Die Elektrifizierung der Mobilität: Warum die Zukunft elektrisch fahren wird — und das schneller, als man denkt

Einleitung

Noch vor ein paar Jahren galt die Elektromobilität als nette, aber zu belächelnde Idee von Umweltschützern, Tüftlern und progressiven Medien, die nicht wirklich realisierbar sein würde. Inzwischen sind wir weiter: Es ist nicht mehr die Frage, ob die Elektromobilität kommt, sondern wie schnell sie sich durchsetzen wird. Dazu beigetragen haben vor allem fünf Faktoren:

  1. Elon Musk und Tesla,
  2. der Preisverfall und eine höhere Energiedichte bei den Batterien,
  3. der Diesel-Betrug von VW und anderen Herstellern
  4. sowie einige Anreizprogramme für Elektroautos vornehmlich in Kalifornien und Norwegen.
  5. Schließlich hat ein politischer Paradigmenwechsel in China, massiv in die Elektrifizierung des Verkehrs zu investieren, große Wirkung gezeigt.

Gleichzeitig sind die Alternativen zum batterieelektrischen Antrieb für das Automobil aus dem Rennen ausgeschieden — zumindest fürs erste. Wasserstoff-Brennstoffzellen sind energetisch und ökonomisch derzeit nicht sinnvoll, Gasautos einfach nicht gut genug, Biokraftstoffe ökologisch und ethisch fragwürdig und Hybridfahrzeuge, wenn auch technologisch interessant, nicht die beste Idee, da sie die Komplexität des Antriebsstrangs massiv erhöhen und einen wirklichen Wandel nur aufschieben.

Derzeit befinden wir uns in der Phase des großen Sinneswandels in den Chefetagen der etablierten Automobilhersteller. Was bisher am Markt angeboten wird, sind compliance cars — also Fahrzeuge, die allein entwickelt wurden, um die gesetzlichen Vorschriften einzuhalten. Was jetzt folgen wird, ist die erste Welle an richtigen Elektroautos, die einen ernstgemeinten Versuch darstellen. Viele Ankündigungen für die Jahre 2019–2020 sind schon erfolgt. Erst dann kann man anfangen, von wirklich relevanten Größenordnungen bei den Zulassungszahlen zu reden.

Dieser Text holt weit aus und beleuchtet das Thema von verschiedensten Seiten. Dabei sollen zunächst die grundlegenden Probleme des Verkehrssektors zusammengefasst werden.

Analyse des Automobilverkehrs

Zu häufig wird in der öffentlichen Debatte zum Thema, wie die Zukunft des Autos aussehen soll, Rosinenpickerei betrieben. Einzelne Probleme werden nach Belieben ins Rampenlicht gerückt, während andere komplett ausgeblendet werden. Einmal geht ein Aufschrei durch die Fachpresse, die Batterieherstellung sei extrem umweltschädlich, dann werden sich wieder wochenlang über die zu geringe Reichweite von Elektroautos die Finger wundgeschrieben, nur um im Anschluss einen vermeintlich erfrischenden Artikel über die Potenziale des Brennstoffzellenautos zu bringen, der dann doch zu dem Fazit kommen muss: Es ist noch ein weiter Weg. Die Feinstaubbelastung zieht für ein paar Tage als dunkle Wolke durch die Medien, Politiker diskutieren über Stickoxide, eine neue Umweltplakette und Fahrverbote. Viel zu selten wird ein ganzheitlicher Blick auf das Thema gewagt, der alle Probleme und Herausforderungen in den Kontext setzt und zusammen bringt. Genau dies will ich hier versuchen.

Feststellung: Das Auto wird nicht verschwinden

Das Auto ist für viele Menschen kaum aus dem Alltag wegzudenken. Es ermöglicht einen Grad an Unabhängigkeit und Freiheit wie kaum ein anderes Verkehrsmittel. Auch wenn oft über die Benzinpreise gemeckert wird — ein Auto ist für die meisten bezahlbar, zuverlässig und dank des großen Tankstellennetzwerks auch vielerorts schnell wieder aufgetankt. Darauf zu verzichten ist für einen Großteil der Bevölkerung im Autoland Deutschland schwer denkbar und auch nicht zwangsläufig nötig. Ich bin ein großer Fan von Bus, Bahn und Fahrrad und wünsche mir von Politik und Gesellschaft eine Stärkung dieser Form von Mobilität. Aber darauf zu setzen, dass ganz Deutschland auf einmal einen Sinneswandel durchläuft, sich aufs Rad schwingt oder in Busse zwängt, erscheint mir einfach sehr unwahrscheinlich. Es ist wichtig Öffis und Rad zu stärken — aber das allein reicht nicht aus. Viele Leute wollen nach wie vor ein Gefährt für sich und ihre Familie, das sie jederzeit von A nach B bringen kann. Deshalb konzentriert sich dieser Text auf die Lösung der Probleme des Individualverkehrs.

Geht man davon aus, dass die Leute weiterhin ein Auto fahren wollen und betrachtet man die Probleme, die dadurch entstehen, stellt man schnell fest: Es kommt auf die Bereitstellung der Energie und die Art des Antriebs an. Von den rund 45 Mio. zugelassenen Pkw in Deutschland fahren etwa 98% mit fossilen Brennstoffen — 30 Mio. mit Benzin und 15 Mio. mit Diesel. Die Probleme, die daraus entstehen, sollen im Folgenden aufgezeigt werden.

Problem fossile Brennstoffe: Sie sind nicht knapp, aber schaden dem Klima und dem Frieden

Fossile Brennstoffe sind eine endliche Ressource. Bauen wir die Abhängigkeit zum Erdöl weiter aus, ohne in nachhaltige Technologien zu investieren, schaufeln wir unseren modernen Errungenschaften ein tiefes Grab, in dem wir sie, nachdem der letzte Tropfen Öl gefördert wurde, für immer beerdigen können. Erdöl, Kohle und Gas haben unsere moderne Welt möglich gemacht — sind sie aufgebraucht, kann die Abhängigkeit von ihnen auch ihr Ende bedeuten. Das sagt doch alles? Case closed!

Leider ist das bei näherer Betrachtung kein überzeugendes Argument. Erdöl wird noch für viele Jahrzehnte in gigantischen Mengen verfügbar sein. Erst radikale Preisanstiege werden die Vorboten einer Knappheit sein. In den letzten Jahren wurden mittels neuer Technologien ständig neue Fördergebiete erschlossen, was die Reserven trotz steigenden Verbrauchs ansteigen ließ. Diese Entwicklung folgt immer dem gleichen Muster: Die niedrig hängenden Früchte werden zuerst geerntet. Die Vorkommen, in denen das Erdöl direkt aus dem Boden sprudelt — wie es in Saudi-Arabien vielerorts der Fall ist — werden zuerst erschlossen. Bahnt sich hier eine Knappheit an, wird es wirtschaftlich, schlechtere Vorkommen zu erschließen, in denen komplizierte Bohrungen vorgenommen werden müssen oder sogar Tagebau für Ölsande und Ölschiefer betrieben wird. Energieeinsatz und Umwelteingriffe für die Förderung steigen stetig, ohne den Ölpreis stark ansteigen zu lassen.

Dieser Trend könnte sich auch in Zukunft fortsetzen, und die Preise könnten so noch über Jahrzehnte auf einem niedrigen Niveau bleiben. Noch ein halbes Jahrhundert? 60, vielleicht sogar 70 Jahre? Diese Zeitspanne bringt derzeit wohl nur wenige aus der Ruhe. Viel gravierender ist das Problem, dass die Atmosphäre nur eine begrenzte Aufnahmekapazität für Treibhausgase hat, wenn eine katastrophale Erwärmung des Klimas verhindert werden soll. Wir haben also ein Senken- und kein Quellenproblem! Ein Großteil aller fossilen Brennstoffe muss unter der Erde bleiben! Andernfalls verändern wir das Klima massiv — mit unabsehbaren, gravierenden Folgen.

Zusätzlich sorgt die ungleichmäßige Verteilung fossiler Rohstoffreserven weltweit für Spannungen und spielt zum Teil eine wichtige Rolle in Kriegen. Die Nahostregion, die mit einer Fülle an Erdöl- und Erdgasfeldern gesegnet ist, ist eine der umkämpftesten und konfliktbehaftetsten Regionen der Welt. Erlöse aus dem Verkauf von Erdöl fließen zu einem Gutteil in die Aufrüstung der staatlichen Armeen und — viel schlimmer — von Milizen und Stammeskriegern, die so um Einfluss in strategisch wichtigen Regionen kämpfen. Europa und Deutschland finanzieren diese Machenschaften zum Teil mit — pro Fahrzeug fließen so über die Jahre etwa 6000 € in Erdölländer. Allerdings importiert Deutschland einen Großteil seines Erdöls aus Russland, Großbritannien und Norwegen.

Fassen wir die Folgen zusammen, die die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen mit sich bringt:

  • Wir müssen immer stärker in die Umwelt eingreifen, um unseren Hunger nach Energie zu stillen.
  • Werden fossile Brennstoffe aufgebraucht, ohne dass wir eine Alternative entwickeln, kann unsere moderne Gesellschaft nicht weiter bestehen, da sie auf immense Mengen an Energie angewiesen ist.
  • Erdöl spielt eine nicht unerhebliche Rolle in gewaltvollen Konflikten, die wir indirekt mitfinanzieren.
  • Das Verbrennen fossiler Brennstoffe setzt CO2 in die Atmosphäre frei, was bekanntlich zum Klimawandel beiträgt.

Auf diesen letzten Punkt soll nun in Bezug auf den Automobilsektor genauer eingegangen werden.

Problem Klimawandel: Der Automobilsektor als Problembär

Es ist wohl die größte Herausforderung des 21. Jahrhunderts: den fortschreitenden menschengemachten Klimawandel aufhalten, bevor ein point of no return erreicht wird. Ab dort wären katastrophale Folgen für die Menschheit unausweichlich. Dafür muss der überwiegende Großteil der bestehenden Reserven an fossilen Brennstoffen unbedingt unter der Erde bleiben. Dieses Problem kann nur sektorübergreifend gelöst werden, Fortschritte müssen in alle Richtungen erzielt werden, um der Lage Herr zu werden. Alle Sektoren von Energie über Landwirtschaft bis hin zur Industrie haben hier gegenüber 1990 beachtliche Fortschritte gemacht — nur beim Transport sieht es alles andere als rosig aus.

Der Transportsektor verursachte in Deutschland 2015 für 18% aller CO2-Emissionen: also auch Landwirtschaft, Abfall und Abwasser mitgerechnet. Davon entfallen rund 95% auf den Straßenverkehr. Das heißt, rund 17% der CO2-Emissionen Deutschlands entstehen auf der Straße! Hat sich da nichts getan in den letzten Jahren, also in absoluten Zahlen? Die Autos werden doch immer sparsamer! 1990 waren die Gesamtemissionen des Verkehrssektors 164 Mio. Tonnen CO2, 2015 immer noch 160. Zwischendurch ging es auf und ab, mit 187 Mio. Tonnen CO2 1999 und lediglich 153 im Krisenjahr 2009. Wirklich getan hat sich hier unterm Strich nichts. 1990 ist deshalb so entscheidend, weil Deutschland bis 2020 seinen CO2-Ausstoß auf 60% des Niveaus von 1990 bringen wollte. Dieses Ziel wird nicht erreicht werden. Zu dieser Zielverfehlung hat auch der Verkehrssektor erheblich beigetragen. Dabei sind die Autos durchaus sparsamer geworden: 1990 legten 30 Mio. Pkw insgesamt 432 Mrd. Kilometer zurück, 2014 kamen die rund 45 Mio. zugelassenen Pkw auf 627 Mrd. Kilometer, ohne dass der CO2-Ausstoß des Verkehrssektors gestiegen ist. Mehr gefahrene Kilometer bei nahezu gleichbleibendem CO2-Ausstoß — das ist sehr wohl eine Effizienzsteigerung! Nur leider war sie nicht groß genug, um die gestiegene Fahrleistung zu kompensieren. Ohne Zweifel, wir haben heute die besseren Verbrenner als damals. Allerdings ist das technologisch, oder besser gesagt physikalisch Mögliche mittlerweile nahezu vollständig ausgereizt. Weitere Effizienzsteigerungen wird es nicht in großem Maße geben. Die Rede kann hier höchstens von wenigen Prozenten sein, was die Motoren betrifft.

