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«Allein mit Elektromobilität wird es nicht gelingen»

Strom, Wasserstoff, Biosprit, strombasierte Kraftstoffe – für einen CO2-neutralen Verkehr stehen viele Energieträger zur Verfügung. Was wirklich einen Beitrag zu den Klimazielen leistet, diskutierte IAV-Technikchef Matthias Kratzsch mit dem für die Mobilitätsforschung verantwortlichen Shell-Manager Karsten Wilbrand.

Deutschland hat mit dem Klima­schutzplan 2050 ehrgeizige ­CO2-Einsparziele für die einzelnen Sektoren und damit auch für den Verkehrssektor beschlossen. ­
Ist das zu erreichen?

Wilbrand: Um das im Verkehrssektor angestrebte CO2-Einsparziel von –40 Prozent bis 2030 zu erreichen, sind gewaltige Anstrengungen erforderlich. Allein mit Elektromobilität wird es nicht gelingen – wir müssen auch die Kraftstoffe dekarbonisieren.

Kratzsch: Der Bericht der Nationalen Plattform „Zukunft der Mobilität“ sagt klar und deutlich: Die Geschwindigkeit des Wandels reicht nicht, ihr müsst schneller werden und technologieoffen agieren. Eine einzelne Technologie allein bringt uns nicht ans Ziel, wir brauchen einen schlüssigen Mix alternativer Antriebe und Kraftstoffe. Zu diesem Ergebnis kommt übrigens auch eine von uns durchgeführte und für das diesjährige Internationale Wiener Motorensymposium eingereichte Studie zur Bewertung der CO2-Äquivalente nach dem Lebenszyklus für unterschiedliche Antriebsstrangflottenszenarien bis 2035.

karsten wilbrandt

«Wir müssen Lösungen finden, die die Emissionen vor allem der Bestandsfahrzeuge absenken.»

Dr. Karsten Wilbrand — Senior Principal Scientist Mobility bei Shell

Welche Möglichkeiten sehen Sie, den Wandel zu beschleunigen?

Wilbrand: Wir erwarten steigende Anteile von elektrischen Antrieben bei den Neuzulassungen; wir werden aber noch viele Verbrenner im Bestand haben – bei zehn Milionen elektrischen Antrieben (einschließlich Brennstoffzellenfahrzeuge) wären es 2030 noch nahezu 40 Millionen Pkw plus Nutzfahrzeuge. Wir müssen also Lösungen finden, die die Emissionen vor allem der Bestandsfahrzeuge absenken. Aus unserer Sicht wären dafür flüssige Biokraftstoffe geeignet, denn diese könnten meist sofort und nahtlos eingesetzt werden – allerdings ist die Begeisterung für Biokraftstoffe nach Super E10 leider etwas verloren gegangen. Dennoch sind wir davon überzeugt, dass wir künftig so etwas wie E20 in den 2020er Jahren brauchen werden. Strombasierte Kraftstoffe sehen wir dagegen in diesem Jahrzehnt (noch) nicht in relevanten Mengen – allenfalls erste Pilotanlagen. Für schwere Nutzfahrzeuge, deren Flottenumschlag deutlich höher als bei Pkw ist, sehen wir ferner Gaskraftstoffe, insbesondere auch biogene wie BioLNG als Alternative.

Kratzsch: Was die Motoren betrifft, wären deutlich höhere Beimischungsquoten mit synthetischen flüssigen Kraftstoffen möglich als heute. Je nach Kraftstoffart und Brennverfahren ist es in der Bestandsflotte technisch möglich, fossile Energieträger bis zu 100 Prozent durch CO2-neutrale, biogene oder synthetische Kraftstoffe zu ersetzen. Und wie unsere IAV-Studie zeigt, wäre eine höhere Beimischungsquote die effektivste Maßnahme, um die Flotten-CO2-Äquivalente im Lebenszyklus bis 2030 zu senken. Was fehlt, sind die entsprechenden politischen Rahmenbedingungen und Investitionsanreize zu Gunsten größerer Kraftstoff-Produktionskapazitäten.

