Wie ist die Ökobilanz eines Elektroautos im Vergleich zum Verbrenner?

Elektroauto oder Verbrenner – an dieser Frage scheiden sich die Geister: E-Autos, oder genauer gesagt Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb, sind in aller Munde, aber bisher noch echte Exoten auf der Straße. Gleichzeitig wird das Ende des Verbrennungsmotors mitunter zum Allheilmittel für den Klimaschutz erklärt. Ein Blick auf die Straße zeigt jedoch, dass diese Technik derzeit schwer wegzudenken ist. Soweit der Status quo.

Welche Antriebsart wäre zukünftig für mehr Klimaschutz im Verkehrssektor von Vorteil? Zahlreiche Studien befassen sich genau mit dieser Frage – kommen aber zu ganz unterschiedlichen Ergebnissen. Woran liegt das? Der Frage gehen wir anhand von zwei ausgewählten Studien nach.

Die einen sagen „batterieelektrische Pkw sind klimaverträglicher als alle anderen Antriebsalternativen zu herkömmlichen Diesel- und Benzin-Fahrzeugen“. Die anderen behaupten „beim Vergleich der Klimabilanz von batterieelektrischen Fahrzeugen mit der von hocheffizienten Verbrennungsmotoren über den Lebenszyklus gesehen, stellt sich heraus, dass die Unterschiede in vielen Fällen relativ gering sind und es keine klar überlegene Technologie gibt“. Die erste Aussage hat die Denkfabrik Agora Verkehrswende auf Basis ihrer Studie „Klimabilanz von strombasierten Antrieben und Kraftstoffen“ getroffen. Die andere stammt aus der Studie „Die CO2-Gesamtbilanz für Antriebstechnologien im Individualverkehr heute und in Zukunft“ von Frontier Economics im Auftrag von UNITI Bundesverband Mittelständischer Mineralölunternehmen.

From Cradle to Grave: nur die ganzheitliche Lebenszyklusanalyse ermöglicht CO2-Systemvergleich

Einig sind sich beide Gutachten in der ganzheitlichen Betrachtungsweise. Denn um die Klimabilanz verschiedener Antriebskonzepte bewerten zu können, sei nicht nur die Antriebsenergie selbst, sondern der gesamte Lebenszyklus eines Autos zu betrachten: Von den Treibhausgasemissionen bei der Herstellung, inklusive der Batterieproduktion, über den eigentlichen Betrieb des Autos bis hin zur Entsorgung und dem Recycling der noch brauchbaren Komponenten.

Die landläufige Meinung, dass ein Elektroauto emissionsfrei ist, stimmt nämlich nur, so lang man ausschließlich die Betriebsphase betrachtet: Ein batterieelektrisches Auto hat keine Abgasanlage und emittiert damit während der Nutzung keine Schadstoffe. Hierdurch kann lokal die Luftqualität, beispielsweise in Innenstädten, verbessert werden. Solange der Ladestrom aber nicht rein regenerativ erzeugt wird, findet bezogen auf die Klimawirkung nur eine Verschiebung des CO2-Ausstoßes hin zum mit fossiler Energie betriebenen Kraftwerk statt.

Berücksichtigt man auch die Herstellung des Fahrzeugs, zeigt sich, dass das E-Auto im Vergleich zu einem Verbrenner schon mit einem „CO2-Rucksack“ startet, bevor es überhaupt einen Kilometer gefahren ist. Über die Fahrleistung und die weiteren Faktoren des gesamten Lebenszyklus kann sich die CO2-Bilanz dann angleichen.

CO2-Rucksack des E-Autos schrumpft durch Laufleistung

Wie sich der „CO2-Rucksack“ eines E-Autos aus dem Herstellungsprozess über die vergleichsweise niedrigeren CO2-Emissionen im Fahrzeugbetrieb relativiert, zeigt ein Rechenbeispiel anhand der Frontier-Studie – wobei die Zahlen in der Agora-Studie in ähnlicher Größenordnung liegen.

