Können Elektromotoren das Klima wirklich verbessern?

Inhalt

1. Einleitung

2. Verbrennungs- und Elektromotoren
2.1. Was sind Verbrennungsmotoren?
2.2. Was versteht man unter Elektromobilität und Elektrofahrzeugen?
2.3. Wieso sich Verbrennungsmotoren erstmals durchsetzen konnten
2.4. Die „zweite Chance" für Elektrofahrzeuge

3. Lebensdauer der Motoren
3.1. Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus
3.2. Lebensdauer von Verbrennungsmotoren
3.3. Vergleich der Lebensdauer zwischen Verbrennungs- und Elektromotoren

4. Klima und CO2-Emissionen
4.1. Was ist unser Klima?
4.2. Was sind CO2-Emissionen und woher kommen sie?
4.3. Die Entwicklung des weltweiten CO2-Ausstoßes von 1960 –
4.4. Die CO2-Emissionen der verschiedenen Länder

5. Elektromobilität oder Verbrennungsmotor? – Vergleich des CO2-Ausstoßes unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren
5.1. Vergleich des CO2-Ausstoßes bei der Herstellung
5.1.1. CO2-Ausstoß bei der Herstellung eines Mittelklasse-PKW
5.1.2. CO2-Ausstoß bei der Herstellung von Benzin, Diesel und Elektrizität
5.2. Vergleich des CO2-Ausstoßes bei der Nutzung
5.2.1 Der CO2-Ausstoß nach 1.000 km einer B-Klasse „Electric Drive"
5.2.2. Der CO2-Ausstoß nach 1.000 km einer B-Klasse „B 180"
5.2.3. CO2-Bilanz nach 1.000 km Nutzung zwischen Elektro- und Benzinmotor

6. Sind Elektrofahrzeuge wirklich besser für die Umwelt?
6.1. CO2-Emissionen nach einer Laufleistung von 200.000 km

7. Warum Strom aus erneuerbarer Energie den großen Unterschied macht
7.1. Zukunftsvision mit Strom aus 100 % erneuerbarer Energie

8. Fazit

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

Im Rahmen dieser Facharbeit sollen die Verbrennungs- und Elektromotoren unter Berück­sichtigung des CO2-Ausstoßes miteinander verglichen werden, um die Fragestellung zu be­antworten, welche Motoren sich positiver auf unser Klima aus­wirken können. Dabei werden verschiedene Faktoren herausgesucht und gegenübergestellt, um zu sehen, wo die Sch­wierigkeiten liegen und was sich verbessern muss, um den CO2-Austoß zu senken. An­hand dieser Vergleiche kann man erkennen, ob die Elektromobilität heut­zutage wirklich nachhaltig das Klima und damit unsere Umwelt ver­bessern kann. Es ist schon lange kein Geheimnis mehr, dass unser Klima immer mehr gefährdet ist und wir Menschen zum großen Teil sehr stark dazu beitragen. An keinem anderen Ort auf unserem Planeten wird der Klimawandel so deutlich wie in den nördlichen und südlichen Polar­regionen. Dort schmilzt die Eisdecke in Rekordzeit und erhöht somit den Meeresspiegel immer weiter. Es gibt mehr­ere Faktoren für den Klimawandel, doch ein entscheidender Faktor ist der CO2-Ausstoß. Da mich die Natur und Umwelt schon immer faziniert hat, ist die untersuchte Fragestellung auch eine private Motivation, um mehr Fakten und Lösungsanreize für die Klimaentwicklung herauszufinden.

2. Verbrennungs- und Elektro­motoren

2.1. Was sind Verbrennungsmotoren?

Unter Verbrennungsmotoren (siehe Abb. 1) versteht man Motoren, die chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln. Dies geschieht im Brennraum des Motors, wo ein zünd­fähiges Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrannt wird. Die durch die Verbrennung im Zylinder ent­stehende Wärmeausdehnung sorgt nun dazu, dass sich der Kolben im Zylinder auf- und abbewegen kann. „Bei Hub­kolbenmotoren wird die Auf- und Ab­bewegung des Kolbens (Hub), meist­ens durch einen Kurbeltrieb in eine Dreh­bewegung umgewandelt" (Wiesinger, 2018). Otto- und Diesel­motoren sind die üblichen Arten von Verbrennungs­motoren. Diese Arten von Motoren finden typischerweise An­wendung in der Automobilindustire. (Wikipedia, 2018)

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2.2. Was versteht man unter Elektromobilität und Elektrofahrzeugen?

