Mit der Energiewende im Verkehr, die neben der Mobilitätswende der zweite Baustein der Verkehrswende ist, soll der verkehrsbedingte Energiebedarf möglichst klimaneutral und umweltfreundlich gedeckt werden. Die wesentlichen Elemente der Energiewende im Verkehr betreffen die Antriebstechnologien, die Antriebsenergien, die dazugehörige Infrastruktur sowie die Kopplung von Energie- und Verkehrssektor. Alternative Antriebstechnologien gepaart mit alternativen Antriebsenergien sollen den konventionellen Gebrauch von Erdölprodukten in Verbrennungsmotoren sukzessive ersetzen, damit der Verkehr möglichst bis 2045 Netto-Null-Treibhausgasemissionen (Klimaneutralität) erreicht [AgVe17]. Die Anforderungen an Antriebstechnologien und -energien hängen wesentlich von den Verkehrsträgern Straße, Luft, Wasser, Schiene und den eingesetzten Verkehrsmitteln ab [BMVI18r]. Durch den hohen Anteil des Straßenverkehrs an den verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen in Deutschland (97,2 Prozent in 2019) ist die Dringlichkeit zur Verringerung der Emissionen gerade bei diesem Verkehrsträger besonders hoch [UBA21s]. Um die Elemente der Energiewende im Verkehr an einem Beispiel zu verdeutlichen, wird nachfolgend schwerpunktmäßig auf die Wende bei Personenkraftwagen (Pkw) Bezug genommen.

Im Pkw-Segment werden vor allem folgende Fahrzeuge mit alternativen Antriebstechnologien diskutiert:

Alle der oben genannten Fahrzeuge mit alternativen Antriebstechnologien stellen laut Elektromobilitätsgesetz (EmoG) Ausprägungen der Elektromobilität dar. Angestrebt wird die direkte Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom in batterieelektrischen Fahrzeugen, da diese Kombination von Antriebsenergie und -technologie in der Well-to-Wheel-Betrachtung nicht nur klimaneutral, sondern auch energieeffizienter ist. Klimaneutralität kann ebenfalls mit der Verwendung von grünem Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen erreicht werden, diese Kombination weist jedoch aufgrund zusätzlicher Umwandlungsschritte eine geringere Energieeffizienz auf [AgVe17]. Im politischen Diskurs hat sich demnach die Elektrifizierung des Verkehrs, speziell die direkte Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom, als prioritärer Entwicklungspfad herauskristallisiert [SeEh18].

Die Forschung beschäftigt sich mit folgenden alternativen Antriebsenergien im Verkehrssektor:

Gegenüber regenerativ erzeugtem Strom haben synthetische Kraftstoffe und Biokraftstoffe den Vorteil, dass sie wie Benzin oder Diesel in Verbrennungsmotoren eingesetzt oder als Kraftstoffbeimischung mit der vorhandenen Tankinfrastruktur genutzt werden können. Die Verwendung von Strom und Wasserstoff setzt dagegen Fahrzeugneuanschaffungen und den Aufbau einer Lade- oder Tankinfrastruktur voraus. Aus diesem Grund könnten synthetische Kraftstoffe und Biokraftstoffe als Brückentechnologie einen kurzfristigen und effektiven Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele bis 2030 und darüber hinaus leisten. Ein weiterer Vorteil dieser Kraftstoffe ist ihre potenzielle Eignung im Schwerlast- und Fernverkehr. Damit stellen sie eine gute Ergänzung zur Elektrifizierung des Pkw-Verkehrs dar und könnten gemeinsam mit dem kontinuierlichen Hochlauf der Elektromobilität zur Dekarbonisierung des Verkehrs beitragen. In flüssigen synthetischen Kraftstoffen auf Grundlage von Power-to-Liquid (PtL) wird das höchste technische Potenzial für einen klimaneutralen und schadstoffarmen Einsatz gesehen, vorausgesetzt, es wird regenerativer Strom bei der Erzeugung verwendet. Biokraftstoffe besitzen dagegen nicht das notwendige Mengenpotenzial [SeEh18].

Mit dem Umstieg auf Strom und strombasierte Antriebsenergien steigen die Strombedarfe des Verkehrs an und setzen eine systemische Verknüpfung des Verkehrs- und Energiesektors voraus. Ein zentraler Baustein der Sektorenkopplung ist die Abstimmung der Strombedarfe des Verkehrs mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien [NPM21a]. Ebenso muss im Hinblick auf die schwankende Strombereitstellung von erneuerbaren Energien auf die Netzstabilität geachtet werden [AgVe17]. Wird die verkehrsbedingte Stromnachfrage ohne weitere Maßnahmen in das Netz integriert, kann es zeitlich und örtlich zu Überlastungen des Stromnetzes kommen. Damit dieses Szenario nicht eintritt, sollte der Verkehr einen flexiblen Stromnachfrager und -speicher darstellen, der Angebot und Nachfrage in einem auf erneuerbaren Energien basierenden Energiesystem ausbalancieren kann. Dazu muss zum einen das Ladeverhalten, also die Nachfrage des Pkw-Verkehrs flexibel an das zeitlich verfügbare Stromangebot angepasst werden. Das ist durch die intelligente Steuerung des Ladevorgangs bei batterieelektrischen Fahrzeugen sowie über die Steuerung der Erzeugungskapazität von Anlagen für strombasierte Kraftstoffe möglich. Zum anderen müssen Batterien und strombasierte Kraftstoffe als Energiespeicher genutzt werden, die die gespeicherte Energie bei Bedarf wieder in das Stromnetz einspeisen können. Batterieelektrische Fahrzeuge eignen sich als Kurzeitspeicher und können durch einen bidirektionalen Lademechanismus die Energie wieder in das Stromnetz einspeisen. Strombasierte Kraftstoffe eigenen sich dagegen als Langzeitspeicher und können ebenfalls zur Stabilisierung des Stromnetzes, aber unter Energieverlusten, rückverstromt werden [BMVI16v].