Aktuelle Entwicklungen deuten eher auf das Gegenteil hin: Es lässt sich beobachten, dass die technologische Raffinesse stattdessen in das Aufmotorisieren der ohnehin schon größer und schwerer werdenden Pkw investiert wird, ganz nach dem Motto „Wir haben einen hocheffizienten Diesel, jetzt kann ich mir auch einen stärkeren Motor gönnen.“ Ein effizienterer Motor bringt aber gar nichts, wenn wenn das Auto schwerer wird und mehr PS unter die Haube bekommt.

Zusammengefasst heißt das:

  • Der Automobilsektor leistete bislang keinen Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen.
  • Moderne Verbrennungsmotoren lassen sich kaum noch sparsamer bauen.
  • Fahrzeuge werden größer und leistungsstärker, und fressen die Effizienzgewinne wieder auf

Mit den Auswirkungen auf das Klima hört es bei fossilen Brennstoffen leider nicht auf. Ihre Verbrennung setzt nämlich nicht nur CO2 in die Atmosphäre frei. Bei CO2 kommt es nicht darauf an, wo es ausgestoßen wird. Die Auswirkungen auf das Klima sind global. Bei Schadstoffen kommt es allerdings sehr wohl darauf an, wo sie emittiert werden, da sie die Atemluft verschmutzen.

Problem Luftverschmutzung: Zu viele lokale Emissionen durch Autos

Hierbei geht es um nicht weniger als um unsere Gesundheit und letztlich um Menschenleben. Als Nebenprodukt der Verbrennung von Benzin und insbesondere Diesel entstehen giftige Gase, die so in die Umwelt gelangen, und zwar nicht irgendwo, sondern auf Nasenhöhe in Innenstädten und Ballungszentren, wo sich auf engem Raum tausende Menschen aufhalten. Es geht um Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Feinstaubpartikel. Zwar treten diese toxischen Gase bei neuen Fahrzeugen in sehr geringer Konzentration aus — moderner Abgasreinigung sei Dank — aber bei zig Millionen Fahrzeugen, darunter einige alte Klapperkisten, und dichtem, stockenden Verkehr in Großstädten ist sie doch hoch genug, um dem Menschen zu schaden. Hinzu kommen Rußpartikel aus Dieselmotoren und Feinstaub durch Reifen- und Bremsbelagabrieb sowie Luftaufwirbelungen beim Verkehrstreiben. Die kleinsten Partikel dringen bis in die Lungenbläschen vor, wobei der natürlichen Selbstreinigung der Schleimhäute Grenzen gesetzt sind.

Zwar lassen sich Abgasreinigungen immer weiter perfektionieren und durch Zugabe von Harnstoff Stickoxide binden — doch auch dem sind Grenzen gesetzt. Letztendlich lassen sich diese Nebeneffekte nicht vollständig vermeiden. Eine Folge sind höhere Kosten und höherer Verbrauch. Hand aufs Herz: Würdest Du in Deiner Garage übernachten wollen, während der Motor Deines Verbrenners läuft, selbst wenn es ein Neuwagen mit modernster Technik ist? Würdest Du gerne mit den Langschwanzmakaken im Diesel-Abgas-Test der Auto-Lobby tauschen? Nein? Genauso wenig sollte man es gutheißen, dass tausende Autos für einen netten Gascocktail in den Innenstädten sorgen, zumal das Verkehrsaufkommen in Deutschland weiter steigt. Jetzt könnte man sagen, ein Großteil der Abgase und der Feinstaubpartikel kommt von Heizungen, Kraftwerken und Fabriken. Natürlich ist das auch nicht gut! Es heißt aber eben nicht, dass im Automobilsektor keine Verbesserungen notwendig sind. Zwar sind die Auswirkungen bei uns in Deutschland mit strengen Grenzwerten und Vorgaben nicht akut — ein paar Tage in der Innenstadt bringen niemanden um –, aber wie sind die Auswirkungen über Jahre und Jahrzehnte? Wie sieht es in Ländern und Regionen aus, die keine vergleichbaren Standards haben?

Um es auf den Punkt zu bringen: Mit dem derzeitigen Technologiepfad Verbrennungsmotor wird Deutschland zwar vielleicht noch das Problem der Schadstoffemissionen lösen können, aber weder bei der Abhängigkeit vom Import fossiler Brennstoffe, noch bei der Klimabilanz des Verkehrs eine Wende vollziehen können. Das ist Fakt.

Nötig ist ein Verkehrssystem, das

  • potenziell ohne CO2-Emissionen auskommt
  • uns unabhängig von fossilen Brennstoffen macht
  • lokal emissionsfrei ist
  • und dabei bezahlbar ist

Die erste gute Nachricht: Ein solches System ist möglich. Die zweite: Die Transformation hat bereits begonnen.

Die Perspektiven

Es dreht sich immer um Energie. Energie ist ein knappes Gut. Sie muss in für den Menschen nutzbarer Form gewonnen werden. Sie muss zur flexiblen Nutzung transportierbar und speicherbar sein. Um das zu erreichen sind gegebenenfalls Aufbereitungen oder Umwandlungen nötig, wobei je nach Art der Umwandlung und verwendeter Technologie ein mehr oder weniger großer Teil der Energie verloren geht. Zum Schluss soll ein möglichst großer Teil der wertvollen Energie Arbeit verrichten, in diesem Fall das Antreiben eines Fahrzeugs. Die Antriebstechnik und die Grenzen der Physik legen fest, wie effizient diese Arbeit verrichtet werden kann.

Im Folgenden werde ich die möglichen Perspektiven vorstellen und ausschlaggebenden Argumente über ihre jeweilige Eignung anführen. Als Maßstab dieser Betrachtung dienen:

  • CO2-Bilanz
  • Schadstoffemissionen
  • effizienter Umgang mit Energie und Vergleich mit alternativer Nutzung
  • kritische Ressourcen
  • wirtschaftliche Kosten des Gesamtsystems

Erst zum Schluss werden praktische Aspekte des Fahrzeugs betrachtet, da einige Kandidaten bereits bei den oben genannten Punkten ausscheiden werden.

Scheinlösung 1: Den Verbrennungsmotor weiterentwickeln

Der Verbrennungsmotor (auch ICE: internal combustion engine) in Form von Diesel- und Ottomotor blickt auf eine unglaubliche Erfolgsgeschichte zurück. Heute sind die komplexen Motoren von Porsche, Toyota, Daimler, Volkswagen und BMW das Beste, was diese Technologie hervorgebracht hat. Eine wirkliche Revolution in Bezug auf die angesprochenen Probleme wird es bei dieser Technologie allerdings nicht mehr geben. Dennoch lassen sich mit bestimmten Zusatztechnologien Teile der angesprochenen Probleme lösen. Diese wären zum Beispiel Turbolader (kleinere Motoren, bessere Wirkungsgrade), aktives Zylindermanagement (ACT) (bessere Wirkungsgrade), intelligente Motorsteuerung (auch Segeln genannt, geringerer Verbrauch), Start-Stopp-Automatik (geringerer Verbrauch) und eine moderne Abgasreinigung.

Doch keine dieser Technologien vermag den Zusammenhängen der Energiebilanz in der Gesamtbetrachtung zu entkommen. Schauen wir uns also die Energiebilanz erdölbasierte Kraftstoffe an.

Well-to-Tank: von der Quelle in den Tank

  1. Erdölförderung in Erdölgebieten (z. B. Russland, Naher Osten, Nordsee): kleine Verluste bei Förderung, die jedoch stetig steigen (siehe z. B. Ölsande)
  2. Transport an europäische Raffinerien
  3. Raffination
  4. Benzin: leichte Kohlenwasserstoffe, Heizwert 42 MJ/kg, Brennwert 43 MJ/kg bzw.
  5. Diesel: mittelschwere Kohlenwasserstoffe, Heizwert 42,5 MJ/kg, Brennwert 45,4 MJ/kg, um 13% höhere Dichte als Benzin, daher Heizwert bzw. Brennwert pro Liter deutlich höher als bei Benzin
  6. Eventuell Beimischung von
  7. Ethanol (10% bei E10, siehe Scheinlösung 2: Biokraftstoffe) oder
  8. Bio-Diesel (einige Prozente, siehe Scheinlösung 2: Biokraftstoffe)
  9. Transport an Tankstellen

Bis hierhin können wir feststellen: Bereits Förderung, Transport und Raffination benötigen Energie und verursachen Emissionen. Da häufig nur Energiegehalt und Emissionen des Treibstoffs per se betrachtet werden, nicht aber die Effekte der obigen Prozesse, spricht man an dieser Stelle auch von grauer Energie und grauen Emissionen. Diese graue Energie ist nicht zu vernachlässigen: Bei einem Liter Benzin oder Diesel wird ein Äquivalent von ca. 18% der im Treibstoff vorhandenen Energie für die obigen Schritte aufgewendet. Im Treibstoff steckt also fast ein Fünftel graue Energie. Damit einher gehen natürlich auch entsprechende graue Emissionen in Form von CO2. Am schwersten fällt hierbei die Raffination ins Gewicht. An zweiter Stelle steht der Transport, und der geringste Energieaufwand fällt bei der Förderung an.

Hinzu kommt: Da Rohöl ein relativ festes Verhältnis von leichten und schweren Kohlenwasserstoffen aufweist, können Benzin und Diesel nicht in beliebigem Verhältnis gewonnen werden. In Europa ist es aufgrund der großen Dieselfahrzeugflotten sogar so, dass Diesel per Tanker aus den USA importiert werden muss, um die Nachfrage decken zu können. Benzin hingegen wird in Europa überschüssig raffiniert und findet so den Weg in die USA. Wollen die Raffinerien zusätzlich mehr Diesel herstellen, so verschlechtert das die Energiebilanz weiter, da hierfür ein nicht unerheblicher Energieaufwand nötig ist. Alles in allem wirft dieser Aspekt ein eher schlechtes Licht auf den oft als effizient und klimafreundlich gepriesenen Diesel. Würden alle Europäer auf den Diesel umsteigen, würde dies die Situation noch drastisch verschärfen.

