Antriebe und Kraftstoffe der Zukunft in der Automobilindustrie

Inhaltsverzeichnis

1. Problemstellung und Zielsetzung

2. Antriebe und Kraftstoffe der Zukunft in der Automobilindustrie
2.1. Antriebe der Zukunft
2.1.1. Brennstoffzelle als Antrieb der Zukunft
2.1.2. Hybrid-Technologie als Antrieb der Zukunft
2.2. Kraftstoffe der Zukunft
2.2.1. Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft
2.2.2. Bioethanol als Kraftstoff der Zukunft
2.2.3. Autogas als Kraftstoff der Zukunft

3. Fazit und Ausblick
Anhang

4. Quellenverzeichnis

1. Problemstellung und Zielsetzung

Die Globalisierung fordert heute von den Teilnehmern der globalen Marktwirtschaft eine nie zuvor da gewesene Flexibilität und Mobilität. Der allgemeine Personen- und Güterverkehr muss sich diesen Anforderungen stellen, was zur Folge hat, dass das Verkehrsaufkommen auf den Straßen in den letzten Jahren stetig zugenommen hat. Allein in Deutschland ist die Zahl der registrierten Personenkraftwagen im Jahre 2006 auf etwa 46,1 Mio. gestiegen (www.adac.de). Wesentlich höhere Zuwachsraten als die in Deutschland, verzeichnen bevölkerungsstarke Länder wie China und Indien, dessen Einwohner sich durch die Einbeziehung in das internationale Wirtschaften zunehmend Mobilität, in Form von eigenen Autos, leisten können und wollen (Brenner, www.buergerimstaat.de). Aufgrund dieser Tatsache geht man davon aus, dass China bis zum Jahr 2020 den größten Fahrzeugmarkt der Welt vorweisen können wird (Naunin, 2007, S. 65). Eine Untersuchung der Vereinten Nationen hat sogar ergeben, dass sich der weltweite Fahrzeugbestand von etwa 800 Mio. im Jahr 2000 auf circa 1,6 Mrd. Fahrzeuge im Jahr 2030 erhöhen wird (Naunin, 2007, S.118).

Die heutigen Verbrennungsmotoren dieser Kraftfahrzeuge beziehen ihre Energie größtenteils aus Kraftstoffen, die aus Rohöl gewonnen werden. Um sich die Größenordnung des erwähnten Energiebedarfes ungefähr vorstellen zu können, sei an dieser Stelle eingefügt, dass alleine für den deutschen Verkehr im Jahr 2004 59 Mio. Tonnen Kraftstoffe, die bei der Herstellung auf Erdöl basieren, verbraucht wurden^[1]. Der Anteil des deutschen Straßen-verkehrs daran, war mit 85 % sehr beachtlich (BMU, Erneuerbare Energien, 2006, S. 104).

Bei der Verbrennung von solchen fossilen Rohstoffen entstehen neben CO2-Emissionen auch umwelt- und gesundheitsschädliche Rückstände wie Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Rußpartikel (BMU, Aus Verantwortung für die Zukunft, 2007, S. 38). Geht man nun, wie oben erwähnt, davon aus, dass der Fahrzeugverkehr in Zukunft drastisch zunehmen wird, so kann man erahnen, welch großen Beitrag der Verkehr zur Umweltverschmutzung und deren Folgen leistet und erst noch leisten wird. Das nachfolgende Schaubild zeigt deutlich die beschriebene positive Korrelation zwischen dem Anstieg der Primärenergie, der Bevölkerung und der CO2-Emissionen.

