Klimabilanz und Umweltaspekte

Aktuelle wissenschaftliche Studien aus Deutschland und der ganzen Welt belegen:

E-Autos haben die bessere Klimabilanz

Die heute in Deutschland verfügbaren batterieelektrischen Pkw weisen eine deutlich bessere Klimabilanz auf als Fahrzeuge mit Benzin- oder Dieselmotor. Dies gilt bei Betrachtung über den gesamten Lebenszyklus hinweg (inklusive Fahrzeugherstellung, Energiebereitstellung und Entsorgung bzw. Recycling) und bereits bei Nutzung des allgemeinen deutschen Strommixes, der noch einen deutlichen Anteil an "grauem Strom" hat (rund 60 Prozent, produziert aus fossilen Energieträgern wie Kohle und Gas).

Je länger ein E-Fahrzeug in Gebrauch ist und je höher die jährliche Fahrleistung ist, desto größer ist der Klimavorteil gegenüber Verbrennern. Direkt nach der Herstellung sind E-Fahrzeuge gegenüber Verbrennern im ökologischen Nachteil, da die Produktion von Batterien sehr energieintensiv ist, sondern auch einen erheblichen Bedarf an verschiedenen Ressourcen mit sich bringt. In der anschließenden Nutzungsphase kompensieren E-Autos diesen Nachteil aufgrund ihrer höheren Energieeffizienz und dem Klimavorteil von Strom gegenüber Benzin oder Diesel. Moderne Lithium-Ionen-Batterien ermöglichen mehrere huntertausende Kilometer Fahrleistung, bevor ihre Leistung merklich nachlässt.

Je nach Fahrzeugmodell, Verbrauch und Strommix ist in der Regel nach einer Gesamtlaufleistung von 40.000 bis 80.000 Kilometern der Punkt erreicht, ab dem das E-Auto eine bessere CO₂-Bilanz aufweist. Kleinwagen schneiden hier am besten ab. Da die Faktoren Batteriegröße und Stromverbrauch ausschlaggebend für die Klimabilanz sind, haben die leichten und mit kleineren Batterien ausgestatteten Elektrofahrzeuge einen deutlichen ökologischen Vorteil gegenüber größeren und schwereren Fahrzeuge der Mittel- und Oberklasse. Plug-in-Hybride sind aus ökologischer Perspektive aufgrund des Einsatzes von zwei Motoren und des höheren Gesamtgewichts als kritischer zu bewerten als rein batterieelektrische Fahrzeuge. Häufig werden sie im Alltag auch nicht optimal genutzt, weil ihre elektrische Reichweite nicht ausgereizt oder das Laden vergessen wird.

 

Je mehr erneuerbarer Strom, desto klarer der Vorteil

Perspektivisch ist davon auszugehen, dass sich die Klimabilanz von E-Fahrzeugen weiter verbessern wird. Der deutsche Strommix wird durch den Ausbau erneuerbarer Energien immer "grüner". Aktuell stammt etwas weniger als die Hälfte des in Deutschland erzeugten Stroms aus regenerativen Quellen. Dies ist bereits ausreichend, um eine insgesamt positive Bilanz der E-Autos gegenüber Verbrennern zu erreichen - aber je mehr Strom erneuerbar erzeugt wird, desto schneller ist dieser Punkt erreicht. Öffentlich geförderte Ladesäulen müssen mit Ökostrom betrieben werden, was das Laden unterwegs zu einer recht "sauberen" Sache macht. Nicht zuletzt setzen Fahrzeughersteller vermehrt auf eine CO₂-arme Produktion und erwarten dies auch von ihren Zulieferern - insbesondere für Traktionsbatterien. Des Weiteren werden die Langlebigkeit, die Weiterverwendung und das Recycling von Batterien und anderen Komponenten stetig verbessert und tragen zu einer zukünftig günstigeren Bilanz bei. Neue EU-Richtlinien sollen für nachhaltigere Batterien sorgen, deren Rohstoffe aus ethisch bedenklenlosen Quellen oder dem Recycling stammen.

