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Fährt das Auto der Zukunft elektrisch?

Derzeit gibt es auf der Erde rund 500 Millionen Autos. Die Anzahl könnte sich bis zum Jahr 2030 noch einmal vervierfachen (siehe Bericht UPI).  Würde die Motorisierung ungebremst weitergehen, würde allein der Autoverkehr von 1995  bis 2030 etwa die Hälfte der heute bekannten Welt-Erdölreserven verbrauchen. Mittlerweile ist den großen Spielern in der Automobilindustrie klar, dass ein Business as usual nicht funktionieren kann. Drei Dinge sprechen dagegen: Erstens die Klimaproblematik, der sich auch die Autoproduzenten stellen müssen. Zweitens die allgemeine Abhängigkeit von fossilen Ressourcen und insbesondere peak oil: Nach dem Förderhöhepunkt könnte Erdöl so teuer werden, dass es für einen Massenmarkt gar nicht mehr tauglich ist. Und drittens die Zunahme des Individualverkehrs in Schwellenländern wie China, Indien, Brasilien oder Indonesien. Autos, wie wir sie heute kennen, gehen an diesem Markt einfach vorbei.

© Stefan Gies, Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen

Damit steht die Automobilindustrie vor einem gewaltigen Umbruch. War es vor zehn Jahren die Brennstoffzelle, auf die sich alle Hoffnungen richteten, so ist es aktuell die Elektromobilität. Ob die heutigen Automarken in zehn Jahren noch existieren – niemand weiß es. Elektroautos zu produzieren erfordert andere Kompetenzen. Möglicherweise wird das Auto mit dem Wechsel des Antriebsstrangs auch neu erfunden: Vielleicht fährt es über weite Strecken bald automatisch, ferngesteuert im Konvoi. Vielleicht nutzt man es nicht nur zum Fahren, sondern auch um Energie aus dem Netz zwischenzuspeichern. Oder es wird in Zukunft vierteljährlich upgedatet, wie heute der Computer. Denkbar ist vieles.

„Faktor X“ gibt einen Überblick über den Entwicklungsstand der Elektromobilität und beleuchtet die ökologische Seite. Hilft sie tatsächlich in der Klimaproblematik? Die Antwort: Könnte gehen. Entscheidend sind dabei aber zwei Voraussetzungen: Erstens, der Fahrstrom muss aus regenerativen Quellen kommen. Zweitens, eine tatsächliche Minderung beim Ausstoß von Kohlendioxid tritt erst ein, wenn der Elektromotor den Verbrennungsmotor substanziell in der Fahrleistung ersetzt, und zwar massenhaft und global. Das kann dauern.

Wie steht es mit den Ressourcen für den neuen Antriebsstrang, für den Elektromotor und die Akkumulatoren? Mit Sicherheit lässt sich diese Frage nicht beantworten. Lithium-Ionen-Akkus sind materialintensiv. Lithium selber scheint das geringere Problem zu sein, wobei aber auch hier die Produktionskapazitäten erheblich ausgebaut werden müssten. Problematischer sind aber Kobalt und Nickel. Immer deutlicher wird auch, dass seltene Hightech-Metalle wie Neodym, das in hochwirksamen Magneten und folglich auch in Elektromotoren verwendet wird, zum Flaschenhals werden können. Entscheidend bei diesen Ressourcenfragen wird sein, die Materialien zu rezyklieren und die Kreisläufe zu schließen.

Die Lage ist vielschichtig. Geologische Fragen spielen hinein (Wie steht es um Ressourcen und Reserven), auch politische (Wo befinden sich die Vorkommen? Wer hat den Zugriff darauf?), Fragen des Businessmodells haben eine große Tragweite (Kann es gelingen, Produkte für den Endverbraucher verlässlich zu rezyklieren? Und zwar global?) und schließlich Innovationsfragen (Wie sieht die Lernkurve in der Steigerung der Materialeffizienz aus? Gelingt eine Dematerialisierung um den Faktor 10 für die entscheidenden Komponenten?) Nicht zuletzt, wie ist die Gesamtbelastung für die Ökosysteme zu Wasser, zu Luft und an Land, wenn sich die Anzahl der Autos tatsächlich noch einmal vervielfachen sollte? Auch ultraleichte und -effiziente Fahrzeuge sind eine Belastung für den Stoffwechsel zwischen Mensch und Natur. Wenn es nämlich einmal zwei Milliarden sein sollten.

