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Well-to-Wheel Betrachtung des Ottomotors

Erstellt am: 04.11.2010 | Stand des Wissens: 21.01.2019
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Sinkende Emissionsgrenzwerte [EUC18] bedingen Bestrebungen den spezifischen Energieverbrauch und die ausgestoßenen Treibhausgase von Fahrzeugen mit Ottomotoren zu reduzieren. Im TtW System kann dies durch eine Vielzahl an technischen Maßnahmen erfolgen. Auf Seiten des Motors bieten beispielsweise die Benzindirekteinspritzung, Downsizing (Verkleinerung) oder der Abgasturbolader Potenzial zur Senkung des spezifischen Treibstoffverbrauchs [Grue06, S. 42ff.]. Weiterhin sind am Gesamtfahrzeug auch Maßnahmen wie die Einführung von Euro-Normen, Gewichts- und Widerstandsreduktionen oder die Start-Stopp-Automatik für die Emissionsvermeidung förderlich [Grue06, S. 124ff.].

Die Emission von Treibhausgasen wird aber auch durch die Wahl des eingesetzten Treibstoffes maßgeblich beeinflusst. Konventionelle Ottomotoren können nach geringfügigen Änderungen neben Benzin auch mit Erdgas, Biogas, Wasserstoff oder Ethanol betrieben werden [Grue06, S. 42ff.]. Die direkten Treibhausgasemissionen der verschiedenen Treibstoffarten unterscheiden sich deutlich: Gegenüber Benzin mit einem Treibhausgasemissionsfaktor von 172 Gramm CO2-Äquivalent pro Kilometer(CO2e g/km) und damit dem höchsten Emissionsfaktor, hat Erdgas ca. 34 Prozent geringere Emissionen mit einem Faktor von 115 CO2e g/km. Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellen liegen ebenfalls bei 115 CO2e g/km [WoLu16]. Die relativ hohen Emissionen für Brennstoffzellen liegen derzeit noch in der Tatsache begründet, dass Wasserstoff auf industriellem Level zumeist durch Erdgasreformierung hergestellt wird. Deshalb liegt in der Herstellung von Wasserstoff mit Windenergie ein substanzielles Potenzial. Diese Technologie ist derzeit jedoch noch zu teuer [WoLu16]. Im Jahr 2009 wurden mit der Einführung der "EU-regulations for fuel ethanol" neue Standards für Ethanol in Diesel- und Benzintreibstoffen verabschiedet [EU07]. Dieser neue Standard erlaubt einen Anteil von 5 Prozent (E5) bzw. 10 Prozent (E10) Ethanol in fossilen Treibstoffen. Die Treibhausgasemissionen für Benzintreibstoffe verringerte sich demnach auf 2,80 CO2e kg/l für E5 und 2,72 CO2e kg/l für E10  [BMVI13e].

Wie im Falle der Wasserstoffgewinnung bereits aufgezeigt, hängt die Klimarelevanz dieser Alternativen in erster Linie von der Gewinnung und Aufbereitung des Treibstoffs und weniger von den Verbrauchseinsparpotenzialen auf Seiten des Antriebes ab [Grue06, S. 43]. Das TtW-Verbrauchseffizienzpotenzial für Ottomotoren mit fossilen Brennstoffen ist limitiert. Mit neuen Regulierungen zur Emissionsreduzierung werden die damit verbundenen Kosten erwartungsgemäß steigen [WoLu16]. Somit hat das WtT-System der möglichen Treibstoffe für den Ottomotor eine entscheidende Bedeutung für die gesamte Emissionsbilanz eines Fahrzeugs.

