Studie zur Umweltfreundlichkeit Brennstoffzelle versus Batterie

Wie umweltfreundlich ist ein Elektroauto wirklich und gibt es Alternativen dazu? Überraschende Ergebnisse liefert eine Studie.
Wie umweltfreundlich ist ein Elektroauto wirklich und gibt es Alternativen dazu? Überraschende Ergebnisse liefert eine Studie.

Elektrofahrzeuge sind im Trend. Wer das nötige Kleingeld hat, fährt elektrisch und somit grün. Aber wie grün ist so ein Elektroauto wirklich? Und: Gibt es Alternativen? Eine nun veröffentlichte Studie liefert überraschende Ergebnisse.

Auf Deutschlands Straßen fahren immer mehr Elektrofahrzeuge. Laut Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) stiegen die Neuzulassungen im Jahr 2018 um 44 Prozent. Das entspricht etwa 34.000 neu zugelassenen Elektrofahrzeugen – allerdings nur etwa einem Prozent aller Autos in Deutschland. Dennoch ist ein klarer Trend hin zu Hybrid- und Elektroautos zu erkennen.

Ganz anders sieht die Bilanz für Brennstoffzellenfahrzeuge aus. Laut KBA waren zum 1. Januar 2019 lediglich 372 Wasserstoffautos zugelassen. Grund seien vor allem die schlechte Infrastruktur – zu wenige H2-Tankstellen sowie die hohen Preise für Brennstoffzellenautos. So kostet beispielsweise der Toyota Mirai knapp 80.000 Euro – ein hoher Preis für Privatpersonen. Gerade die deutschen Autohersteller sind zurückhaltend. Lediglich Mercedes-Benz hat einen Wasserstoff-SUV entwickelt, von dem bislang lediglich wenige Modelle gebaut wurden. Kein deutscher Hersteller hat ein serienmäßiges Brennstoffzellenfahrzeug auf dem Markt, zu schnell entwickelt sich die Elektromobilität weiter. Batterien können immer schneller geladen werden und erreichen eine immer größere Reichweite.

Während die Brennstoffzelle in Europa eher stiefmütterlich behandelt wird, ist China dabei, in Wasserstoffautos zu investieren. Dort sind laut Süddeutscher Zeitung bereits mehrere Tausend Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb unterwegs und eine passende Infrastruktur befindet sich im Aufbau. Möglich ist das durch die Aufnahme in den Fünfjahresplan der Regierung. Treibende Kraft ist dabei Chinas Minister für Wissenschaft und Technologie Wan Gang, ehemaliger leitender Entwickler und Antriebsexperte bei Audi.

Die Funktionsweise eines Brennstoffzellenautos ist komplex (Bild 1). Für die Antriebsenergie sorgt eine Brennstoffzelle, die mit gasförmigem Wasserstoff aus einem Tank gespeist wird. In einem chemischen Prozess reagiert der Wasserstoff mit von außen zugeführtem Sauerstoff. Die dabei entstehende Energie wird in elektrischen Strom umgewandelt, der dann wiederum den Elektromotor antreibt – und das emissionsfrei. Beim Fahren wird als »Abgas« lediglich etwas Wasserdampf freigesetzt. Es gibt bereits Brennstoffzellenfahrzeuge mit Reichweiten von bis zu 700 km.

Doch wie sieht es – abgesehen von der Technik und der Herstellerstrategie – mit der Umweltfreundlichkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen aus? Und wie schneidet ein Wasserstoffauto im Vergleich mit einem rein elektrisch angetriebenen Auto ab? Forscher des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben sich diese Fragen gestellt. Sie haben im Auftrag von H2 Mobility Deutschland eine Studie zur Umweltfreundlichkeit von Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeugen erstellt – mit durchaus überraschenden Ergebnissen.