Wilbrand: Hydriertes Pflanzenöl, HVO also, kann in Deutschland beispielsweise bis zu einem Anteil von 26 Prozent dem Dieselkraftstoff B7 beigefügt werden, insgesamt hat der R33 genannte Kraftstoff dann einen Anteil von einem Drittel erneuerbarer Energie. Der CO2-Vorteil gegenüber rein fossilem Diesel beträgt dann rund 20 Prozent. Das wäre der CO2-Rückgang, der bei zehn Millionen Elektro-Pkw im Jahr 2030 noch fehlen würde.

matthias kratzsch

«Eine Technologie allein bringt uns nicht ans Ziel, wir brauchen einen schlüssigen Mix alter­nativer Antriebe und Kraftstoffe.»

Matthias Kratzsch — Geschäftsführung für den Kernbereich Technik bei IAV

Und welchen Weg schlagen Sie für den Ottomotor vor?

Wilbrand: Wir können den Ethanolgehalt in Ottokraftstoffen erhöhen. Hierfür stehen Bio-Abfallstoffe wie Stroh zur Verfügung und auch die Anlagenkapazität wird weiter ausgebaut. E20 würde einen guten Beitrag zur CO2-Absenkung leisten und wäre kompatibel zu den meisten heutigen Fahrzeugen. Die größte Herausforderung dürfte jedoch darin bestehen, den Verbraucher von E20 zu überzeugen – hierfür brauchen wir auch das Engagement der Autobauer. Denn der Anteil von Super E10 liegt im Branchendurchschnitt seit Jahren bei nur 13 % – Tendenz konstant. Legt man künftige Motoren von Beginn an auf E20 aus, dann steigt aufgrund der hohen Klopffestigkeit auch der Wirkungsgrad. Die CO2-Vermeidungskosten wären gering.

Kratzsch: Motorseitig ist dies für Ethanol-Beimischungen auch machbar. Selbstverständlich muss man sich bei älteren Motoren die Kompatibilität noch einmal anschauen, beispielsweise hinsichtlich der Dichtungen. Doch technisch sehe ich da kein großes Problem. Insbesondere bei Dieselmotoren der Bestandsflotte gibt es abgesehen von der Kompatibilität mit der Kraftstoffnorm DIN EN 590 kein technisches Problem, auch höhere Blending-Raten von HVO-Kraftstoff als 26 % einzusetzen. So wäre in jedem Fall sehr kurzfristig ein Beitrag zur Absenkung der Flotten-CO2/-Emissionen sowohl in der Neu- wie auch Bestandsflotte zu erreichen.

Bei den strombasierten Kraftstoffen konkurrieren derzeit noch mehrere Ansätze. Haben Sie bereits eine klare Präferenz?

Wilbrand: Strombasierte Kraftstoffe können für Dieselkraftstoffe gut im Fischer-Tropsch-Verfahren hergestellt werden, für Ottokraftstoffe per Methanolsynthese – wir arbeiten vorzugsweise mit FT-Prozessen. So erzeugen wir schon heute rund sieben Millionen Tonnen Gas-to-Liquids-Produkte in Katar. Shell GTL-Fuel kann sofort in Flottenfahrzeugen eingesetzt werden – und führt bei älteren Kfz zu deutlichen Luftqualitätsverbesserungen.

Kratzsch: Fortschrittliche Kraftstoffe können einen wertvollen Beitrag zur CO2-Reduktion der Bestandsflotte leisten, weshalb es auch wichtig ist, diese mit Power-to-Liquid- und Biomass-to-Liquid-Kraftstoffen zu versorgen. Wenn wir allerdings ohnehin eine Wasserstoffwirtschaft aufbauen, dann ist es aus thermodynamischer Perspektive sinnvoll, wenn wir den Wasserstoff direkt verwenden – entweder im H2-fähigen Verbrennungsmotor oder in der Brennstoffzelle. An beiden Technologien arbeiten wir intensiv und sind überzeugt, dass die Marktdurchdringung nicht mehr lange auf sich warten lässt. CNG wiederum ist eine Zwischenlösung, die beim Ottomotor sofort 20 bis 25 Prozent CO2-Reduktion bringt. Sinnvoll ist dieser Pfad aber nur, wenn wir das Methan mittelfristig nicht mehr aus Erdgas, sondern aus Wasserstoff beziehungsweise biogenen Quellen wie Reststoffen erzeugen.

