Welches verbraucht weniger Energie? Erdgas-Auto oder Elektro-Pkw? Quelle: Öko-Institut

Taugen Erdgasautos als Brückentechnologie?

Erdgasfahrzeuge werden von manchen als Brückentechnologie auf dem Weg zu einem vollständig CO2-freien Verkehr gesehen. Doch taugen sie als umweltfreundliche Übergangslösung, bis die Elektroautos alltagstauglich sind? Senior Researcher Moritz Mottschall beantwortet die Frage und kommt dabei auch mit seiner persönlichen Geschichte in Kontakt.

Vor meinem Leben am Öko-Institut war ich Taxifahrer in Berlin. Das Unternehmen, für das ich gefahren bin, hatte ein ganz besonderes Taxi: Auf der Seite prangte ein grüner Aufkleber auf dem stand „TUT – Tausend Umwelttaxis für Berlin“. Dieses „Umwelttaxi“ hatte einen modernen Bi-Fuel-Antrieb mit zwei Tanks, einen für komprimiertes Erdgas und einen für Benzin.

Diese Einblicke in die Realität haben mir bei meinem Vorstellungsgespräch die entscheidenden Pluspunkte gebracht: Ich kannte zum Beispiel das (offene) Geheimnis, dass viele Umwelttaxis eines bestimmten Herstellers aufgrund von Problemen über lange Zeit mit Superbenzin anstatt mit Erdgas fuhren. Das Benzin wurde zur Freude der Unternehmer sogar vom Hersteller bezahlt. Die Frage nach dem Umweltnutzen der Erdgasfahrzeuge war damals also nicht klar zu beantworten. Aber wie sieht es heute aus?

Heute werden Erdgasfahrzeuge hin und wieder als mögliche Brückentechnologie auf dem Weg hin zu einem vollständig CO2-freien Verkehr bezeichnet, zum Beispiel mit Elektroautos mit Batterien oder Wasserstoff-Brennstoffzellen. Die Idee im Hintergrund: Erdgas verursacht weniger direkte CO2-Emissionen als Benzin. Das liegt daran, dass Erdgas ein besseres sogenanntes C/H-Verhältnis besitzt. Das bedeutet, dass es pro Kohlenstoff Atom (C) besonders viele Wasserstoffatome (H) gibt.  Deshalb verursacht Erdgas weniger direkte CO2-Emissionen als Benzin.

Gas als Stromquelle

Als ein wesentliches Argument für Erdgas wird oft genannt, dass es in Zukunft durch Biogas ersetzt und das Auto damit fast CO2-neutral bewegt werden könnte. Trotzdem werden derzeit viele Millionen Euro in die Infrastruktur von fossilem Erdgas investiert oder geplant. So beispielsweise die Northstream-2-Pipeline oder Terminals für verflüssigtes Erdgas in Norddeutschland.

Langfristig ist klar: Auch das sauberste Gas kann nur einmal verbrannt werden! Deshalb haben wir uns gefragt: Gibt es nicht sinnvollere Möglichkeiten Erdgas oder Biogas zu nutzen, als in einem Fahrzeugmotor mit sehr geringer Effizienz zu verbrennen und dabei mehr als zwei Drittel der Energie in Form von Abwärme in die Umwelt zu pusten? Eine Möglichkeit wäre, das Gas in hocheffizienten Gas- und Dampf-Kraftwerken zur Stromgewinnung zu nutzen. Diesen Strom könnte man dort nutzen, wo die Brücke eigentlich hinführen soll: in einem Elektro-Pkw.

E-Pkw und Erdgas-Pkws im Vergleich

Also haben wir nachgerechnet. An den Start gegangen sind ein VW-E-Golf und ein erdgasbetriebener VW-Golf TGI. Für beide haben viele Nutzer reale Verbrauchsdaten in die Datenbank Spritmonitor.de eingegeben, die wir berücksichtigt haben. Das ist jedoch ein nicht ganz fairer Vergleich. Denn die beiden Fahrzeuge unterscheiden sich deutlich in der Leistung: der E-Golf hat mit 100 Kilowatt eine um 23 Prozent höhere Leistung als das Erdgasfahrzeug mit 81 Kilowatt. Deshalb schicken wir noch ein generisches Fahrzeug aus der Kompaktklasse mit ins Rennen, das wir unserer Technologiedatenbasis, dem TEMPS-Modell (Transport Emissions and Policy Scenarios) des Öko-Instituts, entnommen haben.

