Das Elektroauto aus ökologischer Sicht. Ein Gewinn für die Umwelt?

Inhaltsverzeichnis:

1. Einleitung

2. Die Herstellung von Elektroautos
2.1. Rohstoffeinsatz
2.2. Herstellung
2.3. Vergleich der Herstellung mit konventionellen Autos

3. Die Benutzungsphase
3.1. Verbrauch und Effizienz
3.2. Herkunft des Stroms und sein Einfluss
3.3. Vergleich der Benutzungsphase mit konventionellen Autos

4. Bewertung der Umweltfreundlichkeit und Fazit

5. Literaturverzeichnis

6. Anhang
6.1. Abkürzungsverzeichnis
6.2. Tabellenverzeichnis
6.3. Selbständigkeitserklärung

1. Einleitung

Der Straßenverkehr in Deutschland verursacht etwa 20% der Treibhausgasemissionen (vgl. uba.de 2016: 32) und hat weitere negative Auswirkungen wie z.B. Feinstaub-, Schadstoff- und Lärmbelastung. Das Elektroauto (BEV) ist unter den PKW mit 0,07% noch kaum vertreten (vgl. Tabelle 1). Vor dem Hintergrund, dass BEVs als Zukunftstechnologie bezeichnet werden, befasst sich die Ihnen vorliegende Facharbeit mit der Frage, ob das Elektroauto aus ökologischer Sicht ein Gewinn für die Umwelt ist.

Der Begriff ökologisch ist als der langfristige rücksichtsvolle Umgang mit der Umwelt definiert. Als Umwelt wird in diesem Kontext die Natur sowie das Ökosystem der Erde bezeichnet. Demnach ist ein BEV umweltfreundlich, wenn es die natürliche Umwelt deutlich weniger belasten als konventionelle Alternativen. Detailliert wird in dieser Facharbeit auf das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid und auf die Wasser- und Bodenverschmutzung eingegangen. Zudem werden die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit thematisiert, da auch wir ein Teil des Ökosystems sind.

Ein Elektroauto (BEV) ist ein Kraftfahrzeug mit vier oder mehr Rädern, welches durch einen Elektromotor angetrieben wird und die benötigte elektrische Energie aus einem Akkumulator (Batterie) bezieht (vgl. it-times.de 2018). Die Umweltfreundlichkeit und der CO2-Fußabdruck eines Elektroautos sind von sehr vielen Faktoren abhängig und kann von Region zu Region sehr unterschiedlich sein. Diese Facharbeit geht speziell auf die Benutzung von BEVs in Deutschland ein.

Die Facharbeit ist in drei Themenabschnitte unterteilt. Als erstes wird die Herstellung von Elektroautos unter ökologischen Gesichtspunkten näher beleuchtet und dabei insbesondere der Rohstoffeinsatz und Batterieherstellung thematisiert und anschließend ein Vergleich der Herstellung von BEVs zu konventionellen Autos (ICEV) gezogen. Als zweiten Hauptpunkt wird die Benutzungsphase von Elektroautos in Deutschland untersucht. Der CO2-Fußabdruck wird näherungsweise ermittelt, wobei der Einfluss von möglichen zukünftigen Veränderungen im Strommix analysiert wird, sodass sich Schlüsse auf die eigentliche Sauberkeit und Umweltfreundlichkeit von Elektroautos ziehen lassen. Auch hier wird das Ergebnis mit vergleichbaren konventionellen Autos verglichen. Im abschließenden Fazit werden der gesamten Lebenszyklus der zwei exemplarisch ausgewählten Fahrzeuge (Mittelklasse/ Oberklasse) betrachtet und eine zukunftsgerichtete Analyse durchgeführt, die mit einer kritischen Reflexion schließt.

