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Wie umweltfreundlich sind Elektroautos?
21. Oktober 2020
Elektromobilität

Wie umweltfreundlich sind Elektroautos?

Elektroautos werden als grüne Alternative zu Verbrennern gepriesen. Doch es gibt auch Gegenstimmen, die behaupten, E-Autos seien alles andere als ökologisch. Wir haben uns deshalb die Frage gestellt:

"Wie umweltfreundlich sind Elektroautos wirklich – wenn man ihren gesamten Lebenszyklus, also Produktion, Nutzung und Entsorgung, miteinbezieht? Sind die E-Autos am Ende vielleicht sogar schädlicher als Verbrenner?"

Auch wenn es auf diese Frage sicher keine klare Antwort gibt, schließlich ist das Thema kompliziert und facettenreich, wollen wir trotzdem versuchen, Antworten zu finden.

Unklare Studienlage

Es gibt mittlerweile so einiges an Studien, die alle verschiedene Rahmenbedingungen betrachten und teils zu komplett unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Trotzdem lautet das Fazit der Mehrheit: Ja, Elektroautos sind ab einem gewissen Punkt umweltfreundlicher als Verbrenner. Doch ab wann dieser Klimavorteil eintritt und ob sich die Investition in ein E-Auto lohnt, das bleibt offen und ist von vielen Faktoren abhängig.

Um zu klären, was man aus der vielschichtigen Studienlage heute schon ableiten kann, nehmen wir den gesamten Lebenszyklus eines Elektroautos mal genauer unter die Lupe und brechen die verschiedenen Vor- und Nachteile des vermeidlich umweltfreundlichen Autos herunter.

Die Produktion

Während E-Autos auf dem Papier zumindest während ihrer Nutzung keine CO2-Emissionen verursachen, sieht das bei ihrer Produktion ganz anders aus. Laut des Instituts für Energie- und Umweltforschung Heidelberg (ifeu), ist die Herstellung von batterieelektrischen Fahrzeugen fast immer mit höheren Klimagasemissionen verbunden als die Herstellung vergleichbarer Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Vergleichbare Studien, wie eine vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU) kommen ebenfalls zu diesem Schluss. Schuld an der schlechten Umweltbilanz während der Produktion ist vor allem die Batterie, deren Herstellung mit einer enorm hohen Belastung verbunden ist. Mehr dazu später.

Die Karosserie

Bei Verbrennern wirkt sich vor allem der Einsatz von Stahl und Eisen negativ auf die materialbedingten Treibhausgasemissionen aus: Er verursacht etwa die Hälfte. Darüber hinaus tragen hauptsächlich Kunststoffe zur Umweltbelastung bei, während Materialien wie Glas, Gummi oder Kupfer in der Gesamtwertung nur wenig ausmachen. Bei Pkw mit Ottomotor fallen zusätzlich die Katalysatormaterialien Platin und Palladium stark ins Gewicht, trotz ihres geringen Einsatzes.

Insgesamt gehen bei der Herstellung eines Verbrenners etwa 70 Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen aufs Konto Materialbereitstellung. Der Rest wird vom Herstellungsprozess selbst verursacht. Der Unterschied in Herstellungsemissionen ist zwischen Benzinern und Dieseln gering, weswegen auch weiterhin nur von „Verbrennern“ die Rede sein wird.

Bei Elektroautos belasten abgesehen von den oben genannten Materialien vor allem die Nutzung von Aluminium und die verschiedenen Elektronikbauteile die Klimabilanz. Somit ist die Klimabilanz von E-Autos bei der Herstellung sogar ohne Berücksichtigung der Batterie laut Daten des ifeu schlechter als die von Verbrennern. Der größte Anteil an Emissionen entsteht aber durch die Produktion der Batterie.

Die Batterie

Die Herstellung der Batterie von Elektroautos sorgt bei Weitem für die größte Umweltbelastung. So viel ist klar. Doch leider stehen zu den durch die Batterieherstellung verursachten Treibhausgasemissionen nur wenige belastbare und aktuelle Daten zur Verfügung. Grund hierfür ist, dass die meisten Hersteller genaue Messungen als Betriebsgeheimnisse betrachten und nicht preisgeben. Doch schon die wenigen Daten, die verfügbar sind, genügen, um einen Eindruck zu verschaffen.

