Wie werden Fahrzeuge in
Zukunft angetrieben?

Das «alte Normal» bei den Antrieben von Personenwagen sind Benzin- und Dieselmotoren. Weltweit existieren rund 1,4 Milliarden Fahrzeuge, die so angetrieben sind. Nur rund 5 Prozent der Autos haben einen anderen Antrieb: Knapp 30 Millionen Fahrzeuge fahren mit Erdgas/Biogas (Compressed Natural Gas, CNG), ebenfalls knapp 30 Millionen mit Flüssiggas (Liquified Pe­troleum Gas, LPG) und knapp 20 Millionen Fahrzeuge sind elektrisch angetrieben. Ausserhalb der Personenwagen, also bei Liefer- und Lastwagen, Bussen sowie bei Bau- und Landwirtschaftsmaschinen, sind fast ausschliesslich Diesel­antriebe im Einsatz.

Mit Verbrennungsmotoren hat die Strassenmobilität aber nicht begonnen. Im 19. Jahrhundert haben zuerst Elektroantriebe die umständlichen Dampfmaschinen in Fahrzeugen abgelöst. Ab Anfang des 20. Jahrhunderts eroberte dann der Verbrennungsmotor den Fahrzeugmarkt und dominierte diese Anwendung seither praktisch vollständig. Mit ein Grund ist seine universelle Anwendbarkeit: Das Hubkolbenprinzip konnte für den Antrieb von Mofas über alle Arten von Motorrädern, Fahrzeugen für den Personen- und Gütertransport, Spezialfahrzeugen, Bau- und Landwirtschaftsmaschinen, Lokomotiven, kleineren Flugzeugen bis hin zu riesigen Schiffen eingesetzt werden. Dies sowohl in sehr kalten Regionen mit Temperaturen bis –50° C wie auch in Regionen mit hohen Temperaturen von über 50° C. Ebenfalls massgeblich an der dominanten Marktentwicklung beteiligt war die vergleichsweise einfache Energieversorgung.

So weit, so bekannt. Aber wie wird sich das «neue Normal» bei den Fahrzeugantrieben darstellen? Zeichnet sich ein vollständiger Wechsel auf batterieelektrische Antriebe ab? Werden wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenelektro­antriebe signifikante Marktanteile erobern? Und kann sich der mit synthetischen Treibstoffen betriebene Verbrenner in gewissen Anwendungen behaupten? Zumindest das Ziel der Transformation bei den Automobilantrieben ist klar: möglichst niedrige Treibhausgasemissionen. Doch genau das ist – wie so oft – einfacher gesagt als getan, wenn man etwas in die Tiefe geht.

Fünf verschiedene Antriebstechnologien

Heute stehen für Strassenfahrzeuge im wesentlichen fünf Antriebskonzepte zur Wahl (siehe Grafik 1), nämlich reine Verbrenner, Hybrid- und Plug-in-Hybridkonzepte sowie Brennstoffzellen- und batterieelektrische Antriebe. Verbrenner, Hybride und Brennstoffzellenantriebe verwenden chemische Energieträger beziehungsweise Treibstoffe. Der batterieelektrische Antrieb sowie Plug-in-Hy­bride im Elektro­modus setzen elektrische Energie ein.

Verbrennungsmotoren wandeln chemische Energie über die Verbrennung in mechanische Leistung um. Ähnlich wie beim Fahrrad, wo das obere Pedal mit Muskelkraft nach unten gedrückt und die Kraft über ein Zahnrad­kettengetriebe an das Antriebsrad weitergeleitet wird, führt die Wärmezufuhr im Brennraum oberhalb der Kolben zu einer Ausdehnung der angesaugten Verbrennungsluft, was den obenstehenden Kolben nach unten drückt. Das ist zwar sehr ineffizient – zwischen 50 und 70 Prozent der als Treibstoff zugeführten Energie gehen als Abwärme verloren –, aber sehr effektiv, da Verbrennungsmotoren gut gekühlt werden können und sie sich deshalb insbesondere für hohe Dauerleistungen, wie sie in Lastwagen oder im Anhängerbetrieb gebraucht werden, gut eignen.

Hybridantriebe weisen sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektroantrieb auf, allerdings mit ­wesentlich kleinerer Batterie als reine Elektrofahrzeuge. Es gibt unterschiedliche Arten von Hybridantrieben: Mikro- oder Mildhybride, die den Verbrennungsmotor mit elektrischem Anfahrdrehmoment unterstützen, aber keine Möglichkeit zum elektrischen Fahren aufweisen, Vollhy­bride mit einigen Kilometern elektrischer Reichweite und Plug-in-Hybride mit der Möglichkeit zum externen Laden der Batterie und 40 bis 70 Kilometern elektrischer Reichweite. Hybridantriebe sind aus technischer Sicht nicht uninteressant, denn sie kombinieren die unterschiedlichen Stärken von…