Was bedeutet Wirkungsgrad?

Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis zwischen der abgegebenen Nutzenergie (z. B. mechanische Energie bei Motoren) und der zugeführten Energie (z. B. chemische Energie des Kraftstoffs oder elektrische Energie) an. Er wird in Prozent angegeben und zeigt, wie effizient ein System Energie umwandelt. Energie geht dabei nicht verloren, sondern wird zu einem Teil in Wärme oder andere nicht nutzbare Energieformen umgewandelt; der Wirkungsgrad beschreibt den Anteil, der als gewünschte Nutzenergie zur Verfügung steht. Ein Wirkungsgrad von 100 % – also keine Umwandlung in nicht nutzbare Energieformen – ist in der Realität nicht möglich. Mehr dazu im Artikel „Was ist ein Elektromotor?“.

Benzinmotoren haben einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 20-30 %, während Dieselmotoren mit 35-45 % etwas effizienter sind, da die Verbrennung effizienter abläuft. Der Energieverlust entsteht vor allem durch Abwärme und Reibung. Diese Werte sind reine Motorwirkungsgrade (Tank-to-Wheel) – sie schließen die Herstellung des Kraftstoffs nicht mit ein, anders als die Werte für Wasserstoff und E-Fuels weiter unten. Mehr dazu in den Artikeln „Was ist ein Ottomotor?“ und „E-Fuels“.

Elektromotoren erreichen Gesamtwirkungsgrade von 70-75 %, da weniger Energie in Form von Wärme verloren geht und sie die elektrische Energie direkt in Bewegung umsetzen können.

Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff in elektrische Energie um, wobei der Gesamtwirkungsgrad bei etwa 30 % liegt. Verluste entstehen vor allem bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff (Elektrolyse) und umgekehrt.

Der reine Motorwirkungsgrad von Verbrennungsmotoren, die mit synthetischen Kraftstoffen (E-Fuels) betrieben werden, liegt ähnlich wie bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren bei etwa 30-35 %. Für die gesamte Kette von der Herstellung bis zur Nutzung ist der Prozess aber deutlich ineffizienter: Laut ICCT wird für E-Fuels rund vier- bis fünfmal so viel erneuerbarer Strom benötigt wie bei der direkten Nutzung in batterieelektrischen Fahrzeugen – der genaue Faktor hängt von den zugrunde gelegten Wirkungsgraden und der Systemgrenze ab. Der Well-to-Wheel-Gesamtwirkungsgrad (inklusive Produktion, Transport und Verbrennung) liegt bei etwa 10-15 %. Diese niedrige Effizienz stellt eine zentrale Herausforderung dar, weshalb E-Fuels eher für Bereiche wie Luft- und Schifffahrt in Betracht kommen, wo elektrische Antriebe schwer umsetzbar sind. Verbrennungsmotoren mit E-Fuels können bei Nutzung von CO₂ aus geeigneten Kreisläufen bilanziell sehr geringe Netto-CO₂-Emissionen erreichen, sind aber nicht automatisch klimaneutral – das hängt von Herstellung, Energiequelle und CO₂-Quelle ab. Wegen ihres hohen Energiebedarfs stellen sie im Vergleich zu Elektromotoren derzeit eine weniger effiziente Lösung für die individuelle Mobilität dar.

Einheitliche Vergleichsbasis: Rechnet man für alle Antriebe die gesamte Kette von der Energiequelle bis zum Rad (Well-to-Wheel), verschiebt sich das Bild. Laut ICCT (2021) kommt ein batterieelektrisches Fahrzeug so auf rund 72 % Gesamtwirkungsgrad (10 % Ladeverlust, 20 % Motorverlust), ein Verbrennungsmotor mit E-Fuel dagegen nur auf rund 16 % (48 % Verlust bei der Kraftstoffsynthese, 70 % Verlust bei der Verbrennung). Ältere, aber oft zitierte Werte von Transport & Environment (2017) zeigen dieselbe Größenordnung: BEV 73 %, Wasserstoff 22 %, Verbrennungsmotor 13 %.

Der Wirkungsgrad ist entscheidend für die Bewertung der Effizienz eines Antriebs. Auf Well-to-Wheel-Basis nutzen batterieelektrische Fahrzeuge die eingesetzte Energie wesentlich effizienter als Verbrenner mit fossilem Kraftstoff, Wasserstoff- oder E-Fuel-Antriebe. Der wesentliche Grund liegt nicht nur im Elektromotor selbst, sondern darin, dass beim Batterieauto mehrere energieintensive Umwandlungsschritte der Kraftstoffherstellung entfallen. Je weniger Energieumwandlungen erforderlich sind, desto geringer ist der Primärenergiebedarf für die gleiche Fahrleistung.