An der letztjährigen Klimakonferenz in Glasgow haben über 100 Staaten, Städte und Industriegruppen vereinbart, dass alle Autos und Lastwagen in führenden Märkten bis 2035 „emissionsfrei” zu sein hätten. In der Fussnote wird dann spezifiziert, dass sich „emissionsfrei“ auf das Auspuffrohr beziehe, nicht aber auf sämtliche Elemente des Auto-Lebenszyklus. 

Einführung

Auch die Europäische Union sieht vor, ab 2035 keine Autos mehr mit Verbrennungsmotor zuzulassen. Eine solche Entscheidung hat weitreichende Konsequenzen, sowohl für die Autoindustrie selbst aber auch für den Rohstoffsektor. Eine solch konsequenzenreiche Zielsetzung müsste sich ohne Zweifel auf seriöse Machbarkeitsstudien stützen wie

1. Schätzung des Rohstoffbedarfs für die Herstellung der E-Autos inklusive Batterien
2. Schätzung der Energieaufwendungen über die gesamte Herstellungs- und Lieferkette aller Werkstoffe (Herstellung, Unterhalt, Recycling, Entsorgung und Endlagerung der toxischen Materialien inkl. der dabei anfallenden CO2-Emissionen)
3. Berücksichtigung des zum Laden der Batterien eingesetzten Ladestroms (Kohle, Gas, Wind, Sonnenenergie etc.)

Solch gründliche Machbarkeitsstudien fehlen allerdings vollständig. Einzelne Studien kommen zu sich widersprechenden Schlussfolgerungen. Bemerkenswert ist, dass beim Thema Batterieherstellung die aktuellste Studie – verglichen mit früheren Berechnungen – von erheblich höheren CO2-Emissionen ausgeht. Danach entspricht der geschätzte Stromverbrauch demjenigen eines Tesla 3 während der gesamten Betriebsdauer von 160’000 km. 

Mr. Akio Toyoda, CEO des grössten Automobilherstellers Toyota, zweifelt ausdrücklich an der Klimaneutralität von E-Autos. Er soll gesagt haben: “E-Autos verursachen das Doppelte an CO2-Emissionen im Vergleich zu Benzinern”. Natürlich produziert auch Toyota E-Autos, wenn der Markt das verlangt und die Subventionen fliessen. Toyota hat aber auch neue Studien über diese Fragen in Aussicht gestellt.

In mehreren Beiträgen im C-C-Netzwerk hat Kai Ruhsert die korrekte Berechnungsmethode der CO2-Emissionen bei der Elektro-Mobilität detailliert aufgezeigt. Allen Einzelheiten auf Grund zu gehen ist allerdings sehr aufwendig. Die üblichen Berechnungsmethoden sind da weniger gründlich. Sie kümmern sie sich z.B. nicht um die Herkunft des Stroms zur Zeit der Batterie-Ladung, ob etwa fossiler Strom eingesetzt wird. Vergleichbare Überlegungen macht auch Markus Saurer in seinem Artikel in der Zeitung “Finanz und Wirtschaft“ unter dem Titel “Wenn E-Autos CO2 ausstossen“.

In diesem Artikel möchte ich zwei Themen im Zusammenhang mit der Produktion von E-Autos näher betrachten:

• der enorme Rohstoffverbrauch, der zur Herstellung von E-Autos und der Batterien notwendig ist, mit entsprechend hohem CO2-Fussabdruck
• die stark gestiegenen Rohstoffpreise infolge des Green Deal (Energiewende)

Die Herstellung von E-Autos erfordert grosse Menge metallischer Werkstoffe

Schwachstelle der E-Autos ist die geringe Energiedichte der Batterien. Zum Vergleich: 1 Kilo Diesel erzeugt durch Verbrennung 12 kWh (Primärenergie = chemische Energie). 1 Kilo einer mit Strom geladener Batterie erzeugt 0,12 kWh Sekundärenergie. Direkt kann man diese Zahlen nicht vergleichen. Durch Berücksichtigung des unterschiedlichen Wirkungsgrades zur Erzeugung der Traktionskraft an den Rädern erhält man aber als Resultat, dass die Energiedichte von Verbrennungsmotoren rund 20-mal grösser ist als bei Auto-Batterien. 

