Wie effizient sind Elektroautos wirklich?
Die Fragen, die man stellen muss:
Welche Optionen gibt es:
1. Mineralöl (fossiler Kraftstoff in Verbrennungsmotoren)
- Vorteil:
- Ausgereifte Infrastruktur: Tankstellen, Raffinerien und Antriebstechnologien (Verbrennungsmotoren) sind weltweit etabliert.
- Hohe Energiedichte von Benzin und Diesel, was zu relativ langen Reichweiten führt.
- Nachteil:
- CO₂-Emissionen: Beim Verbrennen fossiler Treibstoffe werden zwangsläufig Treibhausgase freigesetzt. Das ist angesichts des Klimawandels nicht mehr zukunftsfähig.
- Wirkungsgrad im Fahrzeug: Moderne Verbrennungsmotoren erreichen bestenfalls 35–40 % Wirkungsgrad (Tank-to-Wheel). Der Rest verpufft als Abwärme.
- Vorkettenverluste (Förderung, Transport, Raffinierung): All diese Schritte benötigen selbst Energie. Zwar sind die Verteilerstrukturen gut eingespielt, aber auch hier entstehen Verluste und Emissionen, die man in die Gesamtrechnung aufnehmen muss.
Trotz allem war Erdöl-Verbrauch lange Zeit aus wirtschaftlicher Sicht „effizient“, weil der Rohstoff billig verfügbar war. Klimapolitisch und in Hinblick auf endlich werdende Ressourcen ist diese Option jedoch nur begrenzt tragbar.
2. Bio-Fuels (BtL, Biogas)
2.1 Vergleich Anbauflächen vs. Photovoltaik (Agrophotovoltaik)
- Vorteil:
- Theoretisch CO₂-neutrales Verbrennen, da beim Wachsen der Pflanzen CO₂ gebunden wird.
- Nutzung bestehender Verbrennungsmotor-Technologien (z.B. bei Beimischungen).
- Nachteil:
- Niedrige Flächeneffizienz: Die energetische Ausbeute pro Hektar Mais für Biogas oder BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid) ist deutlich geringer als die Stromausbeute der gleichen Fläche mit Photovoltaik. Grob geschätzt liefert Photovoltaik ein Mehrfaches an nutzbarer Energie pro Fläche im Vergleich zu Energiepflanzen.
- Monokulturen und Flächenkonkurrenz (Nahrung vs. Sprit): Der großflächige Anbau von Mais oder ähnlichen Pflanzen zur Kraftstoffproduktion gerät zunehmend in Kritik, da die Fläche dann nicht für Lebensmittel oder naturnahe Nutzung bereitsteht.
- Aufwändige Verarbeitung (z.B. BtL-Prozesse): Auch hier entstehen Verluste bei Umwandlung, Transport und Verflüssigung.
Ergebnis: Bio-Fuels können eine Ergänzung sein, jedoch sind sie in größeren Mengen aus ökologischer Sicht oft problematisch (Flächenkonkurrenz) und können hinsichtlich der Effizienz nicht mit der direkten Nutzung regenerativer Energien (Stromerzeugung, Speicherung in Batterien) mithalten.
3. E-Fuels (synthetische Kraftstoffe aus grünem Strom)
- Vorteil:
- Kompatibel mit bestehender Verbrenner-Infrastruktur (Tanken, Transport, Motoren) – großer Pluspunkt, da man den Fahrzeugbestand weiter nutzen könnte.
- Wenn die Synthese ausschließlich mit erneuerbaren Energien erfolgt und die nötigen Kohlenstoffquellen klimaneutral sind (z.B. aus der Luft oder Biomasse), könnten E-Fuels theoretisch CO₂-neutral sein.
- Nachteil:
- Niedriger Gesamtwirkungsgrad: Die Herstellung von E-Fuels durch Elektrolyse (Wasserstofferzeugung), anschließend synthetische Umwandlung (z.B. Fischer-Tropsch-Prozess), Transport und letztlich Verbrennung im Motor. Jede Stufe hat Verluste. Häufig wird ein Gesamtwirkungsgrad im Bereich von 10–20 % genannt (bezogen auf den ursprünglich eingesetzten Strom).
