Mobilität

Kraftstoffe und Antriebe der Zukunft

Effiziente und klimagerechte Fahrzeug- und Antriebskonzepte

Inhalt

Einleitung

Die Emissionen, die aus der Verbrennung fossiler Rohstoffe entstehen, werden für negative Umweltwirkungen und den Klimawandel verantwortlich gemacht. Alleine im Verkehrssektor wurden im Jahr 2015 ca. 33,4 Mio. t CO2-Äquivalente emittiert. Dies hat unter anderem mit den hohen Kraftstoffverbräuchen der Fahrzeuge zu tun. Um diese und die damit verbundenen hohen Mobilitätskosten zu senken, wird mit Hochdruck an effizienteren Motoren für Pkw, Lkw und Busse gearbeitet.

Zusätzlich zur Effizienz der Motoren und des Antriebsstrangs ist für den Kraftstoff- bzw. den Energieverbrauch der Fahrzeuge ebenso das Gewicht des Fahrzeugs sowie der Energiebedarf von Nebenverbrauchern wie bspw. der Klimaanlage ausschlaggebend für den Verbrauch. Hier bieten NRW-Unternehmen im Automotive-Sektor zusätzlich die entsprechende Expertise und entwickeln Produkte für den Leichtbau von Fahrzeugen, die somit eine Verbrauchssenkung bewirken und auch aus erneuerbaren, biobasierten Materialien hergestellt werden können.

Auch in der Binnenschifffahrt und der Luftfahrt bieten sich für Nordrhein-Westfalen Möglichkeiten für einen effizienteren Betrieb und eine Senkung umweltrelevanter Emissionen wie Kohlenstoffdioxid und Luftschadstoffe wie Stickoxide und Partikel, sei es bspw. die Steigerung der Energieeffizienz der Motoren und Antriebsstränge, die Implementierung saubererer Antriebstechnologien oder die Landstromversorgung von (Binnen-) Schiffen.

Für den Straßenverkehr (Pkw, Lkw, Busse) werden unterschiedliche Strategien mit entsprechenden Anforderungen an neue Technologien verfolgt.

PKW

Im Jahr 2016 waren in Deutschland 45.803.560 Pkw zugelassen, davon 9.639.714 in NRW. Um die Energieeffizienz dieser Fahrzeuge zu steigern und damit einhergehend die Emissionen zu senken, wurde im Rahmen der EU-Verordnung zur Verminderung der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen das Ziel definiert, dass die Emissionen von Pkw-Neuwagen ab dem Jahr 2021 die Marke von 95 g CO2/km nicht überschreiten dürfen. Im Jahr 2016 lag der durchschnittliche Referenzwert in Deutschland noch bei 127,4 g CO2/km. Die Zielemissionen von 95 CO2/km entsprechen etwa einem Verbrauch von 4,0 l Benzin bzw. 3,6 l Diesel in der Flotte.

Um dieses Ziel zu erreichen, setzt die Automobilbranche auf folgende Arbeitsfelder:

  • Effizienz
  • Hybridisierung
  • Kraftstoff und erneuerbare Energien
  • Elektromobilität
  • Gaskraftstoffe (CNG/LPG)

Die Optimierung von Verbrennungsmotoren und der Einsatz von Gaskraftstoffen wie Erdgas (CNG: compressed natural gas) und Biomethan als Kraftstoff spielen bei der Erreichung der Ziele ebenso eine wichtige Rolle, wie auch die Hybridantriebe und die vollständige Elektrifizierung von Fahrzeugen (Elektromobilität).

Konventionelle Kraftstoffe: Benzin und Diesel

Im Spannungsfeld aus Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Fahrleistungen und Fahrzeugkosten spielen die Diesel und Benziner ihre jeweiligen Stärken in verschiedenen Fahrzeugklassen aus.

Der Dieselmotor hat – im Vergleich zum Benziner – einen geringeren Kraftstoffverbrauch. Durch ein spezielles Verbrennungsverfahren wird die Energie im Kraftstoff effizienter ausgenutzt, allerdings entstehen bei der Dieselverbrennung mehr Schadstoffe, die zusätzliche Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung erfordern. Ein moderner Benziner lohnt sich zumeist vor allem bei Pkw mit überschaubarer Jahresfahrleistung, während ein fortschrittlicher Diesel durch den geringeren Verbrauch bei hoher Laufleistung die kostengünstigere Alternative sein kann. Diese Wahlmöglichkeit zwischen Benzin- und Dieselantrieb hilft, dem jeweiligen Bedarf des Kunden zu entsprechen. So dominiert das Dieselaggregat derzeit die Flotten vieler Unternehmen.

