Wie wichtig ist der Wirkungsgrad von E-Fuels?

In kaum einem Bereich des alltäglichen Lebens werden die Handlungsmöglichkeiten gegen den Klimawandel so intensiv debattiert wie in der Mobilität. Das letzte Jahrzehnt war dabei von einer starken Tendenz des politischen Umfelds hin zur reinen Elektromobilität gekennzeichnet. Alternative Antriebe und Kraftstoffe wie HVO100 oder E-Fuels fanden im öffentlichen Diskurs dabei kaum einen Platz. Mit fortschreitender Zeit wird jedoch immer deutlicher, dass die Elektromobilität nicht die alleinige Lösung sein wird, da auch diese Technologie erhebliche Herausforderungen mit sich bringt.

Eine hitzige Debatte über eigentlich kühle Fakten

Das Resultat ist eine zunehmende Offenheit auch gegenüber möglichen Alternativen. Hierbei sind E-Fuels eine Möglichkeit, um auch mit der Bestandsflotte kurz- und mittelfristig einen Beitrag zur Senkung der CO₂-Emissionen im Verkehr zu leisten.

Doch sobald öffentlich über E-Fuels gesprochen wird, ist die Debatte um den Wirkungsgrad und die Effizienz dieser Technologie nicht weit entfernt. Wir möchten hier sensibilisieren, wann diese Debatte angebracht ist und vor dem Hintergrund welcher Grundannahmen sie sachlich und ergebnisorientiert geführt werden kann. Ein Exkurs in einen schlussendlich doch nicht so einfachen Sachverhalt, wie es die recht eindimensionalen politischen Maßnahmen zur Förderung der E-Mobilität vermuten lassen.

Warum der Wirkungsgrad nur die halbe Wahrheit ist

Zuerst muss dabei angemerkt werden, dass die kategorische Verurteilung von E-Fuels aufgrund eines vermeintlich schlechteren Wirkungsgrades im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) vom Grundsatz her dort scheitert, wo es rein technisch keine elektrischen Alternativen zu E-Fuels gibt. Dies ist beispielsweise in der Luft- und Schifffahrt der Fall.

Was meint der Wirkungsgrad hier genau?

• Der Wirkungsgrad (Formelzeichen η, gesprochen „eta“) beschreibt bei einer Energieumwandlung das Verhältnis von nutzbarer zu zugeführter Energie: η = E_nutz / E_zu.
• Er wird als Dezimalzahl oder in Prozent angegeben und ist in der Praxis immer kleiner als 1 bzw. 100 %, da bei jeder Umwandlung ein Teil der Energie für den eigentlichen Zweck verloren geht, etwa als Wärme oder durch Reibung
  • (Quelle: Lernhelfer, Lexikon Physik: Wirkungsgrad)

Werden mehrere Umwandlungsschritte hintereinander geschaltet, wie bei der Herstellung und Nutzung von Kraftstoffen, ergibt sich der Gesamtwirkungsgrad aus dem Produkt der einzelnen Wirkungsgrade: η_gesamt = η₁ × η₂ × … × η_n.

Jeder zusätzliche Schritt, etwa Elektrolyse, Synthese oder Transport, senkt den Gesamtwirkungsgrad also weiter. Wichtig für die Debatte: Der Wirkungsgrad sagt nur aus, wie effizient eine vorhandene Energiemenge genutzt wird. Wie viel erneuerbare Energie an einem Standort überhaupt zur Verfügung steht und ob sie dort gespeichert und transportiert werden kann, wo sie gebraucht wird, bildet er nicht ab.

Viele Fachleute gehen davon aus, dass sich die Luft- und Schifffahrt aufgrund physikalischer Grenzen nicht vollständig elektrifizieren lassen. Um diese notwendigen Formen der Mobilität auch künftig nutzen und gleichzeitig ihre CO₂-Emissionen senken zu können, braucht es E-Fuels aus erneuerbarem Strom, denn fossil kommen wir mit dem Flugzeug oder dem Schiff nicht an das ambitionierte (Klima-)Ziel der EU heran, Fit for 55 hin oder her.

