Alternative Antriebe im Transportverkehr

Alternative Antriebe – Grundlage für grüne Mobilität und erfolgreichen Klimaschutz

Es ist unbestreitbar: die Erderwärmung muss aufgehalten und das Klima geschützt werden. Eine Schlüsselrolle beim Kampf gegen den Klimawandel nimmt die Transportwirtschaft ein. Denn als einer der größten CO₂-Verursacher in Europa (rund 8,1 Millionen Lkw ab 3,5 Tonnen sind für etwa ein Drittel der CO₂-Emissionen im Straßenverkehr verantwortlich) muss der Transportsektor entscheidende Impulse für die Dekarbonisierung geben. Zudem treiben politische Vorgaben die Suche nach kohlenstoffdioxidarmer Mobilität voran. Um das bis 2050 in Europa verbindlich festgelegte Null-Emissions-Ziel zu erreichen, müssen laut Verordnung der EU-Kommission neue Lkw bis 2040 ihre Emissionen um 90 % senken. Für 2030 hat die EU-Kommission ein neues Zwischenziel von 45 % CO₂-Reduktion (bislang -30 %) im Vergleich zu 2019 festgelegt und für 2035 wurde ein neuer Wert von 65 % beschlossen. Damit auch der Übergang zu einem emissionsfreien öffentlichen Verkehr in ganz Europa beschleunigt wird, müssen neue Stadtbusse ihre Emissionen ab 2030 um 90 Prozent senken, bis 2035 sollen alle neuen Stadtbusse emissionsfrei sein. Die TRATON GROUP und ihren Marken Scania, MAN, Navistar und Volkswagen Truck & Bus als Lkw-Hersteller sind sich dieser Verantwortung bewusst – und sehen den Einsatz von batterieelektrisch angetriebenen Lkw und Bussen als entscheidendes Mittel zur CO₂-neutralen Energiewende im Verkehr.

Grüner Wasserstoff unterstützt die Energiewende — In Regionen mit besonders günstigem grünem Wasserstoff, zum Beispiel in der Nähe von Nordsee-Windparks oder Importhäfen, kann sich der Einsatz von Wasserstoff-Lkw lohnen.

Kein Zweifel: Die Elektrifizierung des Transportverkehrs ist der entscheidende Schritt im Kampf gegen den Klimawandel. Denn Busse und Lkw, die batterieelektrisch angetrieben werden, stoßen im Vergleich zu Fahrzeugen mit Dieselmotor kein Kohlenstoffdioxid aus. Somit tragen Elektro-Busse und Elektro-Lkw massiv zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen bei. Wenn beispielsweise im Fernverkehr 10.000 Diesel-Lkw von der Straße genommen und durch Elektrofahrzeuge ersetzen werden, ergibt das jedes Jahr eine Einsparung von bis zu einer Million Tonnen CO₂. Im Vergleich zu anderen Maßnahmen ist dieser Effekt aber nicht nur gewaltig, sondern auch einfach zu erreichen: Batterien, E-Motoren, Leistungselektronik – all das gibt es heute schon. Doch im Detail und gerade mit Blick auf eine Ladeinfrastruktur über Länder und Kontinente hinweg, ist die Elektrifizierung des Transportsektors ein höchst komplexes Projekt. Insbesondere der Aufbau einer effizienten Ladeinfrastruktur für Fahrzeuge mit Elektromotor stellt eine anspruchsvolle Aufgabe sowohl für öffentliche als auch private Betreiber dar. So schreibt beispielsweise die Alternative Fuels Infrastructure Regulation (AFIR) der EU bis 2030 eine umfassende Abdeckung entlang der europäischen Transportrouten mit Lademöglichkeiten für Nutzfahrzeuge mit elektrischem Antrieb vor.

Doch bis es einen flächendeckenden und umfassenden Einsatz von Nutzfahrzeugen mit batterieelektrischem Antrieb gibt, werden auch im Transportverkehr Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor weiterhin genutzt, die flüssige Kraftstoffe einsetzen. Hier kann die Verwendung von CO₂-neutralen Treibstoffen ein sinnvoller Zwischenschritt hin zum Null-Emissions-Ziel sein. Das Ziel: klimaneutrales Fahren, Clean Driving, möglichen machen und fossile Kraftstoffe ersetzen.

