Faktencheck: Welchen Beitrag zur Bekämpfung der Klimakrise können alternative Antriebe und synthetische Kraftstoffe im Sektor Verkehr leisten?
Worum geht's?
Wasserstoffantriebe und synthetische Kraftstoffe stehen als eine der Alternativen für einen klimafreundlichen Verkehr in der Diskussion. Unter dem Schlagwort "Technologieoffenheit" werden diese von einigen Akteur*innen immer wieder als ein Heilsbringer auf dem Weg zu einem klimaneutralen Verkehrssektor ins Spiel gebracht. In diesem FAQ haben wir dazu, und zu den Fragen welche klimafreundlichen Antriebstechnologien und Kraftstoffe im Verkehrssektor zur Verfügung stehen, einige Fakten zusammengefasst.
Warum steht der Verbrennungsmotor als Antriebstechnologie für Verkehrsmittel in der Kritik?
Im Verkehrssektor kommen gegenwärtig immer noch fast ausschließlich durch fossile Kraftstoffe angetriebene Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Im Straßenverkehr sind dies Benzin und Diesel, im Flugverkehr Kerosin und im Schiffsverkehr Schweröl. Dadurch wird das Treibhausgas CO2 emittiert und die Klimakrise weiter beschleunigt. Um das Ziel des Pariser Klimaabkommens mit einer Begrenzung der Erderwärmung auf 1,5 Grad gegenüber dem vorindustriellen Niveau einhalten zu können, muss Deutschland noch deutlich vor dem Jahr 2040 klimaneutral werden. 20% der Treibhausgasemissionen in Deutschland stammen derzeit aus dem Verkehrssektor. Während die Emissionen in den Sektoren Energiewirtschaft und Gebäude seit 1990 halbiert werden konnten, lagen die Emissionen im Verkehrssektor mit 164 Mio. Tonnen CO2-Äquivalenten 2019 genau auf dem gleichen Niveau wie 1990 [1]. Dies zeigt die Notwendigkeit, endlich auch bei den verkehrsbedingten Emissionen einen ambitionierten Reduktionspfad einzuschlagen. Um das Ziel der Klimaneutralität erreichen zu können, dürfen im Verkehrssektor beim Antrieb der Motoren und bei deren Herstellung keine Treibhausgasemissionen mehr entstehen. Neben dem Verzicht auf fossile Kraftstoffe und dem Vorantreiben der Mobilitätswende, also der Stärkung des öffentlichen Verkehrs, von Carsharing und Rad- und Fußverkehr, werden dabei auch alternative Antriebe zum Einsatz kommen müssen.
Welche alternativen Antriebstechnologien zum Verbrennungsmotor gibt es?
Als Alternativen zu den Verbrennungsmotoren stehen im Verkehrssektor mit den batterieelektrischen Antrieben (BEV) und den Brennstoffzellenantrieben (FCEV) weitere Antriebstechnologien zur Verfügung. Der Vorteil bei diesen Technologien liegt darin, dass im Gegensatz zu den mit fossilen Kraftstoffen angetriebenen Verbrennungsmotoren beim Betrieb keine Treibhausgase mehr freigesetzt werden. Bei beiden Antriebstechnologien geschieht dies über die Elektrifizierung. Bei den BEV findet dies über eine direkte Elektrifizierung statt, indem der zum Betrieb des Elektromotors benötigte Strom direkt aus dem Stromnetz geladen wird. Bei den FCEV geht dies nur über eine indirekte Elektrifizierung. Denn der in der Brennstoffzelle zum Einsatz kommende Wasserstoff muss zunächst in einem energieaufwändigen Prozess aus Strom und Wasser hergestellt werden.
Welche alternativen Kraftstoffe gibt es?
Auch Verbrennungsmotoren können CO2-neutral betrieben werden. Dies ist allerdings nur dann möglich, wenn die bisher eingesetzten fossilen Kraftstoffe durch klimaneutral hergestellte Kraftstoffe ersetzt werden. In Frage kommen hierbei aus biologischen Rohstoffen gewonnene Biokraftstoffe und aus in einem chemischen Prozess hergestellte synthetische Kraftstoffe. Das Problem bei den Biokraftstoffen liegt in der Produktion der agrarischen Ausgangsstoffe, da diese in einer Flächenkonkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln stehen (Stichwort „Konkurrenz zwischen Tank und Teller“) [2]. Das Problem bei den synthetischen Kraftstoffen liegt vor allem in dem energieaufwändigen Herstellungsprozess. Wie bei den FCEV findet der Einsatz der synthetischen Kraftstoffe über eine indirekte Elektrifizierung statt, da diese erst mit großen Strommengen hergestellt werden müssen.
