Lifecycle-Analyse: Batterieproduktion und Fahrstrom beeinflussen Ökobilanz von Elektroautos am meisten

Ist ein Elektroauto nun umweltfreundlicher als ein Verbrenner oder nicht? Und wenn ja, ab wann? Ein Team des Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier hat nun eine neue Studie zu dieser Frage veröffentlicht – aber nicht auf Basis von Meta-Daten, sondern eigenen Tests und Messungen. Die Ergebnisse sind beachtlich!

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Über die Umweltbilanz von Elektroautos wird viel – sehr viel – diskutiert. Fahrt hatte das Thema einst mit der „Schweden-Studie“ aufgenommen, die Zahl von 17 Tonnen CO2 für einen Elektroauto-Akku geistert immer noch durchs Internet. Etwas später legte der Ökonom Hans-Werner Sinn mit einer Vergleichsrechnung zwischen Diesel- und Elektroautos nach. Dazu kommen noch unzählige weitere Erhebungen – mal mehr, mal weniger wissenschaftlich. Was sie aber eint: Sie basieren auf Meta-Daten.

„Es gibt sehr wenige Projekte mit originären Daten, zumal aus Deutschland“, sagt Eckard Helmers vom Umwelt-Campus Birkenfeld der Hochschule Trier. Der Professor aus dem Fachbereich Umweltplanung/Umwelttechnik hat aus diesem Grund mit den beiden Co-Autoren Johannes Dietz und Martin Weiss einen anderen Ansatz gewählt: Eine vergleichende Ökobilanz von Autos mit Elektro- und Verbrennungsantrieben, die auf Bedingungen basiert, die der realen Welt so nahe wie möglich kommen. Für die Arbeit mit dem Titel „Sensitivity Analysis in the Life-Cycle Assessment of Electric vs. Combustion Engine Cars under Approximate Real-World Conditions“ haben die Forscher so viele Daten wie möglich selbst erhoben – indem sie einen VW Caddy mit 1,6-Liter-Benziner demontiert, analysiert und mit Elektroantrieb wieder aufgebaut haben. Die vollständige Studie haben wir am Ende des Textes verlinkt.

Das Ergebnis der jahrelangen Arbeit ist vielschichtig und lässt sich nur schwer in einer Zahl oder einer einzelnen Aussage ausdrücken. Ein Beispiel: Eine plakative „Break-even-Laufleistung“, ab der ein Elektroauto eine günstigere Ökobilanz als der Verbrenner hat, haben die Forscher natürlich berechnet – jedoch in unterschiedlichen Szenarien. Wird der eigens umgebaute E-Caddy, dessen 25,9 kWh große Batterie mit Windstrom hergestellt wurde, in der Nutzungsphase nur mit Ökostrom geladen, ist das E-Auto nach gerade einmal 17.000 Kilometern „sauberer“. Ein Fahrzeug mit doppelt so großer Batterie (51,8 kWh) kommt beim Laden mit Ökostrom auf Werte zwischen 20.000 (Batterie aus Windstrom) und 35.000 Kilometer (Batterie aus Kohlestrom) bis zum Break-even. Wird jedoch mit einem Strommix geladen, wie er grob dem aktuellen europäischen Mittelwert entspricht, liegt selbst das Auto mit kleiner Batterie bei knapp über oder unter 50.000 Kilometern – je nachdem, ob man eine Second-Life-Nutzung annimmt oder nicht. Ein Elektroauto mit 51,8 kWh großer Batterie, die mit Kohlestrom hergestellt und dem „dreckigen“ Strommix geladen wird, erreicht den Break-even sogar erst nach 310.000 Kilometern.

Die Spanne ist enorm – Elektroauto ist also nicht gleich Elektroauto. Im einen Fall ist der Break-even schnell erreicht, im anderen Fall ist die Laufleistung so hoch, dass sie wohl nur wenige Fahrzeuge erreichen. Wie kommen die Forscher rund um Helmers auf diese Zahlen?

Genauere Daten durch eigene Messungen

Das fängt mit der Produktion des Verbrenners – in diesem Fall der eigenen Analyse des Caddys – an. So gibt etwa Volkswagen Nutzfahrzeuge für den Caddy zwar eine prozentuale Aufteilung von neun Materialgruppen an, aber nicht deren detaillierte Zusammensetzung. Das konnten die Forscher anhand ihrer Analyse deutlich genauer differenzieren – inklusive dem Transport der einzelnen Komponenten von ihren jeweiligen Produktionsstätten zu dem Werk in Polen, wo der Caddy gebaut wurde – der Benzinmotor etwa kommt aus Salzgitter, das Getriebe aus Kassel, die Starterbatterie aus Hannover.

All das spielt bei der Bilanzierung der Produktion eine Rolle. Beim Bau eines Elektroautos ist der Strom für die Batteriezellenproduktion jedoch bekanntlich der größte Faktor. Hierfür haben die Trierer Forscher vier Szenarien modelliert: Eine Batteriezellproduktion in China mit hohem Kohlestrom-Anteil, eine Produktion in Europa mit dem europäischen Strommix, eine Fertigung mit 100 Prozent Solarstrom (wie es Tesla für die Gigafactory 1 in Nevada verspricht) und auch mit 100 Prozent Windstrom – diese gebe es zwar nach Kenntnisstand der Forscher noch nicht, „könnte aber eine zukünftige Option in Europa sein“.

