Treibhausgase (THG) sind jene Gase, die den Effekt der Klimaerwärmung verursachen. Dazu gehören Wasserdampf (H2O), Methan (CH4), Kohlenstoffdioxid (CO2), Distickstoffmonoxid (N2O), auch bekannt als Lachgas, und weitere Gase.

Die verschiedenen Antriebs-Konzepte verursachen unterschiedliche Treibhausgas-Emissionen. Das liegt zum einen an den unterschiedlichen Antriebs-Effizienzen der Motoren-Konzepte (Benzin-Verbrennungs-Motor, Diesel-Verbrennungs-Motor, LPG-Verbrennungs-Motor, CNG-Verbrennungs-Motor, Elektro-Motor, Brennstoffzellen-Antrieb), die zu unterschiedlichen Energie-Verbräuchen führen, und zum anderen an den THG-Emissionen der genutzten Kraftstoffe, die unterschiedlich hoch ausfallen.

Bislang wird die Autoindustrie (noch) daran gemessen, wie viele Abgase (Emissionen) aus dem Auspuff des Fahrzeugs herauskommen. Üblicherweise beziehen diese sich auf den Haupt-Verursacher des THG-Effekts: Kohlenstoffdioxid (CO2). Sie werden deshalb in CO2-Äquivalenten ausgedrückt und auf den Energieverbrauch relativiert.

Im Gegensatz zur Erdgas-Industrie misst die Motoren- und Kraftstoff-Branche den Energieverbrauch nicht in Brennwert- sondern in Heizwert-Einheiten. Beim Methangas, um das es hier hauptsächlich geht, ist der Heizwert um den Faktor 1,10969 geringer als der Brennwert. Der Energieverbrauch wird dementsprechend in MJHi oder kWhHi gemessen und die THG-Emission in Gramm CO2-Äquivalente pro Megajoule (kurz: gCO2-Äq/MJ, noch kürzer: gCO2/MJ) oder in Gramm CO2-Äquivalente pro Kilowattstunde (kurz: gCO2-Äq/kWhHi, noch kürzer: gCO2/kWhHi), wobei 3,600 Kilowattstunden 1 Megajoule sind.

Bei Benzin- und Dieselfahrzeugen entstehen pro kWhHi Kraftstoff-Einsatz ca. 265 gCO2, bei CNG- und LNG-Fahrzeugen ca. 195 gCO2/kWhHi. Diese auf chemischer Mathematik beruhenden Emissionswerte werden auch als stöchiometrische THG-Emission bezeichnet. Sie misst, welche Abgasmengen im Motor bei der Verbrennung (Oxidation) des jeweiligen, aus diversen Kohlenstoff-haltigen Verbindungen bestehenden Kraftstoffes entstehen.

Bislang wurde und wird die vordere Systemgrenze also (noch) beim Tank gesetzt. Gleichzeitig wird gemessen, welche Kraft beim Rad (wheel) ankommt und welche Antriebsleistung die Motor-Kraftstoff-Kombination auf die Straße bringt. Deshalb wird diese Sichtweise auch Tank to Wheel-Betrachtung oder kurz TtW genannt.

Solange fast ausschließlich Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren auf der Straße waren, die fast ausschließlich Benzin oder Dieselkraftstoff verbraucht haben, war die TtW-Betrachtung ausreichend, um einzelne Fahrzeug-Modelle hinsichtlich ihrer Umwelt-Belastungen miteinander zu vergleichen. Bei der Herstellung von Benzin und Dieselkraftstoff in der Vorkette auftretende THG-Emissionen waren aufgrund der Nutzung des selben Rohstoffs (Erdöl) nämlich mehr oder weniger gleich hoch. Im Lichte der seit über 10 Jahren ablaufenden Veränderungen ist TtW nun aber alte Schule.

Mit dem Aufkommen von alternativen Kraftstoffen (Biokraftstoffe, synthetische Kraftstoffe, Erdgas, Flüssiggas, elektrischer Strom) reichte die TtW-Sichtweise nicht mehr aus, denn nun traten sowohl in der Vorkette als auch bei der Kraftstoff-Nutzung höchst unterschiedliche THG-Emissionen auf.

