3. Elektrofahrzeuge, Kraftstoffe und Range-Extender

3.1 Systemaufbau eines Elektrofahrzeugs mit Range-Extender

Der Systemaufbau eines Elektrofahrzeugs mit Range-Extender wird in Abbildung 1 dargestellt. Da in dieser Arbeit die beste Kombination von Kraftstoff und Range-Extender bestimmt werden soll, konzentriert sie sich auf die ersten beiden Komponenten des Systemaufbaus. Diese sind in Grafik 1 mit einem roten Kasten gekennzeichnet.

Abb. 1: Einfacher Systemaufbau eines Elektrofahrzeugs mit Range Extender

Nachfolgend werden die einzelnen Komponenten eines Elektroautos kurz erläutert.

Kraftstofftank
Der Kraftstofftank speichert die Kraftstoffe die für den Betrieb des Range-Extenders benötigt werden. Jeder Kraftstoff stellt spezifische Anforderungen an den Tank, was dazu führt, dass sie sich unterschiedlich gut speichern lassen.
Erdgas und Biogas werden unter hohem Druck (200-300 bar) in zylinderförmigen Druckbehältern gespeichert. Diese werden aus Stahl bzw. in Leichtbauweise aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt. Die Leichtbautanks werden noch mit einer speziellen Ummantelung (z.B. Kohlefaser) verstärkt. Zudem müssen die Tanks berstsicher und feuerfest sein. Die Feuerfestigkeit wird durch ein spezielles Sicherheitsventil gewährleistet, welches das Gas kontrolliert abbrennt, ohne das es zu einer Überhitzung oder Explosion kommen kann. Um keinen wertvollen Stauraum im Kofferraum zu verlieren werden die Tanks in der Regel unterflur verbaut.^[1]
Die Wasserstoffspeicherung stellt die Hersteller zurzeit vor größere Probleme. Zum einen gilt Wasserstoff als besonders explosionsfähig. Diese Annahme wird wahrscheinlich durch das bekannte „Knallgasexperiment“ in der Schule erzeugt. Entgegen dieser Annahme lässt sich jedoch sagen, dass Wasserstoff weder explosionsfähig, selbstentzündlich, radioaktiv, fruchtschädigend, wasserschädigend noch krebserregend ist. Damit Wasserstoff überhaupt explodiert, benötigt es Sauerstoff als Oxidator, sowie eine Zündquelle. In Wasserstofftanks ist jedoch kein Sauerstoff vorhanden, der als Oxidator dienen könnte. Zudem wird durch eine massive Bauweise gewährleistet, dass bei Unfällen mit Wasserstofffahrzeugen oder Transportern bisher keine Tankbeschädigungen oder gar ein Tankversagen zu beobachten war.^[2] Weitere Probleme bei der Wasserstoffspeicherung sind die Diffusion sowie die Materialversprödung.
Wasserstoff kann zum einen, wie auch Erd- und Biogas, in einem Druckgasspeicher gespeichert werden. Bei dieser Speicherungsform tritt jedoch ein weiterer Nachteil auf, die hohe Diffusionsgeschwindigkeit. Dies kann in geschlossenen Räumen wie Garagen dazu führen, dass Wasserstoff aus dem Tank nach oben entweicht und so ein explosives Luft-Gas-Gemisch entsteht.^[3] Bei Metallbehältern ist dieses Problem in der Praxis jedoch zu vernachlässigen, da die Geschwindigkeit des Diffusionsprozesses zu gering ist. Auch das Problem der Materialversprödung, welche Auftritt wenn ionisierter Wasserstoff das Kristallgitter eines Metalls schwächt, kann vernachlässigt werden, da dieser Prozess durch die richtige Materialwahl weitestgehend minimiert bzw. ausgeschlossen werden kann.^[4]Andernfalls wären Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb auch gar nicht zugelassen. Ein gutes Beispiel hierfür ist der Van Hool A330 FC. Hierbei handelt es sich um einen Wasserstoffbus, welcher seit Mai 2014 im Regionalverkehr Köln unterwegs ist.^[5]Die Speicherung von Wasserstoff kann auch in flüssiger Form in einem Flüssigspeicher erfolgen. Hierzu muss der Wasserstoff auf minus 253° Celsius heruntergekühlt werden. Vorteil dieser Speichermethode ist, dass sich das Volumen des Wasserstoffs um 99,9% verringert was zu deutlichen Platzeinsparungen führt. Flüssiger Wasserstoff wird in Kryotanks gespeichert. Diese bestehen aus zwei Behältern, welche zur Isolierung durch ein Vakuum getrennt sind.^[6] Die Isolierung ist aber auch noch die größte Schwachstelle dieser Speicherungsform. Es kommt nämlich immer wieder zur Verdampfung von Teilen des Wasserstoffs, was zu einem Druckanstieg im Inneren des Tanks führt. Wird der Druck zu hoch, wird ein Teil des Wasserstoffs durch das Überdruckventil abgelassen. Bei einer BMW-Testflotte führte dies bspw. dazu, dass die Autos innerhalb von vier Wochen fast den gesamten Tankinhalt verloren hatten.^[7]Eine weitere Form der Wasserstoffspeicherung bietet der Metallhydridspeicher, bei welchem der Wasserstoff chemisch an das entsprechende Metall gebunden wird.⁶Am einfachsten gestaltet sich die Speicherung von Biodiesel, da hierfür herkömmliche Fahrzeugtanks verwendet werden können.
Allgemein lässt sich sagen, dass bei allen Tanksystemen ein möglichst kompaktes Packaging wünschenswert ist. Unter Packaging versteht man die Anordnung der Bauteile im Gesamtsystem. Weiterhin stehen natürlich die Produktionskosten im Vordergrund, welche von der hergestellten Stückzahl und den Rohstoffkosten abhängig sind.

