Elektroauto – die Zukunftstechnologie?

Gerne wird darüber diskutiert, dass der Individualverkehr ein sehr großes Problem darstellt. Doch in welcher Hinsicht? Und stimmt das auch? Wenn alle mit dem Fahrrad fahren würden, bestünde kein Problem mit dem Individualverkehr. Also muss es etwas anderes sein, das ein Problem darstellt. Zum einen sind die Emissionen zu nennen, vor allem auch jene, die zusätzlich zum klimaschädlichen CO2 entstehen. Wenn man sich die sich rasch schwärzenden Gebäude in den Städten anschaut, kann man sich leicht vorstellen, welchen Dreck wir einatmen, weil wir unsere eigene Luft verpesten.
Zum zweiten sind es die elend langen Staus, die uns durch überfüllte Straßen, dazu verdammen trotz unseres geschätzten Individualverkehrs unnötig viel Zeit damit zu verbringen, nicht voran zu kommen. Eine weitere Herausforderung, die auf uns zukommt, ist, dass wir aktuell mit großer Geschwindigkeit unsere fossilen Ressourcen aufbrauchen. Dass sich etwas an unserer Mobilität ändern muss, und wird ist allein deshalb schon eine Tatsache.

Aber wie soll es sich ändern? Ändern wir die Technologie? Ändern wir das Konzept? Für beides gibt es gute Gründe, aber auch Nachteile. Wahrscheinlich wird es beides sein, wobei ich der festen Überzeugung bin, dass auch der Individualverkehr weiterhin eine tragende Rolle spielen wird. Ungeachtet aber ob individueller oder öffentlicher Verkehr, es bleibt die Frage nach der Technologie, die sich ändern wird.

Eine Bedingung wird sie wohl erfüllen müssen. Und das wäre die, dass keine Emissionen innerhalb der Städte verursacht werden und bezogen auf den Gesamtprozess von Energiegewinnung bis hin zur Nutzung, müssen die Emissionen gering sein.

Damit fällt der Verbrennungsmotor insbesondere mit kohlenstoffhaltigen Energieträgern aus. Selbst ohne Kohlenstoff im Energieträger würden sich die Stickoxide nur sehr schlecht vermeiden lassen. Ohnehin scheint für viele die Antwort bereits klar zu sein, denn das Elektroauto wird gerne als Zukunftstechnologie dargestellt. Die paar Nachteile, wie Ladezeit und Reichweite würden schließlich noch behoben werden, behaupten Befürworter und verweisen auf die technische Entwicklung.

Der Vorteil, dass keine Emissionen innerhalb der Städte entstehen, ist unbestreitbar. Auch können die Emissionen der gesamten Kette sehr niedrig sein, nämlich dann, wenn der elektrische Strom, mit dem die Akkus aufgeladen werden, emissionsfrei aus erneuerbaren Energien gewonnen wird.

Hierbei ist es weder realistisch nur dann Auto zu fahren, wenn die Sonne scheint, noch elektrischen Strom direkt zu speichern. Durch chemische Speicher, die Wirkungsgrade von 60 – 95 % aufweisen, kann das Problem der Schwankungen von der Einspeisung der erneuerbaren Energien innerhalb eines Tages weitestgehend entschärft werden. Aus diesem Grund werden elektrische Autos auch gerne als Lösung der Umwandlung unserer Energieversorgung angesehen. Abgesehen von der Problematik der langen Ladezeiten und der geringeren Reichweite, gibt es allerdings einen weiteren Nachteil der weitaus gravierender ist. So lässt sich die Reichweite durch sparsame, leichtere Fahrzeuge und Akkus mit mehr Speicherkapazität durch weitere Entwicklungen durchaus steigern. Die Ladeproblematik kann durch automatisiert austauschbare Akkus nahezu vollständig gelöst werden. Auch gibt es viele Fahrzeuge, die nie für längere Strecken verwendet werden, wodurch diese Nachteile für den Nutzer nicht zum Tragen kommen. Das bedeutet, es gibt eine gewisse Anzahl von Fahrzeugen, die sich dafür anbieten, mit reinem Akkubetrieb zu fahren. Durch diese optimale Nutzung unserer Potenziale lässt sich unsere Energieeffizienz erhöhen, aber mit einem entscheidenden Nachteil. Die Versorgungs­sicherheit von elektrischem Strom durch erneuerbare Energie im Winter, und vor allem in ein bis zwei wöchigen Perioden mit wenig Wind- und Solarenergie, ist sehr schwierig und wird durch Elektroautos zusätzlich erschwert. Diese können nämlich nicht systematisch während mehreren Tagen nicht beladen werden, da sie ansonsten nicht mehr genutzt werden können – dies würde einen Eingriff in die Versorgungssicherheit darstellen, der nicht von der Bevölkerung akzeptiert werden wird. Dadurch verschärfen Elektroautos in gewisser Weise das Problem, das sie von der Idee her lösen sollten. Denn je mehr Elektroautos betrieben werden, umso mehr Reservekapazitäten müssen für die Stromproduktion im Winter bereit­gehalten werden.

Deshalb ist es wichtig, Energieträger zu haben, die länger speicherbar sind, wobei aber jeder zusätzliche Umwandlungsprozess neben dem technischen Mehraufwand auch einen geringeren Gesamtwirkungsgrad bedingt. Oft wird in diesem Zusammenhang von „Power-to-gas“ gesprochen. Dabei wird elektrischer Strom verwendet um mittels Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff zu gewinnen und, falls gewünscht, in einem nachgelagerten Prozess mit CO2 daraus Methan zu produzierten.

