Der Begriff Niedrigenergiefahrzeug (NEF) bezeichnet Fahrzeuge, die einen im Vergleich zum derzeitigen mittleren Flottenverbrauch deutlich reduzierten Energieverbrauch realisieren bzw. bezogen auf einen definierten Nutzen eine deutlich erhöhte Energieeffizienz ermöglichen. Die Begriffsbildung ist an das Niedrigenergiehaus angelehnt, eine einheitliche Definition fehlt aber.
Bei Modellen mit Verbrennungsmotor sind für solche Fahrzeuge auch Begriffe geläufig, die sich an dem Kraftstoffverbrauch pro 100 Kilometern orientieren wie etwa Drei-Liter-Auto oder Ein-Liter-Auto. Mit der Bezeichnung Umweltauto wurde es in der Bundesrepublik Deutschland 1984 auch zum Wort des Jahres gekürt.
Allgemeines Eine einheitliche technische Norm zur Kategorisierung von Fahrzeugen als NEF existiert bisher nicht, dennoch sollte ein NEF alleine von der Definition her einen Energieverbrauch haben, der deutlich unterhalb aktueller Norm-Energieverbräuche liegt. Insofern sollten nach allgemeinem Verständnis ein NEF deutlich unterhalb der von der Europäischen Union für spätestens 2015 verbindliche Flottenausstoß von 120 g CO2/ kmVDI-Nachrichten.com: , 16. Januar 2009. Abgerufen am 11. Mai 2010. liegen. Dieser Wert entspricht einem Kraftstoffverbrauch rund 5 Litern Benzin bzw. 4,5 Litern Diesel auf 100 Kilometern bzw. einem Energieverbrauch von rund 44 Kilowattstunden (kWh) oder 158 Megajoule (MJ) auf 100 Kilometer.
Als konstruktive Prinzipien zur Realisierung eines NEF gelten außer geringer Fahrzeugmasse und windschlüpfiger Außenform die Wahl eines effizienten Antriebssystems. Entsprechend den Gesetzen der Physik erhöht zusätzlich zu bewegende Masse insbesondere in Abhängigkeit vom Beschleunigungs- und Bremsprofil ohne Nutzbremse, bei der ein Teil der Beschleunigungsenergie durch Rekuperation zurückgewonnen werden kann, den Energieverbrauch linear. Höhere Geschwindigkeiten bedeuten eine quadratische Zunahme des Fahrwiderstandes und so kubischen Zuwachs des Energieverbrauchs.
Bei einer Betrachtung des gesamten Primärenergieverbrauchs (Well-to-Wheel) wird außer dem Endenergieverbrauch im Betrieb (Tank-to-Wheel) auch der Bereitstellungsaufwand für die Antriebsenergie (Well-to-Tank) einbezogen. Eine umfassende Lebenszyklusanalyse, bei der neben den gesamten Betriebskosten auch der Energieverbrauch für Herstellung sowie Recycling der Fahrzeuge mit einbezogen wird, ist Teil des ökologischen Fußabdrucks.
In Relation zum gesamten Automarkt existieren derzeit (2012) viele NEF hauptsächlich als Prototypen, Testautos und Kleinserienautos. Es gibt in vielen Ländern verschiedene Vergünstigungen für die Anschaffung verbrauchsarmer Kraftfahrzeuge. In Deutschland gibt es beispielsweise die befristete Befreiung für Dreiliterautos von der Kraftfahrzeugsteuer.
Motivation Wirtschaftlichkeit Die Notwendigkeit, Fahrzeuge mit einem möglichst geringem Verbrauch zu produzieren und zu betreiben, ergibt sich aus den Zwängen zur Energieeinsparung. Neben dem nachhaltigen Umgang mit begrenzten Energievorräten zählt vor allem der wirtschaftliche Betrieb der Fahrzeuge. Großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat neben den Anschaffungskosten auch die stete Steigerung der Kraftstoffpreise und die politische, sprich steuerliche Förderung verbrauchsarmer Fahrzeuge vor dem Hintergrund der Zunahme der Zulassungszahlen von Kfz weltweit.
Einen großen Schub für den Bau von Niedrigenergiefahrzeugen brachte die Ankündigung der kalifornischen Regierung, ab einem (mehrfach verschobenen) Starttermin alle Hersteller mit Strafsteuern zu belegen, die nicht einen bestimmten Anteil ihrer Fahrzeuge nach dem ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) bzw. ZEV (Zero Emission Vehicle) Prinzip herstellen. ZEV bedeutet, dass das Fahrzeug in der Lage sein muss, eine bestimmte Strecke völlig ohne Emissionen zurückzulegen. Dies können heute praktisch nur elektrisch betriebene Fahrzeuge – die ZEV-Forderung ist (neben der 120 g CO2/km-Forderung der EU) die Haupttriebfeder hinter den Hybrid-Anstrengungen der großen Autohersteller. In Europa ist der EEV-Standard (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle) eine Motivation.
