SKIN & FNR

"Ziel mir keng!", kommt nach dem "Wëssensmagazin Pisa", das am Sonntagabend auf RTL Tëlee ausgestrahlt wird. Sie können die Folgen auch auf RTL Play und auf dem YouTube-Kanal science.lu ansehen.

Die Vor- und Nachteile von Elektro- und Verbrennerautos sind seit langem Gegenstand von Debatten.  

Aber wie fällt die CO2-Bilanz tatsächlich aus? Die Europäische Kommission will den Verkauf von Fahrzeugen mit Verbrennermotor in Europa ab 2035 verbieten. Dies ist eine der Maßnahmen zur Erreichung der Klimaneutralität bis 2050. Elektrofahrzeuge verzichten zwar auf Diesel oder Benzin, brauchen aber dafür Strom und eine Batterie. Wird so wirklich CO2 eingespart? 

Um die Antwort gleich vorwegzunehmen: Elektroautos haben einen kleineren CO2-Abdruck, wenn ihre Lebensdauer lang genug ist.  

Konkret geht es darum, zu analysieren, ab welchem Kilometerstand ein Elektrofahrzeug im Vergleich zu einem Verbrenner vorteilhafter ist. Dabei werden der Produktionsprozess, die Nutzung und die gesamte Lebensdauer verglichen. Ein wichtiger Faktor: Es müssen immer vergleichbare Modelle miteinander verglichen werden, das heißt Modelle, bei denen Größe, Leistung und Baujahr übereinstimmen.  

Und noch etwas: Wir wollen weder für den einen noch für den anderen Fahrzeugtyp Werbung machen. Wir beschränken uns darauf, den CO2-Abdruck zu vergleichen. Selbstverständlich gibt es noch weitere Argumente, die für oder gegen den jeweiligen Fahrzeugtyp sprechen – zum Beispiel praktische Erwägungen, der Preis oder die Verfügbarkeit der Rohstoffe. Diese lassen wir aber aus Zeitgründen unberücksichtigt. 

Für diese Episode haben wir mit dem Forscher Thomas Gibon vom LIST, der unter anderem für die Webpage climobil.lu verantwortlich ist, bei den Berechnungen und Überprüfungen der Zahlen und Ausrufe zusammengearbeitet.

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Biografie Thomas Gibon

Thomas Gibon ist seit 2016 Forscher am Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST). Er hat seinen Ingenieurabschluss an der École Centrale Paris gemacht (2008) und hält darüber hinaus einen Doktortitel der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens (2017). In seiner Forschungsarbeit beschäftigt er sich in erster Linie mit der Bewertung von Umweltauswirkungen, insbesondere in Bezug auf Energiesysteme, Mobilität, Gebäude und Finanzprodukte. Neben Publikationen in wissenschaftlichen Fachzeitschriften hat er insbesondere zum Fünften Sachstandsbericht des IPCC (2014) sowie zu weiteren Berichten unter der Schirmherrschaft der Vereinten Nationen wie „Green Energy Choices“ (UNEP, 2015), „Green Technology Choices“ (UNEP, 2016) oder der jüngsten vergleichenden Lebenszyklusanalyse der Stromerzeugung (UNECE, 2021) beigetragen. Darüber hinaus widmet sich Thomas der populärwissenschaftlichen Aufbereitung von Themen rund um CO2-Bilanz und Dekarbonisierung für die breite Öffentlichkeit und Studierende.

Elektroauto vs. Auto mit Verbrennungsmotor: CO2-Fußabdruck bei der Herstellung

Schauen wir uns zunächst den CO2-Abdruck während der Herstellung an: Die CO2-Bilanz eines Elektrofahrzeugs ist hier etwa 1,5 Mal so hoch wie die eines Autos mit Verbrennermotor – immer unter der Voraussetzung, dass wir ähnliche Modelle vergleichen. Am stärksten wirkt sich dabei die Produktion der Batterie des Elektroautos aus, bei der sehr viel Energie verbraucht wird. 

Es steht also 1:0 für den Verbrenner!

