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Effizienz- und CO2-Emissionsanalyse von Verbrennungsmotoren (ICE) und Elektrofahrzeugen (EV)

Dieser Blog ist eine Ergänzung zu einer Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie und des Bundesverbandes der österreichischen Wirtschaft[1]. Wir möchten die Bedeutung transparenter Informationen über die Effizienz der Fahrzeuge und den ökologischen Fußabdruck hervorheben.

In Österreich muss ein Elektrofahrzeug (EV) 80.000 km fahren, um aufgrund des Strommixes des Landes weniger CO2-Emissionen als Verbrennungsmotor (ICE) zu verursachen. In Ländern mit einer stark von Kohle abhängigen Stromerzeugung wie Polen und China werden die Elektrofahrzeuge immer einen höheren CO2-Ausstoß aufweisen als ein ICE. Um Ihnen einen besseren Überblick zu geben, wird eine Übersicht über die wesentlichen Wirkungsgrade und CO2-Emissionen des Antriebsstrangs gegeben.

Analyse verschiedener Kraftstoffproduktionen und Antriebsstränge:

Für eine objektive Analyse des Gesamtwirkungsgrades eines Antriebsstrangs muss die gesamte Energiekette untersucht werden. Dies wird im Moment als Well-to-Wheel-Analyse bezeichnet, die die eingesetzte Energie und den Wirkungsgrad von der Energiequelle bis zum Rad untersucht. Der Gesamtwirkungsgrad wird stark von der Energieerzeugung beeinflusst. Die Well-to-Tank-Analyse gibt Aufschluss über die Effizienz der Energieerzeugung (wie viel Energie geht bei der z. B. Stromerzeugung verloren). Die Tank-zu-Rad-Analysen beziehen sich auf den Energieeinsatz in Fahrzeugen vom Tanksystem bis zur Straße.

Abbildung 1.1 erläutert die Well-to-Wheel-Analyse mit den Unterkategorien Well-to-Tank und Tank-to-Wheel.

Well-to-Tank-Analyse:

Abbildung 1.2 gibt einen Überblick über die Effizienz der Energieerzeugung von Brennstoffen. Minimal- oder Festwerte werden violett dargestellt. Werte, die von der Effizienz der verwendeten Produktionsmethode abhängig sind, sind gestreift violett. Die Werte für den EU-Strommix sind blau und die Werte für den österreichischen Strommix rot markiert.

Mit geringem Aufwand wird durch Trocknung und Entschwefelung Roherdgas mit einem Wirkungsgrad von rund 90% erzeugt. Die Produktion und Versorgung mit fossilen Brennstoffen wie Benzin und Diesel wird ebenfalls mit hohen Wirkungsgraden von bis zu 85 % produziert. Die Produktionseffizienz von Biokraftstoffen gasförmig ist stark abhängig vom Rohstoff und der Verarbeitungsmethode, typische Wirkungsgrade zwischen 15 und 50%. Wasserstoff kann mit Wirkungsgraden zwischen 10 und 80% produziert werden, sowohl bei der Produktion aus Methan als auch bei der Produktion mit Elektrolyse können Werte von bis zu 80% erreicht werden. Die Stromerzeugung erfolgt zwischen 15 und 90% Wirkungsgrad.

Abbildung 1.3 zeigt die CO2-Emissionen der Well-to-Tank-Analyse. Bei der Herstellung fossiler Brennstoffe entstehen Emissionen von ca. 50 g CO2/kWh für Benzin und Diesel. Biogene Kraftstoffe werden oft als CO2-neutral bezeichnet, da das gesammelte CO2 durch Photosynthese während des Wachstumsprozesses der Pflanzen entsteht. Abhängig vom verwendeten Rohstoff und dem Herstellungsverfahren entsteht jedoch ein breites Spektrum an Treibhausgasemissionen. Die Herstellung mancher Bio-Kraftstoffe verursacht doppelt soviel Treibhausgase wie bei Benzin oder Diesel, bei manchen Bio-Kraftstoffen erzeugt die Herstellung weniger Treibhausgase als die Pflanze beim Wachsen aufnimmt, der Wert ist dann negativ. Für Strom liegen die Werte zwischen 15 g CO2/kWh bei der Erzeugung aus Windenergie und über 1000 g CO2/kWh bei der Braunkohleproduktion. Mit dem EU-Strommix werden 340 g CO2/kWh erzeugt. Wird durch Elektrolyse Wasserstoff erzeugt, können die Emissionslasten von 21 g CO2/kWh bis 1400 g CO2/kWh variieren. Der Wert für den europäischen Strommix beträgt ca. 425 g CO2/kWh und für den österreichischen Strommix 129 g CO2/kWh.