Tank-to-Wheel: vom Tank ins Rad

  1. Verbrennung des Kraftstoffs
  2. Otto-Motor: Wirkungsgrad von über 30% teilweise sogar über 35% unter optimalen Bedingungen, niedriger bei hohen Leistungen und hoher Drehzahl, im Stadtverkehr und im tiefen Teillastbereich sind unter 10% möglich, schlechter Wirkungsgrad bei kaltem Motor (Kurzstrecken im Winter), Energieverbrauch stark abhängig von Fahrweise
  3. Diesel-Motor: Wirkungsgrad von ca. 35% (konventionell) bzw. 42% (Direkteinspritzung und Turboaufladung) unter optimalen Bedingungen, schlechter Wirkungsgrad bei kaltem Motor (Kurzstrecken im Winter), Energieverbrauch stark abhängig von Fahrweise, komplizierte Abgasreinigung verschlechtert den Wirkungsgrad
  4. Mechanische Verluste durch Getriebe von ca. 6%
  5. Verluste bei Standzeiten (Ampel, Halten)
  6. Bremsenergie geht verloren (Abrieb der Bremsbeläge), Rekuperation für Antrieb ohne mindestens Hybridtechnik nicht möglich
  7. Lichtmaschine und andere Nebenverbraucher

Insgesamt gehen bei beiden Antriebstechniken Unmengen an Energie sowohl bei der Herstellung als auch bei der Umwandlung in mechanische Energie verloren. Der Diesel weist höhere Wirkungsgrade auf und ist insbesondere im Teillastbetrieb von Vorteil. Allerdings ist das Herstellungsverhältnis von Benzin und Diesel nicht beliebig veränderbar, ohne weitere Verluste in Kauf zu nehmen. Fakt ist: Zwischen 66% und 92% der Energie aus einem Kilogramm Rohöl verpuffen, ohne zur Fahrleistung beigetragen zu haben. Auch oben genannte Zusatztechnologien vermögen nur wenig an diesen Zahlen zu ändern. Die Energiekette beginnt eben nicht erst an der Tankstelle.

Betrachtet man nun die Klimabilanz dieser Perspektive, muss man folgendes feststellen: man wird den Status quo nur in sehr geringem Maße verbessern können. Die Menge der Emissionen ist bei fossilen Brennstoffen fix. Konkret heißt das: Wird eine Einheit Benzin oder Diesel verbraucht, so wird immer eine genau bestimmte Menge CO2 in die Atmosphäre freigesetzt: 1 kg fossiles Benzin verursacht mindestens 2,61 kg CO2 und 1 kg fossiler Diesel verursacht mindestens 2,92 kg CO2 — immer. Fakt ist: Eine radikale Verbesserung ist auf diesem Weg physikalisch nicht möglich.

Die lokalen Emissionen lassen sich dank moderner Abgasreinigung auf sehr kleine Werte reduzieren, jedoch nie vollständig vermeiden. Die Komplexität des Fahrzeugs muss dabei erweitert werden, was die Herstellungskosten erhöht und den Verbrauch steigen lässt. Bei modernen Dieselfahrzeugen gilt das Problem der NOX-Emissionen als technisch gelöst, was einige Autohersteller aber nicht davon abhielt, zu betrügen, um den Mehraufwand — das häufige Befüllen des AdBlue-Tanks — zu reduzieren. Vor allem alte Fahrzeuge stellen hier ein Problem dar, weil bereits ein altes Auto so viele Schadstoffe ausstößt wie eine Handvoll Neufahrzeuge mit moderner Abgasreinigung.

Was benötigte Rohstoffe und Infrastruktur anbelangt, sind in absehbarer Zeit keine Engpässe zu befürchten. Sowohl Rohöl und die daraus hergestellten Brennstoffe Benzin und Diesel als auch Stahl, Aluminium und Kunststoffe zur Fahrzeugherstellung sind reichlich vorhanden. Ein dichtes Netz aus Tankstellen sowie Raffinerien und Rohöl-Förderkapazitäten bestehen.

Zum Schluss sei aber noch darauf hingewiesen, dass Wartung und Reparatur beachtliche Kosten verursachen: Verbrennungsmotoren haben viele bewegliche Teile mit hohem Verschleiß; Keilriemenriss, Getriebeschaden, Motorschaden, Kupplungsschaden, Rost am Auspuff sind Probleme, die jeder kennt. Regelmäßige Motorölwechsel, Luftfilterwechsel und neue Bremsbeläge (keine Rekuperation, die Bremsbeläge schont) sind kleinere Übel, die noch hinzukommen. Dieser Mehraufwand unterscheidet sich je nach Antriebstechnologie erheblich.

Scheinlösung 2: Biokraftstoffe — die Tankfüllung vom Acker

Wenn fossile Brennstoffe und ihre aufwändige Bereitstellung das Problem darstellen, warum gewinnen wir die Kraftstoffe dann nicht einfach klimaneutral durch den Anbau von Mais, Raps, Zuckerrohr und Zuckerrüben? So könnten wir lokal unsere eigenen Kraftstoffe mithilfe der Landwirtschaft gewinnen.

Hierbei basiert der Antrieb nach wie vor auf dem Otto- bzw. Dieselmotor, die nahezu unverändert bleiben. Erst bei hohem Biokraftstoffanteil ist eine Anpassung der Motoren notwendig. Was den Energiebilanz anbelangt, ist der Ablauf im Fahrzeug (Tank-to-Wheel) demnach praktisch identisch. Da die Bioenergie von der Sonne kommt und bei der Umwandlung CO2 gebunden wird, ist der Kraftstoff an sich bei der Klima- und Energiebetrachtung neutral. Allerdings fällt Energie beim Betrieb landwirtschaftlicher Maschinen, der Herstellung von Düngemitteln und Pestiziden, bei der Wasserversorgung, der Herstellung der Kraftstoffe und dem Transport (insbesondere falls von Übersee importiert) an. Eine genaue Aufschlüsselung ist an dieser Stelle allerdings garnicht nötig, da einfachere Überlegungen ausreichen, um Biokraftstoffe als gangbaren Weg ausscheiden zu lassen.

Ein einziges Argument reicht an dieser Stelle aus: die katastrophale Flächenbilanz. Für Bioethanol wird Mais, Zuckerrohr, Raps und in kleineren Anteilen Palmöl angebaut. Biodiesel wird aus Raps und ebenfalls kleineren Anteilen Palmöl erzeugt. Soweit so gut. Jetzt wollen wir aber eine kleine Rechnung mit den wichtigen Kennzahlen durchführen. Die Kennzahlen sind in den folgenden Tabellen zusammengefasst. Entscheidend ist bei den Biokraftstoffen die Fahrleistung pro Fläche. Diese errechnet sich durch Multiplizieren des Ertrages mit der Kraftstoffäquivalenz, geteilt durch den durchschnittlichen Verbrauch.

Quellen: Gesamtfahrleistung: Kraftfahrt-Bundesamt, Ackerfläche: Statistisches Bundesamt, Daten zu Biokraftstoffen: http://www.bioenergie-weserbergland-plus.de/bioenergie/files/literatur/pdf_174_basisdaten_biokraftstoff.pdf, Durchschnittsverbrauch: Karlsruher Institut für Technologie, ADAC, BMVI

Wir werden nun bestimmen, welcher Anteil der Ackerfläche in Deutschland für das Erbringen der Gesamtfahrleistung mit a) 100% Biodiesel und b) 100% Bioethanol benötigt wird. Wir teilen die Gesamtfahrleistung in 2017 durch die Fahrleistung des Biokraftstoffs pro Fläche.

  • Für Biodiesel ergibt sich: 630,5 Mrd. km / 20449 km/ha = 30,83 Mio. ha Ackerfläche. Das ist das 2,62-fache der insgesamt in Deutschland bewirtschafteten Ackerfläche in 2017.
  • Für Bioethanol erhalten wir: 630,5 Mrd. km / 22708 km/ha = 27,77 Mio. ha Ackerfläche. Das ist das 2,36-fache der insgesamt in Deutschland bewirtschafteten Ackerfläche in 2017.

Das zeigt: Biokraftstoffe sind weder für Deutschland noch den Rest der Welt eine akzeptable Lösung. Ein Vielfaches der in Deutschland verfügbaren Ackerfläche müsste einzig und allein für die Herstellung von Biokraftstoff aufgewendet werden! Nimmt man dann noch die Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und alle zusätzlich nötigen Ressourcen wie Wasser, Düngemittel, Insektizide, Neonikotinoide, den Energieverbrauch der Landwirtschaft (Traktoren, Mähdrescher, etc.) und den Einfluss auf die Umwelt hinzu, fällt es schwer, in irgendeiner Weise für den Einsatz von Biokraftstoffen in großem Stil zu argumentieren. Da wäre es womöglich noch sinnvoller für Umwelt und Klima, alle bestehenden Ackerflächen aufzuforsten und unsere Fahrzeuge weiter mit fossilen Brennstoffen zu betreiben. Nochmal: Biokraftstoffe als primäres Anbauziel (im Gegensatz zum Nutzen von Biomasse als Abfallprodukt) ergeben überhaupt keinen Sinn, ja sind sogar kontraproduktiv. Ackerflächen sollten unsere Teller füllen und nicht unsere Tanks!

Scheinlösung 3: Erdgas und Methan als Kraftstoff

Was ist die Idee hinter einem Gasauto? Komprimiertes Methan betreibt einen nur leicht modifizierten Verbrennungsmotor. Dabei kann es sich entweder um Erdgas (natural gas) oder Methan aus Power-to-Gas-Anlagen handeln. Gas kann wunderbar über Pipelines zu Tankstellen transportiert werden. Dort muss es — um ausreichend hohe Energiedichten zu erreichen — komprimiert werden (deswegen CNG: compressed natural gas), bevor die Fahrzeuge damit befüllt werden. Diese benötigen spezielle Druckgasbehälter, Druckregler, Einspritz- und Rückschlagventile sowie eine elektronische Motorsteuerung im Gegensatz zu einem klassischen Verbrenner, weswegen ihre Anschaffung in der Regel etwas teurer ist.

Um diese Perspektive zu bewerten, ist es sinnvoll, eine mittelfristige Perspektive auf der Basis von Erdgas und eine langfristige Perspektive auf der Basis von Power-to-Gas-Anlagen zu unterscheiden. Beide sind möglich, scheiden aber letztlich aus, weil sie nicht gut genug sind.

Zur mittelfristigen Perspektive: Erdgasautos sind im Vergleich mit Benziner und Diesel deutlich besser — oder weniger schlecht — für das Klima. Das liegt am geringeren CO2-Ausstoß, der bei der Verbrennung von Erdgas anfällt (weil es weniger Kohlenstoff und stattdessen mehr Wasserstoff enthält). Tritt allerdings Erdgas aus einer Pipeline aus, ist der Treibhauseffekt 21-mal so stark wie bei CO2. Das wird allerdings in keiner Statistik auftauchen. Über den geringeren CO2-Ausstoß hinaus hat das Erdgasauto kein einziges Alleinstellungsmerkmal. Es gibt keine Spitzenmodelle mit entsprechender Motorleistung. Reichweiten sind in der Regel etwas geringer. Wegen der zusätzlichen Komponenten müssen sich die Fahrer mit weniger Platz bei der Erdgasvariante eines Modells zufrieden geben. In Bezug auf die Infrastruktur sind deutlich weniger Erdgastankstellen vorhanden. All das macht einen mittelfristigen Durchbruch von Erdgasautos zwar nicht unmöglich, aber sehr unwahrscheinlich.

Auch die langfristige Perspektive spricht nicht für das Gasauto: Die Wirkungsgrade für die Umwandlung von Strom zu Gas (Methan) sind (noch?) sehr unvorteilhaft. Elektrischer Strom wird zur Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet. Wasserstoff wird dann in einem zweiten Prozess zusammen mit CO2 zu Methan weiterverarbeitet. Dabei bleibt nur etwa 60% der ursprünglichen Energie erhalten. Das Methan muss dann zu den jeweiligen Tankstellen transportiert werden, was allerdings deutlich einfacher ist als bei Wasserstoff (mehr dazu im nächsten Abschnitt). Zudem besteht hierfür eine sehr gute Infrastruktur. An den Tankstellen wird das Gas dann auf etwa 200 bar komprimiert, wobei weitere Verluste anfallen. Im Fahrzeug hat man dann unter optimalen Bedingungen einen Wirkungsgrad, der etwas besser als beim Benziner ausfällt, sich allerdings immer noch in der Größenordnung von nur 30 bis 40 Prozent bewegt. Im Mittel liegt er deutlich darunter, da ein Verbrenner nicht immer im optimalen Lastbereich gefahren werden kann. Zusammenfassend: Mehr als 80 Prozent der ursprünglichen elektrischen Energie geht ohne jeglichen Nutzen verloren! Power-to-Gas ist für die Mobilität erst dann sinnvoll, wenn wir Strom klimaneutral in beliebigen Mengen zu niedrigen Preisen produzieren können. Davon sind wir leider noch weit entfernt.

