Batterieelektrische Antriebe führen bei CO2-Reduktion
Während die globale Automobilindustrie ihre Dekarbonisierungsbemühungen beschleunigt, liefert eine neue umfassende Studie des Forschungsinstituts für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren (FKFS) entscheidende Erkenntnisse zur langfristigen Umweltperformance neuartiger Fahrzeugtechnologien. Die unter Leitung von Dr. Tobias Stoll in Zusammenarbeit mit Hans-Jürgen Berner und André Casal Kulzer vom FKFS und dem Institut für Fahrzeugtechnik Stuttgart (IFS) durchgeführte Untersuchung bewertet den vollständigen Lebenszyklus-CO2-Fußabdruck von drei führenden Antriebssystemen: batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV), brennstoffzellenelektrischen Fahrzeugen (FCEV) und Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE-Hybrid), die mit synthetischen E-Fuels betrieben werden.
Die in der Oktober-2024-Sonderausgabe des Tongji University Journal (Natural Science) veröffentlichte Studie präsentiert eine Cradle-to-Wheel-Analyse, die Fahrzeugherstellungsemissionen mit Energieproduktion und -nutzung über verschiedene Stromnetzszenarien hinweg integriert. Dieser ganzheitliche Ansatz geht über direkte Abgasemissionen hinaus, um die tatsächlichen Umweltkosten des Transportwesens in einer durch erneuerbare Energien geprägten Zukunft zu bewerten.
Die Ergebnisse kommen zu einem entscheidenden Zeitpunkt. Die Europäische Union hat eine 100-prozentige Reduzierung der CO2-Emissionen bei neuen Personenkraftwagen bis 2035 vorgeschrieben, was den Verkauf neuer Fahrzeuge, die ausschließlich mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, effektiv auslaufen lässt. Während dieser regulatorische Druck die Einführung elektrifizierter Antriebe beschleunigt hat, hat er auch die Debatte darüber verstärkt, welche Technologien den nachhaltigsten Weg nach vorn bieten – insbesondere da Automobilhersteller Alternativen zur vollständigen Batterieelektrifizierung erforschen, einschließlich Wasserstoff-Brennstoffzellen und CO2-neutraler synthetischer Kraftstoffe.
Stoll und sein Team betonen, dass null Abgasemissionen nicht gleichbedeutend mit null Treibhausgasauswirkungen sind. Der Umweltfußabdruck jedes Fahrzeugs hängt stark davon ab, wie seine Energie produziert wird. Für Elektrofahrzeuge ist die CO2-Intensität des Stromnetzes ein entscheidender Faktor. Ähnlich verhält es sich bei Wasserstoff und E-Fuels: Die bei der Produktion verwendete Stromquelle bestimmt ihren gesamten Klimanutzen.
Um einen fairen Vergleich zu gewährleisten, wählten die Forscher drei repräsentative C-Segment-Limousinenkonfigurationen für das Jahr 2040 aus, basierend auf Daten des FVV-Projekts „Antriebsstrang 2040“. Jedes Fahrzeug wurde für seinen jeweiligen Energieträger optimiert: Lithium-Ionen-Batterien für BEV, Wasserstoff-Brennstoffzellen für FCEV und ein downsized Hybrid-Verbrennungsmotor für den E-Fuel-Betrieb. Alle Fahrzeuge wurden als in der Europäischen Union hergestellt angenommen, mit einer Lebensdauer von 200.000 Kilometern.
Einer der bedeutendsten Befunde betrifft das Fahrzeuggewicht. Die BEV-Konfiguration war die schwerste, hauptsächlich aufgrund des großen Batteriepacks. Das Brennstoffzellenfahrzeug folgte, wobei seine Wasserstoffspeichertanks und der Brennstoffzellenstack beträchtliche Masse hinzufügten. Im Gegensatz dazu war der E-Fuel-Hybrid der leichteste, begünstigt durch die hohe Energiedichte flüssiger Kraftstoffe und eine im Vergleich zu vollelektrischen Modellen kleinere Batterie. Gewichtsunterschiede beeinflussen direkt den Energieverbrauch, insbesondere unter städtischen und gemischten Fahrbedingungen.