Zur Elektromobilität zählen Fahrzeuge im Bereich des Personen- und Gütervehrkehrs, die mit einem Elektromotor ausgestattet sind. Doch nicht nur PKW und LKW zählen zur Elektro­mobilität, sondern auch Fahrräder, Motorräder und Busse, die elektrisch angetrieben werden, gehören dazu. In der darauffolgenden Tabelle (siehe Tab. 1) wird eine Aufteilung zur genau­en Definition der Elektrofahrzeuge angeführt, die mindestens einen elektrischen Motor be­sitzen. „Elektromotoren finden in der Technik eine weite Verbreitung und können mit über­schaubarem Aufwand und ohne grundsätzliche Änderung für die mobile Anwendung im Fahrzeugbetrieb angepasst werden" (Karle, 2015, S. 58).

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Tabelle 1: Typen von Elektrofahrzeugen (Karle, 2015, S. 13)

2.3. Wieso sich Verbrennungsmotoren erstmals durchsetzen konnten

Die Elektromotoren sowie Verbrennungsmotoren gab es beide im Prinzip schon seit der Erfindung des Automobils. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurde nicht nur der Ottomotor erfunden und bis zur Nutzungsreife weiterentwickelt, sondern auch schon erfolg­reich an Elektrofahrzeugen gearbeitet. Doch damals erkannte man schnell die Vorteile des Otto­motors gegenüber des Elektromotors. Die Elektromotoren hatten zu der Zeit schon mit hohem Gewicht und geringen Reichweiten zu kämpfen, wie z.B. der Lohner-Porsche^[1] „... das Fahrzeug hatte als Antrieb zwei Radnabenmotoren an den Vorderrädern, war 50schnell und hatte mit einem 400 kg schweren Bleiakku eine Reichweite von 50 km" (Karle, 2015, S. 17). Die Reichweite der Benzinmotoren hingegen war deutlich besser und das Nachtanken der Ottomotoren im Vergleich zum Aufladen der Batterie eines Elektromotors ging deutlich schneller. Diese Vorteile sorgten dafür, dass sich die Ottomotoren überaus erfolgreich durchsetzten konnten (Karle, 2015, S. 17).

2.4. Die „zweite Chance" für Elektrofahrzeuge

Aufgrund des erhöhten CO2-Ausstoßes, der durch die Menschen verstärkt wurde, dachte man über bessere Alternativen für die Umwelt nach und da kam der Elektromotor immer mehr in den Fokus. „Elektromobilität wird vielfach als die Lösung zukünftiger Mobilität gesehen" (Tober, 2016, S. 15). Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts gab es immer wieder Versuche, die Elektrofahrzeuge für die Menschen attraktiver zu machen, jedoch mit wenig Erfolg. Es wurde vor allem an den Akkus der Fahrzeuge geforscht und versucht, die Reich­weiten und die Haltbarkeit der Akkus zu erhöhen. „Ein Durchbruch bahnte sich dann aber mit der Erfindung des Lithium-Ionen-Akkus an" (Karle, 2015, S. 18). Sie brachten eine Menge ent­scheidender Vorteile wie z.B. eine hohe Speicherdichte, keinen Memoryeffekt und geringe Selbstentladung. Eine der ersten Firmen, die diese Akkus erfolgreich und serienreif in Fahr­zeuge verbaute, war TESLA^[2]. Obwohl die Firma bis dahin kein etablierter Fahr­zeughersteller war, schaffte sie es an die Spitze der Elektromobilität und ist laut „Focos Online" sogar Marktführer für Elektrofahrzeuge (Focus Online, 2017). Das Fahrzeug TESLA Model S (siehe Abb. 2) beeindruckt mit Reichweiten von mehreren hundert Kilometern (TESLA, 2018).

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3. Lebensdauer der Motoren

In diesem Abschnitt geht es um die durchschnittliche Lebensdauer der verschiedenen Motoren. Es stellt sich die Frage, wie hoch die durchschnittliche Lebensdauer von Verbrenn­ungsmotoren und die der Lithium-Ionen-Akkus ist. Die Lebensdauer ist deshalb so wichtig, weil festgestellt werden muss, ob ein Elektromotor mit einem Verbrennungsmotor mithalten kann. Da die verschied­enen Motoren auch Unterschiede in der Herstellung aufweisen (mehr dazu im Abschnitt 5.1.1.), muss man abwägen, was sich am Ende besser oder schlechter auf die Umwelt auswirkt.

3.1. Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus

Bei Lithium-Ionen-Akkus, die in den Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, geht man all­gemein davon aus, dass sie nach etwa acht Jahren ihren Lebenszyklus durchlaufen haben. „Nach diesem Zeitraum stellen Batterien aber nicht einfach ihren Dienst ein. Mit Ende des Lebens­zyklus ist in der Regel erst einmal die Reduzierung der Leistungsfähigkeit auf 70 % bis 80 % der ursprüng­lich verfügbaren Batteriekapazität gemeint" (ecomento, 2018). Die Akkus sind demnach immer noch funktionsfähig, können allerdings nur noch 70 % bis 80 % der ursprünglichen Reich­weite erreichen. Experten gehen davon aus, dass der Lebenszyklus nach ca. 1.000 Auf­ladungen ein Ende findet, oder wie bereits erwähnt, nach etwa acht Jahren (Kleber & Schneider, 2017). Bei der realisierbaren Reichweite heutzutage von ca. 150 km bis 200 km, wären dies dementsprechend ca. 150.000 km bis 200.000 km Lauf­leistung. Nach dieser Leistung würde die Akkukapazität nachlassen und es wären nur noch geringere Strecken möglich sein.