1996 stellte der deutsche Hersteller Audi einen Audi A4 Avant Duo vor, der aber mangels Nachfrage (und wegen der einfachen und ineffizienten Technik) bald wieder eingestellt wurde.
Auch die deutschen Dreiliter-Modelle Audi A2 TDI 3 l und VW Lupo TDI 3 l brachten – trotz steuerlicher Förderung des Absatzes und Zuschüssen für die Entwicklung – keine betriebswirtschaftliche Rendite, woraufhin der VW-Konzern die Produktion wieder einstellte (der Lupo 3L war bis Mai 2005 bestellbar; vom A2 3L wurden nur 6500 Exemplare gekauft).
Umweltschutz mini|3-l-Fahrzeug (VW Lupo) Verbrennungsmotoren von Autos sind zu etwa 20 Prozent am weltweiten Aufkommen von CO2 beteiligt, das einen wesentlichen Teil zur globalen Erwärmung beiträgt. Zudem werden die Erdölvorräte, die den meisten heutigen Kraftfahrzeugen als Energiequelle dienen, aller Voraussicht nach in den nächsten Jahrzehnten zunehmend knapp werden (siehe Ölfördermaximum). Die Motivation ist das ALARA-Prinzip (As Low As Reasonably Acceptable – so gering wie angemessen tragbar) bzw. allgemein ein ethisches Verhalten. Dieses ethische Verhalten kann man zumindest manchen so genannten „Garagenfirmen“ unterstellen, die – oft mit Wurzeln in der Umweltbewegung – auf Fahrradtechnik basierende Fahrzeuge in Kleinstserie produzieren und sich zum Beispiel auch Gedanken um die umweltfreundliche Erzeugung der zum Vortrieb erforderlichen Energie machen.
Eine Verringerung des CO2-Ausstoßes ist das grundlegende Ziel einer Energiewende im Verkehr. Der Verkehrsclub Deutschland gibt die sog. Auto-Umweltliste heraus, die sich unter anderem am Energieverbrauch orientiert. Eine andere Bewertung ist der FIA EcoTest.
Angabe des Energieverbrauchs Der Kraftstoffverbrauch für Kfz wird in Europa üblicherweise in Liter Kraftstoff pro 100 km Fahrstrecke angegeben (Streckenverbrauch). Um zu vergleichbaren Zahlen zu kommen, muss bei verschiedenen Kraftstoffen der Energiegehalt berücksichtigt werden. So hat Dieselkraftstoff eine Energiedichte von 42,9–43,1 MJ/kg, Benzin 40,1–41,9 MJ/kg. Durch entsprechende Umrechnungen und Multiplikation mit der Dichte der jeweiligen Kraftstoffe erhält man einen volumetrischen Energieinhalt von ca. 9 kWh/l für Superbenzin und ca. 10 kWh/l für Dieselkraftstoff.
Eine andere Art, den Energieverbrauch zu ermitteln, ist die Angabe in Energiebetrag pro transportierter Nutzlast und Weg. Dies ist der Streckenverbrauch pro Gewicht [l/(100 km × 100 kg)]. Bei einem Vergleich eines LKW, der 20 t Fracht mit 35 Litern Dieselverbrauch über 100 km transportiert, mit einem vollbesetzten Diesel-PKW, der mit 7,5 l 500 kg Fracht (Passagiere und Gepäck) befördert, liegt der Energieverbrauch beim LKW bei 0,175 l/100 km pro 100 kg, der PKW benötigt 8,5-mal so viel, nämlich 1,5 l für 100 kg auf 100 km.
Die Energieverbrauchskennzeichnungsverordnung, kurz CO2-Labeling genannt, geht auf den Energieverbrauch pro km in Joule oder kWh nicht ein.
Konstruktive Maßnahmen zur Kraftstoffeinsparung Der Energieverbrauch eines Fahrzeuges ist neben seinen konstruktiven Gegebenheiten auch von der Art seiner Verwendung abhängig. So kann durch eine energiesparende Fahrweise der Verbrauch noch weiter gesenkt werden. Über den Streckenverbrauch [l/100 km] eines PKW entscheiden vor allem (1) der Fahrwiderstand und (2) der Wirkungsgrad.