Wie alles anfing

Als Gustave Trouvé im Jahr 1881 sein dreirädriges Automobil vorstellte, war das alltagstaugliche Elektromobil geboren. Lange Jahre lag der Elektromotor gut im Rennen. Bereits damals war es sein hoher Wirkungsgrad, der ihm einen erheblichen Vorteil vor dem Verbrennungsmotor sicherte. Nicht nur Prototypen und Tüftlerautos, sondern zehntausende Serienfahrzeuge waren unterwegs. Elektrokarren erledigten zuverlässig Transporte auf Werksgeländen – und sie tun es bis heute. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts wurde das Elektromobil schrittweise vom Benzinauto verdrängt. Sein entscheidender Vorteil: die größere Reichweite. Und so sollte es für die kommenden 100 Jahre bleiben.

© Stefan Gies, Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen

Lange Jahre hieß es, Elektrofahrzeuge dienten in erster Linie dazu, schwere Akkumulatoren durch die Gegend zu fahren. Und wollte man schneller oder weiter fahren, bräuchte man eben noch mehr davon. Kleine und unbequeme Ökokisten mit geringer Reichweite – das war das Bild des Elektroautos bis heute.

Aber so ist es nicht mehr. Spätestens seit der Tesla Roadster aus Kalifornien unter Beweis gestellt hat, dass ein elektrisch betriebenes Fahrzeug es durchaus mit einem Porsche aufnehmen kann, ist das Elektromobil wieder ganz vorne dabei. Mit dem Lithium-Ionen-Akku  – der Tesla hat einige tausend Laptop-Batterien an Bord – scheint ein Durchbruch bei einer Schlüsseltechnologie gelungen zu sein. Der Tesla bringt es immerhin auf eine Reichweite von 300 Kilometern. Dafür allerdings muss der Käufer beherzt in die Tasche greifen. Anschaffungspreis: 120 000 Euro. Lithium-Ionen-Akkus sind noch ganz schön teuer.

Den großen Spielern im Markt – von Daimler über VW und BMW, um nur einige heimische Autoproduzenten zu nennen – ist angesichts von Klimafragen, von peak oil, steigenden Energiepreisen und massenhafter Motorisierung in den Schwellenländern mittlerweile klar: Der Verbrennungsmotor ist ein Auslaufmodell. Milliardensummen werden in die Entwicklung von Hybrid- und Elektromotoren gesteckt. „Der Trend zur Nachhaltigkeit ist die treibende Kraft in der Autoindustrie“, sagt Karl-Thomas Neumann, Chef des Autozulieferer Continental.  Wer hätte das gedacht? (Artikel Fahrt ins Ungewisse im Handelsblatt vom 03.07.09)

© Stefan Gies, Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen

Mehr als ein Hype?

Die niederländische Firma TTD hat ein umgebautes Hybridauto im Programm. (Artikel Abgewürgt, Spiegel Online, 17.04.09). Die Techniker packen dem Prius von Toyota einfach ein paar Extra-Akkus in den Kofferraum, dazu eine Steckdose für den Ladevorgang in der heimischen Garage. Rein elektrisch fährt der Prius auf diese Weise 60 Kilometer. Erst danach schaltet sich der Verbrennungsmotor zu. Anschaffungspreis: 40 000 Euro.

Will man sich hier und heute ein Elektroauto zulegen, wird man schnell auf den Boden der Tatsachen zurückgeholt. Der umgebaute Prius aus den Niederlanden ist da schon ganz weit vorne. Ansonsten findet man eher Nischenprodukte wie Kleintransporter oder Leichtmobile. Den aktuellen Entwicklungsstand für den Personentransport markiert der CityEL  im Gogomobilformat, mit einer Höchstgeschwindigkeit von 63 Stundenkilometern und einer Reichweite bis zu 300 Kilometern – wenn es gut läuft. Ein alltags- und familientaugliches Fahrzeug hat man damit noch nicht. Allenfalls ein Zweitauto.

Sicher, in Berlin lässt Daimler 100 Elektrosmarts bei einem Praxistest antreten, auch BMW hat eine Flotte von elektrisch betriebenen Minis am Start. Praktisch jeder große Autobauer pflegt seine Prototypen. Kaufen kann man sie freilich noch nicht. Das Produkt Elektroauto ist einfach noch nicht marktreif, sagt Stefan Gies vom Institut für Kraftfahrzeuge der RWTH Aachen:

„Sinn macht das mit dem Elektroantrieb derzeit, wenn man die Stärken im Kleinwagensegment nutzt, weil man da mit kürzeren Reichweiten auskommen kann. Die Fahrzeuge sind leichter. Oder, wenn Geld keine Rolle spielt, dann kann man auch einen Sportwagen bauen und sich extremen Leichtbau leisten. Um so die Schwächen des derzeitigen Elektroantriebs zu überspielen.“

Der Hype ums Elektroauto findet derzeit eher im Labor und auf Pressekonferenzen statt. Ist es denn überhaupt ein Hype? Ja, schon. Die Bundesregierung steckt immerhin 700 Millionen Euro in die neue Form der Mobilität. Nicht nur die Autokonzerne, auch Siemens, E.ON und RWE machen sich für das Elektroauto stark.