Je effizienter unsere solaren Potenziale genutzt werden, umso weniger Versorgungssicherheit ist im Winter gewährleistet – zum Beispiel im Fall von Elektroautos und Photovoltaik. Deshalb ist es wichtig, Strukturen zu schaffen, die beide Vorteile nutzen können und einen Kompromiss zwischen effizienter Nutzung und Speicherbarkeit darstellen. Es ist wichtig Energie, die direkt zur Verfügung steht, – Solar- und Windenergie – möglichst direkt zu nutzen und jene Energie, die eine hohe Speicherbarkeit aufweist – indem Fall Wasserstoff oder Methan – nur dann zu nutzen, wenn keine andere Nutzenergie verfügbar ist.

Die Alternative von Photovoltaikstrom und dessen Nutzung in Elektroautos, kein einen solaren Wirkungsgrad, wie in der nachfolgenden Gleichung zu sehen, von 10,3 % aufweisen. Wir wissen aber, dass die Versorgungssicherheit im Winter unter keinen Umständen gesichert sein kann, weil der produzierte elektrische Strom der Photovoltaikanlagen sehr gering ist und einem hohen Strombedarf gegenübersteht, der nicht durch diese Energiequelle gedeckt werden kann.

η_Batterie =

η_Photovoltaik * η_Transport * η_(Speicherung im Akku) * η_(Umwandlung in mechanische Energie)

=15% * 90% * 80% * 95%

=10,3 %

Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus dem mit Photovoltaik produzierten elektrischen Strom Wasserstoff zu gewinnen und diesen als Treibstoff in Brennstoffzellenautos zu nutzen. Werden hier die Teilwirkungsgrade miteinander multipliziert, ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 2,9 %, der 5‑mal niedriger ist als bei Elektroautos mit Batterie und PV-Strom. Wasserstoff oder Methan ist durchaus über längere Zeit speicherbar. Sie können im Sommer eine große Über­dimension­ierung von Photovoltaik- und Windenergieanlagen rechtfertigen, weil überschüssige Energie umgewandelt, und stofflich gespeichert wird, und dadurch hilft, die Versorgungssicherheit nebst dem Verkehrssektor auch im Wärme- und Stromsektor im Winter zu erhöhen.

η_Gas =

η_Photovoltaik * η_Transport * η_(Umwandlung in Gas) * η_Transport * η_(Umwandlung in mechanische Energie)

=15% * 90% * 60% * 90% * 40%

=2,9%

Hier zeigt sich deutlich das Dilemma zwischen Energieeffizienz und Versorgungssicherheit. Es heißt also zwischen einer instabilen Energie­versorgung und Potenzialverschwendung einen Mittelweg zu finden.

Den Weg wird vor allem auch die Entwicklung der Technologien zeigen. Es gibt jetzt schon Idealisten, die den Wasserstoff dezentral produzieren und selbst (im eigenen Unternehmen) tanken. Auch wird es möglicherweise Fahrzeuge wie LKW und Busse geben, die lange Fahrzeiten haben, die dann über SOFC (Hochtemperaturbrennstoffzellen) verfügen, die den höchsten Wirkungsgrad aufzeigen und ebensogut Wasserstoff wie auch Methan umwandeln können.

Ein weiterer Nutzungsbereich, in dem die zwangsweise Entladung bei Flüssigwasserstoff zum Erhalt der niedrigen Temperatur im Tank keine große Rolle spielt, sind Carsharing-Autos, die sich in Städten durchsetzen werden, weil Autos einfach zu teuer sind, um einfach herumzustehen.

Ebenso kann ich mir vorstellen, das Betreiber von Biogasanlagen in Zukunft größere Gasspeicher anlegen, die sich bei einem Überschuss an elektrischem Strom zusätzlich mit selbstproduziertem Wasserstoff beladen (das im Biogas enthaltene CO2 wird dann durch die Bakterien mit dem Wasserstoff zu Methan umgewandelt, sodass sich dann die Leistungsdichte im Speicher verbessert – ohne dass das Volumen ansteigt und der Brennwert das gelagerten Gases verbessert sich zudem auch noch, sodass die Einspeisung in das Gasnetz einfacher wird.)

Ich denke, dass Strom, Wasserstoff und Methan seine Märkte finden werden. Genauso wie heute Gas, Benzin und Diesel (ohne eine umweltspezifisch Bewertung zwischen diesen abzugeben).

Aber eines ist auch sicher, nämlich dass der Verbrennungsmotor mit seiner Vielzahl an Nachteilen, allem voran den Abgasen, nicht als Zukunftskonzept taugt. Allenfalls als Übergangslösung und später als Randerscheinung macht das Sinn, und hier ist es definitiv angebracht, kritisch zu bleiben, wenn die Lobbyisten ihre Weisheiten vom Stapel lassen, denn die wollen an Altem festhalten. An aufwändigen, und unnötigen Getrieben, Bremsen, die verschleißen, dicken SUV, die man nicht mehr nutzen wird, wenn die Energiedichte des Energieträgers zu gering wird. Und wer weiß, wie das auf den Umsatz schlägt, wenn es „trendy“ wird, kleine Autos zu fahren und das protzige Auffallen nicht mehr zählt – vielleicht verliert das Automobil dann auch ein wenig von seinem Statussymbolcharakter…

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