Der anthropogene Klimawandel ist die größte Herausforderung unserer Zeit. Um den extremen Folgen entgegenzuwirken, muss der globale Ausstoß an Treibhausgasen reduziert werden. Der Verkehr in der EU ist für 30% der gesamten Kohlenstoffdioxidemissionen der europäischen Mitgliedsstaaten verantwortlich. Anders als Sektoren wie Energie, Wohngebäude, Industrie oder Land-, Forstwirtschaft und Fischerei, hat er im Vergleich zu 1990 seinen CO21-Ausstoß erhöht. 60,7% der CO2-Emissionen aus dem Verkehr stammen von Autos. Aufgrund der enormen Rolle des Verkehrs an den CO2-Emissionen beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Vergleich zweier alternativer Antriebsformen zu den herkömmlichen Verbrennern: Zum einen dem mit Wasserstoffbrennstoffzellen betriebenen und zum anderen dem mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren betriebenen Personenkraftwagen.
In der Bundesregierung scheint die Wahl der Antriebstechnologie der Zukunft bereits gefallen zu sein: „Batteriezellfertigung und autonomes Fahren sind hier zentral“ heißt es vom Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier in einer Pressemitteilung zum Thema „Zukunft der Mobilität“ in der die Brennstoffzelle nicht einmal namentlich erwähnt wird. Öffentliche Diskussionen über die Vor- und Nachteile von Elektroautos und Wasserstoffautos beziehen sich meist nur auf einzelne Aspekte oder setzen eine hohe Gewichtung auf die Nutzerfreundlichkeit. In dieser Arbeit werden diese Aspekte jedoch nicht betrachtet, denn diese soll die CO2-Bilanz beider Antriebstypen vergleichen. Dieser Vergleich soll die Frage beantworten, wie beide Antriebstechnologien funktionieren und welche der meistdiskutierten alternativen Antriebsformen, BEV und HFCEV, die emissionsärmere Wahl für die Zukunft der privaten personenbezogenen Mobilität sein wird.
Für meine Arbeit werde ich zunächst den Grund für die Nutzung von PKW erläutern. Darauf folgen voneinander unabhängige Darstellungen zu dem BEV und dem HFCEV, welche diese in einem Zwischenfazit mit den aktuellen Verbrennungsmotoren gegenüberstellen. Dafür werden viele Quellen zusammengetragen und verglichen, sowie eigene Berechnungen über die CO2-Bilanz der Technologien erstellt. Der Konsens der Quellen und eigener Berechnungen bildet dann die Datenbasis für das Fazit, welches zukünftige Handlungsempfehlungen enthalten soll.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Private personenbezogene Mobilität heute
2.1 Notwendigkeit des Autos
2.2 Fossile Energieträger als Kraftstoff der Mobilität
3 Batterieelektroauto
3.1 Funktionsweise des Antriebs eines Batterieelektroautos
3.2 Lithium-Ionen-Akkumulator
3.2.1 Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators
3.2.2 Verlauf der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren
3.2.3 Beschaffung der nötigen Ressourcen
3.3 Auswirkungen der Elektromobilität auf das deutsche Stromnetz
3.4 CO2-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus eines Batterieelektroautos
4 Wasserstoffbrennstoffzellenautos
4.1 Funktionsweise des Antriebs eines Wasserstoffbrennstoffzellenautos
4.2 Brennstoffzelle
4.2.1 Funktionsweise einer Brennstoffzelle
4.2.2 Verlauf der Entwicklung besserer Brennstoffzellen
4.2.3 Verwendung und Beschaffung der nötigen Ressourcen
4.3 Wasserstoff als Treibstoff
4.3.1 Vorkommen und heutige Produktionsverteilung
4.3.2 Herstellung durch Wasserelektrolyse
4.3.3 Transport und Lagerung
4.4 CO2-Bilanz über den gesamten Lebenszyklus eines Wasserstoffbrennstoffzellenautos
5 Vergleich der alternativen Antriebstechnologien als Ersatz heutiger privater personenbezogener Mobilitätsformen
6 Fazit
7 Anhang
7.1 Rechnungen
7.1.1 Legende
7.1.2 Konstanten
7.1.3 Übersicht Verbrenner
7.1.4 Übersicht BEV
7.1.5 Übersicht HFCEV
7.1.6 Vergleichende Übersicht
7.2 Abbildungsverzeichnis
8 Literaturverzeichnis
8.1 Internetquellen
8.2 Monografien
8.3 Lexikonartikel
1 Einleitung
Der anthropogene Klimawandel ist die größte Herausforderung unserer Zeit, weil er die Lebensgrundlage unserer heutigen Zivilisation bedroht. Extreme Hitzewochen kosten allein in Deutschland tausende Menschenleben, die starke Trockenheit senkt den Flusspegel, was den Transport über Wasserwege gefährdet, die Kühlung von Kraftwerken erschwert und Schäden in der Landwirtschaft verursacht. Um diesen extremen Folgen entgegenzuwirken, muss der globale Ausstoß an Treibhausgasen reduziert werden (vgl. Ayoub 2019). Der Verkehr in der EU ist für 30% der gesamten Kohlenstoffdioxidemissionen der europäischen Mitgliedsstaaten verantwortlich. Anders als Sektoren wie Energie, Wohngebäude, Industrie oder Land-, Forstwirtschaft und Fischerei, hat er im Vergleich zu 1990 seinenCO21 -Ausstoß erhöht. 60,7% derCO2-Emissionen aus dem Verkehr stammen von Autos (vgl. Dalli 2019). Aufgrund der enormen Rolle des Verkehrs an denCO2-Emissionen beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Vergleich zweier alternativer Antriebsformen zu den herkömmlichen Verbrennern: Zum einen dem mit Wasserstoffbrennstoffzellen betriebenen und zum anderen dem mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren betriebenen Personenkraftwagen (PKW).
