Fremdzündung an.
Bild 3.9 zeigt die Entwicklung der Biogaseinspeisung in der Schweiz (Quelle: gwa
4/2011). Bei den Jahren 2011 und 2012 handelt es sich um Prognosen.
Bild 3.9: Biogaseinspeisung in der Schweiz (Quelle: gwa 4/2011)
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15
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
3.4
Ökologische Aspekte der Biokraftstoffe
Es gibt auch durchaus kritische Stimmen bezüglich der ökologischen Verträglichkeit von
Biokraftstoffen. Beispielsweise kann die Rodung von Regenwald zugunsten von Pflanzen
zur Kraftstoffgewinnung nicht im Interesse des Klimaschutzes sein. Manche Pflanzen
(z.B. Zuckerrüben, Weizen) enthalten vergleichsweise viel Schwefel, der bei der Verbrennung in Form von SO2 frei gesetzt wird und diesbezüglich ungünstiger ist als Benzin
(gilt aber primär für Biokraftstoffe der ersten Generation). Die Düngung der Felder mit
Stickstoff setzt zudem das Treibhausgas N2O (Distickstoffmonoxid; Lachgas) frei, dessen
Treibhauspotenzial 310 mal so hoch ist wie jenes von CO2 (siehe auch Kapitel 3.7).
Im Jahr 2007 gab das BUWAL in Bern einen Bericht über die ökologische Bewertung von
Biokraftstoffen heraus. Der Bericht ist abrufbar unter
http://www.news-service.admin.ch/NSBSubscriber/message/attachments/8514.pdf
Zusammengefasst werden folgende Zusammenhänge aufgezeigt:
 Bei der Ökobilanzierung von Biotreibstoffen sind sämtliche Umweltbelastungen einzubeziehen. Dazu gehören die Überdüngung und Versauerung der landwirtschaftlichen Böden, der Biodiversitätsverlust durch Monokulturen, die Nährstoffauslaugung der Böden durch bestimmte Pflanzenarten, die Emissionen bei Brandrodungen, die Toxizität von Pestiziden (vor allem bei Anbau in Entwicklungsländern,
wo die Umweltstandards niedriger sind als in Europa), die Höhe der Flächenerträge
sowie die Schadstoffemissionen selbst.
 Unter Berücksichtigung dieser Faktoren zeigt sich, dass Diesel, Benzin und Erdgas
aus fossilen Quellen unter Umständen weniger umweltschädlich sind als Biokraftstoffe. Hier sind zwar die Umweltauswirkungen des Fahrzeugbetriebes schlechter,
aber die Umweltbelastungen zufolge der landwirtschaftlichen Produktion fallen weg.
 Es sind die gesamten Treibhausgasemissionen zu berücksichtigen. Die Bereiche
landwirtschaftlicher Anbau, Treibstoffproduktion aus den Pflanzen, Transport des
Treibstoffes, Betrieb der Fahrzeuge sowie die Bereitstellung und der Unterhalt von
Fahrzeugen und Straßen sind einzubeziehen, weil hier Treibhausgase freigesetzt
werden.
 Beim Anbau sind die wichtigsten Einflussfaktoren die Flächenerträge (hoch bei mitteleuropäischen Zuckerrüben oder brasilianischem Zuckerrohr, niedrig bei mitteleuropäischen Kartoffeln oder europäischem Roggen). Die Lachgasemissionen und
die Brandrodung von Regenwaldflächen schlagen bei bestimmten Biokraftstoffen
ebenfalls stark zu Buche. Besonders hervorzuheben sind hier beispielsweise Ethanol
aus US-Mais (hohe Lachgasemission) sowie malaysisches Palmöl und brasilianisches
Sojaöl (wegen der Brandrodung). Die niedrigsten Emissionsanteile im Sektor Anbau
lassen sich bei Verwendung von Biodiesel aus Altspeiseöl oder Methan aus Gülle erzielen.
 Die Treibstoffproduktion verursacht im Schnitt deutlich geringere Treibhausgasemissionen als der landwirtschaftliche Anbau. Besonders gering sind die Emissionen bei der Ölgewinnung und Veresterung zu Biodiesel. Die höchsten Emissionen
werden bei der Gewinnung von biogenem Methan frei. Der Grund dafür sind Methanund Lachgasemissionen bei der Nachgärung des Gärrückstandes sowie der Methanschlupf bei der Aufbereitung von Biogas.
 Der Treibstofftransport spielt eine untergeordnete Rolle, wenn der interkontinentale
Transport mit Tankschiffen oder in Pipelines erfolgt.
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16
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität









Der eigentliche Fahrzeugbetrieb ist CO2-neutral, da das frei gesetzte CO2 beim Pflanzenwachstum innerhalb kurzer Frist wieder gebunden wird.
Die Treibhausgasemissionen (ausgedrückt als Massenemissionen), die auf die Bereitstellung und den Unterhalt von Fahrzeugen und Straßen zurück gehen, sind bei
allen Treibstoffarten gleich hoch. Prozentuell ergeben sich jedoch in Abhängigkeit
von der gesamten Treibhausgasemission erhebliche Unterschiede. Bei sehr effizienten alternativen Treibstoffen, wie Biodiesel aus Altöl oder Bioethanol aus Zuckerrohr
oder Methan aus Gülle, macht dieser Anteil mehr als die Hälfte der gesamten Treibhausgasemissionen aus.
Bei den meisten Biotreibstoffen existiert ein Zielkonflikt zwischen der Minimierung
der Treibhausgasemissionen und einer positiven ökologischen Gesamtbilanz. Zusammenfassend ist festzustellen, dass der Großteil der Umweltbelastungen der Biotreibstoffe durch den landwirtschaftlichen Anbau verursacht wird. In der tropischen
Landwirtschaft setzt primär die Brandrodung von Urwäldern große Mengen von CO2
frei, bewirkt eine erhöhte Luftbelastung und hat massive Auswirkungen auf die Biodiversität. In den gemäßigten Breiten wirken sich niedrige Flächenerträge, intensive
Düngung und mechanische Bearbeitung negativ aus. Besonders schlecht schneidet
Alkohol aus mitteleuropäischen Kartoffeln oder europäischem Roggen ab. Vorteilhaft
erweist sich die energetische Nutzung von landwirtschaftlichen Nebenprodukten,
beispielsweise Melasse oder Zuckerhirse-Stroh. Am günstigsten ist die energetische
Nutzung von Abfall- und Reststoffen, wie Molke (für Ethanol) oder Gülle (für die Methanproduktion). Allerdings kommt hier dem Herstellungsverfahren des jeweiligen
Kraftstoffes ein hoher Stellenwert zu, um die schon angesprochenen Methanemissionen während der Nachgärung zu minimieren.
Gut schneidet auch die Vergasung von Holz ab, wenn die Methanproduktion in einem
geschlossenen Prozess möglich ist (Minimierung des Methanschlupfs).
Die Produktion von Biotreibstoffen benötigt große Anbauflächen. Es könnte sich hier
in Zukunft ein Nutzungskonflikt abzeichnen (Wachstum der Weltbevölkerung, Wirtschaftsaufschwung in den Schwellenländern, Produktion anderer Biomaterialien wie
Faserpflanzen oder Proteinprodukte).
Optimistische Schätzungen gehen davon aus, dass durch die Nutzung heute unproduktiver Anbauflächen eine Deckung von 20 – 50 % des Weltenergiebedarfs durch
Bioenergie möglich wäre.
In die Überlegungen ist auch einzubeziehen, dass bei steigender Nachfrage nach
Erdöl und Erdgas Reserven ausgebeutet werden, die bislang uninteressant waren
und die höhere Umweltbelastungen zur Folge haben (z.B. Gewinnung aus Ölsanden,
Fracking).
Die Wahl der entsprechenden Pflanzen bietet noch Potenzial zur Optimierung der
Treibstoffherstellung aus Biomasse. Die Verarbeitung von Pflanzen mit hohem
Nährwert ist unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren nicht optimal (z.B. hoher
Dünger- und Pestizidverbrauch).
Einen wesentlichen Einfluss besitzen die Kraftstoff-Produktionstechnologien. Biokraftstoffe der ersten Generation schneiden deutlich schlechter ab als solche der zweiten Generation, wo sämtlicher Kohlenstoff, der in der Biomasse enthalten ist, energetisch genutzt wird. Wenn Anlagen zur Produktion von Biotreibstoffen der zweiten
Generation in industriellem Maßstab verfügbar sind, wird sich eine deutliche Verbesserung der Umweltbilanz ergeben, vor allem in Kombination mit den geeigneten
Pflanzen.
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17
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität

XTL-Kraftstoffen wird das größte Potenzial beigemessen, Diesel aus Erdöl ersetzen
zu können.
Die ökologische Relevanz ist in folgendem Diagramm (Bild 3.10) in Form von Umweltbelastungspunkten pro Personenkilometer zusammengefasst:
Bild 3.10: Umweltbelastungspunkte je Personen-Kilometer
Im diesem Kontext sind auch andere Möglichkeiten zur Herstellung alternativer Energien zu prüfen. Interessant ist hier die Frage, wie viel Energie aus einer bestimmten Fläche Ackerlandes gewonnen werden kann. Gemäß einer Studie aus dem Jahr 2007 ist
Wasserstoff aus Wind- und Photovoltaikanlagen hinsichtlich des Flächenertrages Biokraftstoffen deutlich überlegen. Zudem können solche Anlagen auch auf Brachflächen und
überbauten Flächen wie Hausdächern (gilt für Photovoltaik) errichtet werden.
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18
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
3.5
Wassergefährdung durch Kraftstoffe
Kraftstoffe aus Kohlenwasserstoffen stellen eine Gefahr für Gewässer dar. Hier wiederum ist den Addiditiven in Benzin besonderes Augenmerk zu schenken. Nach dem Verbot von Tetraethylblei als Antiklopfmittel in Benzin wurden Ether verwendet, die zudem
die angenehme Eigenschaft haben, die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu
verringern. Dieser Effekt geht auf den Sauerstoff zurück, der bei diesen Substanzen
chemisch gebunden vorliegt. In den USA zeigte sich bei groß angelegten Untersuchungen
von Grundwasser in Ballungsgebieten, dass zwischen 16 und 30% aller Proben das Additiv MTBE (Methyl-Tert-Butyl-Ether C5H12O) in einer Konzentration von mehr als 0,1
g/l enthielten. Dies ist auf undichte Tankstellen zurück zu führen. In Europa glaubt
man dieses Problem durch rigorosere Überwachung der Tankstellen zu beherrschen.
Durch die Vorgabe der EU, ab 1.1.2005 die (klopffesten) Aromaten im Benzin von 42 auf
35% zu senken, steigt der Bedarf an Additiven. In Europa sind dies zu 99% die Ether
MTBE, TAME (Tert-Amyl-Methyl-Ether) und ETBE (Ethyl-Tert-Butyl-Ether). Diese sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe sind im Vergleich zu den übrigen Komponenten im
Benzin gut wasserlöslich und stellen somit eine latente Gefahr für das Grundwasser dar.