Der Verbrauchsvorteil eines Dieselmotors gegenüber einem vergleichbaren Benzinmotor liegt bei rund 20 Prozent. Der CO2-Ausstoß ist an den Kraftstoffverbrauch gekoppelt, da CO2 bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigem Kraftstoffen (wie z.B. Diesel, Benzin oder Erdgas) entsteht. Trotz eines höheren Kohlenstoffanteils bleibt beim Diesel wegen der effizienten Verbrennung am Ende auch ein CO2-Vorteil von bis zu 15 Prozent.

Dieselfahrzeuge: Wichtiger Baustein für Klimaschutzziele

Ihr geringer CO2-Ausstoß macht Dieselfahrzeuge zu einem wichtigen Baustein bei der Umsetzung der europäischen Klimaschutzziele. Das zeigt ein Rechenbeispiel: 2014 waren 48 Prozent der neu zugelassenen Pkw in Deutschland mit einem Dieselmotor ausgestattet. Mit diesem Anteil betrug der durchschnittliche Ausstoß pro Pkw 132 g CO2/km. Würden alle neu zugelassenen Diesel- durch entsprechende Benzin-Pkw ersetzt werden, so ergäbe sich ein deutlich höherer Ausstoß von rund 138 g CO2/km. Umgekehrt läge der Ausstoß bei gut 125 g CO2/km, wenn alle Benziner durch Diesel ersetzt würden. Hier zeigt sich der Vorteil des Diesels: Bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von jährlich 15.000 km und einem Neuzulassungsvolumen von rund drei Millionen Pkw entspräche dies einer Einsparung von knapp 600.000 t CO2 pro Jahr. Das ist so viel, wie eine Kleinstadt mit 60.000 Einwohnern jedes Jahr emittiert.

Bei der Kraftstoffverbrennung im Dieselmotor werden u.a. die Schadstoffe HC (Kohlenwasserstoffe), CO (Kohlenmonoxid), NOx (Stickoxide) und Partikel erzeugt. Vor allem die vergleichsweise hohen NOx-Emissionen stellen eine Herausforderung dar. Sie resultieren aus dem besonderen Verbrennungsverfahren innerhalb der Dieselmotoren. Hier liegen Licht und Schatten eng beieinander: Je besser die Verbrennung, desto höher die Temperatur und desto mehr NOx entsteht.

Daraus folgt ein Zielkonflikt: Maßnahmen zur CO2-Senkung führen oft zu höherer Stickoxidbildung, während eine auf weniger Stickoxide optimierte Verbrennung mehr CO2-Ausstoß bedeutet. Bei Euro-6-Fahrzeugen wird dieser Zielkonflikt durch die aktive DeNOx-Abgasnachbehandlung (NOx-Speicherkatalysator und/oder selektive katalytische Reduktion (SCR) mit AdBlue durchgeführt) gelöst. Bei der Entwicklung effizienter Abgasnachbehandlungssysteme haben diverse NRW-Unternehmen eine umfassende Expertise als Zulieferer für die Automobilindustrie. Autos, die ab September 2017 neu zertifiziert werden, müssen die Abgasnorm Euro-6d-Temp erfüllen.

Die für die Typenzulassung dann geforderte Abgasnorm 6d verlangt nicht mehr nur eine Prüfstandmessung, die Fahrzeuge müssen sich künftig auch einer RDE-Messung (Real Driving Emissions) stellen.

Quelle: BDI

Hybridisierung

Bei einem Hybridantrieb kommen zwei verschiedenen Antriebsarten zum Einsatz. In der Regel besteht er aus einer Kombination von Verbrennungsmotor und Elektromotor.

Es gibt verschiedene Formen des Hybridantriebs. Beim Mildhybrid unterstützt der Elektromotor den Verbrennungsmotor beim Beschleunigen, dadurch sinkt auch der Gesamtbenzinverbrauch des Verbrennungsmotors. Beim Vollhybrid hingegen kann sogar nur mit dem Elektromotor gefahren werden. Hinzu kommt, dass beim Bremsen durch Rekuperation Energie gewonnen wird, welche in der Batterie gespeichert werden kann.

Vor allem aufgrund der immer stärker werdenden Umweltdiskussion gewinnt das Thema 48 Volt-Technologie zunehmend an Bedeutung.