In der Bundesregierung scheint die Wahl der Antriebstechnologie der Zukunft bereits gefallen zu sein: „Batteriezellfertigung und autonomes Fahren sind hier zentral“ heißt es vom Bundeswirtschaftsminister Peter Altmaier in einer Pressemitteilung zum Thema „Zukunft der Mobilität“ in der die Brennstoffzelle nicht einmal namentlich erwähnt wird (vgl. Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur 2019). Öffentliche Diskussionen über die Vor- und Nachteile von Battery Electric Vehicle (BEV, umgangssprachlich: Elektroautos) und Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle (HFCEV, umgangssprachlich: Wasserstoffautos) beziehen sich meist nur auf einzelne Aspekte oder setzen eine hohe Gewichtung auf die Nutzerfreundlichkeit. In dieser Arbeit werden diese Aspekte jedoch nicht betrachtet, denn diese soll dieCO2-Bilanz beider Antriebstypen vergleichen. Dieser Vergleich soll die Frage beantworten, wie beide Antriebstechnologien funktionieren und welche der meistdiskutierten alternativen Antriebsformen, BEV und HFCEV, die emissionsärmere Wahl für die Zukunft der privaten personenbezogenen Mobilität sein wird.
Für meine Arbeit werde ich zunächst den Grund für die Nutzung von PKW erläutern. Darauf folgen voneinander unabhängige Darstellungen zu dem BEV und dem HFCEV, welche diese in einem Zwischenfazit mit den aktuellen Verbrennungsmotoren gegenüberstellen. Dafür werden viele Quellen zusammengetragen und verglichen, sowie eigene Berechnungen über dieCO2 -Bilanz der Technologien erstellt. Der Konsens der Quellen und eigener Berechnungen bildet dann die Datenbasis für das Fazit, welches zukünftige Handlungsempfehlungen enthalten soll. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine begründete Aussage zu treffen, welche dieser Antriebstechnologien sich aus rein ökologischer Sicht besser für die Ablösung herkömmlicher Verbrennungsmotoren eignet. Somit werde ich nicht, wie häufig in der öffentlichen Diskussion, auf subjektive Aspekte oder Punkte wie den Komfort Rücksicht nehmen, sondern das eigentliche Ziel, die Reduktion der Treibhausgase, zum alleinigen relevanten Kriterium erklären.
Aus energetischer Sicht geht bei jedem Umwandlungsschritt von einer Energieform in eine andere, ein bestimmter Prozentsatz ab, welcher nicht mehr genutzt werden kann. Ein BEV hat den Vorteil, dass die elektrische Energie direkt genutzt werden kann und nicht vorher in Wasserstoff umgewandelt werden muss. Somit ergibt sich ein besserer Gesamtwirkungsgrad des BEV gegenüber des HFCEV.
2 Private personenbezogene Mobilität heute
2.1 Notwendigkeit des Autos
Autos sind eine Möglichkeit zur Fortbewegung. Speziell PKW bieten Privatpersonen die Freiheit, um zu jeder Zeit schnell und wetterunabhängig zu ihrem Ziel zu kommen. Die Mobilität an sich ist ein entscheidendes Element unseres alltäglichen modernen Lebens. Die Notwendigkeit des Transportes von Menschen ist somit nicht in Frage zu stellen, jedoch die Art und Weise bzw. das Fahrzeug, welches größtenteils genutzt wird. Der PKW als Form der Mobilität hat sich gesellschaftlich festgesetzt und ist oft ein Zeichen des eigenen Wohlstandes, welchen man nicht abgeben möchte.
Im urbanen Raum stellt der öffentliche Personen Nahverkehr (ÖPNV) eine Alternative zum privaten PKW dar. Trotzdem ist dort weiterhin der PKW das meistgenutzte Verkehrsmittel. Gründe gegen die Nutzung des ÖPNV sind vor allem zu hohe Ticketpreise, die nicht vorhandenen Möglichkeiten Güter zu transportieren und dass die Fahrten zu lange dauern.
Jedoch geben 46% der städtischen Bevölkerung an, bei verbessertem ÖPNV-Angebot die Autonutzung einzuschränken (vgl. Thelen 2017. S. 2ff). Um eine weitläufige Verbesserung des ÖPNV zu erreichen, muss die Politik handeln und massiv in den Ausbau und die Weiterentwicklung eines städtischen Nahverkehrsangebot investieren. In den Wahlprogrammen deutscher Großparteien herrscht ein Konsens über den Ausbau von ÖPNV, so möchte bspw. die Partei „BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN“ „die Fahrgastzahlen im ÖPNV bis 2030 verdoppeln“ (Schäfer 2021. S. 17). Doch ist ein flächendeckendes Angebot nur in städtischen Regionen möglich und der ländliche Raum bleibt weiter auf den PKW angewiesen.