Range-Extender

Als Range-Extender wird ein Zusatzaggregat bezeichnet, welches die Reichweite eines rein elektrisch betriebenen Fahrzeugs erheblich vergrößern kann. Es gibt den parallelen Range-Extender, welcher seine mechanische Energie direkt an den Antrieb abgibt und den seriellen Range Extender, dessen mechanische Energie erst mit einem Generator in elektrische Energie umgewandelt und später in einem Akkumulator gespeichert wird. Somit hat der serielle Range-Extender keine direkte Verbindung an den Antriebsstrang.
Das Anforderungsprofil eines Range-Extenders ist vielseitig. Zum einen sollte er problemlos und kostengünstig in das Fahrzeug zu integrieren sein. Zudem steht ein unauffälliges- und ruhiges Laufverhalten im Mittelpunkt, da der Range Extender nur in unregelmäßigen Abständen hinzugeschaltet wird und seine Drehzahl nicht wie bei einem handelsüblichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit dem Gaspedal reguliert wird, sondern immer konstant bleibt. Aufgrund des unregelmäßigen Einsatzes kann der Kraftstoffverbrauch etwas vernachlässigt werden.^[8] Um Entwicklungskosten zu sparen, greifen Hersteller aktuell am liebsten auf herkömmliche Verbrennungsmotoren wie den Hubkolben- oder Wankelmotor als Range-Extender zurück. Auch der Brennstoffzelle wird ein großes Potential zugesprochen. Zudem gibt es einige neue Konzepte wie den Freikolbenlineargenerator an dem das deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum aktuell forscht. All diese Motoren sowie die Mikrogasturbine werden ausgiebig in Kapitel 4 vorgestellt und analysiert.

