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Benziner, Diesel, Brennstoffzelle oder Elektro - welches Auto hat Zukunft?

Eine PSI-Studie hat die Klimabilanz verschiedener heutiger Antriebe untersucht und zudem ins Jahr 2040 projiziert.

Wer sich dieser Tage ein neues Auto anschaffen möchte, steht vor einer schweren Entscheidung. Denn längst stellen sich mehr Fragen als nur die nach Modell und finanzieller Leistbarkeit: Die Umweltaspekte sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb eines Fahrzeugs gewinnen zusehends an Gewicht - vornehmlich im Hinblick auf den Ausstoss klimaschädlicher Gase wie Kohlendioxid CO2. Ganz besonders gilt das in der Schweiz, denn hier hat der Verkehr für den Klimaschutz grosse Bedeutung: Er verursacht rund ein Drittel aller Treibhausgasemissionen - mehr als die Industrie und auch mehr als der Wohnsektor. Die Rahmenbedingungen für möglichst umweltverträgliche Produktion und Betrieb der Autos schafft die Politik beispielsweise durch Gesetze, Grenzwerte oder Steuern.

Eine PSI-Studie kann beiden - Politikerinnen und Politikern wie auch Konsumenten - helfen. Im Auftrag des Bundesamts für Energie haben der ehemalige Doktorand Brian Cox und Projektleiter Christian Bauer die Umweltauswirkungen von Personenwagen mit verschiedenen Antrieben untersucht. Zur Vergleichbarkeit haben sie ihre Ergebnisse jeweils in CO2-Äquivalenten angegeben.

Seit 2010 sammelten sie Daten, durchforsteten Literatur und Datenbanken, befragten Herstellerfirmen und baten Sachverständige in der Forschung um Informationen, darunter auch die Kollegen und Kolleginnen am PSI. Heraus kam ein sehr differenziertes Bild, wie die verschiedenen Antriebe heute in Sachen Ökobilanz dastehen - und wie sie aller Voraussicht nach in 20 Jahren dastehen werden. Die Studie wagt nämlich zusätzlich erstmals eine Prognose der voraussichtlichen Umweltauswirkungen der Antriebe im Jahr 2040.

«Wichtig ist bei solchen Analysen, den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs zu betrachten», sagt Brian Cox, der inzwischen beim Beratungsunternehmen Infras tätig ist.

Für die Klimabilanz zählt nicht nur der CO2-Ausstoss im Betrieb. Sondern auch der, der bei der Produktion des Autos und seiner Komponenten anfällt sowie bei der Entsorgung. Ausserdem müssen die Emissionen beim Bau der Strassen und diejenigen aus der Produktion des jeweiligen Treibstoffs einfliessen.

Bei Benzinern fallen letztere etwa durch die Erdölförderung und Erdölraffinerie an, bei Brennstoffzellenfahrzeugen durch die Wasserstoff- und bei Elektroautos durch die Stromproduktion. Insgesamt also ein riesiger Rechercheaufwand. «Zumal manche Daten schwierig zu bekommen sind», berichtet Christian Bauer. «Wie so ein E-Auto produziert wird, sagt Ihnen erst mal niemand. Das behandeln die Unternehmen streng geheim.»

Letztlich konnten die Forschenden dennoch alles Notwendige zusammentragen und kamen zu einem klaren Ergebnis: Im Bereich der Personenwagen sollten wir im Sinne des Klimaschutzes auf den batterieelektrischen Antrieb setzen. In der Summe aller Faktoren bringt dieser die geringste Klimabelastung mit sich. Das gilt in der Schweiz schon heute, da der Strom hier vor allem per Wasser- und Atomkraft produziert wird. Der Schweizer Strommix verursacht dadurch nur wenig mehr als 100 Gramm CO2 pro Kilowattstunde, die Energieimporte bereits mitberücksichtig.

Bezeichnend für die Bilanz des E-Autos ist im Übrigen, dass sie vor den ersten gefahrenen Kilometern noch schlechter ist als die anderer Fahrzeuge - aber mit CO2-armem Strom im Vergleich immer besser wird, je mehr man damit fährt. Das liegt daran, dass die Herstellung der Batterie viele Emissionen verursacht, unter anderem weil sie spezielle Metalle enthält, die weit entfernt abgebaut und herantransportiert werden. Doch dieses Manko macht das E-Auto durch die geringen Emissionen im laufenden Betrieb mehr als wett.

