Mobilität



Ergänzungen
Anfang 2022:  Daten update

Viele halten die Mobilität, d.h. die uneingeschränkte, motorisierte Bewegung, für ihr persönliches Grundrecht, obwohl sie als solches nicht in der deutschen, und wohl auch in keiner anderen, Verfassung erwähnt wird. Die Väter der Verfassung haben sehr weise gehandelt, denn es gibt kein besseres Beispiel dafür, wie menschliches Wunschdenken durch natürliche Gesetze eingeschränkt ist1). Bedeutet die Erfüllung eines Grundrechts die Verletzung natürlicher Gesetze, so wird eher das Grundrecht unwirksam, als dass sich die Natur verändert. Und daher ist durchaus zu erwarten, dass sich die Bedeutung der Mobilität in unserem Lebensumfeld stark verändern, d.h. verringern wird.
In Energie2 wurde ausgeführt, dass der Sektor Mobilität in seiner Struktur äußerst heterogen ist, aber gleichzeitig wohl auch über ein sehr hohes Sparpotenzial mit Hinsicht auf die fossilen Energieträger verfügt. Mit der Verknappung von Erdöl und Erdgas ist zu erwarten, dass dieses Potenzial auch ausgeschöpft wird und diese Energieträger nur teilweise durch elektrische Energie ersetzt werden können. Bei dem öffentlichen Teilbereich des Landverkehrs bietet dies keine prinzipiellen Probleme, es erfordert lediglich die Bereitstellung der erforderlichen Investitionsmittel für Strukturverbesserungen. In Europa ist das Schienenverkehrsnetz, innen- und außerstädtisch, bereits sehr gut ausgebaut. In den USA bestehen ausgearbeitete Pläne, dies möglichst schnell nachzuholen. Auch an den Möglichkeiten, den öffentlichen Nahverkehr effizienter zu machen und gleichzeitig den individuellen Wünschen anzupassen, wird gearbeitet. Alle diese Initiativen haben das Ziel, den Energiebedarf im Sektor Verkehr (z.Z. ca. 30% des Primärenergiebedarfs) zu verringern, was nur durch eine Verringerung der Anzahl der Landfahrzeuge erreicht wird.
Anders sieht es beim öffentlichen Luftverkehr aus, wo sich zunächst die Möglichkeiten anbot, die Biomasse als Basis für den Kraftstoff einzusetzen. Da die Nutzung der Biomasse als Energieträger prinzipiell äußerst problematisch ist, wird jetzt die Option "synthetische Kraftstoffe" diskutiert. Dabei handelt es sich um Kohlenwasserstoffe, die aus Abfällen (z.B. Plastik) mithilfe chemischer Prozesse und erneuerbarer Energien erzeugt werden sollen. Theoretisch möglich, aber es fehlt die Analyse der Prozesskosten. Daher  muss man davon ausgehen, dass der Luftverkehr in Zukunft sehr teuer und daher in seiner jetzigen Bedeutung schrumpfen wird. Falls nicht verursacht durch menschliche Einsicht, dann durch die wesentlich höheren Kosten.