Scheinlösung 4: Die Brennstoffzelle

Jetzt bewegen wir uns in den Bereich der Elektromobilität, wo für den Antrieb des Fahrzeugs ein Elektromotor verwendet wird. Elektromotoren sind exzellente Energiewandler: Sie können elektrische Energie mit hervorragendem Wirkungsgrad (über 90%) in mechanische Arbeit umwandeln. Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen Wasserstoff lediglich als Speichermedium für die Antriebsenergie, letztlich sind Brennstoffzellenfahrzeuge Elektroautos. Genauer beschreiben lässt sich die Technologie folgendermaßen: Zunächst einmal wird mindestens ein Wasserstofftank benötigt, der unter einem Druck von 700 (!) bar mehrere Kilogramm Wasserstoff aufnehmen kann. 1,25 kg Wasserstoff reichen für ca. 100 Kilometer — eine immens hohe Energiedichte! Allerdings wiegt das Tanksystem im Fahrzeug — also nur das Drumherum — mehr als 100 kg um den extremen Anforderungen beim Umgang mit Wasserstoff gerecht zu werden. Im Brennstoffzellen-Stapel, einem Energiewandler, kommt es zur kontrollierten Reaktion von Wasserstoff mit komprimierter Umgebungsluft. Dabei entstehen Strom und — wer hätte das gedacht — Wasser. Es ist der Umkehrprozess zur Wasser-Elektrolyse. Da eine einzelne Brennstoffzelle lediglich eine Spannung von ca. 1 V liefert, müssen viele Zellen miteinander gekoppelt werden. Mit dem Strom der Brennstoffzelle wird ein kleiner Zwischenspeicher wie zum Beispiel ein Lithium-Ionen-Akku geladen. Mit der im Akku gespeicherten Energie wird wiederum ein Elektromotor angetrieben. Um es einfach zu formulieren: Der Wasserstoff als Energiespeicher und die Brennstoffzellen als Energiewandler sind dazu da, um den Zwischenspeicher ständig aufzuladen, damit dieser den Elektromotor am Laufen halten kann.

Da es sich um eine vom Verbrenner stark verschiedene Technik handelt, lohnt sich eine Betrachtung der gesamten Energiebilanz.

Well-to-Tank

  1. Herstellung von Wasserstoff aus
  2. fossilen Brennstoffen mittels Dampfreformierung
  3. elektrischer Energie mittels Elektrolyse (Wirkungsgrad von derzeit 50–70%)
  4. Transport des Wasserstoffs mittels
  5. Pipeline (Verluste durch Diffusion sind fast unvermeidlich, Wasserstoff ist extrem flüchtig und durchdringt selbst Stahl)
  6. herkömmlicher Transport (Verluste durch Diffusion, Energie für Transport)
  7. Kompression auf ca. 700 bar um notwendige Energiedichte für passable Reichweiten zu erlangen (Verlust in der Größenordnung von 10–12% der im Wasserstoff gespeicherten Energie)
  8. Schnelles Tanken des Fahrzeugs (bei langen Standzeiten Verluste durch Entweichen des extrem flüchtigen Wasserstoffs)

Tank-to-Wheel

  1. Verstromung des Wasserstoffs mittels Brennstoffzelle (Wirkungsgrad von 60–80%), Wärme als Nebenprodukt

Ab hier ist die Energiebetrachtung identisch zum batterieelektrischen Elektroauto

  1. Antrieb durch Elektromotor: Wirkungsgrad Elektromotor über verschiedene Lastbereiche ca. 90%
  2. Nebenverbraucher: Energie für Licht, Bordelektronik- und Computer, Klimatisierung (vorzugsweise Wärmepumpe) wird aus Batterie bezogen
  3. Rekuperation: Rückgewinnung von Energie beim Bremsen, im Stadtverkehr, bei langen Talfahrten

Derzeit wird Wasserstoff größtenteils per Dampfreformierung erzeugt (zu ca. 90%). Dabei werden fast ausschließlich fossile Brennstoffe verwendet, was zu einer katastrophalen Klimabilanz führt.

Die Technologie hat zwar das Potenzial klimaneutral und schadstoffarm zu sein, allerdings stellt sie eine der teuersten Varianten dar: Elektrolyse-Anlagen müssen gebaut werden, die lediglich der Umwandlung dienen. Die gesamte Transportinfrastruktur müsste aufgebaut werden. Wasserstofftankstellen sind besondere Anlagen und müssen ebenfalls gebaut werden. Derzeit fallen Kosten von 2 Mio. € pro Tankstelle an. Hinzu kommen die schwierige Handhabung der enorm hohen Drücke (500–800 bar), die Flüchtigkeit des Wasserstoffs sowie die Explosionsgefahr. Unterm Strich steht ein sehr schlechter Gesamtwirkungsgrad der Energiekette: 60–82% der Energie geht bei Umwandlungen verloren. Ein großer Teil dieser Verluste ist physikalisch bedingt und wird sich daher auch zukünftig nicht vermeiden lassen. Diese Verluste bedeuten, dass Wasserstoff im großen Maßstab stets deutlich teurer sein wird als der Strom, der ein batterieelektrisches Fahrzeug direkt auflädt.

Brennstoffzellenfahrzeuge sind aktuell in der Herstellung noch sehr teuer, unter anderem wegen der hohen Komplexität, teuren Materialien wie Platin und kleinen Stückzahlen. Die Kosten werden in den kommenden Jahren sehr wahrscheinlich sinken. Darüber hinaus haben Brennstoffzellenfahrzeuge — genau wie das Gasauto — jedoch kein Alleinstellungsmerkmal. Ganz im Gegenteil: weniger Platz, weniger Tankmöglichkeiten und weniger Leistung machen Brennstoffzellenfahrzeuge aus.

Schon besser, aber letztlich nur Zeitfresser: Hybride Fahrzeugkonzepte

Mit diesem Ansatz versucht man die Vorteile des elektrischen Antriebs mit der hohen Energiedichte fossiler Brennstoffe als Speichermedium zu kombinieren. Zum Einsatz kommen effiziente Diesel- oder Ottomotoren, die in ihrem optimalen Drehzahlbereich mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. Damit wird — je nach Antriebsstrangkonzept — eine Batterie geladen, der Elektromotor unterstützt oder das Fahrzeug direkt angetrieben oder es findet eine Kombination (seriell, parallel, leistungsverzweigend) dieser Punkte Anwendung. Die wichtigste Unterscheidung ist die zwischen Vollhybrid und Plug-in-Hybrid. Der Vollhybrid (auch HEV: hybrid electric vehicle) wird zu 100% mit Benzin oder Diesel betrieben, nutzt aber die höhere Effizienz eines Elektromotors zum unmittelbaren Antrieb. Der Plug-in-Hybrid (auch PHEV: plug-in hybrid electric vehicle) hingegen besitzt eine etwas größere Batterie, die von außen aufgeladen werden kann. Kurzstrecken können so rein elektrisch zurückgelegt werden, während bei langen Strecken der Verbrennungsmotor zum Einsatz kommt und die Reichweite drastisch erhöht.

Die Idee des Hybrids klingt zunächst gut: Man will das Beste aus beiden Welten verbinden. Allerdings erkauft man sich das mit einer noch größeren Komplexität und erhöhten Wartung des Fahrzeugs. Vor allem ist aber die Frage berechtigt, ob Hybride überhaupt noch gebraucht werden, wenn sich die Probleme auch rein elektrisch lösen lassen. Ganz klimaneutral schafft es diese Technologie nämlich nicht. Ich bin der Meinung, dass die Hybridtechnik die Entwicklung eines klimaneutralen Verkehrs eher ausbremst als beschleunigt. Sie setzt in Bezug auf die Batteriepreise und Ladeinfrastruktur nicht die gleichen Marktkräfte in Gang, wie es bei reinen Elektrofahrzeugen der Fall ist und kann so die Entwicklung um mehrere Jahre verzögern. Den meisten Autoherstellern hingegen gefällt dieser Umweg, da sie so weiterhin ihre Verbrennungsmotoren verkaufen können.

Die Lösung: Das batterieelektrisches Fahrzeug

Kommen wir nun zu dem, was ich für die Lösung der Probleme halte: das batterieelektrische Fahrzeug (BEV: battery electric vehicle), das häufig, wie auch in diesem Text, einfach Elektroauto genannt wird. Die Technik eines Elektroautos besticht durch seine Einfachheit: eine große Batterie mitsamt Batteriemanagementsystem (BMS), etwas Leistungselektronik und ein Elektromotor — that’s it. Kein hochkomplexes Achtgang-Automatikgetrbiebe, kein Acht-Zylinder-Direkteinspritzer mit Turbolader, dazu Abgasreinigung, Harnstofftank, Katalysator und dergleichen. Drei Komponenten reichen im Wesentlichen für den Antriebsstrang. Aber es sind nicht nur weniger Komponenten, — die einzelnen Bestandteile sind auch deutlich weniger komplex, was den mechanischen Aufbau betrifft. Ein Elektromotor kann relativ klein gebaut werden und folgt einem relativ einfachen Prinzip. Er wird seit Jahrzehnten in den verschiedensten Bereichen eingesetzt, es braucht nicht das Know-How von langjähriger Motorentwicklung, wie es bei Verbrennern der Fall ist. Mikrocontroller, Regelkreise und Wechselrichter in einem Elektroauto funktionieren genauso wie überall sonst und sind mittlerweile sehr kompakt.

Das Batteriepaket besteht im Wesentlichen aus der Verschaltung tausender kleiner Zellen, die man in jedem Elektronikladen kaufen könnte. Aber ganz so einfach ist es nicht: Es gibt verschiedene Formate, deren Wahl das Design des Pakets maßgeblich beeinflusst. Zudem stellt ihre kompakte Zusammenstellung zu einem Batteriepaket mit Batteriemanagementsystem, Thermomanagement und hohen Sicherheitsstandards eine große Herausforderung für Ingenieure dar. Dennoch ist die grundlegende Einfachheit der Idee ein Problem für die etablierten Autohersteller, da das Know How rund um den Verbrennungsmotor ihr größtes technologisches Kapital ist — alle restlichen Komponenten werden fast ausschließlich von Zulieferern bezogen. Es ist gleichzeitig einer der Hauptgründe, warum mehrere Elektroauto-Start-ups aus dem Boden sprießen: Tesla, e.Go Mobile aus Aachen, Lucid Motors, Rimac, BYD aus China und viele mehr. Der Elektroantrieb hat die Einstiegshürden im Automobilsektor massiv abgesenkt. Sie sind geringer als je zuvor. Werfen wir nun aber einen Blick darauf, wie das Elektroauto mit Energie umgeht, und wo diese herkommt.