Darüber hinaus sind Langstreckenfahrten mit dem Auto ebenso möglich. Hierfür ist eine ökologisch sinnvollere Alternative der Schienenverkehr mit der Eisenbahn. Auch hier muss der politische Wille vorhanden sein, um diesen attraktiver zu gestalten. In den vergangenen Jahren ist jedoch das Eisenbahnnetz weniger gewachsen als das Straßennetz. 2019 kamen 38 km Autobahnen, 122 km Bundesstraßen und nur sechs Kilometer Bahnstrecke zum deutschen Verkehrsnetz hinzu (vgl. Balser 2020). Somit ergibt sich die Notwendigkeit, den PKW als Fortbewegungsmittel weiterzuentwickeln und möglichst umweltfreundlich zu optimieren.
Ein schneller Umstieg auf emissionsärmere Mobilitätsformen, wie den ÖPNV oder die Langstreckeneisenbahn, würde zwar enorme Emissionseinsparungen in der Verkehrsbranche bewirken und auch die von der deutschen Regierung gesetzten Klimaziele erreichbarer machen und trotzdem dem Bedarf an privater personenbezogener Mobilität in weiten Bereichen gerecht werden, jedoch ist aufgrund mangelnder Investitionen in der Vergangenheit das öffentliche Augenmerk eher auf die Nutzung von PKW für den alltäglichen Gebrauch gelegt. Bis die Alternativen des Autos im urbanen Bereich verbessert sind und keine neuen Technologien für den ländlichen Raum gefunden werden, ist die Nutzung des Autos jedoch essenziell und gesellschaftlich akzeptiert.
2.2 Fossile Energieträger als Kraftstoff der Mobilität
Im Jahr 2020 sind die neuzugelassenen PKW ca. zu 75% mit Benzin oder Diesel betrieben (vgl. Immen 2021). „Wir erleben eine Krise der Mobilität im Allgemeinen und der Automobilität im Besonderen“ schreibt Winfried Wolf (2019. S. 21), Chefredakteur von „Lunapark21 - Zeitschrift zur Kritik der globalen Ökonomie“ und ehemaliges Mitglied des deutschen Bundestages. Diese Krise konkretisiere sich auf drei Ebenen: zunächst die Klimakrise, verursacht durch den anthropogenen Klimawandel, ebenso als Krise der Städte, aufgrund von Platzmangel wegen der hohen Flächennutzung durch die PKW und der Luftqualitätsminderung durch Feinstaub, und als dritte Krise würde die Glaubwürdigkeit der Autohersteller als Folge des Dieselskandals2 schwinden (vgl. Wolf 2019. S. 21ff.).
Der Klimawandel entsteht durch den menschengemachten Ausstoß von Treibhausgasen. Diese erhöhen die globale Durchschnittstemperatur und sorgen so für eine Klimaveränderung. Auch diesel- und benzinbetriebene Autos stoßen Treibhausgase aus. Beide Antriebsstoffe bestehen aus unterschiedlich langen Kohlenwasserstoffketten. Im klassischen Verbrennungsmotor wird durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs chemische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Die grundlegende Funktionsweise ist dabei gleich: In einem Zylinder befindet sich ein Kolben, welcher sich auf und ab bewegt. Über eine Pleuelstange wird die Bewegung des Kolbens in eine rotierende Bewegung übersetzt. Ein Benzinmotor arbeitet in der Regel in einem 4-Takt-Verfahren. Im ersten Schritt wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Kolben eingesaugt. Durch die darauffolgende Aufwärtsbewegung des Kolbens kommt es zu einer Verdichtung des Gemisches. Durch eine Zündkerze wird im Ottomotor das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und dies führt zu einer Volumenvergrößerung des Gemischs. Der Kolben wird heruntergedrückt. Damit neuer Kraftstoff einströmen kann, werden die verbrannten Gase ausgelassen. Nach vielen Reinigungsverfahren sind es diese, welche wir als Abgase unserer Autos wahrnehmen (vgl. Stichwort: Verbrennungsmotor). Die Funktionsweise eines Dieselmotors ähnelt denen des allgemeinen Benzinmotors stark, die Unterschiede sind aber nicht von weiterer Relevanz. Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht immerCO2 und Wasser. Wasser ist selbstverständlich unbedenklich, jedoch istCO2 ein Treibhausgas und verursacht somit den anthropogenen Klimawandel. Unsere Mobilität hat somit die Beschleunigung des Klimawandels zur Folge.
