Technologie vor 387 Tagen

Viele Alternativen, doch keine Lösung

Alternative Energiekonzepte für Individualmobilität versprechen viel und halten wenig. Was bleibt am Ende übrig?

Seit Jahrzehnten experimentiert die Automobilindustrie an alternativen Antriebskonzepten zur Reduktion von Treibhausgasen und zur Verringerung des Partikelausstoßes. Von LPG und CNG über FCEV und PHEV bis hin zu FFV. Was sagen uns diese ganzen Abkürzungen? Dass wir uns die vollständigen Namen nicht merken müssen, da wir uns mit diesen Technologien ohnehin nicht lange beschäftigen werden? Oder aber, dass die Industrie vor lauter Alternativen keine Lösung für die drängenden Probleme der Individualmobilität hat? Die automobile Mobilität steckt in einer Sackgasse mit vielen Seitengässchen, die nirgendwohin führen; Industrie und Politik wissen darum, doch keiner möchte dieses heikle Thema ansprechen - aus Angst vor Imageverlust einer starken Marke, aus Angst vor einem Wahlkampfdebakel, aus Angst, dass man sich die eigene technologische Unzulänglichkeit eingestehen muss.

Wenn wir die aktuellen Antriebskonzepte vergleichen, finden wir schnell heraus, dass Zero-Emission beim Auto, dem Konzept des zuckerfreien Donuts nahekommt. Zuckerfrei heißt auch dort nicht "ohne Kalorien", genauso wenig wie Zero-Emission umweltfreundlich bedeutet.

Was versprechen alternative Kraftstoffe und was können sie halten?

LPG, CNG und LNG
Flüssiggas (LPG - aus dem Englischen Liquefied Petroleum Gas) ist ein fossiler Energieträger, der als Nebenprodukt der Erdölraffinierung und als Begleitgas bei der Förderung von Erdöl und Erdgas anfällt. LPG ist eine Mischung aus Propan und Butan und wird unter Druck (2 - 8 bar bei Umgebungstemperatur) gespeichert. Seit den 1980er Jahren konnte sich LPG in den meisten europäischen Ländern etablieren. Aufgrund seiner niedrigeren Besteuerung hat LPG einen Kostenvorteil gegenüber Benzin und Diesel, weshalb seine Popularität in Zeiten steigender Benzinpreise stetig zunimmt.

LPG verbrennt umweltfreundlicher als Benzin. Je nach Verhältnis Propan/Butan reduziert ein LPG-betriebenes Fahrzeug den CO2-Ausstoß gegenüber der Benzinverbrennung um etwa 15 Prozent.

Erdgas erfreut sich einer (länderabhängigen) steuerlichen Vergünstigung und wird seit einigen Jahren verstärkt als Kraftstoff für Fahrzeuge verwendet. Lagerung, Transport und Betankung erfolgen entweder als Compressed Natural Gas (CNG) - das Erdgas wird hierbei auf etwa 200 bar verdichtet - oder als Liquefied Natural Gas (LNG), hierbei wird das Erdgas durch starke Abkühlung auf etwa minus 160°C verflüssigt und durch Lagerung in Druckbehältern flüssig gehalten.

Erdgas besteht überwiegend aus Methan, das umweltfreundlicher als Benzin verbrennt; der CO2-Ausstoß gegenüber Benzinverbrennung kann mit erdgasbetriebenen Fahrzeugen um etwa 5 bis 25 Prozent gesenkt werden. Für die aufwändige Verflüssigung werden aber etwa 10 bis 25 Prozent des Energieinhaltes des Gases benötigt.

Treibstoffgase für Verbrennungsmaschinen

Treibstoffgase für Verbrennungsmaschinen

LPG und auch CNG und LNG sind fossile Kraftstoffe, deren Förderung, Transport, Verarbeitung und Verbrennung Treibhausgase sowie CO2 freisetzen - abgesehen davon, dass diese Kraftstoffe nicht nachhaltig sind, sind sie somit auch nicht umweltfreundlich. Fahrzeuge, die CNG und LNG nutzen können, sind zudem technisch komplexer und daher teurer. Außerdem bestehen Bedenken hinsichtlich des Explosionsrisikos bei Unfällen und Einschränkungen bei der Einfahrt zum Beispiel in Parkhäuser, Garagen und Fähren. Im Vergleich zu herkömmlichen fossilen Kraftstoffen sind Transport und Lagerung technisch und damit finanziell aufwändiger.

