Elektroauto

Unter einem Elektroauto (E-Auto) versteht man einen PKW, der mindestens einen Teil seines Antriebs aus einem Elektromotor bezieht (BMJV 2015). Innerhalb von zwei Jahren hat sich der Bestand in Deutschland verdreifacht: auf ca. eine Million PKW im Jahr 2023 mit reinem Elektroantrieb, was einen Anteil von 2,1 Prozent am Gesamtbestand der PKW-Flotte ausmacht. (Deutschlandatlas o. J.)

Was ist ein Elektroauto

In den meisten E-Autos versorgt ein Lithium-Ionen-Akkumulator mit elektrischer Energie für Antrieb. Der Strom für die Systeme, Beleuchtung und Start des Autos wird wie im Verbrenner durch eine 12V Batterie bereitgestellt. Jeder Akkumulator, kurz Akku, besteht aus Batteriezellen, Kühlung, Gehäuse und Batteriemanagementsystem, das eine lange Lebenszeit der Batteriezellen gewährleisten soll, indem es kontrolliert, dass die Batterie nicht über- oder unterladen wird.

Die elektrische Energie aus dem Lithium-Ionen-Akku wird an den Elektromotor übermittelt und dort in mechanische Energie umgewandelt, die dann als Drehbewegung auf die Achsen übertragen wird. E-Autos haben die Möglichkeit die Bewegungsenergie beim Bremsen zum Akku zurückzuführen.

Die Leistungselektronik (Verbindung zwischen Akku und Elektromotor) wandelt die Gleichspannung der Batterie, in Wechselspannung für den Elektromotor um und ändert beim Rückwärtsfahren die Drehrichtung des Elektromotors.

Gewinnung von Rohstoffen für Elektroautos

In vielen E-Autos sind Metalle enthalten, die aufwendig und unter schwierigen und vielfach fragwürdigen Bedingungen gefördert werden. So wird bspw. der Abbau von Kobalt mit Kinderarbeit und schlechten Arbeitsbedingungen in Verbindung gebracht wird. 34 Prozent bzw. 59.000 Tonnen des weltweit geförderten Kobalt (Cobalt Institute 2022) wurden im Jahr 2021 für die Herstellung von E-Autos verwendet. Ein weiterer wichtiger Bestandteil des Akkus ist Lithium, dessen Abbau sich infolge steigender Nachfrage zwischen 2016 und 2022 verdreifacht hat. Insgesamt stieg der Abbau weltweit von 43.000 Tonnen auf 130.000 Tonnen im Jahr (Schmidt 2023; National Minerals Information Center 2023). Lithium ist ein weltweit in Solen oder Gestein reichlich vorhandenes Metall. In Chile bilden die drei Salzseen der Atacama-Wüste ein riesiges Lithium-Reservoir. Die Sole wird zum gezielten Verdunsten in künstlich angelegte Becken gepumpt, wodurch es zu Problemen bei der Wasserversorgung kommen kann. Als weitere potenziell kritische Rohstoffe werden Metalle der seltenen Erden und Nickel eingesetzt.

Wiederverwendbarkeit und Recycling der E-Auto-Akkus

Akkus werden bei einer Verringerung der Kapazität auf 80 bis 70 Prozent ausgetauscht und im stationären Betrieb eingesetzt, wo sie keinen Beschleunigungsphasen ausgesetzt und langsam und regelmäßig geladen werden und eine Lebenszeit von weiteren 10 bis 12 Jahren haben. Ein Beispiel für einen stationären Betrieb ist das BMW-Werk in Leipzig, in dem seit 2017 Akkus Solar- und Windstrom speichern (ADAC 2023).

Nach dem stationären Betrieb werden die Batterien recycelt. Im Jahr 2030 werden in Europa 150 bis 300 Kilotonnen zu recycelnden Lithium-Ionen-Batterien erwartet, bis 2040 600 bis 2.500 Kilotonnen. Wiedergewonnen werden können unter anderem Aluminium, Lithium Kobalt, Kupfer und Nickel. Im Jahr 2040 könnten 300 bis 1.500 Kilotonnen getrennte und aufbereitete Metalle in die Industrie zurückfließen und somit 40 Prozent des Kobalt- und 15 Prozent des Lithium-, Nickel und Kupferbedarfs für die europäische Batteriezellenproduktion durch Recycling gedeckt werden (ISI 2021).

