Elektrofahrzeuge: Wohin die Energie tatsächlich geht
Die Auseinandersetzung über Elektrofahrzeuge wird meist über Reichweite, Laden und Rohstoffabbau geführt, und das sind reale Themen. Der Grund, warum der Wandel überhaupt stattfand, ist aber eine Zahl, die in der Diskussion selten auftaucht: Der Verbrennungsmotor wirft vier Fünftel seines Kraftstoffs weg, und ein Elektromotor tut das nicht.
Der Wirkungsgradabstand
Ein Benzinmotor ist eine Wärmekraftmaschine und unterliegt damit dem Carnot-Zusammenhang zwischen Verbrennungs- und Abgastemperatur. Praktisch wandelt ein moderner Motor unter günstigen Bedingungen 20 bis 30 Prozent der Kraftstoffenergie in Arbeit an der Kurbelwelle und deutlich weniger im Stadtverkehr, wo er im Leerlauf steht und fern seines günstigen Betriebspunkts läuft. Der Rest geht als Abgas- und Kühlerwärme fort.
Ein Elektromotor ist keine Wärmekraftmaschine. Er wandelt elektrische Energie über Magnetfelder in Drehbewegung, und moderne Permanentmagnet- und Asynchronmotoren erreichen über den größten Teil ihres Drehzahlbereichs 90 bis 95 Prozent. Rechnet man Wechselrichterverluste, Lade- und Entladeverluste der Batterie und Getriebeverluste hinzu, erreichen rund 77 Prozent der aus der Steckdose gezogenen Energie die Räder.
Zwei weitere Unterschiede verstärken sich im Stadtverkehr. Ein Elektromotor liefert volles Drehmoment aus dem Stand und verbraucht im Stehen nichts, es gibt also keinen Leerlaufverlust. Und die Rekuperation betreibt den Motor beim Verzögern rückwärts als Generator und holt 60 bis 70 Prozent der Bewegungsenergie zurück, die eine Reibbremse in Wärme verwandelt hätte. Ein Verbrenner verwirft davon alles.
Der ehrliche Gegeneinwand ist der vorgelagerte. Kommt der Strom aus einem Kohlekraftwerk mit 37 Prozent, sinkt der Wert von der Quelle bis zum Rad erheblich. Auch dann schneiden Elektrofahrzeuge in den meisten Analysen besser ab, denn die 37 Prozent des Kohlekraftwerks schlagen die 20 des Motors immer noch - und der Vorsprung wächst mit jedem Jahr, in dem das Netz sauberer wird. Das ist der strukturelle Punkt: Ein Elektrofahrzeug wird im Stehen sauberer, ein Verbrenner nicht.
Was tatsächlich in der Batterie steckt
Eine Lithium-Ionen-Zelle speichert Energie, indem sie Lithiumionen zwischen einer Graphitanode und einer Metalloxidkathode bewegt. Die Kathodenchemie ist das, worauf die verschiedenen Namen verweisen, und sie legt die Abwägungen fest.
Nickel-Mangan-Kobalt und Nickel-Kobalt-Aluminium bieten die höchste Energiedichte, 250 bis 300 Wattstunden je Kilogramm auf Zellebene, und kaufen damit Reichweite. Sie brauchen zugleich Kobalt, großenteils aus der Demokratischen Republik Kongo, wo im Kleinbergbau Kinderarbeit und Sicherheitsprobleme dokumentiert sind. Hersteller haben den Kobaltanteil deshalb ebenso aus diesem Grund wie aus Kostengründen fortlaufend gesenkt.
Lithium-Eisenphosphat hat seit etwa 2020 einen großen Produktionsanteil übernommen. Es trägt 150 bis 200 Wattstunden je Kilogramm, gibt also bei gleicher Masse weniger Reichweite, kommt aber ohne Kobalt und Nickel aus, übersteht zwei- bis viermal so viele Ladezyklen, ist gegen thermisches Durchgehen deutlich widerstandsfähiger und kostet weniger. Bei einem Fahrzeug mit typischerweise kurzen Wegen bindet der Dichteabschlag selten.