Gaskraftstoffe (LPG, CNG)

Unter „Gaskraftstoffen“ sind nachfolgend alle Kraftstoffe auf Gas-Basis zu verstehen. Die Bestandszahlen des Kraftfahrt-Bundesamtes vom 1. Januar 2017 geben an, dass es im Jahr 2016 deutschlandweit 525.212 Gasfahrzeuge gibt. Der weitaus größere Teil davon, nämlich etwa 448.025 (153.959 in NRW), wird mit Autogas, auch als LPG (Liquid Petroleum Gas) bekannt, betrieben. Weitere 77.187 (15.098 in NRW) Fahrzeuge fahren mit CNG (Compressed Natural Gas). In Deutschland existieren derzeit ca. 6.500 LPG und 900 Erdgas-/Biomethan-Tankstellen.

Was den Ausstoß von Kohlendioxid und Rußpartikeln angeht, sind beide Kraftstoffarten umweltschonender als ein herkömmlicher Benziner und kommen daher ohne Abgasnachbehandlung aus. Jedoch hat Erdgas (CNG-Compressed Natural Gas) im direkten Vergleich die Nase vorn. CNG verursacht bis zu 23 Prozent weniger CO2, Autogas liegt leicht darunter. Feinstaub wird von Erdgasfahrzeugen nahezu gar nicht emittiert.

Umweltschonend fahren mit Gasantrieb

In Bezug auf die Umwelt liegt der große Vorteil von Erdgas in der vorhandenen Zukunftsperspektive. Denn durch die Beimischung von Biomethan und synthetischem Erdgas – hergestellt mit Hilfe von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien - verbessern die Erdgasfahrzeuge ihre Ökobilanz deutlich. Eine Möglichkeit, die es für Autogas (Erneuerbares Autogas) im kommerziellen Umfang derzeit nicht gibt. Der Anteil von Biomethan am Erdgasabsatz für Erdgasfahrzeuge (als Kraftstoff) lag 2015 bei rund 20 Prozent. Die Herausforderung für die Zukunft liegt darin, Wege zu finden diesen Anteil durch den Einsatz von erneuerbaren Komponenten zu erhöhen.

An der Tankstelle ist zunächst der geringere Preis von Autogas auffällig, allerdings wird Flüssiggas in Litern verkauft und hat pro Verkaufseinheit einen deutlich geringeren Energiegehalt als CNG, welches in Kilogramm verkauft wird. Daher können die Preise an der Tankstelle nicht direkt miteinander verglichen werden. Da der Energiegehalt von Erdgas mit 13,16 kWh/kg nahezu doppelt so hoch ist wie der Energiegehalt von Autogas mit 6,8 kWh/l, spart man mit einem Erdgasauto nicht nur bei den umweltschädlichen Emissionen, sondern auch an der Zapfsäule.

Quelle: Zukunft ERDGAS
 

 

Erdgas/CNG

LPG

Super

Diesel

Preis

1,066 €/kg

0,570 €/l

1,303 €/l

1,100 €/l

Heizwert
reg. unterschiedlich

13,16 kWh/kg

6,8 kWh/l

8,77 kWh/l

9,86 kWh/l

Erdgaspreis (H)
entspricht

 

 0,551 €/l

0,710 €/l

0,798 €/l

Beispielrechnung

Euro-Abgasgesetzgebung

Die Reduktion von Abgasemissionen, die bei der Verbrennung fossiler Kraftstoffe entstehen (Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide, Feinstaub), begann mit der Einführung des Katalysators und der Euro-Abgasgesetzgebung der Europäischen Union. Seit 2014 ist die Euro-VI-Norm in der Abgasgesetzgebung für schwere Nutzfahrzeuge verbindlich. Seit September 2015 ist die Euro-6-Abgasnorm auch für alle neu zugelassenen Pkw durch die Abgasgesetzgebung verpflichtend. Damit können die Schadstoffemissionen, wie in den Abbildungen Fehler: Referenz nicht gefundenFehler: Referenz nicht gefunden und Fehler: Referenz nicht gefunden beispielhaft für die Abgase von Lkw und Diesel-Pkw gezeigt wird, deutlich gesenkt werden.

