Hybridautos und alternative Kraftstoffe wie Wasserstoff und E-Fuels

Die einfachste Methode, um Wasserstoff herzustellen, ist die Elektrolyse. Dabei wird Wasser mit Strom in seine beiden Bestandteile zerlegt: Wasserstoff und Sauerstoff. Dieser Prozess ist zwar energieintensiv und somit teuer, aber völlig erneuerbar. In der Realität wird heute Wasserstoff zu 95% aus fossilen Energieträgern hergestellt, mehrheitlich aus Erdgas. Der enthaltene Kohlenstoff wird dabei als CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. Für 1kg Wasserstoff werden 9 Liter Wasser benötigt.

Wasserstoff ist auch in der Handhabung und im Transport aufwendig. Um das Gas zu verflüssigen, muss es auf -250°C gekühlt werden, was extrem viel Energie kostet. Als Gas braucht Wasserstoff dafür viel Platz, weshalb Brennstoffzellenautos den Kraftstoff bei 700 bar in Kohlenfasertanks speichern. Zudem ist Wasserstoff sehr flüchtig und reaktiv, was beim Transport und bei der Betankung viele weitere technische Hürden ins Spiel bringt.

Hier mehr zum Thema: Wasserstoff auf dem Prüfstand

Normales Motorenbenzin hat je nach Gemisch mehr als 150 unterschiedliche Bestandteile, welche sich aber grösstenteils nur aus zwei Elementen zusammensetzen: Wasserstoff und Kohlenstoff. Diese Elemente lassen sich vielfältig kombinieren und bilden auch die Grundlage für synthetische Kraftstoffe. Es existieren unterschiedliche Herstellungsprozesse, sie folgen im Wesentlichen aber dem gleichen Schema.

1. Wasserstoff mit Strom herstellen

Um die erste Zutat von E-Fuels zu gewinnen, braucht es nur Wasser und viel Strom. Mittels Elektrolyse wird Wasser in einem energieintensiven Prozess in seine Bestandteile zerlegt, man erhält Wasserstoff und als Nebenprodukt Sauerstoff, der aber in der Regel nicht weiter genutzt wird.

2. Kohlenstoff aus CO2 gewinnen

Die zweite Zutat stellt eine grössere Herausforderung dar. Kohlenstoff ist zwar reichlich in der Erde vorhanden, es soll aber nicht mehr davon in die Luft freigesetzt werden, als schon vorhanden ist. Bei der Verbrennung von E-Fuels wird nämlich der enthaltene Kohlenstoff als CO2 wieder freigesetzt. Die Lösung ist die CO2-Abscheidung – ein Prozess, bei dem das CO2 aus industriellen Abgasen oder sogar direkt aus der Umgebungsluft entnommen wird. Die dafür verwendeten CCU-Anlagen (englisch für Carbon Capture and Utilization) sind gross und benötigen für das Herausfiltern des CO2 auch viel Energie.

3. Wasserstoff mit Kohlenstoff verbinden

In einem chemischer Prozess verbinden sich anschliessend Wasserstoff und CO2. Das resultierende synthetische Gas kann dann in einem mehrstufigen Prozess weiterverarbeitet und raffiniert werden, um Produkte wie E-Benzin, E-Diesel oder E-Kerosin herzustellen.

Kraftstoffe wie E-Benzin haben vor allem einen grossen Vorteil gegenüber anderen erneuerbaren Energieträgern: Sie packen sehr viel Energie in wenig Volumen und wenig Gewicht. Betrachtet man beispielsweise die Flugindustrie, sind heutige Batterien 7-Mal zu gross und 20-Mal zu schwer, um ein Langstrecken-Passagierflugzeug elektrisch zu betreiben. Hier bieten E-Fuels eine sinnvolle Alternative zu fossilen Treibstoffen.

Was ist aber mit dem Auto?

Auch im Elektroauto sind Batterien grösser und schwerer als Benzintanks, zudem müssen Millionen Autos mit Verbrennungsmotoren auf der Strasse langfristig ersetzt werden. Da stellt sich natürlich die Frage, ob es nicht sinnvoller wäre, den Kraftstoff statt die Autos zu ersetzen.

Das erste Problem dabei ist die Verfügbarkeit: Es gibt heute noch fast keine E-Fuels zum Kaufen. Die grösste Pilotanlage der Welt in Chile soll ab 2026 gut 550 Millionen Liter pro Jahr produzieren können zu deutlich höheren Kosten als fossiles Benzin oder Diesel, das entspricht aber nicht einmal 10% des Treibstoffverbrauchs der Schweiz, und weniger als 1% des Verbrauchs in Deutschland.

