Treibhausgas-Bilanz: Welcher Antrieb kann das Klima retten?
Die neue Lebenszyklusanalyse LCA untersucht, ob alternative Antriebstechnologien mit Strom, Wasserstoff oder E-Fuels klimafreundlicher sind als normale Verbrennungsmotoren. Ein Ergebnis: Das Elektroauto wird immer besser.
Elektroauto aktuell nach drei bis vier Jahren besser als Benziner und Diesel
Regenerativer Strom würde Bilanz noch erheblich verbessern
Aktuell bester konventioneller Antrieb: Erdgasauto mit Bio-Methan
Neu: Interaktive LCA-Plattform für individuelle Vergleiche
Die Verringerung der Treibhausgas-Emissionen ist eine Herausforderung, der sich auch der Straßenverkehr stellen muss. Doch welcher Kraftstoff und welche Antriebsart eignet sich dafür am besten?
Ist es der Strom aus der Steckdose, der die Batterie des Elektroautos lädt? Sind es Plug-in-Hybride, die Elektro- und Verbrenner im Wechsel nutzen? Oder hat der Verbrennungsmotor noch gar nicht ausgedient, wenn er Bio-Methan oder E-Fuels aus Wasserstoff nutzt?
Um die Klimawirkung der verschiedenen Antriebsarten ehrlich beurteilen zu können, müssen alle relevanten Energieaufwendungen über den gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Analyse, LCA) berechnet werden.
Treibhausgase: Kohlendioxid, Methan und Lachgas
Entscheidend für die Klimawirkung verschiedener Antriebstechnologien ist die Treibhausgas-Bilanz, die bei Fahrzeugherstellung und -recycling entstehen, und alle Emissionen, die bei der Bereit- und Herstellung des Kraftstoffs oder Stroms freiwerden sowie bei der Fahrzeugnutzung (well-to-wheel).
Neben Kohlendioxid (CO₂), das vor allem bei der Verbrennung fossiler Energieträger anfällt, sind auch Methan-Emissionen (CH₄), die beispielsweise bei der Förderung von Erdgas entstehen, und Lachgas (N₂O) aus dem Anbau von Biomasse relevant.
LCA-Tool Haltedauer: 16 Jahre oder 240.000 km
Um einen Vergleich der Treibhausgas-Bilanz sowie des Primärenergiebedarfs verschiedener Antriebs- und Kraftstoffarten auch im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen erstellen zu können, wurde seitens der FIA und des Österreichischen Automobilclubs ÖAMTC 2018 ein sogenanntes LCA-Tool bei der Joanneum Research Forschungsgesellschaft in Graz in Auftrag gegeben.
Da sich zwischenzeitlich wesentliche Änderungen bei den aktuellen Hintergrunddaten (Strommix, Orte der Batterieproduktion, Batterielebensdauer etc.) ergeben haben, wurde das LCA-Tool im Auftrag der FIA durch das Joanneum Research aktualisiert.
Die aktuelle Version beinhaltet die Klimaemissionen eines durchschnittlichen Pkws der Kompaktklasse (Golfklasse) im Jahr 2022, der dann bis zum Jahr 2037 hochgerechnet 240.000 Kilometer unterwegs ist. In dieser Zeit profitiert er natürlich von Entwicklungen wie einem veränderten Strommix, der perspektivisch immer regenerativer wird.
Die LCA-Tool enthält voreingestellte Standard-Daten (Default Data) für die Berechnungen, ermöglicht aber auch Berechnungen auf Basis eigener Daten.
Golfklasse: Elektro schneidet gut ab
Die Auswertung des Gesamtergebnisses zeigt, dass aktuell in der Golfklasse das Elektrofahrzeug bei Nutzung des deutschen Strommixes im Betrieb von 2022 bis 2037 eine gute Treibhausgas-Bilanz aufweist. Seine Treibhausgas-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus liegen sowohl unter denen der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (inkl. Plug-in-Hybride), als auch unter dem des Brennstoffzellenfahrzeugs, das mit Wasserstoff aus Dampfreformierung betrieben wird.
Der Plug-in-Hybrid als Kombination eines Benzin- und Elektromotors erzielt mit Anwendung des prognostizierten Strommixes Deutschland im Betrieb von 2022 bis 2037 im Vergleich zum herkömmlichen Benziner eine deutliche Verbesserung. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Batterie zur Nutzung des Elektroantriebs regelmäßig geladen wird. Berechnungsgrundlage der LCA-Studie: 30 Prozent der Kilometerleistung erfolgen elektrisch.
Beim Einsatz regenerativer Energiequellen zeigt das Elektroauto die beste Treibhausgas-Bilanz, dicht gefolgt vom Brennstoffzellenfahrzeug, das mit grünem Wasserstoff betrieben wird. Die Bilanz des Plug-in-Hybrid-Fahrzeugs wird bei der Verwendung von regenerativem Strom ebenfalls stark verbessert.