Abbildung 1: Senkung der Abgasemissionen schwerer Lkw.
Quelle: VDA
Abbildung 1: Senkung der Abgasemissionen schwerer Lkw.
Quelle: VDA
Bei emissionsmindernden Maßnahmen kommt es zu Interessenkonflikten zwischen der CO2-Senkung und der Stickstoffbildung – Maßnahmen zur CO2-Senkung führen zu höherer Stickoxidbildung, während eine auf weniger Stickoxide optimierte Verbrennung mehr CO2-Ausstoß bedeutet. Bei Euro-6-Fahrzeugen wird dieser Zielkonflikt durch die aktive DeNOx-Abgasnachbehandlung (NOx-Speicherkatalysator und/oder selektive katalytische Reduktion (SCR) mit AdBlue durchgeführt) gelöst. Die NOx- und Partikelemissionen wurden in den vergangenen Jahren besonders stark reduziert:

  • Beim Lkw in der letzten Stufe (gegenüber Euro V) 80 Prozent NOx-Reduktion und 50 Prozent Partikelreduktion.
  • Beim Pkw wird die 80-prozentige Partikelreduktion bereits mit Euro 5 umgesetzt. Mit Euro 6 wurden nun vor allem die NOx-Emissionen nochmals um 56 Prozent reduziert.

Abbildung 2: Entwicklung der Abgasstufen von Diesel-Pkw.
Quelle: VDA
Abbildung 2: Entwicklung der Abgasstufen von Diesel-Pkw.
Quelle: VDA
Diese Entwicklung ist z. B. für innerstädtische Bereiche und deren Anforderungen an die Luftreinhaltung von besonderem Interesse. Die Automotive-Branche in Nordrhein-Westfalen begegnet dieser Herausforderung in der Abgasgesetzgebung mit der Entwicklung neuer Abgasnachbehandlungssysteme.

Einige NRW-Unternehmen sind Zulieferer von Bauteilen (u.a. zur Abgasnachbehandlung) für die Automobilindustrie und leisten einen Beitrag zur Energieeffizienz, außerdem werden neue Fahrzeugkonzepte entwickelt (z. B. StreetScooter, eGO).

Lastkraftwagen (Lkw) und Busse

Lkw bis 3,5 Tonnen zulässiger Gesamtmasse legten im Jahr 2016 insgesamt 44,7 Milliarden Kilometer zurück (+5,0 Prozent zum Vorjahr), die durchschnittliche Fahrleistung je Fahrzeug blieb dabei auf Vorjahresniveau. Bei größeren Lkw und Sattelzugmaschinen nahm dagegen die durchschnittliche Fahrleistung ab. Für Sattelzugmaschinen erhöhte sich zwar die Jahresfahrleistung auf 19,1 Milliarden Kilometer (+1,9 Prozent zum Vorjahr), die durchschnittliche Fahrleistung je Sattelzugmaschine sank jedoch auf 98.809 Kilometer (-2,1 Prozent zum Vorjahr).

Die Gesamtfahrleistung anderer, zum Gütertransport geeigneten Fahrzeugarten wie Lkw mit 3,5 Tonnen bis sechs Tonnen zulässiger Gesamtmasse (+0,6 Prozent zum Vorjahr) sowie Lkw über 6 Tonnen Gesamtmasse (+3,3 Prozent zum Vorjahr) wies ebenso gestiegene Gesamtfahrleistungen aber abnehmende durchschnittliche Fahrleistungen auf [KBA].

Für Omnibusse ließ sich für 2016 wiederum eine gestiegene Fahrleistung auf insgesamt 4,5 Milliarden Kilometer ermitteln (+3,1 Prozent zum Vorjahr), die mit einer ebenfalls gestiegenen durchschnittlichen Fahrleistung von 58.615 Kilometern einherging (+2,3 Prozent zum Vorjahr) [KBA].

Weil für die Zukunft Regulierungen der CO2-Emissionen auf EU-Ebene zu erwarten sind und in der Logistikbranche der Kraftstoffverbrauch aufgrund der hohen Fahrleistungen als ein entscheidender Wettbewerbsfaktor für die Unternehmen gilt, herrscht hier ein hohes Interesse an verbrauchsarmen Motoren in Verbindung mit einer entsprechenden Fahrweise. Da die Reichweiten der Fahrzeuge hohen Anforderungen genügen müssen, stellt die Elektromobilität in dieser Branche noch keine nennenswerte Alternative dar. Vielmehr wird in mehreren Projekten versucht, die zumeist auf Dieselantrieben basierenden Lkw-Flotten auf Antriebe wie bspw.

LNG (liquified natural gas) oder synthetische Kraftstoffe umzustellen. Während bei LNG-Antrieben das Gas für die Verflüssigung des Kraftstoffs auf -161°C heruntergekühlt wird um die volumetrische Energiedichte des Kraftstoffs zu erhöhen und somit größere Reichweiten zu generieren, können synthetische Kraftstoffe schon in flüssiger Form getankt werden, sind derzeit allerdings noch zu teuer in der Herstellung, als dass sie derzeit wettbewerbsfähig sind.