Einerseits entstehen bei der Nutzung elektrischen Stroms als Kraftstoff lokal (am Auspuff) keine Abgase und damit auch keine THG-Emissionen, wohl aber in der Vorkette der Strom-Erzeugung.

Andererseits entstammt ein Teil des im Motor verbrannten Kohlenstoffs nicht fossilen Lagerstätten, sondern der Erdatmosphäre. Die Pflanzen, aus der Biokraftstoffe üblicherweise erzeugt werden, haben diesen atmosphärischen Kohlenstoff über den Prozess der Photosynthese aus dem CO2 der Luft abgetrennt und in ihre Masse eingebaut. Wenn dieser atmosphärische Kohlenstoff der Pflanze in Kohlenstoff-haltigen (Bio-)Kraftstoff umgewandelt und dieser sodann im Verbrennungsmotor zu CO2 oxidiert wird, dann kommt er nur dorthin, von wo er herkam: in die Erdatmosphäre. Der im Motor eingesetzte atmosphärische Kohlenstoff erhöht den Kohlenstoffbestand der Erdatmosphäre also nicht. Lediglich in der Vorkette der (Bio-)Kraftstoff-Produktion kann es – wie bei den fossilen Kraftstoffen – zu THG-Emissionen kommen.

Die Vernachlässigung dieser beiden Effekte führt zu falschen Ergebnissen: Die Nutzung des Kraftstoffs „elektrischer Strom“ mit seiner THG-positiven Vorkette führt andernorts zu THG-Emissionen und die Nicht-Nutzung von Kraftstoffen mit THG-negativen Vorketten vernachlässigt bestehende Chancen.

Um die tatsächlichen THG-Emissionen der diversen Kraftstoffe miteinander vergleichen zu können, werden nunmehr nicht allein die bei der Nutzung entstehenden Belastungen der Umwelt mit Treibhausgasen betrachtet, sondern auch die THG-Emissionen, die mit der Förderung der Rohstoffe, dem Rohstoff-Transport, der Umwandlung des Rohstoffs in Kraftstoff, der Kraftstoff-Distribution und der Kraftstoff-Abgabe an den mobilen Verbraucher verbunden sind. Die Betrachtung setzt also bereits bei der Rohstoff-Quelle (well) an und hört am Rad (wheel) auf. Die WtW-Betrachtung ist die neue Schule für die Beurteilung der Umwelt-Freundlichkeit von Kraftstoffen (siehe vorstehende Grafik).

Die WtW-Sichtweise mit ihrer Berücksichtigung der Vorkette ist erforderlich, weil das Klima keine lokale, sondern eine globale Angelegenheit ist. Das Außerachtlassen von negativen Effekten der Vorkette (z.B. Kohlestrom als Teil des Strom-Mixes) und/oder von positiven Effekten (z.B. auf Sequestrierung atmosphärischen Kohlenstoffs beruhende Dekarbonisierungseffekte wie sie bei unserer Entwicklung

entstehen) kann die Zielsetzung der Reduzierung der THG-Emissionen konterkarieren.

Jeder Kraftstoff, dessen Herstellung und Nutzung pro Energieeinheit (Heizwert) mit weniger Treibhausgas-Emissionen verbunden ist als die von Benzin und Dieselkraftstoff – das ist die sogenannte Fossile Referenz – erbringt eine Treibhausgas-Emissions-Minderungsleistung (THG-EML). Wenn die THG-Emissionen z.B. eines Biokraftstoffes nur noch 30% des Durchschnitts von Benzin und Diesel betragen, dann beträgt die THG-EML des Biokraftstoffs 70%.

Die THG-EML eines aus Antriebsstrang (Motor etc.) und Kraftstoff bestehenden Antriebs-Konzepts setzt sich zusammen aus dem bei einer bestimmten Fahrstrecke (km, 100 km) entstehenden Energieverbrauch (MJ, kWhHi) und der pro Energieeinheit entstehenden THG-Emission. Beide Werte werden miteinander multipliziert und ergeben die auf einen Kilometer Fahrstrecke bezogene THG-Emission, die in gCO2/km gemessen und angegeben wird.

