Die Automobilwelt setzt auf Elektromobilität, doch ihre Entwicklung stößt auf Probleme, und Elektrofahrzeuge haben auch ihre Nachteile. Daher haben viele Hersteller den Verbrennungsmotor noch nicht aufgegeben und arbeiten weiterhin an Technologien, die seine Effizienz steigern und seine Auswirkungen auf die Umwelt minimieren sollen.
Die neuen EU-Rechtsvorschriften sehen vor, dass die Markteinführung von
Emissionsfahrzeugen schrittweise eingeschränkt wird. Bis 2030 müssen die Hersteller die CO2-Emissionen der hergestellten Fahrzeuge um 55 % bei Pkw und 50 % bei leichten Nutzfahrzeugen senken. Die in der Europäischen Union angekündigte Euro-7-Norm wird die Produktionskosten von Verbrennungsfahrzeugen nach 2025 voraussichtlich in die Höhe treiben. Dagegen wird die schrittweise Senkung der durchschnittlichen CO2-Emissionen auf 0 g CO2/km bis 2035 dazu führen, dass in den Mitgliedstaaten nur noch Fahrzeuge mit umweltfreundlichem Antrieb, beispielsweise mit Wasserstoff oder Strom, zugelassen werden. Umweltfreundliche Verbrennungsmotoren können jedoch einige Alternativen bieten.
Umweltfreundliche Verbrennungsmotoren – was sind sie und wie funktionieren sie?
Umweltfreundliche Verbrennungsmotoren sind Aggregate, die so konstruiert oder verändert wurden, dass sie weniger Schadstoffe ausstoßen. Dazu gehören sowohl herkömmliche Benzin- und Dieselmotoren als auch sanfte Mild Hybrids und solche, die ausschließlich mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden. Die modernen Verbrennungsmotoren entwickeln sich ständig weiter, und die Hersteller führen neue Technologien ein. Ein Beispiel dafür ist Mazda, das einen neuen Sechszylinder-Benzinmotor und einen großen Dieselmotor in einem Soft-Hybrid-System entwickelt hat, die die strengen Emissionsnormen erfüllen. Auch Porsche hat einen neuen Sechszylinder-Boxermotor im Angebot, der noch vor der endgültigen Umstellung auf Elektroantriebe eingeführt werden soll. Unter den Technologien, die moderne Automobilkraftstoffe nutzen, ist der Wasserstoffmotor zu erwähnen, der eine attraktive Alternative sowohl zu Diesel- als auch zu Benzinautos sein kann. Hersteller wie Toyota, Chinese GAC, Yamaha und Renault arbeiten derzeit an einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor.
Warum kann die Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren von Vorteil sein?
Die Entwicklung umweltfreundlicher Verbrennungsmotoren ist von Vorteil, weil sie einen schrittweisen Übergang zu umweltfreundlicheren Lösungen ermöglicht, ohne dass die gesamte Infrastruktur verändert werden muss. Derzeit sind die begrenzte Batteriekapazität und die hohen Preise von Elektroautos die größten Herausforderungen für die Elektromobilität. Obwohl sich die Batterietechnologie ständig weiterentwickelt, können Elektrofahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungs- oder Wasserstoffautos immer noch weniger Kilometer zurücklegen und haben längere Ladezeiten. Verschiedene Arten von Elektroautos, wie z. B. Hybride mit verlängerter Reichweite sine ein Lösungsansatz, aber ein vollständiger Übergang zur Elektromobilität erfordert eine umfassende Infrastruktur. Dazu gehört ein ausreichend dichtes Netz von Batterieladepunkten und spezialisierten Servicewerkstätten. Darüber hinaus ist die Entsorgung von Altbatterien noch ein ungelöstes Problem. Aufgrund ihres komplexen Aufbaus und des Gehalts an seltenen Rohstoffen sind sie nicht nur ressourcenverzehrend, sondern auch schwer zu recyceln. All dies führt zur Suche nach anderen Arten von Kraftstoffen, die leicht zu beschaffen und zu verarbeiten sind und keine schädlichen Emissionen in die Umwelt verursachen. Auch Elektroautos mit Wasserstoffantrieb sind ein problematisches Thema. Letztere sind teuer in der Herstellung und haben einen geringen Wirkungsgrad von nur 30-35 %. Aus diesem Grund scheinen moderne Verbrennungsmotoren, die mit ökologischen Kraftstoffen betrieben werden könnten, eine gute und leicht verfügbare Lösung zu sein.
Arten von umweltfreundlichen Verbrennungsmotoren – welche modernen schadstoffarmen Kraftstoffe werden verwendet?
Moderne schadstoffarme Treibstoffarten wie Biokraftstoffe oder synthetische Gemische ermöglichen eine erhebliche Verringerung der Emissionen. Wasserstoff- und Ammoniak-Motoren sind nahezu emissionsfrei und könnten daher z. B. in Umweltzonen eingesetzt werden. Andere Lösungen basieren auf fortschrittlichen Technologien, die die Effizienz steigern und die Abgasemissionen reduzieren, wodurch sie zunehmend konkurrenzfähiger gegenüber Elektrofahrzeugen werden.