Akkumulator

Der Akkumulator oder auch die Batterie bezeichnet einen Speicher für elektrische Energie. Energiespeicher sind energietechnische Einrichtungen, die eine zeitlich und örtlich beliebige Nutzung der gespeicherten Energie ermöglichen. Ohne Energiespeicher wäre eine mobile Nutzung der Energieträger, z.B. in Elektrofahrzeugen nicht möglich.
Energiespeicher leisten einen wichtigen Beitrag zur optimalen Energieumwandlung und Energienutzung und steigern somit die Effizienz des Gesamtsystems. Außerdem dienen sie der Bevorratung und dem Ausgleich von Lastschwankungen.^[9]Für Elektroautos sind nur Batterien relevant, die mehrfach ge- und entladen werden können. Diese werden als Sekundärbatterie oder als Akkumulator bezeichnet.
Die Anforderungen an einen Akkumulator in einem Elektrofahrzeug sind hoch und stellen die Automobilindustrie derzeit noch vor große Probleme. Es wird eine hohe Speicherkapazität bei gleichzeitig möglichst niedrigem Gewicht und geringer Größe gefordert.
Abbildung 2 zeigt, dass der Lithium-Ionen-Akkumulator zurzeit das beste Verhältnis von Energie- und Leistungsdichte bietet, weshalb dieser auch am häufigsten verwendet wird.^[10]

Abb. 2: Ragone-Diagramm elektrischer Energiespeicher^{^[11]}

Weitere Vorteile des Lithium-Ionen-Akkumulators sind seine lange Haltbarkeit und seine geringe Selbstentladung. Man sagt, dass Lithium-Ionen-Akkumulatoren erst nach 2,5 Jahren ca. 50% ihrer Ladung verloren haben und bis zu fünfstellige Lade-/Entladezyklen möglich sind. Weiterhin tritt bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren kein Memoryeffekt auf, welcher mit voranschreitenden Lade-/Entladezyklen zu Kapazitätsverlusten führen würde. Sein großer Nachteil ist seine Empfindlichkeit gegen zu hohe oder zu niedrige Temperaturen, was bei Elektroautos vor allem im Winter zum Problem wird, da die Reichweite dann stark eingeschränkt wird. Der ideale
Temperaturbereich von Lithium-Ionen-Akkumulatoren liegt zwischen 5 und 35° Celsius.^[12]Es gibt jedoch auch einige Neuentwicklungen im Akkumulatorbereich. Hier ist beispielweise die Fiamm Technologie von Iveco zu nennen. Mit der SONICK – Sodium Nickel Chloride Battery sowie dem NaNiCl2 – Natrium Nickel Chlorid Akku verspricht Iveco zwei Akkumulatoren, mit langer Lebensdauer unter realen Einsatzbedingungen, stabilen Temperaturverhältnisse im Akku, auch bei extremen Witterungsbedingungen sowie einer optimale Energieausbeute von 120 kW/kg im Betrieb.
Zudem sollen die Akkumulatoren 100% recyclebar sein, keine Gefahrstoffe enthalten und emissionsfrei sein. Man spricht in diesem Fall auch von einer ZEBRA-Batterie. ZEBRA steht für Zero Emission Battery Research Acivities. Auch bei diesen Akkumulatoren soll es keinen Memoryeffekt geben. Außerdem sollen sie wartungsfrei sein.^[13]

Leistungselektronik

Die Leistungselektronik, auch Inverter genannt, steuert den Energiefluss zwischen Energiequelle und Energieverbraucher sowie die Umwandlung der Energie. Der Inverter stellt die für den elektrischen Fahrbetrieb benötigte Energie zur Verfügung, indem die Gleichspannung des Akkumulators in Drehstrom für die elektrische Maschine umgewandelt wird. Außerdem ist er auch für die Energierückgewinnung (Rekuperation) verantwortlich.^[14] Im Bereich der Leistungselektronik werden in Zukunft große Fortschritte erwartet.

Rekuperation

Unter Rekuperation wird die Energierückgewinnung beim Bremsen des Fahrzeugs verstanden. Denn nach dem ersten Satz der Thermodynamik kann Energie nur umgewandelt, aber nicht erschaffen oder vernichtet werden. Hieraus lässt sich ableiten, dass alle Maschinen „Energiewandler“ sind. Zu den bekannten Energieformen zählen: mechanische Energie, chemische Energie, thermische Energie, magnetische Energie und elektrische Energie. Diese fünf Energieformen können beliebig und verlustfrei ineinander gewandelt werden.
Bei Fahrzeugen ohne Rekuperation wird die Bewegungsenergie durch die Bremse in Wärmeenergie umgewandelt, welche sich nicht weiter nutzen lässt.
Bei Elektrofahrzeugen kann die elektrische Maschine jedoch als Generator verwendet werden, indem die kinetische Energie des Antriebs genutzt wird um den Elektromotor zu bewegen. Dies führt dazu, dass die elektrische Maschine Energie produziert. Der Widerstand der dabei entsteht, wird zum Bremsen genutzt. Als einfaches Beispiel hierfür kann auch der Fahrraddynamo verwendet werden, denn auch dieser wandelt die kinetische Energie des Antriebs in elektrische Energie für die Leuchten um.^[15]