Sparmaßnahmen, bzw. Reduktionen im Individualverkehr stoßen fast immer auf Ablehnung in der Öffentlichkeit. Von Politikern wird daher oft auch die Möglichkeit hervorgehoben, den herkömmlichen Brennstoffmotor durch alternative Antriebstechniken zu ersetzen. Wie in Kap.3.8 geschildert, bietet sich dafür besonders der elektrische Antrieb an, d.h., die heute noch fahrenden PKWs sollen durch Elektrofahrzeuge (EV = electric vehicle) ersetzt werden. Ganz klar, dies ist keine Sparmaßnahme, sondern nur ein Austausch der Antriebstechnik. Darüber hinaus hatten diese Austauschprogramme bisher wenig Erfolg: 2020 betrug der EV-Anteil (ohne Kraftstoffmotor) an den zugelassen PKWs
  • global ca. 0.84% von 1.3 Mrd. PKWs,
  • in Deutschland ca. 1.2% von 47.7 Mio. PKWs,
  • in den USA ca. 0.90% von 196 Mio. PKWs (passenger cars).
In den USA wird der Austausch mit tax credits gefördert, in Deutschland durch eine Prämie (siehe unten). Global gesehen machten 2018 diese Subventionen ca. 18% der gesamten Käuferinvestitionen aus - aber ohne weitere Subventionen würde der zukünftige Markt für EVs wahrscheinlich schrumpfen. Daher zunächst einige Informationen zu diesem Markt:
Zu den Fahrzeugen vom Typ EV gehören einmal solche ohne Kraftstoffmotor (manchmal auch BEV = battery electric vehicle genannt) und solche mit Kraftstoffmotor (PHEV = plug-in hybrid vehicle). Beiden ist gemeinsam, dass der Akkumulator vom öffentlichen Stromnetz aufgeladen werden kann. Der Kraftstoffmotor ist nur als Hilfsmittel gedacht zur Verlängerung der Reichweite.
Nicht zum Typ EV gehören Fahrzeuge mit gemeinsamen Kraftstoff- und Elektroantrieb (HEV = hybrid electric vehicle), deren Akkumulator aber nicht aus dem öffentlichen Stromnetz aufgeladen werden kann. Der Kraftstoffmotor bildet den Hauptantrieb, der Akkumulator ist Speicher für die zurückgewandelte kinetische Energie.
Letztere bieten keine Zukunftsperspektive, denn sie sind immer noch abhängig von fossilen Brennstoffen, sie verbessern nur etwas den Wirkungsgrad des PKWs. Das hatte zur Folge, dass im Jahr 2007 die USamerikanische Regierung neue Förderrichtlinien verabschiedet hat, so dass die Entwicklung der Fahrzeuge vom Typ HEV nicht weiter gefördert wird.

Die 3 Länder mit dem höchsten Anteil an EVs in ihren PKW-Flotten waren in 2021:
  1. Norwegen mit 74.7%,
  2. Island mit 55.0%,
  3. Schweden mit 32.2%.
Dagegen hat, absolut gesehen, China die meisten Elektrofahrzeuge, nämlich 5.5 Mio. EVs am Ende des Jahrs2021.
Die rasche Einführung von EVs scheiterte weltweit bisher an der geringen Energiedichte von verfügbaren Akkumulatoren, welche die Reichweite von Elektrofahrzeugen begrenzt. Der VW ID.3 z.B. besitzt einen Li-Akku mit einer Kapazität von max. 82 kWh und erreicht damit eine Reichweite von 390-550 km, je nach Fahrweise. Der Akkumulator allein verursacht geschätzte Kosten in Höhe von 8000-9000 €. Eine bessere Akzeptanz versprechen nur Entwicklungen zur Steigerung der Energiedichte und, damit verbunden,  der Kostenreduktion der Akkumulatoren. Eine Möglichkeit wäre z.B., das eher selten vorkommende Li durch Al oder Zn zu ersetzen, eine Technik, die unter Laborbedingungen bereits gelungen ist. Aber z.Z. sieht es nach einem schnellen Fortschritt auf diesem Gebiet nicht aus. Daher werden von vielen Autofirmen schon jetzt EV-Fahrzeuge mit Li-Akkus angeboten. Eine alphabetische Liste dieser Firmen findet sich hier. Auf die technische Realisierung des EV wird in einem Sonderkapitel eingegangen.
Ganz allgemein gilt, dass der Preis für ein EV um so höher ist, je größer seine elektrische Reichweite ist, also je größer der Akkumulator ist. Das folgt auch aus den Verkaufszahlen in den USA: Von den BEVs ist seit seiner Einführung 2017 der Tesla "Model3" mit einem noch tolerablen Preis von ca. 46 Tsd. USD am meisten verkauft worden, von den PHEVs steht der Chevrolet Volt (in Deutschland unter dem Namen "Opel Ampera" bekannt) an 1. Stelle.