Abbildung 1: Entwicklung der globalen CO2-Emissionen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Entwicklung der globalen energiebedingten CO2-Emissionen seit 1870 und ihrer

Hauptursachen: Bevölkerungszuwachs und Verbrennung von Kohle, Mineralöl und Erdgas

Quelle: www.bmu.de

CO2-Emissionen werden für den Treibhauseffekt und somit für die globale Erderwärmung verantwortlich gemacht. Ziel muss deshalb sein, diese Emissionen zu reduzieren. Dass das Thema auch in der deutschen Bevölkerung Rückhalt findet, zeigen repräsentative Umfragen: Demnach sprachen sich 45 % der Deutschen dafür aus, dass die Bundesregierung in Zukunft verstärkt für eine deutliche Verringerung von klimaschädlichen Gasen sorgen soll. 59 % der deutschen Bevölkerung fordert gar Maßnahmen für eine Substitution der Energieversorgung mit Öl und Gas durch erneuerbare Energiequellen wie beispielsweise Sonnen-, Wind- und Wasserkraft (BMU, Umweltbewusstsein in Deutschland, 2006, S. 24).

Aber nicht nur aus umweltpolitischen Gründen ist eine Abkehr vom Rohölverbrauch sinnvoll, sondern auch wegen der Endlichkeit der weltweiten Erdölvorkommen. Gerade der Verkehr ist von diesen fossilen Vorkommen in starkem Maße abhängig, existieren doch heute fast ausschließlich Fahrzeuge mit Otto- und Dieselmotoren (Naunin, 2007, S. 66). Die hierfür erforderlichen Benzin- und Dieselkraftstoffe haben sich zwar bisher als sehr energieeffektiv und im Vergleich dazu als kostengünstige Energiequellen erwiesen. Doch mit den steigenden Rohölpreisen in den letzten Jahren, die folglich aus den knapper werdenden Ressourcen herrühren, und angesichts der Umweltproblematik treten zunehmend Überlegungen vom Einsatz anderer wettbewerbsfähiger Antriebssysteme und Kraftstoffen in den Vordergrund (Krüger, 1997, S. 13).

In dieser Arbeit möchte ich mich dieser Fragestellung, den Antrieben und Kraftstoffen der Zukunft in der Automobilindustrie, näher zuwenden und herausfinden, inwiefern diese Technologien dafür geeignet sind, Schadstoffemissionen zu reduzieren und, unabhängig von den Erdölreserven, eine nachhaltige Energieversorgung im Verkehrswesen sicherzustellen.

Hierbei ist der Automobilindustrie bei der Umsetzung eine einflussreiche Rolle zugewiesen, da sie in bedeutender Art und Weise das Angebot an Kraftfahrzeugen mit sauberen Technologien mitgestaltet. Dass die Automobilindustrie auf dem Weg zur Reduzierung von straßenverkehrsbezogenen CO2-Emissionen schon erste Erfolge vorweisen kann, zeigt die nachstehende Grafik des Verbandes der Automobilindustrie (VDA). Demnach nimmt der CO2-Ausstoß seit dem Jahr 2000 kontinuierlich ab. Erreicht wurde dies überwiegend durch Verbesserungen und Effizienzsteigerungen der Verbrennungsmotoren (Verminderung des Kraftstoffverbrauchs). Auch für die Zukunft ist eine weitere Reduzierung prognostiziert.

Abbildung 2: CO2-Emissionen des Straßenverkehrs - Der Höhepunkt ist überschritten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bis zum Jahr 2030 sollen die CO2-Emissionen in Deutschland nach Vorstellung des

VDA um weitere 20.000 Kilotonnen pro Jahr zurückgehen.

Quelle: www.vda.de

Diese weitere Reduzierung wird im Wesentlichen auf die Einbringung von neuen Antriebssystemen und Kraftstoffen zurückzuführen sein. Dazu gehören Technologien wie beispielsweise der Hybrid- oder Wasserstoffantrieb. Abbildung 3 zeigt die bestehenden Möglichkeiten mit erfolgsversprechenden Aussichten auf. Gut erkennbar ist hier, dass von der Automobilindustrie die Wasserstofflösung favorisiert wird und die anderen Technologien als Zwischenlösungen angesehen werden. Auch das Bundesumweltministerium sieht dieses Vorgehen ähnlich, welches aus der Abbildung 4 ersichtlich ist.