Elektrische Maschine
Die elektrische Maschine bezeichnet den Elektromotor der als Hauptantrieb für das Elektrofahrzeug genutzt wird. In Fahrzeugen wird das Zentralmotorsystem bevorzugt. Allerdings befinden auch Radnabenmotoren in der Entwicklungsphase, welche deutlich weniger Platz und Gewicht benötigen. Auch an die elektrische Maschine werden hohe Anforderungen gestellt. Sie sollte ein hohes Verhältnis von Leistung zu Gewicht (kW/kg) sowie einen hohen Wirkungsgrad besitzen. Der Wirkungsgrad bezeichnet das Verhältnis zwischen dem Aufwand und dem letztlich gewonnenen Nutzen. Er wird mit dem griechischen Buchstaben angegeben und beträgt im Idealfall 1. In der Realität sind die Wirkungsgrade jedoch immer kleiner als eins.^[16] Die elektrische Maschine muss zudem als Generator nutzbar sein (Rekuperation), sicher und zuverlässig im Betrieb arbeiten und möglichst geringe Produktionskosten aufweisen. Für Elektrofahrzeuge bieten sich vor allem Drehstrommaschinen an, welcher durch Dreiphasenwechselstrom betrieben wird. Diese Motoren sind sehr robust und so gut wie wartungsfrei.^[17] Aktuell wird bei Elektroautos auf eine Vielzahl an Motoren gesetzt. Beispielsweise arbeitet in der elektrisch angetriebene Mercedes A-Klasse ein Elektromotor der Firma Conti, im Hybridmodell Mercedes ML 450 Hybrid wiederum sitzt ein Elektroaggregat der US-Firma Remy International. Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird vermutet, dass sich zwei Typen von Elektromotoren durchsetzen. Für kleinere Autos bieten sich die sogenannten permanent erregten Synchronmaschinen (PSM) an, deren Rotor einen Permanentmagneten enthält, und die für ihre kompakte Größe und ihr relativ geringes Gewicht sehr leistungsstark sind. Für größere Fahrzeuge bieten sich die elektrisch erregten Maschinen (ESM) an, deren Rotor Kupferwicklungen enthält. Diese Motoren besitzen einen etwas höheren Wirkungsgrad, sind allerdings auch schwerer und größer.^[18]

3.2. Unterschiedliche Elektrifizierungsgrade von Elektrofahrzeugen

Elektroautos können mit diversen Antriebsarten ausgestattet werden. Die verschiedenen Antriebsarten basieren auf verschiedenen Energieträgern.
Abbildung 3 zeigt die unterschiedlichen Wege der Primärenergie zum Antrieb bzw. auf die Straße.

Abb. 3: Prozesskette von Primär- zur Fahrenergie^{^[19]}

Um ein einheitliches Verständnis über die verschiedenen Elektrifizierungsgrade zu erlangen, werden im folgenden Abschnitt die verschiedenen Systemkonfigurationen von elektrifizierten Fahrzeugen gegenübergestellt.
Oftmals wird in diesem Zusammenhang der Begriff Hybridfahrzeug verwendet. Unter einem Hybridfahrzeug versteht man ein Fahrzeug mit zwei unterschiedlichen Energiewandlern zur Wandlung in kinetische Energie.