 

Ab Mai 2024: das neue Pkw-Label über Energieverbrauch und CO₂-Emissionen von Neufahrzeugen

Die novellierte Pkw-EnVKV ist am 23. Februar 2024 in Kraft getreten und sieht ab Mai 2024 verschiedene Änderungen und Verbesserungen vor. Anlass der Novellierung ist die EU-rechtliche Umstellung der Prüfverfahren auf das “Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure” (kurz: WLTP). Das Pkw-Label informiert darüber, wie klimafreundlich und kostengünstig ein Neuwagen im Betrieb ist. Es enthält Angaben über den spezifischen Energieverbrauch und die damit verbundenen CO₂-Emissionen sowie weitere Eckdaten wie die jährlichen Kosten des Kraftstoff- bzw. Stromverbrauchs, die möglichen CO₂-Kosten und die aktuelle Kfz-Steuer des neuen Pkw. Eine Farbskala mit sieben CO₂-Klassen (vergleichbar mit den Verbrauchsklassen von Elektrogeräten) ermöglicht den einfachen Vergleich alternativer Fahrzeugmodelle und unterstützt die Kaufentscheidung zugunsten emissionsärmerer Fahrzeuge. Nach der Pkw-Energieverbrauchskennzeichnungsverordnung (Pkw-EnVKV) muss jeder zum Kauf, zur Langzeitmiete oder Leasing angebotene Neuwagen mit einem Pkw-Label gekennzeichnet sein.

 

Weiterführende Informationen zur Klimabilanz batterieelektrischer Fahrzeuge bieten unsere Broschüren "Elektromobilität sinnvoll gestalten" (für Kommunen) und "Elektromobilität: Wirtschaftlich, nachhaltig, rechtssicher" (für Unternehmen).

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Elektrofahrzeuge werden als Wegbereiter für eine emissionsfreie Zukunft betrachtet, da sie herkömmliche Verbrennungsmotoren durch saubere elektrische Antriebe ersetzen. Doch dahinter verbirgt sich eine komplexe Realität, die stark von der Verfügbarkeit und Gewinnung von seltenen Erden sowie Rohstoffen wie Lithium, Graphit, Kupfer und Kobalt abhängt. Diese werden für die Herstellung von Antriebsbatterien und Elektromotoren benötigt.

 

Verfügbarkeit von Rohstoffen

Kurz gesagt: Die weltweiten Vorkommen wichtiger Rohstoffe übersteigen den prognostizierten Bedarf meist deutlich. Um den Bedarf seltener oder bedenklicher Rohstoffe niedrig zu halten oder gar zu vermeiden, werden konstant Technologien, Recyclingverfahren und -infrastruktur verbessert und ausgebaut. Bedarfe einzelner Rohstoffe können stärker steigen oder sinken als andere, sodass verlässliche längerfristige Prognosen nur eingeschränkt möglich sind.

Lithium, zum Beispiel, wird oft als Engpass-Rohstoff betrachtet, da seine Förderung und Verarbeitung sich auf wenige Länder, insbesondere Chile, Australien und Argentinien, beschränkt. Die aktuellen Reserven sind groß genug, um den steigenden Bedarf für die nächsten Jahrzehnte zu decken, auch wenn die aktuelle Förderkapazität den weltweiten Bedarf nur schwer decken kann. Darüber hinaus wird intensiv an alternativen Lithiumquellen geforscht, wie zum Beispiel aus Salzseen, aus der Meerwasser-Extraktion oder gar aus Thermalwassern im Rheingraben.

Auch für andere kritische Materialien wie Kobalt gibt es Anstrengungen, die Abhängigkeit von instabilen Regionen zu verringern und die Verwendung von Alternativen zu erhöhen. Technologische Fortschritte in der Batterietechnologie könnten zudem den Bedarf an bestimmten Rohstoffen reduzieren oder ganz eliminieren. So gibt es erste Batterietypen, die gänzlich ohne Kobalt in der Kathode auskommen, oder den benötigten Anteil auf ein Zehntel reduzieren.

Weitere Informationen finden Sie im Kapitel “Kritische Rohstoffe: ein Überblick”.