Voraussichtlich werden die USA und China auch die ersten Staaten sein, in denen EVs in größerem Umfang im Verkehr eingesetzt werden. Das hat 4 wesentliche Gründe:

          1. Umweltprobleme.
Besonders in China leidet die Bevölkerung unter Schadstoffemissionen aufgrund des steigenden Energiebedarfs. Ein Mittel, diese zu reduzieren, ist die Abkehr von der Nutzung fossil biogener Treibstoffe, allerdings nur unter der Voraussetzung, dass die anstelle genutzte elektrische Energie aus nicht-emittierenden Quellen stammt. Ist das nicht möglich, müssen Emissionsquellen aus Wohngebieten ins Umland verbannt werden (wohl der eigentliche Grund).

           2. Ölabhängigkeit.
Die USA und China als Weltmächte werden alle Anstrengungen unternehmen, um die Abhängigkeit von Erdölimporten zu verkleinern und so der Gefahr von Erpressungsversuchen seitens ausländischer Staaten zu entgehen. Dieses Motiv war schon der Auslöser für den Lovins-Report, hat aber seit Erschließung der Erdöl-shale-Vorkommen in den USA an Bedeutung verloren. China will dies durch den Ausbau der Kernenergie erreichen.

           3. Öffentlicher Verkehr.
Abgesehen vom Luftverkehr ist das Netz der öffentlichen Verkehrsmittel in den USA und China dünn, wenn man es mit deutschem Standard vergleicht. Bei der Mobilität besitzt der private Verkehr daher im Prinzip eine viel größere Bedeutung als in Deutschland.

           4. Flächennutzung.
Aufgrund ihrer Größe ist die Flächennutzung in den USA und China viel extensiver als z.B. in Deutschland. Schon mittlere Städte erstrecken sich über weit ausgedehnte Wohn- und Wirtschaftsgebiete und erfordern ein hohes Maß an Mobilität von ihren Bewohnern.

Bei anderen Faktoren, wie z.B. dem Energiebedarf oder Klimaschutz, sind die Vorteile der privaten Nutzung von Elektrofahrzeuge eher gering, wenn nicht sogar Nachteile entstehen.

USA
Energiebedarf.
Gemäß Energie2 handelt es sich bei dem Einsatz von EVs um eine Prozesskette von der Sekundär- zur Nutzenergie mit den Stufen
Kraftwerk -> Transport -> Speicherung -> Antrieb.
Selbst wenn man moderne Wandlungstechniken zugrunde legt, ergibt sich für diese Kette ein Nutzungsgrad von
= 0.45 · 0.9 · 0.8 · 0.95 0.3
Dieser Wert lässt sich auch mit dem Einsatz moderner Dieselmotoren erreichen, wenn man die gesamte Prozesskette ab der Erdölraffinerie berücksichtigt (siehe VW XL1). Und es wäre  auch aufwändig! Zum Beispiel betrug in den USA der Beitrag des Kraftfahrzeugverkehrs am Primärenergiebedarf im Jahr 2019 noch ca. 25%, dagegen lag der Anteil der elektrischen Energie nur bei ca. 14%. Um die Infrastruktur für die EVs aufzubauen, müsste dieser Anteil mindestens verdoppelt werden2), oder anders gesagt: Die gesamte Elektrizitätsmenge im Jahr 2019 wird für die EV Flotte benötigt. Das wird so ähnlich auch in einer Studie des NRC gesehen, die zu dem Schluss kommt, dass die Einführung von EVs in den USamerikanischen Personenverkehr bis zum Jahr 2030 nur einen Umfang von 13 Millionen, das sind weniger als 5% aller Fahrzeuge, erreichen wird. Die Pläne der BRD sind weitaus ambitionierter!
Entwicklung des elektrischen Energiebedarfs in den USA zwischen 2005 und 2020 und welche Energieträger zu seiner Deckung eingesetzt wurden.