Von Vorteil ist die geringe Konzentration, in der diese Stoffe vom Menschen sensorisch
bemerkt werden, nämlich schon ab 2,5 g/l. So wirken sie als Leitsubstanz für Gewässerkontaminationen.
Kraftstoffe, die unter atmosphärischen Bedingungen gasförmig sind, stellen für die Gewässer kaum eine Gefährdung dar.
3.6
Hybridtechnik
Nur indirekt mit den Kraftstoffen im Zusammenhang steht die Hybridtechnik, welche für
den Antrieb von PKW ein hohes Maß an Aktualität genießt. Es handelt sich dabei um die
Kombination zweier höchst unterschiedlicher Antriebsmaschinen: Verbrennungsmotor
und Elektromotor (hybrid bedeutet „von gemischter Herkunft“). Die technologischen
Lösungsansätze sind zum Teil recht unterschiedlich. Gemeinsam haben sie den Grundgedanken, dass ein Verbrennungsmotor möglichst in seinem Wirkungsgradoptimum
betrieben werden soll, während der Elektroantrieb die wechselnden Lastanforderungen
des Straßenverkehrs erfüllt. Das bedeutet, dass die Verbrennungskraftmaschine primär
für den Antrieb eines Generators sorgt. Für die Hybridtechnik eignen sich sowohl Ottoals auch Dieselmotoren. Für schwere Fahrzeuge bietet sich die Kombination von Elektro- und Dieselmotor aus Verbrauchsgründen besonders an (vorzugsweise kleinvolumige
Motoren mit hoher Aufladung). Wenn der Elektromotor/-generator nur der Unterstützung des Verbrennungsmotors dient, spricht man von „Mild-Hybriden“ oder „TeilHybriden“. Auch dieses Konzept bietet Vorteile: Stopp-Start-Funktion, Nutzung der
Bremsenergie, Reduzierung von Lastspitzen des Verbrennungsmotors (was vor allem in
Kombination mit einem Dieselmotor geringere NOx-Emissionen bewirkt), Drehmomentunterstützung bei Beschleunigungen, zusätzliche Freiheitsgrade zur Optimierung des
Warmlaufes nach Kaltstarts.
Für Fahrzustände mit vielen Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Leerlaufphasen, wie
dies in Städten der Fall ist, bieten Hybridantriebe eindeutige Verbrauchsvorteile, zumindest wenn gleich schwere Fahrzeuge verglichen werden. Bei überwiegend stationärer Fahrt hingegen ist ein mit einem eng abgestuften oder stufenlosen Getriebe ausgestatteter Verbrennungsmotor, der somit in der Nähe des Verbrauchsoptimums betrieben werden kann, günstiger. Das ist durch Wirkungsgradüberlegungen zu erklären: JeTU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
19
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
der Motor und jeder Generator arbeitet mit einem Wirkungsgrad, der kleiner als 1 ist.
Jede zusätzliche Einrichtung zur Umwandlung von Energie verursacht Verluste. Nachteilig an Voll-Hybridsystemen sind auch deren hohes Gewicht, die für Herstellung und Recycling aufzuwendende Energie und schließlich der zusätzliche Materialaufwand, von
der zunehmenden Komplexität der Systeme abgesehen. Geringes Gewicht ist speziell im
stockenden Verkehr ein eindeutiger Verbrauchs- und Emissionsvorteil.
Im Lichte der Prognosen für die Verkehrsentwicklung (vermehrter Stop-And-GoVerkehr auch auf Autobahnen) dürften moderate Hybridsysteme mittelfristig auch für
den (europäischen) PKW-Überlandverkehr an Bedeutung gewinnen.
Die Hybridtechnik wird häufig als Zwischenlösung bis zur Einführung der Brennstoffzelle mit Wasserstoffantrieb angesehen. Bis allerdings Wasserstoff flächendeckend verfügbar ist, dürften noch viele Jahre vergehen. Die dafür notwendige Infrastruktur ist sehr
aufwändig, und die Herstellung von Wasserstoff mittels konventioneller Energieträger
ist ökologisch höchst umstritten.
3.7
Speicherdichte von Kraftstoffen
Eine wichtige Eigenschaft eines Kraftstoffes in Fahrzeuganwendungen ist seine Speicherdichte, das heißt sein Energieinhalt pro Masseneinheit (inklusive Behälter- und Systemgewicht). Je höher dieser Wert, desto höher kann bei gegebener FahrzeugGesamtmasse die Nutzlast sein, was für Nutzfahrzeuge von Bedeutung ist. Beim PKW
spielt das Gesamtgewicht hinsichtlich des Verbrauches bzw. der Reichweite eine Rolle.
Bild 3.11 zeigt einen Vergleich. Bei den elektrischen Speichern ist ein deutlicher Trend
zu größeren Energiedichten zu beobachten.
Bleiakku
Li-Ionen-Akku
H2 verdichtet
H2 flüssig
Methanol
Erdgas verdichtet
Flüssiggas
Benzin
Diesel
0
2
4
6
8
10
12
Speicherdichte [kWh/kg]
Bild 3.11: Speicherdichte unterschiedlicher Treibstoffe
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20
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Aktuelle Forschungsergebnisse lassen eine deutliche Verbesserung für Wasserstoff erwarten, indem H2 chemisch an flüssige organische Hydride gebunden wird (LOHC – Liquid Organic Hydrogen Carrier). Bei der Betankung wird die mit Wasserstoff beladene
Trägerflüssigkeit in den Tank gefüllt und dabei gleichzeitig die entladene Flüssigkeit
entnommen. In einer Dehydrierungseinheit wird der Wasserstoff für den Verbrauch in
einer Brennstoffzelle abgespaltet. Als Trägersubstanz kommt z.B. N-Ethylcarbazol (NEC)
zum Einsatz. Pro kg NEC können 53 g H2 chemisch gebunden werden. Das ergibt bei einem H2-Verbrauch von 1 kg/100 km eine Reichweite von 500 km bei einer Tankfüllung
von 100 l. Der Gesamtwirkungsgrad (von Strom zu Strom) wird mit 29% bis 38% geschätzt.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
21
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
4.
Elektromobilität
Elektrofahrzeuge stehen derzeit im Zentrum der Diskussion, wenn es um den Individualverkehr geht. Die Lösungsansätze konzentrieren sich schon seit Längerem auf Hybridfahrzeuge (siehe Abschnitt 3.6), wobei netzunabhängige Lösungen (klassische Hybridtechnik) und „Plug-in-Hybrids“ (Möglichkeit der Aufladung der Akkus am Stromnetz)
angeboten werden. Der breite Einsatz reiner Elektrofahrzeuge ohne Verbrennungskraftmaschine scheiterte bislang an der geringen Reichweite, am Gewicht (Akkus) und
an den Kosten. Verstärkter Entwicklungsaufwand bei den Akkumulatoren hat bezüglich
der Reichweite zu Verbesserungen geführt, wobei die von Verbrennungskraftmaschinen
gewohnten und geschätzten Werte noch in weiter Ferne liegen. Im innerstädtischen Bereich hingegen bieten Elektrofahrzeuge Vorteile, von Lärmemissionen bis zum Schadstoffausstoß. Um jedoch globale Effekte, insbesondere hinsichtlich der CO2-Emissionen
zu erzielen, sind nachhaltige Verschiebungen in der Zusammensetzung des Kraftwerksverbundes notwendig. Als Zwischenlösung könnten Elektrofahrzeuge mit „Range Extendern“, das sind kleine Verbrennungskraftmaschinen zum Antrieb eines Generators,
sinnvoll sein.
Die Tatsache, dass die Reserven an fossilen Kraftstoffen endlich sind (die Prognosen
nehmen eine große Bandbreite ein), ist auf lange Sicht ein Ausstieg aus diesen Energieträgern unabdingbar. Da für den Flug- und Schiffsverkehr sowie die schweren Nutzfahrzeuge flüssige Kraftstoffe kaum verzichtbar scheinen, konzentrieren sich die Überlegungen auf den motorisierten Individualverkehr.
Für endgültige Prognosen ist es noch zu früh. Die folgenden Ausführungen sollen deshalb im Sinne einer umfassenden Betrachtungsweise die Problematik von Elektrofahrzeugen anreißen.
4.1
Energiebedarf
Der Gesamt-Energieverbrauch in Österreich im Jahr 2010 ist in Bild 4.1 dargestellt. Man
erkennt, dass rund 28% auf regenerative Energiequellen entfallen.
Die Statistik Austria weist für das Jahr 2011 einen energetischen Endverbrauch für den
PKW-Inlandsverkehr in Österreich von 140.681 TJ aus (83.870 TJ Diesel und 56.811 TJ
Benzin)11, was 39,1 Milliarden kWh oder dem Energieinhalt von rund 4,2 Milliarden Litern an fossilem Kraftstoff entspricht12. Der Verkehr weist im Zeitraum von 1990 bis
2010 die mit Abstand markanteste Zunahme des Energieverbrauches aus, nämlich 76%.
Der Anteil am gesamten Energie-Endverbrauch liegt 2010 bei 33%. Die Energie stammt
zu 95% aus Erdölprodukten. Somit ist klar, dass einerseits hoher Bedarf besteht, dagegen etwas zu unternehmen. Andererseits ist es gerade hier sehr schwierig, weil große
Energiemengen zu substituieren sind.
11
12
www.statistik.at/web_de/statistiken/energie_und_umwelt/energie/energieeffizienzindikatoren/
Gesamter Kraftstoffverkauf 2011 in Österreich rund 9,7 Milliarden Liter
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22
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
40
37
Energieverbrauch Österreich 2010
gesamt: 1.458 PJ
35
30
24,5
Prozent
25
20
15
10,9
9,7
10
9,5
6,4
5
1,4
0,6
0
Öl
Gas
Kohle
Holz/Abfälle
Biogene Brenn- u.
Treibst.
Wasserkraft
andere
Erneuerbare
el. Importüberschuss
Bild 4.1: Energieverbrauch in Österreich, Jahr 2010
Geht man von einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 25% bei der Umwandlung
von Kraftstoff in Antriebsenergie eines PKW aus, so müssten ohne Berücksichtigung
elektrischer Wirkungsgrade rund 10 Milliarden kWh an elektrischem Strom aufgewendet werden, wenn sämtliche PKW heutiger Bauart elektrisch angetrieben würden. Elektrofahrzeuge werden jedoch mit großer Wahrscheinlichkeit mit schmaleren und damit
verbrauchsgünstigeren Reifen ausgestattet sein als heutige PKW sowie andere, wahrscheinlich verbrauchsschonendere Komfortfunktionen (z.B. Klimaanlagen) besitzen. Die
genannten 10 Milliarden kWh für die reine Antriebsenergie könnten so auf 8 bis 9*109
kWh reduziert werden. Im Gegenzug ist zu berücksichtigen, dass auch bei den Lade- und
Entladevorgängen der Akkus und im elektrischen Antriebsstrang Verluste entstehen
sowie Selbstentladung im Stillstand auftritt. Ferner müssen die Fahrgastzellen in der
kalten Jahreszeit beheizt werden. Die theoretischen Zahlen sind in Bild 4.2 dargestellt.