(Foto: European Community)

Biokraftstoffe
Mit der Erneuerbaren-Energien-Richtlinie der EU (>) wurde im Jahr 2008 beschlossen, den Anteil an Biokraftstoffen wie Bioethanol oder Biodiesel im Verkehrsbereich auf mindestens 10 Prozent bis 2020 deutlich zu erhöhen. Die EU möchte sich von den ölexportierenden Ländern unabhängiger machen und propagiert den Biotreibstoff Ethanol gern als umweltverträgliche und nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen. Doch eine Studie des Londoner "Institute for European Enviromental Policy" (IEEP) kommt zu einem gänzlich anderen Ergebnis. (>) Die Studie geht davon aus, dass für die Produktion der Biotreibstoffe weltweit riesige Flächen in zusätzliches Ackerland umgewandelt werden müssen, was von Befürwortern des Biosprits nicht berücksichtigt wird. Um das Ziel der EU umzusetzen müssten laut Studie weltweit bis zu 69.000 Quadratkilometer Wälder, Weiden und Feuchtgebiete in Anbauflächen umgewandelt werden - das entspricht der doppelten Fläche von Belgien. Riesige Monokulturen entstehen. Infolgedessen würden Jahr für Jahr bis zu 56 Millionen Tonnen Treibhausgase freigesetzt. Ein ökologisches Desaster.

Durchschnittlich gewinnt man aus einem Hektar Mais ungefähr 9 Tonnen Ertrag. Hieraus lassen sich entweder 3700 Liter Bio-Ethanol produzieren (>), genug um 50 Autos einmal vollzutanken oder aber 50 Menschen ein Jahr lang zu ernähren.

Dem Argument, dass nur ein geringer Prozentsatz der Getreideernte in der EU für Biokraftstoffe verwendet wird, steht die Tatsache gegenüber, dass die EU ihren Bedarf an Biodiesel gar nicht alleine decken kann und Probleme exportiert, indem sie über die Hälfte des pflanzlichen Rohstoffs aus Ländern wie Brasilien oder Indonesien importiert.

In Summe erreicht man durch die Verwendung von Biokraftstoffen - je nach Standort und Pflanzenart sowie Produktionsprozesse und Prozessenergie - eine CO2-Reduktion zwischen Null und 50 Prozent.

Bio-Kraftstoffe als Insellösung? Vielleicht ja, doch niemals flächendeckend, denn dies würde bedeuten, den Teufel mit dem Beelzebub auszutreiben.

BMW i8 mit Wasserstoff-Brennstoffzellen eDrive. Foto: BMW Group.
BMW i8 mit Wasserstoff-Brennstoffzellen eDrive. (Foto: BMW Group)