Auf andere alternative Antriebe wurden aus folgenden Gründen nicht eingegangen: Erdgasantriebe nutzen als Energieträger weiterhin fossiles Ergas und das Treibhausgas-Einsparpotential wäre zu gering, um die Klimaziele längerfristig zu erreichen (vgl. uba.de 2016: 81). Brennstoffzellenfahrzeuge wiederum sind energetisch um die Hälfte ineffizienter als BEVs. Der Einsatz synthetischer Kraftstoffen im Verbrennungsmotor führt sogar zu einem vier- bis fünffachen Primärstromverbrauch. Diese alternativen Antriebsformen haben dadurch deutlich geringeren Reichweiten als batterieelektrische Fahrzeuge (vgl. Tabelle 2). Beim Hyprid- und Plug-in- Hybridfahrzeug ist der Rohstoffbedarf durch Benutzung zweier Antriebe größer (vgl. umweltrat.de 2017: 84). Dafür sind diese beim Gebrauch etwas effizienter als das konventionelle Auto. Dennoch schneiden hybride Systeme im Vergleich zum BEV über die gesamte Lebensphase hinsichtlich des CO2-Fußabdruck nicht besser ab und in Zukunft deutlich schlechter ab (vgl. uba.de 2016: 79, 106).

2. Die Herstellung von Elektroautos

2.1. Rohstoffeinsatz

Bei der Herstellung eines BEV werden verschiedene Rohstoffe genutzt, welche in einem ICEV nicht vorkommen. Dabei ist der Rohstoffbedarf prinzipiell größer, obwohl Komponente wie Tank oder Auspuffanlage wegfallen. Der erhöhte Rohstoffbedarf ist vor allem auf die Batterie und den Elektromotor zurückzuführen, weil die Batterie deutlich mehr als die Antriebskomponenten eines ICEV wiegt. Zu den wichtigsten zusätzlichen Rohstoffen gehören Lithium, Kobalt, Nickel und in vielen Fällen die Gruppe der seltenen Erden, welche ausschließlich im Elektromotor verwendet werden (vgl. umweltrat.de 2017:84).

Außerdem werden in BEVs heute oft leichte Materialien für die Karosserie genutzt, welches das schwerere Blech ablöst und somit das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert. Zu diesen Materialien gehören heute vor allem Aluminium und CFK (vgl. uba.de 2016: 142). Deren Herstellung ist oft energieintensiver, was einen negativen Umwelteinfluss hat, allerdings durch die Gewichtseinsparung in den Verbrauchwerten wieder relativiert wird (vgl. umweltrat.de 2017: 95).

Einige Rohstoffe die in Elektroautos verwendet werden sind wegen den Umständen in denen sie abgebaut werden umwelttechnisch kritisch zu betrachten (Tabelle 3). Der Abbau von Kobalt zum Beispiel gilt als sehr umweltschädlich. Dies liegt vor allem daran, dass die Hälfte des weltweiten Kobalts aus dem Kongo stammt (vgl. bund.de 2014: 71). Dort gibt es kaum Umweltschutz und viele Mienen werden illegal betrieben. Deshalb sind nahe Kobaltminen oft Boden und Wasser verseucht (vgl. adelphi.de 2010: 21). Durch radioaktive Abstrahlung der Erze sowie durch Staub und Schadstoffe besteht außerdem ein hohes gesundheitliches Risiko für die Bevölkerung (vgl. verbraucherzentrale.nrw 2016).

Der Hauptkritikpunkt bei der Gewinnung und Weiterverarbeitung von Lithium ist der Wasserverbrauch. Lithium wird zum Beispiel aus Salzseen in Chile oder Bolivien gewonnen, was direkte Auswirkungen auf den sinkenden Grundwasserspiegel hat (vgl. fu-berlin.de 2012: 54). Es kommt zu einer Veränderung im Ökosystem, welches eine Bedrohung für die dortigen Feuchtgebiete, sowie die dort lebenden Tiere und Menschen, darstellt. Ein weiteres Problem sind Staubwolken, die bei der Förderung entstehen und Böden und Gewässer verschmutzten, sowie Gesundheitsprobleme beim Menschen verursachen können (vgl. global2000.at 2012). Auch andere kritische Rohstoffe, wie viele seltene Erden, sind für Boden- und Wasserverschmutzungen verantwortlich, werden aber teilweise gar nicht oder nur in geringen Mengen in BEV benötigt.