 

Produktionsbedingungen vor Ort verbessern

Kritische Fragen zu den Bedingungen, unter denen Rohstoffe in manchen Entwicklungsländern abgebaut und weiterverarbeitet werden, sind jedoch gerechtfertigt. Hier gilt: Zum einen muss nach dem Herkunftsland der Rohstoffe unterschieden werden. Bei großen Rohstofflieferanten, zum Beispiel aus südamerikanischen Schwellenländern, können die Arbeitsbedingungen und Umwelteinwirkungen an den Abbaustätten besser nachverfolgt werden als beispielweise in kleinen Kobaltminen im Kongo. Zum anderen gilt es zu bedenken, dass die stärkere Einbindung von rohstoffreichen Entwicklungsländern in die internationale Automobilindustrie gute Möglichkeiten für deren wirtschaftliches Wachstum und die Einführung von Industriestandards bietet – mit positiven Vor-Ort-Effekten für Einkommen, Arbeitssicherheit und Umweltschutz.

 

Fortschritte sind zu erwarten

Es wird weiterhin intensiv in der Batterietechnologie geforscht und entwickelt, um mit immer weniger kritischen Rohstoffen immer effizientere Batterien zu produzieren. Außerdem müssen die Anstrengungen im Hinblick auf die Weiternutzung ausgedienter Traktionsbatterien, zum Beispiel als stationäre Speicher, und im Hinblick auf deren Recycling verstärkt werden.

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Unter kritischen Rohstoffen bezeichnet man alle Rohstoffe, welche für Zukunftstechnologien wirtschaftlich wichtig sind, jedoch mit einem hohen Versorgungsrisiko verbunden sind. Dies rührt durch eine Abhängigkeit von Importen, potenziellen Engpässen und Handelsbeschränkungen in Drittländern. Ein Großteil dieser Rohstoffe findet sich in den Traktionsbatterien und Elektromotoren von Elektrofahrzeugen. Im Folgenden gewähren wir einen kurzen Überblick über die wichtigsten kritischen Ressourcen, deren Nutzen, Herkunft und gegebenenfalls auch Probleme.

 

Lithium

Lithium kommt als Bestandteil der Kathode, Anode und als Elektrolyt in sämtlichen Lithium-Ionen-Batterien vor. Für eine durchschnittliche 60 kWh-Batterie werden ca. 6 kg Lithium benötigt – bei einem Gesamtgewicht von etwa 400 kg. Zwar sind die globalen Reserven für den Hochlauf ausreichend, doch aktuell kann es zu Engpässen kommen – dementsprechend hoch ist auch der Preis. Ein Ausbau der Förderkapazitäten und Recycling (siehe das Kapitel “Grundlagen des Batterie-Recyclings”) sind notwendig, der Recycling-Anteil ist bisher sehr niedrig. Ein Großteil des Lithiums stammt aus Australien, Chile und der Volksrepublik China, wobei jedoch der Großteil in China raffiniert wird. Die größten Reserven finden sich in Australien und in den Salzwüsten und -seen Chiles. Langfristig wird der Bedarf durch den Einsatz anderer Batteriechemien (z.B. Natrium-Ionen- oder Eisen-Luft-Batterien) und besserer Recycling-Methoden sinken.

 

Kobalt

Kobalt (auch Cobalt) wird in den Kathoden verschiedener Lithium-Ionen-Batterietypen genutzt. Für eine durchschnittliche 60 kWh-Batterie werden ca. 5 kg Kobalt benötigt. Drei Viertel des Kobalts kommen aus der politisch instabilen Demokatischen Republik (DR) Kongo, wo es teilweise unter menschenwidrigen Bedingungen und mithilfe von Kinderarbeit im Kleinbergbau abgebaut wird. Gefördert wird auch in Russland und Indonesien – hier finden sich neben der DR Kongo und Australien auch noch einige Anteile der weltweiten Reserven. Wie beim Lithium konzentriert sich die Raffination des Kobalts hauptsächlich auf China. Zukünftige Batterien kommen mit weniger oder gänzlich ohne Kobalt aus. Auch die schon vergleichsweise hohe Recyclingquote von über 30 % wird sich zukünftig steigern und den Bedarf ausgleichen.