Die Studie bewertete die Energieeffizienz über vier standardisierte Fahrzyklen: Real Driving Emissions (RDE), Pendlerverkehr, Autobahn und Stadtfahrten. Diese wurden gewichtet, um typische Nutzungsmuster widerzuspiegeln – 50 % RDE, 20 % Pendlerverkehr, 20 % Autobahn und 10 % Stadtfahrten. Unter Verwendung fortschrittlicher Simulationstools, einschließlich des opt. MO-ECMS-Algorithmus, berechnete das Team die gesamten Well-to-Wheel-Effizienzen für jeden Antriebsstrang.
Die Ergebnisse zeigten, dass das BEV mit 51 % die höchste durchschnittliche Effizienz erreichte, gefolgt vom FCEV mit 22 % und dem E-Fuel-Hybrid mit nur 11 %. Diese Zahlen spiegeln die inherenten Energieverluste jedes Systems wider. Batterieelektrische Fahrzeuge wandeln Netztrom direkt in Bewegung um mit minimalen Verlusten. Brennstoffzellenfahrzeuge, obwohl emissionsfrei am Auspuff, leiden unter Ineffizienzen bei der Wasserstoffproduktion (Elektrolyse), Kompression, Speicherung und Rückumwandlung in Elektrizität. E-Fuels hingegen erfordern sogar noch mehr Schritte: CO2-Abscheidung aus der Atmosphäre, Produktion von grünem Wasserstoff via Elektrolyse, Synthetisierung flüssigen Kraftstoffs (via Methanol-to-Gasoline oder MtG-Prozesse), Raffinierung, Transport und schließlich Verbrennung in einem Motor. Jede Stufe verursacht Energieverluste, was zu einer viel geringeren Gesamteffizienz führt.
Effizienz ist jedoch nur ein Teil der Gleichung. Der zentrale Beitrag der Studie liegt in ihrer Cradle-to-Wheel-Emissionsmodellierung, die Fahrzeugproduktion (Cradle-to-Gate) mit operationalem Energieverbrauch (Well-to-Wheel) kombiniert. Die Forscher untersuchten vier verschiedene Stromnetzszenarien, die unterschiedliche Dekarbonisierungsgrade widerspiegelten: 5 g CO2-Äq/kWh (ein theoretisches Minimum für vollständig erneuerbare Netze), 50 g CO2-Äq/kWh (ein tief dekarbonisiertes System), 200 g CO2-Äq/kWh (derzeitiger EU-Durchschnitt) und 400 g CO2-Äq/kWh (derzeitige deutsche Netzintensität).
Unter dem Szenario mit den höchsten Emissionen (400 g CO2-Äq/kWh) übertraf das BEV den konventionellen Benzin-Hybrid immer noch deutlich. Selbst mit einem kohlenstoffintensiven Netz führt die überlegene Effizienz elektrischer Antriebsstränge zu geringeren Gesamtemissionen. Das FCEV übertraf den fossil betriebenen Hybrid ebenfalls, aber nur wenn die Netzemissionen unter 350 g CO2-Äq/kWh fielen. Der E-Fuel-Hybrid wurde nur unterhalb von 113 g CO2-Äq/kWh wettbewerbsfähig, wenn in der EU produzierter Kraftstoff verwendet wurde.
Das auffälligste Ergebnis zeigte sich in kohlenstoffarmen Netzszenarien. Während Strom sauberer wird, verringert sich die Emissionslücke zwischen BEVs und anderen Technologien, aber das batterieelektrische Fahrzeug behält konsequent den niedrigsten Gesamtfußabdruck bei. Bei 5 g CO2-Äq/kWh betrugen die Cradle-to-Wheel-Emissionen für das BEV ungefähr 20 g CO2-Äq/km, verglichen mit 35 g für das FCEV und 50 g für den in der EU produzierten E-Fuel-Hybrid.
