„Hocheffiziente Verbrennungsmotoren“: Wo die Physik Grenzen setzt

SP-X/Köln. Die Bundesregierung will „hocheffiziente“ Diesel und Benziner vom „Verbrenner-Verbot“ ausnehmen. Doch wie effizient kann ein Verbrenner überhaupt sein? Die Antwort darauf gibt ein physikalisches Idealmodell, das fast 200 Jahre alt ist – der Carnot-Prozess. Er legt die theoretische Obergrenze für den Wirkungsgrad jeder Wärmekraftmaschine fest. Und macht damit auch deutlich, wo selbst die besten Motoren an physikalische Grenzen stoßen.

Im Kern beschreibt der Carnot-Prozess einen idealisierten Kreislauf, bei dem ein Gas zwischen zwei Wärmereservoirs oszilliert. Wärme wird bei hoher Temperatur aufgenommen, ein Teil davon in mechanische Arbeit umgesetzt, der Rest bei niedriger Temperatur abgegeben. Der Wirkungsgrad ergibt sich allein aus dem Temperaturunterschied – genauer: aus dem Verhältnis von heißer und kalter Temperatur in Kelvin. Je größer der Unterschied, desto besser die Effizienz. Für reale Maschinen bedeutet das: Ohne hohe Verbrennungstemperaturen und niedrige Abgasverluste lässt sich kein hoher Wirkungsgrad erreichen. Doch genau hier liegt das Dilemma – denn hohe Temperaturen führen zu höherem Verschleiß, schlechterer Umweltbilanz und steigenden Anforderungen an Materialien und Kühlung.

Theoretisch könnte ein perfekter Verbrennungsmotor unter idealen thermodynamischen Bedingungen Wirkungsgrade von deutlich über 60 Prozent erreichen. In der Praxis bleiben selbst modernste Motoren weit darunter. Ein effizienter Dieselmotor kommt auf rund 40 Prozent, Ottomotoren schneiden meist noch schlechter ab. Im Realverkehr auf der Straße ist mit weiteren Effizienzverlusten zu rechnen. Technische Optimierungen wie Turboaufladung, variable Ventilsteuerung oder Direkteinspritzung haben die Effizienz in den letzten Jahrzehnten zwar spürbar verbessert – doch die Schallmauer bleibt: Der Carnot-Wirkungsgrad markiert das absolute Maximum, das auch mit noch so viel Ingenieurskunst nicht überschritten werden kann. Auch die Elektrifizierung in Form von Plug-in-Hybrid oder Range Extender kann nur den Wirkungsgrad des Gesamtsystems verbessern, der Wirkungsgrad des Verbrenners bleibt aber immer ein Hemmschuh. 

In der aktuellen Debatte um das Verbrenner-Aus wird oft auf sogenannte hocheffiziente Motoren verwiesen, die mit synthetischen Kraftstoffen klimaneutral betrieben werden könnten. Doch auch diese stoßen an die thermodynamischen Grenzen. Selbst wenn CO2-neutral produziert, erfordern E-Fuels in der Herstellung viel Energie –deutlich mehr, als der Motor am Ende in Bewegung umsetzen kann. Der Carnot-Prozess gilt auch für die Verbrennung von synthetischem Sprit. Er zeigt, dass jede Wärme-Kraft-Umwandlung mit unvermeidlichen Verlusten verbunden ist – und dass die Effizienzgrenze allein durch physikalische Gesetze definiert wird, nicht durch politische Zielmarken.

Gleichzeitig verdeutlicht der Vergleich mit anderen Antriebstechnologien, warum Elektromotoren so attraktiv sind: Sie umgehen den Umweg über die Wärme fast vollständig. Statt erst Energie in Hitze, dann in Bewegung zu verwandeln, arbeiten sie direkt mit Strom – und erreichen so Wirkungsgrade von über 90 Prozent. Der Carnot-Prozess greift hier nicht mehr, weil keine klassische Wärmemaschine vorliegt. Genau deshalb sind Elektromotoren thermodynamisch so überlegen – nicht, weil sie „moderner“ sind, sondern weil sie ein anderes physikalisches Prinzip nutzen.