Die von dem in dieser Sache (Umwelt, Energie) zuständigen Europäischen Gesetzgeber (EU-Rat, EU-Komission, EU-Parlament) nach alter Schule vorgeschriebene Angabe der TtW-Emission, die z.B. der Autohändler noch beim Verkauf eines Neuwagens ausweisen muss und die bei der Ermittlung des durchschnittlichen Flottenwertes eines Automobil-Herstellers zur Anwendung kommt, ist dabei nicht zu verwechseln mit der Angabe der WtW-Emission, die der Europäische Gesetzgeber in den neueren europäischen Gesetzen (Richtlinien) propagiert.

Die EU-Kommission hat von ihrem Forschungszentrum Joint Research Center JRC die THG-Emissionen aller gängigen Kraftstoffe ermitteln lassen und zwar WtW. Die Ergebnisse wurden u.a. in der Renewable Energy Directive (RED) 28/2009 veröffentlicht. Jedoch ist elektrischer Strom nicht in der RED enthalten, die Zusammensetzung des Strom-Mixes der einzelnen Mitgliedsländer ist zu unterschiedlich.

Die THG-Belastung des elektrischen Stroms wird kontrovers diskutiert. Lokal bzw. TtW-gesehen ist Strom natürlich sauber, denn Elektroautos erzeugen vor Ort ja keine Abgase. WtW-gesehen ist das nicht der Fall: Da im deutschen Strom-Mix Kohlestrom enthalten ist, ist der deutsche Strom WtW-gesehen nicht per se sauber.

Die oft vorgetragene Beschränkung auf Ökostrom als Kraftstoff für Elektro-Autos ist insgesamt nicht zielführend, denn erstens ist der Ökostrom bereits vollständig vermarktet, zweitens schiebt diese „Rosinenpickerei“ schmutzigen Strom Endverbrauchern zu, die ihn gar nicht haben wollen, drittens wird die Belastung der Strom-Produktion mit THG-Emissionen durch diese „Rosinenpickerei“ insgesamt um keine einzige Tonne CO2 reduziert (Nullsummen-Spiel)und viertens wird der von Elektroautos verursachte zusätzliche Strombedarf tatsächlich mit Kohlestrom gedeckt.

Wenn bei der Bewertung der Klimafreundlichkeit von Elektroautos (BEV und PlugIn-Hybride) schon nicht die THG-Emission des von Elektroautos zusätzlich nachgefragten Kohlestroms zum Ansatz kommt, muss zumindest die aktuelle und zukünftige THG-Belastung des Strom-Mixes berücksichtigt werden und zwar jeweils in dem Jahr, in dem der Strom erzeugt und verbraucht wird. Diese Position wird mittlerweile vom überwiegenden Teil der Wissenschaft eingenommen, vom ADAC und vom deutschen Gesetzgeber (Bundesregierung nebst ihren Bundesämtern) wie die neue 38. BImSch-DV dokumentiert:

Die Anfang Dezember 2017 von der Deutschen Bundesregierung verabschiedete 38. BImSchV, die u.a. die Anrechnung von in Straßen-Fahrzeugen mit Elektro-Antrieb genutztem Strom auf die Erfüllung der Treibhausgas-Quote regelt, schreibt gemäß § 5 Abs. (2) vor, dass für die Berechnung der THG-Emissionen des elektrischen Stroms die aus dem Stromnetz entnommene Strommenge zu multiplizieren ist mit der vom Umwelt-Bundesamt ermittelten „durchschnittlichen Treibhausgas-Emission pro Energie-Einheit des Stroms in Deutschland“.

Diese durchschnittliche  THG-Emission des Strom-Mixes ist immer noch erheblich. Für 2016 hat das Umweltbundesamt (UBA) für den Strom-Inlandsverbrauch einen Emissionswert von 580 gCO2/kWhel errechnet, für 2030 erscheint ein Wert von 380 g gCO2/kWhel realistisch.