Bei der Herstellung ist der CO2-Fußabdruck eines Elektroautos etwa 1,5-mal größer als der eines Autos mit Verbrennungsmotor.

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Anmerkung von Thomas Gibon zu dieser Zahl.

Eine Studie der Europäischen Kommission (https://climate.ec.europa.eu/system/files/2020-09/2020_study_main_report_en.pdf) hat 2020 gezeigt, dass bei der Herstellung eines Elektroautos (d. h. Produktion des Fahrgestells, der Karosserie, des Antriebsstrangs, des Zubehörs und der Batterie) ca. 60 g CO2e/km und bei der eines Autos mit Verbrennermotor ca. 40 g CO2e/km anfallen. Das bedeutet, dass das Elektroauto während der Produktion ca. 50 % oder 1,5 Mal mehr Emissionen verursacht.

Elektroauto vs. Auto mit Verbrennungsmotor: CO2-Fußabdruck während der Nutzung

Und wie sieht es mit dem CO2-Abdruck während der Nutzung des Fahrzeugs aus? 

Das Auto mit Verbrennermotor produziert etwa drei bis vier Mal so viel CO2 wie das Elektrofahrzeug.

Wie haben wir das berechnet?  

Der CO2-Abdruck hängt im Wesentlichen von zwei Faktoren ab: 

  • der Energieeffizienz des Motors und  
  • der Energiequelle 

Schauen wir uns mal die Energieeffizienz des Motors an: Welcher Anteil der dem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Energie wird tatsächlich aufgewendet, um das Auto zu bewegen?   

Beim Elektroauto liegt die Gesamtenergieeffizienz bei 80 bis 90 %.  

Das Elektrofahrzeug nutzt also 80 bis 90 % der Energie aus dem Strom, mit dem es betrieben wird, um sich fortzubewegen. Der Rest geht verloren – vor allem während des Ladens der Batterie und bei der Umwandlung der elektrischen in mechanische Energie.  

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Theorie vs. Realität bzw. Optimalbedingungen vs. Realbedingungen

Unter Optimalbedingungen liegt der Wirkungsgrad bei 90 %. Einige Hersteller geben Werte in dieser Größenordnung an (z. B. https://www.renaultgroup.com/en/news-on-air/news/the-energy-efficiency-of-an-electric-car-motor/). Unter Realbedingungen, insbesondere wenn es sehr kalt oder sehr warm ist und die Klimaanlage oder Heizung benötigt wird, ist der Wirkungsgrad geringer.

Beim Verbrenner liegt die Gesamtenergieeffizienz bei lediglich etwa 30 -40%.  

Unter realen Bedingungen ist sie oft niedriger. Vor allem, wenn es sehr kalt und sehr heiß ist und man zusätzlich noch die Klimaanlage oder die Heizung benutzen muss...

 

Anmerkung der Redaktion: Im Video wird die Zahl 30 % genannt. In der Grafik und im vorliegenden Text haben wir diese Zahl dann auf 30-40 % geändert, erstens um eine Spanne anzugeben und zweitens, um kohärenter zu sein: Es gibt immer eine Abweichung zwischen dem, was die Hersteller unter Optimalbedingungen angeben, und der Realität.

Das Verbrennerauto nutzt also nur 30 -40 % der Energie aus dem Benzin oder Diesel, mit dem es betrieben wird, um sich fortzubewegen. Der größte Teil geht bei der Verbrennung als Wärme verloren.  

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Anmerkung von Thomas Gibon zu diesen Zahlen:

Unter Optimalbedingungen liegt diese Zahl bei 36 % für Benzin und 42 % für Diesel. In der Realität landet man jedoch eher bei 20 % bzw. 15 % in der Stadt. Der Wert von 30 % scheint mir als Durchschnitt vernünftig. Ansonsten bietet sich eine Spanne von 30-40 % an, so dass auch die Optimalbedingungen berücksichtigt sind.  Der Unterschied zwischen optimalem und tatsächlichem Wirkungsgrad ist bei Fahrzeugen mit Verbrennermotor besonders groß, weil ein Verbrennermotor auch im Stand läuft (und Kraftstoff verbraucht). Das ist beim Elektroauto nicht so, da hier der Motor nur dann läuft, wenn sich das Auto bewegt, was effizienter ist.

