38. Die ökologischen Aspekte des Elektromobils während des gesamten Lebenszyklus

Verschiedene vergleichende Ökobilanz-Studien (LCAs) in diesem Bereich konzentrieren sich nur auf bestimmte Komponenten von batterieelektrischen Fahrzeugen, wie zum Beispiel die Antriebsbatterie und die Leistungselektronik, während einige andere die Umweltauswirkungen des gesamten Fahrzeugs bewerten und einige nur bestimmte Phasen des Lebenszyklus des Fahrzeugs – etwa dessen Nutzung oder Produktion – behandeln.⁵ Im Fall des Lebensendes (End of Life – EoL) sollte ernsthaft geprüft werden, ob die Demontage und anschließende Nutzung von Batterien innerhalb der Systemgrenzen liegt oder nicht. Wird davon ausgegangen, dass sowohl Niederspannungs- als auch Hochspannungsbatterien am Lebensende aus dem Fahrzeug entfernt und einer sekundären Nutzung zugeführt werden, fallen diese Prozesse außerhalb der Systemgrenze^{6,7,8,9,10,11} und bilden einige Beispiele für Studien, die den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs betrachten – einschließlich der Batterie und der übrigen Fahrzeugkomponenten. Darüber hinaus bewerten diese Studien verschiedene Umweltauswirkungen auf der Grundlage detaillierter Bestandsaufnahmen und Modellparameter.

In einer Ökobilanz zu Batterien wird deutlich, dass Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM)- und Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid (NCA)-Batterien schlechter abschneiden als andere Batterien – wenn eine massebasierte funktionale Einheit (Functional Unit – FU) gewählt wurde.¹² Dies führt zurück zur Relevanz einer ausgewählten, transparenten und deutlich definierten sowie nachvollziehbaren LCA und Wahl von FU und Systemgrenzen. Da diese Batterietypen eine höhere Energiedichte aufweisen, würden Ergebnisse anders ausfallen, wenn eine auf Energie basierende funktionale Einheit gewählt würde. Bei Verwendung einer massebasierten funktionalen Einheit standen Lithium-Eisen-Phosphat (LFP)- und Natrium-Ionen-Batterien vergleichsweise besser da.¹³

Die Durchführung der Sachbilanz (LCI, Kap. 37) ist mit Herausforderungen in Bezug auf Datenverfügbarkeit, Qualität und Transparenz verbunden. Für die Produktionsphase wurden Daten zu Materialien, Massen und Fertigungstechnologien für die spezifischen Monomaterialteile gesammelt – mit Hilfe entsprechender Fragebögen sowie von Literaturstudien, bestehenden Datensätzen, Forschungsberichten und veröffentlichten Informationen zum Fahrzeughersteller.¹⁴ Die Neuheit von Elektrofahrzeugen im Allgemeinen und die damit verbundene geringe Marktgröße führt zu einer Knappheit von Daten, die den Energieverbrauch von E-Mobilen im Gegensatz zu ihren „Internal-Combustion-Engine“ (ICE)-Pendants beschreiben. Infolgedessen haben einige Studien folgende Aspekte in die Sachbilanz aufgenommen:Andere Untersuchungen wiederum betrachten die Zusammensetzung der tatsächlichen Elektrofahrzeug-Flotte wie beispielsweise die Verbräuche von E-Fahrzeugen, die in einigen EU-Mitgliedstaaten zwischen 17,1 kWh/100 km und 21,5 kWh/100 km variieren.¹⁵ Einige Studien basieren auf vertraulichen Sachbilanzdaten – was eine Nachmodellierung oder einen direkten Vergleich unmöglich macht; andere wiederum modellieren die EoL-Phase nach verschiedenen Ansätzen und Instrumenten, wie etwa nach der Richtlinie 2000/53/EG und ISO 22628:2002 „Road vehicles Recyclability and recoverability: Calculation method“.^16,17

Obwohl alle aktuell publizierten Ökobilanzen von Elektroautos das Treibhauspotenzial beziehungsweise den Treibhauseffekt (in kg CO₂e) bewerten, umfassen einige auch den Abbau von Ressourcen (Mineralien, fossile und erneuerbare Energieträger), das Versauerungspotenzial, den photochemischen Ozonabbau und die Auswirkungen auf die Toxizität. Eine vergleichende Analyse, die sich nur auf das Treibhauspotenzial (CO₂-Fußabdruck) stützt, bringt in den meisten Fällen irreführende Schlussfolgerungen mit sich, da Elektrofahrzeuge im Vergleich zu Verbrennern in anderen Wirkungskategorien auch schlechtere Ergebnisse erzielen (siehe Tab. 38.1).¹⁸ Soll eine Verlagerung der Belastung von einer Wirkungskategorie zur anderen verhindert werden, liegt der größte Spielraum für Verbesserungen bei Elektroautos in der technologischen Entwicklung innovativer Verfahren zur Herstellung von Batterien, die einen hohen Wirkungsgrad, innovative ökoeffiziente Materialien und die Recycling-Fähigkeit der Komponenten bieten.¹⁹

