Well-to-Wheel

Well-to-Wheel (auch: Well to Wheel, Well2Wheel oder WTW, wörtlich: „vom Bohrloch bis zum Rad“) ist eine Betrachtungs- bzw. Analysemethode im Bereich der Kraftfahrzeuge. Dabei wird die gesamte Wirkungskette für die Fortbewegung von der Gewinnung und Bereitstellung der Antriebsenergie bis zur Umwandlung in kinetische Energie untersucht.[1][2][3]

Allgemeines

Verschiedene Kraftstoffpfade erfordern unterschiedliche Energiemengen, um 100 km zu fahren. Von links nach rechts: Kohle zu Strom zu Elektroauto. Erneuerbare Energie (z. B. Wind oder Photovoltaik) zu batteriebetriebenem Elektroauto. Erneuerbare Energie zu Wasserstoff zu Wasserstoffauto. Erdöl zu Diesel zu Auto mit klassischem Verbrennungsmotor.

In der Well-to-Wheel-Betrachtung werden die Teilbereiche Well-to-Tank (Energiebereitstellung) und Tank-to-Wheel (Fahrzeugwirkungsgrad) zusammengefasst.[4] Dabei können Fahrzeughersteller stets nur den Teilbereich Tank-to-Wheel konstruktiv beeinflussen. Nur dieser ist daher in Herstellerangaben zum Fahrzeug (Kraftstoff-/Energieverbrauch bzw. Abgasangaben bzw. CO2-Ausstoß)[5] enthalten. Mit Simulationsprogrammen können Zusammenhänge veranschaulicht und Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt werden.[6]

Well-to-Wheel-Untersuchungen können unter verschiedenen Gesichtspunkten durchgeführt werden:

Die Well-to-Wheel-Betrachtung spielt auch bei der ökologischen Bewertung eine große Rolle. Allerdings erfasst Well-to-Wheel nur den tatsächlichen Betrieb des Kraftfahrzeuges, weder Wartung und Unterhalt, noch den Herstellungs- und Entsorgungsaufwand. In Untersuchungen zur Ökobilanz wird dagegen der gesamte Lebenszyklus einschließlich Herstellung und Verwertung analysiert.[7]

Well-to-Wheel bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor

Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entstehen die größten Verluste im Fahrzeug selbst, die Kraftstofferzeugung und -bereitstellung erfolgt überwiegend aus fossilen Primärenergien und mit einem hohen Wirkungsgrad. Daher sind die Unterschiede von den Herstellerangaben Tank-to-Wheel zu Well-to-Wheel relativ gering. Allerdings ist der Wirkungsgrad Well-to-Tank mit ca. 90 % bei Dieselkraftstoff, ca. 82 % bei Benzin und ca. 86 % bei Erdgas nicht vernachlässigbar, wenn mit alternativen Antriebstechnologien verglichen wird.[8]

Als Sonderfall kann der BMW Hydrogen 7 gelten, dessen modifizierter Verbrennungsmotor mit Wasserstoff betrieben wird. Neben der fast völligen lokalen Emissionsfreiheit (bei Tank-to-Wheel entstehen lediglich Wasserdampf und geringe Mengen Stickoxide) ist bei der Well-to-Wheel-Betrachtung ähnlich wie beim Brennstoffzellenfahrzeug der Aufwand zur Wasserstofferzeugung und -bereitstellung einzubeziehen. Die Wasserstoffherstellung nutzt derzeit (2015) fast ausschließlich fossile Primärenergien. Deren Aufbereitung sowie die notwendige Verflüssigung führen zu einem niedrigen Well-to-Wheel-Wirkungsgrad bzw. hohem Verbrauch fossiler Primärenergien mit entsprechend hohem CO2-Ausstoß.

Well-to-Wheel bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb

Das Elektroauto hat einen sehr hohen Wirkungsgrad Tank-to-Wheel und keinerlei lokale CO2-Emissionen. Dies drückt sich in den sehr geringen Herstellerangaben Tank-to-Wheel beim Verbrauch (15–20 kWh/100 km) und der Angabe zum CO2-Ausstoß (0 g CO2/km) aus. Die Verluste entstehen hauptsächlich bei der Stromerzeugung und -bereitstellung, also Well-to-Tank. Daher wird oftmals die Well-to-Tank-Kette mit einbezogen und somit im Gegensatz zum herkömmlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (Herstellerangaben ausschließlich Tank-to-Wheel) bei Angaben zum Elektroauto die Daten Well-to-Wheel angegeben. Für objektive Vergleiche sollten daher immer die gleichen Wirkketten der verschiedenen Kraftfahrzeuge betrachtet werden.[8] 2014 fuhr ein mit dem deutschen Strommix (29 % Erneuerbare Energien) geladenes Elektroauto mit ca. 20 Prozent weniger CO2-Ausstoß als Fahrzeuge mit fossilen Kraftstoffen.[9] 2019 (45 % Anteil Erneuerbare Energien) sinkt dieser Anteil weiter. Wird ein Elektroauto vollständig mit erneuerbaren Energien angetrieben, sinken die Well-to-Wheel CO2-Emissionen fast auf Null.