Die Energieeffizienz des Elektromotors ist also zwei bis drei Mal so hoch wie die des Verbrennermotors.  

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Anmerkung von Thomas Gibon

Wenn man die Effizienz vergleicht, sollte auch die Effizienz der Energiequelle Berücksichtigung finden.

Tatsächlich müsste man die Effizienz der verschiedenen Quellen unter Berücksichtigung aller Förder-, Produktions-, Transportprozesse usw. der Primärenergiequellen (Kraftstoff, Stromproduktion) vergleichen. Wenn der Strom aus fossilen Energien gewonnen wird, ist auch die Effizienz der Kraftwerke zu berücksichtigen. Wir haben uns hier erstmal auf die Effizienz des Motors ab dem Augenblick, ab dem das Auto entweder mit Strom oder mit Benzin bzw. Diesel betrieben wird, konzentriert. Nach der unten angegebenen Quelle liegt die Effizienz des Elektromotors (Tank to Wheel) bei 81,5 %, die des Dieselmotors bei 36 % und die des Benzinmotors bei 30 %. Andere Quellen geben für den Elektromotor eine Effizienz von 90 % an.

Die Effizienz des Elektroautos ist im Übrigen auch wesentlich höher als die des Wasserstoffautos. 

Warte mal! 

Aber um Strom zu erzeugen, braucht man doch auch Energie, und dieser Prozess ist mit CO2-Emissionen verbunden!? 

Das stimmt. Und das bringt uns zum zweiten Punkt: dem CO2-Abdruck der Energiequelle.  

Für Diesel und Benzin ist dieser immer groß. Bei der Verbrennung entsteht eine große Menge CO2.  

Der CO2-Abdruck von Strom hingegen hängt stark davon ab, ob er aus erneuerbaren Energiequellen stammt oder in einem Kohle- oder Gaskraftwerk erzeugt wird.  

Im Extremfall einer 100 %igen Stromerzeugung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe hätte das Elektrofahrzeug keinerlei CO2-Vorteil mehr. Dieses Szenario entspricht jedoch nicht der Realität.

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Anmerkung von Thomas Gibon zu dieser Aussage:

Moderne Kraftwerke haben einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 37 %, so dass das Ergebnis fast gleich wäre, egal ob Benzin oder Diesel direkt im Auto (Wirkungsgrad 30 %) oder im Kraftwerk und dann im Elektroauto (37 % × 80 % = 30 %) verbrannt wird.

In Luxemburg stammt ein relativ großer Teil des Energiemixes aus erneuerbaren Quellen mit einer guten CO2-Bilanz.  

2022 lag der Anteil der umweltfreundlichen Erneuerbaren am Energiemix bei 51 %, jener der Kernenergie bei 18 %, die fossilen Brennstoffe machten 31 % aus.   

Luxemburg produziert nur einen kleinen Teil seines Stroms selber, der größte Teil wird eingekauft.

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Anmerkung von Thomas Gibon zu den Zahlen zum Strommix

Strom lässt sich auf zwei Arten verbuchen: kommerziell („auf dem Papier“) und physisch. Die erste Berechnungsart wird für Ökostromverträge verwendet (enthält jedoch einen großen Anteil skandinavischer Wasserkraft, die nicht physisch nach Luxemburg gelangt), letztere ist „echter“ physischer Strom. Diesen verwende ich für meine Berechnungen.

Die Quelle für den nationalen Strommix ist hier zu finden: https://app.electricitymaps.com/zone/LU

Hier kann man sich den Jahresdurchschnitt z. B. der letzten sechs Jahre anzeigen lassen.

Die Quellen für den Handel, also Ein- und Ausfuhren, findet man hier.

Im Jahr 2022 gab es ausnahmsweise eine große Veränderung, da so gut wie kein Strom aus Frankreich eingeführt wurde.