  1. Stromerzeugung in Deutschland: Das Elektroauto fährt mit Strom aus dem deutschen Strommix, der sich aus unterschiedlichen Erzeugungsarten zusammensetzt (siehe Grafik S. 31). Nicht jede Erzeugungsart ist in Bezug auf Klima und Umwelt wünschenswert. Deshalb spielt die Zusammensetzung des Strommixes eine entscheidende Rolle für die Elektromobilität.
  2. Bereitstellung über Stromnetz: Verluste von ca. 8% (Durchschnitt in Deutschland in 2016)
  3. Aufladen der Batterie: Wirkungsgrad Laden 90% und Entladen 96%, abhängig von Temperatur (Verluste bei niedrigen Minusgraden und sehr hoher Temperatur)
  4. Leistungselektronik und eventuell Getriebe: Wirkungsgrad von ca. 97%
  5. Antrieb durch Elektromotor: Wirkungsgrad Elektromotor über verschiedene Lastbereiche ca. 90%
  6. Nebenverbraucher: Energie für Licht, Bordelektronik- und Computer, Klimatisierung (vorzugsweise Wärmepumpe) wird aus Batterie bezogen
  7. Rekuperation: Rückgewinnung von Energie beim Bremsen, im Stadtverkehr, bei langen Talfahrten

Von 1kWh erzeugtem Strom landen mehr als 70% (92% ⋅ 90% ⋅ 95% ⋅ 90%) auf der Straße. Diese Energieeffizienz im Umgang mit elektrischer Energie ist unschlagbar! Mit einem direkten Vergleich an dieser Stelle mit dem Verbrenner muss man vorsichtig sein. Denn: Die Art der Herstellung des Stroms muss natürlich berücksichtigt werden. Wenn der Strom erst aus fossilen Quellen erzeugt werden muss, treten auch hier thermische Verluste auf. Allerdings hat bereits der Hybrid weiter oben gezeigt, dass ein Elektroantrieb die Effizienz eines Systems mit Verbrennungsmotor erhöht, da so der Verbrennungsmotor immer im idealen Lastbereich betrieben werden kann. Energetisch gesehen wäre es sogar sinnvoller, Erdöl in Kraftwerken zur Stromerzeugung zu nutzen und mit diesem Strom dann Elektrofahrzeuge zu betreiben, statt es als Diesel oder Benzin in den Tank zu füllen! Hier soll aber vor allem unterstrichen werden, wie effizient das Elektroauto mit elektrischem Strom umgeht, insbesondere im Vergleich zur Energiebilanz des Brennstoffzellenfahrzeugs und Gasautos mit Power-To-Gas-Technologie.

Schaut man sich die klimatischen Aspekte an, so hat das Elektroauto im Fahrbetrieb klar die Nase vorn, selbst im deutschen Strommix, der einen hohen Braunkohleanteil aufweist. Am Ende zählt jedoch eine Betrachtung der Emissionen des gesamten Lebenszyklus eines Fahrzeugs. Hierzu gibt es einige ausführliche Studien. Auf die Zahlenwerte möchte ich hier aber nicht im Einzelnen eingehen. Wichtig ist aber: Das Elektroauto hat das Potenzial von Jahr zu Jahr klimafreundlicher zu werden — praktisch bis zu nahezu 100% — wohingegen die Förderung von Erdöl von Jahr zu Jahr immer aufwändiger und energieintensiver wird. Stattdessen will ich die Komponenten, die in diese Rechnung einfließen erläutern und die Zusammenhänge skizzieren.

Die Emissionen im Lebenszyklus eines Fahrzeugs lassen sich in zwei Bereiche aufteilen: die Emissionen zur Fahrzeugherstellung und die Emissionen, die durch die Fahrzeugnutzung entstehen. Beim Elektroauto werden zur Herstellung der Batterie große Mengen an Energie benötigt. Dabei geht es weniger um die Rohstoffgewinnung sondern vielmehr um die zahlreichen Schritte im Produktionsprozess des Batteriepakets. Die Tendenz beim CO2-Ausstoß pro kWh Batteriekapazität ist klar fallend wegen höherer Energiedichten, Optimierung der Produktionsverfahren und Skaleneffekten in großen Fabriken. Bei 100% grünem Strommix am Produktionsstandort (was letztendlich das Ziel ist) fallen diese Emissionen nahezu vollständig weg. Es blieben die Emissionen bei der Rohstoffgewinnung, wobei diese durch Recycling von alten Batterien weiter reduziert werden können, und dem Transport. Derzeit haben Elektroautos aber noch einen deutlich höheren CO2-Ausstoß bei der Herstellung als Verbrenner. Das bedeutet: Ein Elektroauto muss zunächst relativ lange gefahren werden, um eine bessere CO2-Bilanz als ein vergleichbarer Verbrenner zu erreichen. Das hängt jedoch stark von der Größe des Batteriepakets ab. Für die langfristige Betrachtung ist wichtig: Sowohl die Batterieherstellung als auch der Strommix können klimafreundlicher, ja irgendwann sogar klimaneutral gestaltet werden. Bildlich gesprochen: Die Schere schließt sich immer mehr.

Schadstoffemissionen auf der Straße entstehen beim Elektroauto nicht. Der Abrieb von Bremsbelägen und Reifen sowie das Aufwirbeln von Staub sorgt jedoch — wie bei jedem anderen Auto — für Feinstaub. Durch Rekuperation beim Elektroauto kann der Abrieb der Bremsbeläge um bis zu 90% reduziert werden. Nicht vergessen darf man allerdings die Schadstoffemissionen zur Bereitstellung des Stroms. Besonders Kohlekraftwerke sollten an dieser Stelle genannt werden. Aber auch hier gilt wieder: Während beim Verbrenner die Schadstoffe im Treibstoff selbst enthalten sind, können sie bei der Elektromobilität langfristig durch Verbesserung der Stromerzeugung mehr und mehr vermieden werden. Die Umweltbilanz der Elektromobilität wird sich also in den kommenden Jahren stetig verbessern.

Ein häufig vorgebrachtes Argument ist der Mangel an Lademöglichkeiten für Elektroautos. Zunächst muss man festhalten, dass ein flächendeckendes Stromnetz in Deutschland schon vorhanden ist. Jeder Haushalt hat grundsätzlich die Möglichkeit, ein Elektroauto zu Hause zu laden, wenn auch nur sehr langsam mit etwa 5 kW Ladeleistung. Starkstromanschlüsse im Haus ermöglichen Ladeleistungen von bis zu 22 kW, kosten derzeit aber noch ca. 1000–2000€ bei den jeweiligen Herstellern. Laden in einem Wohngebiet viele Leute gleichzeitig mit dieser Leistung ein Elektroauto, könnte dies die Verteilernetze überfordern. Sie sind dafür bisher schlicht und einfach nicht ausgelegt. Hier muss sich noch einiges tun. Auch im öffentlichen Raum ist noch viel Luft nach oben da, wobei man derzeit aber im Verhältnis zu den zugelassen Elektroautos nicht von einem Mangel an öffentlichen Ladestationen sprechen kann. In meinen Augen sind die Lademöglichkeiten ein lösbares Problem, das mit der Zunahme von Elektroautos Schritt für Schritt angegangen werden wird.

Positiv fällt beim Elektroauto der geringe Wartungs- und Reparaturaufwand auf. Es besitzt weniger bewegliche und verschleißanfällige Teile als es bei konventionellen Verbrennern der Fall ist: Deswegen keine Ölwechsel, kein Zahnriemenwechsel, kein kaputter Vergaser, keine Zündkerzenauswechslung, kein Anlasser defekt, kein kaputtes Getriebe (natürlich nur bei getriebelosen Elektroautos), kein verrosteter Auspuff und seltener Wechsel der Bremsbeläge dank Rekuperation. Ein Elektromotor kann natürlich kaputt gehen, aber Elektromotoren in Elektroautos sind auf bis zu 1 Mio. km ausgelegt. Bei defektem oder verschlissenem Akku können einzelne Zellen ausgewechselt werden oder das gesamte Batteriepaket wird vom Hersteller innerhalb der Garantiezeit von 8 Jahren ersetzt. Bei weiter fallenden Batteriepreisen wird ein neuer Akku in ein paar Jahren günstiger sein, eine größere Kapazität aufweisen oder bei gleicher Kapazität weniger Gewicht beanspruchen, was bedeutet, dass ein Akkuwechsel in acht Jahren auch Vorteile mit sich bringen kann.

Zum Schluss noch ein paar Worte zur Raumgestaltung: Im Vergleich zu den fünf vorherigen Technologien unterscheidet sich die beim Elektroauto deutlich. Auch wenn Elektroautos mit großer Reichweite insgesamt schwerer sind als vergleichbare Verbrenner, lassen sich die einzelnen Bestandteile platzsparender anordnen. Die Batterie — der schwerste und größte Bestandteil — kann den gesamten Fahrzeugunterbau zwischen den Radachsen für sich beanspruchen. Man bezeichnet diesen Fahrzeugaufbau auch als Skateboard-Design. Das sorgt für einen niedrigen Schwerpunkt, eine gleichmäßige Verteilung der Masse und somit auch für mehr Sicherheit bei Zusammenstößen. Ein Überschlagen des Fahrzeugs wird fast unmöglich. Eine oder mehrere Elektromotoren lassen sich direkt oberhalb der Radachsen anbringen, die Leistungselektronik direkt daneben. Dadurch verschwindet der bei Verbrennern übliche Motorblock unter der Haube — eine riesige Masse aus Stahl, die sich bei einem frontalen Zusammenprall in die Fahrzeugkabine bohrt. Beim Elektroauto lässt sich dieser Bereich stattdessen in eine große Knautschzone aus leichteren Materialien verwandeln, einen Puffer, der sich bei einem Zusammenprall verformen kann und so die Energie absorbiert. Somit sind bereits alle essenziellen Komponenten untergebracht — es bleibt viel Platz für die Raumgestaltung der Fahrzeugkabine; für die Designer des Fahrzeuginterieurs wird ein neues Kapitel aufgeschlagen. So verfügt zum Beispiel das Model 3 von Tesla über einen zusätzlichen Kofferraum unter der “Motorhaube”, ebenso das Model S, das gleichzeitig bis zu sieben Personen aufnehmen kann.

Vier fundamentale Gründe für die Elektromobilität

„Nichts auf der Welt ist so mächtig wie eine Idee, deren Zeit gekommen ist.“

Victor Hugo

Nachdem nun die Probleme des derzeitigen Autoverkehrs, die möglichen Alternativen und die Technik des Elektroautos vorgestellt wurden, sollen hier die Argumente gebündelt werden, warum das Elektroauto den besten, günstigsten und klimafreundlichsten Weg in die Zukunft der individuellen Mobilität darstellt. Ich bin der festen Überzeugung: In fünf bis zehn Jahren wird es in Deutschland — rein objektiv — keine Gründe mehr geben, ein Auto mit Verbrennungsmotor zu kaufen.

Fundamentaler Grund 1: Das Zeitalter der Batterie ist gekommen

Einer der größten Denkfehler, der von Kritikern im Zusammenhang mit Elektromobilität begangen wird, ist der des statischen Denkens. Jedoch ist es so, dass sich Technologien in ihrer frühen Entwicklungsphase nicht statisch verhalten, insbesondere dann nicht, wenn es um die Massenfertigung technischer Bauteile geht. Diesen Fehler beging bereits Thomas J. Watson, damaliger CEO von IBM, als er 1943 behauptete: „Ich glaube, dass es auf der Welt einen Bedarf von vielleicht fünf Computern geben wird.“ Die ersten Transistoren kosteten kurz nach ihrer Erfindung noch so viel wie ein Einfamilienhaus. Das war Ende der 60er Jahre. Wäre dies so geblieben, hätte sich der Computer wohl nicht durchgesetzt, das Internet wäre nicht erfunden worden und die Welt sähe heute ganz anders aus. Doch die tatsächliche Entwicklung nahm einen ganz anderen Weg. Gordon Moore, der sich früh mit chemischen Produktionsprozessen beschäftigte, war einer der ersten, die ein dramatisches exponentielles Wachstum der Transistordichte auf Siliziumchips vorhersahen — er ging von einer Verdopplung alle 18 Monate aus. Als einer der Gründer von Intel sah er das große Potenzial in der Optimierung von Produktionsprozessen und nicht einfach nur der reinen Transistortechnologie. Der Rest ist Geschichte.