Endenergieverbrauch der betrachteten Elektro- und Erdgas-Pkw, Quelle: Öko-Institut

Endenergieverbrauch der betrachteten Elektro- und Erdgas-Pkw, Quelle: Öko-Institut

Zusätzlich zum Stromverbrauch im Fahrzeug geht ein Teil der elektrischen Energie auf dem Weg zur Batterie verloren: beim Stromtransport oder beim Ladevorgang. Hier werden insgesamt Verluste in Höhe von 16 Prozent veranschlagt.

In unserem Vergleich nutzt der Verbrenner das Gas direkt. Das Elektroauto nutzt Strom, der im Kraftwerk aus Erdgas erzeugt wird. Im europäischen Mittel (73,2 Prozent kombinierte Strom- und Wärmeerzeugung, 26,8 Prozent ausschließlich Stromerzeugung)[1] fallen pro Kilowattstunde dabei 475 Gramm CO2-Äquivalente an. In einem besonders effizienten Gaskraftwerk in Deutschland sind es sogar nur 423 Gramm CO2-Äquivalente pro Kilowattstunde[2].

Bei der Nutzung als Kraftstoff hängen die Emissionen von Herkunft und Zusammensetzung des Erdgases ab, da sich zum Beispiel der Gehalt von Methan, Ethan und Propan im Erdgas unterscheiden kann. Aber auch die vorgelagerten Emissionen durch die Bereitstellung des Erdgases, welche auch als Emissionen in der Vorkette bezeichnet werden, unterscheiden sich. Die Emissionen in der Vorkette entstehen durch Lecks und Energieverbräuche bei der Förderung, Aufbereitung und beim Transport des Gases nach Deutschland.

Diese direkten und vorgelagerten Emissionen kann man auf die im Erdgas enthaltene Energie beziehen. In der Rechnung gehen wir von rund 68 Gramm CO2-Äquivalente pro Megajoule aus. Davon entfallen etwa 18 Prozent auf vorgelagerte Prozessschritte und 82 Prozent auf die direkten Emissionen im Fahrzeug.

Fazit

Für den Betrieb ist das Bild eindeutig: Sowohl für ein besonders effizientes Erdgaskraftwerk als auch den europäischen Mix an Erdgaskraftwerken schneidet das Elektroauto besser ab als der Erdgasverbrenner. Dass auch unter Berücksichtigung der Stromverluste beim Übertragen und Laden ein solch großer Unterschied entsteht, liegt an den unterschiedlichen Wirkungsgraden: moderne Gaskraftwerke besitzen einen elektrischen Wirkungsgrad von deutlich mehr als 50 Prozent, teilweise bis zu 60 Prozent. Verbrenner mit Ottomotor können dagegen in der Regel 20 bis 30 Prozent der Energie in Bewegung umsetzen. Selbst wenn man ein besonders ineffizientes Gaskraftwerk unterstellen würde, ergäben sich im Betrieb des Elektroautos mit dem Verbrenner vergleichbare oder geringere Emissionen.

Spezifische Treibhausgasemissionen aus dem Fahrzeugbetrieb für Erdgas-Pkw und mit Erdgasstrom betriebenen Elektroautos für verschiedene Kraftwerkstypen (einschließlich der Emissionen aus der Vorkette), Quelle: Öko-Institut

Spezifische Treibhausgasemissionen aus dem Fahrzeugbetrieb für Erdgas-Pkw und mit Erdgasstrom betriebenen Elektroautos für verschiedene Kraftwerkstypen (einschließlich der Emissionen aus der Vorkette), Quelle: Öko-Institut

Allerdings müssen in einen fairen Vergleich auch die Aufwendungen aus der Fahrzeugherstellung einfließen. Dies ist wichtig, da die Produktion von Elektroautos besonders durch die Batterien zu höheren Emissionen führt. Die Abschätzung der der Treibhausgas-Emissionen durch die Batterieproduktion ist heute mit großen Unsicherheiten verbunden. Oftmals werden veraltete Emissionsfaktoren und große Spannbreiten herangezogen. Unsere Abschätzung setzt auf die Berechnungen des Ifeu-Instituts auf, die diese für die Agora-Verkehrswende erstellt haben.

Demnach geht ein Verbrenner mit Ottomotor der Kompaktklasse – Gas-Pkw wurden nicht explizit betrachtet – mit einem Emissionsvorteil von fast sechs Tonnen an den Start. Der Elektro-Pkw verursacht durch Herstellung und Entsorgung mehr als 13,2 Tonnen CO2-Äquivalente, der Verbrenner dagegen nur rund 7,4 Tonnen [3].