Wasserstoffmotoren
Verbrennungsmotoren, die mit modernen Wasserstoffkraftstoffen betrieben werden, stoßen kein CO2 aus, was aus Sicht des Klimawandels von Vorteil ist. Die Verbrennungsprodukte sind in diesem Fall Wasserdampf und geringe Mengen an Stickoxiden (NOx), die zwar umweltschädlich sind, aber durch den Einsatz geeigneter Filter kompensiert werden. Die geringe Energieeffizienz ist immer noch ein Problem. Wasserstoff hat eine viel geringere Energiedichte als fossile Brennstoffe (etwa 2-3 kWh/l im Vergleich zu 11 kWh/l bei Diesel). Dies bedeutet, dass ein Verbrennungsmotor deutlich mehr Wasserstoff verbrennen muss als fossile Kraftstoffe, was zu einer geringen Reichweite führt bzw. größere Kraftstofftanks erfordert. Bei einem Kolbenmotor werden nur etwa 30 % der Energie des Kraftstoffs für den Antrieb genutzt. Der Rest wird in Wärme umgewandelt und in dieser Form dem System entzogen. Hersteller arbeiten an einer effektiveren Nutzung von Wasserstoff und modernen Wasserstoffkraftstoffen. So hat beispielsweise die chinesische Marke GAC Motor im Jahr 2021 einen Motor entwickelt, dessen Wirkungsgrad über 44 % liegen wird, und hat zudem den Ausbau der entsprechenden Infrastruktur angekündigt.
Ammoniakmotoren
Der Ammoniakmotor ist eine innovative Lösung, die das Potenzial hat, die Automobilindustrie in Zukunft zu revolutionieren. Bei der Verbrennung stößt Ammoniak (NH₃) kein Kohlendioxid aus, hat aber aufgrund seiner geringen Stickoxidemissionen eine positive Kohlenstoffbilanz. Dafür ist Ammoniak leicht verfügbar und kann in großen Mengen hergestellt werden. Im Gegensatz zu Wasserstoff kann es in flüssiger Form gelagert werden, was die Logistik erheblich erleichtert. Toyota und die Guangzhou Automobile Group (GAC) haben gemeinsam einen Prototyp eines Ammoniakmotors entwickelt, der speziell entwickelte Komponenten verwendet. Präzise Einspritzdüsen steuern die Menge an Ammoniak, die der Brennkammer zugeführt wird, und fortschrittliche Systeme reduzieren den Ausstoß von Stickoxiden (NOx). Es ist erwähnenswert, dass Ammoniak selbst eine giftige Substanz ist, was bei potenziellen Anwendern große Zweifel aufkommen lässt. Daher wird derzeit über den Einsatz dieser Art von Motoren im Rahmen industrieller Lösungen nachgedacht – beispielsweise zum Antrieb von Lastkraftwagen, die heute eine ernstzunehmende Emissionsquelle darstellen.
Biokraftstoffe und synthetische Mischungen
Biokraftstoffe sind eine weitere Lösung zur Verringerung der CO2-Bilanz von Fahrzeugen mit herkömmlicher Verbrennung und werden aus erneuerbaren Rohstoffen wie Pflanzen, organischen Abfällen oder Algen hergestellt. Sie bieten eine umweltfreundlichere Alternative zu Benzin und Diesel. Sie werden in Biokomponenten (Bestandteile von flüssigen Kraftstoffen) und Biogas (z. B. Biomethan) unterteilt. Biokraftstoffe werden bereits heute erfolgreich in Verbrennungsmotoren eingesetzt, und ihre Herstellung und Verbrennung hat geringere Umweltauswirkungen als die Produktion fossiler Kraftstoffe. Eine weitere Kategorie sind synthetische Kraftstoffe, also Kohlenwasserstoffe oder deren Mischungen, die aus Biomasse oder anderen erneuerbaren Quellen gewonnen werden. Dazu gehören GTL (Gas to Liquid), BTL (Biomass to Liquid), SynGaz, hergestellt in Waldbiomassevergasungsprozessen, oder SynDiesel. Dabei handelt es sich um chemisch hergestellte Kraftstoffe, die zudem weniger Emissionen verursachen als herkömmliche fossile Kraftstoffe.
Die Zukunft von Verbrennungsmotoren
Verbrennungsmotoren haben eine faszinierende Entwicklung durchlaufen, von einfachen Konstruktionen bis hin zu fortschrittlichen Technologien. Ihr Einfluss auf die Entwicklung der Zivilisation ist unbestreitbar. Trotz der zunehmenden Beliebtheit von Elektrofahrzeugen deuten einige Prognosen darauf hin, dass Autos mit Benzin- oder Dieselmotoren auch in den nächsten 10 Jahren die erste Wahl sein werden. Bosch beispielsweise sagt voraus, dass im Jahr 2030 zwei von drei zugelassenen Autos mit Benzin- oder Dieselmotoren fahren werden. Kontinuierliches Downsizing, immer präzisere Partikelfilter, neue Materialien und Versuche, bestehende Baureihen so zu optimieren, dass sie den restriktiven Anforderungen der Europäischen Union gerecht werden, zeigen, dass es in diesem Bereich noch viel Raum für Innovationen gibt – sowohl in der Konstruktion als auch in der Konstruktion der Motor und die Karosserie von Verbrennungsautos. Eine von ihnen sind ultraleichte Materialien, wie zum Beispiel geschäumtes Polypropylen (EPP). Sie ermöglichen die Herstellung deutlich leichterer Karosserieteile im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen aus Hartplastik. Durch die Reduzierung des Leergewichts des Fahrzeugs kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die durch die restriktive Euro-Norm geforderten Ziele leichter erreicht werden. Viele Autobauer, darunter zum Beispiel BMW, haben noch keinen Termin für den Ausstieg aus der Produktion von Verbrennungsmotoren festgelegt. Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass diese Technologie noch viel zu bieten hat.