2014 wurden acht Billionen Transistoren hergestellt — und zwar jede Sekunde. Diese Zahlen hätte damals wohl niemand für möglich gehalten. Aber auch diese technologische Entwicklung wird sich nicht in alle Ewigkeit fortsetzen. Moore’s Law ist in keiner Weise ein Gesetz, vielleicht eher eine selbsterfüllende Prophezeiung. Langsam zeichnet sich ab, dass die physikalischen Grenzen erreicht werden. Bei einer Gattergröße von wenigen Nanometern erlaubt die Physik einen zuverlässigen Transport der Elektronen einfach nicht mehr.

Genauso — oder so ähnlich — geht es den modernen Verbrennungsmotoren. Die physikalischen Grenzen zu Anwendung im Automobil sind weitestgehend erreicht — und da ist die Abgasproblematik noch nicht inbegriffen. Während die Transistordichte über Jahrzehnte hinweg alle 18 Monate um etwa 100% zunahm, waren beim Verbrennungsmotor in den letzten Jahren 1,8% Effizienzsteigerung pro Jahr drin. Mehr nicht. Das ist einerseits auch eine exponentielle Wachstum, andererseits ein relativ geringes, das sein Ende erreicht hat.

Ganz anders sieht es hingegen bei der Batterie aus. Batterie ist natürlich ein Sammelbegriff für die unterschiedlichsten Zelltechnologien, genauso wie es NMOS, CMOS- und Bipolar-Transistoren gibt. Die derzeit vielversprechendste Technologie stellt dabei der Lithium-Ionen-Akku dar. Grundlagenforschung hierzu wurde bereits in den 1970er Jahren an der TU München geleistet. Das erste brauchbare System wurde 1980 von einer Forschergruppe um John B. Goodenough an der University of Oxford entwickelt. Aber erst die asiatischen Elektronikhersteller, allen voran SONY, kommerzialisierten diese Technologie in den frühen Neunzigern des vergangenen Jahrhunderts, als sie zuverlässige und leichte Speicher für ihre Video- und Digitalkameras brauchten. In der Folge fanden die Li-Ionen-Akkus Einzug in alle erdenklichen Geräte: Laptops, Akku-Schrauber, Mobiltelefone, Tablets und Pedelecs. Auch wenn die Anwendungsbereiche immer vielfältiger wurden, so war die Größe der Akkus noch relativ klein.

Das begann sich zu ändern, als die ersten Leute auf die Idee kamen, Tausende dieser kleinen Zellen zusammen zu schalten und sie als Energiespeicher für ein ganzes Auto zu verwenden. Hier landete man schnell bei vielen hundert Kilogramm, allein für die Batterie. Doch diese Idee entwickelte sich nur sehr langsam zu einer wirklichen Alternative. Die Batterien waren einfach zu teuer, um zu vernünftigen Preisen vernünftige Reichweiten zu ermöglichen.

Wenn diese Autos allerdings in Massenfertigung gehen, bewegen wir uns in einer ganz anderen Größenordnung. 2014 noch wurden nur 13% der Lithium-Ionnen-Zellen für Elektroautos verwendet, während 83% in mobilen Geräten verbaut wurden. Man braucht kein Prophet zu sein, um zu sehen, dass sich dieses Verhältnis innerhalb weniger Jahre umkehren wird. Plötzlich werden riesige Fabriken auf der ganzen Welt benötigt — diese müssen zu einem Großteil erst noch gebaut werden. Diese sogenannten Gigafactories produzieren jährlich mehrere Dutzend GWh an Batteriespeicherkapazität. Eine GWh reicht für ca. 20.000 Elektroautos mit je 50kWh Speicherkapazität. Wie oben beschrieben, hat der Mensch sein Geschick im Optimieren komplexer Produktionsprozesse schon oft unter Beweis gestellt. Niemand baut eine neue Fabrik, ohne dabei modernste Produktionstechniken anzuwenden, dessen Ziel es ist, die Effizienz zu steigern und Kosten zu senken. Skaleneffekte, vertikale Integration, ein hoher Grad an Automatisierung und Optimierung der Prozesse und vor allem ein starker Wettbewerb sind hierbei treibende Faktoren.

Aktuelle Luftaufnahme der Tesla Gifactory 1 in Nevada. Auf der rechten Seite des Bildes kann man bereits die ersten installierten Solar-Anlagen ausmachen, die einmal das gesamte Dach bedecken sollen. Gut zu erkennen ist hier auch der modulare Aufbau. So kann in jedem der fertigen Fabrikabschnitte die Produktion von Anfang an hochgefahren werden (Tesla Space Bar | Youtube).
So soll die fertige Gigafactory 1 von Tesla in Nevada einmal aussehen (https://www.tesla.com/sites/default/files/images/presskit/press_gigafactory.jpg?2017).

Schon allein aus diesen Gründen werden die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien in den nächsten Jahren weiter sinken. Bei Photovoltaikmodulen hat sich das in den vergangenen Jahren eindrucksvoll gezeigt. Neben der Optimierung der Produktion gibt es aber noch die Optimierung der Batterietechnologie an sich. Diese wiederum ist nicht nur in einer, sondern in mehreren Dimensionen möglich. Sie findet bei vielen Faktoren wie Sicherheit, Zyklenfestigkeit, Materialzusammensetzung, Energiedichte, Leistungsdichte, Ladegeschwindigkeit und dem Thermomanagement statt.

Bereits heutige Lithium-Ionen-Batterien erfüllen die technischen Anforderungen für reale Reichweiten von über 400 km. Allerdings sind die Verbesserungsmöglichkeiten bei Materialaufwand, Gewicht, Ladegeschwindigkeit, Sicherheit und Zyklenfestigkeit noch bei weitem nicht voll ausgeschöpft. Bereits die Optimierung der gravimetrischen Energiedichte, angegeben in kWh/kg, führt zu dramatischen Effekten. Hier ein Beispiel: Eine Verdopplung der Energiedichte (Wh pro kg) führt einerseits zur Halbierung des Materialaufwands pro kWh. Gleichzeitig bedeutet es grob eine Halbierung der zur Herstellung aufgewendeten Energie pro kWh Batteriekapazität, wenn man davon ausgeht, dass sie überwiegend aus dem Formen und Assemblieren von Werkstoffen besteht. Somit können auch die Emissionen (CO2 und Schadstoffe) pro kWh an Batteriekapazität drastisch gesenkt werden. Da Materialkosten (etwa 60–75%) und Energie den Großteil der Kosten umfassen, können zusätzlich die Kosten pro kWh in etwa halbiert werden. Im Ergebnis erhält man bei gleicher Kapazität sogar ein leichteres Fahrzeug, was die Effizienz steigert.

Welche Materialien für eine Batteriezelle gebraucht werden, hängt von der Zusammensetzung von Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt ab. Bei der Zelltechnologie ist eine Vielzahl an Kombinationen der oben genannten Bestandteile möglich. Die Zahl der Kombinationen ist so groß, dass es unmöglich ist, alle zu erforschen. Ziel der Forscher ist es, ständig bessere Kombinationen zu entdecken, die eine Optimierung in den oben genannten Bereichen erlauben. Die Schwierigkeit liegt hier erstens in der Balance — selten fallen alle gewünschten Eigenschaften in der gewünschten Ausprägung zusammen — und zweitens darin, die Zellen vom Laborerzeugnis zu einer serienreifen Produktion zu bringen.

Häufig wird hierbei auch die Frage nach den Rohstoffressourcen aufgeworfen. Die am häufigsten verwendeten Rohstoffe sind Lithium, Nickel, Graphit, Kupfer, Aluminium, Mangan und Kobalt. Die weltweiten Ressourcen der meisten kritischen Rohstoffe reichen noch für Jahrhunderte. Bei bestimmten Rohstoffen wie zum Beispiel Kobalt kann es allerdings kurz- und mittelfristig zu Engpässen kommen. Da beim Betrieb der Batterie weder Massenaustausch noch mechanischer Abrieb stattfindet können die enthaltenen Metalle fast vollständig recycelt werden — die Atome verschwinden schließlich nicht einfach. Allerdings können diese Verfahren sehr kompliziert und aufwändig werden und lassen sich in vielen Fällen noch nicht wirtschaftlich durchführen. Sinnvoll wäre es, wenn jeder Hersteller Recyclinganlagen für seine eigenen Produkte betreibt, da er Aufbau und Zusammensetzung der Batteriepacks am besten kennt. Das ist eine wichtige Aufgabe des Gesetzgebers, der hier schnellstmöglich Konzepte vorlegen sollte. Ideal wäre eine Ansiedlung der Recyclinganlagen in der Nähe der Zellfabriken, um einen weitestgehend geschlossenen Kreislauf zu ermöglichen. Dieses Konzept hat Tesla bereits in seine Gigafactory 1 in Nevada implementiert.

Lithium-Ionen-Akkus stellen derzeit die vielversprechendste Technologie dar– vielleicht gibt es aber schon bald den nächsten Durchbruch wie zum Beispiel den Übergang zu festen Elektrolyten. An diesen Festkörper-Batterien wird mit Hochdruck geforscht. Man traut ihnen eine bis zu zweifache Energiedichte und große Verbesserungen bei der Sicherheit zu.

Fundamentaler Grund 2: Unschlagbare Energieeffizienz des Systems

Elektrische Energie ist in vielerlei Hinsicht die hochwertigste Energieform. Neben der Vielfältigkeit ihrer Anwendung — elektronische Geräte, Industriemaschinen, LEDs, Kühlschränke und vieles mehr

– ist vor allem die Effizienz hervorragend, mit der sie über längere Strecken übertragen und in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Das System Elektromobilität nutzt diese unschlagbare Effizienz. Sie ist derzeit mit keiner anderen bekannten Technologie erreichbar.

Im deutschen Stromnetz fallen insgesamt weniger als 10 % Übertragungsverluste an. 2016 waren es gerade mal 8 %. Beim Be- und Entladen moderner Li-Ionen-Akkus gehen ebenfalls nur rund 10 % der Energie verloren. Moderne Elektromotoren schaffen einen Wirkungsgrad von über 90 % in allen Lastbereichen. Und falls bei der Klimatisierung auf ein Wärmepumpensystem gesetzt wird, ist auch diese Energieumwandlung sehr effizient. Zu guter letzt kommt noch die Rekuperation hinzu, wodurch ein Großteil der Bremsenergie wieder in die Batterie eingespeist werden kann. Das wird besonders bei einer längeren Talfahrt spürbar, aber auch beim Stop-and-Go-Verkehr in der Stadt. Kein anderer Technologiepfad erreicht derartige Wirkungsgrade. Elektromobilität bedeutet, mit Energie sparsam umzugehen.

