Das Verbot von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren für 2040: ein Fall schlechter Gesetzgebung (1. Teil)

Dieser Artikel ist der erste Teil einer dreiteiligen Serie, der eine eingehende Analyse des Verbots der Verwendung von Verbrennungsmotoren liefert.

Einführung

Am 12. Juni nahmen die Abgeordneten einen Änderungsantrag an, der bereits am 29. Mai im Ausschuss angenommen worden war und ein Verbot des Verkaufs von „neuen Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen, die fossile Kraftstoffe verwenden, bis 2040″ vorsieht. Mit anderen Worten, sowohl der Verkauf und Weiterverkauf von Fahrzeugen mit 100%iger Verbrennung, als auch von Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren ist ab diesem Zeitpunkt verboten.  Vorläufig scheinen schwere Nutzfahrzeuge von der Maßnahme verschont zu bleiben.

Dieses Verbot scheint in der Öffentlichkeit auf breite Zustimmung gestoßen zu sein, und die Mehrheit der Parlamentarier scheint zu glauben, dass alternative Antriebsfahrzeuge, vor allem Elektrofahrzeuge, in 21 Jahren einen perfekten Ersatz für den Verbrennungsmotor darstellen und bestimmte – als Schadstoffe geltende –  Emissionen reduzieren werden.  Aber ist diese Annahme realistisch?

Stärken und Schwächen der Elektrofahrzeuge

Auf dem Papier sieht das Elektroauto gut aus, aber…..

Jeder, der das Vergnügen hatte, ein Elektroauto zu fahren, möchte, dass dies wahr ist, aber wir werden sehen, dass dies kaum so sein wird und dass das gesetzliche Verbot von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (abgekürzt als VM) sicherlich die  schlechteste Idee ist, die Industrie auf die Entwicklung von Autos auszurichten, die weniger fossile Brennstoffe verbrauchen.

Auf dem Papier sieht das Elektrofahrzeug (EF) attraktiv aus: Der Motor produziert vor Ort keine Emissionen, er ist leise, sein konstantes Drehmoment macht das Fahren zum Vergnügen, der Motor ist mechanisch wesentlich einfacher als die heutigen Verbrennungs-Gasfabriken, und er wird, bei entsprechender Mechanikausbildung einfacher zu warten sein. Jeder, der ein Elektrofahrzeug ausprobiert hat, schwärmt von dem Fahrerlebnis.

Darüber hinaus liegt der Motorwirkungsgrad einer Elektromotor-Getriebe-Einheit zwischen 60 und 75%, während eine Verbrennungsmotor-Getriebe-Einheit einen Gesamtwirkungsgrad von 15 bis 20% aufweist.

Um dies in einen anderen numerischen Kontext zu stellen, bedeutet dies, dass die Verlagerung des gleichen Gewichts über die gleiche Strecke bei gleicher Geschwindigkeit 3 bis 4 mal mehr Energie für einen VM benötigt als für ein EF. Dies erscheint attraktiv, wenn wir uns mit einer oberflächlichen Analyse der beiden Antriebsarten zufrieden geben.

Aber die Realität ist viel subtiler. Sowohl aus Sicht des Fahrzeugs selbst als auch des Energieerzeugungs- und -verteilungssystems überwiegen die Nachteile des Stroms, und das absehbare Tempo der Verbesserung dieser Technologien ermöglicht es nicht, sicher zu sein, dass all diese Mängel bis 2040 beseitigt sein werden.

Die Achillesferse des elektrischen Antriebs: die Batterie!

Wenn der Antriebsstrang eines EF im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor unschlagbar ist, hat das EF eine große Schwäche: seinen Energiespeicher!

Die „Energiedichte“ der heutigen Brennstoffe liegt bei etwa 45 Megajoule (oder 12,5 kWh) pro kg. Im Vergleich dazu haben die besten aktuellen Lithium-Ionen-Batterien (die heute am besten verfügbare Technologie) eine Energiedichte von 0,5 bis 0,6 MJ/kg (Werte für den Renault Zoe bzw. die teuerste Version des Tesla S). Das bedeutet, dass ein Kilogramm Batterie in der Lage ist, 75 bis 100 mal weniger Strom zu liefern als ein Kilogramm Kraftstoff. Betrachtet man das Volumen und nicht das Gewicht (beide Kriterien sind im Automobilbau wichtig), so ist das Verhältnis zum Strom etwas ungünstiger, und liegt im Bereich von 1 bis 40.

Selbst unter Berücksichtigung des drei- bis viermal höheren Wirkungsgrades des elektrischen Antriebsstrangs kann ein fossiler Kraftstofftank 20 bis 25 mal mehr Energie an das Rad eines Autos liefern als das gleiche Gewicht einer ordnungsgemäß geladenen Batterie. Aus diesem Grund muss ein Tesla, Meister der Elektrofahrzeug-Reihe, über 600 kg Batterien tragen, um eine reale Reichweite von 400 km zu ermöglichen (reale Reichweite und Werbereichweite sind zwei verschiedene Dinge….) und hat ein Gewicht von über 2,6 Tonnen.