Als klimatisch zweitgünstigster Antrieb zeigt sich in der Studie derzeit die Brennstoffzelle - wenn die Voraussetzungen stimmen. Auch hier werden in der klassischen Version die Räder per Elektromotor angetrieben. Allerdings kommt der Strom dafür nicht aus der Steckdose, sondern er wird von einer Brennstoffzelle produziert, die Wasserstoff aus einem Hochdrucktank an Bord mit Sauerstoff aus der Luft in Wasser umwandelt, wobei Energie frei wird. Entscheidend ist, wie der Wasserstoff hergestellt wurde: Stammt er aus Elektrolyse - also der Aufspaltung von Wasser mittels Strom in Sauerstoff und Wasserstoff - und wird diese mit Solarstrom durchgeführt, so ist das sehr klimagünstig. Wird er mit dem Schweizer Strommix hergestellt, ist das etwas weniger günstig. Und regelrecht ungünstig wird die Bilanz, wenn der Wasserstoff aus Erdgas gewonnen wird, also einem fossilen Energieträger.

Autos, die gleich mit Erdgas betrieben werden, sind in ihrer Klimabilanz in etwa vergleichbar mit dem Diesel. Eine Sonderrolle nimmt das sogenannte Synthetic Natural Gas (SNG) ein. Dieser künstliche Erdgas-Ersatz wird erzeugt, indem man zunächst wie bei der Brennstoffzelle per Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser gewinnt. Dieser wird dann mit Kohlendioxid versetzt, das man etwa in einer Biogas-, einer Kehrichtverbrennungsanlage, einem Kohlekraftwerk oder direkt aus der Luft abscheiden kann. Heraus kommt ein Kohlenwasserstoff, der natürlichem Erdgas so sehr ähnelt (beide bestehen hauptsächlich aus Methan), dass er sich ins normale Erdgas-Netz einspeisen lässt. «Erdgas-Autos, die mit SNG fahren, verbrauchen in der Gesamtbilanz allerdings fünf bis sechs Mal so viel Strom wie E-Autos», sagt Bauer. «Denn entlang der Produktionskette von SNG gibt es jede Menge Energieverluste und der Verbrennungsmotor ist ineffizient.»

Warum also überhaupt ein solcher Antrieb? Die Idee bei SNG ist, dass es mit überschüssigem Ökostrom hergestellt wird. Wenn also im Sommer mehr Energie aus Solar- und Windkraftanlagen zur Verfügung steht, als wir nutzen können, muss sie irgendwie gespeichert werden. Dann stünde sie zum Beispiel im Winter zur Verfügung, wenn die erneuerbaren Energieträger schwächeln und der Strombedarf hoch ist. Der Clou ist, dass SNG sich leicht speichern lässt. Kleine Überschüsse speist man einfach ins existierende Erdgasnetz ein, wo es sich jederzeit wieder abzapfen lässt. Und für grosse Überschüsse gibt es günstige und weitgehend verlustfreie Tanks. «Wenn wir in Zukunft tatsächlich viel Ökostrom übrighaben, ergibt SNG daher auch als Personenwagen-Antrieb durchaus Sinn», so Bauer.

Die grosse Frage für die Klimabilanz aller Antriebe bleibt also, wie das europäische Stromnetz der Zukunft aussehen wird. Haben Politik und Gesellschaft den Mut, das System zügig auf erneuerbare Energien umzustellen? Dann könnten die alternativen Motoren ihre Stärken voll ausspielen.

Quelle: TextJan Berndorff,Paul Scherrer Institut PSI, 18. Februar 2020
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Lithium-Ionen-Batterien
Eine heutige Lithium-Ionen-Batterie besteht aus zwei Elektroden - einer Kathode und einer Anode. Die Anode besteht oft aus Graphit, die Kathode aus Metalloxiden wie Kobaltoxid. In diese Materialien nisten sich die Lithium-Ionen beim Laden oder Entladen ein. Die beiden Elektroden sind durch eine Trennwand getrennt, die nur Lithium-Ionen durchlässt. Beim Entladen bewegen sich die Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode. Die dabei frei werdenden Elektronen fliessen über den externen Stromkreis ebenfalls zur Kathode und treiben dadurch ein elektrisches Gerät an. Elektronen und Ionen treffen sich in der Kathode wieder. Beim Laden fliessen Ionen und Elektronen in die umgekehrte Richtung.
Damit eine Batterie gut und lange funktioniert, müssen sich die Ionen gut in die Elektrodenmaterialien hinein und aus diesen heraus bewegen können. Auch sollten sich Form und Grösse des Elektrodenmaterials durch die wiederkehrende Aufnahme und Abgabe der Ionen nicht wesentlich verändern.
Quelle: Text Empa - Materials Science & Technology - Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Mai 2014

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