- Hoher Energiebedarf: Um ausreichende Mengen E-Fuel zu erzeugen, bräuchte man große Kapazitäten an erneuerbaren Stromquellen sowie eine aufwändige industrielle Synthese-Infrastruktur.
- Kosten: Noch ist die Produktion von E-Fuels sehr teuer; großindustrielle Anlagen für konkurrenzfähige Preise existieren erst in Ansätzen.
Ergebnis: Auch E-Fuels können ein Baustein für spezielle Anwendungen sein (z.B. Flug- oder Schiffsverkehr, wo Batterien wenig praktikabel sind). Für den Massenmarkt Pkw sind sie jedoch energetisch ungünstig und würden sehr hohe Strommengen erfordern.
4. Wasserstoff
Wasserstoff kann einerseits in Brennstoffzellen zu elektrischem Strom umgewandelt werden (FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle), andererseits auch in modifizierten Verbrennungsmotoren direkt verbrannt werden (BMW hat vor Jahrzehnten entsprechende Prototypen gezeigt).
4.1 Gewinnung von Wasserstoff
- Grauer Wasserstoff: Aus Erdgas per Dampfreformation, verursacht CO₂-Emissionen.
- Blauer Wasserstoff: Ebenfalls aus fossilen Quellen, aber das entstehende CO₂ wird im Idealfall abgeschieden und gelagert (CCS). Praktisch jedoch häufig nur ein Übergang, problematisch in Bezug auf Leckagen und langfristige CO₂-Lagerung.
- Grüner Wasserstoff: Gewinnung über Elektrolyse mit erneuerbarem Strom. Klimaneutrale Variante, aber energieintensiv; erfordert entsprechend große Kapazitäten bei Wind- und Solarenergie sowie entsprechende Elektrolyse-Anlagen.
4.2 Brennstoffzellen vs. direkter Wasserstoff-Verbrenner
- Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV):
- Vorteil: Keine lokalen Emissionen außer Wasserdampf, relativ hoher Systemwirkungsgrad von 40–60 % (Tank-to-Wheel) – höher als beim Verbrennungsmotor.
- Nachteil: Aufwändige und kostspielige Brennstoffzellen-Systeme, teure Wasserstofftanks (hoher Druck oder extreme Kühlung), noch dünnes Tankstellennetz.
- Wasserstoff-Verbrenner:
- Vorteil: Motorprinzip wie gewohnt, mögliche Umrüstung bestehender Anlagen.
- Nachteil: Deutlich schlechterer Wirkungsgrad als Brennstoffzelle, Stickoxidemissionen sind trotz Wasserstoff möglich (bei hohen Verbrennungstemperaturen), spezielle Technik für sicheres Handling.
In der Gesamtbetrachtung (Well-to-Wheel) ist Wasserstoff (insbesondere „grüner“ Wasserstoff) deutlich weniger effizient als reine Batterie-Elektromobilität. Die Verluste entstehen beim Elektrolyseprozess, bei der Kompression bzw. Verflüssigung, beim Transport und in der Brennstoffzelle. Das Endergebnis liegt häufig in der Größenordnung von 30–40 % Gesamtwirkungsgrad vom Strom bis auf die Straße. Das ist besser als bei vielen E-Fuels, aber schlechter als bei Akkufahrzeugen (70–80 %).
5. Elektromobilität (batterieelektrische Fahrzeuge)
- Vorteil:
- Hoher Wirkungsgrad: Strom aus einer Photovoltaik-, Wind- oder Wasserkraftanlage ins Netz → Laden im Akku → E-Motor. Hier bleiben am Ende im Idealfall 70–80 % der anfangs eingesetzten Energie als Antriebsleistung übrig.
- Einfachere Infrastruktur: Stromnetze existieren bereits überall; es sind vor allem leistungsfähige Schnellladesäulen und ein Load-Management erforderlich.