Die Batterie, eine nicht ganz so einfache Komponente!

Die Probleme der Batterien enden nicht mit ihrer gesamten Energiekapazität. Zunächst einmal wird nicht der gesamte Strom aus der Batterie für den Betrieb des Elektromotors verwendet. Wie in jedem Auto ist auch hier Strom für die Heizung, Klimaanlage usw. erforderlich. Das EF ist gegenüber dem VM hier nicht im Nachteil, jedoch sind bei gleicher Nutzungsdauer diese Funktionen angesichts der geringen Speicherkapazität für die Autonomie eines EFs nachteiliger als für einen VM.

Aktuelle Batteriesysteme sind komplex. Dieses Diagramm zeigt, wie man von einer einzelnen Komponente zu einem Batteriesystem wechselt:

Damit ein Akku richtig funktioniert, müssen alle Komponenten zusammenwirken, die Zellen müssen mehr oder weniger mit den gleichen Geschwindigkeiten entleert werden, er muss seinen Ladezustand erfassen können, usw. Das Management dieser Balance ist so komplex, dass eine Batterie ein integriertes „Batteriemanagementsystem“ oder BMS benötigt, das sicherstellt, dass alle Batteriezellen etwa mit der gleichen Geschwindigkeit entladen oder aufgeladen werden, dass die Batterien nicht überhitzen usw. Dieses BMS fügt der Batterie zusätzliches Gewicht hinzu und reduziert so ihre Massendichte. Sie verbraucht einen Teil des gespeicherten Stroms an sich, obwohl die Leistung der besten BMSe in den letzten Jahren offensichtlich große Fortschritte gemacht hat.

BMSe werden immer wieder auf Herz und Nieren geprüft. Infolgedessen reduzieren die Entlade- und Ladezyklen der Batterie ihre Kapazität im Laufe der Zeit. Tesla schätzt, dass die Kapazität seiner Batteriesysteme nach 5 Jahren um 30% reduziert wird, trotz der Bemühungen des BMS, die Ladezyklen „auszugleichen“, die insbesondere von der Qualität der Ladestationen abhängen. Schlimmer noch, ein „bewusster“ Fahrstil verstärkt diese Tendenz der Batterien, sich vorzeitig zu verbrauchen.

Ebenso ärgerlich ist die häufige Verwendung von „Schnellladung“ (die immer noch viel länger ist als das Befüllen eines Benzintanks), die mit der Zeit auch die Batteriekapazität beeinträchtigt! Mit anderen Worten, man ist von der Betankung eines Elektrofahrzeuges “in wenigen Minuten“ noch weit entfernt, und das ist für den Verbraucher, neben dem Preis, das Haupthindernis für die Akzeptanz des Elektroautos.

Ein weiteres Problem: Alle Autofahrer haben festgestellt, dass die Reichweite ihres Fahrzeugs bei kaltem Wetter abnimmt: Das Fahrzeug muss nicht nur erwärmt werden, sondern auch die chemischen Reaktionen, die die Energiequelle der Batterie sind, werden reduziert.  Ein weiteres Handicap: das EF, ist etwa 50% schwerer als sein Verbrennungsäquivalent bei gleichem Volumen, was seinen Vorteil in Bezug auf den Wirkungsgrad leicht reduziert.

Kurz gesagt, die Leistungseinbuße der kombinierten Elektromotor-Batterie ist im Laufe der Zeit viel größer als beim Verbrennungsmotor, der mit zunehmendem Alter sicherlich ein wenig an Effizienz verliert, auch wenn er gut gewartet ist, aber dessen Energiespeicher eine konstante Leistung aufweist!

Die Batterie: enorme direkte und indirekte Kosten!

Die Verwendung seltener Materialien in Batterien und leistungsstarken Elektromotoren wird in den Medien immer wieder hervorgehoben. Der Journalist Guillaume Pitron hat ein gut dokumentiertes Buch (Link) zu diesem Thema geschrieben, das zeigt, dass der Abbau dieser Mineralien große ökologische und soziale Katastrophen verursacht….. Aber sehr lokalisiert und weit weg von uns…..

Die Knappheit dieser Materialien hat noch eine weitere besonders problematische Wirkung: Batterien sind sehr teuer. Ein Akkupack mit vollem BMS kostet jetzt mehr als 200 Euro pro Kwh (Es ist schwierig, zuverlässige Zahlen zu finden, da einige Pro-EF-Publikationen niedrigere Kosten erwähnen, aber nur die Kosten für die tatsächlichen Zellen beinhalten, was eine wirtschaftliche Berechnung ist, die den Namen nicht verdient). Trotz eines kontinuierlichen Rückgangs dieses Preises in den letzten Jahren kostet eine 40 kWh Batterie (wie Zoe) immer noch mehr als 8.000 Euro, was den sehr hohen Anschaffungspreis dieses Fahrzeugs erklärt und die Tatsache, dass alle Staaten, die Elektrofahrzeuge fördern wollen, diese stark subventionieren müssen.  Und trotz dieser staatlichen Beihilfen ist der Marktanteil von Elektrofahrzeugen mit rund 1,5 % in Frankreich nach wie vor unbedeutend.