 

Nickel

Auch Nickel ist ein wichtiger Bestandteil in den Kathoden vieler Lithium-Ionen-Batterietypen. Im Gegensatz zu Kobalt wächst der genutzte Anteil jedoch immer stärker an: So befinden sich in einer durchschnittlichen 60 kWh-Batterie ca. 39 kg Nickel. Gefördert wird hauptsächlich in Indonesien und auf den Philippinen – wo sich die meisten Reserven befinden – sowie in Russland, wobei jedoch ein Großteil von der Stahlindustrie benötigt wird. Ein Drittel der Fördermenge wird in Indonesien raffiniert, ein Viertel in China. Durch die steigende Nachfrage müssen perspektivisch neue Ressourcen erschlossen werden.

 

Graphit

Im Alltag kennen wir das unscheinbare, grau-metallisch glänzende Mineral meist nur aus den Minen unserer Bleistifte. In den Anoden einer 60 kWh-Durchschnittsbatterie finden sich jedoch rund 52 bis 60 kg des Rohstoffs, was den größten Werkstoff-Anteil in dieser ausmacht. China ist hier mit Abstand führend in der Förderung und Raffination des natürlichen Flockengraphits, Reserven finden sich aber auch in Brasilien. Im Gegensatz zu den anderen kritischen Rohstoffen spielt neben dem Bergbau auch die synthetische Herstellung eine Rolle, und der Anteil an syntethischen Graphit steigt stetig. Durch den hohen Bedarf ist ein Ausbau der Förder- und auch Synthesemenge wichtig, wobei neuartige siliziumhaltige Anoden den Bedarf etwas verringern. Aufgrund der reichlich vorhandenen Menge spielt Recycling bisher noch keine große Rolle.

 

Mangan

Durchschnittlich 5 kg Mangan finden sich als namensgebender Bestandteil in Kathoden von Nickel-Mangan-Kobalt-(NMC)-Batterien. Für zukünftige High-Manganese-(Hi-Mn)-Batterien wird ein höherer Anteil dessen benötigt, aktuelle Batteriesysteme kommen jedoch mit immer geringeren Mengen des Übergangsmetalls aus. Die Hauptfördergebiete finden sich in der Kalahari Südafrikas, Gabun und Australien, über zwei Drittel des geförderten Mangans wird jedoch in China raffiniert. In diesen Ländern finden sich auch die größten strategischen Reserven, ein kleiner Anteil findet sich aber auch in Indien. Der Tiefsee-Abbau von Manganknollen (pdf-Download) wird zukünftig als mögliche Quelle für Mangan und auch Nickel, Kupfer und Kobalt erwogen. Dabei bestehen ökologische Risiken, da Eingriffe in die Tiefsee empfindliche Ökosysteme stören könnten.

 

Kupfer

Kupfer spielt eine wesentliche Rolle in der Elektromobilität. Rund 20 kg werden als Stromabnehmer in der Anode einer durchschnittlichen 60 kWh-Batterie verwendet. Es findet sich aber nicht nur in der Bordelektronik und in Ladekabeln wieder, sondern ist auch essentiell im Ausbau des Stromnetzes. Die Nachfrage und der Preis steigen deshalb weiterhin an – auch Engpässe sind denkbar, obwohl die weltweiten Vorkommen von Kupfer den prognostizierten Bedarf deutlich übersteigen. Allerdings verfügt Europa nur über begrenzte eigene Ressourcen und ist daher auf Importe angewiesen. Ein Viertel des weltweiten Kupfers wird in Chile gefördert, andere wesentliche Produzenten sind Peru und die DR Kongo. Wie auch bei vielen anderen kritischen Rohstoffen konzentriert sich die Raffination auf China, nur knapp 10 Prozent werden in Chile raffiniert. Kupferrecycling ist ein etablierter Prozess, so liegt die globale Recyclingrate bei knapp 50 Prozent. Neue Aluminium-Stromabnehmer in Natrium-Ionen-Batterien reduzieren den Kupferbedarf jedoch perspektivisch.