Treibhausgas-Emissionen aus Betrieb, Fahrzeugherstellung und -entsorgung eines Kompaktklassefahrzeugs in Abhängigkeit zur Lebensfahrleistung, Quelle: Öko-Institut

Treibhausgas-Emissionen aus Betrieb, Fahrzeugherstellung und -entsorgung eines Kompaktklassefahrzeugs in Abhängigkeit zur Lebensfahrleistung, Quelle: Öko-Institut

Je nachdem, welchen Emissionsfaktor man veranschlagt, weist das Elektrofahrzeug unter Berücksichtigung der Herstellung und Entsorgung ab einer Lebensfahrleistung von etwa 82.000 (effizientes Erdgaskraftwerk in Deutschland) beziehungsweise 93.000 Kilometern (Mix der Erdgaskraftwerke in der EU) einen Klimavorteil gegenüber dem Gasauto auf. Bei einer typischen Lebensfahrleistung von 150.000 liegen die Treibhausgas-Emissionen des mit Erdgas-Strom betriebenen Elektro-Pkw zwischen drei und fünf Tonnen unter dem Erdgas-Verbrenner. Das entspricht einer Treibhausgas-Minderung zwischen 12 und 17 Prozent.

Tatsächlich ist das eine Rechenspielerei. Denn bei einer Bilanz sollte am besten auch der Strommix im jeweiligen Netz herangezogen werden. Und Gasstromtarife sind mir zumindest nicht bekannt.

Es zeigt sich aber der große Vorteil der Elektromobilität:  Die hohe Energieeffizienz auf Fahrzeugebene. Beeindruckend ist, dass die doppelte Umwandlung von Erdgas in Strom und dann in Bewegungsenergie effizienter ist als die direkte Umwandlung von Erdgas in Bewegungsenergie in einem Ottomotor.

Zudem ist die Realität komplizierter: Gaskraftwerke erfüllen beispielsweise bestimmte Funktionen im Stromnetz zur Netzstabilisierung. Aufgrund ihrer hohen Flexibilität können sie so betrieben werden, dass Schwankungen im Leistungsbedarf im Stromnetz ausgeglichen werden.

Andererseits würden die Treibhausgas-Emissionen des Verkehrssektors, für die es derzeit keinen Emissionshandel gibt, in den Energiesektor verlagert werden, in dem Emissionen schon gehandelt werden und eine Obergrenze (Cap) besteht.

Dennoch kann meine vergleichende Betrachtung als Anregung dienen, die vorhandene Energie, sei es Erdgas, Biogas oder synthetisches Methan, dort einzusetzen, wo diese am effizientesten genutzt werden kann. Erdgas-Pkw sind das nicht. Deshalb sollten wir uns nicht auf eine vermeintliche Brücke konzentrieren, sondern das Ziel des emissionsfreien Fahrens direkt angehen.

Moritz Mottschall ist Senior Researcher im Bereich Ressourcen & Mobilität am Standort Berlin. Ein Arbeitsschwerpunkt sind Energieeffizienz und alternative Antriebskonzepte im Verkehr.

Fußnoten

[1] Reuter, Benjamin; Hengstler, Jasmin; Whitehouse, Simon; Zeitzen, Lena (2017): Greenhouse Gas Intensity of Natural Gas. Final Report. Hg. v. NGVA Europe, zuletzt geprüft am 08.04.2019.

[2] EcoInvent v.3.5; electricity production, natural gas, combined cycle power plant

[3] Agora Verkehrswende (2019): Klimabilanz von Elektro-autos. Einflussfaktoren und Verbesserungspotenzial.;  https://www.agora-verkehrswende.de/fileadmin/Projekte/2018/Klimabilanz_von_Elektroautos/Agora-Verkehrswende_22_Klimabilanz-von-Elektroautos_WEB.pdf

Kommentare
  1. CNGBassmann

    Mir drängt sich der Eindruck auf, dass Sie nicht alle Kosten beim Well-to-wheel-Vergleich berücksichtigt haben.
    Wie umweltschädlich die Gewinnung der Rohstoffe für die Produktion der Akkus abläuft, scheinen Sie mir auch nicht berücksichtigt zu haben. Da wird teilweise von einem CO2-Rucksack der Elektroautos geschrieben, der bei ca. 100.000km liegt, bevor ein Stromer ggüb. einem BENZINER einen Umweltvorteil hat. Wie viel größer muss da der Vorteil eines Autos sein, das -trotz Ottoprinzip- von Haus aus bei rein chemischer Betrachtung schon 20% weniger CO2 produziert? Darum haben Sie sich nicht gekümmert.
    #CNG gehört gefördert!!