In [Grue06] werden zur Analyse der WtW Gesamtsysteme Kombinationen der WtT und TtW Teilsysteme über die Jahre 2010 und 2020 gebildet. Für das Jahr 2010 werden die Treibhausgasemissionen im WtW System für den Pkw-Mix der genannten Jahre für verschiedene fossile und alternative Treibstoffoptionen dargestellt. Bei den für diesen frühen Zeitpunkt relevanten alternativen Treibstoffen handelt es sich um die Biotreibstoffe der ersten Generation und um Biogas. Neue Technologien zur Nutzung in Ottomotoren sind Biotreibstoffe der zweiten Generation. Mit Biomassenvergasung und darauffolgender Methanol-Synthese zur Herstellung von Dimethylether (DME), können synthetische Benzintreibstoffe hergestellt werden, welche zur Reduktion der Emissionen von Ottomotoren beitragen [EdLa13, KIT15b].

Aufgrund der unterstellten Effizienzmaßnahmen bei Kraftfahrzeugen nehmen die Treibhausgasemissionen der konventionell angetriebenen Pkw 2010, verglichen mit dem Basisjahr 2004, um etwa 14 Prozent ab. Bei der WtW Betrachtung zeigt sich die starke Abhängigkeit der Treibhausgasemissionen von Biotreibstoff von der Anrechnung der Gutschriften in deren Vorketten [Grue06, S. 138]. Per Gutschriftenverfahren wird der anfallende Energie- und Kostengewinn anteilig dem Endprodukt und den jeweiligen Koppelprodukten zugeschrieben [Grue06, S. 79]. Während Biotreibstoffe der ersten Generation (Bioethanol auf Basis von Weizenkörnern oder Zuckerrüben) einen eher moderaten Emissionsvorteil versprechen, vor allem hinsichtlich der Tatsache, dass die benötigten Rohstoffe in Konkurrenz mit der Ernährungslandwirtschaft stehen, versprechen Biotreibstoffe der zweiten Generation (z.B. Fischer-Tropsch) höheres Potenzial. Der Hauptvorteil liegt in der Tatsache, dass Biotreibstoffe der zweiten Generation aus Lignocellulose hergestellt wird, welche leicht gewonnen werden kann und oft in großen Mengen zur Verfügung steht. Biotreibstoffe weisen generell einen Vorteil gegenüber den fossilen Treibstoffen bezüglich der Treibhausgasemissionen auf. Unter Aspekten der Treibhausgasminderung interessant erscheint Biogas, das aus Gülle, einer Mischung von Gülle und Mais oder aber auch aus Bioabfall oder Feuchtgut (2-Kulturen-Systeme) hergestellt werden kann. Gegenüber dem Gas fossilen Ursprungs kann z.B. aus Bioabfall hergestelltes methanreiches Gas die Treibhausgasemissionen um rund 90 Prozent mindern [Grue06, S. 138].


Laut [Grue06] liegt im Jahr 2020 die Minderung der Treibhausgasemissionen durch die Effizienzverbesserung des durchschnittlichen Pkws bezogen auf das Basisjahr 2004 bei etwa 25% (siehe Abbildung 2). Durch die im Trendszenario unterstellte Effizienzverbesserung der Pkw und aufgrund von Lernkurveneffekten bei der Herstellung von Biotreibstoffen sind auch die Treibhausgasemissionen der WtW Betrachtungen bei Nutzung von Biotreibstoffen der ersten Generation im Jahr 2020 niedriger als im Jahr 2010. Besonders günstig schneiden die Biotreibstoffe der zweiten Generation ab. Mit diesen Treibstoffen sind Minderungen der Treibhausgasemissionen von über 80 Prozent gegenüber den fossilen Energieträgern möglich. Auch im Jahr 2020 erscheint Biogas verschiedener Herstellungspfade unter Aspekten der Treibhausgasminderung mit Minderungen im Bereich von 65 bis 90 Prozent gegenüber Erdgas interessant [Grue06, S. 141].