Beispiel RWE

Stromversorger wollen mehr Strom verkaufen – klar. RWE hat sich die Sache aber schon etwas gründlicher überlegt. Deutschlandweit will man mit Kooperationspartnern eine eigene Ladeinfrastruktur für Elektroautos aufbauen. Die Elektrosmarts in Berlin, zusammen mit Daimler, sind nur ein erster Schritt. Perspektivisch will der Konzern auch in den Batteriemarkt einsteigen, genauer: in die Zweitverwertung. Nachdem die Lithium-Ionen-Akkus in den Fahrzeugen ihren Dienst versehen haben, sollen sie als Zwischenspeicher im Stromnetz dienen. Damit könnten auch die Preise für die Erstanwendung der Autobatterie fallen.

RWE hat nicht nur das Auto im Blick, sondern das gesamte System: Fahrzeug, Strom, Infrastruktur. Stromerzeugung und -verteilung bilden die Kernkompetenz des Konzerns. Der Endkunde erhält seine eigene Ladestruktur in der Garage, natürlich samt Autostrom und Vertrag. Mit Auto-Leasing-Firmen und Betreibern von Parkhäusern sind weitere Geschäftsmodelle denkbar. Darüber hinaus bietet die neue Technik aber noch eine Reihe weiterer Möglichkeiten: sei es durch Zwischenspeichern von Strom, was immer wichtiger wird, je mehr der Anteil von regenerativ erzeugtem Strom im Mix steigt, oder durch intelligente Netze, Mehrwertdienste und Software-Updates, während das Auto an der Steckdose hängt.

RWE will den kommerziellen Erfolg mit der Elektromobilität, und zwar auf vielen Ebenen. Dafür ist man auch bereit zu investieren, eine Milliarde Euro pro Jahr in regenerative Energie, beispielsweise in Offshore-Windanlagen. Die Bundesregierung erwartet für 2020 eine Million Fahrzeuge auf der Straße, der Stromkonzern von Rhein und Ruhr deutlich mehr. Carolin Reichert ist die Leiterin Neue Geschäfte bei RWE:

„Die Zahl von RWE ist 2,4 Millionen Fahrzeuge in 2020, rein elektrische Fahrzeuge und zusätzlich Plug-in-Hybride, also elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit range extender. Damit liegen wir deutlich über den Zielen der Bundesregierung, aber unterhalb der Schätzungen anderer renommierter Unternehmen, die bis zu fünf Millionen Fahrzeuge in 2020 in Deutschland erwarten. Letztendlich ist die deutsche Zahl aber auch nicht entscheidend, denn die Automobilindustrie ist eine globale Industrie.“

© Carolin Reichert, Leiterin Neue Geschäfte, RWE AG

Und wo soll all der Strom denn herkommen? Kein Problem, meint Carolin Reichert. Wenn einmal ein Fünftel aller deutschen Autos rein elektrisch betrieben würden, entspräche dies nur etwas mehr als zwei Prozent der aktuellen Stromnachfrage in Deutschland.

„Elektromobilität wird sich nachhaltig durchsetzen“, sagt Carolin Reichert. Die Technik werde international vorangetrieben. China und die Vereinigten Arabischen Emirate investierten massiv. Elektromobilität könnte sogar zum entscheidenden Mobilitätskonzept für den Individualverkehr in Megacitys werden. Entweder setze sich Deutschland mit an die Spitze der Entwicklung. Oder eine weitere Chance auf Innovation sei hierzulande vertan.

Die Einschätzung von Stefan Gies von der RWTH Aachen: „Es ist schwer, realistische Marktszenarien aufzuzeichnen. Ich bin kein Prophet, um sagen zu können, wann wir wie viele Elektrofahrzeuge auf dem Markt sehen werden. Da spielen viele Rahmenbedingungen hinein. Die Ölpreisentwicklung ist ein wesentlicher Punkt, der offenbar auch nicht leicht vorhersehbar ist. Ich denke aber, dass da viel machbar ist, wenn wir jetzt gute Produkte entwickeln, um dann am Markt auch überzeugen zu können. Natürlich spielen hier die politischen Rahmenbedingungen massiv rein. Auch damit kann man natürlich diese Mobilität fördern und voranbringen.“

Zur Klarstellung: Elektrisch betriebene Mobilität – die Diskussion zielt derzeit ausschließlich auf den Individualverkehr. Busse, LKW, Schiffe und Flugzeuge werden auf unabsehbare Zeit weiter auf die Ressource Erdöl angewiesen sein.