Das EU-Parlament hat im Jahr 2023 in einer Verordnung Recyclingziele für verschiedene Rohstoffe sowie die Erfassung des gesamten CO2-Fußabdruck von der Rohstoffbeschaffung bis zum Recycling der Batterie ab Juli 2024 vorgeschrieben. Ab 2027 soll zusätzlich ein CO2-Höchstwert für Batterien festgelegt werden, damit mehr Ökostrom genutzt wird als Strom von fossilen Energieträgern. (EU-Kommission 2023; Transport & Environment 2023).

Rohstoffgebrauch in zukünftigen Akkus

Die Weiterentwicklung des Akkus für E-Autos setzt auf alternative Rohstoffen und Technologien. Im Jahr 2021 hat der chinesische Batteriehersteller SVolt den ersten kobaltfreien Akku vorgestellt (PR Newswire 2021). Fast die Hälfte der Tesla-Fahrzeuge verwendete im Jahr 2022 Lithium-Eisenphosphat-Akkus (LFP-Akkus) und kommen somit ohne Kobalt aus (Greis 2022). Auch der chinesische Autohersteller BYD setzt auf LFP-Akkus (BYD 2023). Gleichzeitig entwickelt das britische Cleantech-Unternehmen Faradion einen Akku, die ohne Lithium, Kobalt und Kupfer auskommt. Natrium-Ionen-Akkus ersetzen Lithium durch Natrium, eines der am häufigsten vorkommende Elemente und stellen mit 90-prozentiger Energiedichte im Vergleich zu LFP-Akkus eine effiziente, kostengünstigere und nachhaltigere Alternative dar, die zudem kälteresistenter ist als herkömmliche Akkus (Jendrischik 2023).

Reichweite

Durchschnittlich beträgt die Reichweite einer Ladung bei elektrischen Mittel- und Kompaktklassen nach Worldwide Harmonised Light-Duty Vehicles Test Procedure 450 km (ElektroMobilitätNRW o. J.). Die größte Reichweite mit einer Ladung erreicht Mercedes Benz E-QS mit bis zu 770 km. Der vom Autohersteller Nio angekündigte ET7 soll eine Reichweite von 1000 km erreichen (Knecht et al. 2022). In der Praxis fällt die Reichweite von E-Autos oft niedriger aus, weil auf längere Zeit eine höhere Geschwindigkeit gefahren wird oder energieintensive Anwendungen wie Klimaanlagen (Jin 2023).

Ladeinfrastruktur und -dauer

Die Ladeinfrastruktur wurde in Deutschland stark ausgebaut. So hat sich die Anzahl der Ladesäulen seit 2017 mehr als verzehnfacht, von 82.402 Ladesäulen im Jahr 2022 auf 115.308 Ladesäulen im Jahr 2023. Dies entspricht ein Zuwachs von 40 Prozent. Die Bundesländer mit den meisten Ladepunkten sind Bayern, Baden-Württemberg und Nordrhein-Westfalen. Insbesondere die Anzahl der Schnellladepunkte mit einer Leistung von mindestens 22 kW ist gestiegen, 60 Prozent der Schnellladepunkte erzielen eine Leistung von über 149 kW (Bundesnetzagentur o. J.).

Es gilt jedoch zu beachten, dass Ladeleistung und Ladedauer stark von der Außentemperatur und dem Ladestand abhängig sind. Bei Minusgeraden kann die Ladedauer um 40-70 Prozent steigen kann, je nach Modell und Hersteller. Um ein schnelleres Laden zu ermöglichen, haben Hersteller wie Tesla eine Technologie entwickelt, die den Akku vor der Ladung aufheizen lässt und in 30 Minuten Strom für eine Reichweite von 300 Km geladen werden kann (ADAC 2024b).

In China bietet der Autohersteller NIU eine Technologie, die den Ladevorgang des Akkus mit dem Austausch des Akkus ersetzt. In 1.200 Stationen ist es bereits möglich, den Akku des Autos gegen einen geladenen Akku auszutauschen.