Die International Energy Agency (IEA) hat im Mai 2021 den Bericht “The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transition” veröffentlicht, in dem sie die grosse Menge benötigter Rohstoffe bei der Produktion von E-Autos aufzählt. Dazu gehören: Kupfer, Aluminium, Lithium, Nickel, Graphit, Kobalt und seltene Erden. Geht man von den ambitiösen Zielen der Klimapolitik aus, dann müsste bis 2040 die Gewinnung von Lithium um 4200 %, von Nickel um 1900 % und von den Seltenen Erden um 700 % erhöht werden. Diese Zahlen scheinen aber die IEA nicht zu erschrecken. Der IEA–Direktor behauptete bei der Präsentation der Studie:  “Die Herausforderungen sind nicht unüberwindbar, falls wir jetzt handeln, können wir Disruptionen bei der Rohstofflieferung vermeiden…“

Vielleicht lässt sich diese merkwürdige Stellungnahme damit erklären, dass es sich bei der IEA um eine politische und nicht um eine wissenschaftliche Organisation handelt.

Die nachfolgende Tabelle vergleicht den Werkstoffverbrauch eines Tesla 3 mit demjenigen eines Autos mit Benzin- oder Dieselmotor. Die Unterschiede sind eklatant:

Kg pro Auto	Kupfer	Lithium	Nickel	Mangan	Kobalt	Graphit	Seltene Erden (Nd und Pr)
E-Auto	53 bis 81	10	39.9	24.5	13.3	66.3	1.67
Benziner/ Diesel	22.3	0	0	0	0	0	0

Die Gewinnung der Werkstoffe für die Elektromobilität hat schwerwiegende Auswirkungen insbesondere auch auf die Biodiversität. Hier nur einige Beispiele:

Die Herstellung einer 500 kg schweren Autobatterie erfordert den Abbau, den Transport und die Bearbeitung von mehr als 225 Tonnen Rohmaterial. Verglichen damit benötigt ein Verbrennungsmotor, während einer 10-jährigen Betriebsdauer nur 11 Tonnen Erdöl, bei dessen Gewinnung Wasserversorgung, Lebensraum, Natur und Biodiversität kaum beeinflusst werden. Der Abbau der für die Produktion von Batterien notwendigen Rohstoffe erfordert viele Tonnen Wasser. Beispielsweise braucht es für 1 kg Lithium 2000 Liter Wasser.  Lithium als Rohstoff wird dann in Aufbereitungsanlagen raffiniert, um eine Reinheit von 99,9 % zu erreichen. Dies erfolgt meistens in China; dazu werden viele giftige Säuren eingesetzt. Europa hat keine solchen Aufbereitungsanlagen. Weltweit sind rund 80 solcher Aufbereitungsanlagen erforderlich.

Verglichen mit dem Benziner, benötigen E-Autos rund die doppelte Menge an Kupfer. 

Um eine Tonne Kupfer zu erhalten, müssen 200 Tonnen Gestein abgebaut, transportiert, zermahlen und verarbeitet werden. Zu berücksichtigen ist dabei, dass der Kupfergehalt der Minen in den letzten 30 Jahren von rund 1 % auf 0,55 % abgenommen hat. Der Energieaufwand bei der Kupfergewinnung hat sich deswegen fast verdoppelt.

Um eine Tonne Kobalt zu erhalten, müssen 1500 Tonnen Rohmaterial abgebaut werden. Ähnlich sieht es bei den seltenen Erden aus: für eine Tonne Neodym (Nd) oder Praseodym (Pr) werden 1000 Tonnen Erze benötigt. 

Für einen Bergbauingenieur sind solche Zahlen keine Überraschung, fraglich ist aber, ob sie der Öffentlichkeit bewusst sind. 