Vehicle to Grid

Bereits heute stammen mehr als 15 Prozent des deutschen Stroms aus regenerativen Energien. In wenigen Jahren werden es bereits 30 Prozent sein. Waren es auf der Produktionsseite bisher wenige große Kraftwerke, werden es in Zukunft viele dezentrale Energieerzeuger sein. Sonne und Wind arbeiten aber nicht so gleichmäßig wie Kohle oder Atomkraftwerke. Erhebliche Schwankungen im Stromangebot werden zur Regel. (Anmerkung: Die Ausführungen zum smart grid folgen im wesentlichen Mattias Brake >siehe rechte Spalte unter Publikationen.)

© Christoph Zeiss, Wuppertal Institut

Regenerative Stromversorgung setzt eine Kooperation der Netzbetreiber voraus, wie wir sie bisher noch nicht kennen. Damit das Angebot von Strom aus Offshore-Windanlagen ohne bürokratische Netzhürden auch beim Verbraucher im Süden landen kann.

Dafür braucht es Stromspeichertechnologie. Leistungsfähige Anlagen folgen bisher überwiegend mechanischen Prinzipien: das Pumpspeicherwerk, der Druckluftspeicher oder das Schwungrad. Wenn in Zukunft Akkumulatoren in Fahrzeugen eine größere Verbreitung finden, gewinnt aber auch die elektrochemische Speicherung an Bedeutung. Die Elektrifizierung des Verkehrs eröffnet in Verbindung mit verbesserter Regeltechnik – das so genannte smart grid – neue Möglichkeiten. So könnte das aussehen:

„Der Individualverkehr stellt um auf Elektroautos. Schon wenn nur jeder zehnte PKW ein Elektroauto mit jeweils mindestens zehn Kilowatt Pufferleistung ist, ergibt sich eine Speicherkapazität, die deutlich über allen zu erwartenden Lastspitzen des Versorgungssystems liegt. Beim Laden an der Steckdose kann der Fahrer dem Stromnetz dann etwa mitteilen: Von Mitternacht bis sechs brauche ich das Auto nicht, aber morgens muss der Akku geladen sein. In der Zwischenzeit steht er zur Verfügung, um Stromschwankungen auszugleichen.“ (Matthias Brake, S. 17)

Dieser Gedanke ist auch bei den Stromanbietern angekommen. Bei RWE und E.ON gehören die Vokabeln smart grid und smart metering bereits zum Standardrepertoire. Aus technischer Sicht markiert die computergesteuerte Regeltechnik neben den Fortschritten bei den Akkumulatoren möglicherweise den Durchbruch bei der Elektromobilität. Der Autofahrer wird vom reinen Energieverbraucher zum Energiedienstleister.

Elektromobilität - eine Antwort auf die Klimafrage?

© Carolin Reichert, Leiterin Neue Geschäfte, RWE AG


„Bereits heute, also mit heutigem deutschen Strommix, erreichen Elektrofahrzeuge im Vergleich zum Verbrennungsmotor eine signifikante Einsparung von Co2-Emissionen, und zwar über die gesamte Prozesskette. Man spricht hier von well to wheel, von der Stromerzeugung bis zum Auspuff. Das sind die relevanten Größen, die wir vergleichen müssen. In 2007 haben die deutschen Neuzulassungen 190 Gramm CO2 pro Kilometer emittiert. Ein vergleichbares Elektrofahrzeug emittiert bei heutigem deutschen Strommix nur 110 Gramm CO2 pro Kilometer. Und das bedeutet eine Einsparung von immerhin schon 46 Prozent. Und wenn wir den Strommix von 2020 unterstellen, dann erreichen wir sogar eine Einsparung um 56 Prozent und beim Einsatz von CO2-freier Erzeugung mit erneuerbarer Energie dann unschlagbar null Gramm CO2 pro Kilometer.“  Das ist die Position von Carolin Reichert.