Well-to-Wheel bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb

Beim Hybridantrieb kommt es zu einer Verbindung verschiedener Antriebsarten. Dies erschwert eine allgemeingültige Aussage, da je nach Konzept und vor allem auch dem individuellen Fahrprofil die Anteile der Antriebsarten variieren und somit der Wirkungsgrad und der Schadstoffausstoß Well-to-Wheel stark schwanken können. Einen Anhaltspunkt bilden die Angaben zum Normverbrauch, welche sich allerdings auf ein Fahrprofil beziehen, welches in der Praxis auch stark abweichen kann.

Die aktuellen Verbrauchsangaben für Elektrohybrid-Fahrzeuge – ECE-Norm R 101 stehen offen in der Kritik, da sie weder die benötigte (vorher eingeladene) elektrische Energiemenge berücksichtigt, noch die elektrische Reichweite der Fahrzeuge aufzeigen. Zugunsten der Automobilindustrie werde Greenwashing betrieben und der Kunde vorsätzlich über die wahren Energieverbräuche/Kraftstoffkosten getäuscht.[10] Dies hat sich bis 2019 nicht geändert[11], in der Praxis verbrauchen Hybridautos vier Mal so viel Kraftstoff wie in den Prüfzyklen ermittelt wird und mehr – und emittieren damit auch bis zu vier Mal so viel CO2 und andere Stoffe wie angegeben.

Brennstoffzellenfahrzeuge

Beim Brennstoffzellenfahrzeug wie dem Honda FCX handelt es sich um ein Fahrzeug mit Elektroantrieb, bei dem zur Erhöhung der Reichweite eine Brennstoffzelle als Reichweitenverlängerer (Range Extender) eingebaut ist. Obwohl die Fahrzeuge lokal (Tank-to-Wheel) emissionsfrei fahren und einen hohen Wirkungsgrad besitzen, werden bei der Wasserstofferzeugung und -bereitstellung (Well-to-Tank) große Mengen Energie benötigt (Verflüssigung für Transport und Lagerung, Kompression bis 700 bar in den Drucktank) und fossile Primärenergien eingesetzt. Daher ist das Brennstoffzellenfahrzeug derzeit (2015) bei Betrachtung der Well-to-Wheel-Kette ebenso wie das Elektroauto (außer man lädt es mit regenerativen Energien) nicht schadstofffrei und besitzt im Vergleich zu diesem einen deutlich schlechteren energetischen Wirkungsgrad.

Für die Verfahrenskette Regenerativer Stromelektrolyse – Niederdruck-Wasserstoffspeicherung (200 bar) – (zentrale) Rückverstromung mit Brennstoffzelle wird ohne Nutzung der Wärmeenergie von einem Wirkungsgrad von 30 % ausgegangen.[12] Für diese Wirkkette ist derzeit (2012) die Wirtschaftlichkeit noch nicht gegeben. Außerdem bleiben die Verluste für die Verflüssigung und Lagerung (Ausgasen) an der Tankstelle (sofern nicht per Pipeline versorgt) sowie der Aufwand für die Höchstkompression (700 bar) für mobile Anwendung in Drucktanks ebenso wie die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie in Traktionsbatterien unberücksichtigt.

