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 für Elektrofahrzeuge wie folgt aus:
- 36 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie gehen für 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 für 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 ursprünglich 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 für Brennstoffzellenfahrzeug wie folgt aus:
- 70 Prozent der ursprünglich 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
Die Zahlen für die drei verglichenen Antriebe von Autos sind für mich nur schwer bzw. nicht nachvollziehbar. Es wäre für mich hilfreich gewesen, die Wirkungsgrade oder Verluste über die einzelnen Schritte zu sehen, also eine transparente Herleitung der Zahlen.
Bei der Stromvariante geht bei der Erzeugung nach meiner Abschätzung einiges mehr verloren als die insgesamt genannten 36 %. Vom in der Schweiz produzierten Strom stammen ca. 35 % aus Kernkraftwerken, die einen Wirkungsgrad von etwa 35 % erzielen, Wasserkraft kommt auf etwa 80 % bei einem Anteil von 55 % und bei den übrigen Strommengen liegt der Wirkungsgrad unter 35 %. Das bedeutet, allein hier fallen mehr als 40 % Verluste an, ohne die Verluste vom Stromnetz, von der Batterieladung etc.
Und auch die Nutzenergie beim Diesel von 45 % erscheint mir um einiges zu hoch. Einen solchen Wirkungsgrad erreichen vielleicht stationäre Motoren mit Leistung von einigen hundert kW im Dauerbetrieb.
Für alle Varianten: Wie wurde berücksichtigt, dass alle Motoren in der Regel nur bei geringer Teillast laufen?
Der Wirkungsgrad des Dieselantriebs ist zu hoch. Sonst würden ja Dieselautos weniger als die Hälfte brauchen verglichen mit Benzinautos, ausgedrückt in Liter pro 100 km, was nicht der Fall ist.
Geht nicht oder ...... damit fängt es an zu teuer.
Der Akku kann nach dem Gebrauch im Auto noch weiter als Energiespeicher verwendet werden. Die Stromerzeugung nicht ausgereift weil das Konzept zu teuer ist? Bitte mal genauer Erläutern was damit gemeint ist. Es ist übrigens der gleiche Strom der auch morgens deine Kaffemaschine zum laufen bringt ;) Zu Teuer sind E-Autos aktuell auf jeden Fall. Aber waren die ersten Autos mit Verbrennungsmotoren so günstig das sie sich gleich jeder kaufen konnte? War das erste Flugzeug so günstig das sich gleich jeder eins kaufen konnte und eine Airline gründen konnte? Denke nicht. Erste Serien E-Auto kam 2008 auf den Markt, vor 16 Jahren. Die ersten Serienautos mit Verbrennungsmotoren gibt es seit ca 1900, 124 Jahre. Völlig normal das E-Autos aktuell noch sehr teuer sind. Die E-Mobilität wird sich definitiv durchsetzen. Allein schon durch seine Effizienz. Aktuell steht die E-Mobilität noch in den Kinderschuhen. Der Verbrenner dagegen schon in der Pension.
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 berücksichtigt werden müsste:
- Wird das gemacht, aber nicht erwähnt?
- Spielt es möglicherweise eine vernachlässigbare Rolle?
- Oder ist das zu schwierig, um es zu korrekt zu berücksichtigen?
- 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).