Abb. 4: Mild-/Micro-Hybrid²⁰	Beim Mild- oder Micro-Hybrid dient der elektrische Motor nur als Anfahrtshilfe. Die Batterie wird durch zurückgewonnene Bremsenergie (Rekuperation) geladen. Ihre Kapazität reicht jedoch nicht, um rein elektrisch zu fahren.^[20]
Abb. 5: Vollhybrid²⁰	Ein Vollhybrid ermöglicht rein elektrisches Fahren, jedoch mit einer stark begrenzten Reichweite. Beispielweise reicht die Batterie des Toyota Prius für maximal 15 km. Die Batterie wird durch den Verbrennungsmotor geladen.²⁰
Abb. 6: Plug-in-Hybrid²⁰	Der Plug-in-Hybrid bezieht seine Antriebsenergie entweder aus dem Elektromotor, dessen Batterie an der Steckdose geladen werden kann, oder aus dem konventionellen Verbrennungsmotor. Diese Technologie wird zum Beispiel im Opel Ampera umgesetzt.²⁰
Abb. 7: Range-Extender (Parallel)²¹	Beim parallelen Range-Extender kann die Antriebsenergie wie beim Plug-in-Hybrid ebenfalls aus dem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor gewonnen werden. Da der Range-Extender jedoch nur im Bedarfsfall hinzugeschaltet wird, sobald die Ladung der Batterie erschöpft ist, kann der Verbrennungsmotor hier deutlich kleiner dimensioniert werden.^[21]
Abb. 8: Range-Extender (Seriell)²¹	Der serielle Range-Extender lädt über einen Generator die Batterie für den Elektromotor auf. Für den Antrieb wird er hier nicht verwendet. Die rein elektrische Reichweite beträgt bei diesen Fahrzeugen ca. 150 km.²¹Der serielle Range-Extender stellt das Kernthema dieser Seminararbeit dar.
Abb. 9: Rein Elektrischer Antrieb (BEV)²¹	Rein elektrisch betriebene Fahrzeuge werden nur durch den Elektromotor angetrieben. Die Batterie über die Steckdose oder an speziell dafür vorgesehenen Ladestationen geladen. Die Reichweite liegt in der Regel bei ca. 150 km. Das Model S von Tesla schafft sogar bis zu 500 km.²¹

3.3. Kraftstoffe

Kraftstoffe werden auch als Energieträger bezeichnet. Energieträger werden unterschieden nach primären und sekundären Energieträgern. Primäre Energieträger definieren sich durch ihr natürliches Vorkommen in der Natur. Im Gegensatz zu sekundären Energieträgern kann die gespeicherte physikalische und chemische Energie direkt zur Energieerzeugung verwendet werden. Zu den primären Energieträgern zählen z.B. Erdöl, Erdgas und Kohle, sowie nukleare Energieträger wie Uran und erneuerbare Energien wie Solarenergie, Windenergie, Biomasse, Geothermie und Wasserkraft.^[22] Sekundäre Energieträger lassen sich nicht aus der Natur gewinnen, sondern müssen durch den Einsatz primärer Energieträger gewonnen werden.^[23] Hierunter fallen z.B. flüssige Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel, elektrischer Strom oder auch Wasserstoff. Die Energieträger erzeugen bei ihrer Verwendung unterschiedliche Emissionsmengen und –stoffe.
Abbildung 10 zeigt die Emissionsmengen der am weitesten verbreiteten Energieträger.

Abb. 10: Treibhausgasemissionen verschiedener Energieträger^{^[24]}

3.1.1. Primäre Energieträger

Fossile Energieträger

Brennstoffe die durch geologische Einflüsse aus Überresten von Tieren und Pflanzen entstanden sind, bezeichnet man als fossile Energieträger. Da die wesentliche chemische Basis Kohlenstoff ist, verursacht deren Verbrennung mit Sauerstoff Kohlendioxid bzw. Kohlenstoffdioxid (CO₂).^[25]^,^[26] Der einzige fossile Brennstoff, der für die Verwendung in CO₂-neutralen Range-Extendern in Frage kommt ist Erdgas. Erdgas verbrennt nicht CO₂-neutral. Beim Verkauf von sogenanntem Ökogas wird im Gegenzug jedoch ein Projekt zur CO₂-Reduktion unterstützt, sodass in Summe kein zusätzliches CO₂ in die Atmosphäre gelangt.

