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Elektroautos stoßen im Betrieb deutlich weniger Treibhausgase aus als Verbrennungsmotoren, aber 70 Prozent mehr bei der Herstellung. Warum eigentlich und wie das verbessert werden könnte.

Volvo hat in einer Lebenszyklusanalyse herausgefunden, dass die Produktion des E-Autos XC40 Recharge 70 Prozent mehr Treibhausgase (THG) ausstößt als der XC40 mit parallelem Verbrennungsmotor. Dieser Umstand hat in der Vergangenheit Zweifel an der Nachhaltigkeit des Elektroautos aufkommen lassen. Tatsächlich zeigt die Ökobilanz-Studie von Volvo auch, dass das E-Auto über die gesamte Lebensdauer geringere CO2-Emissionen haben wird, selbst wenn es mit dem weltweiten Strommix betrieben wird, der nur zu 25 Prozent aus erneuerbaren Quellen stammt.

Dies liegt daran, dass die THG-Emissionen im Verhältnis zur Betriebszeit absolut deutlich geringer sind. Wird der Ladestrom für den Betrieb aus regenerativen Quellen erzeugt, sinken die entsprechenden CO2-Emissionen auf nahezu null. Bei der Suche nach Möglichkeiten, die Treibhausgasemissionen von Elektroautos einzusparen, verlagert sich der Fokus dann von der Nutzung auf die Produktion. Daher ist es wichtig zu wissen, woher der 70-Prozent-Aufschlag kommt.

30 Prozent stammen laut Volvo davon, dass in Elektroautos mehr Aluminium (insbesondere für das Batteriegehäuse) und andere CO2-intensive Materialien verwendet werden, 40 Prozent stammen aus der Herstellung der Batteriemodule selbst Elektro-Volvos mit ihrer 78-kWh-Batterie 7 Tonnen beziffern die Schweden den Mehraufwand für den Rest des Fahrzeugs auf 4 Tonnen Treibhausgase.

Warum ist die Herstellung von Batteriezellen und -modulen so CO2-intensiv? Um dies zu verdeutlichen, lohnt sich ein Blick auf die Funktionsweise, den Aufbau und die Herstellung der derzeit im Einsatz befindlichen Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Batterien (Li-NMC). In einer solchen Zelle wandern Lithium-Ionen zwischen einer Kathode aus Nickel (jetzt gut 80 Prozent), Mangan und Kobalt (Oxid) (jetzt oft weniger als 10 Prozent) und der Anode, die typischerweise aus Graphit besteht, hin und her. Wird ein (Lade-)Strom an die Pole angelegt, lagern sich die positiv geladenen Lithium-Ionen im Graphit an der Anode ab (Interkalation). Beim Entladen wandern sie durch den Elektrolyten und einen Separator zwischen den Elektroden zur Kathode zurück. Die Anode ist negativ geladen, deshalb fließen an ihrem äußeren Pol Elektronen ab – der Strom, der zum Antrieb genutzt werden kann.

Modelle zur Veranschaulichung der Funktionsweise erwecken den Eindruck, dass zwischen den Bauteilen erhebliche Lücken bestehen – in Wirklichkeit bestehen Elektroden und Separatoren aus dünnsten Schichten, die mehr oder weniger dicht beieinander liegen, wie dieses Bild einer Tesla-Rundzelle zeigt; aber auch in Pouch- oder prismatischen Zellen ist die Struktur sandwichartig mit sehr dünnen Schichten.

Die Elektrodenmaterialien werden in mehrstufigen chemischen Prozessen hergestellt. Beim Kalzinieren des Li-NMC bewegt sich das Material gegen den Wärmestrom durch einen Ofen mit Temperaturen von 800 bis 1.000 Grad. Der Prozess muss sehr genau sein, da er die genaue Zusammensetzung und Reinheit des Kathodenmaterials bestimmt. Die Graphitisierung von Weichkohle für die Anode erfordert noch höhere Temperaturen: Bei 1800 bis 3000 Grad durch Anlegen von Spannungen von 40.000 bis 50.000 fließen Ströme von 200 Ampere und verbrennen selbst kleinste Verunreinigungen.

Anfänglich liegen die Anoden- und Kathodenmaterialien zunächst in Pulverform vor. Durch Vermischen mit Lösungsmitteln, oft organischen Stoffen (mittlerweile versucht man dafür Wasser zu verwenden), entsteht sogenannter Slurry. Über 90 Prozent des Feststoffes in dieser möglichst homogenen Suspension sind Aktivstoffe. Hinzu kommen Bindemittel (Polymere) und Leitfähigkeitsadditive. Die Aufhängung muss auf einer sehr dünnen Kupfer- oder Aluminiumfolie in genau definierter Höhe bzw. Flächengewicht platziert werden – in der Dicke muss sie mit dem vergleichbar sein, was wir aus dem Lebensmittelbereich kennen. Dies geschieht mit verschiedenen Techniken: Spritzen, Rollen, Drucken – alles ist möglich. Es sollte nur lange, breite Bahnen (für eine hohe Produktionsgeschwindigkeit) möglichst gleichmäßig passieren, um den Ausschuss zu minimieren. Am Ende entstehen Zellen, die nicht funktionieren, aber schon viel Energie für die Produktion enthalten. In der einfachen Entfernung des Lösungsmittels steckt viel Energie und damit Treibhausgas-Emissionen - es trocknet einfach aus. Dafür durchläuft die beschichtete Folie jedoch einen riesigen, langen Durchlaufofen.