    • Moritz Mottschall

      Vielen Dank für Ihr Interesse an unserer Arbeit. Die von Ihnen aufgeführten Emissionen sind in der Berechnung berücksichtigt. Wie ich im Blogbeitrag geschrieben habe, sind die Angaben zu Emissionen aus der Vorkette bei der Produktion von Elektroautos aktuell mit großen Unsicherheiten behaftet, so dass in der Tat viele unseriöse bzw. tendenziöse Berechnungen kursieren. Aktuelle Publikationen deuten aber darauf hin, dass die Emissionen aus der Produktion von Fahrzeugbatterien wesentlich kleiner sind, als bislang vermutet.

      Ich empfehle einen Blick in die aktuelle ifeu-Studie, die zeigt, dass auch beim Strommix, der ja deutlich über dem in meinen Berechnungen veranschlagtem „Gasstrom“ liegt, Elektrofahrzeuge Vorteile gegenüber CNG-Pkw haben. https://www.agora-verkehrswende.de/fileadmin/Projekte/2019/Klimabilanz_Batteriefahrzeugen/32_Klimabilanz_strombasierten_Antrieben_Kraftstoffen_WEB.pdf

      Mit freundliche Grüßen
      Moritz Mottschall

    • HDerlien

      Sehr geehrter Herr Bassmann,

      Erdgas und Biomethan werden in der Sektorenkopplung, d.h. in Heizkraftwerken viel sinnvoller genutzt. Mit dem CNG-Verbrauch eines Golfs mit einer Fahrleistung von 20.000km können Sie in einem Heizkraftwerk Strom für zwei elektrische „Gölfe“ mit derselben Fahrleistung erzeugen, und noch zusätzlich (!) Fernwärme für eine durchschnittlich gedämmte 100m² große Wohnung erzeugen (räumlicher Sektorkopplungs-Effekt).

      Gleichzeitig haben Sie das Erdgas/Biomethan/SNG nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich in die Erzeugungslücken erneuerbarer Energien verlagert, wenn das Heizkraftwerk mit einem elektrischen Power to Heat-Zusatzerhitzer und/oder Wärmespeicher ausgestattet ist („zeitlicher Sektorkopplungs-Effekt).

      Subventioniertes Methan verursacht zudem einen Anreiz zu unnötig hohen Fahrgeschwindigkeiten: Da der Windwiderstand im Quadrat zur Geschwindigkeit zunimmt, wird ein Elektroauto-Fahrer immer eher energiesparend unterwegs sein, während es bei dem durch massive Fossil-Subventionen verbilligten CNG gar nicht so viel kostet mit 180km/h über die Autobahn zu donnern.

      Bei Betankungsvorgängen, Kaltstarts (insbesondere bei zunehmender Alterung des Katalysators) und bei Reparaturen kommt es bei CNG-Fahrzeugen zudem zu Methan-Emissionen die Herr Mottschall eher sogar zugunsten des CNG-Fahrzeugs über 100 Jahre „schöngerechnet“ hat. Wenn wir meinen, dass Klimaschutz eine Aufgabe ist mit der wir umgehend beginnen sollten, dann sollten wir jedwede potentielle Methan-Emissionsquelle vermeiden denn auf kurze Sicht hat 1kg Methan den mehr als 100fachen Treibhausgas-Effekt von CO2.

      Und nicht zu vergessen: Aufgrund des Mehrgewichts eines mit CNG betriebene PKW in Höhe von ca. 10% wegen des Hochdruck-Tanks und -Leitungen sowie des Benzin-Zusatzsystems ist auch der Bremsverschleiß noch höher als ohnehin schon bei einem Benziner, während Elektroautos durchaus auch mal 200.000km mit einem Satz Bremsklötzen fahren. Und Bremsverschleiß = Feinstaub.

  2. HDerlien

    Man könnte die CNG-Fahrzeuge mit einigem Recht auch als „rollende Stadtheizungen“ bezeichnen. Irgendwo muss die ganze Energie ja bleiben, wenn sie nicht für den Vortrieb gebraucht wird. Bei CNG-Stadtbussen (z.B. Augsburg, Oldenburg, Gießen) und CNG-Müllautos (z.B. Berlin) ist der Abstand zwischen CNG- und E-Variante wegen der bestimmungsgemäß hohen Anzahl von Beschleunigungs- und Bremsvorgängen und der sehr schlechten CNG-Motoreffizienz im häufigen Leerlauf übrigens noch schlechter.

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