Das Treibhauspotenzial (Global Warming Potential – GWP) wird häufig auch als „Treibhauseffekt“ oder „Klimawandel“ angegeben und beschreibt die potenzielle globale Erwärmung durch Emissionen von Treibhausgasen in der Luft. Der Ausstoß von Treibhausgasen bildet den Hauptfaktor für den Indikator, wobei die Emissionen einen erhöhten Strahlungsantrieb verursachen, was unmittelbar zu Temperaturanstiegen in Atmosphäre und Ozeanen führt. Das Treibhauspotenzial wird in CO₂-Äquivalenten angegeben, was die Schätzung der atmosphärischen Lebensdauer einer Chemikalie und des Strahlungsantriebs im Vergleich mit der Referenz CO₂ beschreibt.²⁰ Die stratosphärische Ozonschicht spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Bedingungen auf der Erde und schützt die Lebewesen vor schädlichen UV-Strahlen. Chemikalien wie etwa Fluorchlorkohlenwasserstoffe können bei Eintritt in die Atmosphäre zu ozonzerstörenden Reaktionen führen. Der Abbau des stratosphärischen Ozons (Ozone Depletion Potential – ODP) ist eine Verhältniszahl für die Ozonveränderung, die durch Emissionen bestimmter Substanzen hervorgerufen wird, verglichen mit der Ozonveränderung, die durch die Emission einer Einheit FCKW-11 (Fluorchlorkohlenwasserstoff) bedingt wird.²¹ Toxizitätsbezogene Indikatoren – beispielsweise das Humantoxizitätspotenzial und das Ökotoxizitätspotenzial – beschreiben Giftwirkungen auf Menschen und Umwelt.²² Die Wirkungskategorie der photochemischen Oxidantienbildung wird auch als „Sommersmog“ bezeichnet und beschreibt die Entstehung photochemischen, anthropogenen Ozons. Es entsteht als Produkt von Reaktionen in der Atmosphäre zwischen OH-Radikalen, den anthropogenen Luftschadstoffen, Stickstoffoxiden (NOx – Stickoxide) und verschiedenen flüchtigen organischen Verbindungen ohne Methan (NMVOC – Non-methane volatile organic compound).²³ Die Versauerung als Wirkungskategorie (Acidification Potential – AP) beschreibt die Versauerung von terrestrischen und aquatischen Systemen, wofür die Emissionen von säurebildenden Substanzen aus beispielweise Landwirtschaft und Industrie verantwortlich sind. CO₂ ist die Hauptursache für die Versauerung von Meeren, während Stickstoff- und Schwefeleinträge die Ursache für die Versauerung des Süßwassers und des Bodens bilden. Das Versauerungspotenzial selbst wird in SO₂-Äquivalenten (SO₂ – Schwefeldioxid) angegeben.²⁴ Der anthropogene Anstieg des Stickstoff- und Phosphoreintrags in Ökosystemen (Boden und Wasser) bedingt die Eutrophierung – die Überdüngung –, was auch das Auftreten von Ökosystemveränderungen aufgrund eines Überangebots von Nährstoffen beschreibt. Die Eutrophierung hat beispielsweise Auswirkungen auf die Artenzusammensetzung (Algenblüten, Sauerstoffmangel) und wird als Eutrophierungspotenzial (Eutrophication Potential) angegeben.²⁵ Die Beanspruchung elementarer und fossiler Ressourcen als Wirkungskategorie befasst sich mit den Umweltproblemen, die durch Nutzung von Ressourcen wie beispielsweise Metallen, Mineralien und fossiler Energie entstehen.²⁶ Der Wirkungsindikator des Wasserverbrauchs bedingt Verschmutzung und Konsum. In der Ökobilanz werden im Rahmen dieses Indikators primär der Verbrauch und die Verschmutzung von Süßwasser betrachtet, nicht jedoch die Auswirkungen auf Meer- oder Brackwasser.²⁷ Feinstaub beschreibt feste Partikel sowie Flüssigkeitstropfen in der Luft. Jene Schadstoffe, die in der Wirkungskategorie „Feinstaubemissionen“ betrachtet werden, sind in der Regel Schwebstoffe, die – angegeben in „Particulate Matter“ (PM) – beispielsweise in PM10 oder PM2,5 differenziert werden und unter anderem Auswirkung auf die menschliche Gesundheit haben.²⁸ Dolganova et al. (2020)²⁹ setzten sich in ihrem Review-Artikel die Feststellung zum Ziel, ob Aspekte der Ressourcennutzung in Ökobilanz-Fallstudien zu Elektrofahrzeugen (EV) angemessen berücksichtigt werden. Insgesamt wurden dafür 103 Ökobilanzstudien zu Elektrofahrzeugen aus den Jahren 2009 bis 2018 hinsichtlich ihrer Zielsetzung, ihres Umfangs, der berücksichtigten Wirkungskategorien und der Bewertungsmethoden ausgewertet – mit einem Schwerpunkt auf Ressourcenverbrauch und Kritikalität. Als Ergebnis ihres Reviews stellen die Autorinnen und Autoren fest, dass Elektrofahrzeuge in den meisten Studien höhere Werte für den Abbau von Mineralien und Metallen als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor aufweisen. Die explizite Analyse von Ökobilanzen zu Batterien zeigte, dass Lithium, Mangan, Kupfer und Nickel die höchsten Umweltbelastungen verursachen. Deutlich wird außerdem, dass sich nur ein geringer Teil der Veröffentlichungen mit der Kritikalität von Ressourcen beschäftigt.³⁰ Das Hauptaugenmerk des Automobilsektors liegt nach wie vor auf dem globalen Erderwärmungspotenzial für die Reduzierung der Treibhausgase (kg CO₂e) während des gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs,³¹ aber auch andere Wirkungskategorien werden betrachtet – obgleich in deutlich geringerem Umfang.³² Die Verwirklichung eines Fahrzeugs mit besserer Ökobilanz als sein Vorgängermodell ist nur möglich, wenn sowohl die Nutzungsphase als auch die Herstellungsphase in Betracht gezogen werden. Beispiele zur Erreichung einer besseren Umweltbilanz können etwa die Verwendung von mehr Sekundärrohstoffen wie Metallen und Thermoplasten sein, ebenso wie die Förderung weniger energieintensiver Materialien, aber auch Komponenten, die mit erneuerbarer Energie hergestellt werden, sowie die Verbesserung der Recycling-Fähigkeit der Fahrzeugkomponenten am Ende des Lebenszyklus.³³