Mit Berücksichtigung elektrischer Verluste und der zur Beheizung oder Klimatisierung
notwendigen Energie scheinen 13 bis 15 Milliarden kWh jährlich realistisch, kleine
Fahrzeuge vorausgesetzt.
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23
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
45
Statistik Austria: Kraftstoffverbrauch PKWInlandsverkehr 140.681 TJ bzw.
~ 4 Mrd. Liter im Jahr 2011
40
E-Bedarf in Milliarden kWh
35
30
25
20
15
10
5
0
Kraftstoffe PKW 2011
theoret. Strombedarf E-PKW
ohne Verluste
optimierte E-PKW ohne
Verluste
Bild 4.2: Energiebedarf PKW in Österreich, Jahr 2007
4.1.1 Reichweite, Gewicht und Infrastruktur
Die Reichweite und die Zeit, die zur Betankung eines Elektrofahrzeuges notwendig ist,
werden maßgeblich die Akzeptanz dieser Technologie bestimmen. Die derzeit 100 bis
maximal 150 km und eine Ladedauer von sechs bis zehn Stunden müssen als erster
Entwicklungsschritt angesehen werden. Grundsätzlich ist festzustellen, dass die Reichweite von Elektrofahrzeugen mit Batterie unter realen Bedingungen in Städten erheblich geringer ist als von den Herstellern angegeben13. Kabinen- und Scheibenheizung
sowie Klimatisierung des Fahrzeuges führen zu weiteren Verschlechterungen. Eine
Temperatur von 21°C im Fahrzeuginneren bei einer Außentemperatur von 32°C ergibt
im Neuen Europäischen Fahrzyklus eine Abminderung um 25%, im New York City Cycle
(NYCC) um 50%. So sinkt zum Beispiel die versprochene Reichweite von bis zu 200 km
auf reale 60 km im NYCC.
Aus heutiger Sicht sind Reichweiten von zumindest 500 km notwendig. Da eine Reiseunterbrechung von mehreren Stunden zur „Betankung“ des Fahrzeuges keine Akzeptanz
finden wird, muss neue Infrastruktur geschaffen werden, beispielsweise um das gesamte Akku-Paket innert weniger Minuten auszutauschen. Der Fahrzeugnutzer mietet dann
den Energiespeicher.
Das wirft die Frage der elektrischen Ausstattung solcher Tankstellen auf. Nehmen wir
zum Vergleich eine gut frequentierte, konventionelle Tankstelle mit einem Tagesumsatz
von 20.000 l Kraftstoff. Unter Vernachlässigung elektrischer Verluste und einem Gesamtwirkungsgrad von 25% für konventionelle PKW ergibt sich ein Antriebsenergiebedarf von 50.000 kWh/d. Wenn die Akkupakete rund um die Uhr aufgeladen werden,
muss eine durchschnittliche Leistung von rund 2,1 MW zur Versorgung der Ladestationen aufgebracht werden.
13
G. K. Fraidl et al.: „Der Range Extender im Praxiseinsatz“, 31. Int. Wiener Motorensymposium, 2010
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24
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Hinsichtlich der Ladetechnik werden unterschiedliche Ansätze verfolgt: Von Wechselstrom über Gleichstrom bis zu induktivem Laden. Letztere Technik ist im Vergleich zur
konventionellen Ladung mittels Wechsel- oder Gleichstrom teuer. Die Wirkungsgrade
sind nur dann gut, wenn Primärspule (im Boden eingelassen) und Sekundärspule (im
Unterboden des Fahrzeuges) genau positioniert werden. Selbst bei guter Ausrichtung
von Fahrzeug und Primärspule sowie geringem Ladespalt entstehen Verluste von 5 bis
10%.
Schnellladungen reduzieren die „Betankungszeit“ auf einen Bruchteil herkömmlicher
Beladung, allerdings ist die elektrische Anschlussleistung derart hoch, dass sie für Haushaltsnetze nicht in Frage kommt. Zudem leidet die Lebensdauer der Batterien.
Ein ebenfalls wichtiges Kriterium stellt das Gewicht der Akkus dar. Die heute verfügbare
Leistungsdichte von bis zu 150 Wh/kg bedarf einer Steigerung auf das Zehnfache für
vernünftige und konkurrenzfähige Energiespeicher14. Für den durchschnittlichen, im
realen Verkehr erzielbaren Stromverbrauch von 25 kWh/100 km (inklusive Entladeverluste) ist für eine Reichweite von 500 km bei heutiger Speichertechnologie eine Akkumasse von rund 830 kg erforderlich, für zukünftige Batterien möglicherweise rund 83
kg. Diese Reichweite kann von einem herkömmlichen PKW vergleichbarer Größe mit
einer Tankmasse von ungefähr 30 kg erbracht werden, siehe Bild 4.3.
900
800
Speichermasse [kg]
700
600
830
Speichermasse für 500
km Reichweite
Verbrauch ~4 l/100 km
bzw.
25 kWh/100 km
500
400
300
200
100
83
30
0
Benzintank
Lithium-Ionen-Akku
Akku zukünftig?
Bild 4.3: Speichermasse für 500 km Reichweite
Der reale Verkehr bedingt neben langsamen Lade- und Entnahmephasen auch kurzzeitige Leistungsspitzen, wofür Fahrzeugbatterien nicht optimal geeignet sind. Hier werden
mittelfristig dynamische Leistungsspeicher erforderlich, beispielsweise Superkondensatoren15 (elektrochemische Doppelschichtkondensatoren) mit einer Energiedichte von
bis zu 20 kWh/m3.
Derzeit wird an verschiedenen Konzepten geforscht, beispielsweise an der Lithium-SauerstoffTechnologie oder Silizium-Luft-Batterie, von der eine Energiedichte von 1000 Wh/kg erwartet werden
(derzeit noch Grundlagenforschung)
15 In Kraftwerken bereits realisiert; Kosten derzeit rund 320 Euro/kW, Reduktion auf die Hälfte möglich;
guter Wirkungsgrad zwischen 80 und 95%
14
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
25
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
4.1.2 Wirkungsgrade
Bei den bisher getätigten Abschätzungen wurde vereinfachend angenommen, dass die
Energieumsetzung (Laden und Entladen der Akkus, Leistungselektronik und E-Motor)
verlustfrei erfolge. Aufgrund des Innenwiderstandes der Batterien und der Kabelwiderstände steigen die Verluste bei großer Energieentnahme (Beschleunigungsphasen) und
bei großer Einspeisung (starke Verzögerung mit Rekuperation). Auch bei kalten Außentemperaturen stellen sich signifikante Verschlechterungen ein. Anhaltswerte liefern
Messungen an Blei-Säure-Starterbatterien von PKW im Kaltstart-Prüfstand, siehe Bild
4.416. Man erkennt, dass der Entladungswirkungsgrad auf 55 bis 75% abfällt und dass
dieser Abfall mit zunehmender Stromstärke steigt. Ähnliche Größenordnungen werden
von Elektrofahrzeugen berichtet.
Bild 4.4: Entladungswirkungsgrad und Außentemperatur (Quelle: W. Ospelt)
Schließlich stellt sich noch die Frage, wie sich die Wirkungsgrade mit zunehmender Nutzungsdauer der Batterien entwickeln. Auch hier ist nach den bisherigen Erfahrungen mit
kleinen Elektrofahrzeugen eine Einbuße zu erwarten. Für Li-Ionen-Akkus darf mit folgenden Kenndaten gerechnet werden:
16
Daten von W. Ospelt bereitgestellt
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
26
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Tabelle: Eigenschaften von Li-Ionen-Akkus in der Praxis17
Lebensdauer kalendarisch
Max. Energieinhalt Praxis
Aktive Alterung bis End of Life:
bei Vollladung
bei Teilladung
Kapazität
Selbstentladungsrate
Min. Energieinhalt vor Wiederaufladung
Reichweitenminderung Winter
Schnellladung bis 30 Minuten Dauer:
Reichweitenminderung
Minderung Anzahl Lade- u. Entladezyklen
10 Jahre (passive Alterung)
95% bezogen auf Nennkapazität
3000
3600
80%
4,5%
20%
25%
Lade- u. Entladezyklen
Lade- u. Entladezyklen
der Nennkapazität bei EOL
pro Monat
der Nennkapazität
der Nennkapazität
30% bis End of Life
30% bis End of Life
Daraus ist in Abhängigkeit von täglicher Fahrstrecke und Anzahl der Aufladungen die
Nutzungsdauer des Akkus abzuleiten (Bild 4.5).Man erkennt, dass vergleichsweise langen täglichen Fahrstrecken und damit notwendiger zweimaliger Aufladung die Lebensdauer drastisch sinkt. Anzumerken ist, dass während der kalten Jahreszeit die täglich
mögliche Fahrstrecke deutlich abnimmt (hier nicht dargestellt).
Bild 4.5: Akku-Nutzungsdauer in Abhängigkeit vom Benutzerverhalten (Quelle: W. Ospelt)
In diesem Zusammenhang erhebt sich die Frage nach den tatsächlichen Fahrtkosten je
km. Hier zeigt sich ein Optimum bei einer durchschnittlichen Fahrstrecke von rund
100 km täglich, wie in Bild 4.6 dargestellt (Treibstoffkosten fossil: 1,40 €/l, Stromkosten 19,6 Cent/kWh, Akkukosten 570 €/kWh). Untersuchungen zeigen, dass zwei Drittel
W. Ospelt: „Projekt P148: e-PKW oder Erdgas-PKW?“, e5-Landesprogramm für energieeffiziente Gemeinden, Marktgemeinde Thal bei Graz, Dezember 2011
17
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
27
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
aller täglichen PKW-Fahrstrecken weniger als 10 km ausmachen. Das bedeutet, dass die
spezifischen Kosten hoch ausfallen.
Bild 4.6: Vergleich der Fahrtkosten (Quelle: W. Ospelt)
Um Bauraum und Gewicht zu sparen, bieten sich hochdrehende Elektromotoren an,
kombiniert mit Getrieben. Wenn diese Maschinen auf einen guten Wirkungsgrad im Teillastbereich optimiert werden, lassen sich wesentlich größere Last-Drehzahl-Bereiche
mit gutem Wirkungsgrad darstellen als mit sogenannten High-Torque E-Maschinen, die
für den Betriebspunkt des höchsten Drehmoments optimiert wurden.