In Zukunft muss der Abbau einiger Rohstoffe aufgestockt und neue Abbaugebiete müssen erschlossen werden, da vor allem Lithium nicht in ausreichender Menge produziert wird (vgl. Tabelle 4). Experten gehen aber davon aus, dass es genug Ressourcen auf der Erde gibt auch wenn es temporären Versorgungsengpässen kommen kann (vgl. bmub.de 2016: 2).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Umweltbelastung in den Abbauländern recht hoch ist und Einfluss darauf genommen werden sollte, diese zu vermindern. Außerdem ist verbessertes Recycling der Materialien notwendig. Besonders für die Batterien fehlt ein System, um kritische Materialien wiederzuverwenden, da es noch keine wirtschaftliche Methode gibt. Auch für den Rest des Fahrzeuges erscheint eine Umstellung des heutigen Recyclingsystems sinnvoll, um höhere Rückgewinnungsquoten von Materialien, die in Kleinstmengen vorhanden sind, zu erreichen (vgl. umweltrat.de 2017: 92). Dadurch wäre es möglich, neue Elektrofahrzeuge mit einem kleineren Primärrohstoffanteil zu bauen.

2.2. Herstellung

Im Wesentlichen bestehen Elektroautos aus Fahrwerk, Karosserie, Innenraum, sowie Batterie, Elektromotor und Leistungselektronik. Bei der Herstellung des BEVs sind die Treibhausgase für die Umweltfreundlichkeit am relevantesten.

Bei Elektroautos macht die Batterie einen Großteil der CO2-Emissionen aus. Auf den gesamten Lebenszyklus können ca. 24% der CO2-Emissionen auf die Batterieherstellung anfallen (vgl. Eckard Helmers 2017: 8). Dies liegt am hohen Energieaufwand für die Herstellung der Batterie und den Abbau sowie die Weiterverarbeitung der benötigten Rohstoffe.

Die genaue Bestimmung von Emissionswerten ist von vielen Faktoren abhängig, daher können lediglich Richtwerte erarbeitet werden, welche sich aus einigen Studien aus den letzten Jahren zusammen tragen lassen. Generell lässt sich aber sagen, dass die geographische Herkunft eine deutlich größere Rolle spielt als die chemische Zusammensetzung. Der Energieverbrauch für die Herstellung ist mit ca. 1000MJ pro kWh Batteriekapazität sehr hoch (vgl. ivl.se 2017: 24). Der wichtigste Faktor für eine umweltfreundliche Batterieherstellung ist die Zusammensetzung des lokalen Strommixes. Heute werden fast alle Batteriezellen in Asien hergestellt (vgl. SZ.de 2017: 18), wo der Strommix von fossilen Energieträgern geprägt ist (vgl. Baihe Gu 2015: 5). Nach Auswertung mehreren Studien liegt der CO2-Emissionsfaktor zur Herstellung einer kWh Batteriekapazität zwischen 110 und 200 kg CO2 (vgl. Tabelle 5). Die Spannweite der Werte erklärt sich durch die unterschiedliche Energiedichte der getesteten Batterien sowie durch Unterschiede in der Zusammensetzung des Strommixes.

Beispielhaft werden die CO2-Emissionen in dieser Facharbeit am e-Golf als Mittelklasse- /Kurzstreckenfahrzeug und am Tesla Model S p85D als Oberklasse-/Langstreckenfahrzeug dargestellt. Verschiedene Studien haben sie für die gesamte Produktionskette ermittelt. „Nach Umweltprädikat des e-Golf fallen für die Herstellung etwa 9 Tonnen CO2-Emissionen an“ (uba.de 2016: 85). Dieser Wert wird von der Vereinigung Union of Concerned Scientists bestätigt (vgl. UCS.org 2015: 40). Von den 9 Tonnen CO2 entfallen rund 40% oder ca. 3,6 Tonnen CO2 auf die Produktion der 24,2 kWh Batterie an.