Well-to-Wheel OttomotorAbb. 1: WtW Betrachtung für Pkw mit Ottomotor 2020 [Grue06, S.140] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
 
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 21.01.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[BMVI13e] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) (Hrsg.) Berechnung des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen des ÖPNV, 2013
[EdLa13] Edwards, Robert, Larivé, Jean-François, Rickeard, David, Weindorf, Werner Well-To-Tank Report 4.0
Well-To-Wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Context, veröffentlicht in JRC Scientific and Technical Reports, Luxemburg, 2013, Online-Referenz http://iet.jrc.ec.europa.eu/about-jec/sites/about-jec/files/documents/report_2013/wtt_report_v4_july_2013_final.pdf
[EU07] European Comission Stricter fuel standards to combat climate change and reduce air pollution, 2007/01/31
[EUC18] Reducing CO2 emissions from passenger cars, 2018
[Grue06] Grünwald, Reinhard Perspektiven eines CO2- und emissionsarmen Verkehrs- Kraftstoffe und Antriebe im Überblick, 2006
[KIT15b] Karlsruhe Institute of Technology (Hrsg.) Bioliq, 2015
[WoLu16] Paul Wolfram, Nic Lutsey Electric vehicles: Literature review of technology costs and carbon emissions, 2016/07/15, Online-Referenz http://www.theicct.org/lit-review-ev-tech-costs-co2-emissions-2016
Glossar
CH3OH = Methanol. Ist eine farblose, brennend schmeckende, giftige, bei Einnahme durch den Menschen zur Erblindung oder zum Tod fuehrende, leicht brennbare und sehr fluechtige Fluessigkeit. Methanol verbrennt mit blauer, fast unsichtbarer Flamme und bildet mit Luft explosionsfaehige Gemische. In der Natur kommt es in Baumwollpflanzen, Heracleum-Fruechten, Graesern und in aetherischen Oelen vor. Methanol ist eines der wichtigsten Ausgangsstoffe fuer Synthesen in der chemischen Industrie. Methanol ist giftig. Seine giftige Wirkung beruht auf der in der Leber erfolgenden Oxidation zu Formaldehyd und spaeter zu Ameisensaeure.
Treibhausgase Diese in der Atmosphäre sich befindlichen Gase verhindern, dass langwellige Infrarotstrahlung auf direktem Weg von der Erdoberfläche ins Weltall gelangt. Sie verhalten sich wie Glasscheiben eines Treibhauses und heizen die Atmosphäre auf. Natürliche Treibhausgase:
  • Wasserdampf
  • Kohlendioxid
  • Ozon
  • Methan
  • Stickoxid
Vom Menschen gemachte Treibhausgase:
  • FKW
  • HFKW
  • FCKW
  • SF6
Start-Stopp-Technik Die Start-Stopp-Technik ist eine Funktion von durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen, die das Ab- und wieder Anschaltung des Motors automatisch regelt. In Phasen des Fahrzeugstillstands oder eines verminderten Antriebsbedarfs wird damit der Motor ausgeschaltet. Im Falle von Mehrmotoren-Fahrzeugen können während der Fahrt die temporär überflüssigen Motoren deaktiviert werden, um den Energiebedarf und die Emissionen zu reduzieren.
TtW Tank-to-Wheel; Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen des Fahrzeugbetriebs erfasst.
WtT Well-to-Tank, Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen der Kraftstoffvorketten erfasst.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
WtW Well-to-Wheel; Analyseverfahren, das zur Bewertung und zum Vergleich von konventionellen und alternativen Antriebstechnologien die vollständigen Kraftstoffzyklen erfasst. Das Gesamtsystem besteht aus den Teilsystemen Well-to-Tank und Tank-to-Wheel.
CO2-Äquivalent Das CO2-Äquivalent berücksichtigt die unterschiedliche Klimaschädlichkeit von Klimagasen und wird durch das Global Warming Potential (GWP) ausgedrückt. Methan (CH4) beispielsweise hat ein 21-fach höheres globales Erwärmungspotenzial als Kohlenstoffdioxid und dementsprechend ein CO2-Äquivalent von 21.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?332864

Gedruckt am Donnerstag, 29. September 2022 04:37:18