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Energiebelastung So viel Müll machen Elektroautos

Elektroautos sollen die emissionsfreie und umweltfreundliche Mobilität der Zukunft bieten. Doch es kommt darauf an, woraus sie gebaut sind – und womit sie angetrieben werden. Sonst werden sie zu Sondermüll-Schleudern.

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So wird der BMW i3 produziert
BMW i3 startet in die Serienproduktion: Ab heute rollen am Standort Leipzig die Produktionsbänder für den Elektro-Kleinwagen i3 an. Das Produktionsnetz für BMWs i-Modelle umfasst außerdem Standorte in Moses Lake (Washington, USA), Wackersdorf, Landshut und Dingolfing, an denen die wesentlichen Komponenten für den BMW i3 hergestellt werden. Für die i3-Fertigung wurde allein das Leipziger Werk für rund 400 Millionen Euro erweitert und 800 neue Arbeitsplätze geschaffen. Quelle: Presse
Erfolgsrezept des i3 soll ein "ganzheitlicher" Entwicklungsansatz, etwa zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs sein. So besteht beispielsweise die gesamte Außenhaut des i3 aus einem carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK), der erstmalig in der Automobilindustrie in Großserie verwendet wird und den Elektroflitzer zum absoluten Leichtgewicht macht. Durch Verwendung der ultraleichten Kohlefaser kann das Mehrgewicht der Batterie für den elektrischen Antrieb kompensiert werden. Quelle: Presse
Der Elektroantrieb und der Energiespeicher des i3 werden ebenfalls im Produktionsnetzwerk der BMW Group entwickelt und im Werk Landshut bzw. Dingolfing produziert. Quelle: Presse
Der Motor des BMW i3 verfügt über eine Leistung von 125 kW/170 PS, der Lithium-Ionen-Hochvoltspeicher über eine Reichweite von 130 bis 160 Kilometern. Maximal rennt der i3 elektronisch begrenzte 150 km/h - in erster Linie aus Stromspargründen. Gegen Aufpreis übernimmt ein kleiner Verbrennungsmotor die Funktion eines Range Extenders. Mit dem Benziner kann die Reichweite auf bis zu 300 Kilometer ausgedehnt werden. Quelle: Presse
Die "Hochzeit": In der Montagehalle erhält der i3 alle kundenspezifischen Ausstattungswünsche, bevor die ultraleichte CFK-Fahrgastzelle mit dem Elektromotor des i3 eine Verbindung fürs Leben eingehen. Die Außenhülle aus Kohlefaser wird dazu mit der Aluminium-Chassis des Motors verklebt und verschraubt statt verschweißt. Quelle: Presse
Bislang galt Karbon eher als ungeeignet für Großserien, da es teuer und schwer zu verarbeiten ist. BMW wagt nun erstmals die Serienproduktion mit dem Wunderstoff. Nach ersten Erfahrungen liegt die Produktionszeit des i3 deutlich unter der bisheriger Serienmodelle, da sich Karbon deutlich leichter lackieren lässt und nur geklebt statt geschweißt werden muss. Diese Zeitersparnis im Fertigungsprozess macht den Einsatz von Karbon im Automobilbau letztlich wirtschaftlich. Quelle: Presse
Das Finish: Neben der Fertigung des Elektrofahrzeuges laufen in Leipzig auch Modelle mit Verbrennungsmotor vom Band. Quelle: Presse

Langsam, aber stetig schließt sich die Schrottpresse über dem Dach des alten Autos. Bevor der Stahl unter dem tonnenschweren Druck der Presse mit einem metallischen Knacken nachgibt, wurden noch brauchbare Ersatzteile ausgeschlachtet und umweltschädliche Reste von Öl oder Bremsflüssigkeit entfernt. Nach wenigen Sekunden ist von dem einstmals stolzen Mittelklasse-Wagen nur noch ein kniehoher Würfel aus gepresstem Altmetall übrig. Dieser wandert dann in den nächsten Hochofen und wird eingeschmolzen – um dann etwa in einer Bahnschiene zu landen.