Aus der Abb. oben (Daten von der EIA) ergibt sich der geringe Beitrag, welchen erneuerbare Energien (abgesehen von der Wasserkraft) an der Bereitstellung elektrischer Energie in den USA haben (siehe auch Kap. 3.1). Der Bedarf ist im betrachteten Zeitraum i.W. konstant geblieben, aber Kohle wurde vermehrt durch Erdgas ersetzt.
In den letzten 10 Jahren hat sich der USamerikanische Bedarf nach elektrischer Energie praktisch nicht verändert (siehe Abb. oben rechts), aber die Integration der EV Flotte  würde diesen Bedarf drastisch erhöhen - mit ebenso drastischen Auswirkungen auf insbesondere den

Klimaschutz
Natürlich hängen die Schadstoffemissionen  vom Kraftwerkstyp ab. Betrachtet man, welche Energieträger für die Versorgung mit elektrischer Energie in den USA seit 2005 (siehe Abb. oben rechts) eingesetzt wurden, dann ergibt sich deutlich der vernachlässigbare Beitrag von erneuerbaren Energien (mit der USA-spezifischen Ausnahme der Wasserkraft) und dem langsamen Ersatz der Kohle durch das Erdgas. Die CO2 Emissionen zum Betrieb der EV Flotte werden dadurch nicht wesentlich verringert, wenn man diese vergleicht mit denen eines modernen Dieselfahrzeugs (siehe VW XL1). Es ist auch nicht damit zu rechnen, dass erneuerbare Energien die Rolle von Kohle und Erdgas in absehbarer Zukunft übernehmen könnten, ganz abgesehen davon, dass dadurch der entsprechende Primärenergiebedarf aufgrund der fluktuierenden Einspeisung  der erneuerbaren Energien um einen Faktor >3 erhöht werden würde, da Energiespeicher fehlen. Um die Akzeptanz von EVs zu erhöhen, wird immer wieder betont, dass ihr Anschluss an das öffentliche Elektrizitätsnetz auch zur Dämpfung dieser Fluktuationen genutzt werden könnte. Dazu müsste deren Besitzern natürlich finanzielle Anreize geboten werden. Aber eine kürzlich publizierte Studie stellt fest, dass unter diesen Umständen die Nutzung der EV-Flotte zur Energiespeicherung (V2G) nur eine eingeschränkte Option darstellt.

Man erhält daher den Eindruck, dass Energiebedarf und Klimaschutz bei der Einführung von Elektrofahrzeugen eine untergeordnete Rolle spielen, sondern dass befürchtete Engpässe in der  Kraftstoffversorgung und die Emissionsverlagerung die ausschlaggebenden Motive sind. Denn auch mit den für 2030 vorhergesagten ca. 5% der gesamten Fahrzeugflotte in den USA - und in den meisten anderen Ländern sieht es wahrscheinlich nicht anders aus - hätte dies einen nur geringen Einfluss auf den Bedarf nach fossilen Kraftstoffen und den damit verbundenen CO2 Emissionen.
BRD
Man kann davon ausgehen, dass die Situation in Deutschland ähnlich ist. Ende 2021 verkehrten auf Deutschlands Straßen ca. 59 Mio. in Deutschland zugelassene Kraftfahrzeuge, von denen 53% PKWs mit Ottomotor und 26% PKWs mit Dieselmotor waren. Die mittlere Fahrstrecke jedes PKW betrug ca. 14000 km/a, dafür wurden im Mittel jährlich 1060 l/a Kraftstoff benötigt. Berücksichtigt man einen Motorwirkungsgrad = 0.3, so entspricht dies einem Energiebedarf von 142 TWh/a. Im gleichen Jahr hat Deutschland 118 TWh/a elektrische Energie aus Windkraftanlagen bezogen (siehe Abbildung rechts), d.h. nicht alle PKWs hätten 2021 mit "Windstrom" versorgt werden können. Aber dieser Vergleich ist auch aus anderen Gründen abwegig, denn:
  • Wie werden die restlichen 10.8 Mio. Kfz versorgt?
  • Wie werden die 48.5 Mio. PKW während einer Windflaute versorgt?
  • Wie schnell lässt sich die benötigte Infrasruktur (EV-Ladesäulen) errichten?
Ohne eine Lösung dieser Punkte innerhalb eines absehbaren Zeitraums erscheint mir ein Projekt "Elektromobilität" unrealistisch. Und das nicht nur aus finanziellen Gründen3), sondern weil sich die deutsche Bevölkerung zunehmend gegen den weiteren Ausbau der WKAs wehrt (siehe z.B. hier oder hier). Trotzdem hat die Bundesregierung am 1.1.2022 die Förderrichtlinie für Elektrofahrzeuge angepasst mit dem Ziel, dass bis 2030  mindestens 15  Millionen Elektroautos auf Deutschlands Straßen fahren sollen.
Entwicklung des elektrischen Energiebedarfs in der BRD zwischen 2005 und 2021 und welche Energieträger zu seiner Deckung eingesetzt wurden.

