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.

[caption id="attachment_3088" align="alignnone" width="709"] Endenergieverbrauch der betrachteten Elektro- und Erdgas-Pkw, Quelle: Öko-Institut[/caption]

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) fallen pro Kilowattstunde dabei 475 Gramm CO₂-Äquivalente an (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.). In einem besonders effizienten Gaskraftwerk in Deutschland sind es sogar nur 423 Gramm CO₂-Äquivalente pro Kilowattstunde (EcoInvent v.3.5; electricity production, natural gas, combined cycle power plant).

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.

[caption id="attachment_3089" align="alignnone" width="543"] 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[/caption]

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.

[caption id="attachment_3090" align="alignnone" width="535"] Treibhausgas-Emissionen aus Betrieb, Fahrzeugherstellung und -entsorgung eines Kompaktklassefahrzeugs in Abhängigkeit zur Lebensfahrleistung, Quelle: Öko-Institut[/caption]

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.