Die publizierten elektrischen Wirkungsgrade von Elektrofahrzeugen weisen eine beachtliche Bandbreite auf. Eine Gesamteffizienz von 50 bis 75% scheint realistisch zu
sein, abhängig von der Außentemperatur. Für die kleinen und leichten Elektrofahrzeuge,
die im Rahmen des Flottenversuches „VLOTTE“ im Bundesland Vorarlberg eingesetzt
werden, wird der Durchschnittsverbrauch (Fahrbetrieb mit Ladeverlusten) mit 24 bis
27 kWh/100 km angegeben bzw. mit 18 kWh/100 km ohne Ladeverluste. Eine Studie18
zeigt den Stromverbrauch und die Reichweite unter verschiedenen Bedingungen auf. Es
wurde ein ECO-Test definiert, der eine Fahrstrecke von 35,5 km in einem Mix aus Fahrten innerorts, außerorts und auf der Autobahn repräsentiert. Das Ergebnis zeigt
Bild 4.7.
18
Batterieelektrische Fahrzeuge in der Praxis, TU Wien, 2012
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
28
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Smart Eco-Test, Temp. -20°C
Smart El. Drive Eco-Test +20°C
Mercedes Eco-Test, Temp. -20°C
Mercedes A-Klasse E-Cell Eco-Test +20°C
Mitsubishi Eco-Test, Temp. -20°C
Mitsubishi i-MiEV Eco-Test +20°C
VW Eco-Test, Temp. -20°C (inkl. Kaltstart)
VW Polo Blue Motion Diesel Eco-Test +20°C
0
10
20
30
40
50
60
Verbrauch [kWh/100 km]
Bild 4.7: Verbrauch im Eco-Test (Quelle: Gehringer, TU Wien)
4.1.3 Heizung und Klimatisierung
Bereits mit der Entwicklung verbrauchsoptimierter Verbrennungskraftmaschinen zeigte
sich ein Defizit an Heizleistung, das bei PKW eine Bandbreite zwischen 400 und 2000 W
einnimmt, bei Vollhybriden rund 3500 W (siehe Bild 4.8). Hier sind elektrische Zusatzheizungen Stand der Technik. Bei Elektrofahrzeugen rechnet man mit einem Heizleistungsbedarf von 6000 W. Elektroautos mit kleinem Verbrennungsmotor zur Ausdehnung der Reichweite („Range Extender“) und Hybridfahrzeuge lassen sich mittels eines
Brennstoffwasserheizgerätes problemlos konditionieren. Bei reinen E-Fahrzeugen
könnten sich brennstoffbetriebene Luftheizgeräte mittelfristig durchsetzen. Allerdings
muss der Fahrer bei derartigen Lösungen (fossilen) Brennstoff tanken. Elektrische
Hochvolt-Lufterhitzer und Hochvolt-Wasserheizer schränken die Reichweite merklich
ein. Ähnliches gilt für Klimaanlagen. Auch wenn gewisse Komforteinbußen gegenüber
PKW mit VKM akzeptiert werden, ist doch mit einer Leistungsaufnahme von rund
1000 W zu rechnen.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
29
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
7000
Heizleistungsdefizit
6000
Defizit [W]
5000
4000
3000
2000
1000
0
PKW mit DI Dieselmotor
Vollhybrid-Fahrzeuge
Elelktrofahrzeuge
Bild 4.8: Heizleistungsdefizit
Diese Problematik zwingt zu neuen Lösungsansätzen. Um die Heizleistung zu verringern, könnten Flächenheizungen eingesetzt werden, die sich sitzplatzindividuell ansteuern lassen. Je näher die beheizbare Fläche am Insassen positioniert ist, desto geringer
kann deren Temperatur sein und desto geringer ist der Energieaufwand. Man denkt hier
beispielsweise an beheizte Sitze oder Türverkleidungen. Dennoch kann auf eine konventionelle Heizung nicht verzichtet werden, da die kalte Außenluft konditioniert werden
muss.
Wärmepumpen nutzen einen Teil der Umgebungswärme. Durch ihren Einsatz könnten
Heizung und Klimatisierung energieeffizienter erfolgen.
Wenn es gelingt, die Temperaturbedingungen im Auto schon vor dem Einsteigen der
Passagiere zu verbessern, benötigt man während der Fahrt weniger Energie. Unter dem
Stichwort „Vorkonditionierung“ könnten Lösungen wie Heizung im Stand (an einer
Steckdose), verbesserte thermische Isolierung der Kabine, Standlüftung unter Nutzung
der natürlichen Konvektion („Kamineffekt“) oder solar betriebene Standlüftungen umgesetzt werden. Das Problem besteht unter anderem in beschränktem Bauraum, zusätzlichem Gewicht und höheren Kosten.
4.1.4 Sicherheit
Im Zusammenhang mit leistungsfähigen Stromspeichern an Bord eines Fahrzeuges ergeben sich auch sicherheitstechnische Aspekte19.
 Ein elektrischer Kurzschluss nach einem Unfall oder bei der Bergung ist um Größenordnungen gefährlicher als bei ausfließendem Kraftstoff:
o Lichtbogen mit Plasmabildung (t >3000°C)
o keine Akkukühlung mehr
o Selbstentzündung des Lithiums.
 Für eine kontrollierte Akku-Entladung fehlt der Feuerwehr entweder die Ausrüstung
oder die Zeit:
19
W. Ospelt: e-PKW oder/und Erdgas-PKW: Die Lösung des Mobilitätsproblems? 8. Österreichischer Biogaskongress, 28. November 2012, Linz
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
30
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
o die sichere Entladung eines 20 kWh-Akkus in 1 Minute erfordert ein Leistungspotenzial des Aufnahmegerätes von 1,2 MW
o wenn man eines mit 12 kW zur Verfügung hat, dann dauert die Entladung 100
Minuten.
4.2
Energieaufkommen
Der Inlandsstromverbrauch betrug in Österreich im Jahr 2008 rund 60 Milliarden kWh
ohne Verbrauch für Pumpspeicherung (Verbrauch rund 3,3 Mrd. kWh/a). Die Herkunft
der Energie im österreichischen Kraftwerksnetz zeigt das folgende Bild 4.9. Unter „Erneuerbare“ wird hier Strom aus Windkraft, Photovoltaik und Geothermie verstanden.
Diese Daten sind öffentlich zugänglich20.
Österreich importiert mehr Strom, als ausführt wird. Der 2011 verbrauchte Strom war mit
192,5 g/kWh CO2 belastet.
Gemeldeter Endverbrauch aus dem Netz inkl. Pumspeicher: 64,7 TWh
13,9
Unbekannte Herkunft
Unbekannt = ENTSO-E-Mix: 64,3% fossil, 35,2%
nuklear
0,3
Sonstige E-Träger
21,4
Fossile E-Träger
64,4
Erneuerbare E-Träger
0
10
20
30
40
50
60
70
Prozent am Gesamtverbrauch
Bild 4.9: Herkunft des Stroms in Österreich, Jahr 2011
Österreich zeichnet sich durch einen überdurchschnittlich hohen Anteil an Strom aus
Wasserkraft aus (Bild 4.10). Die Kraftwerkskapazitäten in Österreich müssten um rund
20 bis 25% ausgeweitet werden müssten, um den zusätzlichen Strombedarf für Elektrofahrzeuge zu decken, jene für regenerative Energien (inklusive Wasserkraft) um mehr
als 30%. Der Anteil aus Wind, Photovoltaik und Geothermie müsste auf das Sechs- bis
Siebenfache erhöht werden, wollte man den zusätzlichen Bedarf nur aus diesen Quellen
decken.
20
http://www.e-control.at/de/statistik/strom/betriebsstatistik/jahresreihen
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
31
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
In Österreich im Jahr 2011 erzeugter Strom
1.985
Wind, Photovolt., Geothermie
Sonstige (Biomasse, Abfall etc.)
3.505
2.345
Kraftwerke Biomasse
19.982
Kraftwerke fossil
12.425
Speicherkraftwerke
25.276
Laufkraftwerke
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
GWh/a
Bild 4.10: Kraftwerkspark Österreich 2011, erzeugter Strom
Die Kraftwerksstrukturen der einzelnen EU-Mitgliedsländer sind sehr heterogen. In
Deutschland beispielsweise stammten im Jahr 2008 rund 80% des erzeugten Stromes
aus fossil befeuerten Kraftwerken oder aus Kernkraftwerken. Der von der deutschen
Regierung angekündigte Ausstieg aus der Kernkraft dürfte das Problem verschärfen.
15% von insgesamt 639 TWh (639 Mrd. kWh/a Bruttostromerzeugung) wurden aus
erneuerbaren Energieträgern bereitgestellt. Die prozentuelle Aufteilung zeigt
Bild 4.1121. In der nächsten Dekade werden große Zuwächse an Windenergie erwartet,
da die Regierung der Bundesrepublik Deutschland das Ziel verfolgt, bis 2030 in Offshore-Anlagen 20 bis 25 GW Leistung zu installieren. Da sich diese Kraftwerke auf Nordund Ostdeutschland konzentrieren, müssen neue Hochspannungsleitungen gebaut werden.
21
„PSW-Integration EE“, Abschlussbericht, Deutsche Energie-Agentur, 2010
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
32
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Prozent an Brutto-Stromerzeugung
25
23,5
23,3
20,1
Bundesrepublik Deutschland, 2008
20
15
13
9,7
10
6,3
4,2
5
0
Braunkohle
Kernkraft
Steinkohle
Erdgas
Windkraft
Wasserkraft
Sonstige
Bild 4.11: Anteile an der Stromproduktion der BRD im Jahr 2008
Das nachstehende Bild 4.12 zeigt den Vergleich der spezifischen CO2-Emission für unterschiedliche Kraftwerkstypen. Die angegebenen CO2-Emissionen stellen Mittelwerte
dar. Als Durchschnitt für den Kraftwerksverbund werden 600 g CO2 je kWhel angesetzt.
In Österreich beträgt laut Stromkennzeichnungsbericht 2010 die durchschnittliche CO2Belastung des Stroms rund 195 g/kWh22. Zum Vergleich: In Deutschland liegt man bei
~560 g/kWh, wobei aufgrund der Energiewende und der dadurch erhöhten Stromerzeugung in Braunkohlekraftwerken die Entwicklung in Richtung höherer CO2-Belastung
geht. Die in dieser Hinsicht wesentlich besseren Gaskraftwerke rechnen sich erst bei
höheren Kosten im CO2-Handel.
Spezifische CO2-Emissionen
1200
1000
1000
800
CO2 [g/kWh]
800
600
400
200
150
35
24
40
AKW
Windpark
Wasser-KW
0
Erdgas GuD
Steinkohle-KW
Braunkohle-KW
Bild 4.12: Spezifische CO2-Emissionen in g/kWhel
http://www.e-control.at/de/marktteilnehmer/oeko-energie/berichte-undstudien/berichte/stromkennzeichnungsbericht
22
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
33
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
4.3
Technologien zur Energiespeicherung
Aus Wind und Solarenergie erzeugter Strom fällt diskontinuierlich an. Es sind deshalb
Technologien notwendig, um den Strom über längere Zeiträume zu speichern bzw. um
ihn bei Bedarf abrufen zu können. Im Rahmen dieser Vorlesung sollen die heute bekannten Möglichkeiten im Interesse einer ganzheitlichen Betrachtung kurz besprochen werden.