Kommen wir nun zu dem Argument, es gäbe gar nicht genug Strom für so viele Elektroautos. Dazu möchte ich folgende Rechnung aufmachen: Würde die gesamte Fahrleistung aller Pkw in Deutschland mit Elektroautos zurückgelegt werden — 2015 waren das ca. 630 Mrd. km — würde die dafür benötigte elektrische Energie lediglich etwa 20% des derzeitigen Stromverbrauchs entsprechen. 20% mehr Strom und unsere Abhängigkeit vom Öl bei unseren Autos wäre Geschichte! So viel Strom könnte heute schon mit den bestehenden Kapazitäten produziert werden. Allein 10 % des 2017 in Deutschland erzeugten Stromes wurden im Saldo exportiert. Aber das soll zunächst nur als Gedankenexperiment dienen, um die Effizienz des Systems zu verdeutlichen. Ein System, dass hingegen auf Wasserstoff-Brennstoffzellen basiert, würde das zwei- bis dreifache an Mehrbedarf an benötigtem Strom pro Jahr bedeuten (also 40–60% der derzeitigen Stromproduktion, siehe dazu die Grafik zur Energiebilanz des Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugs).

Schließlich werden nicht alle Autos, die heute auf den Straßen rollen, von einem Tag auf den anderen durch Elektroautos ersetzt. Bei einer schrittweisen Vergrößerung der Elektroautoflotte sieht der Übergang demnach sehr geschmeidig aus. Bei 5 Mio. Elektroautos würde der Stromverbrauch Deutschlands nur um ca. 2 % steigen, bei 10 Mio. um 5 % und bei 20 Mio. um 10 % im Vergleich zu 2017.

Eingangs wurde beschrieben, dass der Umwelt- und Klimaschutz eine sektorübergreifende Herausforderung darstellt. Hierbei spricht der Experte von Sektorkopplung: Energiewirtschaft, Haushalte und Transportwesen werden zusammen gedacht und ermöglichen so eine weitreichende Dekarbonisierung, Effizienzsteigerungen und mehr Flexibilität. Im nächsten Punkt soll gezeigt werden, dass die Elektromobilität sich positiv auf andere Sektoren auswirkt und umgekehrt.

Fundamentaler Grund 3: Harmonie mit der Energiewende

Der Energiesektor ist der Sektor, der die meisten CO2-Emissionen verursacht — erst danach kommt der Verkehrssektor. Im Energiesektor läuft in Deutschland das Großprojekt der Energiewende. Obwohl hier nicht alles flüssig läuft — leider insbesondere in Bezug auf die CO2-Emissionen — sind doch beachtliche Erfolge beim Ausbau der Erneuerbaren Energien vorzuweisen. Im Jahr 2017 produzierte Deutschland 36,1 % seines Stroms mit Wasserkraft, PV, Windenergie und Biomasse. Das ist mehr als ein Drittel, ein toller Erfolg. Dieser Ausbau wird sich in den nächsten Jahren fortsetzen, auch getrieben von den sinkenden Preisen: Die Kilowattstunde Strom lässt sich mittlerweile im weder sonnen- noch windverwöhnten Deutschland mit Photovoltaik für unter 5 Cent, mit Onshore-Windkraft für unter 4 Cent und mit Offshore-Windkraft für unter 2 Cent erzeugen. Insbesondere bei der Offshore–Windkraft schlummert noch ein riesiges Potenzial.

Von diesen Anstrengungen im Energiesektor profitiert die Elektromobilität unmittelbar. Ein Elektroauto fährt immer mit dem Strom, der beim Laden im Netz vorhanden ist, sprich, der zum entsprechenden Zeitpunkt erzeugt wird. Steigt der Anteil der grünen Energie am Strommix, dann verbessert sich auch die Klima- und Umweltbilanz des Elektroautos. In fünf Jahren, also 2023, wird der deutsche Strommix bereits auf die 50%-Marke des Anteils Erneuerbarer Energien zugehen. Was letztendlich in Bezug auf die Klimabilanz zählt, ist der sogenannte Emissionsfaktor. Er gibt an, welche Menge an Treibhausgasen in CO2-Äquivalenten zur Erzeugung einer Kilowattstunde Stroms emittiert werden. In Deutschland lag dieser Wert 2017 bei 500g/kWh — in Frankreich hingegen lediglich bei 70g, und der Wert Norwegens liegt sogar noch darunter. Der hohe Wert in Deutschland rührt vor allem von der Kohleverstromung her. Hier wird pro kWh mit Abstand am meisten CO2 emittiert. Wer sein Elektroauto in zehn Jahren noch fährt, wird wahrscheinlich auf einen grüneren Strommix blicken. Wir sind damit also nicht nur in der Lage, unserer Abhängigkeit vom Erdöl zu entkommen, sondern auch Schritt für Schritt und Jahr für Jahr, durch eigene Anstrengung, unsere Mobilität klimafreundlicher zu machen. Es ist wie ein Baum, der wächst und jedes Jahr mehr Früchte abwirft — sofern man ihn hegt und pflegt.

Allerdings hat der grüne Strom einen entscheidenden Nachteil: Er ist äußerst flatterhaft. Das Schreckgespenst der Netzbetreiber ist die Dunkelflaute — kein Wind, keine Sonne, kein Strom aus den schicken neuen Wind- und Solaranlagen. Um den zackigen Verlauf der Stromproduktion zu glätten, werden daher auf mittlere und lange Sicht Speicher benötigt. Lange kamen hier nur Pumpspeicherkraftwerke in Frage, die je nach Bedarf hoch und runter gefahren werden können. Alternativen sind zum Beispiel chemische Speicher, also Power-To-Gas, wobei Wasserstoff oder Methan als Speichermedium dienen. Auch mechanische Speicher in Form von Schwungrädern, hohlen Betonkugeln im Meer und Türmen aus Betonblöcken kommen in Frage. Eine weitere Möglichkeit, den erzeugten Strom zu speichern sind — Batterien! Und hier kommt die Elektromobilität mit zwei maßgeblichen Faktoren ins Spiel.

Der erste Faktor ist die naheliegende Idee, dass die Autos selbst als Zwischenspeicher dienen können, wenn sie gerade geladen werden. Zwischenspeicher heißt im Übrigen nichts anderes, als den Strom dann abzunehmen, wenn gerade zu viel davon erzeugt wird und ihn (optional) wieder abzugeben, wenn gerade ein Engpass besteht. Eine Möglichkeit bestünde darin, mit über Nacht angeschlossenen Elektroautos die Stromerzeugung der Windräder zu glätten. Genauso gut könnte zur Mittagszeit ein Großteil der Elektroautos mit dann maximal vorhandenen Solarstrom geladen werden. Wie groß dieser Effekt letztendlich sein wird, ist schwer abzuschätzen. Die meisten Experten stufen ihn eher als gering ein. Jedoch enthält er auch eine ökonomische Komponente: Strom der „zu viel“ produziert wird, ist günstiger und umgekehrt.

Der zweite Faktor hingegen wird deutlich mehr ins Gewicht fallen. Er schließt an das Kapitel über die Entwicklung der Batterie an. Durch die Preisdynamik die die Elektromobilität hier anstößt, werden stationäre Batteriespeicher immer attraktiver. Wenn hier ein Tipping Point erreicht wird, wird die Debatte über die kurz- bis mittelfristige Zwischenspeicherung der Energie eine ganz andere sein. Für Tesla ist dieser Weg bereits Teil der Strategie. Die Auftragsbücher für Batteriespeicherprojekte sind voll und auch bei der Produktion der Heimspeicher — genannt Powerwall — kommt Tesla kaum hinterher.

Fundamentaler Grund 4: Einfach das bessere Auto

Das Elektroauto hat das größte Potenzial in alle Richtungen, verglichen mit anderen Fahrzeugtypen. Es ist keine Lösung, die vom Kunden große Abstriche und Einbußen erwartet.

  • Kostenreduzierung: Batterien haben das Potenzial, deutlich günstiger zu werden, da Herstellung und Technologie noch nicht ausgereift sind. Haushalte haben die Möglichkeit Energieautarkie in Bezug auf ihre Mobilität zu erreichen, indem sie ihren Fahrstrom weitgehend selbst erzeugen. Strompreise sind nicht vom Ölpreis abhängig und können den Betrieb des Elektroautos deutlich günstiger als den für Verbrenner machen.
  • Reduzierung lokaler Emissionen: Kein anderer Fahrzeugtyp kann zu derart geringen lokalen Emissionen kommen.
  • Energieeffizienz: Kein anderes System kann so energieeffizient operieren.
  • Leistungsoptimierung: Mit Elektromotoren und Batterien mit genügend Leistung sind enorme Beschleunigungen vom ersten Moment an möglich. Der elektrische Rennsport und leistungsstarke elektrische Sportwagen werden die Rennstrecken in Zukunft dominieren.
  • Sicherheit: Der tiefe Fahrzeugschwerpunkt, große Knautschzonen und Verbesserungen der Batterie-Sicherheit machen Elektroautos zu sehr sicheren Fahrzeugen.
  • Komfort und Platz: Kompakte Bauweise von Akku und E-Motoren ermöglichen eine sehr komfortable Raumgestaltung. Die Stille in der Fahrzeugkabine lädt zum Entspannen ein.
  • Langlebigkeit:
  • Elektromotoren können auf über 1 Mio. km ausgelegt sein
  • Batteriepakete können ausgetauscht werden
  • sowohl einzelne Zellen, falls defekt,
  • als auch gesamtes Batteriepaket, dann eventuell mit
  • neuester Technologie
  • höherer Energiedichte
  • und somit weniger Gewicht oder mehr Reichweite
  • seltener Wechsel von Bremsbelägen dank rekuperativem Bremsen
  • geringe Wartung
  • kaum Verschleiß
  • keine häufigen Ölwechsel
  • keine manuelle Gangschaltung

Die Zukunft, die in greifbarer Nähe ist: Wir erzeugen unseren Strom selbst mit Wind, Sonne, Wasserkraft und Biomasse. Die Fahrzeugbatterien und stationäre Speicher, die nun deutlich günstiger geworden sind, stabilisieren das Netz, falls Sonne und Wind ausbleiben. Wegen des effizienten Antriebs brauchen wir nur einen Bruchteil dieses Stroms für unsere Autos. Autos halten länger und gehen seltener kaputt. Kilometerstände von 400.000 bis 600.000 km sind keine Seltenheit. Sie belasten das Klima kaum, da sie in modernen und effizienten Fabriken mit Öko-Strom produziert wurden und auch mit grünem Strom fahren. Da sich Autos fast überall, wo man sie parkt, aufladen lassen und die Batterien eine hohe Energiedichte haben, muss man sich keine Gedanken über die Reichweite und das Aufladen allgemein machen. Wegen des starken Elektromotors macht es immer wieder Spaß mit ihnen zu Fahren. Sie beschleunigen unglaublich schnell. Man kann mit gutem Gewissen Auto fahren und dabei Spaß haben! Dabei sind sie leise und geben keine Abgase in die Umgebung ab. Da sie viel weniger Bauteile benötigen, Akkus und Elektromotor mittlerweile noch kompakter geworden sind, werden unsere Autos komfortabler und geräumiger. Es lässt sich auch mehr damit transportieren. Durch den niedrigen Fahrzeugschwerpunkt und die großzügigen Knautschzonen rund um Fahrer und Fahrgäste ist man bei Unfällen besser geschützt.