Auch die Bilanz des Erdgasfahrzeugs verbessert sich bei der Verwendung von 100 Prozent Bio-Methan deutlich. Weil das im Fahrbetrieb emittierte CO₂ bei der Kraftstoffherstellung der Atmosphäre über das Wachstum der Pflanzen entzogen wurde, werden biogene Kraftstoffe im Betrieb mit CO₂ bilanziert, erhalten im Gegenzug bei der Kraftstoff-/Energiebereitstellung aber entsprechende Gutschriften. Gutschriften werden im Detail-Diagramm bei Bio-Methan als negative Werte dargestellt, bei Diesel B7 und Benzin E10 direkt in Abzug gebracht.
Wann fahren E-Autos klimafreundlicher?
Das Diagramm zeigt die Treibhausgas-Emissionen aktueller Antriebsarten der Golfklasse über das Fahrzeugleben, also über eine Gesamtlaufleistung von 240.000 Kilometern (16 Jahre à 15.000 Kilometer).
Im Vergleich zu Benzin und Diesel kann das mit Strommix betriebene Elektroauto seine Vorteile nach circa 45.000 bis 60.000 Kilometern ausspielen. Die aufwendigere Produktion der Batterien, die einen größeren "Treibhausgas-Rucksack" mit sich bringt, kann über die Zeit der Fahrzeugnutzung somit relativ schnell amortisiert werden.
Bei Nutzung von regenerativem Strom (Wind) erfolgt die Amortisation der höheren Treibhausgas-Emissionen aus der Produktion bereits nach circa 25.000 bis 30.000 Kilometern gegenüber Benziner bzw. Diesel.
Die Hintergrunddaten der LCA-Studie
Die wichtigsten Annahmen und Basisdaten finden Sie hier zusammengefasst.
Benzin (E10): 7,3 l/100 km Kraftstoffverbrauch
Diesel (B7): 5,4 l/100 km Kraftstoffverbrauch
Erdgas/Bio-Methan: 4,5 kg/100 km
Plug-in-Hybrid: 3,2 l/100 km Benzin-, 11 kWh Stromverbrauchverbrauch (30% rein elektrisch)
Brennstoffzelle (H₂): 1 kg/100 km
Elektro (Strom): 19 kWh/100 km Stromverbrauch
eFuel (FT-Diesel): 5,1 l/100 km Kraftstoffverbrauch
Jährliche Fahrleistung: 15.000 km
Pkw-Lebensdauer: 16 Jahre
Motorleistung: 90 kW
Batterie-Kapazität E-Auto: 55 kWh
Batterie-Lebensdauer: 240.000 km (lebenslang)
Der für 2022 verwendete Strommix entspricht dem vom Umweltbundesamt (UBA) ermittelten Wert der durchschnittlichen Treibhausgasemissionen (CO₂-äq) pro Energieeinheit des Stroms, der zur Verwendung in Straßenfahrzeugen mit Elektroantrieb aus dem Netz entnommen wurde (Quelle: BAnz AT 28.10.2021 B10). Für das Jahr 2022 wird der vom Umweltbundesamt veröffentlichte Wert von 428 g/kWh angesetzt.
Weil sich der Strommix durch den Ausbau regenerativer Stromquellen über das Fahrzeugleben aber erwartbar stetig verbessert, wurde diese Verbesserung des Strommixes für den Betrieb des Fahrzeugs von 2022 bis 2037 linear berücksichtigt. Die Berechnung basiert auf Hochrechnungen des IINAS für 2030 und 2050 (Quelle: Kurzstudie "Der nichterneuerbare kumulierte Energieverbrauch und THG-Emissionen des deutschen Strommix im Jahre 2020 sowie Ausblicke auf 2030 und 2050", Nov. 2021).
Als Vertreter der regenerativen Stromquellen wurde Windenergie angesetzt. Der Elektroantrieb mit Strom aus Photovoltaik-Anlagen liegt im vergleichbaren Zahlenbereich.
Synthetische oder biogene Kraftstoffe gelten als CO₂-neutral, da das im Fahrbetrieb emittierte CO₂ bei der Kraftstoffherstellung der Atmosphäre direkt (z.B. eFuel) bzw. über das Wachstum der Pflanzen (z.B. Bio-Methan) entzogen wurde. In der Bilanz erhöht sich somit die CO₂-Belastung der Atmosphäre nicht, weil das am Fahrzeug ausgestoßene CO₂ dieser schon einmal entzogen wurde. Der CO₂-Kreislauf gilt somit als geschlossen.