Tank-to-Wheel-Wirkungsgrade und CO2-Emissionen

Trotz dieser Entwicklungen ist der Verbrennungsmotor im Vergleich zu alternativen Antriebstechnologien nicht sehr effizient. Tank-to-Wheel-Analysen beziehen sich auf die verbrauchte Energie in Fahrzeugen vom Tanksystem bis zur Straße. Der Benzinmotor kann im besten Fall einen Wirkungsgrad von bis zu 35% und im Fahrmodus gemäß dem NEFZ-Fahrzyklus durchschnittlich 20% erreichen. Der Dieselmotor erreicht an seinem besten Punkt ca. 45% und in einem Fahrmodus nach dem NEFZ-Fahrzyklus ca. 28%.

Das batteriebetriebene Elektrofahrzeug kann im besten Fall einen Wirkungsgrad von mehr als 85% erreichen, im Fahrmodus (NEFZ-Fahrzyklus) werden durchschnittlich 60 – 75% erreicht. Das Brennstoffzellenfahrzeug kann an seinem besten Punkt einen Wirkungsgrad von mehr als 65% erreichen, im Fahrmodus (NEFZ-Fahrzyklus) werden durchschnittlich 40-55% erreicht.

Die im NEFZ-Zyklus getesteten Emissionen in g CO2 pro km für verschiedene Fahrzeugsegmente (B/Kleinwagen, C/Mittelwagen, F/Luxuswagen) und Antriebsstränge sind in Abbildung 1.4 dargestellt. Fahrzeuge mit batteriebetriebenen Elektromotoren oder wasserstoffbetriebenen FCEV- sowie wasserstoffbetriebenen Verbrennungsmotoren sind CO2-frei im Einsatz.

Well-to-Wheel-Wirkungsgrade und CO2-Emissionen

Für eine objektive Analyse des Gesamtwirkungsgrades eines Antriebsstrangkonzeptes muss die gesamte Energiekette untersucht werden. Dies wird als Well-to-Wheel-Analyse bezeichnet, die die eingesetzte Energie und den Wirkungsgrad von der Energiequelle bis zum Rad untersucht. Der Gesamtwirkungsgrad wird stark von der Energieerzeugung beeinflusst. Bei Benzinmotoren sinkt der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad und liegt zwischen 14% und 20%. Der Dieselmotor erreicht immer noch einen Gesamtwirkungsgrad von 21% bis 26%.

Bei BEVs sinkt der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad mit dem EU-Strommix auf ca. 32%. Mit dem österreichischen Strommix ist ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 50% möglich. Bei FCEV sinkt der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad aufgrund des hohen Energieverbrauchs im EU-Strommix auf ca. 22%. Mit dem österreichischen Strommix ist ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 34% möglich. Dies entspricht einem höheren Wirkungsgrad als bei Verbrennungsmotoren.

Für die Bestimmung der gesamten CO2-Emissionen werden die Werte von Well-to-Tank und Tank-to-Wheel für die Well-to-Wheel Analyse summiert, wie in Abbildung 1.5 dargestellt. Die Bandbreite der BEVs reicht vom CO2-freien Betrieb mit Energie aus erneuerbaren Energiequellen bis hin zu Strom aus Braunkohle. Bei FCEV- und Verbrennungsmotoren liegt der Bereich zwischen der Elektrolyse von erneuerbarer Energie bis hin zu Braunkohle. Der österreichische Energiemix wird mit roten Balken und der EU-Energiemix mit den blauen Balken dargestellt.

Fazit:
Mit der Well-to-Wheel-Analyse ist es möglich, die Effizienz von Antriebssträngen und den Energietransport bzw. die Energieproduktion zu beurteilen. Die obige Analyse wurde mit dem NEFZ-Testzyklus durchgeführt. Es ist zu erwarten, dass mit dem neuen WLTP-Prüfzyklus die CO2-Emissionen um ca. 20% steigen werden.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Analyse keine Informationen über die Rohstoffproduktion (Stahl, Aluminium,…), die Produktion des Fahrzeugs selbst, das Recycling und die Entsorgung des Fahrzeugs liefert. Eine Analyse unter Berücksichtigung der Nutzungsphase, der Energieversorgung und des Produktlebenszyklus wird als Cradle-to-Grave-Analyse bezeichnet. Nur mit der dieser ganzheitlichen Analyse können die Fahrzeuge objektiv und ganzheitlich verglichen werden. Die anderen Methoden führen zu unsicheren Kunden und falschen Informationen.

Bei der Well-to-Wheel-Analyse wird sehr deutlich, dass die Elektrifizierung des Antriebsstrangs eine Energiewende hin zu einer nachhaltigen Energieerzeugung erfordert.

Autoren: Dr. Hans-Peter Kleebinder, Michael Semmer

[1] H.-P. Dr. Kleebinder, A. Dr. Kleissner, and M. Semmer, “Auf der Siegerstraße bleiben! Automotive Cluster der Zukunft bauen.,” Wien, Nov. 2019.

[2] Mazda, MAZDA: Aiming to Make Cars that are Sustainable with the Earth and Society. [Online] Available: https://www.mazda.com/en/csr/special/2016_01/. Accessed on: Nov. 06 2019.

[3] M. Klell, H. Eichlseder, and A. Trattner, Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik: Erzeugung, Speicherung, Anwendung, 4th ed. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2018.

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