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Zukünftig werden die Elektro-Autos größer und schwerer ausfallen. Gleichzeitig wird die elektrische  Antriebseffizienz moderat steigen. Hinsichtlich des Energieeinsatzes werden sich diese beiden Effekte voraussichtlich kompensieren, so dass pro Kilometer mit einem konstanten Real Driving-Verbrauch zu rechnen ist. Aktuell ergibt sich aus Testberichten für das durchschnittliche Elektro-Auto inklusive Ladeverluste ein typischer Real Driving-Energieeinsatz von mindestens 0,18 kWhel/km.

Bei diesem Energieeinsatz und der vorstehend aufgeführten Belastung des deutschen Strom-Mixes mit THG-Emissionen belastet das durchschnittliche Elektroauto das Klima aktuell pro Kilometer mit 103 gCO2. Für 2030 ist eine durchschnittliche THG-Emission von 68 gCO2/km zu erwarten. Das ist zwar deutlich weniger als die gegenwärtige RD-Emission konventioneller Autos, aber eben nicht null.

Die vielfach postulierte Nullemission erreichen Elektroautos nur, wenn sie ausschließlich mit netzentkoppeltem Ökostrom versorgt werden, dessen Vorkette nicht mit THG-Emissionen belastet ist. Diese Bedingungen sind nur in ganz seltenen Fällen gegeben, z.B. wenn ein Elektroauto ausschließlich über eine Photovoltaik-Anlage aufgeladen wird, die auf einem Car-Port installiert und die nicht ans Stromnetz angebunden ist.

Dementsprechend sind auch Wasserstoff-Fahrzeuge nicht per se THG-neutral, insbesondere dann nicht, wenn das als Kraftstoff genutzte Wasserstoffgas über chemische Reformierungs-Prozesse aus den fossilen Energieträgern Erdgas oder Kohle oder mittels Elektrolyse aus dem deutschen Strom-Mix erzeugt wird (siehe hierzu auch den Menü-Punkt „Unternehmen/Know-How/Wasserstoff„).

Die unter dem Namen „Erneuerbare Energien-Richtlinie“ bekannte EU-Richtlinie 28/2009 weist als WTW-Emissionswerte für aus Erdgas erzeugten Wasserstoff eine THG-Emission von 375 gCO2/kWhHi aus und für aus Kohle erzeugten Wasserstoff 844 gCO2/kWhHi. Die THG-Emission von aus deutschem Strom-Mix erzeugten Wasserstoff ist aufgrund der üblichen Konversionseffizienz von 70% mit dem Faktor 1/0,7 = 1,43 direkt an die THG-Belastung des eingesetzten Stroms gekoppelt.

Obwohl Brennstoffzellen-Fahrzeuge im Real Driving typischerweise pro Kilometer nur ca. 67% der Energie einsetzen wie ein konventioneller Verbrennungsmotor, kann dieser Effizienzvorteil den bei Erzeugung des Wasserstoffs auftretenden Emissions-Nachteil nicht kompensieren. Eine typischerweise zu 50% mittels Elektrolyse aus dem Strom-Mix und zu 50% aus Erdgas erzeugte Wasserstoffmischung lässt die WtW-THG-Emission eines durchschnittlichen Wassers-Autos im Alltagsgebrauch (Real Driving) aktuell auf 178 gCO2/km ansteigen. Voraussichtlich wird dieser Wert bis 2030 auf 138 gCO2/km zurückgehen.

Da für die Versorgung der Brennstoffzellen-Fahrzeuge nicht ausschließlich aus Netz-entkoppeltem Ökostrom erzeugter Wasserstoff eingesetzt wird sondern im Gegenteil zu bis zu 99% aus fossilen Energieträgern, ist bei ihnen unter WtW-Gesichtspunkten die vielfach postulierte THG-Neutralität nicht gegeben.

Die mittlerweile auch von dem im Umweltrecht zuständigen Europäischen Gesetzgeber und nach der Nationalisierung der Europäischen Vorschriften nun auch von dem Deutschen Gesetzgeber propagierte wesentlich realistischere WtW-Betrachtung kommt also zu vollkommen anderen Ergebnissen als wenn die Systemgrenzen nicht verursachungsgerecht und damit mehr oder weniger lebensfremd beim Tank und beim Rad gesetzt werden.