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Erneuerbare Energien

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Ökobilanz der Elektromobile

Text: J. Weinberg, C. Wulf, M. Kaltschmitt, TU Hamburg-Harburg Foto,Grafiken: mypokcik/iStockphoto, TUHH
Elektrische Antriebe ermöglichen lokal emissionsfreies Fahren. Sie verlagern aber auch die Freisetzung von Emissionen von der Straße zum Kraftwerk. Die Menge der Treibhausgasemissionen hängt vom gesamten Lebensweg der Fahrzeuge und der Kraftstoffproduktion ab.

Elektrische Antriebe bei batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) wie auch Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEV), die Wasserstoff als Kraftstoff nutzen, können Strom und Wasserstoff aus erneuerbaren Energien nutzen. Das spart Öl als begrenzte Ressource und reduziert das Freisetzen von Treibhausgasemissionen im Allgemeinen deutlich. Außer Wasserdampf entstehen lokal keine weiteren Emissionen. Jedoch ist die Fertigung der Batterien und Brennstoffzellen energieintensiv, wodurch die Produktion derartiger Fahrzeuge deutlich mehr Emissionen verursacht, als die Herstellung konventioneller Fahrzeuge. Deswegen ist es erforderlich, beim Bewerten von elektrischen Antrieben den gesamten Lebenszyklus der Fahrzeuge zu betrachten. Dies wird nachfolgend anhand von Pkw der Kompaktklasse für Brennstoffzellenfahrzeuge und Elektrofahrzeuge im Vergleich zu einem konventionellen Dieselfahrzeug gezeigt (siehe Tabelle auf Seite 44). Im Rahmen einer Ökobilanz nach DIN EN ISO 14040 und 14044, die den Bau, den Betrieb - das heißt Kraftstoffbereitstellung und direkte Emissionen - sowie das Entsorgen der Fahrzeuge berücksichtigt, werden die Umweltwirkungen der Antriebskonzepte ermittelt. Neben den erzeugten Treibhausgasemissionen in Gramm CO 2-�?quivalenten werden hier auch Emissionen mit versauernder Wirkung in Milligramm SO 2-�?quivalenten untersucht. Gezeigt werden soll, ob eine gegebenenfalls verbesserte Treibhausgasbilanz negative andere Umweltwirkungen nach sich ziehen könnte.

Batterieelektrische Antriebe

Pkw mit Elektroantrieb nutzen als Energiespeicher Lithium-Ionen-Batterien, die durch ihre relativ geringe Energiedichte meist nur Reichweiten von unter 200km erlauben. Zurzeit liegen noch wenige Informationen über die Alterung dieser Batterien vor. Deshalb ist es fraglich, ob sie möglicherweise bereits nach einigen Jahren ausgetauscht werden müssen. Hier wird jedoch davon ausgegangen, dass die Batterie das gesamte Fahrzeugleben hält. Die elektrische Energie, die in der Batterie gespeichert ist, wird vom Elektromotor aufgenommen und zum Antrieb genutzt. Da ein BEV Bremsenergie zurückgewinnen kann, hat es - auch wegen der höheren Wirkungsgrade von Elektro- im Vergleich zu Verbrennungsmotoren - wesentlich geringere Energieverbräuche. Die elektrische Energie, die das Fahrzeug beim Laden aufnimmt, ist hier als der deutsche Strommix des Jahres 2011 angenommen - 62% fossile Energieträger, 18% Kernenergie, 20% Regenerative. Da Energieversorger oft sogenannte Ökostrom-Tarife für die Ladung von Elektrofahrzeugen anbieten, wird hier außerdem das Nutzen von Strom aus einem durchschnittlichen Mix regenerativer Energien unterstellt. Die Bilanzierung der Stromerzeugung schließt jeweils die gesamte Vorkette der Energiebereitstellung sowie den Bau und den Rückbau der Anlagen und Kraftwerke mit ein.

Brennstoffzellenfahrzeuge

Brennstoffzellenfahrzeuge besitzen wie Pkw mit batterieelektrischem Antrieb einen Elektromotor. Jedoch wird der elektrische Strom von einer Brennstoffzelle aus Wasserstoff erzeugt. Damit aber auch Bremsenergie zurückgewonnen werden kann, wird zusätzlich eine kleine Batterie eingebaut. Durch das Speichern der Energie in Wasserstoff(tanks) bei 70MPa statt in einer Batterie lassen sich Reichweiten für ein Kompaktfahrzeug von bis zu 450km realisieren. Somit bieten sie einen Kompromiss zwischen den reinen Batterie- und den konventionellen Fahrzeugen. Der Wasserstoff kommt für diese Untersuchung aus der elektrolytischen Produktion. Für den eingehenden Strom - deutscher Strommix und regenerativer Strommix - gelten die gleichen Randbedingungen wie für das BEV. Darüber hinaus wird eine Variante mit Wasserstoff aus Erdgas betrachtet, da es sich hierbei um die verbreitetste Herstellungsmethode von Wasserstoff handelt.

