Lebenszyklusanalyse Mobilität 2030: Welcher Antrieb emittiert am wenigsten CO₂?

Batterieelektrisch, Brennstoffzelle oder Wasserstoffverbrenner? IAV hat eine Lebenszyklus-Betrachtung der CO₂-Emissionen alternativer Antriebe vorgestellt.

„Mit allen drei untersuchten Antriebsvarianten ließe sich in der Lebenszyklusanalyse der CO₂-Footprint im Verkehrssektor im Jahr 2030 deutlich reduzieren. Dabei ist ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb je nach untersuchter Fahrzeugklasse ähnlich klimafreundlich wie ein rein batterieelektrisches Mobil – und damit eine sinnvolle Ergänzung im Flottenmix“ – fasst Marc Sens, Studien- und Fachbereichsleiter bei IAV, die Ergebnisse einer Studie zusammen, die IAV derzeit beim Wiener Motorensymposium vorstellt.

Worum ging es? Für die Studie hat sein Team den anzunehmenden CO₂-Footprint in drei Fahrzeugklassen für das Jahr 2030 untersucht: mittelschweres SUV, leichtes Nutzfahrzeug und schweres Nutzfahrzeug. Je Fahrzeugklasse untersuchten die Autoren die CO₂-Äquivalente, die bei einem rein batterieelektrischen Antrieb, einer Brennstoffzelle und eines Wasserstoffverbrennungsmotors anfallen würden.

Anschließend berechneten die Studienautoren drei Szenarien: Tank-to-Wheel, Well-to-Wheel – und eine Lebenszyklusanalyse (LCA). Das heißt: der komplette Zyklus eines Fahrzeugs von der Rohstoffgewinnung über die Logistikkette, Produktion, Montage und Nutzung bis hin zum Recycling.

Details zu den Fahrzeugklassen

Der Einsatz eines Wasserstoffverbrennungsmotors kann demnach den CO₂-Fußabdruck in allen Fahrzeugklassen deutlich verkleinern. Wegen ihres geringeren Wirkungsgrads verfehlt die Technologie aber knapp die Potenziale des untersuchten Brennstoffzellenantriebs. „Da der Wasserstoffverbrennungsmotor im Vergleich zur Brennstoffzelle deutlich robuster ist und vergleichsweise schnell serienreif sein kann, ist er mehr als nur eine Brückentechnologie – für schwere Pkw und für Nutzfahrzeuge.“

Energiemix

Deutschland: Fast 50 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Quellen

Brennstoffzelle und Wasserstoffverbrennungsmotor überzeugen auch in der Gesamtkostenrechnung und sind je nach Produktionsmethode und -ort konkurrenzfähig zu rein batterieelektrischen Antrieben.

Besonders deutlich wird das Potenzial der drei Antriebstechnologien laut Sens im Kontext der aktuellen CO₂-Gesetzgebung: Danach dürfen neu in der EU zugelassene Pkw aktuell ein Durchschnittsziel von 95 g CO₂/km nicht überschreiten. Die Berechnungsmethode der EU basiert aber auf der Tank-to-Wheel Sichtweise – und lässt damit wesentliche CO₂-Quellen außen vor, etwa die Rohstoffgewinnung, Produktion und Recycling.

Doch auch in des Gesamtbetrachtung sind gute Ergebnisse möglich. Laut der Studie lassen sich mit rein batterieelektrischen und wasserstoffbasierten Antrieben und möglichst CO₂-neutralen Produktions- und Recyclingverfahren knapp über 70 g CO₂/km bei Pkws erreichen – sogar über den gesamten Lebenszyklus.

Großes Potenzial bei leichten Nutzfahrzeugen

„Auch Fahrzeugklassen wie leichte Nutzfahrzeuge haben bei LCA-Betrachtung großes Potenzial bis 2030. Dabei ist die Brennstoffzelle mit 132 beziehungsweise 117 g CO₂/km nach unserer Kalkulation dem rein batterieelektrischen Antrieb mit 139 g CO₂/km wegen der für die 500 km Zielreichweite erforderlichen Batteriegröße sogar leicht überlegen“, sagt Sens.

Für schwere Nutzfahrzeuge sind in der Lebenszyklusanalyse bei allen Antriebsvarianten ebenfalls deutliche CO₂-Einsparpotenziale vorhanden. Ungeachtet der höheren Produktionskosten und einer notwendigerweise potenteren Ladeinfrastruktur spielt der rein batterieelektrische Antrieb im Schwerlastbereich sein Potenzial über den gesamten Lebenszyklus besonders gut aus.

Kohlenstoffdioxid

CO2-Emissionen: Die falsche Bilanz

Wegen der hohen Laufleistung von Lastwagen hat die CO₂-intensive Rohstoffgewinnung für Batteriesysteme laut der Studie weit weniger Gewicht als in anderen Fahrzeugklassen. Deshalb sinkt der CO₂-Footprint des rein batterieelektrischen Antriebs in der streckenspezifischen LCA-Betrachtung im besten Fall auf 126 g CO₂/km.

