Alternative Kraftstoffe für zukünftige Antriebskonzepte

Zusammenfassung

Ingenieure der Fahrzeugindustrie sind es gewohnt in Effizienzmaßstäben zu denken. Wirkungsgrade von Motoren, Elektrokomponenten und Getrieben sowie die Fahrwiderstände der Produkte sind die Orientierungsgrößen und nach über hundert Jahren Automobilentwicklung sind viele Optimierungsschritte bereits erfolgt.
Wo steht der Verbrennungsmotor heute im Vergleich zu alternativen Antrieben und wo sind mögliche Perspektiven für alternative Kraftstoffe?
Wenn klare Klimaziele definiert werden und daraus übergreifend abgeleitet klare Emissionsgrenzen existieren, ist es für eine Beurteilung von geeigneten EmissionsReduktionsmaßnahmen und deren Kostenaufwendungen unabdingbar abzuleiten, welche Umweltbelastungen ein einzelnes Fahrzeug in Summe verursacht. Als Werkzeug zur Beantwortung dieser Frage hat sich in der Automobilindustrie – wie auch in anderen Branchen – die gesamtheitliche Umweltbilanz etabliert. Diese sogenannte LCA (Life Cycle Assessment) versucht die Umweltauswirkungen eines Produktes über den gesamten Lebenszyklus zu analysieren und dient zur quantitativen Beurteilung ökologischer Aspekte.
Die Audi AG verfolgt das Ziel der CO2-neutralen Mobilität. In Bezug auf die Langstreckenmobilität ist dieses Ziel jedoch eine große Herausforderung. Ca. 80 Prozent der Treibhausgasemissionen eines Fahrzeugs entstehen in dessen Nutzungsphase, d.h. hauptsächlich durch die Verwendung von fossilen Kraftstoffen. Heute existiert bereits eine Vielzahl von synthetischen Treibstoffen, die zunächst in ihrer CO2 Bilanz große Unterschiede gegenüber den fossil basierten Kraftstoffen aufweisen. Die Audi AG engagiert sich seit einigen Jahren in der Entwicklung und der Produktion derartiger Kraftstoffe.
Neben neuen und alternativen Antriebskonzepten sowie den erwähnten Effizienzsteigerungen konventioneller Verbrennungsantriebe, scheinen regenerativ erzeugte Kraftstoffe einen weiteren großen Beitrag zur zukünftigen Mobilität liefern zu können.

1. Fossile und erneuerbare synthetische Kraftstoffe

Fossile Kraftstoffe wie Benzin und Diesel sind komplexe Gemische aus verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Daneben können auch synthetische Kraftstoffe nach dem Coal-to-Liquid und Gas-to-Liquid Verfahen aus fossilen Energieträgern hergestellt werden. Kraftstoffe auf Basis von Rohöl sind technisch ausgereift und werden heute in großem Umfang eingesetzt. In Südafrika werden Anlagen zur Benzin und Dieselproduktion aus Steinkohle seit 1955 betrieben. Fossile Energieressourcen sind endlich. Durch sinkende Erdöl- und Erdgasförderungen sinkt das zur Verfügung stehende Mengenpotential.
Es stellt sich daher die Frage, welche neuen Kraftstoffe in den nächsten Jahren relevant werden könnten und welche Anforderungen diese Kraftstoffe auf die Verbrennungskraftmaschine haben. Es ist zu erwarten, dass es in Zukunft nicht „den einen“ Kraftstoff geben wird. Aufgrund der Veränderungen im Energiesystem ist mittelfristig eher mit einer zunehmenden Vielfalt zu rechnen, insbesondere während einer Übergangsphase hin zu einem langfristigen nachhaltigen Energiesystem. Der Antrieb, sich mit neuen und nachhaltigen Kraftstoffen zu beschäftigen, sind Emissionsminderung (Triebhausgase und Schadstoffe), Reduzierung anderer Umweltwirkungen und die Perspektive auf eine zunehmende Verfügbarkeit von auch betriebswirtschaftlich rentablen erneuerbaren Energien.