Der Vergleich mit der Abbildung oben zeigt:
  • In den USA war der Elektrizitätsbedarf ca. 6mal größer als in der BRD, obwohl die Einwohnerzahlen sich nur um den Faktor 4 unterscheiden.
  • Elektrische Energie aus Kohle hat in den USA stärker abgenommen als in der BRD.
  • Dagegen hat in der BRD der Anteil erneuerbarer Energien stärker zugenommen auf Kosten der Beiträge von Kernenergie und (weniger) Kohle. Aber dadurch wurde nicht ein merkliches Absinken der CO2 Emissionen erreicht.
Und das, obwohl sich die Hersteller für die benötigten Li-Ion-Akkumulatoren fast ausschließlich im Ausland befinden. Laut des Statistik-Portals wurde der Markt für derartige Akkumulatoren Ende 2020 von nur 3 Firmen beherrscht: Catl(28%), LG Chem(28%) und Panasonic(17%). Diese Firmen haben ihre Stammsitze alle in Ostasien (Japan, China, Südkorea), und auch die restlichen Akkumulatoren wurden überwiegend in Ostasien gefertigt. Die USamerikanische Firma A123, die vor 2012 noch eine der wichtigsten Akkumulatorproduzenten war, ist inzwischen pleite gegangen - ein klares Signal, wie umkämpft dieser Markt ist und wie schwer es deutsche Produzenten (Bosch und Daimler) haben werden, dort einzusteigen. Aus dieser Notlage hatte die deutsche Bundesregierung schon 2019 beschlossen, ein Förderprogramm zur Batteriezellenforschung im Umfang von 500 Mio. € aufzulegen, das allerdings sehr umstritten war und um das es sehr still geblieben ist. .

Aber die Zeit drängt. Denn wie schon berichtet, waren bis Ende 2021 nur ca. 569 Tsd. EVs in Deutschland zugelassen, und in 10 Jahren soll sich diese Zahl mindestens verzwanzigfachen! Bisher wurden die meisten EVs auf Firmen zugelassen, die sich selbst mit der Elektromobilität beschäftigen, und weniger auf Privatpersonen. Um dies zu ändern, wurde ab 8.5.2016 der Kauf von EVs mit einer Prämie subventioniert. In den Jahren  2020-2021 hat dies aber die Zulassung derartiger PKW nicht wesentlich gesteigert. Und die AMPEL-Koalition plant ohnehin, Ende 2022 die bislang gültigen Förderrichtlinien zu ändern.
1) Jeder, der sich von A über B zurück nach A bewegt, "verbraucht" (nach medialem Sprachverständnis) Energie, obwohl die Bewegung allein den Endzustand A gar nicht vom Anfangszustand A unterscheidet. Ein Nachdenken über dieses nur scheinbare Paradoxon eröffnet den Weg zu einem tieferen Verständnis der Stellung, welche die Energie in der Natur einnimmt.
2) Diese Rechnung setzt voraus, dass die Anzahl der Fahrzeuge bei gleicher Leistung konstant bleibt. Diese Voraussetzung zu machen,  ist nicht unvernünftig, weil bei einer Anzahlvergrößerung die Leistung gleichzeitig zurückginge.
3) Im Jahr 2022 sind die Kraftstoffpreise aufgrund des Kriegs in der Ukraine drastisch gestiegen, so dass die AMPEL-Koalition darüber nachdenkt, diese zu subventionieren, was natürlich der schnellen Einführung von EV zuwider läuft.