Wasserstoff
Wasserstoff ist im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen keine Primärenergie, was heißt, dass für die Herstellung von Wasserstoff zunächst Energie eingesetzt werden muss. Hierbei kommt es zu Übertragungsverlusten, Energie geht sozusagen verloren. Vorteil von Wasserstoff als Energieträger ist, dass er keine schädlichen Emissionen verursacht, insbesondere kein Kohlendioxid. Diese Rechnung geht aber nur auf, sofern dieser unter Verwendung von erneuerbaren Energien gewonnen wird. Problematisch ist, dass die heutige Wasserstoffherstellung fast ausschließlich aus fossilen Primärenergien erfolgt. Somit weist Wasserstoff-Antrieb in Form einer Brennstoffzelle gegenüber der direkten Verbrennung fossiler Energieträger keine Umweltvorteile auf. Brennstoffzellenfahrzeuge werden als klimafeindliche Autos bezeichnet, denen die Umweltverträglichkeit klar abgesprochen wird. (>) Zudem ist die Energiedichte von Wasserstoff volumenbezogen sehr gering (ca. 1/3 von Erdgas, aber mehr als die doppelte massenbezogene Energiedichte). Das erfordert zum Speichern einer äquivalenten Energiemenge einen dreimal so großen Tank oder einen dreimal so hohen Druck wie für Erdgas. Um als Treibstoff genutzt zu werden, wird Wasserstoff daher sehr stark komprimiert (bis etwa 700 bar) oder verflüssigt (?253 °C). Beides ist nicht nur aufwendig und mit zusätzlichen Gefahrenpotenzialen verbunden, sondern auch mit zusätzlichem Energieeinsatz (Kompression ca. 12 Prozent Verflüssigung ca. 20 Prozent). Damit ist Wasserstoff kein sonderlich effizienter Energieträger. Hinzu kommt, dass der Aufbau einer adäquaten Wasserstoffbetankungs-Infrastruktur erhebliche Zusatzinvestitionen erfordert.

Der Aufbau einer Wasserstofftankstelleninfrastruktur ist kostspielig: Der Bau einer einzelnen Wasserstofftankstelle kostet rund 19 Millionen Euro. (>)

Auch sind wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge selber wesentlich teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Die Technologie zur mobilen Speicherung von Wasserstoff ist kostenaufwendig, denn es gilt Isolationsverluste, die zum Ausgasen führen können, abzusichern. Dennoch entstehen erhebliche Kraftstoffverluste: so leert sich der halbvolle Flüssigwasserstofftank des BMW Hydrogen7 bei Nichtbenutzung in rund neun Tagen. (>)

Brennstoffzellenfahrzeug Toyota Mirai. Foto: Toyota Deutschland GmbH.
Brennstoffzellenfahrzeug Toyota Mirai. (Foto: Toyota Deutschland GmbH)

Toyota hat Anfang dieses Jahres mit dem Mirai sein erstes Brennstoffzellenfahrzeug vorgestellt. Ein Brennstoffzellenfahrzeug der Mittelklasse zum Preis von 78.540 Euro (Deutschland). (>)

Mit dem Einsatz von Yttrium, Platin oder Palladium sind verhältnismäßig teure Rohstoffe in einer Brennstoffzelle verbaut, die unter Umweltgesichtspunkten nicht nachhaltig gefördert und verarbeitet werden.

Lithium-Ionen-Akkumulator
Lithium-Ionen-Akkumulator ist der Oberbegriff für Akkumulatoren auf der Basis von Lithium-Verbindungen. Lithium-Ionen-Akkumulatoren weisen im Vergleich zu anderen Akku-Typen eine hohe spezifische Energie auf, reagieren jedoch empfindlich auf Tiefentladung wie auch auf Überladung. Die Probleme des thermischen Kollapses von Lithium-Ionen-Akkus, die für Brände in Tesla Fahrzeugen und Boeing 787 Dreamlinern verantwortlich waren, sind noch allgegenwärtig. Dennoch sind sie der bevorzugte Energiespeicher in der Elektromobilität, da die herkömmlichen Nickel-Cadmium - beziehungsweise Nickel-Metallhydrid-Akkus zu schwer, zu giftig oder zu groß sind.

Hauptvorteil von Elektrofahrzeugen gegenüber Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist sicherlich die lokale Abgas-Emissionsfreiheit. Dies bedeutet jedoch nicht, dass batteriebetriebene Elektrofahrzeuge umweltfreundlich sind.

