Ein Elektromotor ist aus energetischer Sicht die effizienteste Antriebstechnologie, die ein Auto haben kann. Keine andere Antriebstechnologie hat einen höheren Wirkungsgrad. Der Begriff «Wirkungsgrad» gibt an, wie viel Prozent der zugeführten Energie sich tatsächlich nutzen lässt. Das sind nie 100 Prozent, weil es immer Verluste gibt – durch Reibung und Abwärme. Trotzdem: Ein Elektromotor für sich betrachtet, kommt auf überragende 80 Prozent Wirkungsgrad.
Für eine korrekte Betrachtung ist es wichtig, nicht nur die Energieverluste im Fahrzeug zu berücksichtigen. Denn gerade bei Elektroautos gilt: Die grossen Verluste entstehen bei der Erzeugung und Bereitstellung der Energie, nicht im Fahrzeug. Für diese Gesamtbetrachtung hat sich der Begriff «Well-to-Wheel» etabliert, also «vom Bohrloch bis zum Rad» – die Welt der Verbrennungsmotoren lässt grüssen.
Übertragen auf das Elektroauto würde man «von der Stromerzeugung bis zum Rad» sprechen.
Die Bilanz Well-to-Wheel sieht fĂĽr Elektrofahrzeuge wie folgt aus:
- 36 Prozent der ursprĂĽnglich eingesetzten Energie gehen fĂĽr die Erzeugung und Bereitstellung des Stroms verloren, auch beim Laden der Batterie kommt es zu Verlusten.
- 64 Prozent der eingesetzten Energie treiben die Räder des Elektroautos an.
Wie gross ist der Wirkungsgrad eines Verbrenners?
er Wirkungsgrad eines Benzinmotors liegt bei 20 Prozent, der Wirkungsgrad eines Dieselmotors bei 45 Prozent. Bei einem Verbrennungsmotor ist es gerade umgekehrt wie bei einem Elektromotor: Die grossen Energieverluste entstehen im Fahrzeug, nicht bei der Kraftstoffherstellung. Im Verbrennungsmotor läuft mithilfe des Sauerstoffs aus der Luft eine chemische Reaktion ab, bei welcher der Kraftstoff verbrannt wird. Bei der Verbrennung entsteht viel Abwärme. Zudem müssen Ventile und Zahnräder bewegt werden, bevor die Nutzenergie bei den Rädern ankommt.
Die Bilanz Well-to-Wheel sieht fĂĽr Benziner wie folgt aus:
- 80 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie gehen bei einem Benziner bei Förderung, Erzeugung, Transport und Verbrennung im Motor verloren.
- 20 Prozent der eingesetzten Energie treiben die Räder eines Benziners an.
Diesel schneiden besser ab, weil ihre Verbrennung effizienter erfolgt. Ihre Well-to-Wheel-Bilanz ist:
- 55 Prozent der ursprĂĽnglich eingesetzten Energie gehen beim Diesel verloren.
- 45 Prozent der eingesetzten Energie treiben die Räder des Diesels an.
Warum ist ein Elektroantrieb so effizient?
Elektromotoren wandeln Strom in Bewegung um, wobei nur wenig Abwärme entsteht. Dagegen verbrennen Benzin- und Dieselmotoren Kraftstoff, wobei viel Abwärme entsteht. Prinzipbedingt und aufgrund der existierenden technischen Lösungen sind Elektroantriebe extrem effizient. Es gibt Elektromotoren, die sogar Wirkungsgrade von mehr als 90 Prozent erreichen!
Im Vergleich zum Verbrenner kommen beim Elektroauto weitere Vorteile zum Tragen. So haben Elektromotoren eine weniger komplexe «Übersetzungskette», um die Nutzenergie an die Räder zu bringen. Das reduziert Reibungsverluste. Dies wird aktuell zwar noch bei keinem Serien-Elektroauto gemacht, aber: Da sie kleiner als Verbrennungsmotoren sind, lassen sich Elektromotoren nahe bei den Rädern einbauen. Es sind nach wie vor Differenzialgetriebe und Antriebswellen verbaut. Ein Getriebe fehlt aber in der Regel.
Elektromotoren erzeugen aus dem Stand heraus ein konstantes Drehmoment: Sie bringen ihre PS sofort auf die Strasse. Ein Verbrennungsmotor kann dagegen erst ab 800 bis 1000 Umdrehungen pro Minute eine ausreichende Zugkraft entwickeln, um das Auto zu bewegen. Zudem braucht er ein Getriebe, um immer Drehzahl und Leistung optimal aneinander anzupassen. Auch das Getriebe bringt Reibungsverluste mit sich.
Elektroantriebe können auch Strom erzeugen
Doch Elektromotoren können nicht nur elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandeln, sondern auch umgekehrt aus einer Bewegung elektrische Energie gewinnen. Dann wird der Motor zum Generator, zum Kraftwerk. Beim Elektroauto machen sich die Hersteller das beim Bremsen zunutze: Statt die entstehende Abwärme einfach verpuffen zu lassen, gewinnt der Elektromotor dabei elektrische Energie zurück, die in der Antriebsbatterie gespeichert wird. So steigt die Reichweite – und damit der Wirkungsgrad.