Das Elektrofahrzeug ist nicht das einzige Problem. Das gilt auch für das Netzwerk und die Produktion!

Auch auf der Seite der Stromerzeugung und -verteilung ist die Situation nicht besser. In Ländern, in denen die Kernenergie keine große Rolle bei der Energieerzeugung spielt, d.h. fast überall, wird die Effizienzsteigerung des elektrischen Antriebsstrangs durch den relativ niedrigen Wirkungsgrad der thermischen Kraftwerke ausgeglichen, d.h. etwa 40% für eine moderne und gut gewartete Anlage. In einem Land, in dem die Energieerzeuger nicht in der Lage sind, in die neuesten Technologien zu investieren, dürfte diese Zahl deutlich niedriger sein.

Dadurch wird Kraftstoff, der nicht vom VM verbrannt wird, stromaufwärts im Werk verbrannt. Werden die Kosten für die Erzeugung und Verteilung von Strom und Kraftstoffen in die Effizienzgleichung der Antriebskette einbezogen, verringert sich der Vorteil des Elektrofahrzeugs. Die American Physical Society weist darauf hin, dass das EF in Bezug auf den Primärenergieverbrauch beim Fahren (ohne seine Herstellung) 1,6-mal effizienter ist als der VM, was angemessen, wenn auch nicht so aufregend, erscheint.

Werden wir genügend Kraftwerke haben?

Und was ist mit der Strommenge, die benötigt wird, um all diese EFe zu betreiben? Wenn morgen alle VM auf einen Schlag durch EFe ersetzt würden, um den gleichen Transportbedarf zu erreichen (13.000 km/Jahr pro Fahrzeug und Straßengüterverkehr), zeigt eine grobe Berechnung, dass die Stromerzeugung um etwa 30% oder etwa 160 zusätzliche TWh erhöht werden müsste.

Derzeit verbraucht Frankreich jährlich 50 Millionen M3 Straßenkraftstoffe oder 50 Milliarden Liter oder etwa 490 TWh für den Personen- und Güterverkehr. Unter Berücksichtigung des besten Motorwirkungsgrades des elektrischen Systems um den Faktor 3 wären 160 TWh EF-Leistungsbedarf erforderlich, wenn die gesamte Flotte ausgetauscht würde. Frankreich produzierte 2018 550 TWh Strom, was bedeutet, dass diese Produktion – wenn alle anderen Dinge gleich bleiben – auf 710 TWh erhöht werden müsste.

Natürlich wird es im Jahr 2040 noch viele VM geben, so dass der Bedarf an zusätzlichen elektrischen TWh nicht so hoch sein wird. Andererseits dürfte die Nachfrage nach Reisen steigen, allein schon wegen des Bevölkerungswachstums. Auf jeden Fall ist eine deutliche Steigerung der Stromerzeugung erforderlich.

Unsere Regierungen wollen unsere Energieerzeugung nicht ERHÖHEN, sondern VERRINGERN und sprechen davon, unsere Atomflotte nicht zu erneuern. Sie planen auch auf jeden Fall ihren Anteil am Energiemix auf 50 % zu reduzieren, wobei 30 % der Produktion auf diskontinuierliche erneuerbare Energien entfallen! Und wenn wir nachts Strom brauchen, wäre es besser wenn wir uns nicht auf die Solarenergie verlassen würden.

Was die Windkraft betrifft, na ja …. bei Windstille, was bei Nacht nicht so selten ist, werden Kraftwerke benötigt (fossile, da die Kernkraft reduziert wird!) um Sicherheit zu gewährleisten….. Oder Batterien! Aber die Unzulänglichkeiten dieser Technologien, die in Bezug auf den Fahrzeugantrieb bereits jetzt offenkundig sind, wären umso größer, wenn es darum ginge, die Produktion von Gigawatt aus windigen Zeiten zu speichern und sie bei schlechten Winden unter guten Bedingungen wieder ans Netz zurückzugeben. Die technologische Pattsituation ist hart.

Es besteht daher ein Widerspruch oder gar eine Inkonsistenz zwischen mehreren Entscheidungen, die kürzlich im französischen Recht verankert wurden oder gerade erst verankert werden. Unter diesen Bedingungen ist nicht klar, wie die für die Versorgung einer EF-Flotte benötigte Energie bis 2040 auf wundersame Weise gesichert werden soll.

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