Facettenreich und vielfältig – so unterstützen alternative Kraftstoffe das klimaneutrale Fahren

Ein vieldiskutierter Punkt für klimaneutrales Fahren und die Umsetzung der EU-Ziele sind sogenannte Clean Fuels, CO₂-neutrale flüssige oder gasförmige Kraftstoffe, die aus Strom hergestellt werden, der im Best-Case-Szenario aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind stammt. Clean Fuels, auch Alternative Fuels, Renewable Fuels oder grüne Kraftstoffe genannt, haben eine hohe Energiedichte und sind leicht speicherbar. Zudem müssen beim Einsatz dieser Kraftstoffe keine technischen Anpassungen an den jeweiligen Verbrennungsmotoren vorgenommen werden. Allerdings sorgen Energieverluste bei der Umwandlung für eine deutlich schlechtere Effizienz als beim batterieelektrischen Antrieb, zudem gibt es für Clean Fuels bisher keine Infrastruktur im industriellen Maßstab. Und: die Produktionskosten für Clean Fuels sind derzeit sehr hoch.

Als Clean Fuels gelten: 

Wasserstoff: Das chemische Element mit der Abkürzung H2 könnte eine wichtige Rolle bei der grünen Mobilität einnehmen. Brennstoffzellen etwa in einem Lkw nutzen Wasserstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Herausforderung besteht darin, eine flächendeckende Tankstelleninfrastruktur für Fahrzeuge mit Wasserstoff-Antrieb und Wasserstoff-Brennstoffzellen-Lkw zu schaffen.

E-Fuels: Synthetische Kraftstoffe, die mithilfe des Fischer-Tropsch-Verfahrens im Idealfall aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen werden (eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlendioxid wird dabei in flüssige Kohlenwasserstoffe umgewandelt). Nachteile sind der hohe Energieverlust bei der Umwandlung und die fehlende industrielle Infrastruktur.

Biokraftstoffe: Hierzu gehören HVO (Hydrotreated Vegetable Oil, zu Deutsch: hydriertes Pflanzenöl), Biodiesel, Bio-Ethanol, Biomethan und Biogas. Diese Kraftstoffe entstehen mithilfe organischer, überwiegend pflanzlicher Materialen und können in vorhandenen Motoren genutzt werden. Da bei der Verbrennung/Nutzung kein zusätzliches Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre gelangt (und nur das CO₂ frei wird, das Pflanzen und Tiere vorher gebunden hatten), gelten diese alternativen Treibstoffe bilanziell als CO₂-neutral, nicht aber als lokal emissionsfrei. Die Verwendung von Lebensmittelanbauflächen bei HVO, Biodiesel und Bio-Ethanol wird ebenfalls in der Öffentlichkeit kontrovers diskutiert. Biomethan und Biogas entstehen durch die Vergärung von landwirtschaftlichen Abfällen, von Klärschlamm oder organischem Müll.

Fakten zu Clean Fuels: Herstellung

Wichtige Grundlage für die Herstellung der wichtigsten Clean Fuels bilden Power-to-Liquid-Anwendungen (PtL), mit denen Wasserstoff unter Verwendung elektrischer Energie hergestellt werden kann. Dabei wird aus Wasser oder entsalzenem Meerwasser per Elektrolyse (Einsatz von Strom) Wasserstoff gewonnen, der dann in reiner Form in flüssiger oder gasförmiger Form genutzt werden kann.
Wasserstoff ist auch das Ausgangsprodukt für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe wie E-Diesel mithilfe des Fischer-Tropsch-Verfahrens.
Bei der Produktion hydrierter Pflanzenöle (HVO) wird ebenfalls mithilfe von Wasserstoff eine chemische Reaktion erzeugt, bei der Sauerstoff aus dem (alten) Pflanzenfett entfernt wird und infolgedessen eine Flüssigkeit mit einer ähnlichen chemischen Zusammensetzung wie bei fossilem Diesel entsteht.
Biodiesel (englisch FAME = Fatty Acid Methyl Ester) wiederum entsteht, indem die Moleküle pflanzlicher Öle unter Zugabe von Methanol (einem Folgeprodukt von Wasserstoff) zu molekularen Fettsäuremethylestern umgewandelt werden. In der EU werden vorwiegend Altspeiseöle und Rapsöl sowie zu einem geringeren Anteil Palmöl, Sonnenblumenöl und Sojaöl als Rohstoffe eingesetzt. Biodiesel ist empfindlich gegenüber Kälte.
Bio-Ethanol, Biomethan und Biogas hingegen benötigen keinen Katalysator – durch Vergärung bauen Mikroorganismen landwirtschaftliche Rohstoffen wie Getreide und Zuckerrüben sowie Reststoffe wie Stroh (bei Bio-Ethanol) sowie landwirtschaftliche Abfälle, Klärschlamm oder organischen Müll (bei Biomethan und Biogas) ab und produzieren dabei Methan, das wie Erdgas zur Stromerzeugung, für die Heizung oder als alternativer Kraftstoff für Fahrzeuge genutzt werden kann.