Biomasse-basierte Kraftstoffe

Die Herstellungswege von Biokraftstoffen wie Biomethan, Biodiesel (FAME), Bioethanol und Biokerosin sind vielfältig und es kommen eine große Anzahl an Ausgangsmaterialien aus biogenen Ressourcen zum Einsatz. Die resultierenden Kraftstoffe können sich in den physikalisch-chemisch Parametern deutlich von gängigen fossilen Kraftstoffen unterscheiden. Daraus folgt, dass diese Kraftstoffe nur sehr eingeschränkt beimischungsfähig sind.
Erneuerbare synthetische Kraftstoffe Erneuerbare synthetische Kraftstoffe sind künstlich hergestellt Treibstoffe, deren Ausgangsstoffe erneuerbaren Ursprungs sind. Je nach Art des Kraftstoffs sind die Eigenschaften durch die verwendeten Ausgangsstoffe, den Herstellungsprozess, dem Energiegehalt, Verbrennungsverhalten bedingt. Die Power-to-Gas und die Power-to-Liquid Technologie basiert darauf, dass elektrische Energie via Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wird, der in einem weiteren Schritt mit CO2, beispielsweise aus der Atmosphäre, zu Kraftstoffen umgesetzt werden kann. Audi legt neben den Bereichen Elektrifizierung und Brennstoffzellenmobilität einen weiteren Schwerpunkt auf die Entwicklung regenerativ synthetischer Kraftstoffe und hat klare Anforderungen an diese erneuerbare Treibstoffe formuliert:

Ein strombasierter Kraftstoff, der die internen Anforderungen erfüllt, ist das Audi e-gas (synthetisches Methan).

Im norddeutschen Werlte wurde im Juni 2013 die weltweit erste Power-to-Gas-Anlage im industriellen Maßstab eröffnet. Die e-gas Anlage arbeitet in zwei Prozessschritten: Im ersten Schritt nutzt sie regenerativ erzeugten Strom, um mittels Elektrolyse Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Der Wasserstoff könnte als Treibstoff für künftige Brennstoffzellenfahrzeuge dienen. Im zweiten Prozessschritt reagiert der Wasserstoff mit dem Kohlenstoffdioxid und es entsteht synthetisches Methan, das Audi e-gas. Es ist chemisch mit fossilem Erdgas identisch, deshalb kann es in das deutsche Erdgasnetz eingespeist und an CNG-Tankstellen getankt werden. Das verwendete CO2 entsteht in der benachbarten Abfallbiogasanlage. Als Nebenprodukte fallen lediglich Sauerstoff und Wasser an. Der Sauerstoff wird an die Umgebung abgegeben, das Wasser im Kreislauf wieder der Elektrolyse zugeführt.  

Mit dem, aus regenerativen Energien, hergestellten synthetischen Audi e-gas fahren Autos sogar nahezu CO2-neutral. Ende 2013 hat Audi den A3 Sportback g-tron auf den Markt gebracht, der in der Gasantriebstechnologie Maßstäbe setzt. Die beiden Tanks unter dem Gepäckraumboden speichern je sieben Kilogramm Gas unter maximal 200 Bar Druck. Außerdem hat der A3 Sportback g-tron einen elektronischen Gasdruckregler, der den hohen Druck verringert, mit dem das Gas aus den Flaschen strömt. Sobald der Druck im Tank unter zehn Bar sinkt, wechselt das Motormanagement selbsttätig in den Benzinbetrieb.
Die Leistungswerte sind im Gas- und Benzinbetrieb identisch. Mit 81 kW (110 PS) Leistung erreicht der A3 Sportback g-tron 197 Stundenkilometer und verbraucht 3,3 Kilogramm Compressed Natural Gas (CNG) bzw. 5,2 Liter Benzin auf 100 Kilometer. Die CO2-Emission im Gasbetrieb beträgt 92 Gramm pro Kilometer, im Benzinmodus 120 Gramm pro Kilometer.

Für die Herstellung von Wasserstoff werden auf absehbare Zeit fossile Rohstoffe die wichtigsten Quellen bleiben. Solange fossile Energieträger in großen Mengen und zu niedrigen Preisen zur Verfügung stehen, werden auch weiterhin großtechnische Verfahren angewandt. Die derzeit wirtschaftlichsten Methoden sind Reformierungsverfahren aus Erdgas, Kohle und Öl.

