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26.03.2018

Von Benzin bis Wasserstoff: Autoantriebe im Vergleich

Mercedes V8 Benzinmotor © Bild: Daimler

Welche Vor- und Nachteile Benzin-, Diesel-, Erdgas-, Elektro-, Wasserstoff-, Hybrid- und Plug-in-Hybrid-Motoren mit sich bringen.

Der Dieselskandal, der Aufschwung der Elektromobilität und das immer größere Angebot verschiedenster Motorisierungen für Automodelle werfen bei vielen Kunden Fragen auf. Welcher Antrieb arbeitet am effizientesten? Welche Fahreigenschaften sind damit verbunden? Womit belastet man die Umwelt am wenigsten? Wir sind diesen Fragen nachgegangen und haben Benzin, Diesel, Erdgas, Elektro, Wasserstoff, Hybrid und Plug-in einem Vergleich unterzogen.

Benzin

Beim Benzin- oder Ottomotor wird eine Mischung aus Luft und Benzin im Zylinderraum eines Motors durch eine Zündkerze zur Explosion gebracht. Beim Verdichten des Luft-Benzin-Gemisches entsteht ein Druck von acht bis 18 bar und eine Temperatur von 400 bis 600 Grad Celsius. Diese im Vergleich zu Dieselmotoren geringen Werte erlauben eine kostengünstige Bauweise des Motors. Benzin hat eine vergleichweise geringe Energiedichte. Der Wirkungsgrad von Benzinmotoren liegt daher bei etwa 25 Prozent. Das bedeutet, 25 Prozent der durch die Benzinverbrennung erzeugten Energie werden in Bewegungsenergie umgewandelt, der Rest in Wärme.

Benzinmotoren arbeiten heute sowohl mit Saugrohreinspritzung (wie oben beschrieben), als auch mit Direkteinspritzung (wie bei einem Diesel) und in Kombination mit Turboladern (Nutzung von Abgasenergie zur Verdichtung der angesaugten Luft). Letztere beiden Technologien sorgen für eine Leistungssteigerung, allerdings auch für eine Veränderung der Abgase (siehe Nachteile).

Vorteile:
- Geringe Anschaffungskosten
- hoher Drehzahlbereich: Gut für sportliches Fahren. Motorräder fahren deshalb fast ausschließlich mit Benzin
- Geringere Stickoxid-Emissionen als Diesel (Stickoxide sind schlecht für die menschliche Gesundheit)
- Möglichkeit zur Umrüstung auf Erdgasmotor

Nachteile:
- Hoher Kraftstoffverbrauch
- Daraus resultierend: Höhere Kohlendioxid-Emissionen (Kohlendioxid fördert die Erderwärmung/den Klimawandel)
- Drehmoment steigt mit Drehzahl des Motors. Im unteren Drehzahlbereich gibt es daher wenig Kraftentfaltung
- Durch Direkteinspritzung steigen die Feinstaubemissionen (Feinstaub ist schlecht für die menschlichen Atemwege). Partikelfilter helfen dagegen.

BMW TwinPower Turbo Dieselmotor © Bild: BMW

Diesel

Bei Dieselmotoren wird Luft in den Zylinderraum gesaugt, dort per Direkteinspritzung mit Diesel vermischt und zur Explosion gebracht. Das Diesel-Luft-Gemisch ist selbstentzündend, Zündkerzen werden daher nicht benötigt. Der Verdichtungsdruck ist mit 30 bis 50 bar und einer Temperatur von 700 bis 900 Grad Celsius höher als beim Benzinmotor. Der Motor muss dadurch stabiler gebaut werden und besitzt ein höheres Gewicht. Diesel hat jedoch eine höhere Energiedichte. Der Wirkungsgrad von Dieselmotoren beträgt rund 33 Prozent. Dadurch sinkt der Kraftstoffverbrauch.