Der Tesla S p85D hat mit 85 kWh eine 3,5 Mal größere Batteriekapazität als der e-Golf, was auch zur einem deutlich höheren CO2-Fußabdruck in der Herstellung des Teslas führt. Die Studie des ifeu-Instituts geht von einem BEV mit einer Batteriekapazität von 80kWh aus und kommt auf einen Wert von etwa 16 Tonnen CO2 (vgl. uba.de 2016: 79). Auch hier wird der Wert von der UCS annähernd bestätigt (vgl. vgl. UCS.org 2015: 21). Nach diesen Studien errechnet sich, dass für die 85 kWh Batterie des Teslas etwa 12 Tonnen CO2 für die Herstellung anfallen, was somit fast 75% seiner Herstellungsemissionen ausmacht.

Da Tesla in Zukunft plant, seine Batteriefabrik bis 2020 mit erneuerbaren Energien zu betreiben (vgl. teslarati.com 2015) (vgl. tesla.com 2018), wird dieser Wert in Zukunft voraussichtlich stark zurückgehen. Durch die Batterieproduktion ohne Treibhausgasemissionen würden etwa 65% der gesamten Batterieemissionen entfallen (vgl. transportenvironment.org 2017: 3), was den CO2- Fußabdruck der 85 kWh Batterie auf 4,2 Tonnen senken würde.

2.3. Vergleich der Herstellung mit konventionellen Autos

Die Herstellung eines BEV hat eine deutlich höhere Umweltbeeinträchtigung zur Folge als eine ICEV (vgl. umweltrat.de 2017: 91). Der CO2 Ausstoß bei der Herstellung eines Diesel und Benzinautos ist ähnlich liegt aber bedeutend niedriger als bei einem vergleichbaren BEV. Bei diesen sind vor allem Fahrzeuge mit großen Batterien von sehr hohen Herstellungsemissionswerten betroffen. Die Herstellungsemissionen für einen Tesla gibt das USC mit 68% mehr Emissionen an als bei einem vergleichbares ICEV. Für die Herstellung eines e-Golfes werden 50% mehr CO2- Emissionen ausgestoßen als für die Herstellung eines Golfes mit Verbrennungsmotor (vgl. Tabelle 6).

Daraus folgt, dass die Herstellung ein wichtiger Aspekt der Umweltfreundlichkeit eines BEV ist und daher immer mit einbezogen werden sollte. Um zu ermitteln wie groß dieser Einfluss ist, muss erst die Umweltfreundlichkeit der Gebrauchsphase ermittelt werden.

Durch den Abbau mancher Rohstoffe kann es auch bei der Herstellung von ICEVs zu Wasser- und Bodenverschmutzungen kommen. Dies fällt oftmals durch die Verwendung weniger Rohstoffen, sowie durch einem größeren Anteil an recycelten Materialien im Vergleich zum BEV nicht so gravierend aus (vgl. uba.de 2016: 121, 132).

Demnach kann man insgesamt für die Herstellung eines BEV sagen, dass diese gegenwärtig sowohl hinsichtlich der Kohlenstoffdioxidemissionen sowie der Umweltverträglichkeit der benötigten abgebauten Rohstoffe schlechter ist als ein vergleichbares ICEV. Zukünftig jedoch wird die Herstellung von Batterie für Elektroautos mit hoher Wahrscheinlichkeit immer weniger die Umwelt belasten, da bei höheren Anteilen von erneuerbaren Energien am Strommix weniger Emissionen ausgestoßen werden.