Weitere Fragezeichen ergeben sich, wenn man die weltweiten Reserven dieser Rohstoffe einkalkuliert. Würde man die aktuelle jährliche Produktion von Personenwagen, Lieferwagen und Lastwagen auf «emissionsfrei» mit Batterien umstellen, wären jährlich 1,4 Millionen Tonnen Lithium notwendig. Die Lithiumreserven wären so in etwa 10 Jahren verbraucht. Beachtet man zudem, dass Lithium bereits heute für viele industrielle Anwendungen notwendig und zudem als Stromspeicher der intermittierenden Sonnen- und Windenergien unerlässlich sind, stellt sich die Frage, ob dies eine langfristige nachhaltige Lösung sein kann. Zu bedenken ist schliesslich, dass für die Erschliessung neuer Lithiumminen mindestens 10 -15 Jahre Vorbereitungszeit eingerechnet werden muss: Es müssen neue Standorte gefunden werden, bei denen der Rohstoff in genügender Konzentration vorhanden ist, damit sich der Abbau lohnt, es braucht staatliche Genehmigungen für die abbauwürdigen Lagerstätten und es braucht Strassen, Wasser und Strom für den Abbau der Lagerstätten. Erfahrungsgemäss ist bei solchen Projekten mit starker Opposition zu rechnen – so passiert in Portugal, Nevada, Serbien, Schweden und Guatemala. 

Für die Umstellung auf Elektroantrieb sind weltweit mehr als 100 Gigafactories erforderlich

Eine Gigafactory – der Name stammt von Elon Musk – ist eine Fabrik zur Produktion von Lithium-Ionen-Batterien. Dazu sind sehr reine Werkstoffe nötig, die in einer Aufbereitungsanlage raffiniert werden. Die übliche Kapazität einer Gigafactory beträgt 35 GWh pro Jahr. Damit kann man rund eine halbe Million E-Autos ausrüsten. Die Eckdaten für eine solche riesige Fabrik sind nur spärlich vorhanden. Darauf aufbauend schätze ich, dass die gesamte Fabrikfläche eine halbe Million Quadratmeter umfasst, die Zahl der Angestellten zwischen 4’000 und 7’000 variiert, die Kosten sich – offenbar ohne Bauzinsen – zwischen 4 und 6 Milliarden USD belaufen und die einzusetzende Strommenge rund 2 TWh beträgt. Die benötigte Stromleistung inklusive Netzverluste beträgt rund 330 MW, was fast der Produktionskapazität des stillgelegten Kernkraftwerks Mühleberg entspricht. Hinzu kommt der Wasserverbrauch von 9 Millionen Liter pro Tag und der Gasverbrauch für Warmwasser, Dampf und Heizung. Mit anderen Worten eine solche Gigafactory ist äusserst energieintensiv.

Um die rund 6,3 Millionen Strassenmotorfahrzeugen der Schweiz durch Elektrofahrzeuge zu ersetzen wäre eine Gigafactory von dieser Grössenordnung notwendig!!  Dafür einen Standort in der Schweiz zu finden, dürfte nicht einfach sein.

“Um die Welt zu retten” schlagen die Befürworter der Energiewende, zusammen mit Elon Musk, den zügigen Bau von mindestens 100 Gigafactories vor. In der Tat sind heute rund 100 Gigafactories weltweit in Planung oder sogar im Bau. Die meisten davon liegen in China.

Die Rohstoffpreise sind, zum Teil als Folge der Energiewende, stark gestiegen

Das Bundesamt für Umwelt behauptet «Elektromobilität ist eine Schlüsseltechnologie zur Erreichung ambitionierter energie- und klimapolitischer Ziele». Wie oben dargelegt erfordert aber die sehr kleine Energiedichte der Batterien enorm viele Rohstoffe. Auch die Photovoltaikanlagen sowie die Windenergie weisen eine sehr kleine Energiedichte auf. Deshalb sind auch sie sehr materialintensiv. Seit 20 Jahren hat man grosse Menge an Rohstoffen für die Energiewende gefördert. Dies hatte ein starker Anstieg der Rohstoffnachfrage zur Folge, mit einem entsprechenden Anstieg der Kosten für den Abbau, den Transport und die Bearbeitung der Rohstoffe, inklusive Aufbereitungsanlagen.

Die heutigen Preise der Batterien liegen in der Grössenordnung von 250 USD/ kWh_Batterie. . Die Befürworter der Energiewende versprechen dagegen unrealistische Batteriepreise in der Grössenordnung von weniger als 100 USD pro Kilowattstunde.

Wie zu erwarten war, sind in den letzten Jahre die Preise der Batterie-Werkstoffe rasant gestiegen.  Gemäss der London Metal Exchange liegen die aktuellen Metallkosten heute bereits bei 61 USD pro Kilowattstunde. Bedenkt man, dass eine solche Gigafactory in 10 Jahren abgeschrieben werden sollte und dass die Personal- sowie die Betriebskosten, inklusive Strom, enorm sind, wird klar, dass die Batteriekosten unmöglich unter 150 USD pro Kilowattstunde sinken werden. Nicht umsonst plädieren die Befürworter des Green Deals für mehr Subventionen für die Elektromobilität.