Vorteile:
- Geringerer Kraftstoffverbrauch
- Dadurch geringere Kohlendioxid-Emissionen
- Hohes Drehmoment bereits im unteren Drehzahlbereich

Nachteile:
- Höhere Anschaffungskosten
- Höhere Stickoxid-Emissionen. Die können durch Abgasnachbehandlungs-Systeme (Harnstoff, AdBlue) reduziert werden.
- Schummelei von Autoherstellern. Im realen Betrieb auf der Straße werden Stickoxid-Grenzwerte weit überschritten.
- Dadurch drohen weltweit in Städten temporäre oder generelle Fahrverbote für Diesel-Pkw. In Österreich gibt es dazu allerdings noch keine Pläne.

VW eco-up! mit Wasserstofftanks © Bild: Volkswagen

Erdgas

Bei Erdgasmotoren wird ein Gemisch aus Luft und Erdgas aus einem Druckbehälter (Compressed Natural Gas - CNG) im Zylinderraum mittels Zündkerze zur Explosion gebracht. Die Verbrennung von Erdgas, das im Prinzip aus Methan besteht, ist relativ sauber, d.h. es entstehen keine Rußpartikel und sehr wenige sonstige Schadstoffe dabei. Neben CNG gibt es noch Flüssiggas (Liquefied Petroleum Gas - LPG). Dabei handelt es sich um verflüssigtes Gas, das eine höhere Energiedichte, allerdings auch höhere Schadstoffwerte aufweist.

Vorteile:
- umweltfreundlicher als Benzin- und Dieselmotoren
- bis zu zehn Prozent effizienter als Benzinmotoren
- relativ geringe Kraftstoffkosten dank steuerlicher Begünstigung
- Es gibt so genannte bivalente Motoren, die sowohl Benzin als auch Erdgas verwenden können

Nachteile:
- Höhere Anschaffungskosten als Autos mit Benzin- oder Dieselmotor
- Erdgas muss in Drucktanks (bis zu 300 bar) im Auto gelagert werden. Das wirkt unheimlich, ist aber relativ gefahrlos
- Das Tankstellennetz für Erdgasfahrzeuge ist weniger dicht (in Österreich gibt es aber immerhin über 160 Tankstellen, die Erdgas anbieten)

BMW Elektromotor in der Montage © Bild: BMW

Elektro

Bei Elektromotoren (für Battery Electric Vehicle - BEV) wird eine magnetische Achse (der Rotor) durch rundherum (im Stator) erzeugte, wechselweise aktivierte Magnetfelder in Bewegung gesetzt. Elektrische Energie wird dabei in mechanische Energie umgewandelt. Dieses Prinzip wurde bereits einige Jahrzehnte vor Verbrennungsmotoren, in den 1830er-Jahren, entdeckt. Es gibt verschiedene Arten von Elektromotoren, die mit Gleich- oder Wechselstrom arbeiten. In Elektroautos werden meist Drehstrommotoren eingesetzt, doch auch dabei gibt es eine Reihe von Unterscheidungen.

Als Kraftstoff kommt elektrischer Strom zum Einsatz, der von einer Bordbatterie bereitgestellt wird. Aktuell werden aufgrund ihrer guten Leistungsdaten und Lebensdauer meist Lithium-Ionen-Akkus dafür eingesetzt, an Alternativen wird allerdings intensiv geforscht. Hoch im Kurs liegen so genannte Feststoffakkus, bei denen fester Elektrolyt zum Einsatz kommt. Das soll die Robustheit verbessern und die Brandgefahr reduzieren.

Vorteile:
- Hoher Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent
- Wenige bewegliche Komponenten bedeuten weniger Reparatur- und Wartungsaufwand
- Maximales Drehmoment bereits von geringer Drehzahl an verfügbar, dadurch hohe Beschleunigung möglich
- Keine Schadstoffemissionen im Betrieb
- Kein Kraftstoffverbrauch bei Stillstand, etwa in Staus
- Förderungen und steuerliche Vorteile

Nachteile:
- Niedrige Energiedichte und hohes Gewicht der Akkus
- Dadurch geringere Reichweiten. Rasche Fortschritte in der Batterietechnologie werden hier laufende Verbesserungen bringen
- Ladezeiten trotz immer besserer Schnelllademöglichkeiten deutlich länger als Tankvorgänge bei Verbrennungsmotoren
- Elektromotoren sind günstig, Batterien jedoch nicht. Die Anschaffungskosten sind dadurch insgesamt hoch
- Verwendung von seltenen Erden bei der Produktion von Elektromotoren. Autohersteller - z.B. Toyota - arbeiten auch hier intensiv an Alternativen