Wilbrand: Wasserstoff sollte möglichst direkt eingesetzt werden, da gebe ich Ihnen recht. Denn mit Wasserstoff ist ein Wirkungsgrad von rund 30 Prozent über die gesamte Energiekette zu erreichen, mit anderen E-Kraftstoffen bestenfalls 15 Prozent. Allerdings wird es dauern, bis entsprechende Fahrzeuge auf den Markt kommen – und damit stellt sich wiederum die Frage, was wir mit der Flotte tun. Über das Fischer-Tropsch-Verfahren können wir hingegen sowohl synthetischen Diesel als auch Kerosin herstellen. Langfristig wird aus unserer Sicht vor allem die Luftfahrt auf flüssige strombasierte Kraftstoffe angewiesen sein, da insbesondere dieser Sektor auf höchstmögliche Energiedichte angewiesen ist. Und hier bleiben flüssige Energieträger in leichten Tanksystemen auch auf längere Zeit unschlagbar.

automotion allein mit elektromobilität wird es nicht gelingen

Welchen Anteil können strombasierte Kraftstoffe an einem defossilisierten Verkehr erlangen?

Wilbrand: Vor allem der Energiebedarf für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe ist hoch. Wenn man den dafür notwendigen Kohlenstoff aus der Luft abscheidet, ist dies (derzeit noch) sehr kostspielig. Aber auch die notwendigen Mengen an erneuerbarem Strom sind ja bei Weitem nicht dafür vorhanden.

Würden Sie Wasserstoff in der Brennstoffzelle oder im Verbrennungsmotor nutzen?

Kratzsch: Im Transportsektor setzen sich immer die Technologien durch, die über den Lebenszyklus betrachtet die geringsten Kosten aufweisen. Weiterhin wird der Anwendungsfall darüber entscheiden, welche Technologie in einer spezifischen Anwendung zum Einsatz kommt. Während der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle insbesondere bei kleinen Leistungen sehr gut ist, kann der Verbrennungsmotor eher bei hohen Lasten seine Stärke ausspielen. Insofern werden Anwendungsfall und TCO diese Entscheidung treiben. Wir glauben: Beide Technologien haben ihre Berechtigung und werden auch zum Einsatz kommen.

Wilbrand: Mittelfristig sehe ich aber keinen Grund, warum Brennstoffzellen nicht deutlich günstiger als heute werden sollten. Hinzu kommt, dass Brennstoffzellen tatsächlich emissionsfrei arbeiten, während bei der Wasserstoffverbrennung im Motor weiterhin eine Abgasnachbehandlung notwendig ist.

Kratzsch: In der Tat ist eine Abgasnachbehandlung erforderlich – und daran arbeiten wir auch gerade.

«Und ich bin überzeugt: Neue verbrauchsoptimierte Verbrennungsmotoren und strombasierte Kraftstoffe wären auch für Deutschland eine gute Ergänzung zur Elektromobilität.»

Matthias Kratzsch — Geschäftsführung für den Kernbereich Technik bei IAV

Gehen wir da in Deutschland einen Sonderweg?