Bei anderen Formen der Mobilität, in denen ein Vergleich durchaus denkbar ist, wie etwa der Individualmobilität mit dem Pkw, muss jedoch genau darauf geachtet werden, dass hier nicht Äpfel mit Birnen verglichen werden. Es kommt also auf eine genaue und umfassende Betrachtung und auf die Methode zur Bestimmung des Wirkungsgrades an, um wirklich aussagekräftige Vergleiche ziehen zu können.

Dazu darf sich eine holistische Betrachtung nicht allein auf die zugrunde gelegte Antriebstechnologie und den jeweils verwendeten Energieträger beschränken. Auch sollte die Frage gestellt werden, welcher Energieträger in welcher Menge dort zur Verfügung gestellt werden kann, wo er auch gebraucht wird.

Viele Länder – so wie auch Deutschland – sind bei der Betrachtung des Primärenergieverbrauches eindeutig als Energieimporteure zu identifizieren und werden dies auf Sicht auch bleiben. Es muss also bei allen Überlegungen zu Alternativen in der Mobilität mit unterschiedlichen Energieträgern auch sichergestellt werden, dass die Energie überhaupt in der gewünschten Form und in ausreichender Menge am Ort des Verbrauches vorliegt.

Welche unterschiedlichen Methoden gibt es, den ökologischen Fußabdruck eines Autos zu betrachten?

Der ökologische Fußabdruck eines Autos wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Wesentlich sind dabei zum einen die Betrachtung des Energieträgers und zum anderen die des Fortbewegungsmittels an sich, also des Autos.

Eine der wohl umfangreichsten Betrachtungen zur Bewertung des Wirkungsgrades und der Effizienz eines Energieträgers ist der Well-to-Wheel-Ansatz. Well to Wheel (WtW – von der Quelle bis zum Rad) ist eine Methode, mit der ein Energieträger über seinen gesamten Weg bewertet wird, von der Quelle bis zur Nutzung im Fahrzeug.

Betrachtet werden dabei der Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen entlang des gesamten Pfads eines Energieträgers, von der Gewinnung der Rohstoffe bis zu seiner Nutzung. WtW umfasst dabei zwei Komponenten: Well-to-Tank (WtT) und Tank-to-Wheel (TtW), wobei WtT die Phasen der Kraftstoffherstellung und -bereitstellung und TtW den Kraftstoffverbrauch im Fahrzeug abdeckt.

Cradle-to-Grave (von der Wiege bis zur Bahre) ist ein Konzept, das ein Produkt während seines gesamten Lebenszyklus betrachtet. Dabei werden die Umweltauswirkungen aller Lebensphasen eines Produkts von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung bewertet. Diese Methode zur Bewertung des ökologischen Fußabdruckes einer Mobilitätsalternative zielt rein auf die Ebene des Produktes ab, also auf das Auto an sich, ohne Betrachtung des im jeweiligen Fahrzeug genutzten Energieträgers.

Well-to-Wheel: ICE mit E-Fuels vs. BEV

Der Well-to-Wheel-Ansatz bewertet die Effizienz eines Energieträgers in zwei Stufen. Zuerst wird dabei im Schritt „Well-to-Tank“ die Gewinnung und Bereitstellung des Energieträgers betrachtet.

Bei der „Well-to-Tank“-Betrachtung leuchtet es ein, dass prozentual eine höhere Menge im Tank bzw. Akku des Fahrzeuges landet, wenn die produzierte Elektrizität direkt geladen werden kann und nicht zuvor in Umwandlungsprozessen aus elektrischem Strom ein E-Fuel produziert werden muss. Was diese Betrachtung jedoch außer Acht lässt, ist die Tatsache, dass Strom nicht über weite Strecken hinweg ohne Verluste transportiert und nur begrenzt gespeichert werden kann. Ein BEV ist somit auf Strom aus dem jeweils lokalen Netz angewiesen.

Bei E-Fuels hingegen kann der Strom, der zur Produktion des Energieträgers dient, aus weit entfernten Regionen stammen, da E-Fuels mit geringen Verlusten lagerbar und auch über weite Strecken transportierbar sind. Somit können auch Regionen mit deutlich besseren Bedingungen für Wind- oder Sonnenenergie die erneuerbare Energie für den Betrieb eines Autos mit E-Fuels in Deutschland liefern. Eine identische Windkraftanlage erreicht etwa in einer windreichen Region wie Patagonien in Chile deutlich mehr Volllaststunden als an vielen Standorten in Deutschland und erzeugt damit bei gleichem Aufwand mehr Strom. Diese größere Energiemenge kann über die lange Distanz natürlich nicht direkt in Elektrofahrzeuge geladen werden, sondern muss durch die Umwandlung in E-Fuels gespeichert werden.