So gelangt man zu folgenden Zahlen:

 

Fossile Energieträger

31,0 %

Kernenergie

18,5 %

Erneuerbare Energien

50,6 %

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Anmerkung von Thomas Gibon zum Strommix in Luxemburg 2021

Etwa 46 % unseres Stromverbrauchs in Luxemburg 2021 (6,5 Twh) stammte aus erneuerbaren Energien. Wir haben einen großen Teil zugekauft (1,1 Twh aus Belgien und Frankreich und 3,1 Twh aus Deutschland) und einen kleineren Teil selbst produziert, von dem 80 % (1,0 von 1,2 Twh) aus erneuerbaren Energien stammte. Insgesamt sind etwa 30 % des Verbrauchs auf die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (Kohle und Gas) zurückzuführen, die fast ausschließlich aus Deutschland stammen. Es sei auch darauf hingewiesen, dass die einzigen Einfuhren aus Frankreich für die Stahlindustrie bestimmt sind und gar nicht in die Haushalte gelangen.

Übrigens: Wir haben bereits analysiert, welche Flächen benötigt werden, damit Luxemburg seinen gesamten Energiebedarf durch erneuerbare Energien decken kann, und welche Vor- und Nachteile die Kernenergie hat. Das können Sie hier nachlesen:

Außerdem haben wir eine Analyse der Vor- und Nachteile der Kernenergie erstellt:

Zurück zum Thema. Was bedeutet das für Elektroautos in Luxemburg? Also: 

Wenn man das beides – also einen Motor mit einer besseren Energieeffizienz und die positivere CO2-Bilanz der Energiequelle – zusammennimmt, stellt man fest, dass  

  • ein Elektrofahrzeug unter Berücksichtigung des luxemburgischen Energiemixes bei der Nutzung etwa drei bis vier Mal weniger CO2 pro Kilometer verbraucht als ein Verbrenner.  

Es steht jetzt also 1:1! 

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Anmerkung von Thomas Gibon zu den Unterschieden zwischen Ländern:

In Frankreich, wo die CO2-Intensität der Stromerzeugung bei ca. 60 g CO2/kWh liegt, emittieren Sie etwa 12 g CO2/km (bei einem Verbrauch von 20 kWh/100 km). In Europa und Luxemburg (wo der Wert eher bei 300 g CO2/kWh liegt) stoßen Sie ca. 60 g Co2/km2/km aus.

Vergleicht man dann z. B. ein Dieselfahrzeug mit einem Verbrauch von ca. 6 l/100 km mit 0,5 bzw. 2,7 kg CO2/l für die Emissionen im Vorfeld (Förderung, Raffination, Transport und Vertrieb des Kraftstoffs) und die direkten Emissionen, so kommt man auf 6* (0,5 + 2,7) = 192 g/km.

Rechnet man die Verhältnisse um, so erhält man 192/12 = 16 bzw. 192/60 = 3,2.

Das Elektroauto emittiert also im Betrieb 3 bis 16 Mal weniger. Die Aussage, dass ein Elektroauto drei bis vier Mal weniger verbraucht, ist also konservativ, aber insofern gerechtfertigt, als es Dieselfahrzeuge gibt, die weit unter 6 Liter verbrauchen. Man sieht: Es gibt ziemlich große Unterschiede, je nachdem, was man vergleicht.

Während der Nutzung ist die CO2-Bilanz eines Autos mit Verbrennungsmotor drei- bis viermal so hoch wie die eines Elektroautos.

In diesem Zusammenhang muss man wissen, dass der Anteil der erneuerbaren Energien ständig zunimmt. Der für die Herstellung von Elektrofahrzeugen notwendige Strom lässt sich also immer umweltfreundlicher produzieren. Dieses Szenario ist für das Verbrennerauto nicht denkbar. Hier haben wir es in erster Linie mit fossilen Brennstoffen zu tun, die einen großen CO2-Abdruck haben.

CO2-Fußabdruck während des Lebenszyklus

Entscheidend ist letztlich, wie viel CO2 der betreffende Autotyp während seiner gesamten Lebensdauer verbraucht. 

