Serie Energieeffizienz: Elektroantrieb, Wasserstoff und E-Fuels?

Wussten Sie, dass E-Bike-Fahren mit reiner Solarkraft bis zu 1000-mal energieeffizienter sein kann als das konventionelle Radeln ohne Hilfsantrieb? Zu dem Ergebnis kommt zumindest Mike Berners-Lee in der zweiten Auflage seines Bestsellers „Wie schlimm sind Bananen?“, in dem er laut Untertitel den „CO₂-Abdruck von allem“ untersucht.

Die Begründung: PV-Zellen wandeln einen deutlich höheren Teil der Sonnenenergie in Strom um als Pflanzen in für Menschen verwertbare Kalorien. Und auch Elektromotoren erzeugen Bewegungsenergie deutliche effizienter als menschliche Beine.

Auch wenn diese Rechnung nur unter bestimmten Bedingungen aufgeht und viele Nebenaspekte – zum Beispiel gesundheitliche – außer Acht lässt, macht sie deutlich, wie energieeffizient Elektroantriebe sind: Sie setzen etwa 90 Prozent des zugeführten Stroms in Bewegungsenergie um.

Natürlich benötigt ein elektrisch betriebenes SUV wesentlich mehr Energie, weil es nun einmal etwa 100-mal mehr wiegt als ein Fahrrad. Hinzu kommt all die Energie, die bei seiner Produktion und dem Transport zum Einsatzort gebraucht wird. Dennoch sind – selbst große E-Autos – vergleichsweise energiesparend.

Doch was bedeutet das in einem Szenario mit 100 Prozent Erneuerbarer Energie in Zahlen?

Elektroantrieb, Wasserstoff und E-Fuels?

Von der elektrischen Energie, die irgendwo ins Netz eingespeist wird, kommen – nach Übertragung und mehreren Umspann- und Umrichtprozessen – rund 85 Prozent im Fahrzeug-Akku an. Davon können die Elektromotoren wiederum circa 85 Prozent in Bewegungsenergie umsetzen. Das ergibt einen Gesamtwirkungsgrad von 73 Prozent. Im Winter reduziert sich die Reichweite, weil nicht nur die Fahrgastzelle, sondern auch der Akku selbst beheizt werden muss, auf rund 55 Prozent.

Doch selbst das ist noch ein hoher Wert verglichen mit den Alternativen: Mit aktuell verfügbaren Technologien enthält nachhaltiger Wasserstoff circa 70 Prozent des für die Elektrolyse verbrauchten Stroms. Während Speicherung und Transport entstehen weitere Energieverluste, sodass im Durchschnitt nur etwa die Hälfte der aufgewendeten Energie im Tank des H₂-Autos ankommt. Nach Rückverstromung per Brennstoffzelle schafft es nur noch ein Viertel des ursprünglich erzeugten Stroms bis zum Elektromotor. Dessen Wirkungsgrad eingerechnet werden also etwa 22 Prozent der gewonnenen Energie in Vortrieb umsetzt. Immerhin: Die Brennstoffzelle gibt genug Wärme für Fahrgäste und Akku ab.

Verbrenner benötigen die meiste Primärenergie

Dies gilt bekanntermaßen auch für Verbrennungsmotoren. Aber die Produktion von nachhaltigem Benzin oder Diesel ist noch energieintensiver als die von grünem Wasserstoff. Genau mit der beginnt nämlich die Herstellung von emissionsneutralen E‑Fuels. Danach wird das H₂ mit aus der Luft gefiltertem oder aus Industrieanlagen abgeschiedenen Kohlendioxid in mehreren Schritten zu den gewünschten Kohlenwasserstoffen verbunden. Je nach Verfahren enthält dieser synthetische Kraftstoff dann etwas mehr oder weniger als 45 Prozent des Ökostroms, der für all diese chemischen Reaktionen aufgewendet werden muss. Mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von 30 Prozent bringen Verbrenner also gerade einmal rund 14 Prozent des einst erzeugten Stroms auf die Straße.

Noch weniger Primärenergie kommt auf den Achsen von Autos mit Verbrennungsmotoren an, wenn sie mit Bio-Kraftstoffen aus angebauter Biomasse betrieben werden. Denn der Anbau von Raps und Getreide zur Erzeugung von Bio-Diesel beziehungsweise Bio-Ethanol nimmt sehr viel Landfläche in Anspruch.