Strommix bei der Batterieherstellung

So lässt sich zunächst einmal sagen, dass das Land, in dem die Batterie produziert wird, eine große Rolle spielt. Denn je nach Produktionsstandort unterscheidet sich der Strommix, den die Fabriken nutzen. Der Strommix in vielen EU-Staaten ist zum Beispiel deutlich CO2-ärmer als der in China, wo viele Kohlekraftwerke genutzt werden – alte und gerade erst neu gebaute. Die Folge: In China wird laut ifeu mit durchschnittlich 1.106 Gramm CO2-Äquivalente pro erzeugter Kilowattstunde (kWh) Strom knapp drei Mal so viel emittiert wie in Europa (468 Gramm).

Da derzeit 26 Prozent aller Autobatterien in China produziert werden, was das Reich der Mitte zum größten Batteriehersteller der Welt macht, drückt der schmutzige Strommix vor Ort aktuell natürlich stark auf die Ökobilanz von E-Autos. Insgesamt stammen mehr als die Hälfte der Batterien aus Asien, wo auch in anderen Ländern Strom aus Kohle dominiert.

Die Herstellung der Batterie, bringt bei weitem die größte CO2-Belastung bei Stromern mit sich. (Bild: iStock)

In Europa gibt es derzeit nur eine Batteriefabrik. Sie produziert im englischen Sunderland Lithium-Ionen-Batterien für Nissan. Und selbst die ist gefährdet, denn 2019 verkaufte Nissan das Werk an die chinesische Firma Envision AESC, die vor Kurzem aufgrund der wirtschaftlichen Folgen des Coronavirus und des anstehenden Brexits eine Reduzierung der Arbeitsplätze auf die Hälfte ankündigte.

Andere Batteriefabriken, wie die von Daimler im sächsischen Kamenz, beziehen die Batteriezellen immer noch aus Asien und verbauen sie in Deutschland dann lediglich zu Batteriepaketen. Bis vor kurzem sah es auch so aus, als würde dies sich nicht bald ändern.

Doch die EU gründete im Frühjahr dieses Jahre eine eigene Batterien-Allianz, die unter anderem Investitionen stellt, damit ab 2025 die Grundlagen für Batteriezellen- und -modulefertigung in Europa geschafft werden. Es seien insgesamt 19 Projekte von Batteriezellenherstellern auf europäischem Boden am Laufen oder geplant, die meisten davon in Deutschland. Eines dieser Projekte leitet das sächsische BMW-Werk in Leipzig, hier werden schon ab 2021 Batteriemodule für die Hochvoltbatterien seiner Stromer hergestellt.

In der Batterie verbaute Materialien

Auch das in Batterien verbaute Material bringt einige Probleme mit sich – umwelttechnische und ethische. Bei der heutzutage gängigen Lithium-Ionen-Batterie sind vor allem die Gewinnung der Rohstoffe Lithium und Kobalt problematisch.

Das äußerst reaktive Leichtmetall Lithium kommt in der Natur nur in Verbindungen vor, zum Beispiel in Form von Lithium-Salzen im Meerwasser oder in Binnengewässern wie den Salzseen in Chile, Argentinien und Bolivien. Dort wird das Lithium abgebaut. Dieser Prozess ist aber mit einem erhöhten Wasseraufwand verbunden und das Abpumpen des Salzwassers kann die Grundwasserversorgung umliegender Gegenden teils massiv stören. In Regionen, in denen Lithium abgebaut wird, leben oft ärmere oder indigene Menschen, die von der Landwirtschaft abhängig sind. Eine stabile Grundwasserlieferung ist deshalb in dieser ohnehin schon sehr lebensfeindlichen Region überlebenswichtig.

Ein weiteres Problem bei der Batterieproduktion stellt Kobalt dar. Das seltene Element wird in Lithium-Ionen-Batterien als Kathode benutzt. Der Kobaltabbau ist vor allem ethisch bedenklich, denn das Kobalterz wird hauptsächlich in kongolesischen Minen abgebaut. Dort gibt es trotz Bemühungen um ein sicheres und faires Arbeitsumfeld immer noch Minen, in denen auch Kinder unter schwersten und unsicheren Bedingungen arbeiten müssen. Zudem kann der Kobaltabbau krebserregend sein und weitere Krankheiten begünstigen.

Die E-Auto-Produzenten sind sich dessen mittlerweile bewusst und bemühen sich um eine Kobaltreduktion in ihren Autos. Tesla hat den Kobalt-Anteil in seinen Akkus mittlerweile auf ein Drittel reduziert. Laut Firmenchef Elon Musk ist gar eine kobaltfreie Nachfolgegeneration geplant.