3. Die Benutzungsphase

3.1. Verbrauch und Effizienz

Zu den wichtigsten Eigenschaften eines BEVs gehört die Effizienz, vor allem die der Tank-to- Wheel Wirkungskette, welche die Wirkungskette des Ladens (oder Tankens) bis zur Umwandlung in Bewegung an den Reifen beschreibt und somit die Effizienz des Fahrzeugs erkennbar macht. Im BEV sind die zugehörigen Komponenten vor allem die Batterie und der Elektromotor. Studien kommen zu dem Ergebnis, dass ein BEV im Vergleich zu einem ICEV um bis zu 3 (vgl. umweltrat.de 2017: 82) bis 3,6 Mal effizienter ist (vgl. Eckard Helmers 2017: 5).

Die Herstellerverbrauchswerte sind teils deutlich niedriger als die Testergebnissen des ADAC. Vor allem auf der Autobahn wird der Herstellerverbrauchswert des e-Golfs von 12,7 kWh/ 100km und der des Teslas von 17,7 kWh/100km nicht erreicht (vgl. Tabelle 7). Diese Verbrauchswerte sind z.B. von der Außentemperatur und dem Beschleunigungs- und Nutzungsprofils des Fahrers abhängig (vgl. umweltrat.de 2017:82).

Die Effizienz eines BEV ist im Stadtverkehr, also einer urbanen bis suburbanen Region, am besten was sich in niedrigen Verbrauchswerten zeigt (vgl. Eckard Helmers 2017: 5). Die Außentemperatur beeinflusst die Lebensdauer der Batterie und den Batteriewirkungsgrad (vgl. Tabelle 8). Auch der Energieaufwand für Heizungs- und Klimaanlage beeinflusst die Reichweite (vgl. uba.de 2016: 99). Möglichkeiten der Effizienzsteigerung sind das regenerative Bremsen, sowie die Verbesserung der Ladeeffizienz. Die Ladeeffizienz ist ein wichtiger Aspekt, da beim heutigen Laden zwischen 10% (vgl. teslaliving.net 2014) und 14% der Energie bei Umwandlungen verloren gehen kann (vgl. Eckard Helmers 2017: 8).

3.2. Herkunft des Stroms und sein Einfluss

Die Herkunft des Stroms, also wo und wodurch die benötigte Energie erzeugt wird, hat einen wichtigen Einfluss auf die Emissionen eines BEV in Deutschland. Dies kann sich in naher Zukunft verändern, indem sich die Zusammensetzung des deutschen Strommixes von fossilen zu erneuerbaren Energien ändert. Für die Berechnung der CO2-Emissionen über die Lebensdauer eines BEV wird, wie in der Studie des Bundesumweltamts, die gesamte Fahrstrecke auf 168.000 km in 13 Jahren geschätzt (vgl. uba.de 2016: 87). In meiner Berechnung wird von den offiziellen Verbrauchswerten ausgegangen und Ladeverluste werden vernachlässigt. Gegenwärtige und zukünftige Emissionswerte werden in zwei Szenarien ermittelt:

Szenario 1: Deutscher Strommix im Jahr 2015 (33,6% erneuerbare Energien) Szenario 2: Erwarteter deutscher Strommix im Jahr 2030 (50-60% erneuerbare Energien) Im Jahr 2015 wurde laut eines Berichts des Frauenhofer-Instituts 33,6% des deutschen Stroms aus erneuerbaren Energien gewonnen, (vgl. frauenhofer.de 2017: 11). Da es zum Emissionsfaktor noch keine Zahlen für das Jahr 2017 und nur Schätzungen für 2016 gibt, wurden die Zahlen aus dem Jahr 2015 genutzt. Laut Bundesumweltamt wurden in Deutschland 534 g CO2 für die Produktion einer kWh Strom ausgestoßen (vgl. uba.de 2017).

Im ersten Szenario stößt der VW e-Golf somit in Deutschland 68g CO2/km aus, was über die gesamte Lebensspanne von 168.000 Kilometern 11,4 Tonnen CO2 entspricht. Der Tesla stößt 94,5g CO2/km aus, so dass er aufgrund seines höheren Verbrauches etwa 15,9 Tonnen emittiert.