So einfach wird es in Zukunft nicht mehr sein.

Wer seinen heute erstandenen BMW i3 in einigen Jahren aus dem Verkehr ziehen will, kann nicht mehr zum nächstgelegenen Schrottplatz fahren. Für die Deponie wäre ein i3 viel zu schade, da in ihm viele seltene und teure Materialien stecken – und eine simple Entsorgung dem ökologischen Grundgedanken der Wiederverwertung widerspricht. Das Recycling mit Presse und Hochofen mag bei Autos aus Stahl mit Verbrennungsmotoren funktionieren und das auch relativ umweltverträglich. Doch fossile Kraftstoffe werden immer knapper, die Zukunft gehört Fahrzeugen, die mit Strom angetrieben werden. Und die brauchen, sofern sie nicht per Brennstoffzelle ihren eigenen Strom erzeugen, eine Batterie. Und genau da liegt das Problem.

Ein Elektroauto klingt zunächst sauber und umweltfreundlich – wie man sich eine nachhaltige Mobilität eben vorstellt. Dem emissionsfreien und lautlosen Fahren durch die Innenstädte gehört die Zukunft. Aber nur, wenn der Rahmen stimmt: Zur gesamten Umweltbilanz gehört nicht nur das lokale Fahren ohne Abgase, sondern auch die nötige Energie, um das Auto herzustellen, zu fahren und später zu recyceln. „Absolut gesehen liegt die Klimawirkung eines Elektrofahrzeugs bei heutigem Strommix in etwa auf dem Niveau eines vergleichbar effizienten Dieselfahrzeugs“, sagt Julius Jöhrens vom Institut für Energie- und Umweltforschung (IFEU) in Heidelberg. Davon entfallen rund zwei Drittel auf den zum Fahren benötigten Strom. Der Rest wird für die im Vergleich zu konventionellen Autos aufwändigere Produktion fällig, allen voran aufwändige Leichtbau-Materialien wie Carbon oder leistungsstarke Batterien.

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Lithium ist nicht gleich Lithium

Das IFEU untersucht seit längerem die Umweltverträglichkeit von Elektroautos. Ein Ergebnis von Diplom-Physiker Jöhrens und seinem Studienpartner Hinrich Helms: Die Herstellung eines Elektroautos gewinnt gegenüber konventionellen Fahrzeugen aus Umweltsicht an Bedeutung. „Vor allem die in den Batterien verwendeten Metalle sind bei ihrer Gewinnung und Verarbeitung mit Treibhausgas- und Schadstoffemissionen verbunden“, sagt Jöhrens. „Deshalb und auch aus ökonomischen Gründen ist es wichtig, baldmöglichst effiziente Recyclingverfahren für ausgediente Batterien zu entwickeln und zu etablieren.“

Das sieht auch das Bundesumweltministerium so und fördert unter anderem das bis 2016 datierte Projekt „LithoRec II“, in dem Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Batterien im großen Maßstab entwickelt werden sollen. Der Ansatz: Ein ressourceneffizientes Mobilitätskonzept ist erst mit einem integrierten Recycling der verwendeten Rohstoffe vollständig. Im Falle der Batterien für Elektroautos sind das laut einer IFEU-Studie insbesondere Lithium, Nickel, Kupfer, Aluminium und Kobalt. Dabei ist Lithium nicht gleich Lithium: Einige Lithium-Verbindungen haben deutlich größere Umweltwirkungen als andere – und müssen entsprechend entsorgt werden.

Aus einer ersten Phase des LithoRec-Projekts ist im Jahr 2011 eine Pilotanlage zum Batterierecycling hervorgegangen, die von dem Projektpartner Rockwood Lithium betrieben wird. Rockwood gehört zu den größten Herstellern von Lithiumverbindungen. Dass das Geschäft mit dem wichtigen Alkalimetall Zukunft hat, zeigt auch das Übernahmeangebot des Chemiekonzerns Albemarle: Er will den Lithium-Spezialisten für insgesamt 6,2 Milliarden Dollar übernehmen.

