Vergleich von Treibstoffen und Antriebssystemen – Teil 2/6

titelbild_gruen_feld_01In der folgenden Abbildung werden die durchschnittlichen Verbrauchswerte des smart fortwo in der „Tank to Wheel“ (TTW) Situation dargestellt. Der Energieverbrauch wird einheitlich in streckenspezifischen Energieeinheiten kWh/100 km angegeben, da es sich um verschiedene Kraftstoffarten handelt.

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Verbrauchswerte TTW der unterschiedlichen Antriebs- und Kraftstoffarten im smart fortwo

Verbrauchswerte TTW der unterschiedlichen Antriebs- und Kraftstoffarten im smart fortwo

Beim direkten Vergleich der Verbrauchswerte sind die des elektrischen smart fortwo am niedrigsten. Anders als batteriebetriebene Antriebe führen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ihre Primärenergie im Tank mit. Der Wirkungsgrad moderner Verbrennungsmotoren beträgt ca. 30 % – Die Abgase, Kühlung und mechanischer Abtrieb verbrauchen den Großteil der Energie. Die Testwerte für Biomethan und Bioethanol E85 wurden nach einem Umbau bzw. einer Nachrüstung des smart fortwo ermittelt.

Energiegehalt

Beim batteriebetriebenen Elektrofahrzeug ergeben sich Verluste durch den Wirkungsgrad des Elektromotors und der Batterie beim Antreiben des Fahrzeuges. Die Energie aus dem Speicher (Batterie) wird somit mit einem Gesamtwirkungsgrad von ca. 63 % in mechanische Energie gewandelt („Tank to Wheel“). Berücksichtigt man weiterhin den Wirkungsgrad beim Laden der Batterie aus dem Stromnetz (ca. 90 %), ergibt sich ein Wirkungsgrad von etwa 57 % für den Energiepfad „elektrische Speicher-Energie“ zu „Radenergie“.

Die Energie für den „elektrischen Speicher“ wird von batteriebetriebenen Fahrzeugen nicht mitgeführt, sondern „dezentral“ erzeugt und mittels Stromleitungen zu den Batterien transportiert.

Im deutschen Stromnetz kommen verschieden Rohstoffe wie Braun- und Steinkohle, Öl und Erdgas, Atom-, Wind- und Solar-Anlagen zum Einsatz. Zu einem Großteil von ca. 80 % dienen fossile Rohstoffe zur Stromproduktion. Kohle- und Erdgas-Kraftwerke der neuesten Generation haben einen Wirkungsgrad von bis zu 47 %. Transformations- und Leitungsverluste reduzieren den Strom bis zu den Steckdosen im deutschen Stromnetz um weitere 12 %. Bis zu 75 % der Energie, die im Rohstoff enthalten ist, gehen auf dem Weg der Stromerzeugung zur Batterie „verloren“.

Der Weg vom Rohstoff zur Batterie

Der Weg vom Rohstoff zur Batterie

Für eine Fahrstrecke von 100 km mit dem smart fortwo electric drive werden zum Beispiel für die Stromerzeugung mehr als 13 kg Kohle (Rohstoff), bzw. 106 kWh Energie benötigt.

Flüssigtreibstoffe, ob Diesel, Otto- oder Biotreibstoffe, sind nicht ohne Verluste herzustellen. Die Rohstoffe haben einen langen Weg von der Förderstelle bis zur Tanksäule hinter sich.

Bei Dieselkraftstoff trägt der höhere Wirkungsgrad des Dieselmotors zur höheren Energieeffizienz verglichen mit dem Ottomotor bei, was sich im geringen Kraftstoffverbrauch auswirkt. Bei Biomethan als Kraftstoff ist der Weg der Bereitstellung entscheidend.

