3. Energieeffizienz bei Nutzfahrzeugen

Die Einführung und Nutzung energieeffizienterer Fahrzeuge ist einer der wichtigsten Entschlüsse zur Reduzierung des Energieverbrauchs im Verkehr.[32] Die deutsche Nutzfahrzeugindustrie verfolgt trotz steigender Verkehrsleistung der Nutzfahrzeuge das Ziel, den Lkw als das bedeutendste Transportmittel CO2-effizienter zu machen und den Kraftstoffverbrauch weiterhin zu reduzieren.[33]

3.1 Bedeutung des Begriffs Energieeffizienz

Die Effizienz bezeichnet das Verhältnis zwischen Aufwand und Nutzen.[34] Sie ist ein Indikator für die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit. Energieträger sorgen dafür, dass eine Energiedienstleistung, wie z. B. die Bereitstellung einer warmen Wohnung, hergestellt wird.[35] Bis zum tatsächlichen Ziel, diese Energiedienstleistung herzustellen, sind Umwandlungsschritte erforderlich, die Verluste zur Folge haben.[36]

Die Primärenergie wird in ihrer ursprünglichen Form über Veredelungsprozesse der Energie umgewandelt.[37] Sie ist die Energie, die in der Natur in ihrer ursprünglichen Form vorkommt. Dazu gehören beispielsweise Erdöl, Erdgas und andere Biomassenformen.[38]

Die Endenergie ist diejenige Energieform, welche dem Endverbraucher zugeführt wird. Beispiele für die Endenergie sind Benzin und Elektrizität.[39]

Die Nutzenergie ist die Energie, die am Ende in genutzter Form wie beispielsweise als Antriebsenergie für Fahrzeuge vorliegt.[40] 

Folglich ist das Verhältnis von erzieltem Nutzen und eingesetzter Energie als Energieeffizienz zu verstehen.[41] Eine Kenngröße für die Energieeffizienz ist der Wirkungsgrad[42] und die Motorleistung.

3.2 Wirkungsgrad und Motorleistung

Der Wirkungsgrad η beschreibt die Qualität der Energieumwandlung[43] und stellt das Verhältnis zwischen abgegebener Energie, die nach der Umwandlung in der erwünschten nutzbaren Form vorliegt, sowie zugeführter Energie dar.[44] Je größer der Wirkungsgrad ist, desto weniger Energie geht folglich als Verlustenergie verloren.[45] Wird die vollständige, zugeführte Energie in die gewünschte Energieform umgewandelt, so ist von einem Wirkungsgrad von 1 bzw. 100 Prozent die Rede.[46] Der Wirkungsgrad wird nach folgender Formel definiert:

Für diese Arbeit ist insbesondere der Wirkungsgrad in Bezug auf die Effizienz eines Motors von Bedeutung, der sich aus dem Verhältnis von der vom Motor abgegebenen Arbeit WM und der verbrauchten Energie E ergibt.[47]

Die Energiezufuhr in einem Verbrennungsmotor erfolgt durch den Kraftstoff. Der Energieinhalt, auch als Heizwert bezeichnet, gibt Auskunft darüber, wie viel Energie einer Kraftstoffmenge entspricht. Folglich kommt bei Verbrennungsmotoren der untere Heizwert HU zur Bestimmung des Wirkungsgrades in Betracht. Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors hängt von seinem Betriebszustand ab und ist bei bestimmten Drehzahlbereichen und Lastzuständen zu ermitteln. In einem bestimmten Betriebszustand wird der spezifische Kraftstoffverbrauch be herangezogen. Dieser wird aus dem Verhältnis der verbrauchten Kraftstoffmasse mK und der abgegebenen Arbeit WM ermittelt.[48]

Durch den Heizwert HU lässt sich der spezifische Kraftstoffverbrauch in den Motorwirkungsgrad umrechnen.[49]

Der Wirkungsgrad ηM beinhaltet bei Verbrennungsmotoren den thermischen Wirkungsgrad, den Gütegrad und den mechanischen Wirkungsgrad.[50] Das Produkt dieser Einzelwirkungsgrade entspricht dem effektiven Verhältnis von der an der Kupplung verfügbaren Arbeit zu dem mit dem Kraftstoff zugeführten Arbeitsvermögen. Deshalb wird dieser auch als effektiver Wirkungsgrad bzw. Gesamtwirkungsgrad des Motors angegeben.[51]

Im Bestpunkt weist ein Lkw mit Dieselmotor bei einem spezifischen Kraftstoffverbrauch von 185 Gramm pro Kilowattstunde (g/kWh) einen maximalen Wirkungsgrad von 45 Prozent auf.[52]

Ein weiterer wichtiger Punkt zur Ermittlung der Energieeffizienz ist die Leistung des Motors. Ziel dabei ist es, aus einem bestimmten Bauvolumen und Motorgewicht eine maximale Leistung bzw. Leistungserhöhung zu erreichen, die mit einer Verbesserung des Wirkungsgrades und folglich mit einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen einhergeht. Zur Ermittlung der Motorleistung wird neben dem Heizwert die Dichte des Kraftstoffs herangezogen.[53]

3.3 Indikatoren der Energieeffizienz

Um Indikatoren der Endenergieeffizienz zu bilden, müssen entsprechende Bezugsgrößen ermittelt werden, die die speziellen Einsatzbedingungen der Energie aufzeigen.[54] Neben dem spezifischen Kraftstoffverbrauch sind ebenso die CO2-Emissionen als Indikatoren zu nennen.

