Antriebsarten im Vergleich

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Antriebsarten im Vergleich 

In einer Welt, die sich zunehmend den Herausforderungen des Klimawandels und der Ressourcenknappheit stellt, rückt die Frage nach der optimalen Antriebsart für Fahrzeuge immer stärker in den Vordergrund. Dieser Artikel widmet sich einem umfassenden Vergleich verschiedener Antriebsarten: Benzin, Diesel, Elektro, Erdgas und Wasserstoff. Ziel ist es, Licht ins Dunkel der vielfältigen und oft widersprüchlichen Informationen zu bringen und eine fundierte Entscheidungshilfe zu bieten. Es werden sowohl technische Aspekte als auch ökologische und wirtschaftliche Gesichtspunkte berücksichtigt, um ein ganzheitliches Bild der jeweiligen Antriebstechnologien zu zeichnen.

1. Benzinantrieb

Funktionsweise

Der Ottomotor erzeugt durch die Explosion eines Gemisches aus Luft und Benzin durch eine Zündkerze im Zylinderraum Energie. Durch das Verdichten der Mischung werden Druck (8-18 bar) und Wärme (400-600°C) erzeugt. Diese Werte sind im Vergleich zu Dieselmotoren relativ gering.

Vorteile

  • Der geringere Druck und die niedrigeren Temperaturen ermöglichen einen relativ günstigen Motorenbau und senken damit die Anschaffungskosten.
  • Die Emissionswerte von Stickoxid liegen unter jenen der Dieselmotoren.

Nachteile

  • Der Kraftstoffverbrauch ist bei Benzin deutlich höher als bei Dieselmotoren. Damit ist der Wirkungsgrad mit 25% noch niedriger als jener von Dieselmotoren. Damit wird nur noch ein Viertel der Verbrennungsenergie in Bewegungsenergie umgewandelt. Die übrigen 75% werden in Form von Wärme verschwendet und an die Umwelt abgegeben.
  • Durch den höheren Kraftstoffverbrauch wird viel CO2 ausgestoßen.
  • Die Direkteinspritzung führt zu höheren Feinstaubemissionen.
  • Da sich das Drehmoment mit der Motordrehzahl erhöht, ist die Kraftentfaltung im unteren Drehzahlbereich gering.
  • Eine Unabhängigkeit von ölproduzierenden Nationen kann nicht erreicht werden.

Fazit

Der Benzinmotor ist die am wenigsten effiziente Antriebsart. Auch in Sachen Schadstoffemissionen fällt der Benzinmotor weit hinter die neueren Technologien zurück.

2. Dieselantrieb

Funktionsweise

Dieselmotoren funktionieren ähnlich wie Benzinmotoren. Jedoch benötigen sie durch die selbstentzündende Wirkung des Luft-Diesel-Gemisches, das per Direkteinspritzung zur Explosion gebracht wird, keine Zündkerzen.


Vorteile

  • Durch den geringeren Kraftstoffverbrauch liegt der CO2-Ausstoß leicht unter jenem der Benzinmotoren.
  • Schon im unteren Drehzahlbereich kann bei Dieselmotoren ein relativ hohes Drehmoment erreicht werden.

Nachteile

  • Der Wirkungsgrad ist bei einem Dieselmotor mit 30-35% sehr niedrig; 65-70% des Treibstoffs gehen als Abwärme verloren.
  • Durch die höheren Werte bei Verdichtungsdruck (30-50 bar) und Wärme (700-900°C) ist beim Dieselmotor eine stabilere und komplizierte Bauweise nötig als beim Benzinmotor. Das führt zu einem höheren Gewicht und höheren Anschaffungskosten.
  • Ein Dieselmotor besteht aus bis zu 4.500 Einzelteilen was die Produktionskosten in die Höhe treibt.
  • Die Stickoxidemissionen liegen bei Dieselmotoren deutlich höher als bei Benzinmotoren und meist weit über den gesetzlichen Grenzwerten für Stickoxide.
  • Aufgrund ihrer gesundheitsschädigenden Wirkung sind in Städten auf der ganzen Welt vermehrt temporäre oder generelle Fahrverbote für Dieselfahrzeuge in Planung. Das steigert nicht nur das Risiko der Nicht-Verwendbarkeit in den Städten sondern verringert auch den Wiederverkaufswert.
  • Die Unabhängigkeit von ölproduzierenden Nationen kann nicht erreicht werden.

Fazit

Der Dieselmotor hat die größten negativen Auswirkungen auf die Gesundheit und ist dazu teurer in der Anschaffung. Durch drohende Fahrverbote wird es zusehends ratsam, auf andere Antriebsarten umzusteigen.