Abbildung 3: Die Roadmap in der Antriebstechnologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Links der Straße sind die Kraftstoffe, rechts davon die Antriebsarten angezeigt

Quelle: www.vda.de

Abbildung 4: Strategisches Gesamtkonzept der Kraftstoffstrategie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: www.bmu.de

In meiner Arbeit möchte ich allerdings nur auf folgende ausgewählte und vielversprechenden Antriebe und Kraftstoffe der Zukunft eingehen: Brennstoffzelle, Hybrid-Technologie, Wasserstoff, Bioethanol sowie Autogas. Das letztgenannte Thema werde ich intensiver diskutieren, da ich mein Auto auf Flüssiggas umrüsten ließ und somit Erfahrungen mit dieser Kraftstoffvariante einbringen kann. Des Weiteren bleibt darauf hinzuweisen, dass sich meine Untersuchungen und Erkenntnisse lediglich auf Personenkraftwagen abgegrenzt (also weder auf Nutzfahrzeuge noch auf öffentliche Verkehrmittel) beziehen.

Bei der Ausarbeitung der Themenstellung habe ich mich entschieden die beiden Antriebe (Brennstoffzelle und Hybrid-Technologie) allgemein vorzustellen und die Vor- und Nachteile dieser Varianten aufzuzeigen. Außerdem beleuchte ich kritisch deren Zukunftsfähigkeit.

Bei den Ausformulierungen zu den Kraftstoffen hingegen, bin ich folgendermaßen vorgegangen: Ich werde jeweils die Kraftstoffart und ihre Herkunft vorstellen. Danach gehe ich auf die Aspekte ein, wie der Kraftstoff gewonnen wird und wo er ökonomisch sinnvoll hergestellt werden kann. Zentrale Entscheidungskriterien über die Zukunftsfähigkeit der Kraftstoffvarianten (Emissionen und Wirtschaftlichkeitsanalysen) folgen im Anschluss daran, bevor ich abschließend die Vor- und Nachteile des Kraftstoffes in einem kritischen Fazit abrunden werde.

Als Ergebnis meiner Analyse von Antrieben und Kraftstoffen der Zukunft in der Automobilindustrie bin ich zu der Erkenntnis gelangt, dass meiner Meinung nach, hinsichtlich der Umwelteinflüsse und Ressourcenaspekte, kein Antrieb und kein Kraftstoff für sich alleine die Zukunftstechnologie sein wird. Vielmehr bin ich davon überzeugt, dass die Hybridtechnologie, in Verbindung mit Bremsenergierückgewinnung und die Einspeisung der Rollenergie bei Bergabfahrten zusammen mit einem optimalen Kraftstoff auf biogener Basis und einer optimierten Fahrzeugform, aus ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten heraus, die beste Wahl darstellen und sich auf dem globalen Markt durchsetzen wird.

2. Antriebe und Kraftstoffe der Zukunft in der Automobilindustrie

Bevor hier nun die Antriebe und Kraftstoffe der Zukunft vorgestellt werden, muss zum besseren Verständnis erst geklärt werden, worin sich Antriebe und Kraftstoffe voneinander unterscheiden.

Ein Antrieb wandelt die Energie, die aus externen Energiespeichern kommt, in mechanische Bewegungen um und ist die Technologie für den Betrieb eines Motors. Als Beispiel kann man hier den typischen Verbrennungsmotor nennen, aber auch die Hybrid-Technologie fällt unter diesen Begriff.

Ein Kraftstoff hingegen ist die Energiequelle, die den Antrieb speist. Beispiele hierfür sind Benzin, Flüssiggas, Erdgas oder auch Wasserstoff.