Vergleichen wir nun einige Modelle. Über die entsprechende Webseite des LIST geht das sehr einfach. Hier der Link: www.climobil.lu

Vergleicht man beispielsweise einen Golf mit Benzinmotor mit einem Golf mit Elektroantrieb, beide Baujahr 2017 mit ähnlicher Leistung und vor dem Hintergrund des luxemburgischen Energiemixes, fällt auf, dass das Elektroauto aufgrund der energieintensiveren Herstellung zunächst eine schlechtere CO2-Bilanz aufweist. Da es dann aber während der Nutzung weniger CO2 verbraucht, überholt es den Verbrenner ab einem Kilometerstand von etwa 48.000 km. Ab diesem Zeitpunkt ist der CO2-Fußabdruck des Elektrofahrzeugs insgesamt kleiner. Geht man von einer Mindestlaufzeit von 250.000 km aus, ist der Unterschied am Ende der Lebensdauer beträchtlich.  

Vergleicht man einen BMW der 3er-Reihe mit einem Tesla Modell 3, so ist die CO2-Bilanz des Tesla ab 37.000 km besser als die des BMW. Ihr könnt die Seite über den Link climobil.lu selbst ausprobieren.

Schlussfolgerung: Betrachtet man den gesamten Lebenszyklus, verbraucht das Elektroauto also weniger CO2 als der Verbrenner.  

Allgemein lässt sich sagen, dass die CO2-Bilanz des Elektroautos je nach Vergleichsmodell und Land ab einem Kilometerstand zwischen 25.000 und 100.000 km vorteilhafter ausfällt.  

*Quellen: ADEME 2022 link: AVIS VE.pub (nextinpact.com) & climobil.lu.

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In Schweden, wo der Anteil der erneuerbaren Energien an der Stromproduktion höher liegt, überholt das Elektroauto das Verbrennerfahrzeug schon früher. In Polen, wo fossile Brennstoffe eine größere Rolle spielen, kommt dieser Zeitpunkt später.  

Insgesamt lassen sich über die Lebensdauer durch ein Elektrofahrzeug etwa 50 % CO2 einsparen.  

Das gilt für Luxemburg. In Europa liegt dieser Anteil je nach Land und Energiemix zwischen 25 und 75 %.

 

Zukünftige Trends berücksichtigen

Eine weitere wichtige Botschaft zum Abschluss: Bei einem solchen Vergleich sollte man nicht nur die aktuelle Situation berücksichtigen, sondern auch künftige Entwicklungen.  

So macht das auch die Webseite des LIST!

Der Elektromotor wird sich noch sehr stark weiterentwickeln, die Batterien werden immer effizienter und der Recyclingmarkt wächst. 

Außerdem steigt der Anteil der erneuerbaren Energien am Energiemix.  

Bei Verbrennermotoren ist hingegen nicht mehr mit großen technologischen Verbesserungen zu rechnen. Und fossile Brennstoffe ... bleiben fossile Brennstoffe.  

Anmerkung von Thomas Gibon: Natürlich können Sie auch erneuerbaren Biodiesel tanken, aber im großen Maßstab wird dieser nie den gesamten Kraftstoffbedarf decken können und nur eine untergeordnete Rolle spielen. Außerdem haben Biokraftstoffe potentielle Auswirkungen auf das Klima, die von den verwendeten Rohstoffen (Welche Pflanze? Wie oft wird geerntet? Welche Anbaumethoden?) und vor allem von den direkten und indirekten Landnutzungsänderungen abhängen.

Abschließend lässt sich sagen, dass auch Elektrofahrzeuge kein Allheilmittel sind. Will die EU ihre CO2-Emissionen jedoch wirklich senken, ist es sinnvoll, auf diesen Fahrzeugtyp zu setzen. Noch besser wäre es natürlich, wenn insgesamt einfach weniger Auto gefahren würde. Aber das ist eine andere Diskussion :) 

 

Autor : Jean-Paul Bertemes (FNR) 

Peer-Review und Quelle bzw. Überprüfung der Zahlen : Dr Thomas Gibon (LIST) 

Lektorat : Michèle Weber, Lucie Zeches, Olivier Catani 

Übersetzung: Nadia Taouil

Video : FNR & SKIN 
Grafiken: SKIN 

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