Aus Sicht des Wuppertal Instituts ist die Lage etwas komplizierter.  Christoph Zeiss, Forschungsgruppe Zukünftige Energie- und Mobilitätsstrukturen: „Wenn man Klimaschutz mit Elektromobilität verbinden will – und meiner Ansicht nach muss man das, weil es auch eine Chance ist, die wir haben –, dann muss man darüber reden, dass erneuerbare Energien genutzt werden. Und zwar nicht nur in der Pilotphase, wie das jetzt in fast allen Projekten, die laufen, der Fall ist, sondern man muss sich grundsätzlich Mechanismen überlegen, dass es auch langfristig so ist und so bleibt. Das heißt, hier ist eine große Chance, aber nur unter dieser Voraussetzung.“

© Christoph Zeiss, Wuppertal Institut


In der Elektromobilität befinden wir uns sozusagen in der Stunde null. Im Jahr 2007 wurden in Deutschland ganze acht Elektrofahrzeuge zugelassen! Folglich ist auch der tatsächliche Klimaeffekt derzeit ziemlich genau bei null. Und es wird noch lange dauern, bis er zum Tragen kommt.

Christoph Zeiss: „Für mich ist es auch spannend zu sehen; Wann wird das erste Elektroauto neben dem Ford Ka im Schaufenster stehen? Aber aus Klimaschutzsicht ist es gar nicht entscheidend, wann die ersten Fahrzeuge da sind, sondern: Wann werden wirklich Kilometer gefahren, und womit werden diese Kilometer gefahren? Also mit welcher Antriebsenergie wird da umgegangen? Das heißt also aus Klimaschutzsicht werden die nächsten Jahre bei der Elektromobilität wahrscheinlich keine große Rolle spielen, weil einfach noch keine großen Mengen im Markt sind.“

Würde die gesamte Kilometerleistung der 46 Millionen Pkws, die heute auf deutschen Straßen unterwegs sind, komplett auf elektrischen Antrieb umgestellt, stiege der nationale Stromverbrauch um 15 bis 20 Prozent. Und perspektivisch? Ist es denkbar, dass der gesamte Strombedarf für Autos, die in Deutschland unterwegs sind, aus erneuerbarer Energie stammt?

© Christoph Zeiss, Wuppertal Institut


Christoph Zeiss: „Erst mal ist eine Energieversorgung möglich, die im Jahr 2050 genügend Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt, um damit eine nennenswerte Anzahl an Elektrofahrzeugen zu betreiben? Das können wir uns heute gut vorstellen. Der Pfad ist richtig. Ob er machbar ist, ob er sich umsetzen lässt, das wird die Realität zeigen, aber die Richtung stimmt. Elektrofahrzeuge können mit erneuerbaren Energien auch klimafreundlich sein. Wenn Elektrofahrzeuge natürlich nur als Drittfahrzeuge angeschafft werden, um zum Einkaufen zu fahren, aber ansonsten die Kilometerleistung nicht sinkt, die mit anderen Fahrzeugen gefahren wird, hilft das auch nicht weiter. Das heißt, das Gesamtsystem muss betrachtet werden. Die Elektromobilität ist aber nur im Zusammenhang mit dem Ausbau erneuerbarer Energie wirklich sinnvoll. Das heißt, wir müssen erneuerbare Energie ausbauen, wir brauchen mehr Strom aus erneuerbarer Energie, damit wir das auch in den Verkehr stecken können, damit unsere Klimabilanz besser wird. Ansonsten macht aus Klimaschutzgründen Elektromobilität keinen Sinn.“

© Christoph Zeiss, Wuppertal Institut

Elektromobilität und Ressourcen

Lithium-Ionen-Akkumulatoren haben während der vergangenen Jahre große Erfolge in portablen elektronischen Geräten zu verzeichnen. Die große Hoffnung für die Elektromobilität ist, dass die Technik auch im Automobil Anwendung findet. Entsprechende Forschungsbestrebungen, nicht nur in Asien, sondern auch in Europa und Deutschland sind unterwegs.

Lithium selber – das Material dessen Namen die Technik trägt – kommt in den Akkumulatoren nur zu einem vergleichsweise geringen Prozentsatz vor. Außerdem ist das Metall relativ häufig zu finden. Deshalb scheint Lithium, auch wenn die globale Nachfrage nach Akkumulatoren deutlich zunehmen sollte, weniger der Engpass zu sein.

Die Technik des Lithium-Ionen-Akkumulators ist so flexibel, dass unterschiedliche Materialien und Kombinationen Anwendung finden. In diesem Zusammenhang wird immer wieder Kobalt als knappe Ressource der Zukunft genannt. Die Studie Rohstoffe für Zukunftstechnologien  kommt beispielsweise zu dem Ergebnis, dass im Jahr 2030 allein für Akkumulatoren die zwei- bis dreifache derzeitige Jahresproduktion nachgefragt werden wird. Einerseits sind Reserven und Ressourcen des Metalls gar nicht so gering, andererseits gibt es nur wenige Vorkommen auf dem Planeten. Die größten befinden sich im Kongo, ein Land, das nicht zu den sichersten Regionen gezählt werden kann. Erschwerend kommt hinzu, Kobalt ist kaum substituierbar.

