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CNG-Fahrzeuge als Variante der Gasfahrzeuge

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

Bei Compressed Natural Gas (CNG) handelt es sich um komprimiertes Erdgas Hierzu wird das Gas mit einem Druck von 200 bar komprimiert um eine Verdichtung von 1:200 zu erreichen. Das Gas wird innerhalb eines Druckbehälters im Fahrzeug mitgeführt [vBa15]. Aufgrund einer geringeren Energiedichte im Vergleich zum Diesel ergibt sich eine geringere Reichweite der Fahrzeuge. Daher finden CNG-Lkw überwiegend Anwendung für kleine Nutzlasten von bis zu 2 Tonnen und im Regional- beziehungsweise Nahverkehr.
Funktionsprinzip des Antriebs
Eine sehr einfache schematische Darstellung zur Funktionsweise eines bivalenten Gas-Fahrzeugs findet sich in Abbildung 1. Im Fahrzeug sind zwei unterschiedliche Tanks angebracht, eines für den Gas-Kraftstoff CNG und eines für den Flüssig-Kraftstoff, in diesem Fall Benzin. Beide Kraftstoffe werden dem Verbrennungsmotor über das Ansaugrohr mit zwei verschiedenen Einspritzsystemen zugeführt. Der Motor erzeugt anschließend durch die Verbrennung motorische Energie, welche als Fahrleistung auf die Räder übertragen werden kann. Ein bivalentes Fahrzeug nutzt immer einen Kraftstoff zurzeit. Während der Fahrt kann manuell zwischen Gas und Benzin gewechselt werden, oder das Fahrzeug stellt automatisch um, beispielweise wenn der Gas-Vorrat erschöpft ist [Sta20]. Weiterhin gibt es Fahrzeuge, welche ausschließlich mit CNG betrieben werden.
Schematische  Darstellung zur Funktionsweise eines bivalenten CNG-FahrzeugsAbbildung 1: Schematische Darstellung zur Funktionsweise eines bivalenten CNG-Fahrzeugs (eigene Darstellung an Anlehnung an Sta20)
Ressourcenverfügbarkeit
CNG und Liquified Natural Gas (LNG) bieten den Vorteil, dass es aufgrund der natürlichen Vorräte von Erdgas länger verfügbar sein wird als der auf Erdöl basierende Diesel [Lis15]. Die Beschaffung für Deutschland unterläuft aufgrund der abgebrochenen Handelsbeziehungen mit Russland im Moment einer Umstrukturierung. Die USA sind die zentralen Lieferanten für Europa und auch für Deutschland. Weitere exportierende Länder, mit denen Handelsbeziehungen zum Import von LNG denkbar wären, sind Katar, Australien, Malaysia oder Nigeria [Ble22].
Tankinfrastruktur
Im Jahr 2021 waren in Deutschland 826 CNG-Tankstellen in Betrieb [Neu02]. Davon sind jedoch aller Voraussicht nach nicht alle für den gesamten Lkw-Verkehr geeignet. Hierbei muss unterschieden werden, um welche Größenklasse von Nutzfahrzeugen es sich handelt. Teilweise können die Tankstellen von kleineren Nutzfahrzeuge genutzt werden, während sich für große Lkw eine Reihe von Problemen ergeben können. So sind die Tankstellen beispielsweise nicht auf den höheren Platzbedarf von großen Lkw ausgelegt und bieten nur eine geringe Durchflussmenge an der Zapfsäule [Lis15].
Reichweite und Nutzungsszenarien
Aufgrund der, verglichen mit LNG, dreimal geringeren Energiedichte sind CNG-Fahrzeuge in ihrer Reichweite und Nutzlastkapazität begrenzt. Trotz der hohen Kompression von CNG, könnten gewöhnliche Reichweiten im Fernverkehr nur mit zusätzlichen Tanks erreicht werden. Für diese besteht aber zwischen den Radkästen der Vorder- und Hinterachse keine Einbaumöglichkeit. Die maximale mögliche Reichweite beträgt damit 570 Kilometer [Ive23]. CNG-Fahrzeuge werden deshalb vorwiegend für lokale Verteilverkehre mit geringen Nutzlasten eingesetzt [Lis15; Sca23a]. Weitere Anwendungsfelder sind kommunale Dienste wie zum Beispiel Müllfahrzeuge und Busse des Nahverkehrs [Lis15].
Bewertung der CNG-Fahrzeuge zur Dekarbonisierung im Straßengüterverkehr
Bezüglich der Treibhausgasemissionen von CNG-Fahrzeugen lassen sich im Vergleich zu Dieselfahrzeugen keine relevanten Potenziale zur Minderung finden. Das Reduktionspotenzial wurde mittels einer Well-to-Wheel-Analyse auf 2 Prozent bemittelt. Well-to-Wheel meint eine Betrachtung, die über den bloßen Betrieb hinausgeht, und den kompletten Lebenszyklus, inklusive Herstellung und Verschrottung des Fahrzeugs, einbezieht. Somit können CNG-Fahrzeuge als gleichwertig zu Dieselfahrzeugen in Bezug auf ihre Emissionswirkungen betrachtet werden [DLR16a].