Während also die Hersteller ihre Fahrzeuge (Tank-to-Wheel) als das „mit Abstand umweltfreundlichstes Auto der Welt“[13] rühmen, wurde es bei einer Well-to-Wheel-Betrachtung auch schon als „eines der klimafeindlichsten Autos überhaupt“[14] bezeichnet. Ihr Well-to-Wheel-Wirkungsgrad liegt systembedingt immer niedriger als der reiner Elektroautos.[15]

Hybride mit Verbrennungsmotor

Hier wird versucht, die hohe Effizienz des Elektroantriebes zu nutzen, die Nachteile der begrenzten Reichweite aber durch eine Kombination mit Verbrennungsmotor zu kompensieren. Derzeit existiert eine parallele Entwicklung verschiedener Konzepte:

  • Serieller Hybrid: Ein oder mehrere Elektromotor(en) treiben das Fahrzeug an, keine mechanische Verbindung Verbrennungsmotor zum Fahrzeugantrieb, dieser lädt über einen Generator den Akkumulator nach
  • Leistungsverzweigender Hybrid: Obiges Konzept, Möglichkeit eines direkten Einkoppelns der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors, meist in dessen günstigstem Arbeitsbereich (zum Beispiel Chevrolet Volt, Toyota Prius)
  • Paralleler Hybrid: beide Antriebssysteme können das Fahrzeug bewegen, oder in schwächerer Ausführung ohne ausschließlichen elektrischen Fahrbetrieb als:
  • Milder Hybrid: Der Verbrennungsmotor treibt das Fahrzeug an, der Elektromotor wirkt lediglich unterstützend und realisiert oft auch eine Rekuperationsbremse oder Anfahrhilfe zur Wirkungsgraderhöhung.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ European Commission, Mai 2006, März 2007: Well-to-Wheels Analysys of future automotive fuels and powertrains in the european context (Memento vom 4. März 2011 im Internet Archive) (PDF-Datei; 1 MB), eingefügt am 26. Januar 2012.
  2. ↑ European Commission, Juli 2011: Well-to-Wheels Analysys of future automotive fuels and powertrains in the european context. (PDF-Datei; 728 kB), eingefügt am 18. April 2012.
  3. ↑ Zeit online, Juli 2010: Kein Elektroauto ist völlig sauber. Eingefügt am 26. Januar 2012.
  4. ↑ A.M. Foley, B. Smyth, B. Gallachoir, 2011: A Well-to-Wheel Analysis of electric Vehicles and greenhouse Gas savings. (Memento des Originals vom 8. Januar 2014 im Internet Archive)  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/www.itrn.ie (PDF-Datei; 73 kB), eingefügt am 18. April 2012.
  5. ↑ Hydrogen Center Austria, Oktober 2009: Wirkungsgrade und CO2-Emissionen verschiedener Energieketten. (PDF-Datei; 173 kB), eingefügt am 26. Januar 2012.
  6. ↑ Softwaretool für Well-to-Wheel-Vergleiche: Optiresource. Informationen und Online-Simulationsprogramm, eingefügt am 26. Januar 2012.
  7. ↑ Paul Scherer Institut PSI, 7. April 2010: Ökobilanz der Elektromobilität. (PDF-Datei; 353 kB), eingefügt am 27. Februar 2012.
  8. ↑ a b AMS, Januar 2009: Energiebrisanz.@1@2Vorlage:Toter Link/www.etha-plus.ch (Seite nicht mehr abrufbar, festgestellt im März 2018. Suche in Webarchiven.) PDF-Datei, eingefügt am 26. Januar 2012.
  9. ↑ JRC, UBA, September 2013: Treibgasemissionen verschiedener Kraftstoffe und Antriebsarten. Aufgerufen am 22. September 2014.
  10. ↑ Zeit online, 4. November 2010: Verbrauchswerte von Hybridautos führen in die Irre. Aufgerufen am 6. Mai 2013.
  11. ↑ WDR, 7.11.19: Hybridautos, die große Klimalüge Aufgerufen am 3. Dezember 2019.
  12. ↑ H2-Works: Wasserstoffspeicherung. Aufgerufen am 14. August 2012.
  13. ↑ Zeit online, 17. Mai 1996: Das gezähmte Knallgas. Aufgerufen am 25. Juni 2013.
  14. ↑ heise.de, 7. Juli 2014: Eines der klimafeindlichsten Autos überhaupt. Aufgerufen am 29. September 2014.
  15. ↑ Umweltbundesamt Österreich, Wien 2014: Ökobilanzierung alternativer Antriebe. PDF, aufgerufen am 29. September 2014.

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Autor/Urheber: htc1977, Gregor Hagedorn, Lizenz: CC BY 4.0
Graph showing the relative energy requirements and losses to travel 100 km with a car. Values in kWh for Coal-Electricity-Battery, Renewable Energy-Electricity-Battery, Renewable Energy-Hydrogen, and Diesel/Gasoline. Data source: Quelle: WELL-TO-WHEELS Report Version 4.1 European Commission, 2014