Beim Ultraleichtfahrzeug Loremo  verzichtet man deshalb bereits heute auf Kobalt-haltige Akkumulatoren. Auch Martin Winter, Sprecher der Initiative Lithium-Ionen-Batterie – LIB 2015, sieht Kobalt perspektivisch durchaus als problematischen Rohstoff.

Ganz anders dagegen Christian Rosenkranz von einem der größten Akku-Produzenten weltweit, Johnson Controls Saft. Bei seiner Einschätzung hat er allerdings eher einen kürzeren Zeithorizont im Blick:

„Die Schwierigkeiten bei der Rohmaterialbeschaffung sind die gleichen, die die gesamte Industrie auch im Fahrzeugbau spürt. Das sind die Materialien Nickel, Aluminium, Kobalt, also die gleichen Bestandteile, wie sie auch in anderen Komponenten vorkommen. Die kommen in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Häufigkeiten vor, je nachdem, welche Lithium-Ionen-Batterie dort eingesetzt wird: Ist es ein Manganspinell als Kathodenmaterial oder Eisenphosphat oder Nickel-Kobalt-Aluminium. Letzten Endes sehen wir in der näheren Zukunft keine Engpässe bei den Rohmaterialien. Die sind natürlich alle unterschiedlich teuer und kommen in unterschiedlichen Zusammensetzungen vor, aber wir sehen dort vom Sourcing und von der Verfügbarkeit keinen Engpass. Es wird jedoch so sein, dass mit Verbreitung der Elektrofahrzeuge, wenn wir erst mal alle eins fahren, dann natürlich ein Recyclingkreislauf gebraucht wird, den wir auch gerade erarbeiten. Damit wir eben die Materialien auch aufarbeiten können.“

Und wenn nun die gesamte globale Automobilflotte elektrisch fahren würde, könnte es dann zu Engpässen kommen?

„Aus Sicht des Batterieherstellers mit eingeschwungen Recyclingkreisläufen eigentlich nicht. Aus Sicht der Infrastruktur vielleicht schon eher. Und bezüglich der regionalen Aspekte, wo diese Infrastruktur am schnellsten entstehen wird, ist dies mit Sicherheit ein Thema, das global diskutiert wird. Aber es muss auch unterstützt werden durch die entsprechende Legislative, damit wir an der Stelle auch ein attraktives Konzept für den Endnutzer haben. Denn Elektromobilität steht im Wettbewerb mit den konventionellen Antriebssträngen.“

Case Study Neodym

Neodym rechnet zu den Metallen der seltenen Erden (Lanthanoide). Das sind silbrig-glänzende, relativ weiche und reaktionsfreudige Stoffe, die an der Luft schnell oxidieren. Im Periodensystem der Elemente trägt Neodym die Ordnungszahl 60. In der Natur kommt es nur vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden vor und muss durch einen aufwändigen chemischen Prozess isoliert werden.

Wirtschaftliche Bedeutung hat Neodym in jüngster Zeit vor allem in Hochleistungs-Permanentmagneten erfahren, wie sie auch in Elektromotoren eingesetzt werden. Die stärksten Magnete beruhen auf einer Neodym-Eisen-Bor-Verbindung und können bis zum 2000-fachen ihres Eigengewichtes tragen. Beispielsweise kann ein frei erhältliches Modell für Tüftler und Bastler mit einem Gewicht von 350 Gramm bis zu 400 Kilogramm heben.

„Hochleistungs-Permanentmagnete werden schon heute massenhaft in Windturbinen, elektrischen Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge und miniaturisierte Komponenten der Informations- und Kommunikationstechnik (z.B. im iPod) eingesetzt.“ (Studie "Rohstoffe für Zukunftstechnologien" S. 237)

Neben Kupfer (für die Kupferspulen) wird Neodym (für starke Permanent-Magnete) in Elektromotoren zu einem strategischen Rohstoff. Allerdings gibt es derzeit nur recht ungenaue Angaben, wie viel Neodym pro Elektroauto verbaut wird. Die Autoren der Studie gehen von einem Wert zwischen 0,5 und 1 Kilogramm pro Fahrzeug aus. (Studie "Rohstoffe für Zukunftstechnologien" S. 44)

Im Jahr 2006 lag die Weltproduktion für Neodym bei 7300 Tonnen. Davon wurden 300 Tonnen für Elektroautos genutzt. Für das Jahr 2030 bietet die Studie unterschiedliche, erheblich differierende Szenarien für die Nachfrage an, die bis zu 53000 Tonnen pro Jahr betragen. An diesem Beispiel wird die Unsicherheit in der Abschätzung des künftigen Rohstoffbedarfs noch einmal deutlich. Angefangen beim Bedarf pro Fahrzeug, der durch Innovationen auch gemindert werden kann, bis hin zum Verbreitungsgrad von Hybrid- bzw. Elektroautos insgesamt.

