PKW-Emissionen

Im PKW-Verkehr der Bundesrepublik sind wesentliche Emissionen wie Schwefeldioxid, Feinstaub und NMVOC sehr deutlich und zum Teil bis auf null reduziert worden. Beim NMVOc (Non Methane Volatile Organic Compounds) handelt es sich um flüchtige organische Verbindungen ohne Methan, wie z.B. das krebserregende Benzol. Die flüchtigen organischen Substanzen (VOC) konnten zwischen 1990 und 2018 um 72% gesenkt werden, z.B. durch Gasrückführungssysteme an Tankstellen.

Allerdings konnte wegen der Zunahme der PKWs und auf Grund der Motoren mit Kraftstoffverbrennung die Emissionen bei Kohlendioxid kaum und bei Stickoxiden auf Grund des Einsatzes von Katalysatoren immerhin auf 60% der Emissionen des Jahres 1995 gesenkt werden.

Erst nach Übergang vom Verbrenner auf Elektromobile und dem Einsatz von grünem Strom werden sich dann auch die Schadstoffe Kohlendioxide und Stickoxide weitgehend vermeiden lassen.

PKW-Verkehrswende

1. Sachstand

Die schwierigste Ausgangssituation besteht im Bereich Verkehr. Dort steht der Abschied vom Verbrenner an, was in einem Land wie Deutschland besonders schwierig ist. Hier wurde der erfolgreiche Dieselmotor erfunden und weltweit vermarktet.

Der Individualverkehr mit z.Z. mehr als 46 Mio. PKW in Deutschland wird sich nur zum Teil auf ÖPNV bzw. auf den Schienenverkehr verlagern können. Ziel muss allerdings sein, die Emissionen drastisch zu verringern, was hauptsächlich durch die Elektromobilität auch möglich sein wird. Für den Güterverkehr und die Luftfahrt wird nur ein geringer Teil über Elektromobilität realisiert werden können, hier werden tendenziell Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe zur Anwendung kommen.

Wir müssen aber einfach zur Kenntnis nehmen, dass die Wirkungsgrade (Input zu Output) beim Verbrenner sehr viel schlechter als z.B. bei Fahrzeugen mit Elektroantrieben sind:

• Wirkungsgrad Verbrenner 20 -25 %
• Wirkungsgrad Fahrzeug mit Elektromotor 75 – 80 %

Damit benötigen Elektrofahrzeuge nur etwa 1/3 der Antriebsenergie von Verbrennungsmotoren.

Nach Aussage des Kraftfahrt-Bundesamtes (KBA) gab es zum 1.1. 2020 folgenden Überblick über den Fahrzeugbestand in Deutschland:

1. Fahrzeugbestand 65,8 Millionen Stück
2. PKW-Bestand 47,7 Millionen Stück
3. Jahresfahrleistung aller PKW 632 Mrd. km
   51,4% Diesel und 46,2% Benziner

4. Anteil deutscher Marken 63,7 %
5. Durchschnittsalter 9,6 Jahre
6. Fahrzeugdichte in Deutschland 701 Kfz je 1000 Einwohner

Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur liefert dazu für das Jahr 2018 Verbräuche und mit den Zahlen des KBA ergibt sich für das 2018 folgende Situation:

1. Benziner 25 Mrd. Liter/a, bei einer Fahrleistung 320,6 Mrd. km sind das durchschnittlich 7,8 Liter Benzin pro 100 km.
2. Diesel 21 Mrd. Liter/a, bei einer Fahrleistung von 297,6 Mrd. km sind das durchschnittlich 7,06 Liter Diesel pro 100 km.
3. Die restliche Fahrleistung von 12,6 Mrd. km entfällt auf Elektrofahrzeuge und auf z.B. Fahrzeuge mit Biokraftstoffe.

