Serie Energieeffizienz: Sind Luft- und Seefahrt elektrifizierbar?

Als Antriebe für Fahrzeuge sind batteriegespeiste Elektromotoren deutlich energieeffizienter als H₂-Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren. Das haben wir im dritten Teil der Serie Energieeffizienz am Beispiel von PKWs gezeigt. In diesem vierten Teil geht es nun um die Frage, in welchen Transportmitteln diese Kombination sinnvoll und wirtschaftliche eingesetzt werden kann und wie sich die Energieeffizienz im Verkehr sonst noch steigern lässt.

Unabhängig davon, ob man sich nun an Land, auf dem Wasser oder in der Luft fortbewegt: Elektrische Antriebe sind das Non-Plus-Ultra der Energieeffizienz im Verkehr. Wenn dann auch noch Speicher- und Wandlungsverluste minimiert sind, weil der Strom direkt aus der Oberleitung kommt, stößt der Wirkungsgrad in rekordverdächtige Regionen: E-Loks geben teils deutlich über 80 Prozent des Stroms, den ein Windrad oder eine Solaranlage ins Netz speist, an die Antriebsräder weiter.

Nun sind aber die meisten Transportmittel jedoch so ausgelegt, dass sie ihre Energieversorgung mit sich führen – üblicherweise in Tanks oder in Batterien. In diesem Vergleich weisen Batterien die höhere Energieeffizienz auf – egal wie groß und schwer ein Fahrzeug ist. Dennoch setzt die Physik dem Einsatz von Akkus Grenzen. Denn selbst die vergleichsweise leichten Lithium-Ionen-Zellen haben ein Gewichtsproblem.

Energiedichte entscheidet über Einsatzbereich

Akkus von Mittelklasse-E-Autos mit einer Reichweite von rund 500 Kilometern wiegen gut und gerne 500 Kilogramm oder mehr. Das Volumen von circa 200 Litern (l) reduziert oft den Platz im Kofferraum. Doch für die meisten Anwendungen genügt das.

Auch in LKW, die für kürzere Strecken ausgelegt sind – etwa auf der „letzten Meile“ vom Lager ins Geschäft oder zum Kunden, bei Baustellenfahrzeugen oder der Müllabfuhr – können Batterien wirtschaftliche Dienst leisten.

Auf Langstrecken dagegen kratzen die Akku-Ausmaße an der Wirtschaftlichkeit: Für eine Reichweite von mehr als 500 Kilometern, die es im Fernverkehr schon sein sollten, bräuchte ein Sattelschlepper wohl einen Stromspeicher mit einer Kapazität von 750 bis 1000 Kilowattstunden (kWh). Ein solcher Li-Ion-Akku wiegt dann um die fünf Tonnen. Das ist selbst bei einem 40-Tonner ein signifikantes Gewicht, wenn man bedenkt, dass die durchschnittliche Zuladung bei einer Diesel-Zugmaschine nur rund 25 Tonnen beträgt.

Vor allem im Fernverkehr räumen viele Experten Wasserstoffantrieben daher größere Chancen ein – auch wenn die Energieeffizienz nicht ganz so hoch ist. Ähnliche Überlegungen gibt es in der See- und der Luftfahrt.

Batterie-Schiffe auf kurzen Strecken bereits wirtschaftlich

Norwegen ist Vorreiter bei der Elektrowende auf See: 2015 ging die weltweit erste E-Fähre in Betrieb und bringt etwa halbstündlich Autos, Radfahrer und Fußgänger über den Sognefjord; seither sind mehrere E-Fähren hinzugekommen.

Und seit April 2022 ist die Yara Birkeland das erste vollelektrische Containerschiff der Welt und transportiert vor allem Mineraldünger vom Produktionsort Porsgrunn zum nahegelegenen Hafen Brevik unweit von Oslo. Das 80 Meter lange Schiff und die Strecke von weniger als zehn Seemeilen haben zwar wenig mit der bis zu 366 Meter langen und 50 Meter breiten Panamax-Klasse zu tun, deren Vertreter um die halbe Welt fahren.

Doch den Berechnungen in einem Artikel im renommierten Wissenschaftsjournal „Nature“ (Link in Englisch) zufolge sind batterieelektrische Schiffe auf Strecken bis etwa 1000 Kilometer bereits wirtschaftlicher als konventionelle Antriebe mit Schweröl. Entscheidender als das Gewicht ist bei Schiffen demnach das Volumen der Akkus, das den Laderaum verkleinert. Im aktuellen Szenario gehen die Forscher von einer volumetrischen Energiedichte von 470 Wattstunden pro Liter (Wh/l) und Kosten von 100 US-Dollar (USD) pro Wattstunde aus.

