Illustration eines fliegenden E-Autos, das Batterien als Räder hat.

Power-Paket Batterie

E-Mobilität ist schlecht, denn sie belastet die Umwelt. Allerdings verbraucht jede Mobilität Energie für ihre Realisierung. Und elektrischer Strom ist die einzige Antriebsenergie, die den Klimawandel rechtzeitig bremsen kann.

Die E-Mobilität ist besser als ihr Ruf. Und sie ist vor allem besser als alle ihre Alternativen. Das ist keine blosse Behauptung, sondern das nüchterne Fazit aus Recherchen ohne Vorurteile.

Die Beurteilung des Nutzens der Elektromobilität ist einfach. Unter dem Strich geht es um zwei Fragen: Woher kommt der Strom zum Fahren und wie nehmen wir ihn mit? Wissenschaftlicher ausgedrückt: Welchen ökologischen Fussabdruck hinterlässt der Strommix, der die Energie für die E-Mobilität liefert, und wie umwelt­­belastend ist die graue Energie des Akkus, der den Strom für unterwegs hortet.

Wissen ist besser als Besserwissen

«E-Autos» oder «Stromer» haben zu wenig Reichweite, die Ladung ihrer Akkus dauert zu lange, das Netz von Ladestationen ist nicht dicht genug und wenn alle E-Auto fahren würden, bräche eh das Netz zusammen. So die gängigsten Argumente gegen die E-Mobilität. Ein Blick in die Realität – sprich Statistik – zeigt: alles falsch.

Zu den Begrifflichkeiten: Die Fachliteratur unterscheidet bei Antriebsarten von Fahrzeugen zwischen ICEV («Internal Combustion Engine Vehicles», also Fahrzeuge mit internen Verbrennungs­­motoren, die mit fossilen oder synthetischen, von aussen zugeführten Brennstoffen arbeiten) und BEV («Battery Electric Vehicles», Fahrzeuge, die mittels eines Elektromotors Kraft erzeugen, der aus mitgeführten Batterien gespiesen wird). Die bekannten Antriebe wie «Hybrid», «Plug-in-Hybrid», «Range Extender», «Brennstoff­­zellen» sind Kombinationen: Batterieantriebe ergänzt mit fossilen Brennstoffen oder umgekehrt mit fossilen Brennstoffen angetriebene Fahrzeuge mit nachgestelltem Elektroantrieb.

Batterie spielt die Hauptrolle. Oder: saubere Luft auf Kosten der anderen

Die Batterie spielt die zentrale Rolle bei allen Spielarten elektrischer Mobilität, denn sie ist verantwortlich für die eingangs gestellte Frage: «Wie nehmen wir den Strom mit?» Ein direkter Vergleich über die Umweltverträglichkeit von BEV und ICEV führt schnell zu Missverständnissen, denn die beiden Antriebe belasten die Umwelt an völlig verschiedenen Stellen der Energiekette. Während bei Verbrennungs­­motoren der grösste Teil der Umweltbelastung dort anfällt, wo das Auto genutzt wird, beeinträchtigt das Elektroauto die Umwelt am Ort der Herstellung der Batterie und bei der Gewinnung der Bestandteile der Batterie. Am Ort der Nutzung ist die Belastung der Umwelt – je nach Strommix – praktisch gleich null.

Illustration eines Fussabdrucks sowie einer daraus herauswachsenden Pflanze, um den ökologischen Fussabdruck von Batterien in der E-Mobilität zu symbolisieren.

Der CO2-Fussabdruck einer Batterie

Wir wollten es genau wissen: Die Leistungsfähigkeit einer Batterie bemisst sich in der Anzahl Wattstunden (Wh), die sie pro Kilogramm Gewicht ohne Zufuhr externer Energie abzugeben in der Lage ist. Die Masseinheit wird Energiedichte genannt. Die Energiedichte einer bis heute handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterie liegt bei 150 Wattstunden pro Kilogramm (Wh/kg). Eine Batterie mit einem Gewicht von 350 kg produziert knapp 53 kWh. Die Leistung, mit der ein «Verbrenner» bewegt wird, kann nun aber nicht eins zu eins verglichen werden mit der Leistung eines E-Autos, denn der Wirkungsgrad von E-Motoren ist rund dreimal höher als bei Verbrennern. Eine 350 kg schwere Batterie produziert faktisch 169 kWh. Das entspricht 20 Litern Benzin und reicht bei einem Mittelklassewagen für eine Reichweite von mindestens 300 km.

Private Personenwagen sind keine Fahrzeuge, sondern Stehzeuge.