Natrium-Ionen-Zellen gingen Mitte der 2020er Jahre in Serie und tauschen weitere Dichte gegen überall reichlich verfügbare Rohstoffe und gegen Kälteverhalten, mit dem Lithiumchemien ringen. Feststoffzellen, die den flüssigen Elektrolyten durch einen festen ersetzen, versprechen höhere Dichte und bessere Sicherheit und stehen länger kurz vor der Serie, als ihren Befürwortern lieb ist.
Die Alterung fällt besser aus als frühe Befürchtungen. Flottendaten zeigen typischerweise rund 90 Prozent Restkapazität nach 200.000 Kilometern, und Garantien über acht Jahre oder 160.000 Kilometer sind Standard geworden. Das Recycling gewinnt in kommerziellen Anlagen heute mehr als 95 Prozent von Nickel, Kobalt und Kupfer zurück, wobei die Mengen klein bleiben, weil erst wenige Fahrzeuge das Lebensende erreicht haben.
Die Kohlenstoffschuld
Eine Batterie zu bauen setzt Kohlendioxid frei - zwischen 60 und 100 Kilogramm je Kilowattstunde Kapazität, je nach dem in der Fabrik genutzten Strom. Ein Paket mit 75 Kilowattstunden startet damit mit einer Schuld von rund 5 bis 7 Tonnen, weshalb ein Elektrofahrzeug den Ausstellungsraum mit einem größeren Fußabdruck verlässt als ein vergleichbarer Benziner.
Diese Schuld zahlt es dann im Betrieb zurück. Die Ausgleichsstrecke hängt fast vollständig am Netz: rund 15.000 Kilometer in einem Land mit Wasser- und Kernkraft, 30.000 bis 40.000 an einem europäischen Durchschnittsnetz und deutlich mehr, wo die Erzeugung kohlelastig ist. Gegen eine typische Fahrzeuglebensdauer von 200.000 Kilometern und mehr ist die Schuld in jedem von gängigen Lebenszyklusstudien untersuchten Fall früh getilgt.
Zwei Entwicklungen verbessern die Rechnung von selbst. Batteriefabriken entstehen zunehmend neben günstiger sauberer Energie, was die Fertigungsemissionen unmittelbar senkt. Und Netze werden über die Fahrzeuglebensdauer sauberer, sodass dasselbe Auto 2035 sauberer lädt als 2025, ohne dass daran etwas geändert wurde.
Die Rohstofffrage ist real und von der Kohlenstofffrage getrennt. Die Lithiumgewinnung verbraucht große Wassermengen in Trockenregionen der Atacama, der Nickelabbau hat in Indonesien Entwaldung verursacht, und Kobalt trägt die genannten Arbeitsprobleme. Das sind berechtigte Einwände dazu, wie Material gewonnen wird, und sie betreffen einen einmaligen Bestand, der danach im Kreis geführt wird, statt eines Brennstoffs, der fortwährend gefördert werden muss.
Was eine Flotte mit dem Netz macht
Eine nationale Pkw-Flotte zu elektrifizieren erhöht den Strombedarf um rund 20 bis 30 Prozent. Das klingt beunruhigend und ist beherrschbar, denn der Zeitpunkt ist nahezu vollständig flexibel. Ein Auto steht rund 95 Prozent der Zeit und braucht typischerweise nur wenige Stunden Ladung je Woche.
Diese Flexibilität ist mehr wert, als der Mehrbedarf kostet. Ladung, die sich in windige Nächte oder sonnige Mittagsstunden verschiebt, nimmt Erzeugung auf, die sonst abgeregelt würde, und gesteuerte Ladeprogramme gehören bereits zu den größten verfügbaren Quellen verbrauchsseitiger Flexibilität. Ungesteuertes Laden tut das Gegenteil: Steckt jeder um 18 Uhr bei der Heimkehr ein, landet die Flotte genau auf der bestehenden Abendspitze.