Verglichen werden mithilfe des Frontier-Berechnungstools zwei Mittelklassefahrzeuge: Eines mit batterieelektrischem Antrieb und einer Batterie, die 2020 in China mit dem dortigen Strommix produziert wurde und das in Deutschland mit dem hiesigen Ladestrom betrieben wird. Und eines mit Verbrennungsmotor, das mit rein fossilem Dieselkraftstoff betrieben wird. Im Sinne eines nachvollziehbaren Vergleichs beziehen wir uns an dieser Stelle zunächst auf die heute verfügbaren Antriebsenergien: Den derzeitigen deutschen Strommix und den heute verfügbaren, überwiegend fossilen Diesel. Für beide Fahrzeuge wird für die Berechnung ein Betriebszeitraum von 10 Jahren angenommen und eine jährliche Laufleistung von 15.000 Kilometern.

Das E-Auto hat im Herstellungsprozess 12.729 kg CO2 verursacht, der Verbrenner nur 4.336 kg. Dieser „CO2-Rucksack“ des E-Autos ist bilanziell nach 16,86 Jahren Betriebsdauer und einer jährlichen Laufleistung von 15.000 Kilometern abgebaut: Denn das E-Auto stößt mit dem aktuell verfügbaren Ladestrom auf 15.000 km im Schnitt 1.939 kg CO2 pro Nutzungsjahr aus. Der Diesel kommt bei der gleichen jährlichen Laufleistung auf 2.480 kg CO2 pro Jahr. Das E-Auto ist hier also wegen der deutlich höheren Effizienz des Elektromotors klar im Vorteil. Zum Ende des Lebenszyklus kommt dann noch der CO2-Austoß aus dem Recyclingprozess hinzu: 1.278 kg beim E-Auto, 515 kg beim Verbrenner.

In diesem Vergleich der Klimabilanz beider Antriebssysteme über den gesamten Lebenszyklus hinweg zeigt sich, dass unter den oben getroffenen Annahmen der fossile Diesel bis zu einer rechnerischen Laufleistung von knapp 253.000 km eine bessere CO2-Bilanz aufweist als ein vergleichbares batterieelektrisches Fahrzeug. Dabei bleibt abzuwarten, ob ein E-Auto überhaupt auf eine solch hohe Betriebsdauer und Laufleistung kommt.

Vergleich Lebenszyklus-CO2-Bilanz
Elektroantrieb und Verbrennungsmotor heute

Datenquelle: UNITI LCA Tool (abrufbar unter: www.uniti.de).
Genutzte Parameter: Fahrzeugtyp: Mittelklasse; Jahr der Anschaffung: 2020; Nutzungsdauer: 10 Jahre; Jahresfahrleistung: 15.000 km; Betriebsland: Deutschland (Referenzszenario);  Herstellungsland Batterie: China (Referenzszenario); Batteriekapazität: 75 kWh; Strommixentwicklung: Dynamisch; Kraftstoff: Diesel (100% fossil)
Grafik: IWO

Mit anderen Worten: Zum jetzigen Zeitpunkt ist die Produktion des Ladestroms für E-Autos in der Regel noch mit CO2-Emissionen verbunden. Bilanziell liegen diese jedoch niedriger als die Emissionen, die beim Betrieb eines Verbrennungsmotors mit fossilen Kraftstoffen anfallen. Bei hoher Kilometerleistung kann daher der batterieelektrische Antrieb die höheren Emissionen aus dem Herstellungsprozess im Laufe der Betriebsphase gegenüber dem Verbrennungsmotor kompensieren.

Wie könnte der Vergleich in Zukunft ausfallen?

Das Klimaschutz-Potenzial von Elektroantrieben sowie Verbrennungsmotoren ist noch längst nicht ausgeschöpft: Zum einen werden die CO2-Emissionen im Herstellungsprozess bei beiden Pkw-Typen dadurch sinken, dass hier zunehmend erneuerbarer Strom eingesetzt wird. Hinzu kommt, dass auch die Antriebsenergien zunehmend auf erneuerbaren Energien basieren werden: Je größer der Ökostromanteil, desto niedriger die CO2-Intensität des Ladestroms für das E-Auto.