300 km, das sind unbestreitbar weniger als die Reichweite eines Benziners. Doch erweist sich der Wert dieses Arguments im Realitätscheck als relativ. Ein Privatfahrzeug legt heute nach einer Erhebung des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI täglich 33 km zurück. Die restlichen 267 Kilometer sind üppig bemessene Reserve. Dasselbe Bild bei den oft monierten Ladezeiten: Private Personenwagen sind keine Fahrzeuge, sondern Stehzeuge. Gut 21 Stunden pro Tag stehen sie still – nicht im Stau, sondern in der Garage oder auf dem Firmenparkplatz. Für die statistischen 33 Kilometer reichen an einer herkömmlichen Steckdose zwei Stunden – mit einer handelsüblichen Wallbox geht es noch dreimal schneller. An Schnellladestationen reichen 20 Minuten. Womit wir bei der Dichte der Ladestationen sind: Vier von fünf E-Auto-Besitzerinnen und -Besitzern (genau 81%) laden ihr Fahrzeug zu Hause oder auf dem Firmenparkplatz. Öffentliche Normalladepunkte werden bei 12% der Ladevorgänge genutzt, Schnellladesäulen nur bei 6%.

Die Batterie, das «Schmutzstück»

Rund 85% des Energieaufwands und der Treibhausgasemissionen entstehen bei der Fertigung der Batteriezellen selbst sowie bei der Aufbereitung der Rohstoffe. Die Gewinnung der Rohstoffe fällt dagegen kaum ins Gewicht. Zumindest energiebilanziell! Die Vehemenz, mit der Umweltaktivisten die E-Mobilität verurteilen, macht eine genauere Betrachtung der Rohstoffbewirtschaftung ratsam.

Über 90% der im Autobau verwendeten Batterien sind sogenannte Lithium-Ionen-Batterien, genauer: sogenannte Mischoxide von Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt. Die grössten Lithiumreserven werden in Australien (rund 40%) abgebaut, der grosse Rest liegt im «Lithiumdreieck» Bolivien, Chile und Argentinien. Produktion und Entsorgung sind tatsächlich problematisch: Die Gewinnung verbraucht immense Mengen an Wasser in Gebieten, die ohnehin unter grosser Dürre leiden. «Wegen eurer Elektroautos geht uns das Trinkwasser aus», titelte kürzlich die deutsche Boulevardpresse. Das stimmt nur zum Teil: Weniger als die Hälfte des abgebauten Lithiums wird für Batterien verwendet, und davon wandert der Löwenanteil in Laptops, Smartphones, Haushaltgeräte, Herzschrittmacher usw.

Weniger als die Hälfte des abgebauten Lithiums wird für Batterien verwendet; und davon wandert der Löwenanteil in Laptops, Smartphones, Haushaltgeräte, Herzschrittmacher usw.

Problematisch ist der Abbau von Kobalt. Ohne in technischen Details die Orientierung zu verlieren: Die elektrische Leistung einer Lithium-Ionen-Batterie wird erreicht durch die Wanderung flüssiger Elektrolyten von Anode zu Katode. Diese flüssigen Elektrolyten sind sehr aktiv und erhitzen sich im Laufe ihrer «Arbeit». Mit zwei Konsequenzen: Die Batterien sind brandgefährlich und sie müssen ständig gekühlt werden. Zur Eindämmung dieser Erhitzungsgefahr ist das umstrittene Kobalt notwendig. Rund die Hälfe der 7,5 Tonnen Kobalt, die jährlich abgebaut und zu 50% für den Bau von Batterien für Smartphones, elektronische Gadgets und Autoantriebe gebraucht werden, stammen aus dem Kongo und werden von zwei Millionen «Creuseuren» unter äusserst fragwürdigen Bedingungen abgebaut. Besonders stossend: Die um ein Vielfaches stärker wertsteigernden Verarbeitungsschritte von Kobalt werden in China realisiert.

Ohne zu beschönigen, doch ohne Kobaltabbau gingen im Kongo die Verdienstmöglichkeiten von Millionen verloren. Anderseits ist die Förderung fossiler Energien keinen Deut unproblematischer. Abgesehen von den menschenunwürdigen Arbeits­­ bedingungen auf Bohrinseln und Ölfeldern und den regelmässigen Ölpesten ist die Energiebilanz der Erdölförderung katastrophal: 2,5 kWh verschlingt die Förderung eines einzigen Liters Erdöl, Transport nicht eingerechnet. Damit ist das E-Auto bereits 6 km gefahren. Und immerhin: Lithium ist zu nahezu 100% rezyklierbar, verbranntes Erdöl nicht. Dass heute weder Lithium noch Kobalt in relevantem Mass rezykliert werden, ist keine Frage der Machbarkeit. Aber solange es fünfmal billiger ist, Lithium abzubauen, als die gleiche Menge aus gebrauchten Batterien zu rezyklieren, fehlt der Anreiz zur Professionalisierung der Wiederverwertung. Der in jüngster Zeit steigende Preis für gebrauchte Batterien zeigt allerdings, dass dafür ein Markt im Entstehen begriffen ist. Beispielsweise für die Lagerung von Solarenergie in Privathäusern.