Fakten zu Clean Fuels: Einsatz und Emissionen

Wasserstoff – grüne Mobilität mit der Brennstoffzelle
Brennstoffzellen-Nutzfahrzeuge sind eine interessante Alternative zum herkömmlichen Diesel-Lkw. Die Brennstoffzellen-Technologie nutzt komprimierten flüssigen Wasserstoff (der in einem Tank im Wasserstoff-Lkw oder Wasserstoff-Bus mitgeführt wird) als Treibstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Dabei wird der komprimierte Wasserstoff zur Brennstoffzelle (als Teil des Antriebsstrangs) geleitet, um dort mit dem Sauerstoff aus der Luft zu reagieren und elektrische Energie zu erzeugen. Der so erzeugte Strom treibt einen Elektromotor an, der wiederum seine Energie auf die Lkw-Räder überträgt. Beim Brennstoffzellenantrieb mit Wasserstoff entstehen als „Abfall“ nur Wasser und eine geringe Menge an Wärme. Der Wasserstoffantrieb hinterlässt beim Verbrennen praktisch keine Abgase und ist damit nahezu emissionsfrei.

Wasserstoff – flexibler Energieträger mit unterschiedlichem Ursprung

Wasserstoff ist farblos, doch je nach Herstellungsart trägt er die Namen verschiedener Farben:

E-Fuels – synthetische Kraftstoffe aus der Retorte

Idealerweise liefern erneuerbare Energien den Strom für die Produktion von E-Fuels.

Wird dem Wasserstoff in einem chemischen Prozess Kohlenstoffdioxid zugefügt, entsteht synthetischer Treibstoff: E-Fuels: Im Best-Case-Szenario stammt der für die Produktion benötigte Strom aus erneuerbaren Energien (das „E“ in E-Fuels steht für elektrisch und bezieht sich auf die Herstellungstechnik). Der synthetische speicherbare und flüssige Energieträger lässt sich dann als Ersatz für Diesel, Benzin oder Gas nutzen und kann ebenfalls leicht über lange Zeiträume in großen Mengen gespeichert und transportiert werden. Das CO₂ wird dabei aus der Atmosphäre oder aus Biomasse genommen oder von der Industrie geliefert. Da der Energieaufwand für die Produktion von E-Fuels extrem hoch ist, wird das Verfahren derzeit kritisch gesehen. Und weil in Deutschland nicht genügend grüner Strom etwa aus heimischer Windkraft zur Verfügung steht, ist die Produktion vor allem in Ländern sinnvoll, die von Haus aus deutlich mehr regenerative Energie zur Verfügung haben. Noch werden E-Fuels nur in ganz kleinen Mengen produziert (etwa in Chile) und befinden sich in der Entwicklungsphase. Synthetische Kraftstoffe erzeugen bei der Verbrennung neben Schadstoffen wie Stickoxiden (NOx), Feinstaub und Kohlenstoffmonoxid auch Kohlenstoffdioxid. Dabei allerdings nur so viel, wie bei der Produktion verbraucht wurde. Damit sind E-Fuels bilanziell CO₂-neutral.