3. Elektroantrieb

Funktionsweise

Elektroautos werden durch Batterien (meist Lithium-Ionen-Akkus) betrieben. Dabei werden rund um eine magnetische Achse wechselweise aktivierte Magnetfelder erzeugt und die Achse dadurch in Rotation versetzt.


Vorteile

  • Der Wirkungsgrad bei Elektroautos liegt bei ca. 80 %. Damit wird ein Großteil der zugeführten Energie für den Vortrieb verwendet.
  • Da beim Elektromotor wenige bewegliche Komponenten involviert sind, ist der Reparatur- und Wartungsaufwand sehr gering.
  • Bereits bei kleiner Drehzahl ist das maximale Drehmoment verfügbar. Dadurch ist eine starke Beschleunigung jederzeit möglich.
  • Durch den Betrieb eines Elektrofahrzeuges entstehen keine lokalen Schadstoffemissionen. Hier ist es natürlich wichtig, dass der verwendete Strom nachhaltig produziert wurde – da in Österreich 80-85% des Stroms aus nachhaltigen Quellen stammen, ist hier die gesamte Ökobilanz deutlich besser als bei allen anderen Antriebsarten.
  • Bei Stillstand, z.B. in Staus, wird kaum Energie verbraucht. Beim Stop- and Go-Verkehr werden Teile der Bremsenergie (Rekuperation) rückgewonnen und verringern so den Energieverbrauch.
  • Förderungen und steuerliche Vorteile, sowie niedrigere Kosten für die Energie (100 Kilometer fährt man mit einem Elektroantrieb bei einem angenommenen durchschnittlichen Verbrauch von 18 kWh/100 km (und einem angenommenen durchschnittlichen Strompreis von 35 Cent/kWh) für nur € 6,30 – was wiederum die höheren Anschaffungskosten ausgleicht.
  • Hat man die Möglichkeit, zu Hause oder in der Firma zu laden, ist es für alltägliche Strecken nur selten erforderlich, das Fahrzeug an öffentlichen (teureren) Ladestationen aufzuladen. Das Elektroauto wird dann einfach zu Hause über Nacht angesteckt und steht jeden Morgen vollgetankt zur Verfügung.
  • Die meisten Elektroautos bieten Lademanagement-Funktionen an, die eine zeitliche (teilweise auch über App-Unterstützung) Vorkühlung, Vortemperierung des Fahrzeuges erlauben ohne die Reichweise negativ zu beeinflussen.
  • Verringerung der Abhängigkeit von ölproduzierenden Nationen hin zur selbst produzierten Energie und damit zu einer höheren Wertschöpfung im Land.

Nachteile

  • Die Energiedichte ist bei Elektroauto-Akkus relativ gering und damit das Gewicht der Batterien vergleichsweise hoch. Die Reichweite von Elektroautos ist daher derzeit noch geringer als bei anderen Antriebsarten. Durch die massive Weiterentwicklung in der Batterietechnologie kommen hier stetig mehr Kilometer an zusätzlicher realer Reichweite (WLTP) hinzu
  • Die Ladezeiten von Elektroautos liegen nach wie vor deutlich über der Dauer eines Tankvorganges bei Verbrennungsmotoren. Elektroautos, die bei Ultra-Chargern in 5 Minuten 500 Kilometer Reichweite nachladen können, werden erst ab frühestens 2025 als Serienfahrzeuge zur Verfügung stehen.
  • Die Anschaffungskosten der Elektroautos werden künstlich hoch gehalten und es wird mit höheren Kosten für die Akkus argumentiert (obwohl diese seit 2010 durch Skaleneffekte um 65 % auf 190 USD/kWh gefallen sind und im Jahr 2020 schon bei 100 USD/kWh angekommen waren). Durch die geringen Betriebskosten, Steuervorteile und Förderungen rentieren sich Elektroautos dennoch schon jetzt in der Betrachtung TCO (Total Cost of Ownership) im Vergleich zu Verbrennern.
  • Zur Produktion von Akkus (im Speziellen zur Herstellung der Kathode) werden nicht so häufig vorkommende Elemente wie Kobalt und Mangan verwendet, die unter zum Teil fragwürdigen Bedingungen für Mensch und Natur abgebaut werden. Daher wird laufend nach Alternativen gesucht und geforscht.