Wie können die Antriebstechnologien treibhausgasneutral werden?
Wie gezeigt, sind alle nicht-fossilen Antriebslösungen direkt oder indirekt strombasiert. Durch die Elektrifizierung werden die Sektoren Strom und Verkehr über eine Sektorenkopplung miteinander vernetzt. Ein Beitrag für den Klimaschutz ergibt sich aus der Sektorenkopplung aber erst dann, wenn der Stromsektor auf 100% Erneuerbare Energien umgestellt ist. Treibhausgasneutral können die unterschiedlichen Antriebstechnologien also erst dann werden, wenn der dafür benötigte Strom zuvor ausschließlich aus Erneuerbaren Energien gewonnen wurde. Als weiterer positiver Aspekt kann noch angemerkt werden, dass durch die Elektrifizierung zusätzlich auch noch Effizienzgewinne entstehen, da der Wirkungsgrad bei Elektromotoren sehr viel höher als bei Verbrennungsmotoren ist.
Wie unterscheiden sich die Antriebstechnologien im Hinblick auf die Energieeffizienz?
Die Energieeffizienz bei synthetischen Kraftstoffen ist im Vergleich zu batterieelektrischen Antrieben (BEV) und Brennstoffzellenantrieben (FCEV) wesentlich geringer. Bei BEVs kann der Strom direkt aus dem Netz ohne Umwandlung genutzt werden. Der Wirkungsgrad liegt hier bei ca. 70%. Bei den FCEVs muss der in der Brennstoffzelle zum Einsatz kommende Wasserstoff zunächst aufwändig produziert werden, bevor er in der Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt und das Fahrzeug dann durch einen Elektromotor angetrieben wird. Der Wirkungsgrad beträgt wegen der Umwandlungsverluste nur noch 34%. Synthetische Kraftstoffe, die in Verbrennungsmotoren genutzt werden können (sogenannte E-Fuels), werden als ein Folgeprodukt aus dem Wasserstoff hergestellt. Somit ist ein weiterer Umwandlungsschritt notwendig, der Wirkungsgrad sinkt dann nur noch auf 11% [3].
Welche Aspekte müssen bei wasserstoffbasierten Kraftstoffen beachtet werden?
Wasserstoff kann, wie bereits erklärt, entweder direkt über Brennstoffzellen oder indirekt über synthetische Kraftstoffe zum Antrieb von Verkehrsmitteln genutzt werden. Da von den unterschiedlichen Wasserstoffvarianten nur der grün produzierte wirklich klimaneutral ist, kann deshalb auch nur dieser bei den genannten Antriebsvarianten zum Einsatz kommen. Das Problem bei der Nutzung des Wasserstoffs liegt in den mehrfachen Umwandlungsverlusten. Die Herstellung von grünem Wasserstoff findet zunächst in einem energieaufwändigen Verfahren statt, indem in einem Elektrolyseur Wasser in die Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt werden. Dazu bedarf es allerdings großer Strommengen, die ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen hergestellt sein dürfen.
Bei den synthetischen Kraftstoffen kommt ein weiterer Umwandlungsprozess hinzu. Hierbei wird dem Wasserstoff in einem weiteren energieintensiven Syntheseprozess Kohlendioxid zugeführt (Power-to-X-Technologien). Als Endprodukte können dann flüssige (Power-to-Liquid, PtL) oder gasförmige (Power-to-Gas, PtG) strombasierte Kraftstoffe gewonnen und in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Da bei der Weiterverarbeitung von grünem Wasserstoff zu synthetischen Kraftstoffen CO2 zugesetzt wird, darf aber auch dieses CO2 nur aus klimaneutralen Quellen stammen. Das bedeutet, dass dafür nur Kohlenstoffdioxid verwendet werden darf, das entweder aus nachhaltiger Biomasse stammt oder in dem sogenannten DAC (Direct Air Capture)-Verfahren direkt aus der Luft herausgefiltert wird. Dieser Prozess ist aber mit hohen Kosten und einem zusätzlichen Energie- und Platzbedarf verbunden. Die Energiebilanz der synthetischen Kraftstoffe ist somit im Vergleich zu den batterieelektrischen Antrieben deutlich geringer. So werden für eine Fahrstrecke von 100 Kilometern beim BEV 15 kwh an Strom benötigt, während diese beim FCEV bei 31 kwh und bei synthetischen Kraftstoffen bei 93 kwh (PtG) bzw. 103 kwH (PtL) liegen [4]. Für die gleiche Kilometerleistung wird also fast siebenmal so viel Strom benötigt.