Bewertung der CNG-Fahrzeuge hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit
Die Fahrzeuganschaffungskosten von CNG-Lkw liegen circa 30 Prozent höher als die eines vergleichbaren Diesel-Lkw [BaWü20]. Erdgas ist im Vergleich zum Diesel günstiger, auch weil dieses aktuell weiterhin steuerlich begünstigt wird [Bun21]. Für mit Erdgas-betriebene Lkw gilt seit dem 1. Januar 2019 und noch bis 31. Dezember 2023 eine Befreiung von der Lkw-Maut, was einen weiteren Kostenvorteil gegenüber Diesel-betriebenen Lkw darstellt [Bun20]. Weitere Förderung ist eine vergünstige Kfz-Steuer und die geringe Besteuerung von Erdgas [Bun21]. Die beschriebenen Vorteile sorgen dafür, dass CNG-Lkw im operativen Betrieb eine preisgünstigere Option gegenüber Benzin- oder Diesel-Lkw bieten und sich die anfänglichen Mehrkosten für die Anschaffung mit der Zeit amortisieren [BDEW19].
Vorteile & Nachteile von CNG-Fahrzeugen im Vergleich zu Dieselfahrzeugen
Der CNG-betriebene Lkw hat den Vorteil der niedrigeren Betriebskosten im Nah- und Regionalverkehr für kleinere Nutzlasten. Gegen die Technologie sprechen allerdings hohe Anschaffungskosten sowie eine geringe Reichweite. Außerdem ist fraglich, inwiefern die Technologie einen Beitrag zur Dekarbonisierung des Straßengüterverkehrs leisten kann. Aktuelle Studien zeigen kein Potenzial zur Emissionsminderung auf. Die aktuellen steuerlichen Begünstigungen sowie die Maut-Befreiung der Technologie sind damit zumindest kritisch zu sehen [UBA20ai].
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Verkehrsplanung und Logistik, Prof. Dr.-Ing. H. Flämig
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Fossile Gasfahrzeuge als Alternative zu Dieselfahrzeugen (Stand des Wissens: 12.12.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?578543
Literatur
[BaWü20] Ministerium für Verkehr Baden-Württemberg (Hrsg.) GÜTERVERKEHRSKONZEPT Baden Württemberg, 2020/07
[BDEW19] Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V. (Hrsg.) Gas-Mobilität für den Fuhrpark
Fahren im Gewerbe: sauber, leise, günstig, 2019
[Ble22] Blechner, Notker Woher Deutschland nun sein Gas bekommt, 2022/08
[Bun20] Bundesregierung (Hrsg.) Lkw-Maut und alternative Antriebs- und Speichertechnologien im Schwerlastverkehr, 2020/12/07
[Bun21] Bundesregierung (Hrsg.) Maßnahmenpaket des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur für klimafreundlichere Lkws bis 2030, 2021/01/12
[DLR16a] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Ludwig Bölkow Systemtechnik GmbH, Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH , ifeu Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, IFOK GmbH LNG und CNG im schweren Lkw-Verkehr: Entwicklungspotenziale der Motorentechnologien, 2016/01
[Ive23] IVECO Magirus AG (Hrsg.) Der Cursor 9-Erdgasmotor, 2023
[Lis15] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. , Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST), Deutsches Biomasseforschungszentrum gGmbH (DBFZ) Identifizierung von Hemmnissen der Nutzung von LNG und CNG im schweren Lkw-Verkehr sowie Möglichkeiten zu deren Überwindung, 2015/10
[Neu02] Neumann, Ralf (Hrsg.) LPG & CNG Tankstellenverzeichnis, 2002
[Sca23a] Scania Deutschland GmbH (Hrsg.) Technische Daten Gas-Lkw, 2023
[Sta20] Stan, Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Cornel Alternative Antriebe für Automobile, Springer Vieweg Berlin, Heidelberg, 2020/05, ISBN/ISSN 978-3-662-61757-1
[UBA20ai] Umweltbundesamt (Hrsg.) Flüssigerdgas-Lkw haben kaum einen Klimavorteil, 2020
[vBa15] van Basshuysen, Richard Erdgas und erneuerbares Methan für den Fahrzeugantrieb, veröffentlicht in Der Fahrzeugantrieb, Ausgabe/Auflage 1, Springer Fachmedien, Wiesbaden, 2015/03, ISBN/ISSN 978-3-658-07158-5
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).
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.
Betriebskosten
Betriebskosten sind laufende Aufwendungen, die im Zusammenhang mit der Erbringung von Verkehrsleistungen entstehen. Hierzu zählen zum Beispiel Aufwendungen für Energie, Personal, oder Infrastrukturnutzung.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?576546

Gedruckt am Dienstag, 28. Mai 2024 18:46:44