Der erhöhte Platzmangel innerhalb der Großstädte lässt sich durch den Umbruch von emissionsärmeren Fahrzeugen nicht beheben, da das grundlege Mobilitätskonzept erhalten bleibt und somit auch die infrastrukturellen Ansprüche erhalten bleiben. Ebenso ist die Luftqualitätsminderung durch Feinstaub kein Problem der Verbrennungsmotoren allein. Der Feinstaub stammt vom Abrieb der Bremsen und Reifen und durch Aufwirbelungen des Feinstaubs durch den Verkehr an sich. BEV besitzen durch den schweren Akkumulator ein höheres Gewicht als vergleichbare Verbrenner und erzeugen somit einen erhöhten Feinstaubausstoß durch den Reifenabrieb, welcher die gesparten Emissionen der Rekuperation3 bei hohem Gewicht übertrifft. Um den Feinstaubanteil in den Städten zu senken, müsse weniger Individualverkehr stattfinden (vgl. Stegmaier 2020).
Unsere heutigen Mobilitätsformen tragen direkt zur Klimaerwärmung unseres Planeten bei, da die Verbrennung von Benzin oder DieselCO2-Emissionen verursacht.
3 Batterieelektroauto
3.1 Funktionsweise des Antriebs eines Batterieelektroautos
Das BEV ist keine neue Erfindung, sondern war schon in den Anfängen des Automobils populär. Damals war jedoch die Akkumulatoren-Technologie noch nicht weit genug entwickelt, um solide Lebensdauern und schnelles Aufladen zu gewährleisten (vgl. Gerl 2002: S.41).
Von außen lassen sich BEV und herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor kaum unterscheiden. Entscheidend ist der fehlende Verbrennungsmotor, welcher durch deutlich kleine und leichtere Elektromotoren ersetzt wird. Der Akkumulator befindet sich auf der gesamten Fahrzeugfläche im Bodenbereich und ist durch sein hohes Gewicht dafür verantwortlich, dass BEV meist deutlich schwerer sind als herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor trotz der Gewichtseinsparung durch die leichteren Elektromotoren (vgl. ebd. S. 41ff.).
Bei einem BEV wird elektrische Energie aus einem Akkumulator (i.d.R. Lithium- Ionen-Akkumulator) durch einen Elektromotor in mechanische Energie umgewandelt. Dazu wird die Kraft eines Magnetfelds genutzt, welches dieses auf einen stromdurchflossenen Leiter ausübt. Dadurch werden beim Betrieb eines BEV keine Treibhausgase ausgestoßen. Es gibt viele verschiedene Arten von Elektromotoren, welche sich primär durch die Art und Weise der Erzeugung des Magnetfelds und durch die Anordnung der stromdurchflossenen Leiter unterscheiden (vgl. Gerl 2002: S.44ff.). Exemplarisch werde ich hier den Synchron-Drehstrommotor erläutern, da dieser im meistverkauften BEV4, dem Tesla Model 3, verbaut ist (vgl. Ely 2021).
Elektromotoren besitzen einen Stator (äußerer blauer Ring in Abbildung 1), ein unbewegliches Bauteil, und einen Rotor, ein rotierbares Bauteil. Drehstrommotoren benötigen dreiphasige Drehspannung, welche aus der Gleichspannung im Akkumulator durch einen Wechselrichter erzeugt wird. Diese werden in der Abbildung 1 als U-, V- und W-Phase bezeichnet. Entscheidend für die Rotation des Rotors ist bei einem Drehstrommotor der induzierte magnetische Fluss, welcher durch die Erregerwicklung im Stator erzeugt wird. Die Wicklungen sind jeweils um 120° versetzt und mit den drei Phasen des Drehstroms verbunden. Durch den Stromfluss in den Wicklungen des Stators entsteht ein rotierendes Magnetfeld. Wechselwirkungen zwischen diesem umlaufenden Magnetfeld und dem Magnetfeld der Dauermagneten im Rotor, lassen eine Kraft auf den Rotor wirken, sodass dieser rotiert. In der Abbildung 1 werden diese Wechselwirkungen in grünen und roten Pfeilen dargestellt. Sie zeigen eine Abstoßung bzw. eine Anziehung an. Bei einem SynchronDrehstrommotor ist die Kreisfrequenz gleich der Frequenz des umlaufenden Magnetfeldes. Durch den Einsatz von Dauermagneten als Rotor anstatt von elektrischen Leitern, welche einen Induktionsstrom nutzen würden, wird dort elektrische Energie gespart. Die Effizienz des Fahrzeugs wird erhöht (vgl. Gerl 2002: S.47ff.).
Abbildung 1: Funktionsprinzip eines permanent erregten Synchronstrommotors (Gerl 2002: S.48)
BEV erzeugen mit elektrischem Strom aus einem Akkumulator mithilfe von elektromagnetischen Wechselwirkungen eine Rotation im Elektromotor, welche auf die Räder des Fahrzeugs geleitet wird. Im Fahrzeug selbst entstehen dabei keine Treibhausgase.