2. Umweltbilanz für erneuerbare Kraftstoffe am Beispiel CO2

Die Umweltbilanz, auch Ökobilanz oder Life Cycle Assessment (LCA) genannt, analysiert die Umweltwirkungen eines Produktes im Laufe eines gesamten Lebenszyklus, beginnend bei der Produktion über die Nutzung bis zum Recycling. Sie dient zur quantitativen Beurteilung ökologischer Aspekte, etwa der Emissionen von Treibhausgasen (unter anderem CO2), des Energieverbrauchs, der Versauerung oder des Sommersmogs. Bei der Erstellung der Umweltbilanz verwendet Audi eine standardisierte Vorgehensweise nach der internationalen Normreihe ISO 14040.

Bei der Betrachtung einer Umweltbilanz ist der Bilanzrahmen entscheidend für das Ergebnis. Nach wie vor ist die „tank-to-wheel“ Betrachtung am geläufigsten, die auf den Verbrauch von Kraftstoff und die daraus resultierenden Emissionen in der Nutzungsphase eines Fahrzeugs referenzieren. Wesentlich detailliertere Einblicke ermöglicht eine Gesamtumweltbilanz, die ein Produktlebenszyklus abbilden („cradle-to-grave“).

Audi steckt die Grenzen der Umweltbilanzen sehr weit. Betrachtet werden Emissionen, die bei der Gewinnung der Rohstoffe, der Herstellung der Bauteile und der Produktion eines Fahrzeuges anfallen. Entscheidungen, die in der Entwicklungsphase eines Fahrzeugs getroffen werden, beeinflussen dessen Emissionen während der Nutzungsphase, für die Audi 200.000 Kilometer Laufleistung annimmt. Dabei bezieht das Unternehmen nicht nur die Emissionen des Fahrzeugs selbst ein, sondern auch jene, die bei der Herstellung der verwendeten Kraftstoffe entstehen. Außerdem wird am Ende eines Fahrzeuglebens Energie aufgewendet, um Bauteile zu recyceln.

Da 80 Prozent der Gesamtemissionen eines konventionellen Fahrzeugs in der Nutzungsphase entstehen, arbeiten wir bei Audi mit Nachdruck daran, alle Antriebe effizienter zu machen. Das erreichen wir durch „Rightsizing” von TDI- und TFSI-Motoren und den Modularen Effizienzbaukasten. Zugleich statten wir unsere Modelle mit alternativen Antriebsformen aus und leisten einen Beitrag zur Entwicklung alternativer Kraftstoffe, die ohne Biomasse auskommen.  

Der Schwerpunkt von Umweltbilanzen ist aktuell die Bewertung von Umweltgasen. Audi hat jedoch weitere Umweltwirkungen im Fokus-die Überdünnung von Gewässern und Böden, die Bildung von Sommersmog, die Versauerung von Ökosystemen und der Abbau der Ozonschicht.

Audi hat für die Herstellung des Audi e-gas eine Umweltbilanz nach aktuellem Projektstand berechnet. Die Systemgrenzen der Bilanz schließen dabei neben der eigentlichen Audi e-gas Anlage auch die Biogasanlage als CO2-Quelle und die Aminwäsche mit ein.

Hinsichtlich des Treibhauspotentials weist fossiles Gas in der Krafstoffherstellung (well-totank) ca. 20g CO2/km auf. Bei gleichem Bewertungsverfahren ergibt sich für das Audi e-gas wegen der CO2-Aufnahme im Herstellungsprozess ein Wert im Bereich von -70 g CO2/km.

Die Betrachtung der Umwelteinflüsse über den gesamten Lebensweg eines Fahrzeuges sehen wir als eine unserer wichtigsten Aufgaben der Zukunft. Aktuell beurteilt die Öffentlichkeit Fahrzeuge anhand ihres Kraftstoffverbrauchs. Audi blickt weiter und analysiert mit Hilfe von Umweltbilanzen den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeuges inkl. der Kraftstoffherstellung.

