(Bild: Volkswagen)
Vor 20 Jahren erschien der Abschlussbericht zum Forschungsprojekt „Erprobung von Elektrofahrzeugen der neuesten Generation auf der Insel Rügen“. Vier Jahre lang hatte das Bundesministerium für Bildung und Forschung gemeinsam mit der deutschen Automobil- und Batterieindustrie eine Elektroflotte von 60 Prototypen auf der Ostseeinsel betrieben. Handwerksbetriebe, Kurverwaltungen und die Deutsche Post nutzten die Fahrzeuge im Alltag. Das Beschleunigungsverhalten der Stromer war seinerzeit noch so mäßig, dass die Autoren die „spezifischen Produktmerkmale dieser Fahrzeuge wie die sehr leise, entspannte und wenig aggressive Fahrweise“ lobten. In der vergleichenden Ökobilanz von der Produktion über die Energiebereitstellung bis zur Entsorgung waren die E-Fahrzeuge mit ihren Natrium-Nickelchlorid-, Nickel-Cadmium- und Natrium-Schwefel-Batterien den Pkw mit Verbrennungsmotor allerdings unterlegen. Kein Wunder: Etwa die Hälfte der Fahrzeuge erhielt noch während der Erprobung neue Batterien, Module oder Einzelzellen. Und doch, so resümierten die Autoren: „Das Elektrofahrzeug hat Eigenschaften, die ein Automobil mit Verbrennungsmotor systembedingt nicht haben wird. Durch den Elektroantrieb kann es energetische Ressourcen nutzen, die außerhalb der begrenzt verfügbaren und mit der CO2-Hypothek belasteten fossilen Energieträger liegen. Daher benötigen wir heute eine technische Nische für das Elektrofahrzeug: Damit es dann verfügbar ist, wenn wir es brauchen.“
Auf der Internationalen Automobil-Ausstellung 2017 schien dieser Zeitpunkt gekommen. Viele Automobilhersteller überboten sich mit elektrischen Konzeptfahrzeugen und Studien, ihre Führungskräfte schwärmten von einem neuen Zeitalter der CO2-freien Mobilität. Immerhin: Einige Hersteller sehen die aktuelle Entwicklung etwas differenzierter. „Elektrofahrzeuge fahren lokal emissionsfrei“, sagt Udo Hartmann, Leiter Konzernumweltschutz und Energiemanagement bei Daimler. „Trotz höherer Energiebedarfe in der Produktionskette können sie schon heute effizienter sein als konventionelle Fahrzeuge.“ Was auf der Frankfurter Auto-Show jedoch auffiel: Die meisten Aussagen zu neuen, elektrischen Serienfahrzeugen spielen in der Zukunft. Wer sich hier und heute ein E-Auto kaufen will, kämpft mit wenig Auswahl und langen Wartezeiten. So richtig verfügbar sind die Elektrofahrzeuge immer noch nicht. Damit stellt sich die Frage: Brauchen wir sie jetzt? Angesichts der globalen Herausforderungen durch Treibhauseffekt und Klimawandel lässt sich die Frage noch anders stellen: Schützen Elektrofahrzeuge das Klima?
Auf diese scheinbar einfache Frage gibt es keine einfache Antwort. Die gute Nachricht ist: Sie haben das Potenzial dazu. Ein wichtiger Grund liegt im hohen Wirkungsgrad eines batterieelektrischen Antriebsstrangs. Ein aktueller E-Golf verbraucht nach Normangaben 12,7 Kilowattstunden Strom auf 100 Kilometer. Rechnet man zyklusbedingte Abweichungen hinzu, sind real zwischen 15 und 18 Kilowattstunden Verbrauch anzusetzen. Bei einem Energiegehalt von zehn Kilowattstunden pro Liter Dieselkraftstoff entspricht der Verbrauch des E-Golf also einem Diesel-Äquivalent von 1,5 bis 1,8 Litern auf 100 Kilometern. „Gegenüber einem Dieselfahrzeug hat das Elektrofahrzeug eine um den Faktor 2,5 bessere Energieeffizienz“, bestätigt Peter Kasten, Senior Researcher im Bereich Ressourcen und Mobilität beim Öko-Institut. Allerdings betrachtet diese Rechnung nur die Energieumwandlung innerhalb des Fahrzeugs in mechanische Fortbewegung, die auch als „tank to wheel“ bezeichnet wird. Wirklichkeitsnäher ist die Berücksichtigung der gesamten Energiekette („well to wheel“) und damit die Frage, wie überhaupt der Strom für die E-Fahrzeuge produziert wird. In Deutschland soll nach gesetzlichen Vorgaben der Anteil erneuerbarer Energien bis 2035 auf 55 bis 60 Prozent der gesamten Stromerzeugung steigen (Erneuerbare-Energien-Gesetz). 2016 lag er allerdings lediglich bei rund 32 Prozent.