3.2 Lithium-Ionen-Akkumulator
3.2.1 Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators
Zur Bereitstellung der benötigten elektrischen Energie wird in aktuellen BEV ein Lithium-Ionen-Akkumulator (LIB) genutzt. Lithium eignet sich für Akkumulatoren sehr gut, weil es eine hohe Tendenz hat, Elektronen abzugeben. Lithium ist als Reinstoff sehr reaktiv und hat ein hohes Standardelektrodenpotential. Lithium strebt dazu oxidiert vorzuliegen. Wenn jedoch Lithium als Teil eines Metalloxids (z.B. Lithiumkobaltdioxid) vorliegt, so ist es sehr stabil. Geht man nun davon aus, dass Lithiumatome aus ihrem stabilen Zustand im Metalloxid entfernt werden und nun allein vorliegen, so bildet sich ein positives Lithiumion und ein freies Elektron. Bringt man dieses Elektron und das Lithiumion wieder zurück in das Metalloxid, so lagert es sich dort ein. Es ergibt sich die Möglichkeit Strom zu gewinnen, wenn das freie Elektron über eine externe Schaltung zum Metalloxid wandert, um sich dort mit dem Lithiumion zusammen einzulagern. Da dieser Prozess freiwillig abläuft, stellt dieser praktikabler Weise den Entladevorgang dar. Die Entfernung der Lithiumatome aus dem Metalloxid ist demnach der Ladevorgang.
Ein LIB besteht anfangs aus dem Metalloxid, einem Elektrolyten und Grafit. Das Grafit dient nur als Speichermedium und ist inert. Der Elektrolyt ist eine Flüssigkeit, welche organische Lithiumsalze (z.B. Lithiumhexafluorophosphat) enthält. Es ist ein wasserfreies aprotisches5 Lösungsmittel zur Leitung der Ionen. Wird um diesen Aufbau nun eine Spannungsquelle angelegt, so findet der Ladeprozess statt. Die Elektronen der Lithiumatome aus dem Metalloxid werden aus ihrer Bindung gelöst und wandern über den Stromkreis zum angelegten Pluspol. Die Elektronen befinden sich nun auf der Seite des Grafits. In der Zwischenzeit fließen die Lithiumionen durch den Elektrolyten ebenfalls auf die Seite des Grafits. Befinden sich alle Elektronen und Lithiumionen auf der Seite des Grafits, so ist der LIB vollständig aufgeladen.
Dieser Zustand ist jedoch sehr instabil. Die Lithiumatome streben dazu, wieder stabil innerhalb des Metalloxids vorzuliegen. Sobald die Spannungsquelle entfernt wird, entlädt sich der LIB. Die Elektronen durchströmen den Stromkreis und stellen somit elektrische Energie zur Verfügung. Ihr Ziel ist das Metalloxid, um dort mit den Lithiumionen wieder zum Teil des Metalloxids zu werden. Die Lithiumionen passieren den Elektrolyten und sind somit wieder auf der Seite des Metalloxids und lagern sich ein. Der Entladevorgang ist dementsprechend wie eine Umkehrung des Ladevorgangs, läuft jedoch freiwillig ab (vgl. Korthauer 2018: S.14f.).
Abbildung 2: Schematische Darstellung eines LIB im Entladezustand (Korthauer 2018: S. 15)
Damit ein LIB in der Realität genutzt werden kann, werden jedoch noch weitere Bauteile benötigt. Vor allem der Separator, welcher nur die Lithiumionen durchlässt, um einen Kurzschluss zu verhindern und die Elektronen somit zwingt über den Stromkreis zu fließen (vgl. Korthauer 2018: S. 75). In den meisten konventionellen LIB wird das Metalloxid von einer Aluminiumfolie umgeben und das Grafit wird mit einer Kupferfolie beschichtet, sodass eine bessere Leitfähigkeit vorliegt. Diese Bleche werden dann zusammen mit dem Separatorblech, welches mit dem Elektrolyten beschichtet ist, zu einem Zylinder aufgerollt. Mehrere solcher Zylinder bilden ein Akkumodul und mehrere dieser Module ein Akkupack. Dieser Aufbau bietet der Industrie eine hohe Modularität bei der Anpassung der Kapazität des Akkumulators an die Bedürfnisse, geringe Produktionskosten durch den bereits erprobten Herstellungsprozess und eine bessere Kühlungsmöglichkeit des Energiespeichers (vgl. ebd. S.108f.). LIB entwickeln beim Betrieb Wärme. Diese schränkt den LIB stark in seiner Leistungsfähigkeit ein. Bei der Konstruktion eines LIB für die Elektromobilität muss somit ein gutes Kühlkonzept entwickelt werden, sodass der LIB auch bei erhöhten Geschwindigkeiten, und somit erhöhter Leistung, keine Schäden erleidet. In BEV wird zur Regulierung der Temperatur ein Batterie-Management-System genutzt (vgl. ebd. S. 15).
LIB sind wiederaufladbare galvanische Zellen, welche mithilfe vom elektrischen Strom aufgeladen werden und auch wieder elektrischen Strom abgeben können. Dies basiert auf der reversiblen Einlagerung von Lithiumionen in einem Metalloxid bzw. in Grafit. Der LIB wird während der Fahrt genutzt, um die Elektromotoren zu betreiben.