„Unsere Ergebnisse zeigen bei einer ehrlichen Lebenszyklusbetrachtung das große CO₂-Einsparpotenzial von Wasserstoff- wie rein batterieelektrischen Antrieben. Die Potenziale durch eine grüne Stahlproduktion, die wir erst nach 2030 erwarten, haben wir dabei noch gar nicht berücksichtigt“, beschreibt Sens. „Klar ist aber auch: Deutlich weniger CO₂ im Verkehrssektor erreichen wir nur mit dem schnellen Ausbau der erneuerbaren Energien – für möglichst sauberen Strom und Wasserstoff; den wir in allen Lebensphasen des Fahrzeugs nutzen.“

Details zu Fahrzeugen und Szenarien

• Die für die Studie untersuchten Fahrzeugmodelle sind ein mittelschwerer SUV mit 500 Kilometern Reichweite bei 200.000 km Fahrleistung, ein Transporter mit 500 km Reichweite und 200.000 km Fahrleistung und ein 35 Tonnen schwer Lastwagen mit 800 Kilometern Reichweite und einer Million Kilometern Fahrleistung.

• Für alle Fahrzeuge analysierten die Autoren die Antriebsformen Wasserstoffverbrennungsmotor, Brennstoffzellensystem, Batteriesystem und fossiler Dieselmotor – basierend auf den bis 2030 zu erwartenden technologischen Entwicklungen. Zudem optimierten sie die Antriebsstränge auf einen niedrigen Energie- und Kraftstoffverbrauch, also auf möglichst hohe Effizienz.

• Die Autoren kalkulieren, dass Rohstoffgewinnung und Zellfertigung weiterhin im Ausland und mit dem dort jeweils vorhandenen Energiemix stattfinden. Produktionsschritte wie Rohstoffbearbeitung und Batterie-Packaging, die Fahrzeugfertigung und das Recycling werden angenommen in Deutschland zu erfolgen.

• Die in Deutschland produzierte elektrische Energie wird aus erneuerbaren Quellen gewonnen und hat gemäß UBA (Rescue-Studie „Ee1“-Szenario) eine Intensität von 24 g CO₂-Äquivalent pro Kilowattstunde auf. Für alle weiteren Energieformen in Produktion und Entwicklung nahmen die Autoren den für Deutschland im Jahr 2030 erwarteten Energiemix an.

• Basierend auf Daten des UBA zu Stromerzeugungspfaden kalkulierten die Autoren für den getankten Strom zwei Szenarien: Strom aus erneuerbaren Quellen (UBA: 24 g CO₂ e/kWh) und Strom auf Basis des zu erwartenden Energiemix im Jahr 2030 (UBA: 220 g CO₂ e/kWh)

Woher kommt der Wasserstoff?

Für die Wasserstoffgewinnung verglichen die Autoren die Verfahren Elektrolyse, Methanpyrolyse und Dampfreformation mit und ohne Carbon Capture und Storage. Für alle Verfahren der H₂-Produktion veranschlagten sie die beiden Stromszenarien gemäß UBA-Datenbasis mit 24 g CO₂ e/kWh (erneuerbar) und 220 g CO₂ e/kWh (Energiemix 2030).

Außerdem untersuchten die Studienautoren eine aus vollständig regenerativen Energiequellen produzierte und nach Deutschland importierte Wasserstoffvariante, konkret einen möglichen Import von Wasserstoff aus der MENA Region (Mittlerer Osten und Nordafrika).

Alternative Energieträger

Grüner Wasserstoff – Chance für Automobilzulieferer

Da vor allem im Transportsektor die spezifischen Transportkosten entscheidend sind, führten Sens und sein Team abschließend eine sogenannte Gesamtkostenrechnung für die Fahrzeugbeschaffung und dessen Betrieb aus Nutzersicht durch.

Wie wurde berechnet?

Für ihre Berechnungen nutzten die Autoren „Ga Bi“, die führende Ökobilanz-Software im Automotive Bereich. Zusätzlich nutzten sie Daten des Umweltbundesamts, etwa für die prognostizierte CO₂-Intensität des deutschen Strommix in 2030. Sens und sein Team berücksichtigten dabei auch die Entwicklung in der Automobilindustrie hin zu einer CO₂-neutralen Produktion und die verstärkte Fertigung von Batteriesystemen in Deutschland.

Matthias Kratzsch, Vorsitzender der Geschäftsführung von IAV: „Aus unserer Sicht konzentriert sich die öffentliche und politische Debatte zu oft auf das rein batterieelektrische Fahrzeug, während die gängige Tank-to-Wheel-Sichtweise wesentliche CO₂-Verursacher vernachlässigt. Mit unserer Studie wollen wir die Diskussion erweitern, in dem wir unter Lebenszyklus-Betrachtung nicht nur die CO₂-Einsparpotenziale von E-Antrieben, sondern auch von Brennstoffzellen-Systemen und Wasserstoffverbrennungsmotoren bewerten und einordnen.“

Die vollständige Studie stellt IAV auf seiner Webseite zum Download bereit.

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