- Wartungsarm: E-Motoren sind relativ simpel aufgebaut, weniger Verschleißteile als beim Verbrenner.
- Nachteil:
- Batteriegewicht: Die Akkus sind tatsächlich noch immer relativ schwer, wobei die Energiedichte (Wh/kg) stetig steigt. Für große Reichweiten braucht man große Akkus – ein Dilemma in Bezug auf Rohstoffe (Lithium, Kobalt, Nickel).
- Rohstoffabbau: Kritische Diskussion bzgl. Umwelteingriff und sozialer Aspekte. Hier tut sich allerdings viel in Richtung Recycling, Alternativen (z.B. LFP-Akkus) und neue Fördermethoden.
- Ladeinfrastruktur: Im städtischen Umfeld schnell zu realisieren (Wallbox, öffentliche Ladesäulen), im ländlichen Raum oder bei langen Strecken braucht es jedoch ein gut ausgebautes Schnellladenetz.
Zur Kritik „tonnenschwere Batterien und hohe Verluste bei Distribution“
- Die Übertragung elektrischer Energie im Stromnetz ist trotz Transportverlusten (in Deutschland ca. 4–5 %) vergleichsweise effizient, insbesondere verglichen mit der aufwändigen globalen Versorgungskette für Erdöl (Förderung, Schiffs- oder Pipeline-Transport, Raffinerie, Tanklastwagen, Tankstellenbetrieb).
- Auch im Vergleich zur Verteilung von Wasserstoff (Kompression auf 700 bar oder gar Verflüssigung) ist der Stromtransport deutlich weniger verlustbehaftet.
- Moderne Elektrofahrzeuge (z.B. Mittelklasse) haben Akku-Packs meist im Bereich 50–80 kWh, was je nach Modell 300–500 km Reichweite und ein Akkugewicht von einigen Hundert Kilogramm bedeutet. Ein Verbrenner hat zwar leichtere Tanks, trägt jedoch den Verbrennungsmotor, das Getriebe, Auspuffanlage, Abgasnachbehandlung etc., was zusammengenommen ebenfalls ins Gewicht fällt – plus ständig mitgeführte 40–60 Liter Kraftstoff.
6. Effizienzvergleich: Energieaufwand pro 100 km
Zahlen variieren je nach Fahrzeugklasse, Antriebsart und Fahrprofil. Grobe Orientierungswerte sind:
Batterie-elektrisch (BEV)
- Well-to-Wheel-Wirkungsgrad um 70–80 %.
- Stromverbrauch realistisch: 15–20 kWh pro 100 km (Kompakt-/Mittelklasse).
- Das bedeutet, man braucht ca. 15–20 kWh Strom aus der Steckdose, um 100 km zu fahren.
Brennstoffzelle (H₂-FCEV)
- Well-to-Wheel-Wirkungsgrad: ca. 30–40 %.
- Typischer Wasserstoffverbrauch: um 1 kg H₂ pro 100 km oder etwas mehr.
- Zur Herstellung 1 kg H₂ via Elektrolyse braucht man je nach Effizienz etwa 50–60 kWh Strom. Fährt ein Auto damit 100 km, ist man schnell im Bereich von 50–60 kWh „erneuerbaren“ Stroms, also rund dreimal so viel wie ein BEV.
Verbrennungsmotor mit fossilem Kraftstoff
- Tank-to-Wheel-Wirkungsgrad um 35–40 %.
- 5–6 Liter Benzin oder Diesel pro 100 km sind für viele Pkw ein guter Realwert. In Energie umgerechnet: ~ 50–60 kWh an Energieinhalt (Benzin hat rund 8,5–9,0 kWh pro Liter).
- „Hocheffizient“ wirkt es, weil die Energie im Liter Kraftstoff sehr konzentriert ist – jedoch ist der tatsächliche Energieaufwand größer, denn Raffinierung, Förderung und Transport benötigen ebenfalls Energie. Auf der CO₂-Seite ist es definitiv nicht nachhaltig.