Zwei weitere Studien betrachten explizit einzelne Wirkungskategorien, wobei weitere Aussagen im Vergleich zu denen von Dolganova et al. (2020) und van Loon et al. (2018)³⁴ zu finden sind: Im Fall von schweren Nutzfahrzeugen zeigen die LCA-Ergebnisse, dass die Differenz in CO₂e/t km negativ ist, was bedeutet, dass das Hybridfahrzeug im Vergleich zum Diesel-Lkw pro Tonne Ladung 4,34 g CO₂e/t km während seiner gesamten Lebensdauer weniger Emissionen freisetzt. Dabei sind die Auswirkungen auf den Klimawandel durch die Herstellung der Komponenten des Hybrid-EV-Antriebsstrangs im Vergleich zur Nutzungsphase sehr gering (0,07 g CO₂e/t km gegenüber 4,4 g CO₂e/t km).³⁵ Gemäß Del Pero et al. (2018) ist im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen der Einfluss der Herstellung auf den Klimawandel bei Elektroautos mit Blick auf Batterie, Elektromotor sowie Wechselrichter und Kühlsystem höher. Diese Auswirkungen werden in der Nutzungsphase weitgehend kompensiert, was zu einer Reduzierung der Gesamtauswirkungen um 36 % im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen führt.³⁶ Der Grund dafür ist das Fehlen von Abgasemissionen während des Betriebs sowie die geringere Umweltbelastung durch die Stromerzeugung im Vergleich zur Kraftstoffbereitstellung.³⁷ Das Versauerungspotenzial ist bei Elektrofahrzeugen höher (fast 50 %),³⁸ was auf die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien und Hochspannungsmotoren zurückzuführen ist, bei denen Aluminium, Kupfer und Nickel verwendet werden. Die hohen Werte des Versauerungspotenzials in der Nutzungsphase sind auf die SO₂-Emissionen zurückzuführen. Die Batterieproduktion bringt zudem äußerst hohe Auswirkungen in der Kategorie „Humantoxizität“ mit sich: Sie liegt bei Elektroautos bis zu fünfmal höher als bei Verbrennern. Bei Feinstaub zeigt sich ein ähnlicher Trend wie bei der Humantoxizität: Auch hier ist die Belastung durch Batterie-Elektrofahrzeuge mehr als doppelt so hoch wie durch Verbrennungsfahrzeuge und die Auswirkungen werden bei beiden Antriebstechnologien von der Produktionsphase dominiert. Was die Bildung von Sommersmog betrifft, so sind die Auswirkungen von „Battery Electric Vehicles“ (BEVs) etwas höher als die von ICEVs (+26 %). Bei beiden Antriebstechnologien sind hauptsächlich die NOx-Emissionen für die Auswirkungen verantwortlich.³⁹ Die Auswirkungen der BEV-Nutzungsphase werden stark von der Stromquelle beeinflusst. Wird Strom aus Quellen erneuerbarer Energie verwendet, reduziert sich der Ausstoß von Treibhausgasen erheblich. Das ist von Vorteil, da es zu einem niedrigen „Break-even-Point“ führt. Er beschreibt die Fahrleistung, bei der die großen Umweltbelastungen durch die Produktion des Hybridantriebsstrangs im Vergleich zum konventionellen Antrieb kompensiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die erhöhten CO₂-Emissionen, die aus der Produktion des schweren Hybrid-EV-Antriebsstrangs resultieren, aufgrund der effizienteren Energieumwandlung und der Möglichkeit der Energierückgewinnung bei einer Fahrleistung von etwa 15.800 km (etwa 1,5 Monate) kompensiert werden.⁴⁰ Für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge zeigt die von Del Petro et al. (2018)⁴¹ vorgenommene Analyse des Break-even-Points, dass der Umweltnutzen in Bezug auf den Klimawandel bei einer geringeren Fahrleistung (etwa 45.000 km) eintritt. Bei den anderen Wirkungskategorien gibt es nur bei der Verwendung von sauberen Energieformen einen Break-even-Point. Dies lässt den Schluss zu, dass der Umweltnutzen nur dann gegeben ist, wenn der vom Auto verbrauchte Strom aus Quellen nicht fossiler Energie stammt. In Gebieten mit einem Stromnetzmix, der durch einen hohen Anteil von Kohlestrom gekennzeichnet ist, könnten Elektrofahrzeuge kontraproduktiv sein, weshalb die Begrenzung der Abgasemissionen konventioneller Autos die wirksamste Strategie zur Verringerung der Auswirkungen sein könnte.⁴² Es ist jedoch zu beachten, dass der Anteil erneuerbarer Energie am Strommix in naher Zukunft schrittweise steigen wird, wodurch das Potenzial der Elektromobilität zur Verringerung der globalen Erwärmung und der Erschöpfung fossiler Brennstoffe erhöht wird.⁴³ Ein weiterer Aspekt, der bei der Zusammensetzung des Stromnetzes zu berücksichtigen ist, liegt in der Auswirkung des grenzüberschreitenden Stromhandels auf die Kohlenstoffintensität des gelieferten und des für den Verbrauch in den verschiedenen EU-Mitgliedstaaten verfügbaren Stroms: Importe aus einem Land mit einer geringeren Kohlenstoffintensität des Strommixes führen zu einem geringeren Kohlenstoffgehalt des importierenden Landes und umgekehrt.⁴⁴