Die ähnlich dünne Separatorfolie (aus einem Polymer) verbindet sich mit den Additiven unter Druck und bei hohen Temperaturen (200 bis 240 Grad), aufgetragenes Lösungsmittel muss auch hier wieder verdunsten, meist läuft die Folie über Rollen, wird in zwei Richtungen (biaxial) gestreckt (gestreckt) und vor allem auch durch einen Trockenschrank läuft. Laut PEM (Production Engineering of E-Mobility Components) der RWTH Aachen kann ein solcher Ofen bis zu 110 Meter lang sein. Bei einer Folienbreite von 5,5 Metern beträgt die Ofenfläche mindestens 605 Quadratmeter. Bei der letzten Hitzestufe beträgt die Temperatur 120 bis 140 Grad – eine sehr heiße Riesensauna mit entsprechendem Energiebedarf.

Das Ganze gilt auch für die Akkus von Smartphones oder Laptops und nicht nur für die von E-Autos – aber sie sind besonders groß und die Nachfrage steigt stark.

Um den Energieverbrauch zu senken, arbeitet Tesla beispielsweise an einem Verfahren mit Trockenbeschichtung der Batteriefolien – das Lösungsmittel muss nicht austrocknen. Dies gaben die Amerikaner jedoch im September 2020 bekannt, der Stand der Entwicklung ist derzeit nicht bekannt. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeitet an einer Beschleunigung des Prozesses, der die Energiekosten um bis zu 20 Prozent senken soll. Die vergleichsweise junge Fertigungstechnologie für Lithium-Ionen-Batterien scheint noch Potenzial zu bieten.

Eine andere Zellchemie wie Lithium-Eisen-Phosphat ändert übrigens wenig am Energiebedarf – abgesehen von der Energie, die für die Herstellung der Materialien benötigt wird.

Daher ist es entscheidend, dass die Energie für den Strom zur Herstellung der Batterien aus erneuerbaren Quellen stammt. Das zeigt eine Studie der Universität Trier eindrucksvoll. Electrive zitiert Eckard Helmes, einen der Autoren der Studie: „Im schlimmsten Fall kann die Batterie 36 Prozent des gesamten CO2-Ausstoßes eines Elektroautos über die gesamte Lebensdauer ausmachen“, sagt Helmers. "Ich denke, dieser Aspekt sollte am Vorabend von Milliardeninvestitionen in die neue Batterieproduktion hervorgehoben werden." Den schlimmsten Fall zeigt die Studie "Batteriezellen aus China". Denn dort stößt die Stromerzeugung 1.180 Gramm CO2-Äquivalente pro Kilowattstunde aus, während der europäische Strommix nur 531 Gramm produziert und in Deutschland das Umweltbundesamt für 2020 sogar von 366 g/kWh ausgeht. In unserer Bildergalerie zeigen wir die Batteriefabriken in Europa.

Die Autohersteller haben den Zusammenhang erkannt und versuchen eine Ökostromversorgung für ihre neuen Batteriefabriken zu planen oder planen zu lassen. VW und BMW kooperieren beispielsweise mit Northvolt. Emma Nehrenheim, Leiterin der Umweltabteilung des schwedischen Unternehmens, sagte in einem Interview: „Um die grünste Batterie der Welt zu bauen, ist eine saubere Energiebasis für deren Produktion unbedingt erforderlich. (..) Dafür haben wir mit dem Bau unserer Northvolt versorgt Ett mit 100 Prozent emissionsfreiem Strom, der größtenteils aus Wasserkraft in Nordschweden stammt. Allein dadurch wird der CO2-Fußabdruck der Zellen um mehr als 50 Prozent reduziert – im Vergleich zu einer Anlage, die über das südkoreanische Stromnetz versorgt wird , zum Beispiel. "

Wasserkraft steht möglicherweise nicht überall im Überfluss zur Verfügung. Doch die Trierer Studie ordnet der Solarstromerzeugung nur 92 Gramm und der Windkraft nur 15,8 Gramm Treibhausgasemissionen pro kWh zu.

Der große CO2-Rucksack des Elektroautos stammt vor allem aus der energieintensiven Produktion der Batterien, bei der die Herstellung der Elektroden und Separatoren am meisten Energie benötigt. Ob und wie schnell ihre Produktion dank neuer Verfahren mit weniger Strom auskommt, ist unklar. Bis dahin ist grüne Stromerzeugung für die Batterieproduktion unverzichtbar. Es kann den CO2-Fußabdruck der Batterie um 30 bis über 50 Prozent reduzieren.  

Einen noch größeren Hebel bietet derzeit die Dekarbonisierung des Bahnstroms. Die Volvo-Lebenszyklusanalyse zeigt Treibhausgasemissionen von 7 Tonnen für die Batterieproduktion an. Die Annahme von 1000 Prozent erneuerbarem Strom zum Laden des XC40 Recharge sparte über die gesamte Lebensdauer 23,6 Tonnen CO2-Äquivalent-Emissionen gegenüber dem globalen Energiemix mit 25 Prozent Ökostrom.

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