3.2. Lebensdauer von Verbrennungsmotoren

Die Lebensdauer von Verbrennungsmotoren hängt von mehreren Faktoren ab. In der Regel sagt man, dass Dieselmotoren eine längere Lebensdauer aufweisen als Ottomotoren. Doch hier muss man auch hinzufügen, dass Dieselmotoren eher für Langstrecken zum Einsatz kommen sollten, da sie in der Regel etwas länger brauchen als ein Ottomotor, um auf Be­triebstemperatur zu kommen. Demnach nutzt ein Dieselfahrzeug, welches des Öfteren kurze Strecken fährt, schneller ab und schädigt den Motor. Kurzstrecken sind allerdings auch nicht unbedingt besser für einen Ottomotor, da dieser jedoch schneller auf Betriebs­temperatur kommt, schädigt es den Motor eher weniger. Ein anderer wichtiger Faktor für die Lebens­erwartung von Verbrennungsmotoren ist das Downsizing. Durch das Verkleinern der Motoren und die Aufladung durch Turboladern sinkt die Lebensdauer der Verbrennungs­motoren im­mer weiter. An die Lebensdauer der alten Motoren kommen die neuen Motoren schon lange nicht mehr heran. Alte Benzinmotoren hatten z.B. eine Lebensdauer von ca. 300.000 km und mehr, bei Dieselmotoren waren es sogar noch mehr. Heute geht man von einer Laufleistung von ca. 200.000 km bis 250.000 km bei Verbrennungsmotoren aus (Farwer, 2018).

3.3. Vergleich der Lebensdauer zwischen Verbrennungs- und Elektromotoren

Die Lebensdauer der Motoren ist in beiden Fällen relativ gleich. Durch das Downsizing der Verbrennungsmotoren sinkt die Lebensdauer der Motoren immer weiter ab. Die Akkus der Elektrofahrzeuge halten in der Regel 150.000 km bis 200.000 km ihren Lebenszyklus. Nach dieser Laufleistung verringert sich zwar die Speicherkapazität der Lithium-Ionen-Akkus, sie können dennoch weiterhin genutzt werden und im Hinblick auf die Laufleistung und Lebens­dauer trotzdem mit den Verbrennungsmotoren mithalten.

4. Klima und CO2-Emissionen

4.1. Was ist unser Klima?

Das Klima sind alle Wettererscheinungen, die für ein Gebiet über viele Jahre hinweg typisch sind. Änderungen sieht man nicht sofort, da sich das Klima langfristig entwickelt und Ver­änderungen deshalb erst über mehrere Jahre oder Jahrzehnte erkennbar werden. Durch den CO2-Ausstoß, der durch den Menschen verursacht wird, „...verändert sich unser Klima sch­neller als die Erde ertragen kann" (Greenpeace, 2017). Dies zeichnet sich z.B. durch starke Regenfälle aus, die Überschwemmungen mit sich bringen oder durch starke Stürme, die große Schäden an Land verursachen können (Greenpeace, 2017).

4.2. Was sind CO2-Emissionen und woher kommen sie?

Unter CO2^[3] versteht man ein giftiges Gas, welches geruchlos und schwerer als die Luft ist. „Hauptsächlich entsteht es bei Verbrennungsprozessen von kohlenstoffartigen oder kohlen­stoffhaltigen Produkten wie Kohle, Öl, Erdgas, Methan oder kohlenstoffhaltigen Abfällen" (Globalisierung Fakten, 2018). Der erhöhte CO2-Ausstoß hat mehrere Gründe, doch die gr­ößten sind unter anderem die Energiebereitstellung, die Landwirtschaft, die Industrie und der Verkehr. Laut „Greenpeace" geht man davon aus, dass die Tendenz aufgrund der wach­sen­den Städte und Weltbevölkerung steigen wird (Greenpeace, 2017). Im folgenden Dia­gramm (siehe Abb. 3) wird noch einmal genauer dargestellt, woher die CO2-Emissionen kommen.