Pflanzliche Energieträger

Pflanzliche Energieträger entstehen durch die Bildung von Kohlenwasserstoffverbindungen durch Fotosynthese. Sie können direkt verbrannt oder durch chemische Prozesse in sekundäre Energieträger umgewandelt werden. Ihre Verbrennung gilt als CO₂-neutral.^[27]
Primäre pflanzliche Energieträger wie bspw. Holz sind für den Gebrauch in Fahrzeugen ungeeignet, da diese sich in Energiedichte und Formfaktor zu sehr unterscheiden.

Alternative Energieträger

Zu den alternativen Energieträgern gehören insbesondere Sonnen- und Windenergie sowie der Tidenhub des Meeres. Diese Energien sind theoretisch unbegrenzt verfügbar, jedoch ist ihre Nutzung bisher deutlich kostenintensiver und ihr Wirkungsgrad niedriger als bei den fossilen Energieträgern.²⁷ Weiterhin sind diese Energieträger nicht für den Einsatz in einem Range-Extender geeignet, da ihre Energie noch nicht zufriedenstellend speicherbar ist.

Nukleare Energieträger

Bei der Energiegewinnung wird zwischen Kernspaltung und Kernfusion unterschieden, wobei die Kernfusion technisch noch nicht nutzbar ist und beide radioaktive Abfälle produzieren deren Endlagerung bisher nicht zufriedenstellend geklärt werden konnte.²⁷Aufgrund ihrer starken Strahlung werden nukleare Energieträger im Bereich des Fahrzeugantriebs nicht weiter verfolgt.

3.1.2. Sekundäre Energieträger

Flüssige Kraftstoffe

Flüssige Kraftstoffe zeichnen sich besonders durch ihre hohe Energiedichte und ihre einfache Handhabung aus, was sie besonders für den mobilen Einsatz prädestiniert.
Da flüssige Kraftstoffe zumeist aus fossilen Energieträgern gewonnen werden und ihre Basis aus organische Verbindungen besteht, entstehen bei ihrer Verbrennung Kohlendioxid und andere Stoffe. Diese Stoffe werden auch Treibhausgase genannt.²⁷Biodiesel gehört allerdings nicht zu diesen Kraftstoffen, da er auf pflanzlicher Basis hergestellt wird und die bei der Verbrennung freigesetzten Gase, beim Nachwachsen des verwendeten Rohstoffs wieder gebunden werden. Eine Nutzung in einem CO₂-neutralen Range-Extender ist somit möglich.

Gasförmige Kraftstoffe

Gasförmige Kraftstoffe haben i.d.R. eine höhere Energiedichte als flüssige Kraftstoffe. Zu ihnen zählen Biogas, Wasserstoff oder auch Autogas (LPG).

Biogas wird aus vergärender Biomasse gewonnen. Es ist somit nachwachsend und gilt als klimaneutral.^[28]Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Universum. Aufgrund seiner hohen Reaktivität findet man ihn jedoch fast nie in Reinform. Somit ist es notwendig Primärenergieträger einzusetzen, um ihn zu gewinnen. Dieser Prozess ist hoch effizient und verläuft völlig schadstofffrei. Probleme treten bei der Speicherung als auch bei der mobilen Nutzung auf.^[29]Da Autogas nicht CO₂-neutral verbrennt, kommt es für die Nutzung in einem CO₂-neutralen Range-Extender nicht in Frage.

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist einer der universellsten und am weitesten verbreiteten Energieträger. Außerdem lässt er sich aus allen primären Energieträgern erzeugen. Probleme bestehen jedoch noch bei der Speicherung dieses Energieträgers.²⁷

3.1.3. CO₂-neutrale, erneuerbare Kraftstoffe

Für die in Kapitel 4 vorgestellten Range-Extender-Modelle, werden aufgrund ihrer CO₂-Neutralität, sowie den technischen Anforderungen der Range-Extender, die Kraftstoffe Erdgas in Form von Ökogas, Wasserstoff, Biodiesel sowie Biogas berücksichtigt. Diese sollen im Hinblick auf ihre Herstellung bzw. Förderung, die verfügbare Infrastruktur sowie ihre Energiedichte untersucht werden.