In der folgenden Tabelle wird der Energiebedarf der verschiedenen Flüssigtreibstoffe, die bei Herstellung von einem Liter beansprucht werden, aufgeführt:

Kraftstoffart Energiebedarf zur Herstellung kWh/l Energiegehalt kWh/l Energiebilanz kWh/l
Benzin -5,42 9,03 +3,61
Diesel -7,20 9,97 +2,77
Biomethan -3,49 5,83 +2,34
Bioethanol E85 -2,64 7,63 +4,99

Quelle: BP, Berechnungen B. Ahlers

Die Tabelle zeigt den Energiegehalt der verglichenen Kraftstoffe, den Energiebedarf für die Bereitstellung sowie die Bilanzsumme der verschiedenen Flüssigkraftstoffe. Wenn nur der Energiegehalt der Kraftstoffe verglichen wird, ist der Dieselkraftstoff der uneingeschränkte Spitzenreiter. Es scheint, dass Diesel mit 9,97 kWh (35,87 MJ) pro Liter ca. 1/4 mehr Energie als Super E85 mit 7,63 kWh (27,45 MJ) der ideale Treibstoff für moderne Antriebskonzepte ist.

Energiebilanz mit Vorkette

Welche Emissionen in welchem Umfang im Straßenverkehr entstehen, hängt nicht nur vom Antriebskonzept der Fahrzeuge ab. Auch die verwendeten Energieträger und ihre gesamte Energiebilanz spielen eine wichtige Rolle. Das gilt speziell für Kohlendioxid, dem ein besonderer Anteil am vom Menschen verursachten Klimawandel zugeschrieben wird.

Die folgende Tabelle gibt die Energiebilanz unter Berücksichtigung der Energievorketten von Flüssigkraftstoffen wieder, bezogen auf die Bereitstellung von 1 kWh „Brennstoff“.

Kraftstoffart Energiebedarf zur Herstellung kWh/l Energiegehalt kWh/l Energiebilanz kWh/l
Benzin -0,60 1,00 +0,40
Diesel -0,72 1,00 +0,28
Biomethan -0,59 1,00 +0,41
Bioethanol E85 -0,34 1,00 +0,66

In der Diskussion um die effektivsten Kraftstoffe und Antriebskonzepte der Zukunft untersucht diese Studie auch die dazugehörigen „Vorketten“, die zur Bereitstellung bzw. Herstellung der Kraftstoffe benötigt werden. Nur wenn alle Parameter von der Quelle bis zum Rad (Well to Wheel) gerechnet, bewertet und verglichen werden, ist eine objektive Beurteilung gegeben.

Energieverbrauch (WTW)

Die nächste Abbildung zeigt den Energieverbrauch kumuliert mit dem Energiebedarf aus den Vorketten auf einer Fahrstrecke von 100 km in kWh.

Energieverbrauch WTW der unterschiedlichen Antriebs- und Kraftstoffarten im smart fortwo

Energieverbrauch WTW der unterschiedlichen Antriebs- und Kraftstoffarten im smart fortwo

Durch den hohen Energiebedarf für die Bereitstellung von Dieselkraftstoff, verliert der Dieselmotor im indirekten WTW-Verbrauchsvergleich.

Der elektrisch angetriebene Motor, bedingt durch eine dezentrale Energieerzeugung und damit verbundenen Transformations- und Leitungsverlusten, kann seine Spitzenposition ohne Vorkette nicht einhalten.

Trotz des höchsten Verbrauchs an Treibstoff „Super E85“, verbraucht ein Flexible Fuel Vehicle unter Well to Wheel (WTW) Bedingung die geringste Energie.

Gegenüber dem modernen Ottomotor-Fahrzeug kann der Dieselmotor auch in Zukunft Vorteile bezüglich Energieeffizienz geltend machen, jedoch beläuft sich dieser Vorteil auf lediglich 5 %. Analog zu dem Ottomotor-Fahrzeug kann die FFV-Technologie den größten Beitrag zur Verbrauchsreduzierung leisten und hat in diesem Vergleich den geringsten streckenbezogenen Energieverbrauch in Bezug auf die WTW-System-Betrachtung aufzuweisen.

Autor: Bernhard Ahlers

Vergleich von Treibstoffen und Antriebssystemen

Über den Autor:
Bernhard Ahlers betreibt seit dem Jahr 2001 eigene Forschung, Entwicklung und Projektplanung im Bereich der regenerativen Energien, insbesondere neuer Technologien für die Produktion von Biokraftstoffen. Im Jahr 2012 wurde im Namen von Bernhard Ahlers ein Patent unter dem Titel „Biokraftstoff der 3. Generation auf Basis von div. Agrarprodukten ohne Flächen- und Lebensmittelkonkurrenz“ eingetragen.

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