 

Seltene Erden

Seltene Erden sind in Wahrheit weder selten, noch eigentliche „Erden“, sondern eine Gruppe von 17 metallischen Elementen, die für moderne Technologien unverzichtbar sind. In der Elektromobilität werden diese in den Permanentmagneten der Elektromotoren genutzt. Hier finden sich hauptsächlich Neodym, aber auch Praseodym, Dysprosium und Terbium, welche zusammen 30 Prozent des Gewichtes des Magnetes ausmachen. Vor einigen Jahren stiegen die Preise für Seltenerdmetalle und ihre Verbindungen, was unter anderem auf den Anteil von über 90 Prozent zurückzuführen ist, den die Volksrepublik China an der globalen Förderung und Verarbeitung dieser Metalle innehat. Es existieren bereits Elektromotoren (z.B. Asynchron-Motoren), die gänzlich ohne seltene Erden auskommen oder den Anteil schwerer seltener Erden (Terbium und Dysprosium) reduzieren. Auch gibt es bereits Prozesse, um seltene Erden aus Magneten zu recyclen. Jedoch mangelt es oftmals noch an Rücknahmesystemen und Abnehmern und gilt als noch nicht wirtschaftlich.

 

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Nach der Nutzungsphase der Lithium-Ionen-Batterie im Fahrzeug kommen – je nach Zustand der Batterie – verschiedene Weiterverwendungsszenarien in Frage ("End of Life"). Neben dem klassischen Recycling sind auch “Re-Use”, also die “Second Life”-Nutzung der Batterien als Energiespeicher, und “Remanufacturing”, mit welchem beschädigte oder abgenutzte Komponenten der Batterie ausgetauscht werden, denkbar. Zusammengefasst werden diese drei Begriffe in der Kreislaufwirtschaft als “Re-X” zusammengefasst.

 

Zusammensetzung der Lithium-Ionen-Batterie

Die Hauptkomponenten von Lithium-Ionen-Batterien sind Aluminium, Kupfer, Anodenmaterial, Kathodenmaterial und sonstige Bestandteile wie Elektrolyte, Plastik, Stahl oder Separatoren.

Das Kathoden-Aktivmaterial macht im Schnitt nur knapp 20 Prozent des Gesamtgewichts aus. Hier werden – je nach Kathodentyp und dessen Zusammensetzung – Lithium, Mangan, Kobalt, Nickel, Aluminium, Eisen und Phosphate verwendet, was für bis zu 70 Prozent des Materialwerts der gesamten Batterie verantwortlich ist. Die Anode hingegen besteht größtenteils aus Graphit oder Graphit-Silizium-Mischungen, wobei Silizium- und Lithium-Anoden eher als Zukunftsalternativen gelten und derzeit nicht großindustriell produziert werden.

Die stark schwankenden Rohstoffpreise, begrenzte Förderkapazitäten und das Streben nach Rohstoffsicherheit sowie -unabhängigkeit machen das Recycling der Kathodenmaterialien wirtschaftlich und auch politisch attraktiv.

 

Recyclingverfahren und Prozessrouten

Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess. So existieren zurzeit mehrere Recyclingverfahren in der Forschung und Industrie, wovon sich noch keines als Industriestandard etabliert hat. Prinzipiell startet der Prozess in der vorbereitenden Phase meistens mit der Entladung und Demontage der Batterie. Danach folgen diverse mechanische (Zerkleinerung, Fragmentierung, Separation und Sieben), thermische (Trocknen und Pyrolyse) und pyrometallurgische (Aufschmelzen) Prozesse zur Freisetzung der wertvollen “Schwarzmasse”, ein Zwischenprodukt aus diversen Anoden- und/oder Kathodenmaterialen und anderen, für das Recycling relevanten Materialien. Nicht alle der genannten Recyclingprozesse müssen zur Anwendung kommen, jedoch können diese in Reihe kombiniert werden. Abschließend wird die Schwarzmasse durch hydrometallurgische Prozesse (Schaumflotation, Auslaugung, Lösungsmittel-Extraktion, Ausfällung, Kristallisation) in nutzbare, hochwertige Rezyklate umgewandelt, welche als Rohstoffe für den Bau neuer Batterien genutzt werden können.

