Der anthropogene Klimawandel ist die größte Herausforderung unserer Zeit. Um den extremen Folgen entgegenzuwirken, muss der globale Ausstoß an Treibhausgasen reduziert werden. Der Verkehr in der EU ist für 30% der gesamten Kohlenstoffdioxidemissionen der europäischen Mitgliedsstaaten verantwortlich. Anders als Sektoren wie Energie, Wohngebäude, Industrie oder Land-, Forstwirtschaft und Fischerei, hat er im Vergleich zu 1990 seinen CO21-Ausstoß erhöht. 60,7% der CO2-Emissionen aus dem Verkehr stammen von Autos. Aufgrund der enormen Rolle des Verkehrs an den CO2-Emissionen beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Vergleich zweier alternativer Antriebsformen zu den herkömmlichen Verbrennern: Zum einen dem mit Wasserstoffbrennstoffzellen betriebenen und zum anderen dem mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren betriebenen Personenkraftwagen.
In der Bundesregierung scheint die Wahl der Antriebstechnologie der Zukunft bereits gefallen zu sein: „Batteriezellfertigung und autonomes Fahren sind hier zentral“ heißt es vom Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier in einer Pressemitteilung zum Thema „Zukunft der Mobilität“ in der die Brennstoffzelle nicht einmal namentlich erwähnt wird. Öffentliche Diskussionen über die Vor- und Nachteile von Elektroautos und Wasserstoffautos beziehen sich meist nur auf einzelne Aspekte oder setzen eine hohe Gewichtung auf die Nutzerfreundlichkeit. In dieser Arbeit werden diese Aspekte jedoch nicht betrachtet, denn diese soll die CO2-Bilanz beider Antriebstypen vergleichen. Dieser Vergleich soll die Frage beantworten, wie beide Antriebstechnologien funktionieren und welche der meistdiskutierten alternativen Antriebsformen, BEV und HFCEV, die emissionsärmere Wahl für die Zukunft der privaten personenbezogenen Mobilität sein wird.
Für meine Arbeit werde ich zunächst den Grund für die Nutzung von PKW erläutern. Darauf folgen voneinander unabhängige Darstellungen zu dem BEV und dem HFCEV, welche diese in einem Zwischenfazit mit den aktuellen Verbrennungsmotoren gegenüberstellen. Dafür werden viele Quellen zusammengetragen und verglichen, sowie eigene Berechnungen über die CO2-Bilanz der Technologien erstellt. Der Konsens der Quellen und eigener Berechnungen bildet dann die Datenbasis für das Fazit, welches zukünftige Handlungsempfehlungen enthalten soll.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Private personenbezogene Mobilität heute
2.1 Notwendigkeit des Autos
2.2 Fossile Energieträger als Kraftstoff der Mobilität
3 Batterieelektroauto
3.1 Funktionsweise des Antriebs eines Batterieelektroautos
3.2 Lithium-Ionen-Akkumulator
3.2.1 Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators
3.2.2 Verlauf der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren
3.2.3 Beschaffung der nötigen Ressourcen
3.3 Auswirkungen der Elektromobilität auf das deutsche Stromnetz
3.4 CO2-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus eines Batterieelektroautos
4 Wasserstoffbrennstoffzellenautos
4.1 Funktionsweise des Antriebs eines Wasserstoffbrennstoffzellenautos
4.2 Brennstoffzelle
4.2.1 Funktionsweise einer Brennstoffzelle
4.2.2 Verlauf der Entwicklung besserer Brennstoffzellen
4.2.3 Verwendung und Beschaffung der nötigen Ressourcen
4.3 Wasserstoff als Treibstoff
4.3.1 Vorkommen und heutige Produktionsverteilung
4.3.2 Herstellung durch Wasserelektrolyse
4.3.3 Transport und Lagerung
4.4 CO2-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus eines Wasserstoffbrennstoffzellenautos
5 Vergleich der alternativen Antriebstechnologien als Ersatz heutiger privater personenbezogener Mobilitätsformen
6 Fazit
7 Anhang
7.1 Rechnungen
7.1.1 Legende
7.1.2 Konstanten
7.1.3 Übersicht Verbrenner
7.1.4 Übersicht BEV
7.1.5 Übersicht HFCEV
7.1.6 Vergleichende Übersicht
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht und vergleicht das Batterieelektroauto (BEV) sowie das Wasserstoffbrennstoffzellenauto (HFCEV) als alternative Antriebstechnologien zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Das Primärziel besteht darin, auf Basis der CO2-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus zu ermitteln, welche dieser Mobilitätsformen sich aus rein ökologischer Sicht besser für die Ablösung fossiler Antriebsarten eignet und die Reduktion von Treibhausgasen am effektivsten unterstützt.
- Vergleich der CO2-Bilanzen von batterieelektrischen und wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen über deren gesamten Lebenszyklus.
- Analyse der Funktionsweisen und energetischen Wirkungsgrade beider Antriebstechnologien.
- Untersuchung der Ressourcenbeschaffung sowie der Produktionsbedingungen für Akkumulatoren und Brennstoffzellen.
- Evaluation des Einflusses der Strominfrastruktur und der Energiebereitstellung auf die ökologische Gesamtbilanz.
Auszug aus dem Buch
3.1 Funktionsweise des Antriebs eines Batterieelektroautos
Das BEV ist keine neue Erfindung, sondern war schon in den Anfängen des Automobils populär. Damals war jedoch die Akkumulatoren-Technologie noch nicht weit genug entwickelt, um solide Lebensdauern und schnelles Aufladen zu gewährleisten (vgl. Gerl 2002: S.41).