Drei drängende Gründe für ein entschlossenes Handeln

Drängender Grund 1: Reiche Hochtechnologie-Länder müssen global eine Schlüsselrolle einnehmen

Warum sollte man hier den Blick nur auf Deutschland wenden? Weltweit wurden 2014 18 % der energiebedingten CO2-Emissionen auf der Straße verursacht. Mit dem steigenden Wohlstand der Schwellenländer wird es in vielen Regionen der Welt zu einem massiven Anstieg an Pkws kommen. Die Bevölkerungen Chinas, Indiens, Brasiliens und Mexikos werden mit zunehmendem Wohlstand ihren Wunsch nach individueller Mobilität erfüllen wollen. Das wird in absoluten Zahlen sehr wahrscheinlich zu einem weiteren Anstieg der verkehrsbedingten CO2-Emissionen führen und die weltweite Klima-Bilanz belasten — sofern diese Welle an Pkws aus Verbrennern besteht. Andererseits besteht hier die riesige Chance, durch einen Technologiewandel eine gewichtige Hebelwirkung zu entfalten. Diese Komponente wird in der Diskussion häufig vergessen: Natürlich hat das, was wir in Deutschland an Emissionen vermeiden, nur einen winzigen Einfluss auf das globale Problem des Klimawandels, aber wir dürfen nicht den Einfluss von Deutschlands Automobilindustrie und wirtschaftlichen Vorreiterrolle insbesondere in dieser Branche vergessen.

Wenn die deutsche Industrie dazu beiträgt, den globalen Wandel zu erschwinglichem nachhaltigerem Verkehr um fünf oder zehn Jahre zu beschleunigen, können weltweit Hunderte Millionen Tonnen CO2 eingespart werden — und nicht nur ein paar Millionen in Deutschland. Man muss sich der Hebelwirkung bewusst sein, die eine Marktdurchdringung der Elektromobilität bei uns bewirkt!

Drängender Grund 2: Ein Technologiewandel betrifft Wirtschaftsstandort und Wohlstand

Das führt zu einem weiteren wichtigen Punkt: Neben diesen existenziellen Fragen um Gesundheit und Klima geht es auch um den Wohlstand in Deutschland. Als Land ohne große Vorkommen natürlicher Ressourcen ist es auf seine Innovationskraft und die hocheffiziente Produktion von Industriegütern angewiesen. Rund 1,8 Millionen Arbeitsplätze hängen direkt oder indirekt von der Automobilproduktion ab. Wenn die großen Entwicklungen dieser Branche sich Asien und Nord-Amerika abspielen, die Batteriezellen in Süd-Korea und Japan gefertigt werden und die Software für Infotainment und autonomes Fahren im Silicon Valley entwickelt wird, entsteht für den Wirtschaftsstandort Deutschland, ja sogar Europa, ein entscheidendes Problem. Da helfen die weltbesten Dieselmotoren genauso wenig wie aktives Zylinder-Management und Hightech-Turbolader. An dieser Stelle soll keine Schwarzmalerei betrieben werden, nur leben wir in einer Zeit, in der Entwicklungen global und in atemberaubendem Tempo voranschreiten. Alle Anzeichen deuten darauf hin, dass dem Automobilsektor gleich mehrere größere Umbrüche bevorstehen.

Drängender Grund 3: Die Elektrifizierung ist ein Mega-Trend

Neben dem Automobilsektor gibt es eine ganze Reihe weiterer Bereiche, in denen sich eine Elektrifizierung gepaart mit Batteriespeichern anbahnt oder bereits durchgesetzt hat. Die Schifffahrt erlebt die ersten Frachter, die mit Akkus und Strom operieren, die Luftfahrt könnte von elektrischen VTOL-Flugzeugen revolutioniert werden, E-Bikes, Gartengeräte, landwirtschaftliche Maschinen, Bagger und Tunnelvortriebsmaschinen, Lkws und Busse gehen ebenfalls mit diesem Trend. In China und Südostasien ist der Zweitakter bereits eine Auslauftechnologie. Millionen Zweiräder — E-Roller und E-Bikes — surren täglich durch die asiatischen Metropolen. Solarenergie gepaart mit stationären Batteriespeichern versorgt das Netz von amerikanisch Samoa und Kauia im Bundesstaat Hawaii. Riesige Batteriespeicher stabilisieren das Netz von Süd-Australien. Der Punkt ist: Indem der Elektromobilität zum Durchbruch verholfen wird, entfaltet man zusätzlich eine Hebelwirkung auf nachhaltige Schifffahrt, Nutzfahrzeuge, Kurzstreckenflugzeuge, elektrische Zweiräder und Stromspeicher.

Der Batteriespeicher ist hierbei der Schlüssel. Was bisher vornehmlich für Laptops und Smartphones benötigt wurde, steht in keinem Verhältnis zu dem, was die Elektromobilität brauchen wird. Dementsprechend werden weltweit Kapazitäten aufgebaut, ein intensiver Wettbewerb um die beste Technologie ist in vollem Gange und Skaleneffekte, Automatisierung und Effizienzsteigerungen sorgen für einen stetigen Preisverfall. Diese Entwicklung der Batteriespeicher verläuft derzeit rasant, und von ihr profitiert ein nachhaltiger Transport-, Geräte-, Maschinenbau- und Energiesektor voll und ganz.

Zusammenfassung: Das Big Picture der Entwicklungen

  • 2017 betrug der Anteil der Erneuerbaren Energien am öffentlichen Strommix 37%.
  • Mit Erneuerbaren Energien sind Wasserkraft, Biomasse, Solarenergie und Windenergie gemeint.
  • Kernenergie ist im Betrieb klimaneutral und trug 2017 13% zum öffentlichen Strommix bei.
  • Damit waren 2017 51% des Stroms im öffentlichen Strommix klimaneutral.
  • In den nächsten Jahren wird der Anteil der Erneuerbaren in Deutschland — aber auch weltweit — zunehmen.
  • Elektromobilität bedeutet die effizienteste Nutzung von (elektrischer) Energie verglichen mit allen anderen Antriebsarten.
  • Um jeden mit einem Pkw gefahrenen Kilometer in Deutschland elektrisch zurückzulegen, würden lediglich 20% mehr Strom verglichen mit derzeitigem Gesamtverbrauch benötigt.
  • Ein Elektroauto fährt immer mit dem aktuellen Strommix. Verbessert sich dieser, so verbessert sich auch die Klimabilanz des Elektroautos.
  • Somit kann das Potenzial der Elektromobilität von Jahr zu Jahr stärker ausgeschöpft werden.
  • Die Elektromobilität ist eine Technologie, bei der das Fahrzeug im Laufe seiner Nutzung klimafreundlicher werden kann.
  • Deswegen gehen Elektromobilität und Energiewende Hand in Hand.
  • Elektromobilität muss global gedacht werden, da ein Großteil der Fahrzeuge der Zukunft in Mexiko, China, Indien und Brasilien fahren wird.
  • Um global einen Impact zu haben, muss sie, was Kosten und Akzeptanz anbelangt, schnellstmöglich ihren Durchbruch erlangen.
  • Die Akzeptanz dürfte schon mittelfristig kein sonderlich großes Problem mehr sein, da Elektroautos viele Vorzüge mit sich bringen.
  • Elektroautos haben eine schnelle Beschleunigung von der ersten Sekunde an.
  • Sie haben geringe laufende Kosten was Strom und Wartung anbelangt.
  • Laden ist über Nacht zu Hause möglich. Viele Arbeitgeber, Kommunen und Supermärkte bieten kostenloses Laden für die Parkdauer an.
  • Mehr Komfort und Sicherheit ist wegen grundlegend anderem Fahrzeugaufbau möglich.
  • Elektrisches Fahren ist leise und kaum mit lokalen Emissionen behaftet (Reifen- und Bremsbelagabrieb lässt sich kaum vermeiden).
  • Die Batterie ist der Schlüssel für die Elektromobilität.
  • Die Entwicklung von Batteriespeichern verlief in den letzten Jahren preislich und technologisch enorm schnell.
  • Man denke an dieser Stelle an Technologien wie Röhrenfernseher. Plötzlich waren sie verschwunden.
  • VHS-Kassetten wurden von DVDs abgelöst, CDs von MP3s…
  • Optimierung ist bei Batterien nicht nur in einer, sondern in mehreren Dimensionen möglich.
  • Optimierung von Batterien findet bei Sicherheit, Zyklenfestigkeit, Kosten, Energiedichte, Leistungsdichte, Ladegeschwindigkeit, Thermomanagement statt.
  • Bereits heutige Lithium-Ionen-Batterien erfüllen die technischen Anforderungen für reale Reichweiten von über 400km.
  • Bisher wurden Li-Ionen-Akkus überwiegend für Smartphones, Laptops und Kameras verwendet.
  • Batterien für Elektroautos spielen in einer ganz anderen Größenordnung mit, schon jetzt überwiegen sie mengenmäßig.
  • Um die Nachfrage zu bedienen entstehen weltweit Gigafactories, die jährlich mehrere Dutzend GWh an Batteriespeicherkapazität produzieren.
  • 1 GWh reicht für ca. 20.000 Elektroautos mit je 50kWh Speicherkapazität.
  • Diese riesigen modernen Fabriken werden mit hocheffizienten Produktionstechniken und hohem Automatisierungsgrad operieren.
  • Dadurch wird die Herstellung energieeffizient und kostengünstig, Skaleneffekte kommen zum Tragen.
  • Welche Materialien für eine Batteriezelle gebraucht werden, hängt von der Zusammensetzung von Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt ab.
  • Bei der Zelltechnologie ist eine Vielzahl an Kombinationen der oben genannten Bestandteile möglich.
  • Die Zahl der Kombinationen ist sogar so groß, dass es unmöglich ist, alle zu erforschen.
  • Ziel der Forscher ist es, ständig bessere Kombinationen zu entdecken, die ein Optimierung in den oben genannten Bereichen erlauben.
  • Die Schwierigkeit liegt hier in 1. der Balance — selten fallen alle gewünschten Eigenschaften in der gewünschten Ausprägung zusammen — …
  • … und 2. die Zellen vom Laborerzeugnis zu einer serienreifen Produktion zu bringen.
  • Die am häufigsten verwendeten Rohstoffe sind Lithium, Nickel, Graphit, Kupfer, Aluminium, Mangan und Kobalt.
  • Die weltweiten Ressourcen der meisten kritischen Rohstoffe reichen noch für Jahrhunderte und können fast vollständig recycelt werden.
  • Bei Graphit und Kobalt kann es zu Engpässen kommen. Graphit lässt sich allerdings synthetisch herstellen.
  • Für das Recycling von Batterie-Paketen sollten die jeweiligen Hersteller zuständig sein.
  • Sie kennen 1. den genauen technischen Aufbau und können 2. die Materialien direkt in die Produktion neuer Batterien einfließen lassen.
  • Diese Fortschritte wirken sich auf andere Sektoren aus, die Batterien benötigen.
  • Die Elektrifizierung macht also nicht beim Auto halt: Fahrräder, Baumaschinen, Boote und Schiffe, Haushaltsgeräte, Kleinflugzeuge, Drohnen, stationäre Speicher, landwirtschaftliche Maschinen profitieren davon und sind Teil dieser Entwicklung.
  • Mit einem Wort: Die Zukunft ist elektrisch.

Quellen

Weiterführende Ressourcen

Der Autor

Michael von Hohnhorst (23) studiert Informationssystemtechnik an der Universität Ulm. Seit mehreren Jahren beschäftigt er sich mit dem Thema Elektromobilität und verfolgt die Entwicklungen auf Blogs, in Foren, Magazinen, Zeitungen und anhand von Studien und Statistiken. Mindestens genauso aufschlussreich beim Erstellen dieses Textes waren für ihn Diskussionen mit Freunden, Kommilitonen und Familienmitgliedern.

von Hohnhorst Brothers

Written by

Lukas (M.Sc student at the U of Mannheim) and Michael (B.Sc student at the U of Ulm) share interests in reading, writing, philosophy, and new technologies.