Fahrzeugherstellung

Die Emissionsbilanzen der Fahrzeugkomponenten zeigen, dass die zusätzlichen Komponenten - insbesondere die Batterie, die Brennstoffzelle und der Wasserstofftank der elektrischen Antriebe - die Ergebnisse bestimmen (siehe Abbildung links auf Seite 44). Die Emissionen für das Basisfahrzeug sind dabei für alle drei untersuchten Fahrzeuge gleich. Die große Batterie des batterieelektrischen Fahrzeugs ist in der Herstellung deutlich energieintensiver als Motor und Getriebe des Dieselfahrzeugs. Dies verursacht die höheren Treibhausgasemissionen des BEVs. Beim FCEV existiert ein ähnlicher Zusammenhang. Die 700-bar-Tanks für den Wasserstoff bestehen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dieser ist sehr leicht und kann die hohen Drücke gut aushalten. Jedoch ist er in der Produktion sehr energieintensiv. Der Unterschied zwischen Dieselfahrzeug und den elektrischen Antrieben ist noch deutlicher in Bezug auf die Emissionen mit versauernder Wirkung. Dies liegt vor allem an den benötigten Materialien für die Batterie und die Brennstoffzelle. Beim Abbau von Nickel, das für die Batterie benötigt wird, werden auch sulfidische Erze gefördert. Der darin enthaltene Schwefel oxidiert bei der Weiterverarbeitung zu Schwefeldioxid (SO 2) und verursacht so hohe Emissionen mit versauernder Wirkung. Zum Teil wird auch Platin als Nebenprodukt der Nickelförderung gewonnen. Daher gelten für die Emissionen der Brennstoffzelle die gleichen Gründe wie für die Batterie.

Lebensweg

Betrachtet man den gesamten Lebensweg der Fahrzeuge (siehe Abbildung oben rechts), so zeigt sich, dass die Emissionen sowohl von Treibhausgasen als auch von versauernden Stoffen beim BEV in der gleichen Größenordnung liegen wie die Emissionen des Dieselfahrzeugs, wenn der deutsche Strommix zum Laden des Fahrzeugs verwendet wird. Die wenigen eingesparten Emissionen zum Bereitstellen des Kraftstoffs im Vergleich zum Diesel gleichen die höheren Emissionen bei der Fahrzeugherstellung aus. Wird regenerativ erzeugter Strom direkt oder zur Wasserstofferzeugung für das FCEV genutzt, werden über den Lebensweg etwa halb so viele Treibhausgasemissionen freigesetzt wie beim Dieselfahrzeug. Die Emissionen mit versauernder Wirkung des regenerativ betriebenen BEVs sind die geringsten der untersuchten Fahrzeuge; sie nehmen aber im Vergleich zum Dieselfahrzeug weniger stark ab als die Treibhausgasemissionen. Bei fossil erzeugtem Strom wird ein großer Teil der Emissionen zum Bereitstellen des Kraftstoffs durch den Ausstoß von Gasen mit Säurebildungspotenzial aus Kohlekraftwerken verursacht. Beim regenerativen Strommix hingegen ist dafür jedoch nicht der Kraftwerksbetrieb verantwortlich, sondern der Anbau von Energiepflanzen zur Biogaserzeugung und -verstromung, wofür insbesondere Mineraldünger benötigt werden.Sowohl die höchsten Treibhausgasemissionen als auch die höchsten Emissionen mit versauernder Wirkung werden vom FCEV erzeugt, das mit Wasserstoff aus konventionellem Strom betrieben wird. Dies lässt sich auch durch die Umwandlungsverluste beim Erzeugen von Strom und der weiteren Umwandlung zu Wasserstoff erklären. Wird Erdgas als fossiler Energieträger zur Wasserstofferzeugung mittels Dampfreformierung genutzt, entstehen etwa gleich viele Treibhausgasemissionen wie beim Dieselfahrzeug. Weiterhin entstehen die geringsten Emissionen mit versauernder Wirkung von den untersuchen Wasserstoffpfaden. Dies liegt an den höheren Wirkungsgraden dieser Prozesskette - das heißt, das direkte Erzeugen von Wasserstoff ohne den „Umweg“ über die Elektrizität - und an den geringen Anteilen von Schwefel im Erdgas im Vergleich zu anderen fossilen Energieträgern wie Kohle.

Recyclingstrategien entwickeln

Insgesamt zeigt sich, dass sich unter Einsatz regenerativer Energien in elektrischen Antrieben über den gesamten Lebensweg Treibhausgasemissionen einsparen lassen. Soll Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen als gut speicherbarer Kraftstoff eingesetzt werden, ist dessen direkte Erzeugung mit möglichst geringen Verlusten zu bevorzugen. Der Einsatz schwer zu gewinnender Materialien wie Nickel und Platin in Batterien und Brennstoffzellen sorgt jedoch dafür, dass durch die Fahrzeugherstellung höhere Emissionen mit versauernder Wirkung freigesetzt werden, die die Einsparungen in der Nutzungsphase meist (über-)kompensieren. Eine verlängerte Lebensdauer der Komponenten, verminderter Rohstoffeinsatz und ein Recycling der Materialien aus Brennstoffzelle und Batterie wäre also neben der zurzeit diskutierten Kostenersparnis auch in Bezug auf ökologische Fragestellungen erstrebenswert.

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