Von außen lassen sich BEV und herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor kaum unterscheiden. Entscheidend ist der fehlende Verbrennungsmotor, welcher durch deutlich kleine und leichtere Elektromotoren ersetzt wird. Der Akkumulator befindet sich auf der gesamten Fahrzeugfläche im Bodenbereich und ist durch sein hohes Gewicht dafür verantwortlich, dass BEV meist deutlich schwerer sind als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor trotz der Gewichtseinsparung durch die leichteren Elektromotoren (vgl. ebd. S. 41ff.).
Bei einem BEV wird elektrische Energie aus einem Akkumulator (i.d.R. Lithium-Ionen-Akkumulator) durch einen Elektromotor in mechanische Energie umgewandelt. Dazu wird die Kraft eines Magnetfelds genutzt, welches dieses auf einen stromdurchflossenen Leiter ausübt. Dadurch werden beim Betrieb eines BEV keine Treibhausgase ausgestoßen. Es gibt viele verschiedene Arten von Elektromotoren, welche sich primär durch die Art und Weise der Erzeugung des Magnetfelds und durch die Anordnung der stromdurchflossenen Leiter unterscheiden (vgl. Gerl 2002: S.44ff.). Exemplarisch werde ich hier den Synchron-Drehstrommotor erläutern, da dieser im meistverkauften BEV, dem Tesla Model 3, verbaut ist (vgl. Ely 2021).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung thematisiert den anthropogenen Klimawandel als Bedrohung und ordnet dem Verkehrssektor eine entscheidende Rolle bei der Treibhausgasemission zu, weshalb der Vergleich alternativer Antriebsformen notwendig ist.
2 Private personenbezogene Mobilität heute: Das Kapitel beleuchtet die fortbestehende gesellschaftliche Notwendigkeit und den Stellenwert des Autos sowie die ökologischen Folgen der Dominanz fossiler Energieträger.
3 Batterieelektroauto: Hier werden die Funktionsweise, die Schlüsseltechnologie des Lithium-Ionen-Akkumulators, die Ressourcenbeschaffung und der Einfluss auf das Stromnetz sowie die CO2-Bilanz des Batterieelektroautos analysiert.
4 Wasserstoffbrennstoffzellenautos: Dieses Kapitel behandelt die Funktionsweise der Brennstoffzellentechnologie, die Gewinnung und Lagerung von Wasserstoff sowie die ökologische Bilanz von Brennstoffzellenfahrzeugen über deren Lebenszyklus.
5 Vergleich der alternativen Antriebstechnologien als Ersatz heutiger privater personenbezogener Mobilitätsformen: Es erfolgt eine direkte Gegenüberstellung der zwei Antriebsformen unter Berücksichtigung von Effizienz, energetischer Umwandlung, Ressourcenverbrauch und Infrastrukturanforderungen.
6 Fazit: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und kommt zu dem Schluss, dass das BEV aufgrund des höheren Wirkungsgrades und der besseren CO2-Bilanz langfristig die realistischere Lösung für eine klimaneutrale Mobilität darstellt.
Schlüsselwörter
Klimawandel, CO2-Bilanz, Batterieelektroauto, BEV, Wasserstoff, Brennstoffzelle, HFCEV, Lithium-Ionen-Akkumulator, Elektromobilität, Energiewende, Ressourcenschonung, Treibhausgasemissionen, Wirkungsgrad, Nachhaltigkeit, Antriebstechnologie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit vergleicht das Batterieelektroauto und das Wasserstoffbrennstoffzellenauto als Alternativen zum Verbrennungsmotor, um ihre Eignung für eine emissionsarme Mobilität zu bewerten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Aspekte sind der ökologische Fußabdruck im Lebenszyklus, die Funktionsweise von Batterien und Brennstoffzellen sowie die Effizienz der jeweiligen Energiebereitstellung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist die Beantwortung der Frage, welche dieser beiden Antriebstechnologien sich aus rein ökologischer Sicht besser für die Reduzierung von Treibhausgasen eignet.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor stützt sich auf eine umfassende Literaturrecherche und eigene Berechnungen zur CO2-Bilanz, um die Emissionen über den gesamten Lebenszyklus der Fahrzeugkonzepte zu vergleichen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert detailliert die technologischen Grundlagen, die Rohstoffbeschaffung für Akkus und Brennstoffzellen sowie die Auswirkungen auf das Stromnetz und die CO2-Bilanz beider Fahrzeugtypen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Schlüsselbegriffe wie CO2-Bilanz, Batterietechnologie, Wasserstoffwirtschaft, Ressourceneffizienz und der Vergleich zwischen BEV und HFCEV stehen im Mittelpunkt.
Wie schneidet das Wasserstoffauto im Vergleich ab?
Aufgrund des geringeren Gesamtwirkungsgrades und des daraus resultierenden hohen Bedarfs an Strom für die Wasserstoffherstellung schneidet das HFCEV in der Studie schlechter ab als das batterieelektrische Fahrzeug.
Welche Bedeutung hat das Tesla Model 3 im Text?
Das Tesla Model 3 dient im Text als konkretes Beispiel für das meistverkaufte Batterieelektroauto, um technische Aspekte des Akkumulators und des Synchronmotors zu verdeutlichen.
Welche Rolle spielt die Energiedichte?
Die Energiedichte wird als entscheidender Faktor für die Akzeptanz von Batteriefahrzeugen diskutiert, da ihre Erhöhung größere Reichweiten ermöglicht und zur Ressourcenersparnis beiträgt.
Warum ist eine Platin-Problematik relevant?
Platin ist essentiell für die Brennstoffzellenproduktion, wobei der Abbau in Südafrika mit schwerwiegenden ökologischen und sozialen Problemen verbunden ist, was die Umweltbilanz des HFCEV belastet.
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- Anonym (Author), 2021, Das Auto der Zukunft: Elektroauto oder Wasserstoffauto, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1239992