Welche Bedingungen müssen für die Treibhausgasneutralität von wasserstoffbasierten Kraftstoffen erfüllt sein?
Bei der Produktion von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen handelt es sich um sehr energieintensive Prozesse. Damit entsteht also ein zusätzlicher Bedarf an erneuerbaren Strommengen, die über die schon ohnehin beträchtlichen Bedarfe für eine klimaneutrale Energiewende hinausgehen. Die Produktion von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen ist also zwingend mit einem massiven Zubau von Erneuerbaren-Erzeugungskapazitäten wie Windkraft und Photovoltaik verbunden. Viele Energiewendeszenarien gehen davon aus, dass dieser zusätzliche Energiebedarf nicht vollständig aus inländischen Quellen gedeckt werden kann und dann importiert werden müsste. Daraus ergeben sich aber weitere problematische Fragestellungen zu globalen Abhängigkeitsstrukturen und zur Klimagerechtigkeit. Denn klimagerecht kann die Herstellung von grünem Wasserstoff nur dann sein, wenn er zunächst für die Erreichung der Klimaschutzziele der Erzeugerländer verwendet wird und nur die eventuellen Überschüsse exportiert werden.
Grüner Wasserstoff und die daraus hergestellten synthetischen Kraftstoffe sind also kostbare Güter. Sie sollten deshalb prioritär in den Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, in denen es keine anderen Möglichkeiten zur Dekarbonisierung gibt oder dort, wo hohe Treibhausgas-Reduktionspotentiale ausgeschöpft werden können. In den Hochtemperaturanwendungen der Chemie- und Stahlindustrie wird der Wasserstoff auf dem Weg in die Treibhausgasneutralität unverzichtbar sein. Absehbar wird es also zu Nutzungskonkurrenzen zwischen den Sektoren Industrie, Strom, Wärme und Verkehr kommen. Auch innerhalb des Verkehrssektors werden deshalb die Anwendungsgebiete für wasserstoffbasierte Kraftstoffe priorisiert werden müssen.
Welche Brennstoffe und Antriebstechnologien könnten in welchen Verkehrsmitteln prioritär zum Einsatz kommen?
Mit den batterieelektrischen Antrieben (BEV), den Brennstoffzellenantrieben (FCEV) und den synthetischen Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren stehen derzeit im Wesentlichen drei treibhausgasneutrale Antriebstechnologien für Verkehrsmittel zur Verfügung. Allerdings sind nicht alle Verkehrsmittel für alle Antriebstechnologien gleichermaßen geeignet. Bei den unterschiedlichen Verkehrsträgern müssen jeweils andere Voraussetzungen erfüllt sein. Welche Technologien sich in welchen Anwendungsgebieten in den nächsten Jahren durchsetzen werden, hängt sowohl von den Fragen der technischen Entwicklung, der Energieeffizienz und der Wirtschaftlichkeit ab.
Dennoch sind bestimmte Entwicklungen schon jetzt deutlich absehbar. So dürften bspw. batterieelektrische Antriebe für Flugzeuge oder Schiffe eher nicht geeignet sein, da die Energiespeicherfähigkeit der Batterien für deren Betrieb zu gering ist. Es ist deshalb davon auszugehen, dass flüssige Kraftstoffe wegen ihrer hohen Energiedichte im Flug- und Schiffsverkehr auch zukünftig eine bedeutende Rolle spielen werden. Zur Erreichung der CO2-Neutralität werden deshalb die hohen Umwandlungsverluste bei der Herstellung, bspw. von grünem Kerosin, in Kauf genommen werden müssen.