Die Hybridisierung bzw. Elektrifizierung ist mittel- bis langfristig eine Technologieoption für Busse im Sinne der Luftreinhaltung in den Innenstädten. Das zyklische Routenprofil der Fahrzeuge wirkt sich hierbei positiv auf die Planbarkeit von entsprechenden (Zwischen-) Ladestops aus.

Binnenschiffe

In vielen Ballungsgebieten werden die EU-weit geltenden Luftqualitäts-Grenzwerte noch nicht eingehalten. Daher müssen Minderungsmaßnahmen in allen Verursacherbereichen (insbesondere Industrie und Verkehr) ergriffen werden. Die bei der Industrie und im Straßenverkehr umgesetzten Maßnahmen zeigen bereits Erfolge, aber in einigen Emittentenbereichen z.B. bei Binnenschiffen gibt es noch ungenutzte Minderungspotentiale.

Bei Binnenschiffen besteht im Vergleich zu der fortgeschrittenen Entwicklung der Motoren- und Abgastechnologien im Straßenverkehr inzwischen deutlicher Nachholbedarf, damit sie ihrem Anspruch als umweltfreundliche Alternative zum Straßenverkehr gerecht werden können. Die Abgasemissionen der Schiffe, bezogen auf transportierte Menge und Distanzkilometer (Emissionen/t*km) liegen inzwischen vor allem für NOX und PM10 über denen von Straße und Schiene.

Die derzeitige europäische Binnenschiffsflotte umfasst ca. 15.000 Schiffe. Die Schiffe haben, verglichen mit Straßen- und Schienenfahrzeugen, eine sehr lange Nutzungsdauer von etwa 30 Jahren. Für Binnenschiffsneubauten gibt es zwar bereits verbindliche Vorgaben für eine fortschrittliche Abgas- und Motorentechnik. Diese stehen jedoch immer noch hinter denen des Straßenverkehrs zurück.
Binnenschiffe können wegen des regen Schiffsverkehrs auf Rhein, Weser und Binnenkanälen somit zu einem Problem für die Luftreinhaltung in NRW werden, wobei „ein Schiff bis zu 200 Lkw ersetzen kann“, heißt es beim Bundesverband der Deutschen Binnenschifffahrt in Duisburg. Daher werden im Rahmen von Projekten Alternativen zum Schiffdiesel erprobt, um in Zukunft einen saubereren Schiffsverkehr zu gewährleisten.

Doch nicht nur fahrende Binnenschiffe, auch z.B. im Innenstadtbereich von Köln und Düsseldorf liegende Kreuzfahrt- und Hotelschiffe können durch den permanenten Betrieb ihrer Dieselgeneratoren (Stromversorgung) erheblich zur Luftbelastung beitragen, dieser Problematik wird mit der Erprobung von entsprechenden Landstromanlagen entgegengewirkt.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Einsatz von:

a)    energieeffizienten Antrieben bzw. Motoren / Hybridisierung
b)    Elektromobilitätslösungen (BEV / H2)
c)    Gaskraftstoffen (Kraftstoffe auf Gas-Basis wie z. B. CNG, LPG, LNG, GtL)
d)    (synthetischen) flüssigen Kraftstoffen

den Verkehrssektor in der Zukunft prägen wird. Der Straßenverkehr bietet in diesem Zusammenhang viele Synergien mit anderen Verkehrsträgern wie bspw. Binnenschiffen, welche für NRW – hier befindet sich mit dem Rhein die meistbefahrene Wasserstraße Deutschlands – von besonderem Interesse ist.

Die Aspekte der zunehmenden Automatisierung und Vernetzung sowie der Kraftstoffmarkt, auf welchem sich immer umweltschonendere Kraftstoffe etablieren, werden mittel- bis langfristig zu einem energiesparenden Betrieb von Fahrzeugen beitragen können.

Dr. Frank Köster
Leiter Themengebiet Mobilität
Leiter Netzwerk Kraftstoffe und Antriebe der Zukunft

EnergieAgentur.NRW
0209 1672811
koester@energieagentur.nrw

Gerd Uwe Funk
Mobilität
Kommunikation

EnergieAgentur.NRW
0209 1672813
funk@energieagentur.nrw
XING

Dipl.-Kfm. Christopher Olvis
Themengebiet Mobilität
Netze, Speicher

EnergieAgentur.NRW
0209 1672812
olvis@energieagentur.nrw

Alexander Holle
Elektromobilität
EnergieAgentur.NRW
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0151 65531431
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Sie erreichen die EnergieAgentur.NRW außerdem werktags von 8 bis 18 Uhr über die Hotline unter 0211 - 8371930.