Die Umwandlung kostet dabei ihrerseits Energie: Elektrolyse, Synthese, Transport, Raffinerieprozess und Logistik zur Tankstelle sind jeweils mit Verlusten verbunden. Gleichzeitig steht am Anfang der Kette eine höhere Ausbeute an erneuerbarer Energie. Wie sich beide Effekte gegeneinander aufrechnen, hängt also maßgeblich davon ab, wo und unter welchen Bedingungen die erneuerbare Energie gewonnen wird.

In der darauf folgenden „Tank-to-Wheel“-Betrachtung spielen nun natürlich die E-Autos ihren Trumpf der hohen Effizienz des Elektromotors aus. Ein Großteil der in der Batterie gespeicherten Energie wird auch in Fortbewegung umgesetzt. Ein vergleichbarer Verbrenner setzt dagegen einen deutlich geringeren Teil der getankten Energie in Fortbewegung um, da hier größere Verluste, beispielsweise in Form von Wärmeenergie, auftreten. Es ist vor allem diese „Tank-to-Wheel“-Betrachtung, auf die sich viele Vergleiche zugunsten batterieelektrischer Fahrzeuge stützen.

Überführt man nun jedoch die beiden separaten Betrachtungen in die vollständige „Well-to-Wheel“-Betrachtung, so wird deutlich, dass der Abstand zwischen beiden Technologien stark von der anfänglichen Ausbeute der erneuerbaren Energie an der Quelle (engl. well) abhängt. Je günstiger der Standort der Erzeugung, desto geringer fällt der Effizienznachteil von E-Fuels in der Gesamtbetrachtung aus. Ein pauschales Urteil allein auf Basis des Wirkungsgrades im Fahrzeug greift deshalb zu kurz.

Cradle-to-Grave: ICE mit E-Fuels vs. BEV

Während sich die „Well-to-Wheel“-Betrachtung auf die Herstellung des Energieträgers und die anschließende Nutzung im Fahrzeug beschränkt, fehlt für eine holistische Betrachtung noch die Bewertung der Umweltauswirkungen bei der Herstellung und späteren Verschrottung bzw. Verwertung des Fahrzeuges. Im sogenannten „Cradle-to-Grave“-Ansatz findet genau diese Bewertung ihre Berücksichtigung.

Eine Studie aus China kam zu dem Ergebnis, dass die Produktion eines Elektrofahrzeugs dort rund 15,3 Tonnen Kohlendioxid erzeugt, während bei der Produktion eines Autos mit Verbrennungsmotor im Schnitt rund 10 Tonnen anfallen. Auch in der Recyclingphase werden die Emissionen von Elektrofahrzeugen höher angesetzt: etwa 2,4 Tonnen CO₂ pro Fahrzeug gegenüber rund 1,8 Tonnen CO₂ bei Autos mit Verbrennungsmotor. (Quelle: Qiao et al., 2019)

Ab welcher Fahrleistung ein BEV diesen Mehraufwand aus der Produktion im Betrieb wieder ausgleicht, hängt maßgeblich vom Strommix ab, mit dem es geladen wird, sowie von Fahrzeuggröße und Batteriekapazität. Die Ergebnisse aus China lassen sich daher nicht eins zu eins auf Deutschland übertragen. Auch hier gilt: Aussagekräftig ist ein Vergleich nur, wenn die zugrunde gelegten Annahmen offen auf dem Tisch liegen.

Ausblick in die (Wirkungsgrade der) Zukunft

Der technische Fortschritt wird in Zukunft sowohl im Bereich der BEV als auch bei den ICE-Fahrzeugen Verbesserungen der Wirkungsgrade beider Technologien bringen. Bestimmte physikalische Gesetze oder auch geografische Gegebenheiten, was die Vorkommen erneuerbarer Energien betrifft, werden durch den technischen Fortschritt jedoch nicht geändert. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Tragweite, die unterschiedlichen Alternativen zur Sicherstellung der Individualmobilität differenziert zu betrachten. Erneuerbare Kraftstoffe werden dabei aus unserer Sicht eine wichtige Rolle spielen.