Der CO2-Fussabdruck der E-Autos

Hier muss man unterscheiden zwischen dem CO2- Fussabdruck der Batterie und demjenigen der zusätzlichen Werkstoffe der E-Autos damit der Vergleich mit den Verbrennungsautos Sinn macht.

Die Herstellung der Batterie erfordert die Gewinnung vieler verschiedener Rohstoffe braucht es Aufbereitungsanlagen. Deren Bau und Betrieb sowie der Bau und Betrieb der Gigafactory erfordert viel Energie. Durch diese Energieaufwände entstehen CO₂-Emissionen. Eine neue Studie (2021) nach der sogenannte LCA- Methode (Life Cycle Analysis) rechnet mit Emissionen von rund 330 kg CO2/kWh_Batterie, ein Wert der erheblich höher liegt als die früheren Schätzungen.

Dazu ist zu bemerken, dass alle bis jetzt durchgeführte Studien zur Berechnung der Energieaufwände und der CO₂-Emissionen grosse Mängel aufweisen, da die angewandte LCA-Methode den Energieaufwand der eingesetzten Arbeit, des Transports, des Baus der Aufbereitungsanlage sowie der Gigafactory, der Entsorgung, der Endlagerung der toxischen Abfälle, der Eröffnung bzw. Schliessung und Renaturierung von Minen etc. nicht erfasst. Deswegen stellt der obere Wert von 330 kg CO₂– Emissionen pro kWh der Batterie, einen zu tiefen Wert dar. Bei Berücksichtigung der fehlenden Energieaufwände, kann sich dieser Wert ohne weiteres um 30 % oder mehr erhöhen.

Auch die Herstellung der E-Autos benötigt im Vergleich zu den Verbrennungsautos mehr CO₂-intensive Werkstoffe, wie z.B. Kupfer und Seltene-Erden. Um Gewicht und Produktionskosten zu senken, werden in einem Mittelklasse E-Auto rund 460 Kg legiertes Aluminium eingesetzt. Hinzu kommen mehr als 3’00O Microchips. Unter Berücksichtigung all dieser Materialien ergibt sich ein geschätzter zusätzlicher CO2- Fussabdruck von 16 Tonnen CO2.

 Mit 160’000 Fahrkilometer errechnet man als CO2- Fussabdruck verursacht durch Batterie, Aluminium und Microchips bereits 224 g CO2/km und dies, wohl verstanden, ohne den Fahrstrom mitzurechnen, also ohne zu fahren.

Als Vergleich: Der Dieselmotor des 220 d von Mercedes emittiert im NEF-Zyklus nach Herstellerangaben 117 CO2/km Gramm pro Kilometer.

Schlussfolgerung

Beim Betrachten der vollständigen Lebenszyklusanalyse eines Elektrofahrzeuges staunt man über die enorme Menge an Spezialwerkstoffen, die erforderlichen Lithium-Aufbereitungsanlagen, die energieintensive Gigafactory, die Recyclings Anlagen und die Entsorgungsanlagen. Angesichts der begrenzten Lithium-Reserven wird es schwerwiegende Lieferengpässe geben, wie wir sie heute mit Chips erleben.

Die Befürworter der Energiewende vermeiden es – offensichtlich absichtlich – alle Energieaufwände in die Betrachtung einzubeziehen und deren CO2-Emissionen einzurechnen. Die von den Befürwortern der Energiewende gemachten LCA-Analysen der Batterieproduktion enthalten nur einen Teil der Energieaufwände sowie des CO2-Fussabdrucks der gesamten Werkstofflieferketten, (vom Energieaufwand für die Prospektion undmEröffnung einer Mine bis zu deren Renaturierung und der Endlagerung der toxischen Abfälle). Der CO2-Fussabdruck von 330 kg CO2 pro kWh der Batterie stützt sich auf optimierte Messungen einer Pilotanlage für zylindrische Kleinbatterien in der Battery LabFactory Braunschweig (BLB). Unsere Berechnungen ergeben, dass der CO2-Fussabdruck der Batterie und der Extra-Werkstoffe der E-Autos im Vergleich zum Verbrenner, fast doppelt so gross ist. Pro Fahr-Kilometer bedeutet dies, dass E-Autos doppelt so viel CO2 pro Kilometer emittieren, und dies ohne den Stromanteil für die Aufladung der Batterie zu berücksichtigen.