2.1 Antriebe der Zukunft

2.1.1 Brennstoffzelle als Antrieb der Zukunft

Brennstoffzellenfahrzeuge werden mit elektrischer Energie angetrieben, die in der Brennstoffzelle aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird. Damit liefern Brennstoffzellen, wie auch Batterien, elektrischen Strom. Die Brennstoffzelle hat aber im Gegensatz zur Batterie einen entscheidenden Vorteil. Während Batterien, die chemische Energie abspeichern und bei Bedarf abgeben, immer wieder neu aufgeladen werden müssen, wandeln die Brennstoffzellen die chemische Energie des Wasserstoffes in elektrische Energie um, solange man ihnen den Kraftstoff zuführt (Rifkin, 2002, S. 204). Der Wasserstoff ist dabei als Endenergieträger unabdingbar und kann auch nicht durch andere Kraftstoffe ersetzt werden. Zwar kann man Methanol oder Ergas im Fahrzeug selber zu Wasserstoff umwandeln, jedoch ist dieses Verfahren sehr aufwendig und mit Blick auf die Energiebilanz nicht empfehlenswert (Krüger, 1997, S. 87). Weitere Informationen zum Thema Wasserstoff sind im Themenkomplex „Kraftstoffe der Zukunft“ detailliert aufgeführt.

Brennstoffzellen liefern also elektrischen Strom an den Elektromotor, welcher dann das Fahrzeug antreibt. Dieser Ablauf erfolgt ohne das Entstehen von Treibhausgas-Emissionen, da als Abfallprodukt lediglich ein Gemisch aus Wasser und Restluft austritt (Naunin, 2007, S. 131). Da aber die Produktion von Wasserstoff sehr energieintensiv ist, macht diese Antriebsart nur dann Sinn, wenn der Wasserstoff mit Hilfe von erneuerbarer Energie hergestellt wird.

Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen, wie Abbildung 5 zeigt, aus drei Bauteilen: Der Brennstoff-Elektrode (Anode), der Sauerstoff-Elektrode (Kathode) und dem Elektrolyten. Die Aufgabe des Elektrolyten ist es, den Ionentransport bei der elektrochemischen Reaktion zu übernehmen. Umspült man nun die Anode mit Wasserstoff, so werden diesem durch elektrochemische Oxidation die Elektronen entzogen. Die Protonen (Wasserstoff-Ionen) wandern zur Kathode durch den Elektrolyten (Polymer-Membran), der die Brennstoff- von der Sauerstoff-Elektrode voneinander trennt. Dort verbinden sich die Wasserstoff-Ionen mit dem Luftsauerstoff zu Wasser. (Naunin, 2007, S. 132/133)

Die Elektronen, die anfangs vom Sauerstoff isoliert wurden, erzeugen elektrische Energie. Dies geschieht außerhalb des Elektrolyten auf ihrem Weg zur Kathode (sie können den Elektrolyten nicht durchdringen). Dieser Prozess erfolgt, ohne thermische oder mechanische Zwischenstufen, in einem einzigen Schritt (Krüger, 1997, S. 85).

Abbildung 5: Wirkungsweise einer Brennstoffzelle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: www.bmu.de

Fasst man mehrere Brennstoffzellen zusammen, so spricht man von einem Block (englisch: Stack = Stapel). Die hier generierte elektrische Energie reicht aus, um einen Elektromotor anzutreiben.

In Brennstoffzellenfahrzeugen muss als Kraftstoff, wie oben beschrieben, nicht die elektrische Energie sondern die chemische Energie in Form von Wasserstoff getankt werden. Die Speicherungsmöglichkeiten von Wasserstoff als Kraftstoff ist trotz technischen Fortschrittes noch nicht optimal und bereitet der Automobilindustrie Schwierigkeiten. Heute sind drei Speicherarten bekannt: die Speicherung von Wasserstoff in flüssiger Form, komprimiert in Gasform oder gebunden in einem Metallhydrid. Während sich die letztgenannte Speicherart wohl aufgrund von ressourcentechnischen und ökonomischen Gesichtspunkten nicht durchsetzen wird, sind die beiden anderen Möglichkeiten vielversprechender. Diese möchte ich nun im Wesentlichen vorstellen.