2. Vorteile des Elektromobils zum Verbrenner

Die Diskussion um zukünftige Antriebe für PKW in Deutschland bis zum Jahr 2050 hat längst begonnen. Wie dies auch in anderen Bereichen diskutiert wird, muss auch der Verkehrssektor, vorerst zumindest im PKW-Bereich, weitgehend elektrifiziert werden. Wie in der nachfolgenden Grafik dargestellt, hat die batterieelektrische Mobilität große Vorteile, weil der Elektromotor eine fast 3-fach höhere Effizienz aufweist als der Verbrennungsmotor. Die direkte Nutzung von grünem Strom ist grundsätzlich der effizienteste Weg, um fossile Kraftstoffe zu ersetzen. Die erneuerbaren Alternativen beim Verbrenner, wie z.B. Antriebe mit Wasserstoff, erneuerbares Methan und andere Biomasse-Kraftstoffe haben immer den Nachteil, dass der sehr schlechte Wirkungsgrad des Verbrenners die Bilanz beeinträchtigt.

Man muss einfach zur Kenntnis nehmen, dass der klimaneutrale Verbrenner gegenüber dem klimaneutralen Elektrofahrzeug fast die 3-Fache Menge an erneuerbarer Energie benötigt.

3. Perspektive für batterieelektrische Fahrzeuge bis zum Jahr 2050

Bei der nachfolgenden Grafik sind exponentiell ansteigende Zahlen für Elektrofahrzeuge unterstellt worden. Um die dargestellten Ziele, im Jahr 2050 die Verbrenner um mehr als 90% zu dezimieren, müssen jährlich Förderbeträge von etwa 30 Mrd. Euro bewilligt werden, um ausreichende Anreize zu setzen. Verbunden mit dem massiven Ausbau von Elektro-Ladestationen ist dieser radikale Umbau aber erreichbar.

Quelle: KBA für das Jahr 2019 und eigene Berechnungen für die Zukunft

In der folgenden Grafik wird deutlich, dass der heutige Energieeinsatz für PKWs in Deutschland von etwa 600 TWh/a auf 200 TWh/a im Jahr 2050 sinken kann, wenn es politisch gewollt wird und die einzelnen Markpartner die entsprechenden Anreize erhalten.

4. Energieeinsparungen durch batterieelektrische Fahrzeuge

Die nachfolgende Grafik zeigt, dass die Umstellung vom Verbrenner auf Elektromobilität im PKW-Bereich einer der wichtigsten und effektivsten Maßnahmen darstellt, um die Energiewende bis zum Jahr 2050 zu realisieren.

Bei der Darstellung wurde der Status quo des Jahres 2019 in etwa beibehalten. Die Anzahl der PKW in Deutschland wurde allerdings von 46 Mio. Stück in 2019 auf 38 Mio. Stück ab dem Jahr 2040 gesenkt.

Vergleich der Wirkungsgrade zwischen Verbrenner und Elektromobil

Die vorherrschenden Antriebe bei PKWs sind Benzin- und Dieselmotoren, obwohl die Wirkungsgrade (abgegebene Energie zu zugeführter Energie) mit ca. 25% sehr schlecht sind. Das hängt mit dem Verbrennungsmotor zusammen, der bereits beim Verbrennungsvorgang ca. 70% der eingesetzten Energie verliert. Elektromotoren für automobile Anwendungen und zwar Gleichstrommotoren (BMW, Peugeot) als auch Drehstrom-Asynchronmotoren (Daimler, Opel) haben aber prozessbedingt folgende deutliche Vorteile:

• Der Wirkungsgrad liegt bei ca. 75% und damit braucht der Verbrenner fast die 3-fache Energiemenge wie das Elektroauto.
• Die Drehmomentcharakteristik stellt sicher, dass bereits ab Drehzahl Null annährend das maximale Drehmoment erreicht werden kann. Die Beschleunigung des Fahrzeugs vom Stillstand übertrifft dadurch auch modere Dieselmotoren deutlich.

Selbst wenn beide Fahrzeugtypen zu 100% mit erneuerbarer Energie betrieben werden, bleibt der große Effizienznachteil des Verbrenners.