Interessanterweise fand die Studie heraus, dass ein E-Fuel-Hybrid mit Kraftstoff aus Südamerika – wo Solar- und Windressourcen reichlich vorhanden sind und E-Fuel-Anlagen mit nahezu null Emissionen betreiben können – Emissionen von nur 45 g CO2-Äq/km erreichen könnte, selbst unter dem derzeitigen EU-Durchschnitt von 200 g CO2-Äq/kWh. In ultra-kohlenstoffarmen Szenarien näherte sich diese Option der Performance des FCEV an, was darauf hindeutet, dass geografisch optimierte Produktion eine strategische Rolle bei der Dekarbonisierung des Transportwesens spielen könnte, insbesondere für bestehende Fahrzeugflotten.
Eine wichtige Erkenntnis der Forschung ist der Kompromiss zwischen Herstellungs- und Betriebsemissionen. Batterieelektrische Fahrzeuge haben den höchsten Produktionsfußabdruck, hauptsächlich aufgrund der Batterieherstellung. Das FCEV folgt, mit Emissionen, die mit Brennstoffzellenkatalysatoren und Hochdruck-Wasserstofftanks verbunden sind. Der E-Fuel-Hybrid hat die geringste Produktionswirkung, dank seiner kleineren Batterie und konventionellen Motorarchitektur.
Dieser Vorteil schwindet jedoch schnell mit der Zeit. Während Produktionsemissionen feststehen, summieren sich Betriebsemissionen mit jedem gefahrenen Kilometer. In hocheffizienten BEVs, die mit sauberem Strom betrieben werden, wird die anfängliche CO2-Schuld aus der Herstellung innerhalb weniger Jahre ausgeglichen. Im Gegensatz dazu werden die geringeren Produktionsemissionen von E-Fuel-Fahrzeugen durch ihren viel höheren Energieverbrauch und die damit verbundenen vorgelagerten Emissionen ausgeglichen.
Die Studie hebt auch die Bedeutung von Energiespeicherung und Transportfähigkeit hervor. Während BEVs hocheffizient sind, hängen sie von einer robusten Ladeinfrastruktur ab und stehen vor Herausforderungen in kalten Klimazonen und bei Langstreckenanwendungen. Wasserstoff bietet schnellere Betankung und höhere Energiedichte, erfordert aber kostspielige neue Infrastruktur und steht vor Effizienzhürden. E-Fuels können jedoch bestehende Kraftstoffverteilnetze und Verbrennungsmotortechnologie nutzen, was sie zu einer potenziell attraktiven Option für Bestandsfahrzeuge, Luftfahrt und Schiffsverkehr macht.
Stoll und seine Kollegen warnen, dass E-Fuels zwar eine Kreislauf-Kohlenstoffwirtschaft ermöglichen können.– CO2 aus der Luft abscheiden und es in Kraftstoff recyceln – ihre Skalierbarkeit durch die Energieverfügbarkeit begrenzt ist. Die Produktion von genug E-Fuel, um den gesamten Automobilsektor zu versorgen, würde enorme Mengen an erneuerbarem Strom erfordern, was potenziell mit anderen Dekarbonisierungsbemühungen konkurrieren würde. Daher schlagen die Autoren vor, dass E-Fuels möglicherweise am besten für Sektoren reserviert werden, in denen Elektrifizierung unpraktisch ist.
Die Forschung unterstreicht, dass es keine Universallösung gibt. Die optimale Antriebsstrangwahl hängt von der CO2-Intensität des lokalen Energiemixes ab. In Regionen mit kohlelastigen Netzen bieten sogar BEVs einen Klimavorteil gegenüber konventionellen Fahrzeugen, obwohl der Nutzen exponentiell wächst, wenn Netze dekarbonisieren. In Ländern mit reichlich erneuerbarer Energie, wie Norwegen oder Island, erreichen BEVs nahezu null Emissionen. Damit Wasserstoff und E-Fuels ihr volles Potenzial erreichen, müssen auch sie mit sauberem Strom produziert werden.
Die politischen Implikationen sind klar. Um den Klimanutzen neuer Fahrzeugtechnologien zu maximieren, müssen Regierungen die Dekarbonisierung der Stromerzeugung beschleunigen. Investitionen in erneuerbare Energien, Netzmodernisierung und Energiespeicherung sind ebenso kritisch wie die Förderung der Elektrofahrzeugeinführung. Subventionen und Anreize sollten darauf ausgelegt sein, das gesamte Energieökosystem zu unterstützen, nicht nur das Fahrzeug selbst.