E-Fuel-betriebener Verbrenner
- Für die Erzeugung eines Liters E-Fuel können, abhängig vom Prozess, rund 15–20 kWh Strom nötig sein (oder mehr).
- Verbraucht das Fahrzeug 5–6 Liter pro 100 km, bedeutet das 75–120 kWh Strom, die man hätte direkt im Elektroauto verwenden können, wo sie nur 15–20 kWh je 100 km gebraucht hätte.
Bio-Fuels (BtL, Biogas)
- Die Zahlen variieren stark, je nach Verfahren und Anbau. Allgemein ist der Flächenbedarf hoch und die Umwandlungsverluste sind beträchtlich.
- Typische Gesamtwirkungsgrade vom Feld bis zum Rad sind deutlich geringer als bei direkter Elektronutzung.
7. Fazit und Ausblick
- Erdöl in klassischen Verbrennern war lange Zeit kostengünstig und deshalb wirtschaftlich attraktiv. Klimafreundlich und zukunftssicher ist es jedoch nicht.
- Bio-Kraftstoffe werden durch ihren Flächenbedarf begrenzt, können aber eine Rolle in Nischen (z.B. Reststoffverwertung) spielen.
- E-Fuels sind für den Straßenverkehr zwar technisch eine Option, aber sehr energieintensiv in der Herstellung. Sie dürften eher dort interessant sein, wo man Batterien nicht einsetzen kann (z.B. Langstreckenflugzeuge).
- Wasserstoff ist ebenfalls interessant für Schwerlastverkehr, Schiffe oder Industrieprozesse, könnte im Pkw-Bereich langfristig aber nur einen Teilmarkt abdecken, da die Effizienz hinter BEVs zurückbleibt und die Infrastruktur aufwendig ist.
- Batterie-elektrische Fahrzeuge haben momentan den höchsten „Well-to-Wheel“-Wirkungsgrad, wenn sie mit Ökostrom geladen werden. Trotz mancher Nachteile (Rohstofffrage, Akkugewicht) bleibt dies die derzeit effizienteste Lösung für Pkw.
Was BMW vor 30 Jahren mit Wasserstoff probierte, war sicher technologisch visionär. Doch die Infrastruktur war nicht vorhanden, der Wirkungsgrad eines Wasserstoff-Verbrenners ist sehr mäßig, und es gab wenig Druck, eine Alternative zum damals günstigen Erdöl einzuführen. Heute aber ist die Situation eine andere: Kosten für erneuerbaren Strom sinken, der Klimawandel erfordert drastisches Umsteuern.
Ideologiefrei heißt, nicht nur auf die Batterien zu schauen und diese als „große Last“ zu verurteilen. Man muss stets das gesamte System – von der Erzeugung über die Umwandlung bis zur Verwendung – betrachten. Dann zeigt sich:
- Rein fossile Verbrennungsmotoren sind zwar vertraut und gelten als „effizient“ in der Fahrzeugperspektive, sind jedoch gesamtenergetisch und klimapolitisch problematisch.
- Batterien mögen schwer sein, aber die direkte Stromnutzung ist derzeit (und voraussichtlich auf längere Sicht) die effizienteste und klimaverträglichste Option für Pkw, sofern man den Strom erneuerbar bereitstellen kann.
- Wasserstoff und E-Fuels haben ihre Domänen, sind aber kein universeller „Heilsbringer“ für den Massenmarkt Pkw – schlichtweg wegen höherer Verluste bei Erzeugung und Transport.
Insofern hat die Politik in den letzten Jahren tatsächlich einiges verschlafen – gerade bei der frühzeitigen Förderung alternativer Antriebe, Infrastruktur und Forschung. Eine rein rationale Betrachtung (in der weder Lobbyinteressen noch ideologische Scheuklappen dominieren) hätte eventuell bereits früher zu einem ausgewogenen Maßnahmen-Mix geführt, bei dem man nicht versucht, „die eine“ Lösung zu finden, sondern kontextabhängige und systemisch sinnvolle Wege wählt:
- Batterie-Elektro für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge
- Wasserstoff/Brennstoffzelle bei Schwerlast, Schifffahrt (evtl. in Kombination mit Ammoniak)
- E-Fuels für Luftfahrt und eventuell den Bestand an klassischen Verbrennern, wo ein Umbau kaum anders möglich ist.