Stromtankstellen LKW und PKW

Große LKW mit 40 t zulässigem Gesamtgewicht verbrauchen etwa 40-42 l Dieselkraftstoff pro 100 km. Um diese LKW klimaneutral zu machen, bieten sich synthetische Kraftstoffe wie Bio-Methan oder Bio-Diesel an. Werden diese bzw. neu entwickelte LKW mit Elektroantrieb bereitgestellt, muss die Batterie bzw. der Akku eine Kapazität von rd. 1000 KWh bereitstellen, damit der LKW eine Reichweite von rd. 600 km erreicht. Eine solche Batterie wiegt derzeit noch rd. 6 t und beeinträchtigt das Ladevolumen um rd. 20%. Der Vorteil liegt allerdings in der deutlich besseren energetischen Effizienz. Der Elektro LKW benötigt nur rd. 1/3 der Energie eines LKW mit Bio-Diesel. Die Fa. Volvo bietet mit dem FH Electric bereits ein derartiges Fahrzeug an.

Wird die Betankung mit einer Leistung von 500 KW durchgeführt dauert der Betankungsvorgang rd. 2 Stunden und bei einer Betankung mit 1000 KW nur rd. eine Stunde.

Infrastrukturell bietet sich da eine Vielzahl von leistungsfähigen Stromtankstellen an den Autobahnen an. Hier müsste dann auch die Infrastruktur für die Einbindung von großen Windkraftanlagen oder PV-Anlagen geschaffen werden.

Die Prognosen zeigen, dass bereits im Jahr 2030 der Umsatz an öffentlichen Ladestationen in Deutschland mehr als 3,3 Mrd. Euro/a betragen wird.

Dabei kommen für das PKW-Laden Anlagen wie z.B. der E-Charger 600 der Fa. Enercon zum Einsatz, der über vier Ladesäulen eine elektrische Leistung von 50 KW, 100 KW, 150 KW und über das HPC-Laden 350 KW jeweils zur Verfügung stellen kann.

Umstellung der Mobilität von Flugverkehr und Schwerlastverkehr.

Die sogenannte restliche Mobilität im Jahr 2019 betrifft:

• 3,2 Mio. Lastkraftwagen
• 2,2, Mio. Zugmaschinen
• 1,9 Mio. Land- und forstwirtschaftliche Zugmaschinen.
• Deutsche Luftfahrtwirtschaft mit mehr als 11 Mrd. Liter/a Kerosin

Die deutschen Fluggesellschaften:

• Deutsche Lufthansa
• Lufthansa City Line
• Germanwings
• Eurowings
• Condor
• Air Dolomiti
• SWISS International
• Austrian
• Brussels Airlines
• Edelweiss Air
• TUIfly

benötigten im Jahr 2018 etwa 11,4 Mrd. Liter Kerosin. Auf den deutschen Luftraum bezogen dürften allerdings nur etwa 20% dieser Menge relevant sein.

In der Luftfahrt werden unterschiedliche Flugturbinenkraftstoffe eingesetzt, wobei der Kerosin-Kraftstoff Jet A-1 der dominierende Kraftstoff ist. Die nachfolgende Grafik zeigt einige Verfahren zur Produktion von grünem Kerosin. Über die unterschiedliche Fraktionierung bei diesen Verfahren lässt sich auch grünes Benzin oder grüner Diesel herstellen. Von grünem Kerosin wird immer dann gesprochen, wenn bei der Verbrennung von Kerosin kein neues, zusätzliches Kohlendioxid entsteht und Erneuerbarer Strom für Wasserstofferzeugung eingesetzt wird.

Im europäischen Luftverkehr wird bei Langstreckenflügen über 4000 km deutlich über 50% der Kohlendioxidemissionen der Branche verursacht, während die Flüge bis 600 km (30% der Abflüge) weniger als 5% der Kohlendioxidemissionen verursachen.

Die Bundesregierung hat im Jahr 2021 beschlossen, dass der Anteil erneuerbarer Energien im Verkehrsbereich bis zum Jahr 2030 auf 28% angehoben wird. Mit dieser Gesetzesnovelle wird die EU-Richtlinie für Erneuerbare Energien im Verkehrsbereich (bis zum Jahr 2020 14%-Anteil) deutlich übertroffen. Mittels der Treibhausgasminderungs-Quote (THG-Quote) werden Mineralölunternehmen verpflichtet, die Treibhausgasemissionen entsprechend zu senken.