Noch gibt es zu wenige „verbrauchte“ Batterien

Noch gebe es die üblichen Anlaufschwierigkeiten bei der Anlage im niedersächsischen Langelsheim, sagt Rainer Aul, Leiter Recycling und Ressourcen bei der deutschen Tochter von Rockwood. Die Prozesse müssten weiter optimiert werden. Ein weiteres Problem: Heute stammen ausgediente Lithium-Ionen-Batterien meist aus Smartphones und Laptops, die bedeutend größeren Zellen aus Elektroautos sind noch selten.

Sind die „verbrauchten“ Elektroauto-Batterien irgendwann vorhanden, zeigt sich Aul optimistisch. Die Ladekapazität könne zwar aufgrund der elektrochemischen Prozesse mit der Zeit abnehmen. „Nach Jahren des Einsatzes kann die Kathode als solche beschädigt sein, die in ihr verbauten Materialien wie Lithium, Kobalt oder Nickel werden aber nicht verbraucht“, sagt der Recycling-Manager.

„Aus dem Kathodenmaterial von Lithium-Ionen-Akkus können wir das Lithium in so hoher Qualität wiedergewinnen, dass es wieder in neuen Batteriematerialien verwendet werden kann. Das gilt im Prinzip auch für Nickel- und Kobaltsalze.“ Diese beiden Rohstoffe hält Wissenschaftler Jöhrens für wichtiger als das Lithium selbst. „Nach unserer ersten Einschätzung stehen beim Recycling vor allem Nickel und Kobalt – und erst nachrangig Lithium – im Fokus“, so Jöhrens. „Die Praxis hängt dann stark vom Marktpreis ab.“

Entscheidend für die ökonomische Rentabilität des Recyclings ist auch die Batterie-Technologie selbst. „Der Kernpunkt ist: Wir haben heute keine Batterie, die durch ihr besonders gutes Preis-Leistungs-Verhältnis zu einem Selbstläufer geworden ist. Der Markt ist noch nicht verteilt“, weiß Auto-Analyst Frank Biller von der LBBW.

„Second Life“ statt Recycling

Neben den heutigen Akkus mit Nickel und Kobalt ist es möglich, dass künftig Akkus auf Basis von Lithium-Mangan oder Lithium-Eisenphosphat bei Energiedichte (und damit Größe und Gewicht) sowie dem Preis das Rennen machen. „Die Technologie von Lithium-Batterien ist breit und vielfältig. Das macht natürlich auch die Prozesse für das Recycling schwieriger, da sie an die jeweilige Materialzusammensetzung angepasst werden müssen“, sagt Aul.

An einer Alternative zum Batterie-Recycling arbeitet das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Hier untersuchen die Forscher, wie ausgediente E-Auto-Batterien in stationären Pufferspeichern, etwa für Solar- oder Windkraftanlagen, verwendet werden können.

Daten und Fakten zum BMW i3

Hintergrund: Wenn eine Batterie nach mehreren Jahren für den Einsatz im Auto nicht mehr „gut“ genug ist, verfügt sie immer noch über 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität. Was nicht mehr für alltagstaugliche Reichweiten genügt, kann dennoch anderswo im „Second Life“ weiter verwendet werden. Hierzu braucht es allerdings Standards bei den Batterien, und das ist noch nicht in Sicht.