Darüber hinaus fordert die Studie mehr Transparenz in der Emissionsbilanzierung. Da Automobilhersteller zunehmend Wasserstoff und E-Fuels als „grüne“ Alternativen bewerben, benötigen Verbraucher und Regulierungsbehörden genaue, lebenszyklusbasierte Daten, um informierte Entscheidungen zu treffen. Marketingbehauptungen von CO2-Neutralität müssen im Kontext der tatsächlichen Produktionsmethoden geprüft werden.
Die Autoren betonen auch die Bedeutung von Recycling und End-of-Life-Management. Während Entsorgungsemissionen aufgrund ihrer relativ geringen Auswirkung von dieser Studie ausgeschlossen wurden, sollte zukünftige Forschung hohe Recyclingquoten für Batterien, Brennstoffzellen und Fahrzeugkomponenten einbeziehen, um Lebenszyklusemissionen weiter zu reduzieren.
Zusammenfassend bietet die FKFS-geführte Analyse einen robusten Rahmen zur Bewertung der wahren Umweltperformance neuartiger Fahrzeuge. Sie bestätigt, dass batterieelektrische Fahrzeuge in Kombination mit einer sauberen Energieversorgung den niedrigsten CO2-Fußabdruck über den gesamten Lebenszyklus hinweg bieten. Brennstoffzellenfahrzeuge und E-Fuel-Hybride können komplementäre Rollen spielen, insbesondere in bestimmten Anwendungen oder Regionen, aber ihre Klimavorteile sind empfindlicher gegenüber der CO2-Intensität der Energieproduktion.
Während die Automobilindustrie den Übergang zur Nachhaltigkeit bewältigt, dient diese Forschung als wichtiger Referenzpunkt. Sie erinnert Interessengruppen daran, dass der Weg zur Dekarbonisierung nicht nur darin besteht, Motoren durch Batterien zu ersetzen, sondern das gesamte Energiesystem, das Mobilität antreibt, zu transformieren. Das Fahrzeug der Zukunft ist nicht nur elektrisch – es wird von einem saubereren, intelligenteren und nachhaltigeren Netz angetrieben.
Die Methodik der Studie, die detaillierte Fahrzeugsimulation mit umfassender Energiekettenanalyse kombiniert, setzt einen neuen Standard für die Lebenszyklusbewertung in der Automobilforschung. Sie unterstreicht auch den Wert interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Ingenieurwesen, Energiesystemen und Umweltwissenschaften.
Für Verbraucher ist die Botschaft klar: Die Wahl eines Elektrofahrzeugs ist ein Schritt in Richtung Nachhaltigkeit, aber der vollständige Klimanutzen hängt davon ab, wo und wie der Strom erzeugt wird. Für politische Entscheidungsträger ist die Erkenntnis, dass Fahrzeugvorschriften von Energiepolitik begleitet werden müssen, die erneuerbare Energien priorisiert. Und für die Industrie bestätigt die Forschung, dass, obwohl Innovation bei Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen wertvoll ist, die effektivste kurz- bis mittelfristige Strategie zur Reduzierung von Transportemissionen die Elektrifizierung von Fahrzeugen bleibt, die mit sauberer Energie betrieben werden.
Während die Welt sich 2040 nähert – dem Horizont der Fahrzeugprojektionen dieser Studie – bieten die Ergebnisse sowohl Orientierung als auch Dringlichkeit. Die Technologien existieren, um eine tiefgreifende Dekarbonisierung im Transportwesen zu erreichen. Was jetzt benötigt wird, ist der politische Wille, Infrastrukturinvestitionen und öffentliches Engagement, um dies zur Realität zu machen.
Tobias Stoll, Hans-Jürgen Berner, André Casal Kulzer, FKFS und IFS, Universität Stuttgart
Tongji University Journal (Natural Science), DOI: 10.11908/j.issn.0253-374x.24726