Eine noch grössere Herausforderung ist der Energiebedarf von E-Fuels: Bereits in ihrer Herstellung brauchen sie doppelt so viel Energie wie sie liefern, im Verbrennungsmotor gehen davon nochmals mehr als zwei Drittel verloren. Konkret heisst das, dass ein konventionelles Auto mit E-Fuels im besten Fall rund fünf Mal so viel Strom zum Fahren braucht wie ein Elektroauto.

Die Autoindustrie ist offenbar zum gleichen Schluss gekommen: Bis im Jahr 2035 wollen Stand Juli 2022 bereits drei Viertel der Automarken in Europa nur noch Elektroautos verkaufen. Addiert man die Flottenziele von allen Autoherstellern, sollen 84% aller verkauften Neuwagen in Europa bis dahin vollelektrisch unterwegs sein. Auch die restlichen Hersteller werden einen Grossteil ihrer Neufahrzeuge als E-Autos verkaufen.

Wir müssen uns vom Erdöl trennen und E-Fuels werden dabei zweifellos eine wichtige Rolle spielen. Sie machen dort Sinn, wo keine bessere, effizientere Lösung existiert. Bei Personenwagen scheint das Thema schon erledigt zu sein: Bis E-Fuels in grossen Mengen erhältlich sind, will die Mehrheit der Autoindustrie aufgrund des massiv tieferen Energiebedarfs sowieso nur noch Elektroautos im Programm haben. Es bleibt offen, ob Elektrokraftstoffe im Schwerverkehr Fuss fassen können, da effizientere Antriebe unter dem Strich weniger Betriebskosten verursachen und die Treibstoffkosten im Güterverkehr einen hohen Anteil an den Betriebskosten haben. E-Fuels werden jedoch im Schiffs- und Luftverkehr unersetzlich sein, falls dieser klimafreundlich durchgeführt werden soll. Ihr Einsatz im Strassenverkehr wird sich aber wahrscheinlich auf Oldtimer und Exoten beschränken.

Autos mit einem Plug-in-Hybridantrieb, abgekürzt PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle), sind dafür ausgelegt, grössere Strecken rein elektrisch zu fahren. In der Regel haben sie eine Reichweite von 30 bis 120 Kilometern, bevor der Verbrennungsmotor einspringen muss. Wie der Name schon sagt, haben PHEV einen Stecker, um ihre Batterie über das Stromnetz aufzuladen. Sie sind somit in der Lage, alltägliche Strecken ohne jeglichen Kraftstoffverbrauch zu überwinden, vorausgesetzt sie werden auch konsequent täglich aufgeladen.

Der Range Extender ist nichts anderes als ein Generator, der bei Bedarf die Reichweite eines Elektroautos erhöht. In der Regel handelt es sich dabei um einen kleinen Verbrennungsmotor, der aber mechanisch nur mit einem Generator und nicht mit dem Antrieb verbunden ist. Man spricht hier auch von einem seriellen Hybridantrieb.

Hier spricht man von einem batterieelektrischen Auto oder BEV (Battery Electric Vehicle).

Elektromotoren haben viele Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren. Da sie leicht und kompakt sind, können Elektromotoren flexibel an der Vorder- und Hinterachse eingebaut werden. Ihr breites Drehzahlband macht in den meisten Fällen ein Schaltgetriebe überflüssig. Die Kupplung zum Anfahren fällt auch ganz weg, da Elektromotoren aus dem Stillstand ohne Leerlauf ein Drehmoment erzeugen können. Dieses gleichmässige Drehmoment verursacht kaum Vibrationen oder Lärm, ist innert Millisekunden abrufbar und lässt sich sogar von der Steuerung umkehren, um das Fahrzeug abzubremsen. In diesem Rekuperationsmodus arbeitet der Motor als Generatorbremse und speist die Energie zurück in die Batterie.

Ihre grösste Trumpfkarte haben Elektroautos bei der Effizienz: Betankt man ein Elektroauto mit Netzstrom für zehn Franken, gehen davon mehr als sieben Franken an die Räder. Beim Verbrennungsmotor sieht es umgekehrt aus: Von zehn Franken Benzin werden mehr als sieben in Abwärme umgewandelt.

Brennstoffzellenfahrzeuge oder FCEV (Fuel Cell Electric Vehicles) sind Elektroautos, die mit einem Brennstoff statt direkt mit Strom betankt werden. Es existieren zwar unterschiedliche Zellentypen für Stoffe wie Methanol oder Methan, der wichtigste Typ ist aber bei weitem die Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Im Brennstoffzellenauto wird Wasserstoff aus einem Hochdrucktank mit Sauerstoff aus der Luft kombiniert, um Strom zu erzeugen. Das einzige Abfallprodukt dabei ist Wasser. Eine kleine Batterie bietet Speicherkapazität für die regenerative Bremse und unterstützt die Brennstoffzelle beim starken Beschleunigen. Sie ist aber viel kleiner als beim batterieelektrischen Auto.