Im zweiten Szenario wird davon ausgegangen, dass rund 50% (vgl. greenpeace.de 2016: 5) bis 60% des deutschen Stroms im Jahr 2030 aus erneuerbaren Energien stammen wird (vgl. netzentwicklungsplan.de 2016: 46) und das dann für eine kWh Strom etwa 300g CO2 anfallen werden (vgl. uba.de 2016: 96). Bei diesen Annahmen würden für die Benutzung des e-Golf über 168.000 km etwa 6,4 Tonnen (38g CO2/km) und für den Tesla 8,9 Tonnen CO2 (53g CO2/km) Emissionen anfallen. Demnach ist ein Elektroauto deutlich sauberer, wenn in Zukunft auch der Strommix sauberer wird (vgl. Tabelle 9).

3.3. Vergleich der Benutzungsphase mit konventionellen Autos

Um herauszufinden welches Auto ökologischer ist, werden die verschiedenen Verbrauchsangaben der Autos und verglichen und bewertet.

Bezogen auf den CO2 Ausstoß je Kilometer ist der VW e-Golf deutlich umweltfreundlicher als die vergleichbaren ICEV Modelle, wenn von den Herstellerangaben ausgegangen wird. Für die Berechnung genauer Zahlen siehe Tabelle 10. Auch bezogen auf die ermittelten Verbrauchsdaten des ADAC ist das e-Golf Modell immer besser als der Benziner und nur auf der Autobahn schlechter als der Golf mit Dieselmotor (vgl. Tabelle 11). Hierbei wird bei den ICEVs immer von den Herstellerangaben ausgegangen, da keine guten Testmesswerte vorliegen. Beim erwarteten Strommix im Jahr 2030 wird deutlich, dass der e-Golf in allen Anwendungen wesentlich weniger CO2 ausstoßen wird als die Fahrzeuge mit konventionellen Antrieben (vgl. Tabelle 12).

Auch die CO2 Werte des Tesla, welcher vom Preis und Gewicht mit dem Audi A8 vergleichbar ist, ergeben ein vergleichbar gutes Ergebnis wie beim e-Golf (vgl. Tabelle 13). Im Zukunftsszenario 2 würde der Tesla Model S im Jahr 2030 das sauberste der ausgewählten Fahrzeuge während des Gebrauchs sein (vgl. Tabelle 14).

Bezogen auf die anfallenden Stickstoffoxide lässt sich feststellen, dass diese bei den Elektroautos geringere Mengen anfallen als beim Diesel und nur etwas mehr als bei einem Benziner. Der VW e- Golf zum Beispiel würde im gegenwärtigen deutschen Strommix etwa 0,058g NO2/km (vgl. umweltbundesamt.de 2016) im Vergleich zum VW Golf Benziner mit 0,009g NO2/km etwas mehr und dem VW Golf mit Dieselmotor mit 0,23g NO2/km deutlich weniger ausstoßen (vgl. adac.de 2016) (vgl. Tabelle 15). Für die menschliche Gesundheit ist außerdem von Vorteil, dass keine lokalen Abgase bei der Nutzung entstehen.

4. Bewertung der Umweltfreundlichkeit und Fazit

Eine zukünftige Veränderung, hin zu mehr Elektroautos, soll dem Klima und der Umwelt helfen. Doch sind Elektroautos ein Gewinn für die Umwelt?

Um eine abschließende Bewertung des Elektroautos aus ökologischer Sicht vorzunehmen muss der gesamte Lebenszyklus betrachtet werden. Die Herstellung der BEVs ist aufwendiger als beim konventionellen Auto und kann heutzutage bis 45% der gesamten CO2-Emissionen ausmachen. Vor allem die Herstellung der Batterie bei Langstreckenautos ist sehr emissionsreich, ebenso wie die Produktion von Leichbaumaterialien. Außerdem führt der Ressourcenbedarf für die Herstellung zu höheren Wasserbedarf und Bodenverschmutzungen in den Abbauländern, als beim ICEV.

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