Solar-, Windenergie und Batterien viel effizienter für neue Antriebstechnologien als E-Fuels.

Weltweit werden derzeit mehr als 1,4 Milliarden Fahrzeuge von konventionellen Verbrennungsmotoren angetrieben, davon 300 Millionen in Europa. Hinzu kommen weltweit rund 27.000 Flugzeuge und 90.000 Schiffe, für die keine sinnvolle technische Alternative in Sicht ist. Diese bestehenden Flotten werden auch in den kommenden Jahrzehnten die Grundlage für Mobilität bilden. Darüber hinaus werden allein in der EU rund 20 Millionen Heizungen mit konventionellen flüssigen und gasförmigen Brennstoffen betrieben. Vor diesem Hintergrund ist die nachhaltige Lösung für den Klimaschutz durch den Einsatz CO2-armer Kraftstoffe zu sehen.

Der individuelle Straßenverkehr verursacht 74 % der CO2-Emissionen im Verkehrssektor (IES 2022).  Er hat einen Anteil von 20 % an den Gesamtemissionen. Die Folgen des Klimawandels werden immer deutlicher. In Zukunft werden große Gebiete der Erde zunehmend schwerwiegenden Risiken ausgesetzt sein, beispielsweise durch steigende Temperaturen, steigende Meeresspiegel oder häufigere extreme Wetterereignisse. Um die globale Erwärmung und ihre Folgen zu begrenzen, ist es notwendig, die CO2-Emissionen deutlich zu reduzieren. Die Europäische Union (EU) hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2050 keine Kohlendioxid (CO2)-Emissionen mehr zu verursachen. Was muss getan werden, um eine Dekarbonisierung zu erreichen? Ein möglicher Weg zu einer nachhaltigeren Mobilität ist die Entwicklung und Umsetzung alternativer Antriebe. Deshalb gibt es einen grundlegenden Wandel hin zu einer klimaneutralen Mobilität. Aber: welche alternative Antriebstechnologien zu fossilen Brennstoffen gibt es? Unter dem Begriff „alternative Antriebe“ fallen sowohl elektrische Antriebe als auch herkömmliche basierend auf E-Fuels.

E-Fuels haben in letzter Zeit im Transportsektor zunehmend an Interesse gewonnen, insbesondere im Zusammenhang mit dem mittel- bis langfristigen Schiffs- und Luftverkehr sowie dem Schwerlastverkehr auf der Straße. Das Potenzial und die Machbarkeit von E-Fuels für einzelne Personenkraftwagen sind jedoch nach wie vor begrenzt. Elektrische Antriebe haben sich aufgrund bedeutender Fortschritte bisher als praktischer und tragfähiger für die Emissionsreduzierung erwiesen. E-Kraftstoffe stehen weiterhin vor Herausforderungen, insbesondere im Hinblick auf die Energieumwandlungseffizienz von Elektrizität in Fahrzeugenergie und die damit verbundenen hohen Produktionskosten.

Deutlicher Anstieg bei Elektroautos.

Obwohl der Verbrennungsmotor nach wie vor das vorherrschende Antriebssystem ist, ist ein deutlicher Anstieg der Zahl neu zugelassener Fahrzeuge mit alternativen Antrieben zu verzeichnen. Im Jahr 2022 waren erstmals fast die Hälfte der neu zugelassenen Fahrzeuge Personenkraftwagen mit alternativen Antriebssystemen. Elektroantriebe werden mit gespeicherter Elektrizität betrieben, wodurch der Bedarf an fossilen Brennstoffen entfällt und Emissionen reduziert werden. Sie bieten im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen eine potenziell doppelt so hohe Energieeffizienz. Batterieelektrische Fahrzeuge werden immer beliebter.