Das Ergebnis weist alleine für die Zellproduktion enorme Unterschiede aus. Während die Batteriezellen aus China mit 1.180 Gramm CO2-Äquivalent pro Kilowattstunde bilanziert werden, sind es mit dem europäischen Strommix noch 531 Gramm CO2-Äquivalent. Die beiden Produktionen mit erneuerbaren Energien sind mit 92 Gramm (Solar) und 15,8 Gramm (Wind) ungleich sauberer. „Im schlechtesten Fall kann die Batterie 36 Prozent der gesamten Lebenszeit-CO2-Emissionen eines Elektroautos ausmachen“, sagt Helmers. „Ich denke, am Vorabend von Milliardeninvestitionen in neue Batterieproduktion sollte dieser Aspekt betont werden.“

Kohlestrom für Batteriezellproduktion als Rückschritt?

Der Professor verweist hier etwa auf die Batteriezellfabriken in Polen, aus denen die Zellen für europäische Elektroautos stammen. „Es ist sehr wichtig, wo und mit welchem Strom die Zellfabriken laufen“, so Helmers. „In der Gesetzgebung der EU werden diese Bereitstellungsemissionen derzeit ignoriert, das muss sich bei einer ganzheitlichen Betrachtung natürlich ändern! Fällt Europa hinter den Kenntnisstand von Elon Musk von vor etwa 10 Jahren zurück?“

Für die Elektrifizierung des Caddy haben sich die Trierer Forscher für LFP-Zellen des chinesischen Herstellers CALB entschieden und eine Batterie mit einem Energiegehalt von 25,9 kWh verbaut – simuliert wurde zudem noch eine doppelt so große Batterie mit 51,8 kWh. Zudem wurden die einzelnen Materialien der Batteriezellen (nach den Angaben des Herstellers CALB) in der Analyse mit erfasst. Die Lithium-Eisenphosphat-Zellen (LFP) enthalten im Gegensatz zu den in der Autoindustrie häufig verwendeten Nickel-Kobalt-Mangan-Technologie (NCM) kein Kobalt, das wegen seines Abbaus vor allem im Kongo regelmäßig in der Kritik steht. Aber: Laut der wissenschaftlichen Literatur ist der Einfluss der Materialien für unterschiedliche Zellchemie-Typen ungefähr gleich hoch – und es ist somit vernachlässigbar, ob es sich um eine LFP-, NCM oder NCMA-Zelle handelt. Der Energiebedarf der Produktion ist ungleich wichtiger.

Mit all diesen Daten haben die Forscher die Umweltauswirkungen nach der ReCiPe-Methode in 18 Kategorien berechnet – für insgesamt neun verschiedene Emissions-Profile des Fahrzeugs vom Benziner über den Diesel und CNG-Antrieb bis hin zu den elektrifizierten Varianten in verschiedenen Ausprägungen hinsichtlich Batterie-Kapazität und -Produktion. Als Grundlage hierfür diente unter anderem ein vor dem Umbau gemessener Benzinverbrauch von 8,89 Litern auf 100 Kilometer sowie ein gemessener Stromverbrauch von 23,57 kWh/100km nach dem Umbau. Die Kategorien umfassen unter anderem die gesamten CO2-Äquivalente über eine Lebensdauer von 150.000 Kilometern, die PM10-Emissionen, aber auch die Ozon-Freisetzung oder die Erschöpfung der Bodenschätze in Kilogramm-Eisen-Äquivalenten.

Elektroautos sehen in einigen Kategorien nicht gut aus

Dabei hat der elektrifizierte Caddy nur in fünf der 18 Kategorien klare Vorteile gegenüber den Verbrenner-Modellen – und zwar beim Klimawandel, Smogbildungspotential, Abbau fossiler Ressourcen, natürliche Landumwandlung und Ozonabbau. In der Gesamtbewertung aller Faktoren schneiden die simulierten Elektroautos jedoch allesamt besser ab – in zwei Fällen sogar deutlich besser. Die Forscher führen das aber auch auf das ReCiPe-Bewertungsschema zurück, da dieses „stark vom Klimawandeleffekt dominiert“ werde.

„Für Elektroautos gibt es einige Kategorien, in denen sie nicht gut aussehen“, so Helmers. Er gibt aber auch an, dass die Ökobilanzierung immer noch die Umweltvorteile von E-Autos unterschätze. So sei es nachgewiesen, dass Lärmemissionen des Verkehrs für Menschen sehr schädlich seien – in die Umweltbilanz fließt dieser Vorteil der E-Autos aber nicht mit ein. Oder ein anderes Beispiel: Gedruckte Leiterplatten, wie sie in der Elektronik eingesetzt werden, haben laut Helmers über die Lebensdauer des Autos einen großen Impact in der Kategorie Human-Toxikologie – unter anderem wegen der enthaltenen Metalle. In den Datensätzen der Elektroautos ist der relativ hohe Anteil der Leiterplatten in der gesamten Elektronik genau erfasst und einberechnet. Zudem hat der relativ konventionelle Caddy sehr viel weniger dieser Leiterplatten als eine Verbrenner-Luxuslimousine mit unzähligen Steuergeräten und teilautonomen Fahrfunktionen. Selbst unter den Verbrennern gibt es also enorme Unterschiede.