Speicherung von Flüssigwasserstoff

Bringt man Wasserstoff auf eine Temperatur von –235° C, geht er vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Aggregatszustand über. Dabei erhöht sich die Dichte des Kraftstoffes erheblich, was zur Folge hat, dass man in einen Tank mit einem limitierten Volumen mehr Energie einspeichern kann. Um aber eine Erhöhung der Wasserstofftemperatur zu vermeiden, was zu einer Verdampfung des Kraftstoffes führen würde und somit zu einer Volumenausdehnung, muss der Tank sehr gut isoliert werden. Da sich aber eine Erhöhung der Temperatur auf lange Sicht nicht vermeiden lässt, wird versucht, den Wasserstoff möglichst lange kühl zu halten (Naunin, 2007, S. 137).

Kommt es zur Verdampfung des flüssigen Wasserstoffes, würde ein erhöhter Druck ohne Folgen bleiben, sofern es sich beim Besitzer des Brennstoffzellen- oder Wasserstofffahrzeuges um einen Vielfahrer handelt. Denn durch die Nutzung des Autos könnte der überschüssige Druck ohne Verluste vollständig zur Energiegewinnung herangezogen werden. Zu sogenannten „Boil-Off-Verlusten“ kommt es, wenn sich im Tank durch den verdampfenden Wasserstoff ein nicht zulässiger Betriebsdruck aufbaut. Dann muss ein Teil des Wasserstoffgases kontrolliert abgelassen werden (Naunin, 2007, S. 137).

Speicherung von Wasserstoff in Gasform

Eine Erhöhung der Energiedichte des Wasserstoffgases ist auch durch Komprimierung des Gases möglich. Um aber mit einem Brennstoffzellen- oder Wasserstoffverkehrsmittel akzeptable Reichweiten erzielen zu können, wird bei Wasserstoff ein sehr hoher Druck benötigt. Bei einem maximalen Speicherdruck von 700 bar ergibt eine weitere Druckerhöhung keine wesentlich höhere Speichermenge und zudem erhöht sich der konstruktive Aufwand des Speichertanks überproportional (Naunin, 2007, S. 138).

Das Hochdrucktanksystem besteht aus einer nahtlosen, wasserstoffundurchlässigen inneren Hülle, einer hochfesten Ummantelung aus Kohlefaserverbundmaterial, das einem solch hohen Druck sicher standhält, sowie einer patentierten Schutzwicklung. Dieses System ist nach deutschen Richtlinien für Druckbehälter vom TÜV vollständig zertifiziert worden (Naunin, 2007, S. 138).

Vorteile und Nachteile der Brennstoffzellentechnologie

Der wesentlichste Vorteil eines Fahrzeuges mit Brennstoffzellenantrieb ist wohl, dass beim Betrieb keinerlei Schadstoffe entstehen und somit die Umwelt nicht belastet wird (Krüger, 1997, S. 65). Das heißt aber nicht, dass zur Bereitstellung des Kraftstoffes (Wasserstoff) sowie bei der Herstellung des Antriebes (Brennstoffzellen) keine Energie benötigt wird. Ganz im Gegenteil: Die Erzeugung von Wasserstoff ist, wie oben erwähnt, sehr energieintensiv. Auch die Herstellung von Brennstoffzellen ist heute noch mit einem hohen Energie- und Ressourceneinsatz verbunden und damit teuer. Aufgrund der hohen Kostensituation wird versucht, die erforderliche Menge an Platin in der Brennstoffzelle zu reduzieren. Es ist jedoch bisher noch nicht gelungen, die Kosten und Energieverbräuche auf ein marktfähiges Niveau zu heben (Naunin, 2007, S. 120).

[...]

^[1] Der Verkehr ist nach den Haushalten der zweitgrößte Energieverbraucher der deutschen Volkswirtschaft.

(BMU, Erneuerbare Energien, 2006, S. 104)