Trotz aller Unsicherheiten, so viel ist klar: Bei einer massenhaften Produktion von Elektroautos wird der Neodymbedarf weltweit beträchtlich zulegen müssen. Die Studie kommt zu folgenden Einschätzungen: Der aktuelle Neodym-Verbrauch durch Hightech-Produkte beträgt etwa 55 Prozent der gegenwärtigen Weltproduktion. Im Jahr 2030 soll sich der Wert versiebenfachen, auf 3,82 Prozent – der heutigen Produktion, wohl bemerkt.

Mehr als 90 Prozent des aktuell produzierten Neodyms stammen aus China. Vor diesem Hintergrund sind politische Konflikte im Zusammenhang mit Neodym sehr wohl vorstellbar. Max Marwede vom IZT in Berlin:

„Ein ganz starker Flaschenhals ist bei Neodym. Nach unseren Abschätzungen liegt im Jahr 2030 der Bedarf über der heutigen Produktion des Rohstoffs, und zwar deutlich drüber. Ein anderer seltener Stoff ist Kobalt für Lithium-Ionen-Batterien, wobei da der Bedarf nicht so hoch ist wie bei Neodym. Bei Neodym ist zusätzlich noch zu beachten, dass 97 Prozent der seltenen Erden in China produziert werden. China hat auch schon einmal ein Exportmoratorium verhängt, es wieder aufgelöst, aber dabei sieht man, dass da auch geostrategische Überlegungen eine Rolle spielen.“

Allerdings gilt es auch zu bedenken, dass das chinesische Monopol in der Neodymproduktion historisch gewachsen ist. Vor wenigen Jahren noch förderten die Vereinigten Staaten erhebliche Mengen des Materials. Mountain Pass, die wichtigste nordamerikanische Mine für Lanthanoide, befindet sich in Kalifornien. Dort wurde die Förderung aus verschiedenen Gründen, ökonomischen wie ökologischen, in den vergangenen Jahren heruntergefahren. Dem gegenüber weitete China seine Produktion von Lanthanoiden seit 1985 erheblich aus. Ausbeutbare Vorkommen existieren zudem in Schweden und Australien.

Aus geologischer Perspektive sind Lanthanoide gar nicht so selten, beispielsweise gibt es von diesen Stoffen deutlich mehr als Gold. Allerdings sind die Konzentrationen der entsprechenden Erze äußerst gering. So dass die faktische Produktion nur von einer Handvoll Minen stammt. Eine erweiterte Produktion von Neodym, auch außerhalb Chinas, scheint nach vorliegenden Informationen durchaus möglich, ist aber zugleich eine Frage des Marktes und des politischen Willens. 

Anmerkung: Die zentrale Quelle für Ressourcenfragen aller Art ist der U.S. Geological Survey (USGS).

Elektroauto und Brennstoffzelle

© Stefan Gies, Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen


Bis vor wenigen Jahren galt die Brennstoffzelle als die Zukunftstechnologie im Automobilbau. Zwischenzeitlich waren es auch mal Methanol und Agrotreibstoffe. Mittlerweile ist es um diese Techniken etwas stiller geworden. Das batteriegetriebene Elektromobil hat den Hype geerbt, nicht zuletzt wegen der technischen Fortschritte bei den Lithium-Ionen-Akkus, aber auch mit Blick darauf, dass die Strom-Infrastruktur bereits weit entwickelt ist, während eine Wasserstoff-Infrastruktur erst noch erstellt werden müsste. Dabei sind die beiden Techniken gar nicht so weit auseinander entfernt. Auch Brennstoffzellenautos haben Elektromotoren, sind also Elektrofahrzeuge. Die Brennstoffzelle an Bord dient lediglich dazu, Wasserstoff in elektrischen Strom zu verwandeln. Noch ist das Rennen zwischen Brennstoffzelle und Akku nicht entschieden. Möglicherweise kommen beide auch gemeinsam zum Einsatz – eine etwas andere Art des Hybrids.

Aus Ressourcensicht ist bei der Brennstoffzelle insbesondere Platin von Interesse. Beim heutigen Stand der Technik wird davon eine erhebliche Menge in den Membranen der Zellen gebraucht. Sogar deutlich mehr, als in den heutigen Katalysatoren pro Fahrzeug genutzt wird. Das Wuppertal Institut hat in diesem Zusammenhang den Platinverbrauch hochgerechnet , der sich ergeben würde, wenn in einem Zeitraum von 2010 bis 2030 maßgebliche Anteile der europäischen und globalen Automobilflotte durch Brennstoffzellenfahrzeuge ersetzt werden würden.