Bei Bussen, LKW und Zügen hingegen, ist die technologische Entwicklung hinsichtlich der Antriebsarten noch ziemlich offen. Hier könnten sich sowohl batterieelektrische als auch Brennstoffzellenantriebe durchsetzen. Für den Bereich des motorisierten Straßenverkehrs werden in jüngster Zeit wieder verstärkt synthetische Kraftstoffe als Alternative in die Diskussion gebracht. Im PKW-Bereich zeichnet sich allerdings sehr deutlich ab, dass hier, aufgrund der Energieeffizienz, batterieelektrische Antriebe zum Einsatz kommen werden. Dies zeigt sich z.B. in einer Stellungnahme des VW-Konzerns vom Oktober 2020, die dieser im Rahmen einer Bundestags-Anhörung abgegeben hat: Demnach würden bei den synthetischen Kraftstoffen die „sogenannten Potentiale … massiv überschätzt“, die Herstellung sei „aufwändig, kostenintensiv, wenig klimaeffizient und mit geringem Wirkungsgrad“ für den Betrieb von PKW „unsinnig“, der Wasserstoff sei „viel zu kostbar“ und werde zum Umbau von Industrien wie Stahl, Chemie und Zement gebraucht (zitiert nach Süddeutsche Zeitung, 22.10.2020, Zank um den Tank).
Was bedeutet all dies für die Verkehrswende?
In die Gesamtbetrachtung von Antriebstechnologien muss die gesamte Energie- und Rohstoffbilanz einbezogen werden. Hier gibt es bei allen alternativen Antrieben noch einen deutlichen Verbesserungsbedarf. Zudem geht der Abbau von Rohstoffen in vielen Regionen mit gravierenden Menschenrechtsverletzungen einher. Bei den synthetischen Kraftstoffen ist maßgeblich zu berücksichtigen, dass für ihre Herstellung sehr große Mengen an Ökostrom gebraucht werden und günstiger Kohlenstoff verfügbar sein muss. Synthetische Kraftstoffe sind daher die mit dem höchsten Aufwand herzustellende und mithin auch die teuerste Alternative für die Erreichung der Klimaneutralität. Die politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen müssen so gesetzt werden, dass synthetische Kraftstoffe im Flugverkehr und der Schifffahrt zum Einsatz kommen. Für schwere Nutzfahrzeuge können dies auch Brennstoffzellenantriebe sein. Im motorisierten Individualverkehr haben hingegen batterieelektrische Antriebe aufgrund der Kosten und der Energieeffizienz gegenüber synthetischen Kraftstoffen deutliche Vorteile.
Dennoch muss man klar festhalten, dass die Umstellung auf nicht-fossile Antriebe nur einer der Bausteine auf dem Weg zur Klimaneutralität im Verkehrssektor sein kann. Das Ziel Klimaneutralität mit Nachhaltigkeit zu verbinden, kann nur dann gelingen, wenn auch Effizienz- und Suffizienz-Maßnahmen ergriffen werden. Der Einsatz von klimafreundlichen Brennstoffen und Antrieben kann also nur eine Ergänzung zu der Verlagerung von Verkehren auf Busse und Bahnen und einer Ausweitung des Fuß- und Radverkehrs sein.
Zum Weiterlesen:
- Fraktionsbeschluss Bundestagsfraktion Bündnis 90/Die Grünen: Grüne Kraftstoffstrategie
- Öko-Institut: FAQ Wasserstoff und strombasierte Kraftstoffe
- Greenpeace: Der Beitrag von synthetischen Kraftstoffen zur Verkehrswende
- Nationale Plattform Zukunft der Mobilität: Werkstattbericht Alternative Kraftstoffe:
- PM des Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung zur Studie „Potential and risks of hydrogen-based-e-fuels in climate change mitigation“
- Agora Verkehrswende: Klimabilanz von strombasierten Antrieben und Kraftstoffen
- Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit
- Faktencheck.de von SWR3
[1] Vgl. Klimaschutz in Zahlen. Ausgabe 2021. Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit, S.26-27. https://www.bmu.de/fileadmin/Daten_BMU/Pools/Broschueren/klimaschutz_zahlen_2021_bf.pdf
[2] Vgl. Bioenergie. Umweltbundesamt 2020. https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/bioenergie#bioenergie-ein-weites-und-komplexes-feld-
[3] Vgl. Der Beitrag von synthetischen Kraftstoffen zur Verkehrswende. Greenpeace 2019, S. 6. https://www.greenpeace.de/sites/www.greenpeace.de/files/publications/kurzstudie_kraftstoffe_verkehrswende.pdf
[4] Vgl. Der Beitrag von synthetischen Kraftstoffen zur Verkehrswende. Greenpeace 2019, S. 5. https://www.greenpeace.de/sites/www.greenpeace.de/files/publications/kurzstudie_kraftstoffe_verkehrswende.pdf