3. Anforderungen und Auswirkungen auf die Infrastruktur

Der große Vorteil einiger synthetischen Kraftstoffe ist die Möglichkeit der Verteilung über die bestehenden Distributionskanäle. So können e-Benzin und e-Diesel wie gewohnt an einer der ca. 15.000 Tankstellen in Deutschland getankt werden. Denkbar ist hier zum einen eine bilanzielle Variante, bei der die getankten Mengen über eine „Tankkarte“ erfasst und anschließend in den Kraftstoffsee eingespeist werden. Zum anderen ist es auch möglich den regenerativen Kraftstoff direkt von einer (separaten) Zapfsäule zu tanken und somit auch physisch im Fahrzeug zu verbrauchen. Beim Audi e-gas verhält sich die Sache ähnlich und das CO2-neutrale Gas kann als CNG an den meisten der 1.000 deutschen CNG-Tankstellen (bilanziell) getankt werden. Die Verteilung des Gases ist besonders einfach, da es direkt von der Produktionsstätte in das Erdgasnetz eingespeist wird. Mit Hilfe der Audi e-gas Tankkarte ist es bereits heute möglich CO2-neutrales CNG zu tanken.

So könnten bereits heute sämtliche konventionellen Fahrzeugkonzepte (Benzin, Diesel, CNG) mit bestehender Infrastruktur nahezu CO2-neutral betrieben werden.
Die Zunahme an zentralen und dezentralen regenerativen Energieerzeugern erfordert verstärkt Handlungsbedarf im elektrischen Verbundnetz, weil die Strombelastung in den Versorgungsnetzten stark zunimmt. Für eine flächendeckende Energiebereitstellung aus regenerativen Energiequellen ist ein abgestimmter Netzausbau, eine intelligente Netzsteuerung von Erzeugern und Verbrauchern sowie die Bereitstellung von flexiblen und großskaligen Speicherlösungen notwendig. Die Herstellung von Wasserstoff durch die Nutzung von Überschussstrom besitzt großes Potential als Brennstoff für die Energiewirtschaft, als Ausgangsstoff für die Industrie und als Kraftstoff im Verkehr vielfältig genutzt zu werden. Im Gegensatz zur Begrenztheit fossiler Energieträger, steht Wasserstoff theoretisch fast überall und uneingeschränkt zur Verfügung. Aus dem Rohstoff Wasser unter Einsatz von elektrischem Strom ist Wasserstoff klimaschonend zu gewinnen. Je nach Bedarf besteht die Möglichkeit, den Wasserstoff zu verdichten oder zu verflüssigen. Kleinere Mengen Wasserstoff , etwa für die mobile Anwendung im Brennstoffzellenfahrzeug oder stationär im Brennstoffzellenheizsystem , werden heutzutage mit komprimiert gasförmigen Wasserstoff versorgt, während flüssiger Kraftstoff wegen der höheren Dichte besser für den Transport geeignet ist. Größere Speicherkapazitäten zur direkten Einlagerung bieten Kavernen. Zudem besteht die Möglichkeit, den Wasserstoff direkt ins weitverzweigte Erdgasnetz einzulagern. Jedoch ist die Wasserstofftoleranz im Erdgasnetz auf durchschnittlich fünf Volumenprozent begrenzt. Ein Ausbau auf die doppelte Menge scheint zukünftig zwar möglich, sämtliche ergasnutzenden Betriebsmittel müssten allerdings entsprechend der höheren Wasserstoffkonzentration ausgelegt werden. Für die weitere Nutzung von Wasserstoff , zum Beispiel in Brennstoffzellen, ist hochreiner Wasserstoff notwendig, so dass der ins Erdgasnetz eingespeiste Wasserstoff nicht mehr für diese Anwendung zur Verfügung steht. Somit bleibt festzuhalten, dass die Integration von Wasserstoff mit erheblichen Investitionen verbunden ist, weshalb sich Power-to-Gas-Verfahren bisher auf die Einspeisung in das vorhandene Gasnetz beschränken. Eine langfristig erfolgreiche Wasserstoffwirtschaft ist mit dem Aufbau einer eigenen Infrastruktur verbunden.

4. Kundenrelevanz und Auswirkungen auf das Fahrzeug

Die vielfältigen Technologien zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs fasst Audi im Modularen Effizienzbaukasten zusammen. Dabei werden zwei Ansätze verfolgt: Zum einen optimieren wir die konventionellen Einzelkomponenten unserer Fahrzeuge, wie Motor und Getriebe. Zum anderen verbessern wir die Energieflüsse im Fahrzeug, wie etwa die Nutzung thermischer Verlustenergie beim Thermomanagement, damit Getriebe ihre Betriebstemperatur schneller erreichen. Ein weiteres Beispiel ist die Umwandlung der mechanischen Verlustenergie beim Bremsen durch Rekuperation in elektrische Energie.