Grundsätzlich ist die Produktion von primärem Platin (oder den Metallen der Platingruppe, dazu rechnen auch Palladium und Rhodium) mit einem gewaltigen ökologischen Rucksack versehen. Erz, das in Südafrika geschürft wird, enthält beispielsweise nur 0,4 Prozent Platingruppenmetalle – der Rest ist taubes Gestein. Außerdem werden bei der Verhüttung große Mengen Energie verbraucht. Wodurch wiederum gewaltige Schwefeldioxid-Emissionen anfallen. Der europäische Jahresverbrauch von primär gewonnenem Platin liegt derzeit bei 126 Tonnen. Dies entspricht einem Gesamtnaturverbrauch von 49 Millionen Tonnen Natur!

Rund zwei Drittel des Platins gehen heute in die Produktion von Katalysatoren. In der Glasindustrie wird Platin bei der Herstellung von hochqualitativen Gläsern benötigt, insbesondere für Tiegel, worin das Glas geschmolzen wird. Während die Stoffkreisläufe in der Industrie in vielen Fällen bereits geschlossen sind, geht bei der Produktion von Endprodukten, wie Autos sie heutzutage nun mal sind, ein erheblicher Teil der Ressourcen verloren. Nur etwa ein Drittel des Platins, das in Katalysatoren verwendet wird, wird rezykliert. (Siehe auch Interview mit Christian Hagelüken.)

Eine zukünftige Nutzung von Platin in Brennstoffzellenfahrzeugen sollte deshalb unter Rahmenbedingungen stattfinden, in denen die Recyclingquote deutlich verbessert würde. Rezykliertes Material ist ökologisch erheblich günstiger.

Versucht man nun den zukünftigen Verbrauch von Platin hochzurechnen, ergeben sich eine Reihe von Fragen: Kommt es überhaupt zum Durchbruch der Brennstoffzellentechnik? Und wenn ja, wie schnell würde die Marktdurchdringung erfolgen? Nicht zuletzt, wie schnell werden sich Innovationen durchsetzen, die den Platinverbrauch drosseln könnten? Mit anderen Worten, wie verläuft die entsprechende Lernkurve?

Stefan Bringezu, Leiter der Forschungsgruppe „Stoffströme und Ressourcenmanagement“ vom Wuppertal Institut kommt zu folgender Einschätzung:

„Zunächst stellen wir fest, dass die junge Technologie der Brennstoffzelle bezogen auf Platin zehn Mal mehr pro Fahrzeug benötigt als die Katalysatortechnologie. Wir stellen zugleich fest, dass, wenn der technische Fortschritt, den man in Lernkurven auch quantifizieren kann, weiter voranschreitet und damit ein Faktor 10 bei der Brennstoffzellentechnologie umgesetzt werden könnte, dass das helfen könnte, den Druck von den Minen und den Konversationsanlagen zu mindern – im Hinblick auf die Produktion von Brennstoffzellen. Zum anderen muss man aber auch hier den Blick weiten, denn auch die Brennstoffzellentechnologie ist nicht das Ende der Fahnenstange. Gerade im Bereich der Antriebssysteme von Fahrzeugen beginnen die Elektromotoren immer interessanter zu werden. Und die Speichersysteme, die hiermit verbunden sind, beispielsweise Batteriesysteme, die wird man sich künftig auch genauer ansehen müssen. Auch dort gehe ich davon aus, dass die Materialintensität, die wir derzeit vorfinden, künftig auch in Richtung Faktor 10 abnehmen wird.“

Originaltöne

Schwächen des Elektroantriebs (Stefan Gies, IKA RWTH Aachen)

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Markteinschätzung
(Stefan Gies, IKA RWTH Aachen)

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2,4 Millionen Elektrofahrzeuge in 2020 (Carolin Reichert, RWE)

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Elektrofahrzeuge sparen CO2 (Carolin Reichert, RWE)

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Klimaschutz und Elektromobilität
(Christoph Zeiss, WI)

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Die Menge macht's
(Christoph Zeiss, WI)

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Elektromobilität braucht erneuerbare Energie (Christoph Zeiss, WI)

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Ressourcenprobleme
bei Akkus (1)
(Christian Rosenkranz, Johnson Controls Saft)

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Ressourcenprobleme
bei Akkus (2)
(Christian Rosenkranz, Johnson Controls Saft)

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Faktor 10 bei Brennstoffzellen (Stefan Bringezu, WI)

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