4.3.1 Pumpspeicherkraftwerke
Pumpspeicherkraftwerke eröffnen die Möglichkeit, im Netz verfügbaren, aber momentan nicht benötigten Strom zu nutzen, indem Wasser mittels Pumpen in ein geodätisch
höher gelegenes Speicherbecken gefördert wird. Bei Bedarf wird dieses Wasser über
Turbinen abgearbeitet, der Strom wird ins Netz eingespeist. Ältere Pumpspeicherkraftwerke besitzen Umwälzwirkungsgrade von rund 75%, moderne Anlagen bis zu 80%. Im
Umwälzwirkungsgrad sind die Wirkungsgrade der Pumpe, Turbine und des Generators
sowie die Strömungsverluste der Triebwasserführung (vom Unterwasser zum Speicher
und zurück) enthalten.
Diese Technologie ist an topographische Randbedingungen gebunden.
4.3.2 Druckluftspeicherkraftwerke
Bereits 1978 wurde ein Druckluftspeicherkraftwerk errichtet. Dabei wird elektrischer
Strom zur Verdichtung von Luft verwendet, welche in großen, unterirdischen Speichern
(z.B. Kavernen in aufgelassenen Salzstöcken) gelagert wird. Bei Bedarf wird die komprimierte Luft beispielsweise über eine Gasturbine abgearbeitet. Da der Wirkungsgrad
sehr gering ist, fand diese Technologie bislang keine Verbreitung. Nun gehen die Überlegungen in Richtung adiabater Druckluftspeicherkraftwerke, d.h. die beim Verdichten
abgeführte Wärme wird zwischengespeichert, um sie bei der Expansion wieder zuzuführen. Adiabate Druckspeicherkraftwerke setzen bestimmte geologische Gegebenheiten voraus, die auch für die Speicherung von fossilem Erdgas im Sinne einer Vorratshaltung notwendig sind. Deshalb kann hier ein Nutzungskonflikt entstehen.
Es laufen derzeit auch Projekte, um die Windenergie direkt zum Verdichten der Luft ohne die Zwischenstufe Strom einzusetzen.
4.3.3 EE-Gas (Solargas, Windgas)
Gas aus erneuerbaren Energien wird EE-Gas genannt. Hier geht es darum, mit Hilfe von
Strom Brenngase herzustellen. Vergleichsweise einfach ist dies mittels Elektrolyse möglich. Allerdings ist die Infrastruktur für Wasserstoff noch wenig entwickelt. Derzeit sinnvoller scheint die Erzeugung von Methan (CH4). Der dafür notwendige Wasserstoff wird
elektrolytisch erzeugt. Der Kohlenstoff wird aus CO2 gewonnen, welches bei vielen industriellen Prozessen oder in Biogasreaktoren anfällt. Die Kombination der EEGaserzeugung mit Biogasanlagen ist aus zweierlei Gründen günstig: Das prozierte Methan kann direkt in das Versorgungsnetz eingespeist werden, und das für den Prozess
benötigte CO2 fällt bei der Entstehung von Biogas in größeren Mengen an. Dieses müsste
vor der Einspeisung des Biogases ohnehin abgetrennt werden. Dieser Schritt kann durch
Methanisierung eingespart werden. Das schon vorhandene Methan stört dabei nicht. Der
Schwefelwasserstoff hingegen muss entfernt werden. Allerdings ist die Abtrennung von
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
34
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
CO2 insofern sinnvoll, als die Speicherung von reinem CO2 zur späteren Erzeugung von
CH4 einfacher ist als in einem Gasgemisch mit Methan.
Die Wirkungsgrade hängen unter anderem davon ab, ob das EE-Gas komprimiert wird
oder nicht. Für Wasserstoff reicht die Bandbreite von 55 bis 75%, für Methan von 50 bis
65%. Wenn das Brenngas anschließend bedarfsabhängig wieder verstromt wird, stellen
sich weitere Wirkungsgradeinbußen ein, sodass die Effizienz der gesamten Umwandlungskette bei 35 bis 40% liegt (bei Wasserstoff etwas darüber). Mit Kraft-WärmeKopplung sind Wirkungsgrade von etwas über 60% (Wasserstoff) bzw. 55% (Methan)
darstellbar.
Für EE-Methan gibt es derzeit eine kleine Pilotanlage. Das mittelfristige Ziel für leistungsfähige Kraftwerke liegt bei etwa 10 MW.
Es existieren konkrete Pläne, auf Offshore-Windkraftanlagen Wasserstoff herzustellen,
zu verflüssigen und damit an Ort und Stelle Frachtschiffe zu betanken, die mit Wasserstoffmotoren angetrieben werden.
4.3.4 Smart Grids
Der aus dem englischen Sprachgebrauch stammende Begriff „smart grid“, also ein „intelligentes Stromnetz“ bedeutet die Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Stromnetzen. Derzeit sind
Pumpspeicherkraftwerke die einzige im großtechnischen Maßstab verfügbare Technologie. Hinzu kommen beispielsweise dezentrale Speicher wie Fahrzeugakkumulatoren.
Man argumentiert damit, dass die Elektrofahrzeuge nur eine geringe Zeit in Betrieb seien und deshalb während ihrer Stehzeiten Strom in den Akkus speichern und bei Bedarf
ins Netz abgeben könnten.
Im Sinne einer einfachen Abschätzung soll davon ausgegangen werden, dass ein zukünftiges Elektrofahrzeug mit einer Energiemenge von 50 kWh beladen wird, was unter Berücksichtigung eines Wirkungsgrades von 25% 20 Litern an fossilem Kraftstoff entspricht und einem verbrauchsgünstigen PKW mit Verbrennungskraftmaschine eine
Reichweite von 500 km ermöglichen würde. Wenn eine Ladestation eine Anschlussleistung von 10 kW besitzt, ergibt sich ohne Berücksichtigung von elektrischen Effekten
eine Ladezeit von 5 Stunden. Für die Stromnetze in Haushalten wird mit weit geringeren
Ladeleistungen zu rechnen sein. Es ist deshalb fraglich, ob die Fahrzeughalter bereit sein
werden, bereits geladene Energie zur Verfügung zu stellen, weil dies die potenzielle
Reichweite erheblich schmälern könnte und weil zusätzliche Lade- und Entladezyklen
die Lebensdauer der Akkus schmälern.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
35
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
4.4
CO2-Emissionen
Für einen PKW mit einem Dieselverbrauch von 4 l/100 km ergibt sich eine CO2-Emission
von 105 g/km, für einen kleinen PKW mit einem Benzinverbrauch von 3 l/100 km rund
70 g/km, für ein Elektroauto mit einem Antriebsbedarf von 25 kWh/100 km rund 150
g/km für den deutschen Kraftwerksverbund bzw. rund 50 g/km für österreichische
Verhältnisse, siehe Bild 4.13. Setzt man für Erdgasmotoren eine durchschnittliche CO2Reduktion von 20% gegenüber Benzin an, lassen sich für kleine, den hier berücksichtigten Elektrofahrzeugen ähnliche PKW CO2-Emissionen im Bereich von weniger als
60 g/km erwarten. Der im Jahr 2011 von Volkswagen vorgestellte Kleinwagen „Up“ mit
Erdgasmotor (Hubraum 1,5 Liter, Nennleistung 50 kW, weist einen Erdgasverbrauch
2,9 kg/100 km auf, was einer CO2-Emission 65 g/km entspricht. Durch konsequenten
Leichtbau sind weitere Einsparungen möglich, die CO2-Emissionen von weniger als
50 g/km im Erdgasbetrieb ermöglichen, weniger als 40 g/km bei Verwendung von Biogas.
CO2 [g/km]
160
150
CO2-Emissionen kleiner PKW
140
120
105
100
80
60
70
50
50
40
20
0
E-PKW
(Kraftwerksnetz Ö)
E-PKW
(Kraftwerksnetz BRD)
Diesel: 4l/100 km
Benzin: 3 l/100 km
PKW klein, Erdgas
Bild 4.13: CO2-Emissionen von PKW in g/km
Die Well-to-Wheel-Emissionen für unterschiedliche Antriebskonzepte im NEFZ zeigt
Bild 4.1423. Dabei ist beim Elektrofahrzeug die Spanne vom Betrieb mit regenerativ gewonnenem Strom bis zum Strom aus Braunkohle eingetragen, beim Wasserstoffantrieb
in Brennstoffzelle und Verbrennungskraftmaschine wird regenerativ gewonnener
Druckwasserstoff aus Erdgas angenommen.
M. Klell und P. Cona: Wirkungsgrade und CO2-Emissionen verschiedener Energieketten, HyCentA TU
Graz, 2009
23
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
36
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
600
CO2-Emission Well-to-Wheel
CO2-Emission [g/km]
500
400
300
200
100
0
Kleinwagen
elektr.
Kleinwagen
VKM
Mittelkl. BZelle H2
Mittelkl.
Hybrid
Mittelkl. VKM Mittelkl. CH4 Mittelkl.
H2
Benz./Diesel
Luxuskl.
Benzin
Bild 4.14: CO2-Emissionen Well-to-Wheel
Die Selbstentladung der Akkus verschlechtert, speziell bei längeren Stehzeiten der Fahrzeuge, die CO2-Bilanz, wie am folgenden Beispiel für die „Zebra-Batterie“ gezeigt wird,
die derzeit in vielen E-PKW eingebaut ist. Durch die permanent erforderliche Temperatur von 300 bis 400 °C kommt ein derartiger NaCl-Ni-Akku nach rund sieben Tagen an
die untere Entladungsgrenze und muss nachgeladen werden. Das bedeutet, dass die CO2Bilanz umso besser ist, je mehr das Fahrzeug bewegt wird (Bild 4.15)24. Man erkennt,
dass erst ab einer jährlichen Fahrleistung von 4000 km ein CO2-Vorteil gegenüber einem
Fiat Panda mit fossilem Erdgasbetrieb entsteht. Wird dieses Fahrzeug mit Biomethan
betankt (siehe Abschnitt 3.3), bedarf es noch höherer Fahrleistungen für eine gleichwertige CO2-Bilanz.