3.2.2 Verlauf der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren
Zwar soll in dieser Arbeit kein Wert auf die Vor- und Nachteile verschiedener Antriebsformen, abgesehen vom Umwelteinfluss, gelegt werden, jedoch ist der Wille der Verbraucher ausschlaggebend für die Umsetzung der Antriebstechnologien. Somit ist das Verlangen der Verbraucher maßgeblich daran beteiligt, die tatsächlichen Umwelteinflüsse zu bestimmen. In Deutschland gab ca. die Hälfte der Befragten als Argument gegen ein BEV an, dass die Reichweite zu gering seien (vgl. Wilkens 2021). Der simpelste Weg diese zu erhöhen, ist die Nutzung größerer Akkumulatoren, die dann wieder einen größeren negativen Umwelteinfluss haben, das Fahrzeuggewicht und die Preise des gesamten BEV erhöhen. Damit eine Technologie zukünftig Erfolg hat, muss sie eben auch für die Mehrzahl der Bevölkerung bezahlbar sein. Deswegen liegt der Fokus bei der Entwicklung besserer LIB auf der Erhöhung der Energiedichte.
Diese wird in Wattstunde pro Kilogramm (Wh/kg)6 angegeben und stellt somit ein Verhältnis zwischen der Speicherkapazität und dem Gewicht des Akkumulators dar.
Diese Energiedichte konnte bei LIB innerhalb der letzten 10 Jahre verdoppelt werden. Heutzutage liegt sie bei durchschnittlichen 200 Wh/kg. Bis 2030 scheint eine weitere Verdopplung der Energiedichte möglich. Mittelfristig kann man durch den Einsatz von Nickel in den Kathoden und Anoden eine konventionelle Zelle bereits eine Energiedichte von 350 Wh/kg realisieren. Langfristig ist auch eine Steigerung der Energiedichte auf 400 Wh/kg durch Lithium-Metall-Anoden möglich, jedoch befinden sich hierfür benötigte Technologien bisher nicht im kommerziellen Einsatz und benötigen noch deutlich mehr Forschung und Entwicklung. Feststoffakkumulatoren könnten heutige LIB ablösen. Der entscheidende Unterschied zwischen konventionellen LIB und den Feststoffakkumulatoren besteht darin, dass der Elektrolyt keine Flüssigkeit, sondern ein Feststoff ist. Obwohl Experten nicht vor 2025 mit einem Festkörperakkumulator rechneten (vgl. Thielmann et al. 2020: S.17), kündigte das chinesische Automobilunternehmen NIO einen Feststoffakkumulator bereits für eine kommerzielle Serienproduktion im Jahr 2022 an. Der Feststoffakkumulator soll eine Energiedichte von 360 Wh/kg erreichen und schlägt somit die prognostizierten mittelfristigen Ziele der Entwicklung der Energiedichte von LIB bereits im kommenden Jahr (vgl. Geiger 2021).
Vor allem im Hinblick auf den Ressourcenverbrauch und den Energieverbrauch der Produktion von LIB sind auch verbessernde Technologien außerhalb der LIB möglich. Verbesserungen in der Kommunikation zwischen den einzelnen Zellen, Verringerung des Energieverbrauchs für andere Systeme im Fahrzeug, wie zum Beispiel für die Heizung oder für das Multimediasystem, oder auch neue Bauweisen für Elektronik und Karosserie bewirken eine Verringerung des Energieverbrauchs des gesamten Fahrzeugs. Diese Einsparungen bewirken eine höhere Reichweite ohne eine Veränderung des LIB. So könnten für die gewünschte Reichweite auch kleinere Energiespeicher ausreichen (vgl. Thielmann et al. 2020: S.17f).
LIB haben noch großes Potential in ihrer Entwicklung und können so einen entscheidenden Beitrag zur Akzeptanz von BEV in der Bevölkerung durch die Erhöhung der Reichweiten leisten. Durch die mögliche Verdopplung der Energiedichte werden sie ressourcen- und somit umweltfreundlicher.
3.2.3 Beschaffung der nötigen Ressourcen
Für den Akkumulator sind in großem Maße Lithium, Kobalt und Nickel zu fördern. Jedoch wird der Bedarf an Kobalt innerhalb der nächsten Jahre drastisch sinken und Nickel mehr in den Fokus rücken7 (vgl. Nagengast 2019). Nach Berechnungen des Fraunhofer ISI sind die bis 2050 wahrscheinlichen Fördermengen an Lithium, Kobalt und Nickel alle mit den terrestrischen Vorkommen vereinbar. Experten gehen davon aus, dass die Verbreitung von BEV nicht an der Menge von verfügbaren Ressourcen scheitert, auch wenn zeitweise Engpässe der Materialbeschaffung eine vorübergehende Verlangsamung der Verbreitung bewirken könnten (vgl. Nagengast 2019).
Mediale Präsenz genießt häufig die Gewinnung von Lithium in Chile, Argentinien und Bolivien. Hier wird Salzwasser, in welchem Lithium enthalten ist, in große Becken gepumpt und mit Sonnenlicht verdunstet. Andere Mineralien werden dann entfernt, sodass das Lithiumkarbonat des Salzwassers weiterverwendet werden kann. Zwar ist das verwendete Wasser aufgrund des hohen Salzgehaltes nicht zum Verzehr und auch nicht für die landwirtschaftliche Nutzung geeignet, aber das Abpumpen des Wassers führt zu einer Senkung des Grundwasserspiegels, da umliegendes Wasser nachfließt. Von dieser Problematik sind die indigenen Völker vor Ort beeinträchtigt. Auch wichtig zu beachten ist, dass die genannten Länder nicht die weltgrößten Exporteure von Lithium sind. Dies ist Australien, wo Lithium durch den teureren Bergbau gefördert wird, jedoch jeglichen Preisnachteil durch die kürzeren Lieferwege nach China8 wieder ausgleicht (vgl. Reitberger 2020).