Es ist zu hoffen, dass die neuen Studien von Toyota darüber vertieft Auskunft vermitteln und belastbarere Resultate ergeben werden, indem sämtliche Energieaufwände eingerechnet werden, inklusive der für E-Autos notwendigen zusätzlichen Werkstoffe.

Die Betrachtungen von Ruhsert zum “Marginalstrom” bleiben natürlich gültig, da der jeweilige Strommix oft zu allzu optimistischen Resultaten führt.

Schliesslich behaupten die Vertreter der Energiewende, dass die Photovoltaikanlagen „emissionsfrei“ sind. Die Studien von Ferroni, Hopkirk und Guekos (2016 bis 2017), unter Verwendung des Schlüsselbegriffs ERoEI-extended (d.h. Verhältnis zwischen gewonnener zur aufgewendeten Energie des erweiterten Photovoltaik-Gesamtsystems) haben ergeben, dass für sonnenarme Gegenden die Photovoltaikanlagen Energiesenken darstellen. Neue Studien von De Castro und Capellán-Pérez (2020) zeigen, dass der globale Mittelwert des Photovoltaik-ERoEl-ext nur 1.8 beträgt. Damit werden unsere Studien innerhalb einer Fehlergrenze bestätigt. Solarstromsysteme können heute nur mit Hilfe fossiler Brennstoffe hergestellt und transportiert werden. Windräder sind auch nicht wesentlich besser, d.h. 2.3 für Offshore-Anlagen und 2.9 für Onshore.  Mit anderen Worten heisst dies, beim Laden der Batterie mit „grüner Energie“ entsteht im Mittel rund 400 g CO2 pro kWh, was wiederum bedeutet, dass zusätzlich rund 80 g CO2 pro km emittiert werden.

Zu guter Letzt: Die Fahrer von Verbrennungsmotoren subventionieren die E-Auto-Fahrer, indem sie pro Liter Benzin rund 83 Rappen Abgaben für die Mobilitätsinfrastruktur (Strassen, Schutzbauten, Signalisation usw.) bezahlen. Der E-Auto-Fahrer leistet daran keinen Beitrag, sollte aber pro Jahr mit 500 bis 600 CHF zur Kasse gebetet werden. Angenommen, in einer fernen Zukunft würden alle Autos elektrisch angetrieben, dann müssten die E-Auto-Fahrer die Mobilitätsinfrastruktur wohl nach dem Verursacherprinzip finanzieren. In Norwegen, wo die Einführung der Elektromobilität sehr erfolgreich verläuft, fehlen schon heute rund 2,3 Milliarden USD zur Finanzierung der Mobilitätsinfrastruktur. 

Nicht eingerechnet werden zudem die unterschiedlichen Spannungsebenen der Transport- und Verteilnetze. Diese müssen infolge des erhöhten Stromleistungsbedarf angepasst und ausgebaut werden. Entsprechend ist mit höheren Strompreisen und Kupferverbrauch zu rechnen. Mit anderen Worten: Der Energieaufwand für die Bereitstellung der Mobilitäts- und Stromverteilungs-Infrastruktur müsste den E-Autos ebenfalls anteilsmässig an.gerechnet werden.  

Meine Konklusion: Der CEO von Toyota hat mit der Aussage, dass E-Autos doppelt so viel CO2 emittieren als Verbrenner, recht. Unter Berücksichtigung aller Energieaufwände, emittiere ich mit meinem fast zehnjährigen Benziner gesamthaft sogar dreimal weniger als ein E-Autofahrer.

F. Ferroni, Dipl. Ing. ETH

¹ Giovanni Brussato, Energia verde? Prepariamoci a scavare. I costi ambientali e sociali delle energie rinnovabili, 2021

² Der CEO von Stellantis sagt es klar: E-Auto kosten mehr als Verbrenner. Ergo müssen sie subventioniert werden! Hervorzuheben ist allerdings: Ursache der Mehrkosten ist die Auto-Batterie.

³ vgl. Carnot-Cournot-Netzwerk, Gastbeitrag von Kai Ruhsert