Kurzum: Elektromobilität lässt sich nicht auf „schwere Batterien“ und „hohe Verluste“ reduzieren – im Vergleich zu allen anderen aktuellen Optionen hat sie die Nase vorn, wenn erneuerbarer Strom verfügbar ist. Gleichzeitig sollte man aber jede Anwendung dort einsetzen, wo sie ökonomisch und ökologisch am sinnvollsten ist.
Wie weit kommt man mit 100 kWh Primärenergie mit verschiedenen Antriebsarten?
1) Batterie-Elektroauto (BEV)
- Kette:
Erneuerbarer Strom (PV/Wind) → Netzeinspeisung → Laden → Akku → Elektromotor - Typische Well-to-Wheel-Effizienz: rund 70–80 %
(Verluste durch Transport, Laden/Entladen, Umwandlung im Motor) - Realer Verbrauch: ca. 15 kWh/100 km (Mittelklasse)
Beispielrechnung:
- 100 kWh Primärenergie (z.B. Strom aus PV)
- Ca. 70 kWh kommen netto als Antriebsenergie im Fahrzeug an (nach allen Verlusten).
- Bei ~15 kWh/100 km Verbrauch ergibt das:
Ergebnis: rund 400–500 km Reichweite pro 100 kWh Eingangsenergie.
2) Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV, „grüner Wasserstoff“)
- Kette:
Erneuerbarer Strom → Elektrolyse (Wasserstoff) → Kompression/Verflüssigung → Transport → Brennstoffzelle → Elektromotor - Typische Well-to-Wheel-Effizienz: ca. 25–35 %
- Verbrauch: Viele FCEVs brauchen ungefähr 1 kg H₂ auf 100 km, das entspricht ~33 kWh Wasserstoffenergie.
Beispielrechnung (wenn man ~30 % Gesamteffizienz annimmt):
- 100 kWh Primärenergie
- ~30 kWh kommen im Fahrzeug tatsächlich als nutzbare elektrische Energie an.
- Reicht für ~1 kg H₂? – 1 kg enthält ca. 33 kWh, wir haben 30 kWh effektiv → ca. 0,9 kg H₂ → das reicht für ~90 km Fahrstrecke.
Ergebnis: rund 80–120 km Reichweite pro 100 kWh Primärenergie (in vielen Modellrechnungen ~100 km).
Mit optimistischeren Annahmen kann man auch 130–150 km kalkulieren. In der Praxis bleibt es aber deutlich weniger als bei batterieelektrischen Autos.
3) E-Fuels (synthetische Kraftstoffe)
- Kette:
Erneuerbarer Strom → Elektrolyse (H₂) → Synthese mit CO₂ zu flüssigem Kraftstoff → Transport → Verbrennungsmotor - Typische Well-to-Wheel-Effizienz: 10–15 %
(Große Verluste bei der Umwandlung zu flüssigen Kraftstoffen und dann nochmal niedrigerer Wirkungsgrad im Verbrennungsmotor)
Beispielrechnung (vereinfachtes Szenario, ~13 % Gesamtwirkungsgrad)
- 100 kWh Primärenergie (Strom)
- Nur ~13 kWh landen als mechanische Energie an den Rädern, nachdem der E-Fuel im Verbrenner genutzt wurde.
- Ein Verbrenner dieser Klasse bräuchte auf der Straße ~20–30 kWh/100 km (je nach Fahrzyklus, Größe, Wirkungsgrad).
- Variante A (20 kWh/100 km am Rad):
- Variante B (30 kWh/100 km):
Ergebnis: irgendwo zwischen 40 und 70 km pro 100 kWh eingesetzter Primärenergie.