Einige der nachstehenden Verfahren haben wir an anderer Stelle schon intensiv dargestellt. Insgesamt muss allerdings festgestellt werden, dass viele Verfahren noch ganz erheblichen Forschungsaufwand benötigen, um weitgehend wettbewerbsfähiges, klimaneutrales Kerosin bereitstellen zu können. Davon abgesehen benötigen einige Verfahren erhebliche Mengen an Erneuerbarem Strom.

Grüner Strom zu wasserstoffbasierten Kraftstoffen (H₂Kraftstoffe)

Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien werden mit zunehmender Produktion von erneuerbarem Strom wesentliche Bereiche unserer heutigen Energieversorgung übernehmen. Einerseits kann durch die Einspeisung von Wasserstoff in Erdgasnetze fossiles Erdgas verdrängt werden und andererseits kann Wasserstoff in Reinform nach einer Methanisierung, unter Einbindung von Kohlendioxyd, erneuerbares Gas in bestehende Erdgasnetze einspeisen.

Wie bereits erwähnt, ist die Sektorenkopplung einer der wichtigsten Bausteine zur Dekarbonisierung bei gleichzeitiger Flexibilisierung der bestehenden Energieversorgung.

Durch den Einsatz von sogenannten PtX-Technologien kann Strom aus erneuerbaren Energien für die Herstellung CO₂-armer synthetischer Energieträger (Power Fuels) und chemischer Grundstoffe genutzt werden. Die spezifischen Investitionskosten werden sich im Laufe der nächsten 20 Jahre deutlich reduzieren.

Ammoniak als Kraftstoff für Schiffe

Weltweit werden jährlich etwa 200 Mio. t Ammoniak (NH₃) hergestellt und davon werden ca. 75 % im Bereich der Düngemittel eingesetzt.

Ammoniak wird bei -33 Grad C flüssig. Bei 20 Grad C beträgt der Verdampfungsdruck ca. 9 bar. Der Heizwert von Ammoniak liegt bei 5,2 KWh/kg und die Energiedichte beträgt 4,25 KWh/l, im Vergleich zu Benzin mit 9,7 KWh/l also eher gering.

Ammoniak, hergestellt mit grünem Wasserstoff und Stickstoff ist ein klimaneutraler Brennstoff, der auch in der Brennstoffzelle grünen Strom herstellen kann, aber auch in Schiffsmotoren klimaneutral einzusetzen ist.

Auf Grund der Vorteile von Ammoniak als Wasserstoffträger gegenüber reinem Wasserstoff überlegen insbesondere große Reedereien weltweit, welche Brennstoffe für große Schiffe Zukunft haben. Dabei werden auch grüne Brennstoffe wie grünes Methan, Methanol und verflüssigtes Erdgas (LNG) betrachtet. Die Schiffsmotorenhersteller, wie z.B. MAN entwickeln Schiffsmotoren, die in der Lage sind, verschiedene Treibstoffe beizumischen (Drop-in Fuels) oder die sich mit unterschiedlichen Kraftstoffen betreiben lassen (Dual Fuel) mit LNG und gleichzeitig z.B. mit Ammoniak, wie der “Der Spiegel“ in seiner Ausgabe 10/2021 schreibt.

Die entscheidenden Fragen bei der Umrüstung der schmutzigen Schiffsbrennstoffe wie Schweröl sind internationale Vereinbarungen über weltweite Seetransporte und Einvernehmen darüber zu erzielen, welche grünen Brennstoffe in ausreichender Menge zur Verfügung stehen und logistisch in den Häfen angeboten werden können. Da grüner Ammoniak mehr als 2-mal teurer als Schiffsdiesel ist, sind natürlich höhere Transportkosten unvermeidlich.

Schiffsmotoren, die Ammoniak-ready sind, werden heute schon produziert und es bedarf nachhaltiger internationaler Vereinbarungen, damit auch der Internationale Schiffsverkehr seinen Beitrag zum Pariser Klimaschutzabkommen erfüllt.