Anfang September kündigte die Europäische Kommission außerdem einen Aktionsplan für Rohstoffe zur Batteriezellenfertigung an. In diesem wird unter anderem die Erkundung von Lithium-Vorkommen auf europäischem Boden gefördert, um die Abhängigkeit an andere Länder zu mindern.

Da Lithium und Kobalt nichtnachwachsende Rohstoffe sind, wird man sie so wie auch Öl nicht ewig fördern können. Noch sind die Vorkommen aber bei Weitem noch nicht erschöpft, sodass der Batterieproduktion die nächsten Jahrzehnte in dieser Hinsicht nichts im Wege steht.

Die Batteriegröße

Letztlich hat natürlich auch die Batteriegröße einen großen Einfluss auf die Umweltbilanz, denn je größer die Batterie ist, desto mehr Ressourcen und Arbeitsaufwand fließen in die Produktion.

Die meisten Studien gehen von 100 bis 200 Kilogramm CO2-Ausstoß pro kWh Batterieleistung aus. Das heißt, die Produktion einer Elektroauto-Batterie mit einer Größe von 30 kWh verursacht rund 4,5 Tonnen Treibhausgase – bei einem angenommenen Mittelwert von 150 Kilogramm CO2-Ausstoß pro kWh. Ein Verbrenner hingegen produziert über den gesamten Produktionsprozess sechs bis sieben Tonnen Treibhausgase.

Viele E-Autos haben aber eine weitaus größere Batterie. Die des Nissan LEAF e+ zum Beispiel beträgt 62 kWh. Die Batterie beschert ihm zwar eine relativ große Reichweite, bringt aber einen Klimarucksack von fast 10 Tonnen CO2 in der Produktion mit sich. Vor allem Premiummarken wie Tesla produzieren im Wettkampf um immer höhere Reichweiten Autos mit Batterien, die 100 kWh groß sind. Zwar arbeitet Tesla zudem an einer ständigen Effizienzoptimierung, doch derzeit bringt ein Tesla eine enorme CO2-Belastung durch die Batterie mit sich.

Deshalb ist ein E-Auto, das primär für Kurzstrecken im Stadtverkehr genutzt wird und deswegen eine kompakte Batterie besitzt, deutlich umweltfreundlicher als ein Stromer, der häufig Langstrecken fährt und entsprechend viel Akku braucht. Das ifeu schätzt, dass ein elektrisches Stadtfahrzeug mit einer kleinen Batterie den sogenannten „break even point“, das heißt der Punkt ab dem ein E-Auto umweltfreundlicher als ein Verbrenner ist, schon ab 40.000 Kilometer Nutzung erreichen kann. Nach 100.000 Kilometer liege der Klimavorteil gegenüber eines Benziners sogar bei 29 Prozent.

Wird die Batterie in einem von Kohlestrom abhängigen Land hergestellt, beeinträchtigt das die Bilanz stark. (Bild: iStock)

Bei einem Langstrecken-Elektroauto hingegen sieht das ifeu einen Klimavorteil erst ab 150.000 Kilometer. Bei der durchschnittlichen Fahrleistung des Jahres 2018 von rund 14.000 Kilometern (Daten des Kraftfahrtbundesamts) müssten deutsche Autofahrer ihren Stromer also mehr als zehn Jahre nutzen, bis hier ein Klimavorteil entsteht. Angesichts der Tatsache, dass ein Auto in Deutschland laut Statista durchschnittlich nur neuneinhalb Jahre gefahren wird, ist das keine gute Prognose.

Betrieb

Die Herstellung eines Wagens ist aber erst der Anfang seines Lebenszyklus. Ob ein Elektroauto gegenüber einem Verbrenner nun umweltfreundlicher ist oder nicht, und wie umweltfreundlich ein E-Auto insgesamt ist, hängt letztendlich stark von seiner Nutzung und den damit verbundenen Emissionen ab. Die Nutzungsphase spielt nämlich im Normalfall mit einem Anteil von deutlich über 50 Prozent der Gesamtemissionen die größte Rolle bei der Klimabilanz eines Stromers.

Lokale Emissionen

Wenn man auf die technischen Daten eines Elektroautos blickt, dann steht dort unter dem Abschnitt „CO2-Emissionen“ eine Null. Denn ein rein elektrisch angetriebenes Auto hat keinen Auspuff und verursacht somit, zumindest auf dem Papier, beim Fahren keine lokalen Emissionen.