Die Förderung von Kobalt erfolgt durch den Bergbau. Größere ökologische Bedenken sind hier nicht zu nennen. Medial wird häufiger auf die ethischen Probleme der Kinderarbeit bei der Förderung von Kobalt im Kongo eingegangen. Davon sind aber nur ca. 20 % des Kobalts aus dem Kongo betroffen. Ebenso ist auch hier Australien wiederum der größte Kobalt Exporteur und aufgrund der bekannten Probleme sowie technischer Vorteile wird Kobalt immer weniger verwendet und durch Nickel9 ersetzt (vgl. ebd.).
Viel umweltschädlicher ist die Beschaffung seltener Erden für die BEV. Für den Motor wird bspw. Neodym benötigt. Bei der Förderung hat China mit der Mine „Bayan Obo“ eine Monopolstellung (vgl. ebd.). Diese Minenanlage bewirkt Luft-, Wasser- und Grundwasserverschmutzung. Durch die Minenanlage wird die Ausbreitung der Wüsten in die Mongolei beschleunigt. Ebenso sind die Bewohner radioaktiver Belastung durch Ablagerungen der Aufbereitungsrückständen ausgesetzt (vgl. Rüttinger 2014: S. 17ff).
Immer entscheidender wird aber auch das Recycling der Batterien. Wenn die LIB konsequent gesammelt und recycelt werden, sind so über 90% des Nickels und Kobalts und 25 bis 50% des Lithiums wieder nutzbar (vgl. Thielmann 2020: S.14).
Die benötigten Ressourcen für LIB sind in ausreichenden Mengen verfügbar, jedoch ist der Abbau dieser häufig selbst noch sehr umweltschädlich und muss somit ebenso noch stark optimiert werden, damit die Treibhausgasemissionen des gesamten BEV besser werden.
3.3 Auswirkungen der Elektromobilität auf das deutsche Stromnetz
Um den gesamten Energieverbrauch und somit auch die Ökobilanz einer Antriebstechnologie zu vergleichen, muss man auch betrachten, wie die Energie in das Fahrzeug gelangt. Bei BEV ist dies über das Stromnetz relativ einfach, da man überall, wo man sein PKW abstellt, bereits ein Stromanschluss in der Nähe hat.10 Jedoch stellt sich die Frage, ob das deutsche Stromnetz für die neue Belastung durch BEV gerüstet ist.
Wenn alle PKW in Deutschland zu BEV werden würden, so erwartet man eine Steigerung der Stromnachfrage von 20%. Jedoch ist der gesamte Austausch aller Fahrzeuge nicht in naher Zukunft zu erwarten. Bis 2030 erwartet man nur eine Steigerung von 3-4,5% des Strombedarfs. Um diese Energie zur Verfügung zu stellen, werden neue Investitionen benötigt, jedoch werden die finanziellen Mittel hierfür bereits durch den die neuentstehenden Einnahmen der Energieversorger gedeckt (vgl. Thielmann 2020: S.20).
BEV bieten aber auch einen Vorteil für das deutsche Stromnetz. Sie tragen zur effizienteren Verwendung des Stroms bei, da sie zu Zeiten eines Stromüberschusses geladen werden können. Dies hat drei Vorteile: Erstens wird der überschüssige Strom nicht verschwendet, sondern in das BEV gespeichert und später genutzt. Zweitens wird der Strom zu diesen Zeiten günstiger, was wiederum die Kosten für ein BEV senkt und somit die Bereitschaft zum Kauf eines BEV in der Bevölkerung erhöhen sollte. Drittens kann durch die konsequente Verwendung von BEV der Ausbau von erneuerbaren Energien erleichtert werden. Diese Energieformen erzeugen sehr unregelmäßige Mengen an Strom, da bspw. Wind- und Solarkraft von den Wetterbedingungen abhängen und somit im Ertrag stark schwanken. Diese Schwankungen können durch die Ladung von BEV zu den Zeiten einer hohen Strommenge im Netz ausgeglichen werden. Bei einem Strombedarf könnten BEV ihre gespeicherte Energie ins Stromnetz einspeisen (vgl. ebd. S.21).
Klar ist, es muss Investitionen in das deutsche Stromnetz geben, wenn alle Autos zu BEV werden, jedoch sind diese Maßnahmen im Rahmen des absolut möglichen und sind durch die neuen Einnahmen durch das Laden der BEV refinanzierbar. Ebenso bieten BEV eine gute Möglichkeit, um Schwankungen in der Bereitstellung von erneuerbaren Energien auszugleichen.
