Die E-Auto-Batterie in der Verkehrs- und Energiewende

Elektrofahrzeuge leisten einen zunehmend wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrs. Künftig könnten sie zudem auch als Zwischenspeicher für erneuerbaren Strom fungieren. Trotz ihrer Bedeutung für die Verkehrs- und Energiewende wird die E-Auto-Batterie kontrovers diskutiert. Akteure aus dem ETH-Bereich der Initiative «Vorbild Energie und Klima» liefern verschiedene Publikationen mit wissenschaftlichen Fakten für eine solide Diskussionsgrundlage.

Elektrofahrzeuge sind eine umweltfreundliche Alternative zu Benzin- beziehungsweise Dieselfahrzeugen. Sie sind dank ihrem Elektromotor effizient und bezogen auf die Nutzungsphase nahezu klimaneutral unterwegs, sofern sie mit Strom aus erneuerbaren Quellen betrieben werden. Gemäss Ökobilanzierung entstehen die grössten Umweltauswirkungen von Elektrofahrzeugen durch die Herstellung der Batterie. In der Schweizer Medien- und Politiklandschaft kursieren verschiedenste, teils auch polarisierende, Aussagen zu diesem Thema. Das vom Bundesamt für Energie BFE beim Forschungs- und Beratungsunternehmen INFRAS und bei der Empa, dem interdisziplinären Forschungsinstitut des ETH-Bereichs für Materialwissenschaften und Technologie, in Auftrag gegebene Grundlagendokument «Batterien für Elektrofahrzeuge» klärt Fragen entlang des gesamten Lebenszyklus von Elektrofahrzeug-Batterien.

Bessere Ökobilanz
Das Grundlagendokument zeigt: Die Herstellung von Elektrofahrzeugen hat zwischen 25 und 50 Prozent mehr Umweltauswirkungen zur Folge als die Herstellung konventioneller Fahrzeuge. Das Elektrofahrzeug startet folglich mit einem grösseren ökologischen Rucksack als das Verbrennerfahrzeug. Die Hälfte dieser Umweltauswirkungen entstehen in der Batterieproduktion. Doch ab 25 000 bis 45 000 gefahrenenen Kilometern sind die gesamthaften Umweltauswirkungen des Elektrofahrzeugs geringer als diejenigen eines vergleichbaren Verbrennerfahrzeugs. Am Ende der Lebensdauer von 200 000 Kilometern hat ein mit Schweizer Strom betriebenes Mittelklasse-Elektrofahrzeug mit einer Reichweite von 400 Kilometern rund halb so viele klimaschädliche Gase ausgestossen wie ein vergleichbares Benzin- oder Dieselfahrzeug. Roland Hischier, Leiter der Gruppe Advancing Life Cycle Assessment an der Empa, erklärt warum: «Im Betrieb verursacht das Elektrofahrzeug, ausser Reifen- und Bremsabrieb, keine direkten Emissionen und ist rund viermal energieeffizienter als ein vergleichbares Verbrennerfahrzeug.» Zu beachten gilt zudem, dass Batterien künftig zunehmend in Europa hergestellt werden sollen. Bis 2030 wollen europäische Hersteller ihren Anteil an der weltweiten Produktionskapazität von 10 auf 40 Prozent erhöhen. Die Szenarien prognostizieren, dass die europäische Batterieherstellung vermehrt mit erneuerbaren Energien versorgt werden wird, wodurch sich die Ökobilanz der Elektrofahrzeuge nochmals verbessern wird.

Kritische Rohstoffe
Dass Elektrofahrzeuge eine bessere Ökobilanz aufweisen als Verbrennerfahrzeuge, heisst nicht, dass sie komplett unbedenklich sind. Verbesserungspotenzial besteht insbesondere im Bereich der Rohstoffförderung. Batterien enthalten Materialien wie Graphit, Nickel, Kupfer, Lithium, Kobalt und Mangan. Das Grundlagendokument zeigt: Die Förderung all dieser Stoffe ist – wie auch die Erdölförderung – mit negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt verbunden: Kinderarbeit, Gesundheitsprobleme der lokalen Bevölkerung, hoher Energie- und Wasserverbrauch, Kontamination von Boden, Luft und Wasser, um einige davon zu nennen. Verschiedene verbindliche und freiwillige Massnahmen sollen Abhilfe schaffen. Wirksame Hebel sind insbesondere die Förderung von Forschung und Innovation im Batterierecycling sowie die Erhöhung der Transparenz von Lieferketten. Die neue EU-Batterieverordnung, die voraussichtlich nächtes Jahr in Kraft tritt, soll für mehr Transparenz sorgen: «Die Einführung des Batteriepasses, mit dem die Rückverfolgung der in der Batterieherstellung verwendeten Materialien garantiert werden soll, wird die Transparenz in der Lieferkette massiv erhöhen», erklärt Roberto Bianchetti, Leiter des Bereichs Verkehr und Umwelt und Partner bei INFRAS.