Wasser rinnt aus dem Auspuff eines Toyota Mirai FCEV © Bild: Toyota

Wasserstoff

Beim Wasserstoff-Antrieb (Fuel Cell Electric Vehicle - FCEV) wird eine Brennstoffzelle eingesetzt, um aus gasförmig gespeichertem Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom zu produzieren. Als Nebenprodukt entsteht Wasser. Mit dem Strom wird ein Elektromotor angetrieben. Der Wasserstoff selbst wird meist aus der Umwandlung von Erdgas gewonnen, in geringerem Maße auch per Elektrolyse von Wasser mittels Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind-, Solar- oder Wasserkraft. Im Auto gespeichert wird der Wasserstoff in Drucktanks mit 700 bis 800 bar.

Vorteile:
- Keine Schadstoffemissionen im Betrieb. Lediglich Wasser kommt aus dem Auspuffrohr
- Selbe Leistungsdaten wie bei reinen Elektroautos
- statt langer Ladezeiten schnelles Betanken
- höhere Reichweite bei geringerem Gewicht im Vergleich zu Elektroautos mit Batterie

Nachteile:
- Geringerer Wirkungsgrad als Elektroautos mit Batterie
- 90 Prozent des Wasserstoffes stammen aus fossilen Energieträgern
- besonders kleines Tankstellennetz (derzeit nur vier in ganz Österreich)
- wenig verfügbare Fahrzeugmodelle

VW Passat GTE Plug-In Hybrid mit geöffneter Motorhaube © Bild: Volkswagen

Hybrid und Plug-In Hybrid

Bei Autos mit Hybridantrieben (Hybrid Electric Vehicle - HEV) werden sowohl Verbrennungsmotoren als auch Elektromotoren eingesetzt, um Vorteile beider Systeme nutzen zu können. Bei Hybrid-Pkw kommen meist Benzinmotoren, aber auch Dieselmotoren zum Einsatz. Bei Parallelen Hybriden üben Verbrennungs- und Elektromotor wechselweise Kraft auf den Antriebsstrang aus. Bei Seriellen Hybriden treibt alleine der Elektromotor die Räder an. Der Verbrennungsmotor dient als Generator bzw. Range Extender.

Der Akku für den Elektromotor wird bei normalen Hybriden üblicherweise während der Fahrt durch den Verbrennungsmotor oder die Rückgewinnung von Bremsenergie aufgeladen. Der Akku hat nur eine geringe Kapazität, das rein elektrische Fahren ist daher nur über Distanzen von wenigen Kilometer möglich. Meist wird bei Gleitfahrt oder bei geringen Geschwindigkeiten (etwa Stop-and-Go-Verkehr im Stau) automatisch auf den Elektroantrieb umgeschaltet.

Beim Plug-In-Hybrid (PHEV) wird der etwas größere Akku zusätzlich wie bei einem Auto mit reinem Elektroantrieb mittels Ladestecker aufgeladen. Distanzen von rund 50 Kilometer kann man so rein elektrisch zurücklegen.

Vorteile:
- Geringerer Kraftstoffverbrauch als Autos mit Verbrennungsmotor, vor allem im städtischen Verkehr. Auf Langstrecken kommt es mit Hybrid-Antrieb kaum zu Kraftstoffersparnissen
- für Plug-In-Hybride gibt es in Österreich zumindest bis Ende 2018 eine staatliche Förderung

Nachteile:
- Höhere Anschaffungskosten als Autos mit Verbrennungsmotoren. Plug-in-Hybride sind aufgrund der höheren Akkukapazität noch mal teurer als Hybride
- für Plug-In-Hybride braucht man sowohl Tankstelle als auch Ladestation - wenn man das Fahrzeug "artgerecht" betreiben will. Angeblich werden Plug-In-Hybride aufgrund nominell besserer Emissionswerte oftmals als Firmenfahrzeuge angeschafft, in der Praxis jedoch nie aufgeladen