Fazit

Zwar ist die Reichweite bei Elektroantrieben derzeit noch geringer als bei anderen Antriebsarten – doch ist diese für den alltäglichen Gebrauch schon jetzt durchaus ausreichend (statistisch sind 95 % aller Fahrten ohnehin kürzer als 40 Kilometer). Der Elektromotor weist mit großem Abstand den höchsten Wirkungsgrad (ca. 90 %) aller Antriebsarten auf und verursacht keinen lokalen Schadstoffausstoß. Er ist zudem die einzige Antriebsart, die uns aus der Abhängigkeit von ölfördernden Nationen führen kann, und bei der die Energie für den Antrieb dezentral produziert werden kann. Er ist zudem die einzige Antriebsart, die durch intensive Forschung (im Bereich der Batterietechnologie) noch deutlich verbessert werden kann.

4. (Plug-In-)Hybridfahrzeuge

Funktionsweise

In Hybridautos steht sowohl ein Verbrennungsmotor und ein Treibstofftank als auch ein Elektromotor und eine Batterie zur Verfügung. Hierbei unterscheidet man zwischen Parallelen Hybriden und Seriellen Hybriden. Bei ersteren können Verbrennungs- und Elektromotor gleichzeitig oder abwechselnd auf den Antriebsstrang wirken. In Seriellen Hybriden werden die Räder ausschließlich vom Elektromotor angetrieben. Der Verbrennungsmotor fungiert dabei als Generator oder Range Extender.


Vorteile

  • Der Kraftstoffverbrauch ist vor allem im städtischen Verkehr etwas geringer (ca. 15-20 %) als bei Verbrennungsmotoren der Wirkungsgrad ist mit 30-35 % aber immer noch sehr niedrig im Vergleich zu einem reinen Elektroauto.

Nachteile

  • Die Anschaffungskosten liegen deutlich über jenen von Verbrennungsmotoren, wobei Plug-In-Hybride wegen der größeren Batteriekapazität teurer sind als Hybride.
  • Da der Akku bei (Plug-In-)Hybriden nur eine Kapazität für wenige Kilometer bereitstellt, ist rein elektrisches Fahren nur über sehr kurze Strecken möglich.
  • Auf Langstrecken sind Kraftstoffersparnisse kaum realisierbar.
  • Das Fahrzeug ist durch zwei Systeme noch schwerer und auch natürlich auch anfälliger für Probleme.
  • Um Plug-In-Hybridfahrzeuge sinnvoll zu betreiben, ist sowohl das Aufladen an der Ladestation, als auch das konventionelle Tanken nötig.
  • Die Wartungskosten bei Plug-In-Hybriden sind noch höher als bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
  • Die Unabhängigkeit von ölproduzierenden Nationen kann nicht erreicht werden.

Fazit

Statt die Vorteile zwei verschiedener Antriebsarten zu vereinen, überwiegen beim Hybrid und Plug-In-Hybrid also die Nachteile zweier Antriebsarten. Diese Zwischenlösung ist durch die geringere Verbesserung der Öko-Bilanz (15 bis 20 % im Stadtverkehr dafür aber Verschlechterung auf längeren Strecken) daher wenig sinnvoll. Diese Antriebsart wurde lange Jahre von der traditionellen Automobilindustrie präferiert.

5. Erdgasantrieb

Funktionsweise

Auch bei Erdgasmotoren kommt eine Zündkerze zum Einsatz, um das Luft-Erdgas-Gemisch aus einem Druckbehälter im Zylinderraum explodieren zu lassen. Man unterscheidet zwischen CNG (Compressed Natural Gas) und LPG (Liquified Petroleum Gas). Letzteres ist ein verflüssigtes Gas, das ein Nebenprodukt der Erdölverarbeitung darstellt.


Vorteile

  • Erdgasmotoren emittieren weniger Schafstoffe als Benzin- oder Dieselmotoren.

Nachteile

  • Der Wirkungsgrad eines Erdgasmotors entspricht mit 30-35 % nur jenem von Verbrennungsmotoren.
  • Die Anschaffungskosten liegen beim Erdgasmotor über jenen des Benzin- oder Dieselmotors.
  • Der Kraftstoff wird in Drucktanks von bis zu 300 bar im Fahrzeug mitgeführt, was für die meisten Menschen doch zumindest beunruhigend wirkt.
  • Die Infrastruktur für Erdgas-Tankstellen ist in Österreich mit nur 160 Stück relativ schlecht ausgebaut.
  • Eine Verringerung der Abhängigkeit von ölproduzierenden Nationen kann auch mit dem Erdgasantrieb nicht erreicht werden.

Fazit

Im Vergleich zu anderen Antriebsarten bietet der Erdgasantrieb also kaum Vorteile, dafür aber viele Nachteile. Vor vielen Jahrzehnten wäre es durchaus sinnvoll gewesen, wenn die Automobilindustrie den Erdgasantrieb als Alternative zu den traditionellen Diesel- und Benzinantrieben etabliert hätte – inzwischen macht diese aber keine Sinn mehr.

