Aktualisiert 04.01.2020 11:43

Bach erklärt

Das E-Auto – Heilsbringer oder Umweltsünde?

Das Elektroauto gehört in Zukunft zum Strassenbild, wie die Katze zum Bauernhof. Schlicht und ergreifend, weil es Sinn macht. In vielen Fällen, jedenfalls…

von
Christian Bach, Empa
Der grösste Teil der Fahrten mit Personenwagen ist kürzer als 50 km. Diese Fahrten sollten künftig elektrisch gefahren werden  das spart viele lokale Schadstoffe und eine Menge CO2. Dazu braucht man auch keine grossen Batterien.

Der grösste Teil der Fahrten mit Personenwagen ist kürzer als 50 km. Diese Fahrten sollten künftig elektrisch gefahren werden das spart viele lokale Schadstoffe und eine Menge CO2. Dazu braucht man auch keine grossen Batterien.

Honda

Elektromotoren erzeugen die mechanische Leistung für den Antrieb der Räder eines Fahrzeugs nicht über hohe Temperaturen wie Verbrennungsmotoren, sondern über Magnetfelder, die mit Strom im Innern der Elektromotoren erzeugt werden. Je mehr Elektrizität vom Elektromotor aufgenommen wird, desto stärker bilden sich die Magnetfelder aus und desto leistungsstärker wird die Drehbewegung, die über das Antriebssystem an die Räder weitergeleitet wird.

Während Verbrennungsmotoren grösstenteils aus einfachen Materialien wie Aluminium und Stahl bestehen, aber ein kompliziertes Betriebskonzept aus Strömung, Verbrennung, Kühlung, Abgasnachbehandlung sowie viel mechanischen Klapperatismus aufweisen, sind Elektromotoren einfach im Aufbau, benötigen aber deutlich mehr spezielle Materialien, wie etwa Seltene Erden. Verbrennungsmotoren weisen hohe Dauerleistungen aber schlechte Wirkungsgrade auf; bei Elektromotoren ist es gerade umgekehrt.

CO2-Vorteil nur bei grüner Energie

Wird Strom aus fossiler Energie hergestellt, kommt für das Elektroauto insgesamt kein CO2-Vorteil heraus; die schlechten Wirkungsgrade werden nur in die Energieproduktionskette verschoben. Wenn aber fossile oder nukleare Energie durch Photovoltaik und Windkraft ersetzt wird, wandelt sich das Bild: dann nämlich liegt Strom als primäre Energieform vor und Elektromotoren können direkt damit angetrieben werden.

Treibstoffe für Verbrennungsmotoren aus erneuerbarem Strom sind dann energetisch im Nachteil: sie müssen zuerst mit hohem Energieaufwand hergestellt werden. Zumindest im Sommerhalbjahr sind die CO2-Emissionen von Elektroautos deshalb unschlagbar niedrig.

Kommen wir zur Batterie oder besser gesagt, dem Akkumulator oder Akku, wie wiederaufladbare Batterien korrekt genannt werden. Wie Akkus für Taschenlampen bestehen auch solche für Elektroautos aus Zellen mit elektrisch positiven und negativen Elektroden, auch als Anode und Kathode bezeichnet, welche durch einen ionenleitenden Separator getrennt sind. Anode, Kathode und Separator sind von einem ebenfalls ionenleitenden Elektrolyten umgeben. Ein Ion entsteht, wenn ein Atom ein Elektron abgibt - und genau das geschieht in Batterien und Akkus.

Ein dauerndes Hin- und Her

Beim Entladen gibt die Anode Elektronen ab, die als «Strom» den Elektromotor oder andere Verbraucher antreiben. Gleichzeitig wandern die dadurch entstandenen Lithiumionen durch den Seperator und den Elektrolyten zur Kathode. Das geht so lange, bis alle Lithiumionen in der Kathode angekommen sind. Dann ist die Batterie «leer». Beim Laden wandern die Lithiumionen dann wieder zurück an die Anode, elektrisch angezogen durch Elektronen aus dem Ladegerät, die in die Anode eingelagert werden und das Spiel beginnt von Neuem.

Die Anode muss also möglichst viel Lithiumionen und Elektronen aufnehmen können, was primär von den verwendeten Materialien abhängt. Heutige Lithiumionen-Akkus für E-Autos enthalten pro kWh Speicherkapazität zirka 1 kg an aktivem Anodenmaterial, beispielsweise Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt, was ungefähr 15% der Batteriemasse ausmacht. Der Rest ist Kupfer, Aluminium, Stahl und sonstige Materialien. Diese Rohstoffe müssen geschürft, aufbereitet und zu Batteriezellen bzw. Batterien verarbeitet werden, was Energie braucht und (in anderen Regionen der Welt) einiges an Schadstoffen erzeugt.

In den Medien und Kommentarspalten gibt es recht intensive Dispute über die CO2- und Schadstoffemissionen von Elektroautos. Dies, weil man in mehr oder minder qualifizierten Veröffentlichungen und Vorträgen praktisch jede erdenkliche Zahl dazu finden kann, die dann der jeweiligen Gegenseite – oftmals vereinfacht und mit reichlich Adjektiven versehen – vorgehalten werden. In der Fachwelt gibt es diesen Streit nicht. Experten schätzen die CO2- und Umweltbelastung von Batterien recht ähnlich ein.

Bis 50 Kilometer sollte elektrisch gefahren werden

Diese Umweltbelastung stellt heute durchaus noch ein Problem dar, das aber durch Technologieentwicklungen, Recycling und entsprechende Vorschriften lösbar ist. Klar ist dabei auch, dass Elektroautos mit grossen Batterien schlechter abschneiden als solche mit kleinen Batterien – insbesondere dann, wenn diese auch noch an Schnellladesäulen geladen werden. Dann nämlich steigt auch das Risiko, dass fossile Kraftwerke insgesamt länger am Netz bleiben müssen.

Das Fazit? Der grösste Teil der Fahrten mit Personenwagen ist kürzer als 50 km. Diese Fahrten sollten künftig elektrisch gefahren werden – das spart viele lokale Schadstoffe und eine Menge CO2. Dazu braucht man auch keine grossen Batterien. Fahren Sie vor allem kurze Distanzen oder haben Sie einen Zweitwagen und wollen Sie etwas für die Umwelt tun? Dann sollten Sie auf ein Elektroauto mit einer vernünftig dimensionierten Batterie umsteigen.

Fahren Sie vor allem lange Distanzen oder haben Sie einen Wohnwagen? Dann lesen Sie meine nächsten Artikel, demnächst an dieser Stelle.

Bisher erschienene Beiträge in dieser Reihe:

Christian Bach

leitet die Abteilung «Fahrzeugantriebssysteme» an der Empa. Sein Team entwickelt Antriebskonzepte der nächsten Generation und erforscht, wie diese mit erneuerbarer Energie betrieben werden können. Im Mobilitätdemonstrator «move» (move.empa.ch) auf dem Empa-Gelände in Dübendorf werden solche Konzepte umgesetzt.

Die Empa ist das Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologie. Eines ihrer wichtigsten Forschungsthemen ist der Umstieg von fossilen Energiequellen hin zu nachhaltig erzeugter Energie.

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