Die in den Batterien verwendeten Materialien sind nicht die einzigen Rohstoffe, die bei Elektroautos wichtiger werden als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. „Der Kupferbedarf für Kabel und Motorwicklungen spielt künftig eine Rolle“, sagt Umweltforscher Jöhrens. Genauere Zahlen gibt es aktuell nicht, entsprechende Forschungsprojekte laufen noch. „Der größte Teil geht aber auf die Batterie zurück. Ein größerer Unsicherheitsfaktor ist derzeit noch die reale Lebensdauer der Batterie. Sollte es notwendig sein, sie während der Lebensdauer des Fahrzeugs auszutauschen, verschlechtert dies die Bilanz.“

Entscheidend ist der Strom

Insgesamt macht die Herstellung eines Elektroautos trotz eingesetzter Schadstoffe nur rund ein Drittel seiner Klimawirkung aus. Auch die Entsorgung trägt nur einen geringen Anteil bei, kann allerdings hohe Schadstoffemissionen verursachen, wenn sie nicht fachgerecht durchgeführt wird. Der größte Teil fällt nach wie vor während des Betriebs an – durch den „getankten“ Strom. Die Lösung liegt auf der Hand: „Wird tatsächlich ausschließlich erneuerbarer Strom eingesetzt, lassen sich die Emissionen durch die Strombereitstellung auf wenige Prozent der Gesamtbilanz senken. Trotz höherer Emissionen bei der Fahrzeugherstellung liegen die Emissionen über den gesamten Lebensweg dann um ein Mehrfaches unter denen konventioneller Fahrzeuge.“

In Arbeit
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Doch nicht nur in den Antriebseinheiten stecken bei modernen Elektroautos hochwertige und teure Materialien, sondern auch im Auto selbst. So besteht etwa die Karosserie des BMW i3 aus sehr leichten kohlefaserverstärkten Kunststoffen. Mit den modernen Leichtbau-Fasern kann zwar ein Teil des Gewichts der schweren Batterien kompensiert werden, die Carbon-Teile sind aber energieintensiv in der Herstellung.

Die gewebten Matten aus Kohlefasern werden in der Produktion mit einem Epoxid-Harz getränkt und dann in einer Art überdimensionalen Ofen unter hohem Druck „gebacken“. Das alles kostet Strom, der aus erneuerbaren Energien stammen sollte – sonst vergeigt das wieder die Umweltbilanz. Doch das ist in weiter Ferne. Laut Zahlen des Umweltbundesamtes ist der CO2-Ausstoß pro Kilowattstunde (kWh) seit 2010 wieder von 559 Gramm auf im vergangenen Jahr 595 Gramm gestiegen.

Auch Carbon ist schwer zu recyceln

Ein weiterer Nachteil: Solche Kohlefaserteile sind oft sehr groß, beim i3 besteht der gesamte Rahmen der Fahrgastzelle aus einem einzigen Bauteil. Da beschädigte Kohlefaserteile allerdings nicht so einfach repariert werden können wie an einem Auto aus Stahl oder Aluminium, wandern bei einer kleinen Beschädigung gleich ganze Bauteile auf den Schrott – aber eben nicht in die Presse.

Das Recycling von Kohlefasern steckt – ähnlich wie bei den Lithium-Ionen-Akkus – noch in den Kinderschuhen. Bislang werden CFK-Abfälle meist unwiederbringlich verbrannt. Seit 2011 betreibt die Karl Meyer AG in Stade bei Hamburg eine Anlage zum Recycling von Kohlefasern. Das hier verwendete Material stammt größtenteils aus dem Airbus-Werk in Hamburg-Finkenwerder.

Die Herausforderungen beim CFK-Recycling liegen in der Freilegung der Fasern, ohne diese zu schädigen. Die hier wiedergewonnenen Carbon-Kurzfasern kommen den ursprünglichen Eigenschaften zwar nahe, eignen sich allerdings nicht mehr für Kohlefaser-Matten in Verbundwerkstoffen. Sie können etwa in der Kunststoffindustrie verwendet werden.

Die Schrottpresse mag Hightech-Produkten wie dem i3 zwar erspart bleiben. Im Sinne des ganzheitlichen Kreislaufs ist allerdings noch viel Entwicklungsarbeit nötig, damit möglichst wenige seiner Bauteile wirklich ein Fall für den Sondermüll sind.

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