Herstellung/Förderung
Der Hauptanteil des hergestellten Wasserstoffes stammt aus dem Reformierungsverfahren sowie der Elektrolyse. Beim Reformierungsverfahren entsteht Wasserstoff als Nebenprodukt von Prozessen der chemischen Industrie. Bei diesem Verfahren entstehen jedoch auch Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, Stickoxide und Schwefeldioxid. Während der Elektrolyse wird Wasser durch den Einsatz von Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der für diesen Prozess benötigte Strom stammt zurzeit meist noch nicht aus CO₂-neutralen Energiequellen.^[30]Erdgas wird wie Erdöl, aus unterirdischen Lagerstätten gefördert. Diese Lagerstätten werden angebohrt und das Gas an die Oberfläche befördert. Bei Erdgasvorkommen die tiefer liegen als 6.000 Meter, wird das sogenannte „Frackingverfahren“ angewendet. Hierbei wird ein Gemisch aus Wasser, Sand und Chemikalien in tiefe Gesteinsschichten gepresst, welches die Gesteinsschichten aufbricht, sodass das Erdgas nach oben entweichen kann. Es besteht jedoch die Gefahr, dass das Trinkwasser durch die eingesetzten Chemikalien verunreinigt wird.^[31] Weltweit gibt es Erdgasvorkommen von 509.000 Mrd. m³ die konventionell erreichbar sind.^[32] Mit Fracking lassen sich weitere 700.000 Mrd. m³fördern.^[33] Der weltweite jährliche Verbrauch liegt bei ca. 3.000 Mrd. m³.³²Biogas wird aus Biomasse gewonnen, also z.B. Lebensmittelresten. Nachdem genügend
Biomasse gesammelt wurde, wird diese zerkleinert und dann in den sog. Fermenter geleitet. In diesem entsteht ein Gas, das ungefähr zu Hälfte aus Methan besteht. Bevor dieses Gas als Kraftstoff genutzt oder ins Erdgasnetz geleitet werden kann, muss es noch speziell aufbereitet werden. Bei der Aufbereitung werden unerwünschte Bestandteile wie Schwefeloxide oder CO
herausgefiltert, bis das Biogas Erdgasqualität hat.^[34] Dieses aufbereitete Biogas wird auch als Biomethan bezeichnet, da es einen Methangehalt von mindestens 90% aufweist.
Biodiesel wird in Deutschland hauptsächlich aus Raps gewonnen. In anderen Ländern werden auch Sojabohnen oder Palmöl genutzt.^[35] Der Grundprozess ist hierbei immer ähnlich. Damit das aus der Ölsaat gepresste Pflanzenöl mit herkömmlichen Dieselmotoren kompatibel ist, wird es mit Methanol versetzt. Unter Zugabe eines Katalysators entsteht schließlich ein Fettsäuremethylester, auch Biodiesel genannt. Daher spricht man bei dieser Reaktion auch vom Umestern. Bei der Umesterung entsteht zudem noch Glycerin, das für andere Zwecke weiter verwendet werden kann. Der gewonnene Dieselkraftstoff bedarf noch einer weiteren Veredelung bzw. Reinigung, bevor er als Kraftstoff eingesetzt werden kann.^[36]Jährlich werden ca. 17,9 Mrd. Liter Biodiesel produziert.^[37]In Abbildung 11 ist der Herstellungsprozess von Biodiesel grafisch dargestellt.

Abb. 11: Herstellungsprozess von Biodiesel³⁹

Infrastruktur

Um den Infrastrukturausbau der Kraftstoffe darzustellen, zeigt Tabelle 1 die Anzahl der verfügbaren Tankstellen in Deutschland. Die Anzahl der herkömmlichen Benzintankstellen ist als Vergleichswert mit angegeben. Beim Erdgas lässt sich jedoch nicht genau sagen, ob wirklich alle Tankstellen auch das sog. Ökogas anbieten.