HVO – biogener Kraftstoff aus pflanzlichen Abfallstoffen

HVO 100 Kraftstoff (auch HVO Diesel, HVO Fuel, Renewable Diesel genannt) ist ein nicht-fossiler Dieselkraftstoff, der aus erneuerbaren Energien, organischem Material und Resten von Ölen und gebrauchtem Speiseöl hergestellt wird. Ab Frühjahr 2024 soll HVO in 100 %-iger Reinform als HVO 100 an öffentlichen Tankstellen verkauft werden. Moderne Lkw und Busse mit Dieselmotor können bedenkenlos mit dem biogenen Kraftstoff betrieben werden. Da die HVO-Mengen, die für den Betrieb aller Lkw und Bussen hierzulande nötig wären, aber nicht ausreichen, um alle Fahrzeuge mit dem alternativen Kraftstoff zu betanken, wird in Diskussionen immer wieder darauf hingewiesen, dass Lebensmittelanbauflächen für die Treibstoffproduktion missbraucht werden könnten. In zahlreichen Mitgliedsstaaten der Europäischen Union ist HVO100 schon seit vielen Jahren zugelassen, etwa in Dänemark, Belgien, den Niederlanden, Norwegen und Schweden. In Deutschland durfte HVO bisher lediglich als rund 26-prozentige Beimischung zu fossilem Diesel verkauft werden. Da bei der Verbrennung von HVO 100 kein zusätzliches Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre gelangt (und nur das CO₂ frei wird, das die Pflanze vorher gebunden hatte), gilt auch dieser alternative Treibstoff bilanziell als CO₂-neutral, nicht aber als lokal emissionsfrei.

Noch mehr Biokraftstoffe: Biodiesel, Bio-Ethanol, Biomethan und Biogas

Ein weiterer alternativer grüner Treibstoff ist Biodiesel, der für den Betrieb herkömmliche Dieselmotoren geeignet ist und als HVO-Vorgängerprodukt gilt. Biodiesel  ist hierzulande der bekannteste Biokraftstoff und wird fossilem Diesel mit bis zu 7 % beigemischt, wodurch sich der Dieselverbrauch und die damit verbundenen CO₂-Emissionen verringern. Der erneuerbare Kraftstoff ist nahezu schwefelfrei. Eine verbesserte Verbrennung durch einen höheren Sauerstoffanteil sorgt für weniger Ruß und Rückstände im Motor. Reiner Biodiesel auf Basis von Rapsöl kann bis zu einer Temperatur von -12 Grad Celsius verwendet werden. In Deutschland wird Biodiesel überwiegend aus Rapsöl hegestellt. Biodiesel gilt bilanziell als CO₂-neutral, nicht aber als lokal emissionsfrei.

Bio-Ethanol ist ein ebenfalls weltweit genutzter alternativer Kraftstoff, der aktuell Benzin beigemischt wird. Im Super- oder Super Plus-Kraftstoff beträgt sein Anteil hierzulande 5 % beziehungsweise 10 % – daher auch die Bezeichnungen E5 und E10. Bio-Ethanol (auch Agraralkohol) wird ausschließlich aus Biomasse hergestellt. Die in der Biomasse enthaltene Stärke wird in Glukose aufgespalten und anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren. Nach der Gärung wird dem entstandenen Ethylalkohol durch Destillation Wasser entzogen. Auf diese Weise erreicht Bio-Ethanol einen Reinheitsgrad von über 99 Prozent. Aus Pflanzen gewonnenes Bio-Ethanol hat zwar gegenüber fossilen Energieträgern bilanzielle Vorteile beim CO₂-Ausstoß, jedoch entstehen beim Anbau der Pflanzen hohe Belastungen an klimaschädlichen Gasen wie Distickstoffoxid. Zudem wird kontrovers darüber diskutiert, wie umweltfreundlich die Herstellung von Ethanol angesichts des Bedarfs an Anbauflächen (Monokulturen) tatsächlich ist.

Biomethan kann ebenfalls einen Beitrag zum Clean Driving und somit zum Klimaschutz leisten und lässt sich aus einer Reihe von Quellen herstellen. Die nachhaltigste und kostengünstigste Methode ist die Nutzung von örtlichem Abwasser oder organischen Abfällen. Auch die Verwendung einiger Abfallarten wie etwa Dung ist eine nachhaltige und kreislauforientierte Lösung, die sogar zu einer CO₂-Reduzierung von mehr als 100 % führen kann. Aus diesem Grund bietet beispielsweise Scania auch Trucks mit einem Gasmotor an, der Methan als Treibstoff verwendet. Die hohe Energiedichte von Flüssiggas (LNG) macht diesen hocheffizienten Kraftstoff zur perfekten ökologischen Lösung für Gas-Lkw im Regionaltransport und Fernverkehr. Der Ausbau einer LNG-Infrastruktur mit LNG-Tankstellen auch für Bio-LNG gewinnt daher an Bedeutung, um den Anforderungen der europäischen Klimaschutzaktivitäten gerecht zu werden und gleichzeitig eine nachhaltige Mobilität in der Nutzfahrzeugbranche durch den grünen LNG-Antrieb zu fördern. Scania stellt sowohl für den LNG-Antrieb als auch den Antrieb mit Erdgas (CNG = Compressed Natural Gas) mit der Scania G-Serie leistungsstarke Fahrzeuge für die klimafreundliche Mobilität bereit.