6. Wasserstoffantrieb

Funktionsweise

Um aus gasförmig gespeichertem Wasserstoff und Sauerstoff Energie zu gewinnen, enthält der Wasserstoffmotor eine Brennstoffzelle, die einen Elektromotor antreibt. Somit handelt es sich auch bei einem Wasserstofffahrzeug um ein Elektrofahrzeug.


Vorteile

  • Der Betrieb eines Wasserstoffautos verursacht keine lokalen Schadstoffemissionen.
  • Die Leistungswerte sind durch Verwendung eines Elektromotors für den Antrieb dieselben wie bei Elektroautos.
  • Die Dauer der Betankung ist bei Wasserstofffahrzeugen mit wenigen Minuten sehr gering.
  • Im Vergleich zu Elektroautos ist die Reichweite bei geringerem Gewicht höher.

Nachteile

  • Der Wirkungsgrad ist bei Wasserstoffautos durch die unwirtschaftliche Gewinnung von Wasserstoff durch den energieintensiven Prozess der Elektrolyse (je nach Studie) mit 10-30 % sogar noch deutlich niedriger als jener von Verbrennerfahrzeugen.
  • 90 % des Wasserstoffes werden durch Verwendung von fossilen Energieträgern gewonnen. Somit bleibt die Abhängigkeit von erdöl- bzw. erdgasfördernden Ländern erhalten.
  • Eine industrielle Gewinnung von Wasserstoff durch Strom aus PV-Anlagen ist dezentral nicht möglich.
  • Im deutschsprachigen Raum gibt es derzeit nur 50 Ladestationen für Wasserstoffautos; der Aufbau einer Wasserstoff-Ladestationen ist mit ca. €1.000.000 pro Ladestation ca. 10x bis 20x so teuer wie eine Schnellladestation für batteriebetriebene Elektroautos
  • Derzeit können – bedingt durch den nicht ausgereiften Prozess der Wasserstoffverdichtung – an einer Wasserstoff-Ladestation täglich nur 4-5 Fahrzeuge geladen werden
  • Die Brennstoffzelle muss sehr robust gebaut werden, weil sie den Wasserstoff auf 700 bar komprimiert und auf -250°C verflüssigt vorhalten muss. Es gibt durch die wenigen Fahrzeuge kaum relevante Informationen über die Gefahr, die Fahrzeuge bei Unfällen darstellen könnten.
  • Brennstoffbetriebene Fahrzeuge bergen durch die Spezifika des verflüssigten Wasserstoffs (700 bar, -250°C) ein hohes Risiko – besonders auch deshalb, weil das Wasserstoff-Luftgemisch schon bei niedrigen Temperaturen entflammbar ist. Deshalb bestehen die Wasserstoff-Hochdrucktanks meist aus mehreren Lagen von Kunststoff, verstärkt durch Kohlefasern.
  • Es gibt derzeit eine sehr geringe Anzahl von verfügbaren Fahrzeugmodellen und derzeit keine realen Pläne neuer Brennstoffzellen-Fahrzeuge in der Pipeline der Automobilkonzerne
  • Die Preise von Brennstoffzellen-Fahrzeugen sind sehr hoch

Fazit

Obwohl diese Technologie auf den ersten Blick Vorteile für eine nachhaltige Mobilität zu bieten scheint, ist sie nicht nur teuer und unwirtschaftlich, sondern auch hochgradig riskant.

Elektroantrieb: Die Zukunft der nachhaltigen Mobilität

Nach eingehender Analyse der verschiedenen Antriebsarten fällt auf, dass der Elektroantrieb gegenwärtig als die vernünftigste Option im Vergleich zu traditionellen Antrieben wie Benzin und Diesel sowie anderen alternativen Antrieben wie Erdgas und Wasserstoff erscheint. Der Elektroantrieb überzeugt durch einen hohen Wirkungsgrad von etwa 80 %, was ihn deutlich effizienter macht als Verbrennungsmotoren. Hinzu kommt, dass Elektrofahrzeuge keine lokalen Emissionen verursachen, was sie zu einer umweltfreundlicheren Wahl macht, besonders wenn der Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Auch in puncto Betriebskosten und Wartung bieten Elektroautos Vorteile. Zwar gibt es Herausforderungen wie die Anschaffungskosten und die Infrastruktur für Ladestationen, doch mit fortschreitender Technologie und zunehmender Verbreitung dürften sich diese Aspekte verbessern. Angesichts der drängenden Umweltprobleme und der Notwendigkeit, von fossilen Brennstoffen wegzukommen, scheint der Elektroantrieb derzeit die zukunftsträchtigste und vernünftigste Wahl für eine nachhaltige Mobilität zu sein.



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