4) Klassischer fossiler Verbrenner (Benzin/Diesel)
- Kette:
Rohöl → Förderung/Transport/Raffinierung → Tankstelle → Verbrennungsmotor - Typische Well-to-Wheel-Effizienz: rund 25–35 %
(Förderung, Raffinerie, Transport haben Verluste. Der Motor selbst nutzt nur 35–40 % der Kraftstoffenergie im Optimalfall.) - Verbrauch: z.B. 6 l Benzin/100 km = ~54 kWh chemische Energie im Kraftstoff pro 100 km
Beispielrechnung
Setzt man eine Gesamtwirkungsgradkette von ~30 % an, dann kommt von 100 kWh (Rohöl-Ressource) etwa 30 kWh „am Rad“ an. Ein Auto, das real ~20–30 kWh/100 km am Rad braucht, schafft dann:
- 20 kWh/100 km → 30/20 = 1,5 → 150 km
- 30 kWh/100 km → 30/30 = 1,0 → 100 km
Ergebnis: ca. 100–150 km Reichweite mit 100 kWh Primärenergie (fossil).
5) Bio-Kraftstoffe (kurzer Hinweis)
Bei Bio-Fuels (Biogas, BtL) hängt extrem viel von Anbaufläche, Ausgangsmaterial, Konversionstechnik usw. ab. Typischerweise ist jedoch die Flächen- und Energieeffizienz (Well-to-Wheel) eher schlecht (oft im Bereich von 15–30 %). Daher würde man – je nach Verfahren und Motor – ebenfalls nur einen ähnlichen oder etwas besseren Wert als E-Fuels erreichen, meist aber deutlich unter dem Wert batterieelektrischer Fahrzeuge bleiben. Zusätzlich besteht die bekannte Flächenkonkurrenz zur Lebensmittelproduktion.
Zusammenfassung in einer kurzen Tabelle
| Antriebsart | Geschätzte Reichweite mit 100 kWh Primärenergie |
|---|---|
| Batterie-Elektroauto (BEV) | 400–500 km |
| Brennstoffzellenauto (grüner H₂) | ~100 km (typ. 80–150 km) |
| E-Fuel im Verbrenner | ~40–70 km (je nach Wirkungsgraden) |
| Klassischer fossiler Verbrenner (Benzin/Diesel) | ~100–150 km |
| Bio-Kraftstoff (z.B. BtL, Biogas) | ähnlich oder etwas höher als E-Fuel, aber < fossile V. oder BEV |
Die konkreten Zahlen schwanken je nach Prozess, Fahrprofil, Fahrzeugtyp usw. Entscheidend ist jedoch: Batterie-Elektromobilität erreicht (bei gleicher Anfangs-Energiemenge) meist die größte Fahrstrecke, weil sie Verluste vermeidet, die bei aufwändigen Umwandlungs- und Verbrennungsvorgängen entstehen.
Warum so unterschiedliche Reichweiten?
- Umwandlungsverluste: Jede zusätzliche chemische Umwandlung (z.B. von Strom in Wasserstoff oder E-Fuel) frisst Wirkungsgrad.
- Verbrennungsmotor vs. Elektromotor: Der E-Motor kann >90 % seiner Energie in Vortrieb umsetzen, ein Verbrennungsmotor oft <40 %.
- Effizienz der Infrastruktur: Stromnetze haben relativ geringe Transportverluste (in Deutschland ~4–6 %). Bei Wasserstoff (Kompression/Lagerung) und E-Fuels (Syntheseprozesse) sind die Verluste deutlich höher.
Fazit: Aus energetischer Sicht ist das batterieelektrische Fahren – sofern der Strom regenerativ erzeugt wird – die effizienteste Lösung pro aufgewendeter kWh Primärenergie. Andere Antriebsformen haben ihren Platz (z.B. Wasserstoff für industrielle Anwendungen oder Schwerlast, E-Fuels für Flugzeuge etc.), sind aber beim Pkw weit weniger effizient.
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