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4.3. Die Entwicklung des weltweiten CO2-Ausstoßes von 1960 – 2016

Die folgende Statistik (siehe Abb. 4) zeigt den weltweiten CO2-Ausstoß in den Jahren 1960 bis 2016. Anhand der Zahlen kann man ablesen, wie sich der Ausstoß in den letzten 55 Jahren verändert hat. Während es im Jahr 1960 noch rund 9,1 Mrd. Tonnen waren, stieg der Wert in den nächsten Jahrzehnten immer weiter an. Bis 2016 lag der Wert bei etwa 35 Mrd. Tonnen, was einen Anstieg von beinahe 400 % ausmacht (statista, 2017). Der erhöhte CO2-Ausstoß sorgt dafür, dass sich das Klima schneller verändert als üblich.

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4.4. Die CO2-Emissionen der verschiedenen Länder

Der Spitzenreiter ist zur Zeit die Bundesrepublik China mit insgesamt 10,6 Mrd. Tonnen CO2-Ausstoß pro Jahr (Stand 2015). Man rechnet damit, dass sich dieser Wert in den nächsten Jahren wegen des wirtschaftlichen Wachstums Chinas weiter vergrößert. Global gesehen liegt der chinesische Anteil zurzeit somit schon bei 26 %, gefolgt von den USA mit 14 %. Der CO2-Ausstoß liegt hier bei rund 5,2 Mrd. Tonnen pro Jahr. Deutschland belegt im weltweiten Ranking Platz 7 mit 0,8 Mrd. Tonnen CO2-Ausstoß. Die Zahlen dieser Statistik habe ich aus dem „Spiegel Online" (Seidler, 2017) und aus einem Magazin von „Greenpeace" entnommen (Greenpeace, 2017). Anhand dieser Za­hlen kann man den Ausstoß pro Kopf ermitteln (siehe Abb. 5). Der setzt sich aus der Zahl der CO2-Emi­ssonen und der Zahl der Einwohner des jeweiligen Landes zusammen.

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5. Elektromobilität oder Verbrennungsmotor? – Vergleich des CO2-Ausstoßes unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren

5.1. Vergleich des CO2-Ausstoßes bei der Herstellung

Bei meiner Recherche nach genauen Zahlen über den CO2-Ausstoß, der bei der Herstellung von Verbrennungs- und Elektrofahrzeugen entsteht, bin ich auf einige Probleme gestoßen. Es gibt sehr wenig Informationen darüber und vor allem die Hersteller geben die genauen Daten nicht bekannt. Daher beziehe ich die meisten Informationen, die ich zu diesem Thema finden konnte, aus den Büchern „Praxisbericht – Elektromobilität und Verbrennungs­motor" von Tober, W. und „Elektromobilität – Grundlagen und Praxis" von Karle, A. Dort sind einige wichtige Zahlen und Fakten nicht nur über die Herstellung der Fahrzeuge, sondern zusätzlich über die Herstellung von Benzin, Diesel und Elektrizität in Deutschland. In dem Buch „Praxis­bericht – Elektromotor und Verbrennungsmotor" beschreibt der Autor auch, dass es für die Nach­haltigkeit wichtig sei, den Strom aus sogenannten „regenerativen Energiequellen" zu beziehen. „Zu den regenerativen Energiequellen zählen demnach Sonnenenergie, Wind­energie, Wasserkraft, Biomasse und Erdwärme" (Tober, 2016, S.15). Die Gründe dafür erläutere ich genauer im Abschnitt 7, wenn es um den Vorteil von erneuerbarer Energie geht. Das Problem hier ist aller­dings, dass es in Deutschland zurzeit noch nicht möglich ist, alle elektrischen Fahrzeuge mit so viel Strom aus regenerativer Energie aufzuladen, da es nicht mehr zur Deckung des Strombedarfs anderer Sektoren ausreichen würde. Der deut­sche Strommix setzt sich aus regenerativer (erneuerbarer) Energie und konventioneller Energie zu­sammen. Der Anteil im Jahr 2017 lag bei der erneuerbaren Energie bei 38,5 % und bei den konven­tionellen Energieträgern waren es 61,5 % (Strom Report, 2018). Ich beziehe mich in dieser Analyse auf den CO2-Ausstoß bei der Herstellung pro Fahrzeug eines Mittel­klasse-PKW und den CO2-Ausstoß, der bei der Herstellung von Elektrizität, Benzin und Diesel entsteht. Hierbei handelt es sich demnach nicht um den Gesamtenergie­bedarf.

[...]

^[1] Praxistaugliches Elektrofahrzeug, welches von Ferdinand Porsche entwickelt und im Jahr 1900 in Paris auf der Weltausstellung präsentiert wurde (Karle, 2015, S. 17).

^[2] TESLA wurde im Jahr 2003 gegründet und stellt ausschließlich Fahrzeuge mit Elektro­motoren her (Wikipedia, 2018).

^[3] CO2 ist die das chemische Formelzeichen für Kohlenstoffdioxid oder Kohlendioxid