Audi hat mit seinen TDI- und TFSI-Motoren wichtige Meilensteine für die Steigerung des Wirkungsgrads von Verbrennungsmotoren gesetzt. Mit der Technologie cylinder on demand (COD) gehen wir noch einen Schritt weiter. Die innovative Zylinderabschaltung spart bei moderater Fahrweise bis zu 20 Prozent Kraftstoff. Die Technologie war im Jahr 2014 in 19 Audi Modellen verfügbar. Die Zylinderabschaltung legt in den oberen Gängen bei niedriger bis mittlerer Last und Drehzahl die Hälfte der Zylinder still, bis der Fahrer wieder beschleunigt.
In den aktiven Zylindern steigt der Wirkungsgrad, weil sich die Betriebspunkte zu höheren Lasten verlagern: Die Energie des Kraftstoffs wird bestmöglich in Antriebsenergie umgewandelt.
Zusätzlich zur Weiterentwicklung konventioneller Antriebe forscht Audi auf dem Weg zur CO2-neutralen Mobilität an neuen Möglichkeiten für umweltverträgliche Antriebsformen. Im Fokus stehen dabei Strom und Erdgas sowie der Brennstoffzellenbetrieb mit Wasserstoff. Eine Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor bieten die Hybridmodelle von Audi. Dabei ist der Plug-in-Hybridantrieb, dessen Akku auch über die Steckdose geladen werden kann, ein vielversprechender Weg in die Zukunft der Elektromobilität. Mit dem A3 Sportback e-tron hat Audi einen Plug-in-Hybrid der neuesten Generation mit einer Gesamtreichweite von 940 Kilometern auf den Markt gebracht. Ein 1.4 TFSI-Motor mit 110 kW (150 PS) Leistung und ein 75 kW starker Elektromotor treiben den A3 Sportback e-tron an. Der Elektromotor wird aus Lithium-Ionen-Batterien gespeist. Das Laden des Akkus dauert an einer Ladesäule oder Wallbox-Industriesteckdose etwas mehr als zwei Stunden, an einer herkömmlichen Steckdose etwa drei Stunden und 45 Minuten.

Seit Ende 2013 befindet sich der Audi A3 Sportback g-tron im Portfolio der AUDI AG. In der zweiten Jahreshälfte 2016 wird dieser vom Facelift Modell abgelöst und im Herbst 2016 wird die g-tron Palette um den Audi Avant g-tron erweitert.

Darüber hinaus wird die Entwicklung der flüssigen e-fuels wie e-benzin und e-diesel wird von Audi begleitet. Die Eigenschaften der synthetischen Kraftstoffe werden im Labor aufwendig untersucht. Die ersten Tests ergaben:
Bei der Verbrennung der Audi e-fuels entstehen weniger Schadstoffe als bei der Verbrennung fossiler Kraftstoffe. Die reinen, synthetischen Kraftstoffe enthalten keine Olefine und Aromaten. Deshalb sorgen sie für eine bessere Gemischbildung, eine sauberere Verbrennung und niedrigere Emissionen.

Literaturangaben

  1. DIN EN ISO 14040; Umweltmanagement-Ökobilanzierungen-Grundsätze und Rahmenbedingungen, ISO 14040:2006
  2. Corporate Responsibility Report 2014, AUDI AG
  3. Audi e-gas project, Prospekt, AUDI AG, Ingolstadt, 2014
  4. Audi Media Center, 2016
  5. AUDI AG, Abteilung Umwelt-Produkt (I/EG-X), Ingolstadt, 2016
  6. Albrecht, U., Schmidt, P., Weindorf, R. und Zittel, W.: Zukünftige Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Frankfurt: Abschlussbericht Ludwig Bölkow Systemtechnik 2013
  7. Sterner, J.: Wasserstoffbereitstellung für erneuerbare Kraftstoffe – innovative Technologien zur Herstellung und Speicherung (Bachelorarbeit). Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg. 2014

Autor: Dr.-Ing. Hagen Seifert, Dr.rer.nat. Simone Müller-Hellwig, Audi AG, Ingolstadt 

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