In „naher Zukunft“, mutmaßen die Autoren, könnten diese Werte auf 1.200 Wh/l und 50 USD/Wh steigen respektive sinken. Damit wären elektrische Frachtschiffe über mehr als 3000 Kilometer günstiger als konventionelle Ozeanriesen. Hier sind auch 100 USD CO₂-Steuer pro Tonne Schweröl eingerechnet. Umweltkosten sind in keinem der beiden Szenarios eingepreist.

Um die Energieeffizienz bei Schiffen zu erhöhen, sind aber noch weitere Maßnahmen möglich. So reduziert beispielsweise eine regelmäßige Reinigung des Schiffsrumpfes den Verbrauch – unabhängig vom Antrieb. Dies gilt auch für Zugdrachen, wie sie zum Beispiel die Airbus-Tochter AirSeas (Link in Englisch) entwickelt. Ende Oktober hat das Start-up verkündet (Link in Englisch), dass bei einem Praxistest rund 16 Prozent Treibstoff eingespart werden konnten.

In der Luft gelten eigene Gesetze

Der europäische Flugzeugbauer Airbus ist es auch eines der Unternehmen, die sich der Entwicklung von H₂-Flugzeugen widmen. Wasserstoff gilt im Grunde als einzige Treibstoffoption zu Kerosin. Das müsste in einer CO₂-neutralen Wirtschaft natürlich – genau wie der Wasserstoff – nachhaltig erzeugt werden. Die gängigen Verfahren dafür sind allerdings sehr energieaufwändig: Erzeugung, Transport und Speicherung von Wasserstoff kosten fast 50 Prozent der eingesetzten Energie.

Bei klimaneutralen Treibstoffen, die aus Wasserstoff synthetisiert werden, bleibt sogar weniger als die Hälfte der Energie übrig, die Windräder oder PV-Panele zuvor als Strom  ins Netz gespeist haben. Dies gilt auch für nachhaltiges Flugbenzin, meist SAF (Sustainable Aviation Fuel) abgekürzt.

Dennoch sind dies wohl die beiden einzigen Möglichkeiten für eine emissionsfreie Luftfahrt: „Kleine Drohnen oder Lufttaxis – das geht im Batteriebetrieb, aber dass es einmal größere E-Flugzeuge geben wird, glaubt im Grunde niemand“, sagt Luftfahrtexperte Michael Santo von der Unternehmensberatung H&Z. Das würde auch gelten, wenn sich die Energiedichte von Batterien künftig deutlich verbessert, denn aktuelle Li-Ion-Akkus mit ausreichender Kapazität für einen Mittelstreckenflug würden ein Vielfaches des übrigen Flugzeugs wiegen.

Allerdings, meint Santo, gebe es zahlreiche andere Ansatzpunkte, um den Kraftstoffverbrauch von Flugzeugen zu senken: „Technisch lassen sich Gewicht und Luftwiderstand durch Einsatz besserer Materialien sicher noch weiter senken, die Triebwerke weiter optimieren.“ Darüber hinaus könnten Flugzeuge noch besser ausgelastet und Flugrouten sorgfältiger geplant werden. Allerdings sei an all diesen Stellschrauben bereits in der Vergangenheit viel gedreht worden, so Santo, denn: „Der Treibstoffverbrauch gehört schließlich schon lange zu den größten variablen Kostenfaktoren in der Luftfahrt.“

Tatsächlich haben die Mitgliedsgesellschaften des Bundesverbands der Deutschen Luftverkehrswirtschaft (BDL) den Verbrauch pro Personenkilometer nach Verbandsangaben zwischen 1990 und 2019 um 43 Prozent gesenkt. Dennoch sagen manche Luftfahrtexperten, es sei theoretisch noch eine Treibstoffersparnis von 30 Prozent drin. Schnellen Innovationssprüngen steht Santo jedoch skeptisch gegenüber: „Wie man bei der Boeing 787 Dreamliner gesehen hat, kann Innovationen auch auf Kosten von Zuverlässigkeit und Sicherheit gehen. Und das ist – gerade in der Luftfahrt – kein Trade-off, den Kunden und Passagiere gerne eingehen.“ Größere Kraftstoffersparnisse, meint der Experte, dürften deshalb zumindest viel Zeit in Anspruch nehmen.