Diese Kraftstoffe werden im Betrieb mit CO₂ bilanziert, erhalten im Gegenzug bei der Kraftstoff-/Energiebereitstellung aber entsprechende Gutschriften. Gutschriften werden in Diagrammen als negative Werte dargestellt.
Bei der Entsorgung wird angenommen, dass gewisse Materialien (Mix Stahl, Alu, Kupfer) mit einer Recycling-Rate von 60 Prozent wiederverwertet werden. Damit werden Primärmetallrohstoffe ersetzt und Treibhausgasemissionen, die bei der Gewinnung und Herstellung anfallen würden, vermieden. Diese Gutschrift ist bei Elektroautos – wegen der Batterie – etwas höher als der Aufwand der Pkw-Entsorgung. Bei konventionellen Fahrzeugen gleicht der Gewinn durch Recycling-Rohstoffe den Aufwand für die Entsorgung nahezu aus.
Zusätzlich wird für die Batterie der Elektroautos angenommen, dass einige Batterien in der stationären Nutzung weiter genutzt werden ("second life"), womit sich die Treibhausgas-Emissionen aus der Batterieherstellung auf die automotive und stationäre Nutzung aufteilen. Insgesamt jedoch wurde der Anteil an Batterien, der weiter genutzt wird, mit unter 3 Prozent angenommen, die anderen 97 Prozent werden einem Recycling zugeführt. Gutschriften werden in Diagrammen als negative Werte dargestellt.
Prognose: Der Strom für E-Autos wird sauberer
Das LCA-Tool bezieht auch die Prognosen für die zukünftige Entwicklung der verschiedenen Antriebsarten mit ein, indem es den Stand der Technik nicht nur für das aktuelle Jahr 2022, sondern auch für 2030 und 2050 abbildet. So verbessert sich die Treibhausgas-Bilanz von Elektroautos mit jedem gefahrenen Jahr deutlich. Denn voraussichtlich wird der Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Strommix stetig steigen.
Doch bis dahin spielen für alle E-Fahrzeuge, die nicht mit zusätzlich erzeugter erneuerbarer Energie betrieben werden (z.B. einer eigenen Photovoltaik-Anlage), die tatsächlichen CO₂-Äquivalent-Emissionen (CO₂äq) des jeweils aktuellen Strommixes des Jahres, in dem gefahren wird, eine wesentliche Rolle.
Sind E-Fuels eine klimafreundliche Alternative?
Neben dem Elektroauto werden auch die Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Kraftstoff sowie synthetische Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels, für Verbrennungsmotoren als zukünftige Antriebsmöglichkeiten diskutiert. Dabei haben E-Fuels den Vorteil, dass sie auch in Bestandsfahrzeugen genutzt werden können. E-Fuels befinden sich aber erst in der Entwicklungsphase und sind noch nicht auf dem Markt verfügbar.
Die Grafik zeigt die Treibhausgas-Bilanz der Antriebsarten Elektro, Wasserstoff und E-Fuels, zum Vergleich wird der gängige Diesel-Verbrenner mit dargestellt. Als Vertreter der E-Fuels wurde FT-Diesel mit Wasserstoff aus Windstrom und CO₂ der Atmosphäre entnommen sowie FT-Diesel mit Wasserstoff aus Windstrom und CO₂ aus Biomasse verwendet.
Es zeigt sich, dass neben dem Elektroauto mit regenerativem Strom und dem Brennstoffzellenfahrzeug mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen auch E-Fuels eine gute LCA-Bilanz aufweisen können. Im Vergleich zum herkömmlichen Diesel (B7) weisen die gut speicher- und transportierbaren E-Fuels ein sehr großes Potenzial zur Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen auf.
Weil das im Fahrbetrieb emittierte CO₂ bei der Kraftstoffherstellung der Atmosphäre vorher entzogen wurde, werden die Gutschriften im Diagramm als negative Werte dargestellt. Dass die E-Fuels auch in puncto Schadstoffen umweltfreundlich abschneiden, hat ein ADAC Test der E-Fuels bereits bewiesen.
E-Fuels: Schlechter Wirkungsgrad, hoher Energiebedarf
Neben der Treibhausgas-Bilanz muss aber stets auch der Primärenergiebedarf einer Antriebsart bzw. eines Kraftstoffes betrachtet werden, wobei auch der Anteil an erneuerbarer Energie (Wind, Sonne, Wasser, Biomasse) angegeben werden muss. Denn hier wird deutlich, dass zum Teil erheblich mehr Energie aufgewendet werden muss, um die gleiche Gesamtlaufleistung abzudecken.
So zeigten die aktuellen Auswertungen, dass beim Primärbedarf das Elektroauto – insbesondere bei Nutzung regenerativer Energie (Wind) – deutlich vor dem Brennstoffzellenfahrzeug und den E-Fuels liegt.