W. Ospelt: „Projekt P148: e-PKW oder Erdgas-PKW?“, e5-Landesprogramm für energieeffiziente Gemeinden, Marktgemeinde Thal bei Graz, Dezember 2011
24
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
37
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
500
Marktgemeinde Thal
e5-Team
400
mit ZEBRA® Akkumulator
200
300
deutscher Strommix
UCTE Strommix 2009
VW-Polo Benzin
100
CO2-Emission g /km
CO2 Emission e-PKW "Th!nk City"
0
Fiat Panda fossiles Erdgas
0
2000
4000
6000
8000
10000
Jährliche Fahrleistung km
Bild 4.15: CO2-Emission in Abhängigkeit von der jährlichen Fahrstrecke (Quelle: W. Ospelt)
Im Sinne einer ganzheitlichen Analyse sind die treibhausrelevanten Emissionen für den
gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeuges zu betrachten. Das beginnt bei der Herstellung
in Abhängigkeit von den eingesetzten Werkstoffen, beinhaltet selbstverständlich den
Energieverbrauch während des Betriebes und endet mit der Wiederverwertung des Autos. Diese Fragestellungen werden in einer Arbeit der Universität Graz aus dem Jahr
2011 im Detail behandelt25. Die Treibhauswirkung ist in CO2-Äquivalenten angegeben.
Die Kernaussage lautet: Damit ein mit Dieselmotor ausgerüsteter PKW die gleich geringe
Treibhauswirkung im Gesamtleben hat wie ein E-PKW, darf er einen Normverbrauch
von 4,09 l/100 km haben, bezogen auf den österreichischen Strommix. Ein FIAT-Panda
mit Erdgasmotor (gleiche Fahrzeuggröße wie der E-PKW, 4 Sitzplätze, konventionelle
Heizung, gewohnte Reichweite) dürfte einen Verbrauch von 4,95 kg fossilem Erdgas haben für die gleiche Lifecycle-CO2-Bilanz. Da dieses Fahrzeug aber einen Verbrauch von
3,5 kg/100 km aufweist, ist die CO2-Bilanz deutlich besser als jene des E-Mobils.
Die diesen Aussagen zugrunde liegenden CO2-Äquivalente zeigt nachstehende Tabelle
(Quelle: G. Bachner). Die Herstellung eines reinen Elektrofahrzeuges (BEV - Battery
Electric Vehicle) ist mehr als doppelt so CO2-aufwändig wie ein konventioneller PKW.
Das ist auf den Akku-Satz und auf den „Glider“ (Fahrzeugkonstruktion ohne Antrieb)
zurückzuführen. Da zur Bewältigung der zugrunde gelegten jährlichen Fahrleistungen
unter Berücksichtigung der Lebensdauern vergleichsweise mehr E-Fahrzeuge hergestellt werden müssen, erhöht sich die CO2-Bilanz für den Glider gegenüber konventionellen PKW mit VKM.
25
Gabriel Bachner: „ Eine vergleichende Treibhausgas-Lebenszyklusanalyse von Automobilen mit elektrischem Antrieb und Verbrennungskraftmaschine mit einer Anwendung in der Verkehrspolitik“, KarlFranzens-Universität Graz, 2011
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
38
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Tabelle: Life-Cycle-CO2-Bilanzen
PKW-VKM (Diesel)
PKW-VKM (Otto)
BEV Ö-Mix
BEV D-Mix
BEV China-Mix
BEV US-Mix
g CO2-Äquivalent/km
Herstellung
Betrieb
End of Life
23,73
206,76
1,46
23,73
229,27
1,46
51,89
95,92
3,71
51,89
158,08
3,71
51,89
283,31
3,71
51,89
185,62
3,71
Gesamt
231,95
254,47
151,52
213,68
338,91
241,22
Die relativen CO2-Lifecycle-Emissionen zeigt Bild 4.16, bezogen auf das mit Batterien
ausgestattete und mit österreichischem Strom aufgeladene E-Mobil.
Life-Cycle CO2
250
224
abgeleitet aus: G. Bachner, Univ. Graz, 2011
Normierte Emission
200
168
159
153
150
100
141
86
100
93
75
50
0
PKW Diesel PKW Benzin PKW Diesel PKW Benzin PKW Erdgas
(7,9 l/100 km) (9,9 l/100 km) (4,0 l/100 km) (5,0 l/100 km) (4 kg/100 km)
BEV Ö-Mix
BEV BRD-Mix
BEV US-Mix
BEV China
Bild 4.16: Lifecycle-Emissionen in normierten CO2-Äquivalenten
Aus diesen Daten lässt sich ableiten, welcher Verbrauch an fossilen Kraftstoffen zulässig
ist, um die gleiche Life-Cycle-Emission an CO2-Äquivalenten zu erreichen wie batteriebetriebene E-Fahrzeuge. Das Ergebnis ist in Bild 4.17 dargestellt. Im Verbrauch des BEV
sind neben den publizierten Fahrverbräuchen (z.B. 120 km Reichweite bei vollgeladener
Zebra-Batterie eines VLOTTE-Fahrzeuges) die Beleuchtung während 50% der Einsatzdauer, die Beheizung oder Klimatisierung während 30% der Nutzungsdauer sowie ein
Wirkungsgrad von 80% für die Aufladegruppe berücksichtigt. Da die CO2-Äquivalente
des Herstellungsprozesses mit einfließen, wird die durch Verbrauchsänderungen verursachte Änderung der CO2-Emission nicht linear abgebildet.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
39
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Zulässiger Verbrauch PKW für gleiche Life-Cycle-CO2-Emission wie BEV
Quelle: G. Bachner, Univ. Graz, 2011
Vergleiche Erdgasverbrauch Fiat Panda: 3,5 kg/100 km
12,3
12
10,2
10
8,5
8
7,4
7,0
6,1
6
4,9
4,1
2
Erdgas
4
Diesel
Liter Diesel bzw. kg Erdgas je 100 km
14
0
Österreich
Deutschland
USA
China
Strommix
Bild 4.17: Zulässiger Verbrauch fossiler Kraftstoffe für gleiches Life-Cycle-CO2
Die Bereitstellung von Strom aus Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben
werden, ist mit den Klimaschutzzielen nicht vereinbar (siehe Abschnitt 2). Es sind deshalb zusätzliche erneuerbare Ressourcen zu erschließen. Das Potenzial in Österreich
zeigt Bild 4.18.
Potenzial erneuerbare E-Quellen Ö 2008
4
El. Energie in Mrd. kWh/a
3,5
3,5
3
2,5
2
max. 1,8
max. 1,6
1,5
1
0,5
0,5
0
Wasserkraft
Windkraft
Biomasse fest
Energiepflanzen
Bild 4.18: Potenzial für erneuerbare Energie in Österreich (Quelle: E-Control)
Die Ausschöpfung dieses Potenzials wird nicht einfach sein. Die EU-Wasserrahmenrichtlinie beispielsweise, die ein Verschlechterungsverbot für Gewässer beinhaltet,
stellt eine nicht zu unterschätzende Hürde beim Ausbau heimischer Wasserkraft dar.
Das Potenzial der Energiepflanzen steht in Konkurrenz zu anderen NutzungsmöglichkeiTU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
40
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
ten; immerhin ist für die maximal möglichen 1,8 Mrd. kWh eine Anbaufläche von 0,5
Millionen ha abzuschätzen.
In einer Studie vom Jänner 2012 stellt das deutsche Öko-Institut26 zur CO2-Bilanz von
Elektrofahrzeugen fest, dass im Jahr 2030 auf Deutschlands Straßen bis zu sechs Millionen E-Mobile unterwegs sein könnten. Entscheidend sei, welcher Strom zum Einsatz
komme. Die Klimabilanz von Elektrofahrzeugen sei nur dann ausgewogen, wenn zusätzliche Kapazitäten erneuerbarer Energien in den Strommarkt gebracht werden. Unter
günstigen Voraussetzungen könnten Elektrofahrzeuge im Jahr 2030 rund 5,2 Millionen
Tonnen CO2 vermeiden. Dies entspreche einer Minderung der Gesamtemissionen des
PKW-Verkehrs 2030 um etwa sechs Prozent. Würden allerdings benzinbetriebene Fahrzeuge bis dahin deutlich effizienter, könnten diese allein die Treibhausgasemissionen
des PKW-Verkehrs um 25 Prozent reduzieren. Konventionelle Fahrzeuge mit verbrauchsreduzierten Motoren durchdringen den Markt also wesentlich rascher.
Unabhängig von der Art der Energiegewinnung müssen die Hochspannungsnetze zu deren Verteilung ausgebaut werden. Der Aufwand, um die dafür erforderlichen Genehmigungen zu erhalten, ist nach derzeitigem Stand der Rechtslage beträchtlich (aufwändige
Umweltverträglichkeitsprüfungsverfahren – UVP). In dieser Hinsicht hat die EUKommission bereits reagiert. Sie will die Planung und Genehmigung wichtiger Stromtrassen in der EU künftig auf drei Jahre verkürzen. Ein entsprechender Verordnungsentwurf wurde 2011 vorgelegt. Damit will die EU-Kommission den Ausbau beschleunigen, damit die anvisierte Energiewende und die Umstellung auf erneuerbare Energien
gelingt.
Die Einsparung von CO2 durch alternative Energiequellen ist überwiegend teuer, wie das
folgende Bild 4.19 zeigt. Während Windkraft gemäß einer Aufstellung der E-Control
GmbH mit 60 bis 100 Euro/(t CO2) vergleichsweise günstig ist, muss bei Photovoltaik
mit 1.300 Euro/t gerechnet werden.
€ / t CO2
1400
CO2-Reduktionskosten 2008 (Quelle: E-Control GmbH)
1200
1000
800
600
400
200
0
Windkraft
Biomasse fest
inkl. Abfall
Biogas
Biomasse flüssig
Photovoltaik
Bild 4.19: Durchschnittliche Kosten der CO2-Reduktion 2008 (Quelle: E-Control GmbH)
26
www.oeko.de
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
41
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Langfristig bieten sich Offshore-Windkraftanlagen, Gezeitenkraftwerke oder Solarkraftwerke in der Wüste an, wo riesige Brachflächen bei gleichzeitig hoher Strahlungsdichte
praktisch das ganze Jahr zur Verfügung stehen. Prototypen auf der Basis von Parabolrinnenkollektoren mit Latentwärmespeichern zur Ermöglichung eines Nachtbetriebes
und Dampfturbinen gibt es bereits. Allerdings begeben sich die Industrieländer Europas
damit wiederum in eine Energieabhängigkeit von Drittländern.
Aufgrund der von der EU beschlossenen Lenkungsmaßnahmen wird die nominelle Leistung aus Windkraft- und Solarenergieanlagen zunehmen. Diese zeichnen sich durch einen geringen Anteil an gesicherter Leistung aus. Zur Sicherstellung der Stromversorgung bedarf es deshalb konventioneller Kraftwerke. Die Vorhaltung solcher Kraftwerkskapazitäten ist aber mit hohen Kosten verbunden. Anzustreben ist jedenfalls eine Speicherung der Energie, sodass Stromerzeugung und Stromverbrauch zeitlich entkoppelt
werden können (siehe Abschnitt 4.3). Länder wie Österreich sind aufgrund ihrer topographischen Randbedingungen für Pumpspeicherkraftwerke geeignet. Hier kann immer
dann, wenn beispielsweise Windkraftwerke im Netz nicht benötigten Strom liefern,
Wasser in Speicher gepumpt werden, um es bei Bedarf (z.B. zur Abdeckung von Lastspitzen) abzuarbeiten. Durch die Pumpspeichertechnik lassen sich die Kosten für die
Vorhaltung konventioneller Erzeugungskapazitäten reduzieren.