Vergleich der Herstellung

Die Forscher André Sternberg, Christoph Hank und Christopher Hebling verglichen zunächst die Emissionen bei der Herstellung. Beim Wasserstoffauto fließen die Brennstoffzelle (95 kW), die Batterie (1,5 kWh) und ein Wasserstofftank mit 5,6 kg in die Betrachtung ein. Im Batteriefahrzeug betrachten sie dagegen lediglich die 60 kWh beziehungsweise 90 kWh Traktionsbatterie. Alle anderen Komponenten der Autos werden als gleich angenommen und für die Studie als nicht relevant erachtet. Die Wissenschaftler beziehen sich jeweils auf die Jahre 2020 und 2030 sowie die Zeiträume von 2020 bis 2030 und von 2030 bis 2040.
Für das Fertigen der Batterie eines Elektroautos trafen die Forscher die Annahme, dass das Mischungsverhältnis von Nickel, Kobalt und Mangan 6:2:2 beträgt. Weitere Bestandteile sind unter anderem das Kühlsystem, die Verpackung sowie die Anode und die Kathode. Folgende Treibhausgas (THG)-Emissionen fallen dabei an:

  • Best-Case-Betrachtung 2020: 65 kg CO2-Äquivalente pro kWh
  • Worst-Case-Betrachtung 2020: 160 kg CO2-Äquivalente pro kWh
  • Best-Case-Betrachtung 2030: 40 kg CO2-Äquivalente pro kWh
  • Worst-Case-Betrachtung 2030: 70 kg CO2-Äquivalente pro kWh

Den größten Anteil der Emissionen macht dabei die Zellfertigung aus, die aber im Jahr 2030 mithilfe von Stromeinsparungen als effizienter angenommen wird. Eine Detailbetrachtung für die Batterieherstellung zeigt: ganz so einfach ist es nicht. Nicht die Zellfertigung ist die Herausforderung, sondern die kompletten Emissionen des Stromverbrauchs für die Batteriefertigung. Gemeinsam mit den Emissionen für die Aluminium-Herstellung betragen sie bis zu zwei Drittel. Die THG-Emissionen beim Herstellen von Nickel, Kobalt, Mangan und Lithium sind eher gering. Sie betragen etwa ein Drittel oder weniger (je nach Szenario). Wesentlich geringere Emissionen entstehen dagegen beim Fertigen von Brennstoffzellen. Hier liegen Best-Case- und Worst-Case-Szenario dicht beisammen. Dabei fallen die folgenden THG-Emissionen an:

  • Best-Case-Betrachtung 2020: 25 kg CO2-Äquivalente pro kWh
  • Worst-Case-Betrachtung 2020: 34 kg CO2-Äquivalente pro kWh
  • Best-Case-Betrachtung 2030: 14 kg CO2-Äquivalente pro kWh
  • Worst-Case-Betrachtung 2030: 17 kg CO2-Äquivalente pro kWh

Den größten Anteil an den Emissionen bei der Herstellung leisten dabei der Katalysator und die Systemkomponenten (Balance of Plant, BOP), bei der Materialverarbeitung sind es Platin sowie Metall und Plastik. Sie sind für rund zwei Drittel der Emissionen verantwortlich. Zusätzlich zur Brennstoffzelle braucht ein Brennstoffzellenauto aber auch noch einen Wasserstofftank. Die Emissionen für die Tank-Herstellung betragen:

  • Best-Case-Betrachtung 2020: 330 kg CO2-Äquivalente pro kg Wasserstoff
  • Worst-Case-Betrachtung 2020: 670 kg CO2-Äquivalente pro kg Wasserstoff
  • Best-Case-Betrachtung 2030: 300 kg CO2-Äquivalente pro kg Wasserstoff
  • Worst-Case-Betrachtung 2030: 570 kg CO2-Äquivalente pro kg Wasserstoff

Den mit Abstand größten Beitrag bei den Emissionen zur Tankherstellung leistet dabei das Fertigen des Karbonfasermaterials.

Bild 2 zeigt, wie sich in Summe für das Herstellen einer 60 kWh-Batterie für ein Elektroauto etwa 8 t CO2-Äquivalente, für eine 120 kWh-Batterie sogar knapp 15 t ergeben. Zum Vergleich: Beim Brennstoffzellenfahrzeug sind es in Summe bei 95 kW Leistung etwas über 5 t und bei 120 kW etwa 6 t CO2-Äquivalente. Die Spannweite im Balkendiagramm spiegelt dabei die Best-Case- und Worst-Case-Szenarien wider.
Der Vergleich zeigt: Ein Brennstoffzellensystem mit 95 kW emittiert etwa das Gleiche wie ein Batteriesystem mit 45 kWh bei der Produktion. Fertigt ein Automobilhersteller ein Elektroauto mit mehr als 45 kWh, werden wesentlich mehr Treibhausgase emittiert als bei vergleichbaren Fahrzeugen mit Wasserstoffantrieb. Bei der Herstellung hat ein Elektroauto gegenüber einem Wasserstoffauto also schon einen gewissen Rucksack zu tragen.