Biogas besteht aus denselben Molekülen wie Erdgas (CNG); jedoch ist Biogas ein erneuerbarer Brennstoff, wohingegen Erdgas ein fossiler Brennstoff ist. Bei Biogas handelt es sich um einen Energieträger, der regional aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen wird. Dazu zählen neben Gülle und Grünabfällen auch nachwachsende Energiepflanzen. Das regenerative Gas wird ebenfalls in sogenannten Fermentern erzeugt, in denen die grünen Rohstoffe vergären. Mais ist die effizienteste Pflanze für Biogas, deshalb wird immer mehr davon angebaut. Und zwar auf immer größeren Flächen. Kritiker sehen eine Gefahr darin, dass die Maismonokulturen überhandnehmen. Ihre Befürchtung: Die Landschaft verödet und der Boden wird ausgelaugt.

Laut einer aktuellen Studie vom „Stockholm Environmental Institute“ sind Biokraftstoffe für die CO₂-Reduzierung des Schwerlasttransports in den nächsten Jahrzehnten von entscheidender Bedeutung, sowohl für neue als auch für im Einsatz befindliche Flotten. Die TRATON-Marke Scania entwickelt und vertreibt seit mehr als 25 Jahren das marktweit größte Sortiment von Motoren, die mit Biokraftstoffen betrieben werden können, wie etwa Biodiesel, HVO und verflüssigtes oder komprimiertes Biogas. Damit folgt Scania der strategischen Ausrichtung, dass die Elektrifizierung ein immer wichtigeres Werkzeug ist, um den Transport nachhaltiger zu machen, dass sie aber allein die notwendige CO₂-Reduzierung nicht erreichen kann. Für Scania sind nachhaltige Biokraftstoffe deshalb eine sowohl kostengünstige als auch CO₂-effiziente Lösung – und manchmal aktuell die einzige praktikable Option für bestimmte Transportanwendungen und Märkte.

Warten auf die Zukunft: Wann und wie beginnt der Markthochlauf für alternative Kraftstoffe?

Die flächendeckende Verfügbarkeit ist eines der großen Probleme der alternativen Kraftstoffe. Die Produktion strombasierter Kraftstoffe geht derzeit kaum über das Maß von Demonstrations- und Pilotanlagen hinaus; selbst der schnellste denkbare Markthochlauf könnte diesen Zustand in absehbarer Zeit wohl nicht ändern. Auch optimistische Prognosen rechnen nicht vor 2030 mit nennenswerten Produktionsmengen. Würde die komplette Produktionskette aber erst einmal stehen und wäre sie bereit für die Produktion im industriellen Maßstab, ließe sich neben CO₂-neutralen Diesel- und Benzin-Varianten sogar synthetisches Erdgas auf diese Weise herstellen, das sich ebenfalls als Erdgas-Antrieb beim Einsatz von Verbrennungsmotoren etwa für Lkw eignen würde. 

Momentan interessiert sich auch die Luftfahrtbranche für alternative Treibstoffe, will möglichst bald auf grünes Kerosin umsteigen. Denn wie Autos mit Verbrennungsmotor können auch Flugzeuge den CO₂-neutralen Kraftstoff tanken. Die EU-Kommission hat bereits eine Beimischungspflicht ab 2025 beschlossen. Dann dürfen Flugzeuge von europäischen Flughäfen nur noch abheben, wenn alternative Kraftstoffe im Tank sind. Für den Transportverkehr auf der Straße gelten diese Regeln nicht. Denn anders als bei Flugzeugen ist die Elektrifizierung bei Lkw und Bussen eine sinnvolle und vor allem machbare Option.