Eines zeigt die Auswertung aber deutlich: wie wichtig die Energiequelle für die Produktion der Batterie, aber auch das Laden während der Nutzungsphase ist. Kommt mehrheitlich Kohlestrom zum Einsatz, schneidet das Elektroauto in Kategorien wie Smogbildungspotential, Feinstaubbildung, Verbrauch von Land oder Versauerung der Erde schlecht ab – und natürlich bei der Erschöpfung fossiler Ressourcen. „Beim Umstieg von chinesischem Strom auf 100% PV verringern sich die Auswirkungen in 14 Kategorien um durchschnittlich 43% pro Wirkungskategorie“, heißt es in der Studie. „Bei Verwendung von 100% Windstrom in der Batterieherstellung hingegen sind trotz der Auswirkungen auf die Erschöpfung der mineralischen Ressourcen selbst diese Auswirkungen geringer als bei der Bereitstellung von chinesischem Strom.“

Aber: Der direkte Stromverbrauch während der Zellproduktion macht nur einen Teil der CO2-Äquivalente aus. Und auch dieser Anteil kann stark variieren – von 75 Prozent im Kohlestrom-Szenario über 57 Prozent im europäischen Strommix bis hin zu 0,4 Prozent bei 100 Prozent Windstrom. Also von sehr signifikant bis quasi vernachlässigbar. Die restlichen Anteile werden durch die Bereitstellung der Zellkomponenten verursacht – also zwischen 25 und 99,6 Prozent. Der CO2-Fußabdruck der Batterieproduktion unter Windstromverbrauch wird daher fast vollständig von der Bereitstellung der Batteriekomponenten dominiert, während es beim Kohlestrom nur ein Viertel der gesamten CO2-Äquivalente ist. All das zeigt, wie wichtig die Produktion mit erneuerbaren Energien für die Umweltbilanz ist.

Nur ein Verkehrsmittel ist sauberer als Elektroautos

Ein anderer wichtiger Punkt ist zudem auch die Größe der Batterie. In einer weiteren Vergleichsrechnung haben die Forscher den gesamten CO2-Fußabdruck über die Lebensdauer von 150.000 Kilometern bzw. 200.000 Kilometern berechnet. Einmal liegt der deutsche Strommix von 2013 zugrunde (laut den Forschern ein guter Vergleichswert für den europäischen Strommix), einmal ein simulierter Strommix aus dem Jahr 2050, wenn Deutschland die erneuerbaren Energien weiterhin ausbaut.

Mit dem fiktiven 2050er Strommix kommt das Elektroauto immer unter den hier mit 263 Gramm pro Kilometer berechneten Verbrenner-Wert – egal ob eine 25,9 oder 51,8 kWh große Batterie zu Grunde gelegt wurde. Selbst im „schlechtesten“ EV-Anwendungsfall mit 51,8 kWh ohne Second-Life-Nutzung (die im Schnitt 15 Prozent einspart) liegen die simulierten E-Autos mit maximal 166 Gramm CO2-Äquivalent in diesem Fall deutlich unter dem Verbrenner. Eine weitere rechnerische Verdopplung der Batteriegröße für ein E-Auto aus der Luxusklasse hält Helmers auf Basis der Daten des Caddys aber nicht für zulässig – wegen der beschriebenen Effekte anderer Bauteile wie der Elektronik müsse man dann auch die Bilanz eines E-Luxusautos mit der eines Luxusautos vergleichen.

Anders sieht es beim Laden mit dem 2013er Strommix aus: Hier liegen – je nach Stromquelle für die Batterieproduktion – bereits Elektroautos mit rund 50 kWh Energiegehalt auf oder über dem Niveau des Verbrenners. Lediglich Autos mit kleinen Batterien (in der Simulation: 25,9 kWh) schneiden durchweg besser ab als der Verbrenner. Welche Chancen ein solches Auto derzeit im Verkauf hätte, ist leicht abzusehen. Sagen wir so: Es wären keine guten.

Am Ende der Studie haben die Forscher noch einen interessanten Vergleich angestellt – und die Auswirkungen der zurückgelegten Passagierkilometer ermittelt und mit anderen Verkehrsmitteln verglichen. Auch hier wurden verschiedene Szenarien für Batterieproduktion, Ladestrom und Fahrzeugbesetzung berechnet. „Unter optimalen Bedingungen“ seien die Auswirkungen des Lebenszyklus von Elektroautos „selbst mit öffentlichen Verkehrsmitteln wie Dieselbussen, Reisebussen und Zügen wettbewerbsfähig“, schreiben die Forscher. Nur ein motorisiertes Verkehrsmittel konnten die Elektroautos nicht schlagen: den Elektrobus.
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