„Von entscheidender Bedeutung ist nicht nur das Antriebskonzept eines Fahrzeugs“, sagt Peter Gutzmer, Technologievorstand des Automobilzulieferers Schaeffler. „Genauso wichtig ist, wie die Energie für den Antrieb erzeugt und gespeichert wird. Sonst besteht die Gefahr, dass CO2-Emissionen lediglich an eine andere Stelle verlagert werden.“ So emittiert ein E-Auto nach Berechnungen der Schaeffler-Ingenieure immer noch bis zu 65 Prozent der CO2-Menge eines vergleichbaren Benziners, wenn man den aktuellen Strommix innerhalb der EU zugrunde legt. Wird das Elektrofahrzeug hingegen zu 100 Prozent mit regenerativ erzeugtem Strom geladen, dann sinkt die CO2-Emission verglichen mit dem konventionellen Fahrzeug auf nur noch drei Prozent. Das wiederum zeigt: Das Potenzial ist da. Doch es wird noch komplizierter, denn auch die Well-to-Wheel- Betrachtung reicht noch nicht zur Bewertung der CO2-Bilanz von Elektrofahrzeugen aus. Der Grund: Die Herstellung von Batteriezellen ist außerordentlich energieintensiv.
Nach aktuellen Berechnungen des Öko-Instituts sind die herstellungsbedingten Mehremissionen eines E-Autos mit einer 35 Kilowattstunden-Batterie – also einer Batterie wie im aktuellen E-Golf – mit etwa fünf Tonnen CO2 anzusetzen. Das Heidelberger Ifeu-Institut nennt eine Faustformel von 125 Kilogramm CO2 pro Kilowattstunde Batteriekapazität. Der genaue Wert hängt natürlich auch vom Strommix in den Produktionsländern der Batteriezellen ab, allen voran China, Südkorea und Japan. Wenn es kompliziert wird, hilft manchmal ein Online-Rechner. Den hat das Öko-Institut im Rahmen des Projekts „ePowered Fleets Hamburg“ entwickelt. „Legt man den heutigen Strommix in Deutschland zugrunde, dann gehen wir davon aus, dass in einem Fahrzeug der Golf-Klasse nach 50000 bis 70000 Kilometern der Emissionsnachteil ausgeglichen ist“, berichtet Peter Kasten. Anders gerechnet: Im ungünstigeren Fall ist erst nach 70 000 Kilometern die herstellungsbedingte CO2-Emission „abgeschrieben“ – mit bis dahin 71,4 Gramm Extra-CO2 pro gefahrenem Kilometer.