Aktionistisch umgesetzte Förderprogramme und politische Initiativen schießen daher am Ziel vorbei. Umweltpolitiker, die die Schaffung von Kaufanreizen, die flächendeckende Installation von Stromtankstellen und die gesellschaftliche Bevorteilung fordern, um die Markteinführung elektrischer Antriebe voranzubringen, verkennen, dass die derzeitigen Elektrofahrzeuge keineswegs umweltneutral fahren. Die eingesetzten Primärenergien sowie die zur Produktion der Lithium-Ionen-Akkus verwendeten Rohstoffe bescheinigen modernen Elektrofahrzeugen alles andere als eine neutrale Umweltbilanz. Betrachtet man den ganzheitlichen Lebenszyklus eines Lithium-Ionen-Akkumulators, so treten die Umweltrisiken - je nach Zellchemie - sowohl bei der Rohstoffgewinnung als auch im Recycling offensichtlich zu Tage (Handbook of Clean Energy Systems - Volume 5 Energy Storage, Edition: 2015). (>)

Forciert durch Subventionsmaßnahmen gab es in den vergangenen Jahren immer wieder erfolglose Vorstöße für Elektrofahrzeuge. Doch es sind nicht nur die hohen Anschaffungskosten, die nicht zu realisierende Reduktion der Unterhaltskosten und der überdurchschnittliche Wertverlust, die viele Verbraucher vom Kauf eines Elektrofahrzeugs abschrecken (>). Das Reichweiten- und Ladedauerproblem von Lithium-Ionen-Akkus trübt den Enthusiasmus für Elektrofahrzeuge und daran wird sich nichts ändern, solange die Leistung dieser Fahrzeuge jenseits von alltagstauglich bleibt.

In der Tesla Gigafactory sollen ab 2020 Batterien für bis zu 500.000 Fahrzeuge produziert werden. Das entspräche rund 0.5% der jährlichen Neuwagenzulassungen weltweit.
In der Tesla Gigafactory sollen ab 2020 Batterien für bis zu 500.000 Fahrzeuge produziert werden. Das entspräche rund 0.5% der jährlichen Neuwagenzulassungen weltweit.

Günstiger ist anders: Höhere Produktionskapazitäten sorgten zwar dafür, dass die Preise für Lithium-Ionen-Akkumulatoren pro kWh in den vergangenen Jahren zweistellig fielen und sich derzeit um die 265 Euro je kWh bewegen. Doch für eine 60 kW Batterie wie die in einem Tesla S sind dies immer noch Kosten in Höhe von 15.900 Euro - nur für den Akkumulator ohne angeschlossene Systeme. Dabei machen Rohstoffkosten etwa 70 Prozent des Akku-Preises aus.

Der Aufbau einer geeigneten Ladeinfrastruktur muss die Kompatibilität mit den verschiedenen Batterie- und Ladesysteme der jeweiligen Hersteller von Elektroautos berücksichtigen. Eine einzelne öffentliche Ladestation schlägt mit rund 25.000 bis 50.000 Euro zu Buche. Dies sind die von der Allgemeinheit zu tragenden Infrastrukturkosten. Der Autofahrer selber zahlt für seine eigene häusliche Ladestation nochmals 800 bis 2.500 Euro. Elektro-Autofahrer, die auf öffentliche Parkplätze angewiesen sind, werden dagegen um Ladestationen konkurrieren müssen.

Für die Haltbarkeit der Batterie garantieren Hersteller heute etwa 5 Jahre bzw. 50.000 bis 100.000 km. Literaturangaben zufolge sind etwa 5.000 Zyklen bei einem Kapazitätsverlust von 20 Prozent möglich, was bedeutet, dass die zu erwartende Lebensdauer der Batterie etwa 8 Jahre beträgt. (>)

Entscheidend für die Lebensdauer der Batterie ist jedoch ihre Beladung - starke Ladeströme, wie diese zur Schnellladung (<30 min) erforderlich sind, verkürzen die Lebensdauer der Batterie enorm.

Industrie und Politik wissen, dass Lithium-Ionen-Akkus nicht der Weisheit letzter Schluss sind. Weltweit wird an einer neuen Generation von Stromspeichern geforscht. Im Fokus der Industrie steht dabei mehr die Leistungs-Optimierung als der Umweltaspekt. Alle zukünftigen Konzepte basieren auf der Grundlage einer Lithium-Verbindung. Dieser Rohstoff könnte aber bei wachsendem Verbrauch schon im Jahr 2050 knapp werden.