Der Lithium-Abbau ist 5x billiger
als das Recycling.

Parallel dazu wird rund um den Erdball intensiv geforscht, um den Verbrauch seltener Rohstoffe für den Aufbau von Batterien zu minimieren. Bereits im Praxistest sind Festelektrolyten-Batterien. Sie haben dank einer zweieinhalbfach höheren Energiedichte eine Leistung von 330 Wh/kg und sind aufgrund ihrer nicht entflammbaren Komponenten deutlich sicherer. Gleichzeitig sinkt der Kobaltbedarf um Faktor 10, weil sich die Elektrolyten nicht mehr bewegen und erhitzen. Pünktlich zu den Olympischen Spielen in Tokio 2020 will Toyota der Öffentlichkeit eine serienreife Feststoffbatterie präsentieren.
Der dramatische Anstieg der Weltmarktpreise für Lithium und Kobalt beschleunigt auch die Forschung nach vollständiger Unabhängigkeit von seltenen Metallen. Ein vielversprechender Schritt ist deren Ersetzung durch Mangan. Seine Gewinnung ist nicht nur einfacher und billiger, sondern eröffnet auch neue Technologien, die gegenüber heute eine Verachtfachung der Energiedichte und damit Leistungsfähigkeit der Batterie ermöglicht.

Abschied von organischen Stoffen

Die seit Jahren forschende, aber weitgehend unbekannte Schweizer Firma Innolith geht einen radikalen Schritt weiter und verabschiedet sich völlig von der Nutzung organischer Stoffe. Sie setzt auf selbstentwickelte anorganische Elektrolyte aus Lithiumtetrachloraluminat und einer Schwefeldioxidlösung. Mit 50’000 Ladezyklen beträgt die Lebensdauer des Akkus das Zehnfache einer herkömmlichen Batterie. Gleichzeitig soll dieser Akku bei E-Autos für Reichweiten von 1’000 Kilometern und mehr sorgen mit Batterien, die weder brennen noch Kobalt enthalten. Sollte das Schweizer Startup Innolith seine Versprechen halten, könnte damit die gesamte Batterieindustrie revolutioniert werden.

Lebensdauer einer Batterie

Die kurze Zeit des Einsatzes von elektrischer Energie im Alltag des Individualverkehrs hat gezeigt: Die ursprünglich angenommene Performance der Batterien wurde teilweise massiv unterschätzt. Doch bereits bei den heute als sicher machbar geltenden 2’000 Ladezyklen – damit gemeint ist der gesamte Prozess von Vollladung bis Vollentleerung und Wiederaufladung – und einer konservativ angenommenen Reichweite von 150 Kilometer pro Ladung würde sich eine Batterielebensleistung von 300’000 Kilometer ergeben.

Eine Batterielebensleistung von über einer halben Million Kilometer in den nächsten fünf Jahren ist denkbar.

Mit diesen Errungenschaften in jeder Komponente der Batterie – Verdreifachung der Energiedichte, Erhöhung der Anzahl der Ladezyklen, Abkehr von Lithium und Kobalt – ist eine Batterielebensleistung von über einer halben Million Kilometer in den nächsten fünf Jahren möglich – ohne Raubbau von Menschen und Natur in Südamerika und Zentralafrika.

[Anmerkung der Redaktion: In den nächsten Wochen werden noch zwei Artikel in dieser Serie erscheinen, um Vorbehalte zur Elektromobilität sowie die Situation der Stromnetze zu beleuchten.]

Die Zeit drängt – Fazit des Autors

Es gibt valable Alternativen zur E-Mobilität: Spazieren, Fahrradfahren, zu Hause bleiben. Für eine schnellere und weiterreichende Mobilität ist die Inanspruchnahme elektrischer Energie alternativlos. Nicht aus technischen, sondern aus zeitlichen Gründen: Der Klimawandel verzeiht keine Verzögerungen mehr. Elektromobilität mag Schwächen haben, aber sie kann bereits heute entscheidende und zwingend notwendige Fortschritte ermöglichen. Auf Technologien zu setzen, die vielleicht in 15 Jahren einmal auf den Markt kommen, könnte sich als fatal – weil zu spät – erweisen.

Übrigens: Christian hat noch weiter zu den gängigen Vorurteilen der E-Mobility recherchiert.

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