Und je größer die Batterie ist, umso weiter liegt die Strecke bis zum Break-Even. Das Model X von Tesla wird mit Batteriekapazitäten bis 100 Kilowattstunden angeboten, also der dreifachen Menge einer E-Golf-Batterie. Das ist gut für die Reichweite, aber schlecht für die CO2-Bilanz. Rein rechnerisch wären die 12,5 Tonnen CO2 für die Batterieproduktion erst nach 150000 Kilometern ausgeglichen, rechnet man die Schätzungen für ein Fahrzeug der Golf-Klasse hoch und nimmt man den aktuellen deutschen Strommix als Basis. Das ist dann aber schon in der Spätphase eines (Auto-)Batterielebens. Die Klimabilanz: zweifelhaft. Doch auch hier gibt es bereits Lösungsansätze. Der eine besteht in besseren Richtlinien für die Herstellung von Batterien. „Wir benötigen klare Eco-Designvorgaben für die Entwicklung und Produktion von möglichst vollständig rückbaubaren Akku-Speichersystemen, auch über Lithium-Ionen-Akkus hinaus“, fordert Jürgen Resch, Geschäftsführer der Deutschen Umwelthilfe. „Alleine dadurch verändert sich die Ressourcen- und Energiebilanz.“ Ein anderer Ansatz ist der Verzicht auf allzu große Energiespeicher. „Es ist ökonomisch und ökologisch nicht sinnvoll, große Batterien in Autos zu verbauen“, meint Peter Kasten vom Öko-Institut. „Der ökologische Rucksack würde dann zu groß werden.“ Stattdessen setzt er auf klare Nutzungsprofile und eine bessere Infrastruktur. „Elektroautos eignen sich ideal für Berufspendler für den täglichen Weg zur Arbeit.“ Wenn dann doch mal längere Fahrten anstehen, dann könnten etwa mehr Schnellladestationen an den Autobahnen Abhilfe schaffen.
Kleinere Akkus und eine bessere Infrastruktur? Das könnte eine Lösung sein – allerdings ist die Ladeinfrastruktur ein bekannter Schwachpunkt und Hemmschuh für die Elektromobilität. Die Forderung nach mehr öffentlichen Ladepunkten in Städten und an Autobahnen weist nur auf die Spitze des Eisbergs. Es geht schon beim privaten Laden am Reihenhaus oder in der Tiefgarage los. „Das Laden im häuslichen Bereich trifft derzeit nicht auf Gebäudeinstallationen, die einer solch intensiven Beanspruchung gewachsen sind“, sagt Christoph Stoppok, Leiter für die Bereiche Components, Mobility & Systems beim Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie. „Für einen millionenfachen Einsatz von Elektrofahrzeugen sind unter anderem die Verteilnetze entscheidend. Es geht vor allem darum, dass die Ladestationen kommunikativ angebunden sind und gesteuert werden können. Zudem werden auch Netzverstärkungen und Energiespeicher notwendig sein.“ Der Verband fordert deswegen unter anderem, dass die Verteilnetze mit smarten Regelungen ausgestattet werden, um das Laden mehrerer Fahrzeuge in der Nachbarschaft zu steuern.
Auch die Batterieentwickler haben bis zum millionenfachen Einsatz von Elektrofahrzeugen noch Herausforderungen zu lösen. Für die heute produzierten E-Autos sind Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbar. Schon das Lithium gilt als schwierig zu gewinnender Rohstoff. Kritischer sieht es aber bei Kobalt aus, das zusammen mit Nickel und Mangan an der Kathode von Lithium-Ionen-Batterien benötigt wird. „Selbst wenn es gelingt, den Kobaltanteil an der Kathode zu halbieren, würden nach den Berechnungen eines großen deutschen Automobilherstellers die Kobaltvorkommen unseres Planeten nur für 85 Millionen Fahrzeuge ausreichen“, berichtet Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut in Ulm. Kobalt ist zudem ethisch bedenklich, weil ein großer Anteil der Weltproduktion von Kleinunternehmern im Kongo geschürft wird und Menschenrechtsorganisationen immer wieder von Kinderarbeit berichten. Forscher arbeiten deswegen mit Hochdruck an alternativen Stromspeichern – die aber von einem Serieneinsatz noch weit entfernt sind.
Trotz aller Herausforderungen: Elektrofahrzeuge können das Klima schützen. Vor allem, wenn sie dafür eingesetzt werden, wofür sie sich besonders gut eignen – vom Kleinwagen eines Berufspendlers bis hin zum autonomen Peoplemover auf der letzten Meile in Metropolen. Gleichzeitig wird es auch andere Formen des Antriebs geben, von Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeugen bis hin zu klassischen Verbrennungsmotoren, etwa für Nutzfahrzeuge und Landmaschinen. Diese können dann auch mit regenerativ erzeugten, strombasierten Designer-Kraftstoffen betankt werden. Die Mobilität der Zukunft wird viele Facetten haben.
Fotos: Daimler, VW
Dieser Artikel erschien erstmals in carIT 06/2017