E-Fuels sind synthetische Kraftstoffe, die durch die Kombination von aus Elektrizität gewonnenem Wasserstoff mit Kohlenstoff, typischerweise Kohlendioxid, oder Stickstoff hergestellt werden, um eine Reihe von Kraftstoffen zu erzeugen. Sie sind mit bestehenden Fahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen kompatibel und können als „Drop-in“-Kraftstoffe verwendet werden, die herkömmliche Kraftstoffe nahtlos ersetzen. Synthetische Kraftstoffe wie E-Fuels sind im Straßenverkehr noch kaum verbreitet. Sie werden aber als Alternative zu fossilen Kraftstoffen gesehen. Die Europäische Union hat die Neu-Zulassung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ab 2035 nur dann erlaubt, wenn sie mit E-Fuels betrieben werden.

Energieeffizienz Well-to-Wheel im Vergleich.

Wie ist die Energieffizienz von E-Fuels in Verbrennungsmotoren im Vergleich mit batterieelektrischen Antrieben? Die Energieeffizienz von E-Fuels und batterieelektrischen Antrieben kann anhand des Well-to-Wheel-Ansatzes verglichen werden. Well-to-Wheel berücksichtigt die Effizienz vom Ursprung der Energie bis zur Bewegung des Fahrzeugs. Eine Aussage also, wie viel der Ursprungsenergie am Schluss über die Räder als Bewegung auf die Strasse gelangt.

Elektroauto - Batterieelektrische Antriebe (BEVs), etwa 28 kWh pro 100 km.

Ein Elektroauto verbraucht im Durchschnitt etwa 15 kWh Strom auf 100 km seiner ursprünglichen Betriebsenergie. Durch Umwandlungsverluste und Wärmeentwicklung steigt der Energiebedarf auf etwa 17 kWh pro 100 km. Die Herstellung der Batterien ist energieintensiv und benötigt bis zu 180 kWh Strom pro 100 kWh Kapazität. Über die Lebensdauer eines Elektroautos (z.B. 50 kWh Akku, 100.000 km) beträgt der Gesamtenergieverbrauch etwa 28 kWh pro 100 km.

E-Fuels in Verbrennungsmotoren (Benzin / Diesel).

Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, das mit E-Fuels (Benzin / Diesel) betrieben wird, benötigt etwa 33 kWh Energie auf 100 km. Die Produktion von E-Fuels aus Wasserstoff und CO₂ hat eine Effizienz von etwa 55%. Also von 100% Energie bleiben noch 55% in E-Fuels. Der Gesamtenergieverbrauch für E-Fuels beträgt etwa 14,1% im Well-to-Wheel-Ansatz.

Vergleicht man nun Elektroautos mit Verbrennungsmotoren, die mit E-Fuels (Benzin / Diesel) betrieben werden, ergibt sich Folgendes:

Elektroautos (BEVs) haben eine viel höhere Effizienz im Betrieb. Die Herstellung der Batterien ist jedoch energieintensiv, was sich jedoch schon heute im Vergleich zu einigen Jahren verbessert hat. Zudem haben die meisten Batteriehersteller ihre Produktion auf grünen Strom umgestellt, was gerade die CO2 Bilanz der Batterien wesentlich verbessert.

E-Fuels haben eine viel geringere Gesamteffizienz. Durch die mögliche Nutzung der bestehenden Infrastruktur sind aber flexibler und die Speicherung ist einfacher. E-Fuels sind keine primäre Energiequelle, sondern eher ein sekundärer Energieträger. Ihre Produktion und Nutzung sind mit einer Reihe von Umwandlungsverlusten verbunden. E-Fuels konkurrieren in der Regel mit direkten Elektrifizierungspfaden für ähnliche Endanwendungen, die in der Regel weniger Umwandlungen erfordern und potenziell energieeffizienter sind.

Gesamtwirkungsgrad nach Anwendung im Vergleich.

Je nach Anwendung und den jeweiligen Technologien liegt der Gesamtwirkungsgrad von E-Kraftstoffen, definiert als Umwandlung von Strom in Nutzenergie, zwischen etwa 10 % und 35 %. Dies erfordert Stromerzeugungsanforderungen, die zwei- bis vierzehnmal höher sind als bei Alternativen zur direkten Elektrifizierung.