Hier wird der größte Vorteil eines E-Autos sichtbar. Vor allem in Gebieten mit hoher Verkehrsbelastung und dementsprechend schlechter Luftqualität punktet ein Stromer aufgrund der fehlenden CO2- und Stickoxid-Emissionen aus dem Auspuff. Das bedeutet auch, dass ein Elektroauto seinen einmal erzielten Klimavorteil mit der Zeit immer weiter ausbaut. Ein Verbrenner kann da nicht mithalten.

Der Brems- und Reifenabrieb produziert aber leider auch bei den Stromern Luftschadstoffe, doch die durch das Bremsen verursachten Feinstaubemissionen sind minimal.

Nicht-lokale Emissionen

Wie umweltfreundlich ein Elektroauto letztendlich ist, hängt auch von dem Strommix ab, mit dem es aufgeladen wird. Entscheidend ist die CO2-Intensität der Stromerzeugung. Hier ist Deutschland deutlich im Nachteil. Im Vergleich zu Ländern wie Norwegen oder Island, die ihren Strommix größtenteils aus erneuerbaren Energien gewinnen, schadet der hohe Anteil an kohleerzeugtem Strom der Klimabilanz eines deutschen Elektroautos.

Laut Statistiken des Umweltbundesamt sind 2016 in Deutschland für jede Kilowattstunde Strom durchschnittlich 527 Gramm CO2 ausgestoßen worden. Rechnet man das auf den Verbrauch eines Ioniq von Hyundai um, kommt man auf 50 Gramm CO2-Austoß pro gefahrenem Kilometer. Bei einem Model S von Tesla sind es sogar bis zu 125 Gramm. Die Zahlen liegen zwar immer noch unter dem Verbrauch eines durchschnittlichen Verbrenners, sind aber nicht gering.

Der Strommix, den das E-Auto zum laden benutzt, beeinflusst seine Ökobilanz deutlich. (Bild: iStock)

Ladeverluste können zusätzlich in die Bilanz einschlagen. Messdaten des ADAC zeigten 2018 für elektrische Fahrzeuge der Kleinwagen- und Mittelklasse, einen mittleren Ladeverlust von 15 Prozent. Das heißt, dass pro Kilowattstunde Batterieladung tatsächlich 1,15 kWh Strom dem Netz entnommen werden – und dieser Strom muss entsprechend zusätzlich erzeugt werden.

Entsorgung und Wiederverwertung

Eine derzeit problematische Situation, in der man auf einen Forschungsfortschritt hofft, ist das Lebensende der Batterie, also ihre Entsorgung und eventuelles Recycling. Derzeit wird die Batterie oft einfach im Schachtofen entsorgt. Dort verbrennen die kohlenstoffhaltigen Bestandteile der Zelle und setzen CO2 frei. Die CO2-Emissionen, die bei diesem Prozess freigesetzt werden, liegen bei etwa 7,6 Kilogramm pro kWh Batterie – kein geringfügiger Betrag. Hier heißt es, abwarten und auf Fortschritte in der Technologie setzen, die die Prozesse am Lebensende der Batterie optimieren oder ein vollständiges Recycling erlauben.

Recycling der Batterie

Laut EU-Vorsatz müssen bei der Entsorgung einer Lithium-Ionen-Batterie mindestens 50 Prozent des Materialanteils wiederverwertet werden, egal ob es sich hierbei um eine Handy- oder Autobatterie handelt. Doch dieser Satz ist schon erreicht, wenn man nur das Gehäuse und sämtliche Komponente entfernt, der Rest der Batterie wird meist verbrannt.

Die kritischen Rohstoffe werden dadurch nicht wiederverwertet. Das Öko-Institut hofft, dass 2030 bereits ein Lithium-Kobalt-Recycling von 40 Prozent möglich sein wird, was die Umweltbilanz eines Stromers deutlich verbessern würde, vor allem in Hinblick auf die Ressourcengewinnung von Kobalt und Lithium.

2nd-Life-Einsatz

Eine Alternative zum Recycling ist der sogenannte Second-Life-Einsatz. Hier werden Batterien, die nicht mehr leistungsfähig genug für Autos sind, für andere Zwecke im stationären Betrieb genutzt. Denn in der Regel besitzen Lithium-Ionen-Batterien nach ca. 1.500 bis 2.500 Ladezyklen immer noch 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

Second-Life-Batterien können je nach Beanspruchung noch 10 bis 12 Jahre benutzt werden. Ein Beispiel dieses Second-Life-Einsatzes lässt sich im BMW-Werk in Leipzig beobachten – dort wird der Stromer BMW i3 produziert. BMW nutzt hierbei einen stationären Speicher, der aus 700 alten und neuen zusammen geschalteten Akkus des i3 besteht. Darin wird der von BMW erzeugte Solar- und Windstrom gespeichert und anschließend für die Produktion genutzt.