3.4 CO2 -Bilanz über den gesamten Lebenszyklus eines Batterieelektroautos
DieCO2-Bilanz ist ein Maß für den Ausstoß des TreibhausgasesCO2 über den gesamten Lebenszyklus eines Produktes. Im Bezug auf das BEV beachtet dieCO2 - Bilanz alle Aspekte von der Förderung der benötigten Ressourcen, über deren Transport und die Verarbeitung, der Herstellung des BEV, bis hin zu den Treibhausgasemissionen bei dem Gebrauch des Fahrzeugs. DieCO2-Bilanz ist also eine Zahl, welche den gesamten Ausstoß vonCO2 eines BEV abbilden kann.
Um eine gleiche Ausgangslage zu bilden, um BEV mit anderen Fahrzeugtypen zu vergleichen, werden nur BEV spezifische Aspekte beachtet. So findet beispielsweise der Einfluss der Karosserie auf dieCO2-Bilanz keine Nennung, da man hier bei allen Antriebsarten von gleichen Werten ausgeht. Um denCO2-Ausstoß von BEV zu bestimmen, sind die entscheidenden Schwerpunkte die Produktion der LIB, der Wirkungsgrad der LIB und derCO2-Ausstoß bei der Bereitstellung des Stroms aus dem deutschen Stromnetz. Somit spalten sich die Informationen in zwei wichtige Gruppen: Einerseits derCO2-Ausstoß bei der Herstellung von BEV und andererseits derCO2-Ausstoß beim Betrieb von BEV.
Für die Klimabilanz eines BEV ist vor allem die LIB von größerer Relevanz. 2020 verursacht die Herstellung einer LIB im Regelfall 125 kgCO2/kWh11. Beim meistverkauften BEV12 ist allein die Herstellung des 80,5 kWh LIB für einenCO2- Ausstoß von 10 t verantwortlich. Diese Berechnung gilt für das Jahr 2020. Wie bereits in 3.2.2 erläutert, entwickeln sich LIB mit rasendem Tempo weiter. So wird die Produktion der besprochenen LIB im Jahre 2030 nur noch für Emissionen von ca. 56 kgCO2/kWhverantwortlich sein. Die gesamte LIB verursacht also einen Ausstoß von ca. 4,5tCO2 und hätte sich somit innerhalb von 10 Jahren halbiert. Stark ausschlaggebend für diese Entwicklung ist der Ausbau erneuerbarer Energien für die Bereitstellung des benötigten Stroms für die Herstellung der LIB (vgl. Sternberg 2019: S.22f).
Damit der Strombedarf und die damit einhergehendenCO2-Emissionen möglichst gering bleiben, muss das gesamte BEV einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Dieser ist ein Maß dafür, in welchem Umfang die zugeführte Energie zur Fortbewegung genutzt werden kann und welcher Anteil dabei in nicht direkt nutzbare andere Energieformen umgewandelt wird. Für BEV müssen die Speicherung der Energie im LIB, der Ladevorgang und der Elektromotor möglichst effizient funktionieren, da sonst der Stromverbrauch und somit auch dieCO2-Emissionen bei gleicher Fahrleistung steigen. Das hätte einen Anstieg der insgesamt benötigten Energie zur Folge. Allein beim Laden des LIB werden bereits 5% der zugeführten Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben und sind somit bereits nicht mehr nutzbar. Einen ähnlichen Wirkungsgrad weisen sowohl der LIB selbst beim Laden, die Umwandlung des Gleichstroms im LIB zum benötigten Wechselstrom im Motor und auch der Motor selbst auf. Die direkt zur Fortbewegung genutzte Energie entspricht also ca. 81,5% der dem BEV zugeführten Energie (vgl. Boening 2021: S.12).
[...]
1 Kurzschreibweise für Kohlenstoffdioxid: auch wenn wissenschaftlich nicht korrekt, da C02 die chemische Verbindung meint und nicht das ausgestoßene Treibhausgas, welches ich in meiner Arbeit behandele; ebenso wird ist diese Angabe immer als Äquivalent zu betrachten (der Einfluss anderer Treibhausgase wird in den von Kohlenstoffdioxid umgerechnet)
2 Manipulation der Abgaswerte von Fahrzeugen, zugunsten der Automobilhersteller und zu Lasten der Umwelt
3 Energierückgewinnung durch den Elektromotor, somit werden keine Bremsen genutzt und somit führt der geringere Verschleiß zu weniger Feinstaubemissionen
4 basiert auf den verkauften Stückzahlen im Jahr 2020
5 das Lösungsmittel enthält keine funktionellen Gruppen, welche Wasserstoff-Ionen abspalten können
6 auch der Gebrauch von Wattstunde pro Liter (Wh/l) ist gebräuchlich, da innerhalb eines BEV natürlich auch der verfügbare Platz entscheidend ist
7 siehe 3.2.2
8 meist der Herstellungsort von LIB (vgl. Kane 2019)
9 aufgrund der aktuellen geringen Verwendung von Nickel sind die Fördergebiete und somit auch die Umwelteinflüsse noch nicht vorherzusehen
10 80-90% der Beladung von BEV passiert heutzutage am Arbeitsplatz oder Zuhause
11 entspricht einem äquivalentem Ausstoß von 125kg des Treibhausgases CO2pro Kilowattstunde der LIB
12 Tesla Model 3 Long Range Battery
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