Ein Problem, das beim Elektroantrieb durch den hohen Wirkungsgrad entsteht, ist das Heizen des Innenraums im Winter. Mildern lässt sich das Problem durch eine Wärmepumpe im Fahrzeug, die – wie bei Häusern – der Umgebung Wärme entzieht, die dann zu den Insassen geleitet wird. Das entlastet die Antriebsbatterie, deren Strom ansonsten auch für das Heizen herhalten müsste. Nichtsdestotrotz: Auch die Wärmepumpe braucht Strom aus der Batterie – einfach etwas weniger, als wenn man den Strom direkt in Wärme umwandeln würde. Im Sommer ist der Energiebedarf für die Klimaanlage bei Elektrofahrzeugen und Verbrennern etwa identisch.
Welchen Wirkungsgrad hat ein Brennstoffzellenfahrzeug?
Mit der Brennstoffzelle liegt der Wirkungsgrad eines Antriebs zwischen dem von Benziner und Diesel, also weit unter dem eines Elektroautos. Ein Brennstoffzellenfahrzeug hat zwar einen Elektromotor und eine (vergleichsweise kleine) Antriebsbatterie, wandelt also wie ein Elektroauto letztlich elektrische Energie in Bewegung um. Brennstoffzellenfahrzeuge haben den Vorteil einer sehr hohen Reichweite. Doch um grössere Reichweiten als Elektroautos zu erzielen, befinden sich zusätzlich die Brennstoffzelle und ein Wasserstofftank an Bord. Um die Batterie für den Elektroantrieb aufzuladen, erzeugt die Brennstoffzelle mithilfe des Sauerstoffs aus der Luft und des Wasserstoffs Strom.
Isoliert betrachtet erreicht die Brennstoffzelle einen Wirkungsgrad von mehr als 80 Prozent. Doch in der Bilanz Well-to-Wheel verdirbt der Wasserstoff diesen hohen Wert. Wasserstoff kommt in der Natur nicht isoliert vor, sondern muss energetisch aufwändig erzeugt werden. Nachhaltig geschieht das mit Elektrolyseuren, die mittels regenerativem Strom Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten. Anschliessend gilt es, das Wasserstoffgas unter hohem Druck und tiefen Temperaturen zu speichern. Sonst fiele die Energiebilanz dieser Antriebsart noch schlechter aus. Der Druck beträgt bis zu 700 Bar. Zum Vergleich: ein Autoreifen hat zwischen zwei und drei Bar. Die Temperatur liegt bei rund –250 Grad. Das alles erfordert viel Energie.
Das Recycling ist durch die - im Vergleich zum Elektroauto – sehr kleine Batterie deutlich weniger aufwändig. Zudem kann überschüssiger Strom (z.B. im Sommer durch die PV-Anlagen erzeugt) in Wasserstoff umgewandelt und gespeichert werden.
Die Bilanz Well-to-Wheel sieht fĂĽr Brennstoffzellenfahrzeug wie folgt aus:
- 70 Prozent der ursprĂĽnglich eingesetzten Energie gehen bei Gewinnung und Speicherung des Wasserstoffs sowie bei der Stromerzeugung im Fahrzeug verloren.
- 30 Prozent der eingesetzten Energie treiben die Räder eines Brennstoffzellenfahrzeugs an.
Dies erklärt auch, warum die Brennstoffzelle für den Strassenverkehr als Nischentechnologie gilt. Denn es gibt für sehr viele Anwendungsfälle eine deutlich weniger komplexe und gleichzeitig energieeffizientere Lösung, die CO2-neutral zu realisieren ist: das E-Auto.
Bemerkungen
Geht nicht oder ...... damit fängt es an zu teuer.
Ich kann mir irgendwie nicht vorstellen, dass es für die Effizienz keine Rolle spielt, ob ich bei einem e-Auto ein Teil der Transport-Energie für das (konstante) Gewicht von ca. 0.5 to Batterien benötige vs. um die 50 kg für einen vollen Benzin-Tank.
Deshalb frage ich mich bei solchen Vergleichen immer, ob das Fahrzeug-Gewicht (oder genauer: das Gewicht der notwendigen Komponenten wie eben Tank/Batterie) nicht berĂĽcksichtigt werden mĂĽsste:
- Wird das gemacht, aber nicht erwähnt?
- Spielt es möglicherweise eine vernachlässigbare Rolle?
- Oder ist das zu schwierig, um es zu korrekt zu berĂĽcksichtigen?
- Oder kann man das nicht abschätzen, weil die Komponenten je nach Bauart/Hersteller zu unterschiedlich sind?
Kann das jemand beantworten?
(Eine Schätzgrösse basierend auf realen Verhältnissen könnte man z.B. erhalten, wenn man die in die Schweiz importieren Fahrzeuggewichte nach Antrieb aufgetrennt vergleichen würde).