Pumpspeicherkraftwerke stellen die derzeit flexibelste Speichertechnologie zur Bereitstellung von Regelenergie dar. Adiabate Druckspeicherkraftwerke werden als ähnlich
kostengünstig angesehen, allerdings gibt es hier noch keine großtechnischen Erfahrungen.
Ein noch zu wenig genutztes Potenzial liegt im Bereich der Energieeinsparung. Verhältnismäßig kostengünstig ist beispielsweise die Wärmedämmung von Gebäuden. Hier ist
die CO2-Einsparung pro eingesetztem Euro wesentlich höher als im Bereich des Verkehrs.
4.5
Lärm
4.5.1 Nach außen wirkender Lärm
In Vorarlberg läuft ein langfristig angelegter Flottenversuch mit Elektrofahrzeugen
(„VLOTTE"). In diesem Zusammenhang wurden Schallpegelmessungen im Stadtgebiet
von Bregenz durchgeführt27. Der Bericht ist abrufbar unter:
www.vorarlberg.at/vorarlberg/wirtschaft_verkehr/wirtschaft/maschinenbauundelektr
otec/start.htm
Eine rund 250 m lange Teststrecke am Hafen wurde für den öffentlichen Verkehr gesperrt. Es kamen 20 Elektrofahrzeuge sowie 20 PKW mit Verbrennungskraftmaschinen
(VKM) zum Einsatz. Dabei handelte es sich Fahrzeuge unterschiedlicher Masse (von
Kleinwagen bis zu Geländefahrzeugen) mit Otto- und Dieselmotoren. Die Flotte der EFahrzeuge bestand auskleinen, vergleichsweise leichten Modellen mit einer Masse von
rund 1000 bis 1100 kg. Jeweils 10 Autos bewegten sich pro Richtungsfahrbahn auf der
Teststrecke. Zunächst kamen die Elektromobile zum Einsatz, wobei drei Versuchsreihen
27 Wolfgang Wachter: Schallpegelmessungen an Elektrofahrzeugen („VLOTTE“), Oktober 2009
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
42
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
durchgeführt wurden: Fahrgeschwindigkeit 30 km/h konstant, 50 km/h konstant sowie
simulierter Stop-and-Go-Verkehr. Die Fahrer wurden vor Versuchsbeginn instruiert.
Anschließend wurden die gleichen Fahrzustände mit den konventionellen PKW absolviert. Der Messpunkt war rund 15 m vom Mittelstreifen zwischen den Richtungsfahrbahnen entfernt.
Vor Beginn der Messreihen wurde das ortsübliche Umgebungsgeräusch erfasst, welches
durch den Verkehr auf der Seestraße charakterisiert war, welcher einen energieäquivalenten Dauerschallpegel Leq von rund 62 dB(A) verursachte. Während einer Phase ohne
jeglichen Verkehr (zur Zeit der Vorbereitung der Messserien) betrug der Leq der Umgebung 48 bis 49 dB(A).
In Bild 4.20 ist das Ergebnis des Versuches dargestellt. Aus dem Diagramm ist abzuleiten, dass die Elektrofahrzeuge im Stationärbetrieb mit nahezu konstanter Geschwindigkeit um rund 3 bis 4 dB leiser sind als die mit VKM ausgestatteten Fahrzeuge. Bei diesem
Ergebnis ist zu berücksichtigen, dass letztere zum Teil deutlich größer waren als die
Elektrofahrzeuge. Bei 30 km/h ist der Unterschied etwas deutlicher als bei 50 km/h.
Hier dürfte der Effekt des bei der geringeren Geschwindigkeit etwas leiseren Abrollgeräusches der Reifen einfließen; es dominiert der Antriebsmotor. Ein signifikanter Unterschied zeigt sich im Stop-and-Go-Betrieb, wo die Elektrofahrzeuge um 8 dB leiser sind
als das hier verwendete Fahrzeugkollektiv mit VKM. Ferner fällt auf, dass der stockende
Verkehr von Elektrofahrzeugen einen geringeren Leq verursacht als die Konstantfahrt
mit 30 km/h. Herkömmliche VKM werden bei kurzen Stopps im unteren Leerlauf betrieben und emittieren im Unterschied zu Elektromotoren auch in dieser Phase Schall.
70
62
60
63
66
62
58
54
Leq dB(A)
50
40
30
20
10
0
E 30
VKM 30
E 50
VKM 50
E St&G
VKM St&G
Bild 4.20: Gegenüberstellung von Elektrofahrzeugen und herkömmlichen PKW
Die Messwerte der Vorbeifahrten wurden einer Frequenzanalyse unterzogen. Die Ergebnisse zeigen die folgenden Bilder in Form einer Darstellung von linearen Schallpegeln über den jeweiligen Terz-Mittenfrequenzen. Sowohl die Elektrofahrzeuge als auch
jene mit VKM zeigen im tiefen Frequenzbereich dominante Schallpegel, die Elektrofahrzeuge auch bei höheren Frequenzen (je nach Geschwindigkeit bei 300 bis 1.000 Hz). Bei
den Vorbeifahrten der Elektroautos war dieses Phänomen in Form eines tonhaltigen
Geräusches („Singen“) subjektiv wahrnehmbar. Die Verhältnisse bei 50 km/h zeigt Bild
4.21, jene für den stockenden Verkehr Bild 4.22. Bei 30 km/h sind die Ergebnisse ähnlich wie bei 50 km/h.
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43
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Spektrale Analyse, 50 km/h
80
50 km/h VKM
Schallpegel lin. [dB]
50 km/h El.
50 Hz
70
1000 Hz
60
50
25 bis 50
40
30
20
1,00
10,00
100,00
1000,00
10000,00
100000,00
Frequenz in Terzen [Hz]
Bild 4.21: Terzanalysen bei 50 km/h, konstante Geschwindigkeit
Spektrale Analyse, Stop & Go
70
65
St&Go VKM
Schallpegel lin. [dB]
60
St&Go El.
55
50
45
40
35
30
25
20
1,00
10,00
100,00
1000,00
10000,00
100000,00
Frequenz in Terzen [Hz]
Bild 4.22: Terzanalysen für stockenden Stadtverkehr
Die Darstellung linearer Messwerte gibt nicht das subjektive Hörempfinden des Menschen wieder. Tiefe Frequenzen werden deutlich schlechter wahrgenommen als hohe,
wie die nachfolgende A-Bewertungskurve gemäß Bild 4.23 zeigt, welche das menschliche Hörvermögen nachbildet. Man erkennt, dass beispielsweise bei 100 Hz nahezu
20 dB vom Messwert abgezogen werden müssen, um den Höreindruck wiederzugeben.
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44
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Bild 4.23: A-Bewertung von Schallpegeln
4.5.2 Messungen des Innengeräusches
Es stellt sich die Frage, inwieweit der im urbanen Umfeld gemessene Effekt der Lärmentlastung durch Elektrofahrzeuge sich im Innern der E-PKW abbildet. Deshalb wurden orientierende Messungen in zwei Fahrzeugen durchgeführt 28. Einerseits kam ein
Citroen C-Zero mit 49 kW elektrischer Leistung (Baujahr 2011, <3.000 km) zum Einsatz,
andererseits ein Skoda Fabia 16V mit 55 kW-Benzinmotor (Baujahr 2005, Laufleistung
131.000 km). Während das Elektrofahrzeug neu war, zeigte der Skoda bereits deutliche
Gebrauchsspuren und gelegentliche Klappergeräusche.
Das Mikrophon war jeweils zwischen Fahrer und Beifahrer auf Schulterhöhe und ca.
30 cm vor dem Körper positioniert. Die Messfahrten wurden unmittelbar nacheinander
vorgenommen. Die Fahrzeuge fuhren im realen Verkehr mit. Die Versuche setzten sich
aus einer Stadtfahrt in Bregenz und einer kurzen Fahrt auf einer dreispurigen Autobahn
zusammen. Es herrschten sehr ähnliche Verkehrsverhältnisse, sodass sich praktisch
identische Fahrdauern für beide PKW ergaben.
Die graphischen Auswertungen der Versuche zeigen Bild 4.24 in Form des energieäquivalenten Dauerschallpegels Leq und Bild 4.25 in Form der leisesten 5% (L95) der Messzeit. Die Strecke „Stadt zwischen Ampeln“ war gekennzeichnet durch vergleichsweise
scharfe Beschleunigungen und Schub- bzw. Standbetrieb. Auch auf der Autobahn waren
Schubphasen zu verzeichnen. Diese machen sich vor allem im L95 bemerkbar. Da das
Elektrofahrzeug bei Schubbetrieb kaum Antriebsgeräusche verursacht, ist der L 95 auch
bei Autobahnfahrt etwas geringer als im PKW mit Benzinmotor. In der Stadt machen
sich vor allem die Standphasen (0 km/h) beim E-Mobil positiv bemerkbar.
Wolfgang Wachter: „Elektroantrieb oder Verbrennungsmotor – vergleichende Schallpegelmessungen an
PKW“, 15. Kunststoff-Motorbauteile-Forum, Jänner 2012,
www.vorarlberg.at/vorarlberg/wirtschaft_verkehr/wirtschaft/maschinenbauundelektrotec/start.htm
28
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
45
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Bild 4.24: Vergleich des Innengeräusches (Leq)
Bild 4.25: Vergleich des Innengeräusches (L95)
An Ausschnitten aus den Pegelschrieben sollen einige Besonderheiten gezeigt werden.
In Bild 4.26 ist der geringe Schallpegel bei stehendem E-Fahrzeug zu sehen; hier wirkt
nur das Umgebungsgeräusch von außerhalb des Fahrzeuges ein. Das auffällige Blinkergeräusch wurde bei der Analyse ausgeblendet.
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46
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
Standphase
Blinker ausgeblendet
Bild 4.26: Elektrofahrzeug im Stadtverkehr
In Bild 4.27 sind die A-bewerteten Schallpegel bei Autobahnfahrt zu sehen.
130 km/h
110 km/h, laute Fahrbahn ausgeblendet
Bild 4.27: Elektrofahrzeug auf der Autobahn
Bild 4.28 zeigt den Pegelschrieb für den PKW mit Benzinmotor im Stadtverkehr. Es fällt
auf, dass in Standphasen der minimale Schallpegel um rund 5 dB über jenem des Elektrofahrzeuges bleibt.
zwischen Ampeln
mit Standphasen
Bild 4.28: PKW mit Benzinmotor im Stadtverkehr
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47
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
4.5.3 Resümee
Wenngleich die Anzahl der Fahrzeuge vergleichsweise gering war, sind aus den Ergebnissen der Schallpegelmessungen anlässlich der Fahrversuche folgende Schlüsse zu ziehen:
 Die hier zum Einsatz gekommenen Elektrofahrzeuge sind bei konstanten, vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten, wie sie in Städten typisch sind, um 3 bis
4 dB leiser als ein repräsentatives PKW-Kollektiv mit Verbrennungskraftmaschinen
(Otto- und Dieselmotoren).
