Forschungsinformationssystem des BMVI

zurück Zur Startseite FIS

Alternative Antriebe im Straßengüterverkehr

Erstellt am: 08.11.2023 | Stand des Wissens: 08.11.2023
Synthesebericht gehört zu:

Zum aktuellen Zeitpunkt werden bereits unterschiedliche Antriebstechnologien in Fahrzeugen im Straßengüterverkehr eingesetzt. Hierbei kann bezüglich der genutzten Energieträger Öl, Erdgas, Strom und Wasserstoff unterschieden werden [Ren21]. Die Abbildung 1 gibt einen Überblick über verschiedene Antriebstechnologien. Sie sind entsprechend ihrer Marktreife und dem hauptsächlich genutzten Energieträger strukturiert. Fahrzeuge mit den in der Abbildung 1 dargestellten Technologien finden bereits Anwendung auf deutschen Straßen. Synthetische Kraftstoffe sind aufgrund ihres frühen Entwicklungsphase vor Markteinführt nicht aufgeführt [Dech22].
Marktreife einzelner alternativer AntriebstechnologienAbbildung 1: Marktreife einzelner alternativer Antriebstechnologien (eigene Darstellung in Anlehnung an Ren21, S. 34)
Um die Leistungsfähigkeit von Antriebstechnologien zu beschreiben und zu vergleichen, kommen insbesondere die folgenden drei Kennzahlen zum Einsatz [Ren21]:
  • Energiedichte des Energieträgers (Energie pro Volumeneinheit)
  • Wirkungsgrad (Verhältnis von tatsächlich für die Fortbewegung verwendeter Energie zu aufgewendeter Energie)
  • Reichweite (Zurücklegbare Strecke pro Tankfüllung/Aufladung)
Zu berücksichtigen ist, dass sich aus der Energiedichte des Energieträgers und dem Wirkungsgrad des Antriebsstrangs die Reichweite des Fahrzeugs ergibt. Beispielweise ist die Energie pro Volumen für Compressed Natural Gas (CNG) kleiner als für Liquified Natural Gas (LNG), da das Erdgas im Falle von LNG durch Herunterkühlen stärker komprimiert wird. Entsprechend der Reichweite ergeben sich für die verschiedenen Antriebstechnologien unterschiedliche Anwendungsfälle. Der folgende Absatz gibt eine grobe Einordnung der Technologien zu ihren Nutzungsszenarien.
Nutzungsszenarien
Mit fossilem Gas betriebene Lastkraftwagen (Lkw) können verglichen mit herkömmlichen Benzin-Lkw oder Diesel-Lkw ähnliche Reichweiten zurücklegen, jedoch muss hinsichtlich der Nutzlast der Fahrzeuge unterschieden werden, da mit zunehmender Nutzlast die Reichweite eingeschränkt wird. Für batterieelektrische Lkw kann als grundsätzliche Einordnung festgehalten werden, dass sich diese eher für den Nahverkehr mit leichten Nutzfahrzeugen eignen. Wasserstoff-betriebene Lkw eignen sich hingegen auch für den Regional- und Fernverkehr mit schweren Nutzfahrzeugen. Hybridfahrzeuge bilden einen Kompromiss zwischen dem batterieelektrischen Antrieb und dem Verbrennungsmotor, indem die durch den Batteriebetrieb meist nicht ausreichende Reichweite durch einen zweiten, konventionellen Antriebsstrang ergänzt wird, sodass die Reichweite erhöht wird. Oberleitungs-Lkw sind, entsprechend des Oberleitungsnetzes, stark an den Ausbau der entsprechenden Infrastruktur gebunden. Diese Fahrzeuge werden vorrangig für den schweren Nutzlastverkehr erforscht [BaWü20].
Die beschriebene Leistungsfähigkeit von alternativen Antrieben hat Auswirkungen auf die Praktikabilität der Fahrzeuge für den täglichen Betrieb. Beispielsweise könnte ein fiktives Unternehmen aus der Tanklogistik für verschiedene Nutzungsszenarien unterschiedliche Antriebe einsetzen. Für den Transport der Güter zwischen Kiel und Hamburg bieten sich beispielsweise batterieelektrische Fahrzeuge an, während für den grenzüberschreitenden Transport Wasserstoff-betriebene Fahrzeuge aufgrund höherer Leistungsfähigkeit sinnvoll wären.
Dekarbonisierung
Neben der Praktikabilität für die Unternehmen sind alternative Antriebe insbesondere hinsichtlich der emittierten Emissionen während des Betriebs zu bewerten. Hierbei sind die Treibhausgasemissionen pro Fahrstrecke und transportiertem Gewicht zu berücksichtigen. Das Gas, welches am häufigsten als Referenz herangezogen wird, ist Kohlenstoffdioxid (CO2). Neben CO2 gehören unter anderem Methan (CH4) oder Lachgas (N2O) zu den Treibhausgasen [UBA22v]. Der Einsatz von batterieelektrischen Fahrzeugen führt im Vergleich zu Dieselfahrzeugen zu deutlichen geringeren Treibhausgasemissionen und wirkt sich damit positiv auf die Dekarbonisierung des Straßengüterverkehrs aus [NPM20b].