Bei der E-Fuel-Produktion variieren die genauen Effizienzwerte je nach Art der Elektrolyse, Synthese und Kraftstoffart. Die Herstellung von Kohlenwasserstoff aus Elektrizität erfordert derzeit mindestens zwei Umwandlungsschritte (Elektrolyse und Kohlenwasserstoffsynthese), wobei die Effizienzverluste bei der Umwandlung von Elektrizität in Kraftstoff etwa 60 % betragen.

Etwa 70 % des verbleibenden Energiegehalts von E-Kraftstoff gehen verloren, wenn er für mechanische Arbeit (in Transportmotoren oder Gasturbinen) verwendet wird, was zu einer Strom-zu-Nutzenergie-Effizienz für den Transport von etwa 10 % führt.

Die Verwendung von E-Kraftstoffen in einem Verbrennungsmotor eines Personenkraftwagens erfordert daher etwa fünfmal mehr (erneuerbare) Elektrizität als die direkte Nutzung von Elektrizität in einem gleichwertigen batteriebetriebenen Fahrzeug. Bei Elektroautos sind die Umwandlungsketten kürzer und der Großteil der elektrischen Energie bleibt erhalten. Was den privaten Transport-Sektor betrifft, sprechen alle Faktoren aus heutiger Sicht für eine schnellere und konsequentere Elektrifizierung des Verkehrs.

E-Fuels für die Nieder- oder Hochtemperaturheizungen im Vergleich zu Erdgas und Wärmepumpen.

Wenn E-Fuels für Niedertemperaturheizungen (<100 °C) in Gebäuden und in der Industrie verwendet werden, ist der Effizienznachteil in erster Linie auf Verluste bei der E-Fuel-Produktion zurückzuführen. Im Vergleich dazu sind aktuelle Gaskessel hocheffizient. Die Effizienz von E-Fuels für Niedertemperaturheizungen ist im Vergleich Wärmepumpen mit direkter Stromnutzung etwa halb so hoch, also etwa nur 50%.

Bei der Hochtemperatur-Wärmeversorgung (>100 °C) in industriellen Anwendungen hängt die Effizienz von Gaskesseln und -öfen ab, die Wirkungsgrade zwischen etwa 50 und 90 % aufweisen, je nach Temperatur und industriellem Prozess. Wärmepumpen hingegen können Strom sehr effizient direkt nutzen und erreichen einen Leistungskoeffizienten (COP; Verhältnis von Wärmeabgabe zu Stromaufnahme) von mehr als 2. Dies führt zu Energieeffizienzen, die 6–14 Mal höher sind als bei der Verwendung von E-Kraftstoffen.

E-Fuels im Vergleich zu Biokraftstoffen.

Biokraftstoffe werden aus organischen Stoffen wie Nutzpflanzen, landwirtschaftlichen Rückständen oder Abfallbiomasse gewonnen. Zu den gängigen Arten gehören Ethanol und Biodiesel, die herkömmlichen Kraftstoffen beigemischt oder in speziellen Motoren verwendet werden können. Biokraftstoffe sind erneuerbar und können die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu fossilen Brennstoffen erheblich reduzieren. Sowohl E-Fuels als auch Biokraftstoffe bieten in der Theorie potenzielle Vorteile für die Dekarbonisierung des Transportsektors. E-Fuels haben jedoch den Nachteil der oben beschriebenen tiefen Energieeffizienz aufgrund des erheblichen Energieeinsatzes an erneuerbarem Strom für die Produktion. Biokraftstoffe hingegen basieren auf landwirtschaftlichen Rohstoffen, was Bedenken hinsichtlich der Landnutzungsänderung und der Konkurrenz mit der Lebensmittelproduktion aufwerfen kann. Sie sind also nicht skalierbar und im grossen Massstab nicht einsetzbar.

Gesamtwirkungsgrad von E-Fuels.

Je nach Anwendung und den jeweiligen Technologien liegt der Gesamtwirkungsgrad von E-Kraftstoffen, definiert als Umwandlung von Strom in Nutzenergie, zwischen etwa 10 % und 35 %. Dies erfordert Stromerzeugungsanforderungen, die zwei- bis vierzehnmal höher sind als bei Alternativen zur direkten Elektrifizierung.