Beim Vergleich von Batterie-elektrischen Fahrzeugen und Verbrennerfahrzeugen ist ein sehr wichtiges Thema die Effizienz (oder der Wirkungsgrad) des Prozesses, der verwendet wird, um die Bewegung des Fahrzeuges zu erzeugen.

Um den Wirkungsgrad dieser Prozesse zu vergleichen, wird eine sogenannte Well-to-Wheel-Analyse (wörtlich übersetzt: Quelle-bis-Rad-Analyse) verwendet. Dabei analysiert man den Prozess von der Energiequelle bis zum Rad des Fahrzeuges. Auf diese Weise berücksichtigen wir die gesamte Energiekette und vergleichen auf faire Weise. Das Ergebnis dieser Analyse zeigt, dass Batterie-elektrische Autos effizienter sind als Autos mit Wasserstoff-Brennstoffzellen, die wiederum effizienter sind als Verbrennerfahrzeuge.

Effizienz von Verbrennerfahrzeugen

Zunächst betrachten wir die Well-to-Wheel-Effizienz von Verbrennerfahrzeugen. Diese setzt sich aus folgenden Wirkungsgraden zusammen:

• Die Erzeugung und Bereitstellung fossiler Kraftstoffe (Benzin und Diesel) aus Erdöl erfolgt bei Wirkungsgraden bis 85 %,
• Der Wirkungsgrad von Motor und Getriebe beträgt etwa 20% im Schnitt (bei Diesel).

Die gesamte Well-to-Wheel-Effizienz von Autos mit fossilen Brennstoffen beträgt: 100 % * 85 % * ~20 % = ~17%.

Effizienz von Batterie-elektrischen Fahrzeugen

Bei Batterie-elektrischen Autos setzt sich die Well-to-Wheel-Effizienz bei Nutzung von Strom aus dem Stromnetz aus folgenden Wirkungsgraden zusammen:

• Die elektrische Energie, die von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen (Kohle / Methan) und erneuerbaren Energien (Wind, Wasser, Sonne) erzeugt wird. Dieser Wirkungsgrad betrug in Deutschland im Jahr 2023: 52 %,
• Der Wirkungsgrad des Stromtransports über Stromnetz (Deutschland, 2019) beträgt 94.3%,
• Der Wirkungsgrad Batterie / -Lader beträgt etwa 95%,
• Der Wirkungsgrad vom Elektromotor (inkl. Rekuperation) beträgt etwa 95%.

Die gesamte Well-to-Wheel-Effizienz (mit dem derzeitigen deutschen Strommix) beträgt: 100 % * 52 % * 94,3 % * 95 % * 95 % = ~ 44 %, wobei diese mit zunehmender Nutzung erneuerbarer Energiequellen (Wind, Wasser, Sonne) steigt.

Bei Batterie-elektrischen Autos setzt sich die Well-to-Wheel-Effizienz bei Nutzung von Strom aus Photovoltaikanlagen (PV) aus folgenden Wirkungsgraden zusammen:

• Der Wirkungsgrad von einer PV-Anlage vor Ort beträgt etwa 90%,
• Der Wirkungsgrad der stationären Hausbatterie beträgt etwa 95%,
• Der Wirkungsgrad von Batterie und Batterielader beträgt etwa 95%,
• Der Wirkungsgrad vom Elektromotor (inkl. Rekuperation) beträgt etwa 95%.

Die gesamte Well-to-Wheel-Effizienz von Batterie-elektrischen Autos (unter Verwendung lokaler Fotovoltaikanlagen und erneuerbarer Quellen) beträgt: 100 % * 90 % * 95 % * 95 % * 95 % = ~ 77 %.

Effizienz von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen

Der Well-to-Wheel-Wirkungsgrad von Wasserstoff-Brennstoffzellenautos hängt ab von der Art der Herstellung des Wasserstoffs. In 2019 wurden mehr als 90 % des gesamten Wasserstoffs Wasserstofferzeugung mittels „Steam Methan Reforming“ (SMR) erzeugt. Dieser Prozess hat einen Wirkungsgrad von etwa 70 %.

• Der Transport und Komprimierung auf 700 bar haben einen Wirkungsgrad von etwa 88%,
• Die Brennstoffzelle hat einen Wirkungsgrad von etwa 60%.
• Der Wirkungsgrad von Batterie und Batterielader beträgt etwa 95%,
• Der Wirkungsgrad vom Elektromotor (inkl. Rekuperation) beträgt etwa 95%.

Die gesamte Well-to-Wheel-Wirkungsgrad von Brennstoffzellenautos mittels SMR beträgt damit: 70 % * 88 % * 60 % * 95 % * 95 % = ~ 33 %.

Die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse hat einen Wirkungsgrad von 80 %.

Der gesamte Well-to-Wheel-Wirkungsgrad von Brennstoffzellenautos mittels Elektrolyse beträgt damit: 80 % * 88 % * 60 % * 95 % * 95 % = ~ 38 %.

Fazit

Batterie-Elektroautos sind um ein vielfaches effizienter als Autos die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, selbst wenn sie den aktuellen Strommix (2023: 52 % aus regenerativen Quellen) nutzen. Bei Verwendung lokaler PV-Anlagen zum Laden der Batterie wird diese Effizienz noch besser. Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind selbst beim Einsatz von Elektrolyse weniger effizient als Batterie-elektrische Autos, aber immer noch fast doppelt so effizient wie Verbrennerfahrzeuge.

Darüber hinaus werden alle Batterie-elektrischen Autos gleichzeitig umweltfreundlicher, wenn mehr regenerative Energie zum Laden von Batterien verwendet wird. Der CO₂-Ausstoß von Autos, betrieben mit fossilen Brennstoffen, bleibt jedoch über ihre gesamte Lebensdauer gleich.

Der Faktor von 2,5 scheint viel zu sein, ist er aber nicht. Wenn elektrische Energie durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird, macht ein Kraftwerk dies aufgrund des größeren Maßstabs und der besseren katalytischen Möglichkeiten viel effizienter und sauberer. Tatsächlich transportieren wir in Verbrennerfahrzeugen ein kleines, schweres und ineffizientes Kraftwerk. Katalysatoren sind relativ teuer, daher sind sie in Autos, bei denen die Kosten eine große Rolle spielen, nicht so gut wie in großen Kraftwerken. Tatsächlich wäre es besser, Diesel oder Benzin direkt in Kraftwerken zu verbrennen als in Fahrzeugen.