Ebenso wird die CO2-Bilanz von Verbrennungsmotoren deutlich verbessert: Wenn nämlich statt der derzeit vorwiegend fossilen Kraftstoffe künftig zunehmend fortschrittliche Biokraftstoffe und vor allem klimaneutrale synthetische Kraftstoffe auf Basis erneuerbarer Energien – sogenannte E-Fuels – zum Einsatz kommen.

Geschlossener Kohlenstoffkreislauf sorgt für neutrale CO2-Bilanz

Zur Berechnung der Klimabilanz von E-Fuels nutzt Frontier das Modell eines geschlossen Kohlenstoff-Kreislaufs und betrachtet die Bereiche Erzeugung und Nutzung von Antriebsenergie getrennt: So kommt es, dass die Erzeugung der E-Fuels als Antriebsenergie sogar einen negativen CO2-Austoß aufweist – also ein sogenanntes „CO2-Guthaben“ erstellt. Denn bei der E-Fuels-Produktion werde der Atmosphäre klimaschädliches Kohlenstoffdioxid entzogen und, durch die ausschließliche Verwendung von erneuerbarem Strom, nichts hinzugefügt.

Anschließend entstehen jedoch bei der Nutzung der E-Fuels als Antriebsenergie wiederum CO2-Emissionen, da der Kraftstoff verbrannt und die chemische Energie somit in Bewegungsenergie umgesetzt wird.

Grafik: IWO

Was diese Annahme für den Vergleich der beiden Antriebsarten Verbrennungsmotor und Elektromotor perspektivisch bedeutet, zeigt die Frontier-Studie für die Dekade 2040-2050. Für diesen Zeitraum wird in Deutschland mit einem Anteil von 82 Prozent erneuerbaren Energien am Strommix gerechnet. Der Anteil von E-Fuels im verfügbaren Treibstoff wird mit 70 Prozent beziffert.

Vergleicht man nun also die Lebenszyklus-CO2-Bilanz eines 2040 produzierten, ansonsten wie oben beschriebenen E-Autos mit der des entsprechenden Verbrenners unter Berücksichtigung des künftigen CO2-Footprints der deutlich „grüneren“ Antriebsenergien, zeigt sich, dass der Verbrenner mit E-Fuels sogar besser abschneidet: 63 g CO2 pro Kilometer zu 89 g CO2.

Vergleich Lebenszyklus-CO2-Bilanz
Elektroantrieb und Verbrennungsmotor 2040

Datenquelle: UNITI LCA Tool (abrufbar unter: www.uniti.de).
Genutzte Parameter: Fahrzeugtyp: Mittelklasse, Jahr der Anschaffung: 2040, Nutzungsdauer: 10 Jahre, Jahresfahrleistung: 15.000 km, Betriebsland: Deutschland (Referenzszenario), Herstellungsland Batterie: China (Referenzszenario), Batteriekapazität: 75 kWh, Strommixentwicklung: Dynamisch, Kraftstoff: FuelMix Diesel (70% E-Fuel / 30% fossil)
Grafik: IWO

Gleichwertige Optionen für mehr Klimaschutz

Die Beimischung von E-Fuels zu Kraftstoffen und der zunehmend erneuerbare Ladestrom für Elektrofahrzeugen sind aus Sicht der Frontier-Gutachter also zwei mindestens gleichwertige Optionen zur Senkung der CO2-Emissionen im Verkehrssektor. Die Vielfalt an Fahrzeugtypen und Antriebstechnologien beizubehalten ermögliche es, auch künftig den unterschiedlichen Anforderungen an Mobilität gerecht zu werden – ohne dabei die Klimaschutzziele oder das Bedürfnis nach zuverlässiger und individueller Mobilität zu vernachlässigen. 