 

Gesetzliche Rahmenbedingungen

Das Inkrafttreten der EU-Batterieverordnung ersetzt das Deutsche Batteriegesetz 2006/66/EG seit 2023 vollständig.

Hauptauswirkungen der Verordnung sind die Sammlung von End of Life-Batterien, die Einführung des Batteriepasses, Maximalgrenzen für den CO₂-Fußabdruck, Rückgewinnungsziele für viele kritische Stoffe und Mindestanteile von in neuen Batterien zu verwendenden Rezyklaten. Ab 2025 muss die Gesamt-Recyclingeffizienz 65 Prozent betragen, ab 2030 70 Prozent, wobei es einzelne, separate Rückgewinnungsziele für die stoffliche Verwertung von Lithium, Kobalt, Nickel und Kupfer gibt. Ab 2031 müssen neu produzierte Batterien einen gewissen Rezyklat-Mindestanteil enthalten, abhängig vom jeweiligen Rohstoff. Bis 2031 soll sich dieser Anteil nahezu verdoppeln und beträgt je nach Rohstoff 12 bis 26 Prozent. Mithilfe des neu eingeführten Batteriepasses sollen Verbraucherinnen und Verbraucher sich über grundlegende Informationen, technische Daten und Nachhaltigkeit der jeweiligen Batterie informieren können.

Leseempfehlung: Recycling von Lithium-Ionen-Batterien des Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) RWTH Aachen, September 2023 (pdf-Download).

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Neben der besseren Klimabilanz sprechen noch weitere Umweltfaktoren für das Elektrofahrzeug: Es ist leise und fährt besonders schadstoffarm, was gerade in Städten mit Luftreinheitsproblemen von großer Bedeutung ist. Es stößt keine Abgase aus, jedoch entstehen trotzdem Schadstoffe durch Reifen- und Bremsabrieb. Übrigens fahren Elektroautos im Stadtverkehr auch deutlich effizienter, da sie bei häufigem Abbremsen rekuperieren, das heißt Energie in die Batterie zurückspeisen.

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Hier eine kleine Übersicht über wichtige Studien und Tests zu den Themen Umwelt, Klimabilanz und Rohstoffe:

• "Analyse der Umweltbilanz von Kraftfahrzeugen mit alternativen Antrieben oder Kraftstoffen auf dem Weg zu einem treibhausgasneutralen Verkehr" vom Bundesumweltamt (2024)
• "Die aktuelle Treibhausgasemissionsbilanz von Elektrofahrzeugen in Deutschland" vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (2019)
• "Factsheet: Strategische Rohstoffe für Antriebsbatterien in Elektrofahrzeugene" der NOW GmbH (2024)
• "Bedarf strategischer Rohstoffe für den Pkw- und Lkw-Sektor in Deutschland bis 2040 des Öko-Institut e.V." (2023)
• "Recycling von Lithium-Ionen-Batterien" des PEM RTWH Aachen (2023)
• "ADAC Ecotest 2023: Von Schmutzfinken und Saubermännchen"
• FAQ zu Elektromobilität des BMUV auf erneuerbar-mobil.de

 

Faktencheck "Verkehr im Umweltschutz" der Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg (KEA-BW)

Noch immer kursieren zahlreiche Fehlinformationen rund um das Thema Klimaschutz im Verkehr. Hierdurch wird die dringend erforderliche Verkehrswende vor Ort oftmals erschwert und teilweise blockiert. Dieser Faktencheck räumt anhand neuester wissenschaftlicher Erkenntnisse mit Falsch- und Desinformationen auf, beispielsweise über die Elektromobilität oder das Parkraummangement. Er soll Bürgerinnen und politischen Entscheidungsträgern gezielt Argumentationshilfe bieten.

Die Klimaschutz- und Energieagentur Baden-Württemberg (KEA-BW) bietet online eine praktische Argumentationshilfe und Faktencheck für die Verkehrswende an.

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