Die Herausforderung wachsender Materialverbräuche und der Ressourceneffizienz sind Themen, die in den vergangenen Jahren intensiv diskutiert wurden.⁴⁵ Der Umstieg von konventionellen Fahrzeugen auf Elektrofahrzeuge in den nächsten Jahren und Jahrzehnten bedeutet eine relevante Veränderung im weltweiten Ressourcenverbrauch. Vor allem bezüglich der Batterieherstellung wird die Nachfrage zu Lithium, Kobalt, seltenen Erden und Graphit voraussichtlich stark ansteigen: bis zum Jahr 2025 um das Siebenfache und bis 2030 um das Elf- bis 13-Fache⁴⁶ – was eine große Auswirkung auf Ressourcen und Umwelteinflüsse⁴⁷ sowie auf soziale Aspekte hat (siehe Kap. 37). Dabei sind die größten negativen Beiträge auf die Gewinnung und die Verarbeitung von Metallen zurückzuführen.⁴⁸

Hinsichtlich der künftig steigenden Anzahl von Elektrofahrzeugen auf den Straßen ist es wichtig, die Lücke umfassender und konsistenter Bewertungen des damit verbundenen Ressourcenbedarfs zu schließen (Ökobilanzen und lebenszyklusbasierte Nachhaltigkeitsbewertungen). Ohne transparente, valide und nachvollziehbare Bewertungen und daraus abgeleitete Maßnahmen zur umweltgerechten Gestaltung sind Elektrofahrzeuge nicht als die ultimative Lösung für eine nachhaltige Mobilität zu definieren.⁴⁹