Fazit: Wie umweltfreundlich sind E-Autos?

Die meisten Experten sind sich einig: Elektroautos können insgesamt zwar umweltfreundlicher sein als Verbrenner, sind aber nicht unbedingt umweltfreundlich. Und ab wann ein Klimavorteil erreicht ist, da gehen die Meinungen zum Teil weit auseinander. Grund hierfür sind vor allem die verschiedenen Faktoren, die die Ergebnisse beeinflussen – wie die Nutzung eines Fahrzeugs, das Herstellungsland, die Batteriegröße und der Strommix beim Laden.

Einen Klimavorteil setzen Studien deshalb typischerweise ab 100.000 bis 150.000 Kilometern Fahrleistung an. Er kann aber auch viel früher erzielt werden, je nach Akkugröße und Nutzung. Neuste Studien ergeben außerdem, dass die Batterien von E-Autos robuster sind als gedacht und noch weit über die 100.000 Kilometer-Marke benutzt werden könnten. Lexus gewährt deshalb für die Batterie seines ersten E-Autos UX 300e eine Garantie von 10 Jahren oder eine Million Kilometern. Somit sind 150.000 Kilometer plus auf dem Tacho eines Stromers und ein damit verbundener Klimavorteil gegenüber eines Verbrenners gar nicht mal so unrealistisch.

Ein Blick in die Zukunft

Außerdem wird dank Herstellern wie Volvo-Ableger Polestar, die für ihren Stromer Polestar 2 seine Gesamtemissionen veröffentlichen, der Einblick in die Umweltbilanz eines Stromers immer transparenter. Die Ergebnisse zeigen, dass der Stromer im Vergleich zu einem vergleichbaren Verbrenner, dem Volvo XC40, über seinen gesamten Lebenszyklus eine niedrigere Umweltbelastung mit sich bringt.

Doch Polestar erwähnt auch, dass der letztendliche Klimavorteil, wie auch hier schon im Artikel aufgegriffen, letztendlich stark von verschiedenen Faktoren abhängt, zum Beispiel dem Strommix, mit dem das Auto aufgeladen wird. So würde der Polestar seinen Klimavorteil schon ab 50.000 Kilometern erreichen, wenn er komplett mit Windenergie geladen würde.

Hochgerechnet auf den durchschnittlichen europäischen Strommix, erreicht das E-Auto den Klimavorteil aber erst ab 78.000 Kilometern. In Ländern wie Deutschland, die noch stark vom Kohlestrom abhängig sind, wird diese Zahl wohl noch höher liegen. Bei einem weltweiten Durchschnitt, sieht Polestar den Klimavorteil ab 112.000 Kilometer. Insgesamt setzt Polestar die gesamten CO2-Emissionen des Stromers bei einem weltweitem Strommix auf 50 Tonnen. Zum Vergleich: Der XC40 erzeuge, laut Polestar, 58 Tonnen CO2 über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg.

Analysen wie diese sind ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung, da Polestars Transparenz beim gesamten Herstellungsprozess zum einen eine einfachere Datenerhebung für Studien und Verbraucher ermöglicht und zum anderen ein wichtiges Zeichen gegenüber anderen Automarken setzt. Vielleicht werden nun weitere Marken Polestars Vorbild folgen und künftig auch ihre Gesamtemissionen veröffentlichen. Dies würde sowohl den E-Autokauf für Verbraucher erleichtern als auch das Vertrauen in die E-Mobilität stärken.

Letztlich macht auch der Blick in die Zukunft Hoffnung darauf, dass der Klimavorteil von E-Autos steigen wird, denn Klimawende und Fortschritte in der Technologie werden den Stromern sehr zugutekommen. In Deutschland ist der Anteil erneuerbarer Energien in den vergangenen Jahren bereits deutlich gestiegen und wird künftig noch weiter steigen. Dazu werden technologische Fortschritte bei der Batterieentwicklung (Effizienz, Energiedichte, Zellchemie und CO2-ärmerer Strom bei der Herstellung) kommen. Das ifeu glaubt deshalb, dass die Klimabilanz von Batterien in den kommenden Jahren mindestens halbiert werden könnte.

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Klara Hippler
Klara Hippler

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