Kratzsch: Lassen Sie uns nach China schauen: Das Land hat die Förderung für Elektrofahrzeuge zurückgefahren. Dafür soll es staatliche Zuschüsse beziehungsweise Credits für Niedrigverbrauchsfahrzeuge und den Einsatz von Methanol als Kraftstoff geben. Mit diesen Credits wiederum kann die notwendige Quote an batterieelektrischen Fahrzeugen, die ein Hersteller in den Markt bringen muss, abgesenkt werden. Das führt höchstwahrscheinlich zu einem Entwicklungsschub von neuen, sehr effizienten Verbrennungsmotoren im hybriden Umfeld, denn die Verbrauchsziele werden mit reinen verbrennungsmotorischen Antrieben nicht zu erreichen sein. Und ich bin überzeugt: Neue verbrauchsoptimierte Verbrennungsmotoren und strombasierte Kraftstoffe wären auch für Deutschland eine gute Ergänzung zur Elektromobilität.

Wie weit ist der Wirkungsgradnachteil strombasierter Kraftstoffe durch innovative Motorentechnik zu kompensieren?

Kratzsch: Wenn wir es schaffen, den mittleren Wirkungsgrad um zehn Prozentpunkte zu verbessern, dann spart das rückwirkend über die Energiekette 25 Prozent Primärenergie. Diesen Hub schaffen wir nur, wenn wir die Verluste bei niedrigen Lasten verringern, also zum Beispiel mit Hilfe verringerter Wandwärmeverluste im Verbrenner, der Nutzung eines elektrifizierten Turboladers oder indem wir in niedrigen Lastbereichen elektrisch fahren.

Wilbrand: Die Wirkungsgradkette batterieelektrischer Antriebe ist hervorragend, mit allen Übertragungsverlusten kommt man noch immer auf mehr als 70 Prozent – da kommt kein noch so optimierter Verbrenner ran. Für schwere Fahrzeuge, die viel im Langstreckeneinsatz genutzt werden, wären allerdings sehr große Batterien und sehr hohe Ladeströme notwendig. Das kostet nicht nur Nutzlast, sondern unglaublich viel Geld. Und da kann es schon sinnvoll sein, mittelfristig Wasserstoff einzusetzen. Strombasierte Kraftstoffe sind dagegen nicht nur vergleichsweise ineffizient, sondern auch preislich schwer vermittelbar im wettbewerbsintensiven Straßengüterverkehrsgewerbe.

Kratzsch: Bei der Strategie zum Einsatz von Wasserstoff im Verkehr dürfen wir andere Sektoren wie die Chemie- und Stahlindustrie nicht vergessen, wodurch der Bedarf die Erzeugungspotenziale in Deutschland übersteigen wird. Daher werden wir Energieträger importieren müssen, wobei sich flüssige Kraftstoffe anbieten, deren Herstellung in geografisch günstigen Lagen auch entsprechend niedrigere Preise ermöglicht.

Wieviel Vielfalt können wir uns bei Antrieben und Kraftstoffen leisten?

Kratzsch: Das ist für mich nicht die entscheidende Frage. Die Frage muss lauten: Was ist aus technologischer Sicht der beste Weg, um das höchste Einsparpotenzial bei den CO2-Emissionen zu erzielen? Und für uns bei IAV lautet die Antwort: Wir werden langfristig mehrere Pfade verfolgen müssen: einerseits die direkte Nutzung von grünem Strom – in den kommenden Jahren erwarten wir einen deutlichen Anstieg von batterieelektrischen Fahrzeugen. Andererseits prognostizieren wir eine steigende Bedeutung von Wasserstoff. Parallel müssen die Verbrennungsmotoren bis zum Jahr 2025 für die Abgasstufe Euro 7 fit gemacht werden. Im nächsten Schritt müssen wir uns dann noch intensiver damit beschäftigen, wie der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren erhöht werden kann – bis hin zu Motoren, die speziell auf den Hybridbetrieb ausgelegt werden.

Wilbrand: Darüber hinaus sollten wir an der Beimischung von Biokraftstoffen arbeiten, denn die sind technisch weit entwickelt. Parallel dazu sollten wir aber die Forschung und Entwicklung strombasierter Kraftstoffe nicht vernachlässigen.

Kratzsch: Einverstanden!

Der Artikel erschien in der automotion 02/2020, dem Automotive Engineering-Fachmagazin von IAV. Hier können Sie die automotion kostenfrei bestellen.

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