Rückspeisung aus dem Fahrzeug geht weiter und lässt Autos wieder abgeben. Eine Flotte von einer Million Fahrzeugen mit 60-Kilowattstunden-Paketen hält 60 Gigawattstunden, vergleichbar mit sämtlichen Netzbatterien mehrerer Länder zusammen. Der kommerzielle Einsatz bleibt durch Normen, Garantiebedingungen und die Frage begrenzt, wer die zusätzlichen Zyklen bezahlt, aber die physische Ressource ist unbestreitbar vorhanden.
Die eigentliche Beschränkung liegt im örtlichen Netz. Die nationale Erzeugung kommt zurecht; ein 1975 für Beleuchtung und einen Wasserkocher ausgelegter Wohnstraßen-Transformator womöglich nicht, wenn sechs Autos mit 11 Kilowatt laden. Das ist dasselbe Verstärkungsproblem, das dezentrale Photovoltaik von der anderen Seite erzeugt, und deshalb ist die Elektrifizierung von Verkehr und Wärme praktisch eine Frage des Verteilnetzes und nicht der Erzeugung.
Häufige Fragen
Wie viel effizienter ist ein Elektroauto?
Rund 77 Prozent der aus der Steckdose gezogenen Energie erreichen die Räder, gegenüber etwa 20 Prozent der Energie im Benzintank. Der Abstand kommt daher, dass der Verbrennungsmotor eine von Carnot begrenzte Wärmekraftmaschine ist, aus Leerlaufverlusten, und daraus, dass Reibbremsen Bewegungsenergie verwerfen, die ein Elektroauto zurückholt.
Sind Elektrofahrzeuge angesichts der Batteriefertigung tatsächlich sauberer?
Ja, ab einer Ausgleichsstrecke. Eine Batterie zu bauen setzt 60 bis 100 Kilogramm Kohlendioxid je Kilowattstunde frei, ein 75-Kilowattstunden-Paket startet also mit 5 bis 7 Tonnen Schuld. Sie ist nach rund 15.000 Kilometern an einem sauberen Netz und 30.000 bis 40.000 an einem europäischen Durchschnittsnetz getilgt, bei 200.000 und mehr Kilometern Lebensdauer.
Was unterscheidet LFP- von NMC-Batterien?
Lithium-Eisenphosphat hält 150 bis 200 Wattstunden je Kilogramm, Nickel-Mangan-Kobalt 250 bis 300, NMC gibt also bei gleicher Masse mehr Reichweite. LFP kommt ohne Kobalt und Nickel aus, hält zwei- bis viermal so viele Zyklen, ist gegen thermisches Durchgehen widerstandsfähiger und kostet weniger, weshalb es einen großen Produktionsanteil übernommen hat.
Überlasten Elektrofahrzeuge das Netz?
Die nationale Erzeugung verkraftet den Mehrbedarf von 20 bis 30 Prozent, denn Autos stehen 95 Prozent der Zeit und die Ladung lässt sich verschieben. Die bindende Beschränkung ist örtlich: Vor Jahrzehnten für Beleuchtung ausgelegte Verteiltransformatoren brauchen womöglich Verstärkung. Gesteuertes Laden macht aus der Flotte Flexibilität statt eines Problems.
Wie lange halten Batterien in Elektrofahrzeugen?
Flottendaten zeigen rund 90 Prozent Restkapazität nach 200.000 Kilometern, und Garantien über acht Jahre oder 160.000 Kilometer sind Standard. Die Alterung verläuft deutlich langsamer als frühe Schätzungen nahelegten, und Lithium-Eisenphosphat-Zellen vertragen zwei- bis viermal so viele Zyklen wie Nickelchemien.