Emissionen Elektroauto im Vergleich zum Verbrenner

Autos mit Elektroantrieb und Verbrennern, die mit Diesel oder Benzin angetrieben werden unterscheiden sich vor allem durch die bei der Herstellung, Nutzung und Entsorgung der Fahrzeuge entstehenden Emissionen von CO2-Äquivalenten.

Bei Herstellung von E-Autos fallen infolge des leistungsstarken Akkus (Anteil: etwa 5 t CO2-Äq.) mit etwas mehr als 12 Tonnen CO2-Äquivalenten pro Fahrzeug fast doppelt so viele Emissionen an, wie bei der Herstellung eines Verbrenners (Benzin: etwa 6 t CO2-Äq.; Diesel: etwa 7 t CO2-Äq.) (EFI et al. 2022).

Die nutzungsbedingten Emissionen sind bei E-Autos sind abhängig vom Anteil erneuerbarer Energien im Strommix. Im Jahr 2020 betrugen die Emissionen des deutschen Strommixes unter Berücksichtigung der Vorkette 438 g CO2-Äquivalente pro kWh (Umweltbundesamt 2022), beim Benzinantrieb 2.920 g und beim Dieselantrieb 3.230 g CO2-Äq. pro l (EFI et al. 2022).

Laut einer Studie des ifeu Instituts hat ein E-Auto nach vier Jahren bzw. ca. 59.000 km Nutzung insgesamt weniger Emissionen ausgestoßen als ein Fahrzeug mit Benzinantrieb und nach 5,5 Jahren bzw. ca. 71.000 km als ein Fahrzeug mit Dieselantrieb (BMUV 2022; Kämper et al. 2020).

Während der Nutzung von Verbrenner-Fahrzeugen entstehen zudem Umweltbelastungen, die bei der Nutzung von E-Autos nicht entstehen wie Sommersmog, Versauerung von Ökosystemen sowie Stickstoffeintrag in Böden und Gewässer. Passanten werden durch Verbrenner-Fahrzeuge gesundheitsschädigenden Abgasen wie krebserzeugendem Benzol, Rußpartikeln und Stickoxiden ausgesetzt. Ebenfalls entstehen auf lokaler Ebene Sachgüterschäden an Gebäuden und Materialien.

Sowohl Verbrenner-Fahrzeuge als auch E-Autos sind durch den Reifenabrief bei Gebrauch rund ein Drittel aller Mikroplastik-Emissionen zuzurechnen (ADAC 2024a). Für die Menge an Mikroplastik-Emissionen, die ein Fahrzeug erzeugt, ist die die Antriebsart kein entscheidender Faktor. Es gilt jedoch, je größer das Gewicht eines Fahrzeugs, desto größer ist der Reifenabrieb und die Erzeugung von Mikroplastik-Emissionen. Da E-Autos tendenziell ein wenig schwerer sind, haben sie einen größeren Reifenabrieb als Verbrenner-Fahrzeuge (OECD Environmental Policy Committee 2020).

Sicherheit der verbauten Batterien

Grundsätzlich gilt: alle zugelassenen Fahrzeuge erfüllen die gesetzlichen Anforderungen an die Sicherheit. Für den Lithium-Ionen-Akku bedeutet das, dass der Stromfluss bei einem Unfall sofort unterbrochen wird und um Verformung entgegenzuwirken ist der Akku gleichzeitig von außen verstärkt. Laut des deutschen Feuerwehrverbands (Fachausschuss Vorbeugender Brand- und Gefahrenschutz der deutschen Feuerwehren (FA VB/G) 2018) besteht bei E-Autos keine verstärkte Brandgefahr im Vergleich zum Verbrenner. Auch laut ADAC ist die Sicherheit der Elektrofahrzeuge bei Crashtests gleich zum Verbrenner. Feuer, das bei einer Verformung eines Lithium-Ionen-Akkus durch Thermal runaway entsteht, muss mit viel Wasser gelöscht werden, aber andere Brandlasten (wie Kunststoff) sind ausschlaggebender für die Brandintensität (ADAC 2022).

Literaturverzeichnis

(Stand 12.2023)

 

Autor: Ramin Tadi, Jana Weimer

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