Als eine Maßnahme für die Zielerreichung der Emissionsreduktion wird auf politischer Ebene die Elektrifizierung von mindestens 30 Prozent des Güterverkehrs geplant [Fra23]. Diesen Ansatz aufgreifend werden in dieser Wissenslandkarte überwiegend strombasierende Antriebskonzepte vorgestellt, beispielsweise batterieelektrische, Oberleitungs- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Außerdem werden Erdgasfahrzeuge thematisiert. Als Referenz für die ökologischen und ökonomischen Wirkungen der Fahrzeuge mit alternativen Antrieben dient der Diesel-Lkw. Der für Betrachtung der Reichweite angesprochene Wirkungsgrad ist außerdem auch aus einer nachhaltigen Perspektive von Bedeutung. Über eine ganzheitliche Betrachtung von der Herstellung bis zum Verbrauch des Kraftstoffes gibt der Wirkungsgrad an, wie effizient die Antriebstechnologie die bereitgestellte Energie nutzt, beziehungsweise wie energieintensiv die Kraftstoffherstellung ist. Ein negatives Beispiel hierfür sind synthetische Kraftstoffe aus Wasserstoff, bei denen von der Herstellung über die Verwendung circa 85 bis 90 Prozent der eingesetzten Energie verloren geht [ADAC23d].
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Verkehrsplanung und Logistik, Prof. Dr.-Ing. H. Flämig
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Alternative Antriebe als Klimaschutzmaßnahme im Straßengüterverkehr (Stand des Wissens: 20.11.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?577534
Literatur
[ADAC23d] Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e. V. (ADAC) (Hrsg.) Synthetische Kraftstoffe: Sind E-Fuels die Zukunft der Mobilität?, 2023/05/15
[BaWü20] Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg (Hrsg.) GÜTERVERKEHRSKONZEPT Baden Württemberg, 2020/07
[Dech22] DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (Hrsg.) NAMOSYN: Nachhaltige Mobilität durch synthetische Kraftstoffe, 2022/09/30
[Fra23] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel (Hrsg.) HoLa: Hochleistungsladen im Lkw-Fernverkehr, 2023
[NPM20b] Nationale Plattform Zukunft der Mobilität, Arbeitsgruppe 1 Klimaschutz im Verkehr WERKSTATTBERICHT ANTRIEBSWECHSEL NUTZFAHRZEUGE, 2020/12
[Ren21] Renschler, Andreas Die Zukunft des Nutzfahrzeugs in Zeiten der Transformation, Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, 2021, ISBN/ISSN 978-3-662-63927-6
[UBA22v] Umweltbundesamt Die Treibhausgase, 2022
Glossar
CNG Compressed natural gas = komprimiertes Erdgas (CH4) wie es zum Beispiel in Fahrzeugen getankt werden kann. Durch die Kompression auf ca. 200 bar erhöht sich der Energiegehalt bezogen auf das Volumen und somit z.B. die Reichweite eines Fahrzeuges bei gleichem Tankvolumen.
LNG
Liquified natural gas = Flüssigerdgas (CH4) wie es zum Beispiel in Fahrzeugen getankt werden kann. Durch Abkühlen auf -164 Grad Celsius schrumpft das Volumen auf ein sechshundertstel des Normvolumens. Damit erhöht sich der Energiegehalt bezogen auf das Volumen und somit zum Beispiel die Reichweite eines Fahrzeuges bei gleichem Tankvolumen. Für die aufwendige Verflüssigung werden circa 10 bis 25 Prozent der im Erdgas gespeicherten Energie aufgewendet, daher findet man im Straßenverkehr hauptsächlich compressed natural gas = komprimiertes Erdgas (CNG).
CH4
= Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge.
Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.)
Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie bei einer Umwandlung in die gewünschte Energieform umgewandelt wird, und beschreibt damit die Effizienz beispielsweise einer technischen Anlage.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
N2O = Distickstoffoxid (Lachgas). Ein farb- und geruchloses, leicht süßlich schmeckendes und chemisch reaktionsträges Gas. Lachgas ist ein Treibhausgas, dessen Treibhauswirksamkeit 298-mal so groß ist wie die von CO2. Menschenverursachte Emissionen stammen hauptsächlich aus der Landwirtschaft.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?576473

Gedruckt am Dienstag, 28. Mai 2024 00:48:20