Verschiedene End-of-Life-Ansätze
Wird die Batterie aus einem Elektrofahrzeug ausgebaut, heisst dies nicht zwingend, dass sie ihr Lebensende erreicht hat. So kann sie noch im Rahmen einer Zweitnutzung in einem anderen Fahrzeug mit geringeren Kapazitätsansprüchen oder als stationärer Stromspeicher eingesetzt werden. Im Anschluss an dieses «Second Life» oder auch direkt nach der Erstnutzung folgt das Recycling der Batterie. Gemäss Grundlagendokument ist das Recycling nach der ersten Nutzung in bestimmten Fällen der ökologischere Weg. Denn der technologische Fortschritt führt dazu, dass bei gleichem Materialverbrauch zunehmend leistungsfähigere Batterien produziert werden. Verantwortlich für das Batterierecycling sind die Fahrzeughersteller beziehungsweise Importeure. In der Schweiz ist das Batterierecycling noch nicht profitabel. «Das liegt daran, dass die meisten Elektrofahrzeuge der ersten Generation das Ende ihrer Lebensdauer noch nicht erreicht haben», erklärt Charles Marmy, Environmental Scientist und Project Manager bei der Empa und fügt an: «Aufgrund von Skaleneffekten ist jedoch zu erwarten, dass die Recyclingkosten bei steigender Batteriemenge abnehmen werden.»

Bidirektionale Interaktion
Während INFRAS und die Empa mit ihrem Grundlagendokument Antworten auf Fragen entlang des gesamten Lebenszyklus einer Elektrofahrzeug-Batterie lieferten, beschäftigte sich das Energy Science Center der ETH Zürich in seiner Studie «Vehicle-to-grid in Switzerland» mit einem spezifischen Aspekt der Nutzungsphase: der intelligenten Integration von Elektrofahrzeug-Batterien ins Energiesystem. Das Konzept, das auf der bidirektionalen Ladetechnik basiert, ermöglicht die Zwischenspeicherung von Strom aus erneuerbaren Energien. Die bidirektionale Interaktion zwischen Fahrzeug und Stromnetz kann so einen Beitrag zum Ausgleich der Schwankungen in der Stromproduktion und zur Verhinderung der Netzüberlastung leisten.

Effizientere Stromverwertung
Die ETH-Studie zeigt: Mit der Einbindung der Elektrofahrzeuge in das Schweizer Stromnetz könnten Abregelungen erneuerbarer Energien um bis zu 70 Prozent reduziert werden. Die bessere Verwertung ist dann möglich, wenn die Batterien der Elektrofahrzeuge dank einer intelligenten Steuerung zu Spitzenzeiten der Stromerzeugung aufgeladen werden und zu Zeiten mit geringerer Stromproduktion beziehungsweise hoher Nachfrage wieder Strom ins Netz zurückspeisen.

Wirksame Preissignale
Gemäss ETH-Studie könnte sich die Einbindung der Elektrofahrzeug-Batterien ins Stromnetz für die Schweiz auch finanziell auszahlen. Neben der effizienteren Integration erneuerbarer Energien könnten auch Preisunterschiede auf dem internationalen Strommarkt ausgenutzt werden. Das heisst, es könnten Importe aus dem Ausland zu Zeiten mit hohen Strompreisen reduziert und Exporte von Zeiten mit tiefen auf Zeiten mit hohen Strommarktpreisen verschoben werden. Dafür müssten die Preissignale jedoch auch bei den Fahrzeugbesitzerinnen und -besitzern ankommen. Marius Schwarz, Senior Researcher und Manager im Forschungsprojekt Nexus-e an der ETH Zürich, erklärt, wie das möglich wäre: «Dynamische Tarife mit zeitlich und örtlich variierenden Strompreisen könnten einen Anreiz schaffen, Fahrzeuge in Stunden zu laden, während deren der Strom günstig beschafft werden kann und das lokale Verteilnetz weniger ausgelastet ist.»

Die Forschung der Akteure der Initiative «Vorbild Energie und Klima» zeigt: Elektrofahrzeug-Batterien leisten einen 2in1-Beitrag: Sie sind sowohl für die Verkehrs- als auch für die Energiewende von Bedeutung. Neben der verstärkten Nutzung ihres Potenzials gilt es aber auch, die Nachhaltigkeit bei der Rohstoffförderung und beim Recycling zu steigern. Auf dem Weg dorthin sind die erwähnten Forschungsergebnisse eine wichtige Diskussionsgrundlage für Wirtschaft und Politik.

Vorbild Energie und Klima
Achtzehn wichtige Schweizer Anbieter von öffentlich relevanten Dienstleistungen leisten in der Initiative Vorbild Energie und Klima des Bundes ihren Beitrag zur Energiestrategie 2050 und zum Pariser Klimaübereinkommen von 2015. Der Fokus liegt auf Energieeffizienz, erneuerbaren Energien und neu auch auf klimaverträglichen Finanzflüssen.

Im branchenübergreifenden Aktionsfeld Energie und Klima verfolgen die Akteure individuelle Ziele bis 2026 bzw. 2030 für Energieeffizienz, ökologische Stromproduktion, erneuerbare Wärme und Kälte sowie erneuerbare Treibstoffe. Der Anteil an erneuerbarem Strom soll bei allen spätestens bis 2026 100 Prozent betragen.

Im Aktionsfeld klimaverträgliche Finanzflüsse setzen sich die Akteure Ziele für ihre Anlagen, um die Investitionen in Einklang mit dem Klimaübereinkommen von Paris zu bringen. Dazu fordern die teilnehmenden Pensionskassen und Versicherungen zum Beispiel Unternehmen, in die sie investieren, zu klimaschonendem Verhalten auf. Weiter senken sie kontinuierlich die Treibhausgasemissionen der direkt gehaltenen Immobilien in ihrem Portfolio.

Die Akteure berichten transparent über ihre Zielerreichung und teilen ihre Erfahrungen, damit auch weitere Unternehmen und Organisationen sich daran orientieren können.

www.vorbild-energie-klima.admin.ch

Julia Gremminger, Polarstern AG
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