Der Vorteil von Wasserstoff gegenüber Batterien liegt im Gewicht und der Befüllungszeit. Besonders bei Autos mit hoher Reichweite sind Lithium-Ionen-Batterien sehr schwer, was zu erhöhtem Verbrauch und weniger Nutzlast führt. Allerdings bringt das extrem flüchtige und entzündbare Gas andere technische Hürden mit sich. Damit die Tanks nicht zu viel Platz im Auto einnehmen, muss der Wasserstoff auf 700 bar komprimiert werden. Zudem gehen bei der Wasserstoffproduktion ungefähr 40% und bei der Umwandlung in der Brennstoffzelle nochmals ca. 50% der Energie verloren: Schlussendlich braucht ein Brennstoffzellenauto pro Kilometer etwa dreimal so viel Strom wie ein batterieelektrisches Auto.

Autos mit Erdgasantrieb haben nebst ihrem Benzintank noch einen Drucktank für komprimiertes Erdgas oder CNG (Compressed Natural Gas). Herkömmliche benzinbetriebene Ottomotoren sind grösstenteils kompatibel mit Erdgas und können oft sogar nachträglich dafür umgebaut werden. Erdgas ist ein nicht erneuerbarer fossiler Kraftstoff, der grösstenteils aus Methan besteht. Da Methan weniger Kohlenstoff als Benzin enthält, ist der CO2-Ausstoss von Verbrennungsmotoren im Erdgasbetrieb 20% tiefer, allerdings ist Methan selbst ein viel potenteres Treibhausgas als CO2.

Autogas, auch als Flüssiggas oder LPG (Liquified Petroleum Gas) bezeichnet, wird wie Erdgas als Treibstoff für Ottomotoren eingesetzt. Die beiden Technologien sind jedoch nicht miteinander kompatibel. Autogas besteht mehrheitlich aus Propan und Butan und wird teilweise bei der Förderung von Erdgas und Erdöl, teilweise bei der Raffinierung vom Erdöl gewonnen. Im Gegensatz zum Erdgas, das unter hohem Druck gespeichert wird, verflüssigt sich Autogas bereits bei weniger als 10 bar. Als Motorentreibstoff steht LPG nach Benzin und Diesel weltweit an dritter Stelle. In der Schweiz konnte es sich jedoch nie durchsetzen, zumal Autos mit LPG-Ausrüstung ab Werk nicht in die Schweiz importiert wurden. Zudem verliert man die Werksgarantie, wenn ein Fahrzeug mit LPG für ca. 4000 Franken teuer nachgerüstet wird, und Tiefgaragenbesitzer können die Zufahrt verweigern.

Biogas besteht wie Erdgas hauptsächlich aus Methan und kann in den gleichen Fahrzeugen verwendet werden. Im Gegensatz zum fossilen Erdgas wird es aber aus der Vergärung von Biomasse gewonnen und ist somit ein erneuerbarer Kraftstoff. Die Verwertung von Abwasser und biologischen Abfällen zu Biogas ist bereits in vielen Ländern üblich und bietet nur wenig Wachstumspotential. Es ist auch möglich, Pflanzen direkt für die Biogasproduktion anzubauen. Das macht aber aufgrund des hohen landwirtschaftlichen Energiebedarfs sowie der Bodennutzung wenig Sinn.

Ethanol ist vor allem als gewöhnlicher Alkohol oder Spiritus bekannt. Nebst seinen Eigenschaften als Rauschmittel und als Lösungsmittel dient Ethanol auch als Kraftstoff für Ottomotoren. In vielen Ländern ist es üblich, kleinere Mengen Bio-Ethanol dem Benzin beizumischen. Hochprozentige Mischungen wie E85 (85% Ethanol) oder sogar reines E100 sind aber auch verbreitet. Die meisten heutigen Benzinautos in Europa vertragen bis zu 10% Ethanol. Sogenannte Flexible-Fuel-Fahrzeuge können mit einem beliebigen Gemisch fahren.

Bio-Ethanol ist zwar ein erneuerbarer Kraftstoff auf pflanzlicher Basis, als Rohstoff werden aber häufig Produkte wie Mais, Zuckerrüben oder Zuckerrohr verwendet. Deren Anbau hat einen hohen Energiebedarf und konkurrenziert oft mit dem Anbau von Nahrungsmitteln.