Die Studie beschreibt auf Basis der Ergebnisse folgende idealtypische Anwendungen: 

  • Batterieelektrische Antriebe seien perspektivisch vorteilhaft für leichtere Pkw auf kürzeren Strecken in Regionen mit leicht ausbaubarer Ladeinfrastruktur. Das gelte auch für leichte Nutzfahrzeuge auf kurzen Distanzen.
  • Verbrennungsmotoren, die zunehmend mit E-Fuels betrieben werden, böten Vorteile bei Pkw mit höherem Leistungsbedarf, etwa ab der Mittelklasse oder bei leichten Nutzfahrzeugen mit höheren Anforderungen bezüglich Reichweite oder Zuladung

Die Studienersteller heben einen weiteren Vorteil von klimaneutralen synthetischen Kraftstoffen hervor: Sie seien im Fahrzeugbestand ohne technische Anpassungen einsetzbar. Deshalb hätten sie großes Potenzial, nicht nur in Europa sondern auch in anderen Teilen der Welt, in denen ein flächendeckender Einsatz von E-Autos allein schon wegen fehlender Infrastruktur schwierig ist, schnell die CO2-Emissionen zu senken.  Handling und Nutzung von E-Fuels seien relativ einfach, und ihr Einsatz werde in einigen Bereichen, die über den Rahmen dieser Studie hinausgehen, wie etwa Luftverkehr oder Schifffahrt, aus heutiger Sicht ohnehin nahezu unverzichtbar sein. 

Entscheidender Faktor im Expertenstreit: Wie grün ist der Strom und wo wird er produziert?

Wieso kommt die eingangs erwähnte Agora Studie in der Beurteilung der Klimaverträglichkeit von E-Auto und Verbrennungsmotor trotz ähnlicher methodischer Ansätze dann aber zu einem abweichenden Ergebnis mit deutlichen Vorteilen für die E-Mobilität? Der Grund: unterschiedliche Annahmen bezüglich des Stroms, der beim E-Auto direkt als Antriebsenergie, beim Verbrenner als „Hauptzutat“ für E-Fuels benötigt wird.

Agoras Hypothese lautet: Um die Antriebsenergien Ladestrom und strombasierte Kraftstoffe heute vergleichbar zu machen, müsse jeweils der aktuelle deutsche Strommix zugrunde gelegt werden. Für E-Autos trifft dies sicherlich zu, denn sie müssen mit dem Strom geladen werden, der an ihrem Betriebsort in dem Moment zur Verfügung steht – also mit dem jeweiligen deutschen Strommix.

Wie tragfähig aber ist diese Annahme bezogen auf E-Fuels? Denn darüber, dass E-Fuels nur dann zum Klimaschutz taugen, wenn zu ihrer Herstellung 100 Prozent erneuerbarer Strom eingesetzt wird, herrscht weitgehend Einigkeit. Demnach gehen die Frontier-Experten davon aus, dass E-Fuels an wind- und sonnenintensiven Standorten in dezidierten Großanlagen mit kostengünstigen Produktionsbedingungen hergestellt werden – und nicht mit dem heutigen oder künftigen deutschen Strommix in Deutschland selbst. Aus ihrer Sicht ist es daher auch nicht sinnvoll, den CO2-Austoß des hiesigen Strommixes auf den Betrieb eines Verbrenners mit E-Fuels anzurechnen.

Momentaufnahme im dynamischen Umfeld

Es wird deutlich, dass es verschiedene zielführende technologische Optionen gibt, um die Klimaziele im Verkehr zu erreichen. Alle haben ihre Vor- und Nachteile. Daher wäre die Klimapolitik gut beraten, eine technologieoffene Verkehrswende voranzutreiben, anstatt sich zu sehr auf die ausschließliche Förderung der E-Mobilität zu fokussieren.

Sowohl die Frontier-Studie im Auftrag von UNITI, als auch die Agora-Studie, können letztendlich aber beide nur ein Schlaglicht auf ein Umfeld werfen, das sich rasant wandelt: Der CO2-Abdruck der E-Autos wird weiter sinken, wenn der für die Batterieherstellung benötigte Strom und der Ladestrom zunehmend aus erneuerbaren Energien stammen. Und für Verbrennungsmotoren gilt dasselbe, wenn der fossile Kraftstoff sukzessive durch klimaneutrale Komponenten wie Biofuels oder E-Fuels ersetzt wird. In welcher Größenordnung und in welchem Zeitraum diese Potenziale erschlossen werden können, liegt jetzt auch in den Händen der politischen Entscheider. 

1 Kommentar

  1. Rabl, herbert

    Ein sehr kluger Artikel der zum Nachdenken anregen sollte, wohin die Reise geht.

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