Durch einen steigenden Energieverbrauch der fossilen Brennstoffe haben die Luftverschmutzung und damit die Abgasemission im Straßenverkehr verstärkt an Bedeutung hinzugewonnen.[55] Die Reduzierung der CO2eq-Emissionen stellt das ökologische Hauptziel dar und soll durch einen möglichst geringen Kostenaufwand erzielt werden. Über deren Einsatz entscheiden einerseits die Effizienz eines Antriebs oder Kraftstoffs durch die Vermeidung von CO2-Emissionen sowie andererseits die Niedrighaltung der damit einhergehenden volkswirtschaftlichen Kosten.[56] Das Kohlenstoffdioxid als Mitverursacher des Treibhauseffekts und der Klimaveränderung entsteht durch die vollständige Verbrennung von chemisch gebundenem Kohlenstoff, welcher im Kraftstoff enthalten ist. Die freigesetzte CO2-Menge ist proportional zum Kraftstoffverbrauch und lässt sich, als Emission bei den Standardkraftstoffen, ausschließlich über den Kraftstoffverbrauch verringern.[57]

Kohlendioxid gilt als das bedeutendste Treibhausgas, da es, bezogen auf die Gesamtheit der Treibhausgas-Emissionen im Jahr 2011, genau 87,1 Prozent ausmachte. Es verzeichnete gegenüber dem Jahr 1990 einen Anstieg um ca. vier Prozent.[58] Zur Erreichung einer effizienten Nutzfahrzeugflotte ist vor allem die CO2-Grenzwert-Gesetzgebung ein notwendiges Lenkungsinstrument.[59]

Für leichte Nutzfahrzeuge der Klasse N1 mit einer Masse von höchstens 2.610 Kilogramm gilt es, ab dem Jahr 2014 einen Grenzwert von 175 Gramm pro Kilometer (g/km) CO2 zu erreichen. Dieser Wert muss ab 2014 von 70 Prozent, 2015 von 75 Prozent und im Jahre 2016 von 80 Prozent der gesamten Fahrzeugflotte eingehalten werden. Ab 2017 muss diese Zielvorgabe von allen leichten Nutzfahrzeugen im Durchschnitt erreicht werden.[60]  Bis zum Jahr 2020 soll ein Grenzwert von 147 g/km erzielt werden. Die CO2-Einsparung gegenüber dem Jahr 2017 beträgt hierbei 28 g/km.[61]

Die CO2-Emissionen schwerer Nutzfahrzeuge wurden aufgrund verschiedener Einsatz- und Belastungsprofile der Lkws nicht erfasst. Die alleinige Typprüfung der Nutzfahrzeugmotoren gibt keinerlei Rückschluss auf die CO2-Emission des Gesamtfahrzeugs. Die Maßnahmen, wie etwa die Aerodynamik oder der Rollwiderstand, haben einen viel zu großen Einfluss auf den CO2-Ausstoß. Der reale CO2-Wert der schweren Nutzfahrzeuge kann erst bei Entwicklung von CO2-Simulationsmodellen, die die tatsächlichen Ist-Werte wiedergeben, abgebildet werden. Folglich wird auch erst dann über weitere politische Maßnahmen beratschlagt.[62] Die technische Machbarkeit dieser Simulationstools zur Messung des Kraftstoffverbrauchs bei LKWs wurde bestätigt und macht damit die Messung der CO2-Werte für schwere Nutzfahrzeuge möglich.[63]

3.4 CO2-Ausstoß und Kraftstoffverbrauch im Nutzfahrzeugbereich

Die folgende Statistik zeigt, dass die Verkehrsleistung der Nutzfahrzeuge seit dem Jahr 1995 stark angestiegen ist, der CO2-Ausstoß sich jedoch seit dem Jahr 2000 nicht weiter erhöht hat und mit einem Ausstoß von 50 Millionen Tonnen CO2 auf einem konstanten Niveau bleibt. Trotz steigender Verkehrsleistung in Deutschland werden diesbezüglich auch bis zum Jahr 2020 keine Änderungen des CO2-Ausstoßes erwartet. Diese Zahlen bekräftigen eine Steigerung der Effizienz des Straßengüterverkehrs in den vergangenen Jahrzehnten.[64] Allerdings muss hierbei betont werden, dass der gesamte Straßenverkehr/übrige Verkehr im Jahr 2011 gerade einmal 19,5 Prozent der gesamten CO2-Emissionen verursachte.[65] Der Anteil des Straßengüterverkehrs betrug im Jahr 2008 lediglich fünf Prozent der gesamten CO2-Emissionen in...