Dies gilt insbesondere dann, wenn der Ladestrom exakt gleichzeitig zum Verbraucher erzeugt wird. Sofern bei wachsendem Anteil erneuerbarer Stromerzeugung ein Zwischenspeichern des Stroms erforderlich ist, kommt es auch bei der batterieelektrischen Elektromobilität zu unvermeidlichen Umwandlungsprozessen, die die Energieeffizienz reduzieren.
Wesentlicher Nachteil von E-Fuels ist deren schlechterer Wirkungsgrad durch Verluste bei Umwandlungsprozessen im Vergleich zu Strom für batterieelektrische Mobilität und der höhere Bedarf an erneuerbarer Energie in der Produktion. Deshalb kommt es darauf an, E-Fuels in Weltregionen zu erzeugen, in denen Sonne und Wind kontinuierlicher und intensiver zur Verfügung stehen.
Wichtig zu wissen
Die LCA-Studie berücksichtigt die relevanten Treibhausgas-Emissionen der Fahrzeuge. Andere Umweltwirkungen von Schadstoffemissionen wie NOₓ, SO₂, Feinstaub und deren Folgewirkungen wie Versauerung, Ozonbildung und Toxizität für den Menschen werden jedoch nicht erfasst.
Auch die Lebenszyklusauswirkungen eines Verkehrssystems auf den Wasserbedarf, die Verschmutzung des Wassers oder des Bodens, die Arbeitsbedingungen bei der Rohstoffgewinnung, der Flächenverbrauch und Lärm werden nicht in die Bewertung einbezogen.
Neu: Die interaktive LCA-Plattform
Auf Basis der LCA-Studie wurde in Kooperation der Joanneum Research Forschungsgesellschaft mit Green NCAP eine interaktive LCA-Plattform entwickelt, wo die Verbraucher den Energiebedarf und die Treibhausgasemissionen eines Fahrzeugs über den gesamten Lebenszyklus ermitteln und verschiedene Modelle und Antriebsarten miteinander vergleichen können.
Durch die Anbindung an die ADAC Autodatenbank mit über 30.000 Modellen lassen sich die Vergleichsparameter an das eigene Auto und die persönlichen Gegebenheiten anpassen. Hierzu zählen die jährliche Fahrleistung und der regionale Strommix, der auch durch einen Mix aus 100 Prozent erneuerbaren Energien ersetzt werden kann. Je nach Bedarf und Bedingungen können bis zu drei Fahrzeugmodelle miteinander verglichen werden.
Hier ist die deutsche Version der interaktiven LCA-Plattform von Green NCAP verfügbar. Aktuell entwickelt der ADAC auch eine clubeigene Datenbank-Lösung.
Fazit
Die Lebenszyklus-Analyse des Joanneums hat den ökologischen Fußabdruck unterschiedlicher Antriebskonzepte errechnet, beginnend bei der Produktion über den Betrieb bis hin zum Recycling. Auf dieser Basis ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:
Grundsätzlich kann die Treibhausgas-Bilanz eines Fahrzeugs durch die Verwendung erneuerbarer Energien bei deren Herstellung verbessert werden. Dafür muss die Herstellung energieintensiver Materialien (Stahl, Kupfer, Batteriekomponenten) zunehmend mit erneuerbaren Energien aus zusätzlichen regenerativen Quellen erfolgen.
Mit Nutzung von regenerativem Strom zeigt sich eine deutliche Verbesserung der Treibhausgas-Bilanz von Elektrofahrzeugen. Deshalb sind der Ausbau der erneuerbaren Quellen in der Stromerzeugung zur Schaffung eines ausreichenden Angebots regenerativ erzeugter Energien sowie angepasste Versorgungsnetze zwingend erforderlich.
Konventionelle Antriebe sind noch lange nicht am Ende: Wie gut konventionelle Antriebe in der Treibhausgas-Bilanz sein können, zeigt das positive Abschneiden des Erdgasfahrzeugs mit Bio-Methan.
Auch regenerativ hergestellte synthetische Kraftstoffen – etwa aus regenerativer Elektrizität gewonnene E-Fuels – können einen Beitrag zum Klimaschutz leisten und in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Zu ihren Nachteilen gehört jedoch der schlechtere Wirkungsgrad durch Verluste bei Umwandlungsprozessen im Vergleich zu Strom für die batterieelektrische Mobilität und der höhere Bedarf an erneuerbarer Energie in der Treibstoffproduktion. Durch Importe aus sonnen- und windreichen Regionen der Erde kann der Kostennachteil des höheren Energieinputs und der aufwendigeren Produktion reduziert werden.
Förderinstrumente zur Reduzierung der Treibhausgas-Emissionen aus dem Pkw-Verkehr sollten technologieneutral ausgerichtet sein.
Technische Beratung: Andrea Gärtner, ADAC Technik Zentrum