 Je geringer die Geschwindigkeit, desto dominanter das Geräusch des Antriebsmotors.
Bei höheren Geschwindigkeiten ist in zunehmendem Maße das Abrollgeräusch der
Reifen bestimmend.
 Den deutlichsten Unterschied ergab der Stop-and-Go-Verkehr, wo sich die Elektrofahrzeuge um 8 dB leiser zeigten als die PKW mit VKM.
 Im Stop-and-Go-Betrieb sind Elektrofahrzeuge leiser als bei Konstantfahrt mit
30 km/h, weil bei stehendem Fahrzeug kein Schall emittiert wird.
 Der Effekt der unterschiedlichen Fahrzeugmassen und –größen kann aus den Messwerten nicht abgeleitet werden.
 Der subjektive Höreindruck im Stop-and-Go-Verkehr der Elektrofahrzeuge war angenehm. Das im realen Straßenverkehr immer anzutreffende Hochdrehen von Motoren mit Auspuffanlagen, die nicht dem Zustand der Fahrzeugtypenprüfung entsprechen, war bei den hier gemessenen Elektrofahrzeugen aus technischen Gründen
nicht möglich29.
 Im Innenraum war das neue Elektrofahrzeug im Stadtverkehr um 2 bis 3 dB leiser
als ein älterer PKW mit Benzinmotor30. In Phasen mit längeren Stehzeiten an Ampeln
fällt der Unterschied deutlicher aus, weil hier beim E-Mobil kein Motorengeräusch
einwirkt. Im Stand dringen die Geräusche von außerhalb des Fahrzeuges in das Innere und bestimmen dort den Schallpegel. Um diesen Effekt zu minimieren, müssten
die akustischen Dämmeigenschaften der Außenbauteile deutlich verbessert werden.
Das freilich ist mit den heute bekannten Werkstoffen aus Gründen des Fahrzeuggewichtes kontraproduktiv.
 Bei Autobahnfahrten waren keine signifikanten Unterschiede im energetisch gemittelten Innengeräusch festzustellen. Hier dominieren Abroll- und Strömungsgeräusche. Allerdings zeigten die leisesten 5% der Messzeit (Basispegel L95) Vorteile für
das Elektromobil, weil in den Schubphasen, die auch auf der Autobahn zu verzeichnen waren, das Motorengeräusch weitestgehend wegfällt.
Es ist bekannt, dass namhafte Ausrüster am „Sounddesign“ von Elektrofahrzeugen arbeiten, um diesen
beispielsweise das Geräusch eines konventionellen Sportwagens zu verleihen. Es wurden auch Wettbewerbe zum Sounddesign von Elektrofahrzeugen gestartet.
30 S. Pischinger berichtet am 32. Internat. Wiener Motorensymposium 2011, dass das Innengeräusch in
einem Elektrofahrzeug auf der Basis des Fiat 500 bei Volllast um bis zu 12 dB leiser ist als bei einem herkömmlichen Fahrzeug.
29
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
48
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
4.6
Schlussfolgerungen
Aus den hier vorgestellten, einfachen Analysen lassen sich folgende Schlussfolgerungen
ziehen:
1. Die zur Neige gehenden Vorräte fossiler Kraftstoffe zwingen zu Alternativen.
2. Lenkungsmaßnahmen der EU sehen deutliche Reduktionen der Treibhausgase und
der Schadstoffemissionen in den nächsten Jahren vor. Davon ist auch der motorisierte Verkehr betroffen.
3. Biokraftstoffe zeichnen sich zwar durch eine hohe Energiedichte aus, sie sind aber
bislang nicht CO2-neutral. Dies gilt vor allem dann, wenn die bei der Brandrodung
von Regenwäldern versachten Treibhausgase berücksichtigt werden (siehe Kapitel
5).
4. Elektrofahrzeuge bieten sich vor allem für den Individualverkehr an. Die dafür notwendige Energie darf jedoch nicht aus Kraftwerken stammen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Ansonsten käme es nur zu einer geographischen Verlagerung der Emissionen und zu einer Verschlechterung der CO2-Situation. Kleine Elektrofahrzeuge, wie sie derzeit erhältlich sind, verursachen CO2-Emissionen von rund
150 g/km, wenn der Strom aus dem Kraftwerksverbund der Bundesrepublik
Deutschland bezogen wird. In Österreich reduziert sich dieser Wert auf rund
50 g/km. Das entspricht der Größenordnung kleiner Autos mit Erdgasantrieb.
5. Unter Berücksichtigung der Life-Cycle-CO2-Äquivalente schwinden die Umweltvorteile der Elektrofahrzeuge. Ein mit Dieselmotor ausgerüsteter PKW darf 4,1 l Kraftstoff pro 100 km verbrauchen, um die gleiche CO2-Bilanz aufzuweisen wie ein EPKW, der mit österreichischem Strom betrieben wird. In Deutschland dürfte der
Verbrauch 6,1 l/100 km betragen, in China 10,2 l/100 km.
6. Die Reichweite von Elektrofahrzeugen wird in Abhängigkeit vom Erfolg bei der Entwicklung von Energiespeichern in den nächsten Jahren steigen. Die Speicherdichte
sollte von derzeit rund 150 Wh/kg auf 1500 Wh/kg verbessert werden, um sinnvolle
Reichweiten bei konkurrenzfähigem Gewicht zu realisieren.
7. Um die Zeit für die Aufladung der elektrischen Speicher auf wenige Minuten zu verkürzen, sind neue Infrastrukturen zu schaffen (z.B. schnell austauschbare Mietakkus
an „Tankstellen“).
8. Als Zwischenlösung könnten Elektrofahrzeuge mit „Range Extendern“, das sind kleine Verbrennungskraftmaschinen zum Antrieb eines Generators, sinnvoll sein.
9. Die Substitution aller PKW in Österreich durch Elektrofahrzeuge würde große Mengen an elektrischem Strom erfordern. Es kann ein Bedarf von rund 9 Milliarden kWh
an reiner Antriebsenergie jährlich abgeschätzt werden. Mit Berücksichtigung der
elektrischen Verluste und der zur Beheizung oder Klimatisierung notwendigen
Energie scheinen 13 bis 15 Milliarden kWh jährlich realistisch, kleine Fahrzeuge vorausgesetzt. Der Inlandsstromverbrauch in Österreich betrug im Jahr 2008 rund 60
Milliarden kWh ohne Verbrauch für Pumpspeicherung und ist steigend (auch ohne
Elektrofahrzeuge).
10. Bezogen auf das Jahr 2008 müssten in Österreich die Kraftwerkskapazitäten für regenerative Energien (inklusive Wasserkraft) um rund 30% ausgeweitet werden, um
den zusätzlichen Strombedarf für Elektrofahrzeuge zu decken. Der Anteil aus Wind,
Photovoltaik und Geothermie müsste zumindest auf das Sechsfache erhöht werden,
wollte man den zusätzlichen Bedarf nur aus diesen Quellen decken.
11. Wenn zwei Drittel der privaten PKW-Nutzer in Österreich auf E-Mobile wechseln
würden, müssten dafür beispielsweise 17 Pumpspeicherkraftwerke wie Kops 2 oder
2990 Windkraftanlagen mit je 2 MW Leistung gebaut werden.
TU Graz, Institut für VKM und Thermodynamik
49
W. Wachter: Biogene Kraftstoffe und Elektromobilität
12. Das Potenzial für zusätzliche erneuerbare Energiequellen in Österreich war 2008 mit
5,7-7,4 Mrd. kWh/a abzuschätzen.
13. Die Ausschöpfung dieses Potenzials wird nicht einfach sein (EU-Wasserrahmen-
richtlinie mit Verschlechterungsverbot für Gewässer, Energiepflanzen in Konkurrenz
zu anderen Nutzungsmöglichkeiten, …). Die Substitutionsenergien sind unter Umständen teuer bis sehr teuer (z.B. Photovoltaik).
14. Als Alternative bieten sich Offshore-Windkraftanlagen, Gezeitenkraftwerke oder Solarkraftwerke in der Wüste an. Hier entsteht aber wiederum eine Abhängigkeit von
Drittländern.
15. Unabhängig von der Art der Energiegewinnung müssen die Hochspannungsnetze zu
deren Verteilung ausgebaut werden. Der Aufwand, um die dafür erforderlichen Genehmigungen zu erhalten, ist nach derzeitigem Stand der Rechtslage beträchtlich
(UVP-Verfahren). Die EU-Kommission hat einen Vorschlag vorgelegt, um die Bewilligungsverfahren zu beschleunigen.
16. Energieeinsparung ist unverzichtbar.
17. Elektrofahrzeuge sind speziell bei niedrigen, konstanten Geschwindigkeiten und im
städtischen Stop-and-Go-Verkehr deutlich leiser als PKW mit VKM. Maßnahmen wie
„Sounddesign“ an Elektrofahrzeugen machen diesen Vorteil allerdings zunichte.
18. Derzeit scheint die Fahrzeugbranche hohe Fertigungskapazitäten für Elektroautos
aufzubauen, die weltweit in Summe die Prognosen für die Verkaufszahlen deutlich
übersteigen. Das bedeutet wirtschaftliche Gefahren für die Hersteller. An der Börse
wird bereits vor einer „Blase“ gewarnt.
19. Viele Hersteller setzen auf Lithiumbatterien. Die größten technisch nutzbaren Lithiumvorkommen befinden sich in Bolivien, Chile und in Argentinien. Weltweit wurden
im Jahre 2008 über 83.000 Tonnen Lithium produziert. Die Nachfrage nach Lithium
ist in den letzten Jahren sehr stark angestiegen. Hauptsächlich bei der Produktion
von Akkus für Mobiltelefone, Notebooks sowie anderer Elektronikgeräte wird Lithium benötigt. Laut einer Untersuchung aus den USA liegen in Bolivien neun Millionen
der weltweit auf 25,5 Millionen Tonnen geschätzten Lithium-Reserven. Führender
Produzent dieses Metalls ist bislang Boliviens Nachbarland Chile. In Afghanistan und
in Mexico wurden großen Vorkommen entdeckt. Eine Abhängigkeit von Drittländern
bleibt jedenfalls bestehen.
20. Auch Seltene Erden werden für Elektrofahrzeuge gebraucht. China kontrolliert mehr
als 90 Prozent der weltweiten Förderung. Die Drosselung der Exporte um 72 Prozent
im Jahr 2010 löste deshalb international Empörung aus. Hier sind weitere Abhängigkeiten gegeben.
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