Die nanoFlowcell Holdings Ltd hat daher einen gänzlich anderen Weg eingeschlagen und nach einer Akkumulatorenlösung für den mobilen Einsatz geforscht, die vollkommene Flexibilität zulässt, alltagstaugliche Leistung zeigt und zudem 100 Prozent umweltneutral ist.

Flusszellen
Bereits seit Jahren werden Flusszellen als Energiespeicher in Sonnen- und Windenergieanlagen eingesetzt. Aufgrund ihrer geringen Energiedichte und den baulichen Dimensionen der eigentlichen Zelle, eigneten Flusszellen sich bislang nicht für den mobilen Einsatz - etwa in Elektrofahrzeugen.

Auf Basis der Flusszellentechnologie hat die nanoFlowcell Holdings Ltd in jahrelanger Forschungsarbeit eine kompakte Flusszelle entwickelt, die eine um ein Vielfaches höhere Energiedichte als herkömmliche Flusszellen hat. Kernstück ist eine Elektrolytverbindung, deren Energiedichte gleichauf mit der moderner Lithium-Ionen-Akkumulatoren liegt. Die Elektrolytflüssigkeit mit dem Namen bi-ION besteht aus metallischen Salzen in einer wässrigen Lösung und ist weder gesundheits- noch umweltschädlich und darüber hinaus weder brennbar noch explosiv. In Verbindung mit der eigentlichen Zelle, der nanoFlowcell, entwickelt das System eine Leistung von 600 Wh pro Liter Elektrolytflüssigkeit. Moderne Elektroautos könnten 200 km/h fahren und hätten dabei immer noch eine Reichweite von über 1000 Kilometern. Eine emissionsfreie und nachhaltige Energiequelle.

Die Produktionskosten der nanoFlowcell in der industriellen Fertigung liegen geschätzt bei etwa 600 Euro. Elektrofahrzeuge könnten bei der Wahl des idealen Energiespeichers also nicht nur Gewicht einsparen, sondern auch erhebliche Kosten. Im Unterhalt ist ein nanoFlowcell-angetriebener PKW günstiger als fossile bzw. andere alternative Kraftstoffe: ein Liter bi-ION entspricht in etwa 600Wh und könnte für rund 0,10 Euro hergestellt werden.

Betankung des QUANTiNO Testfahrzeugs mit bi-ION Elektrolytflüssigkeit.
Betankung des QUANTiNO Testfahrzeugs mit bi-ION Elektrolytflüssigkeit.

Aufgrund der Produkteigenschaften werden keine besonderen Anforderungen an Transport und Lagerung der Elektrolytflüssigkeiten gestellt. Die Um- oder Aufrüstung der bestehenden Tankinfrastruktur ließe sich zudem kostengünstig realisieren (beschrieben von Simon Árpád Funke und Martin Wietschel in "Bewertung des Aufbaus einer Ladeinfrastruktur für eine Redox-Flow-Batterie-basierte Elektromobilität"). (>) Autofahrer müssten nicht Umlernen, sondern können ein nanoFlowcell-Fahrzeug betanken wie ein herkömmliches benzin- oder dieselbetriebenes Automobil in etwas mehr als vier Minuten.

Flusszellen haben zudem eine nur minimale Selbstentladung, keinen Memoryeffekt und im Falle von bi-ION eine nahezu unendliche Haltbarkeit der Elektrolytflüssigkeit.

Die auf Flusszellentechnologie basierende nanoFlowcell repräsentiert eine neue Generation Stromspeicher, die sich durch ihre Leistungs- und Umweltoptimierung auszeichnet. nanoFlowcell zeigt, wie kompromisslose Elektromobilität funktionieren kann, die auch ohne Subventionen attraktiv für Verbraucher ist und sich wirtschaftlich für Hersteller und ohne Mehrkosten für die Allgemeinheit umsetzen lässt.

Charakteristika der verschiedenen Antriebssysteme (1 = sehr gut bis 5 = sehr schlecht)

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