Wesentlich effizienter könnte man auf diesen Flächen nutzbare Energie mittels Photovoltaik gewinnen. Laut einer Studie des IFEU-Instituts im Auftrag der Deutschen Umwelthilfe (DUH) genügt einem Mittelklasse-E-Auto der Solarstrom von nur 3 Prozent der Landfläche, die nötig ist, um genug Biokraftstoff für die gleiche Kilometerzahl eines vergleichbaren Verbrenners zu erzeugen. Mit anderen Worten: Ein E-Auto mit PV-Strom setzt 33-mal mehr Sonneneinstrahlung in Bewegungsenergie um als ein „Bio-Diesel“.

Kleine Fahrzeuge und öffentliche Verkehrsmittel

Hinsichtlich der Energieeffizienz schneiden batterieelektrische Fahrzeuge aktuell also drei- bis 33-mal besser ab als die gemeinhin diskutierten Alternativen. Wer sich aber wirklich energieeffizient von A nach B bewegen will, sollte auch auf die Größe des Fahrzeugs achten. In einem ADAC-Vergleich verbrauchte ein getesteter Elektro-Van fast doppelt so viel Energie wie einer der Kleinwagen im Feld.

Allerdings kommt es auch auf Technik und Aerodynamik an: Die sparsamsten E-Autos im ADAC-Test waren drei Mittelklassewagen – darunter sogar ein SUV.

Doch es geht noch effizienter auf vier Rädern. In China erfreuen sich sogenannte Microcars großer Beliebtheit. Meist sind das Zweisitzer mit wenig Stauraum, die hauptsächlich für den Innenstadtverkehr konzipiert sind, wo sie sich in vielen Situationen als praktischer erweisen als große Autos. Pro Kilometer verbrauchen sie zwar nicht unbedingt weniger Strom als sparsame Limousinen. Voll besetzt sind letztere sogar effizienter. Doch die Herstellung der kleinen benötigt deutlich weniger Energie. Wesentlich energieeffizienter geht es im Individualverkehr eigentlich nur mit E-Scootern und anderen (voll)elektrischen Zweirädern.

Kooperatives Verhalten und KI-gestützte Vernetzung

Einen ganz anderen Ansatz für mehr Energieeffizienz bietet die Erhöhung des Verkehrsflusses: Je seltener Autos bremsen und beschleunigen müssen, desto weniger Energie verbrauchen sie – bei gleicher oder gar höherer Durchschnittsgeschwindigkeit. Wer zum Beispiel ohne Gas zu geben auf eine rote Ampel zurollt, anstatt bis kurz vor die Haltelinie 50 zu fahren und dann abrupt zu bremsen, spart Energie.

Nach demselben Prinzip kann Gesamteffizienz im Straßenverkehr durch kooperatives Verhalten gesteigert werden. Dabei helfen kann eine KI-gestützte Vernetzung der Verkehrsteilnehmer: Mit dem Projekt LUKAS hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Bosch an einer Einmündung in Ulm untersucht, wie Fahrassistenzsysteme dazu beitragen können, Bremsvorgänge zu reduzieren, wenn sie untereinander und mit der Umgebung kommunizieren. „Wir konnten zeigen, dass von der Nebenstraße kommende Verkehrsteilnehmer häufig ohne zu bremsen einbiegen können, wenn die Fahrzeuge auf der Vorfahrtstraße nur leicht verzögern“, erklärt Vincent Wiering, der seitens der Universität Duisburg-Essen an dem Projekt mitgearbeitet hat. Dabei hatte die Fahrzeugelektronik gemäß vorverarbeiteter Sensorinformationen das Auto auf der Vorfahrtstraße automatisiert abgebremst.

Bis eine signifikante Zahl an Kreuzungen und Autos mit den nötigen Vorrichtungen ausgestattet sind, werde es zwar sicher noch dauern, so Wiering: „Aber der Versuch hat auch gezeigt, dass ein ähnliches Ergebnis erzielt werden kann, wenn Verkehrsteilnehmer die entsprechende Information zum Beispiel über ihr Smartphone erhalten und manuell die Geschwindigkeit drosseln.“

Weitere Folgen der Serie Energieeffizienz

Die Wahl des Antriebs ist nur eine Möglichkeit, die Energieeffizienz im Verkehr zu erhöhen. Gerade beim Warentransport und im Fernverkehr stoßen batterieelektrische Fahrzeuge schnell an Reichweitengrenzen. Welche Lösungen dabei die effizientesten sind, wird Thema der nächsten Folge der en:former-Serie Energieeffizienz sein.