Fahrwiderstände: Der Fahrwiderstand bestimmt die notwendige Antriebsleistung [kW] zum Erreichen der gewünschten Fahrleistungen (Beschleunigung, Höchstgeschwindigkeit). Bei Konstantfahrten mit geringen Geschwindigkeiten überwiegt der zur Geschwindigkeit direkt proportionale Rollwiderstand, mit zunehmender Geschwindigkeit überwiegt der zur Geschwindigkeit quadratisch proportionale Strömungswiderstand (Luftwiderstand). Der Beschleunigungswiderstand ist v. a. im Stadtverkehr von Bedeutung. Beschleunigungswiderstand: Der Beschleunigungswiderstand (oder auch Trägheitskraft) tritt bei der Änderung der Geschwindigkeit auf. Er ist direkt proportional zur Fahrzeugmasse. Leichte PKW ermöglichen bei gleicher Beschleunigung den Einsatz kleinerer Motoren, die bei Konstantfahrten (wo Roll- und Luftwiderstand bedeutend sind) in einem effizienteren Betriebspunkt arbeiten. Ein negativer Beschleunigungswiderstand (beim Bremsen) kann zur Energierückgewinnung (Rekuperation) genutzt werden. Rollwiderstand: Geringer Rollwiderstandskoeffizient durch rollwiderstandsarme Reifen, geringes Fahrzeuggewicht, reibungsarme Radlager. Luftwiderstand (Strömungswiderstand): Eine Verringerung des Luftwiderstandsbeiwertes kann durch eine strömungsgünstige Karosserieform, verkleidete Radkästen und glatte Oberflächen (keine Türschnallen, Kamera statt Seitenspiegel) sowie schmale Reifen bis zu einem Wert von etwa Cw0,16 erreicht werden. Eine Verringerung der dem Luftstrom ausgesetzten Querschnittsfläche (Fahrzeugprojektionsfläche) des Fahrzeugs durch hintereinander befindliche oder zumindest versetzt angeordnete Sitze (Zweisitzer mit ca. 1 m² Fahrzeugprojektionsfläche), oder niedriger Sitzposition und geringem Überkopfraum trägt ebenso zur Optimierung bei. innerer Widerstand: Geringe interne Reibungsverluste, beim Verbrennungsmotor vor allem durch niedrig viskoses Öl und geringere Reibungsverluste durch geringe Zylinderverformung und bessere Abdichtung der Kolbenlaufbahn. Effiziente Getriebe, Lager mit geringer Reibung. Freilauf und ggf. Starter-Generator-Systeme, wobei die Verluste im Leerlauf entfallen (Pantschreibung, Ein- und Auslasswiderstand, Lager und Wellen sowie Motorhilfsantriebe und ihre Steuerung). Aufgrund des Konzeptes besitzt der Elektroantrieb (Motor in der Regel lediglich zwei Lagerstellen, einfache Untersetzungsgetriebe mit wenigen Lagerstellen und Zahnradpaarungen) grundsätzlich niedrigere innere Verluste.
Der Wirkungsgrad beschreibt die Effizienz der Umwandlung von z. B. chemischer oder elektrischer Leistung in mechanische Leistung: Das Hauptproblem des Verbrennungsmotors liegt darin, dass sein Wirkungsgrad bei Volllast am höchsten ist und zu geringen Lasten hin abnimmt. Der spezifische Verbrauch [g/kWh] nimmt also mit sinkender Motorlast stark zu. Zur Lösung dieses Problems gibt es zwei Ansätze: Wirkungsgradoptimale Getriebeübersetzung: Leistung ist das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment. Um eine bestimmte Leistung zu erzeugen, ist jener Betriebspunkt der effizienteste, bei dem diese Leistung mit maximaler Last und geringstmöglicher Drehzahl erreicht wird. Bei Handschaltgetrieben sind „lange“ Übersetzungen ein einfaches Mittel. Die geringe Beschleunigungsreserve („Elastizität“) in einer solchen Fahrstufe verringert jedoch die Akzeptanz. CVT-Getriebe sind eine Alternative, um den Motor immer mit hohen Lasten anzusteuern, sie haben jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad als Handschaltgetriebe und werden nicht besonders akzeptiert (Es existiert kein direkter Zusammenhang zwischen Geschwindigkeit und Motordrehzahl). Verbesserung des Motorwirkungsgrades von Verbrennungsmotoren im Teillastbereich (Elektromotoren haben im Teillastbereich einen sehr hohen Wirkungsgrad): Einsatz von Dieselmotoren, die aufgrund der fehlenden Drosselverluste im Teillastbereich einen besseren Wirkungsgrad als Ottomotoren besitzen und aufgrund geringer Klopfneigung hoch aufgeladen werden können. Der Magerbetrieb von Verbrennungsmotoren verbessert den Wirkungsgrad im Teillastbereich, jedoch ist dieser unter dem Aspekt der Schadstoffemissionen (NOx) problematisch. Magermotoren, z. B. Otto-Direkteinspritzer mit Schichtladebetrieb, benötigen daher eine aufwendige Abgasnachbehandlung, wie NOx-Speicherkatalysatoren. Der Hybridantrieb verringert das Problem hoher spezifischer Verbräuche der Verbrennungsmotoren im Teillastbereich, da ein zusätzlicher Elektromotor bei geringen Lasten arbeitet, während der Verbrennungsmotor nur bei höheren Lasten genutzt wird.