Für den Einsatz erneuerbaren Stroms im Verkehrssektor stehen mehrere Technologien zur Verfügung: der direkt-­elektrische Antrieb, der Brennstoffzellenantrieb und der Verbrennungsmotor in Kombination mit synthetischen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen (PtL, PtG). Jede einzelne dieser Antriebsarten weist je nach Einsatzgebiet generelle wie spezifische Vor- und Nachteile auf. Diese erstrecken sich von der Nutzung und dem damit einhergehenden Komfortgrad insbesondere auf unterschiedliche Kosten, Energiebedarfe, Energieeffizienzniveaus, Infrastrukturanforderungen und Rohstoffbedarfe sowie Wirkungen auf das Energiesystem. Dieser Artikel stellt die spezifischen Vor- und Nachteile der einzelnen Technologiepfade vor und stellt sie gegenüber.

Klimaschutz im Verkehrssektor und die Minderung weiterer negativer Umweltauswirkungen des Straßenverkehrs erfordern neben Maßnahmen zur Verkehrsvermeidung, Verkehrsverlagerung und Effizienzverbesserung auch die Abkehr von der Nutzung fossiler Ener­gieträger im Verkehr. Da Biokraftstoffe aus Anbaubiomasse weder ökologisch noch sozial nachhaltig sind, und Biokraftstoffe aus Reststoffen nur begrenzt zur Verfügung stehen , wird erneuerbarer Strom zur wesentlichen Energiequel­le im Verkehr.

Für den Einsatz erneuerbaren Stroms im Verkehrssektor stehen zurzeit mehrere Technologien zur Verfügung: der direkt-­elektrische Antrieb, der Brennstoffzellenantrieb und der Verbrennungsmotor in Kombination mit synthetischen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen. Jede einzelne dieser Antriebsarten weist je nach Einsatzgebiet generelle wie spezifische Vor- und Nachteile auf. Diese erstrecken sich von der Nutzung und dem damit einhergehenden Komfortgrad insbesondere auf unterschiedliche Kosten, Energiebedarfe, Energieeffizienzniveaus, Infrastrukturanforderungen und Rohstoffbedarfe sowie Wirkungen auf das Energiesystem. Dieser Artikel fokussiert auf den Straßenverkehr, für den Schienenverkehr und insbesondere die Seeschifffahrt und den Luftverkehr gelten andere Voraussetzungen und Gegebenheiten, die an anderer Stelle behandelt werden.

Inhaltsverzeichnis

Umweltwirkung während der Nutzungsphase

Energieeffizienz der Technologiepfade

Wirkungen auf das Energiesystem

Netzstabilisierung durch gesteuertes Laden von batterieelektrischen Fahrzeugen

Verwendung von Überschussstrom für die Produktion von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen?

Infrastrukturkosten

Gesamtkosten (Anschaffungskosten für Fahrzeuge, Kosten für Lade- und Tankstelleninfrastruktur, Energiekosten und Betriebskosten)

Rohstoffe und Ressourceneinsatz

Ressourceneinsatz zur Erzeugung regenerativen Stroms für den Verkehrssektor

Ressourcenbedarf des Power-to-X­-Technologiepfades

Ressourcenbedarf für Elektromotoren in batterieelektrischen Fahrzeugen und Brennstoffzellenfahrzeugen

Ressourcenbedarf des Brennstoffzellen­-Technologiepfades

Ressourcenbedarf des Elektroauto-Technologiepfades

Schlüsselrohstoffe Lithium, Kobalt, Graphit und Nickel

Schlüsselrohstoff Lithium

Schlüsselrohstoff Kobalt

Schlüsselrohstoff Graphit

Schlüsselrohstoff Nickel

End-of-life-Szenarien für das Recycling der Batterien

Rückgewinnung Seltener Erden aus Permanentmagneten des Elektromotors

Kritikalität von Rohstoffen für batterieelektrische Fahrzeuge, Bennstoffzellenfahrzeuge und Power-to-X

Umwelt- und Sozialfolgen des Rohstoffabbaus

Folgen des Graphit-Abbaus

Folgen des Nickel-Abbaus

Folgen des Platin-Abbaus

Folgen des Kobalt-Abbaus

Fokus: Kobalt aus der DR Kongo

Folgen der Lithium-Förderung

Fokus: Lithiumgewinnung in Chile

Strategien zur nachhaltigen Rohstoffversorgung

Synthese

Literaturverzeichnis

Umweltwirkung während der Nutzungsphase

Zur Herstellung weitgehender Klimaneutralität im Straßenverkehr ist der Strom, der für das Laden der Fahr­zeugbatterien bzw. die Erzeugung von Wasserstoff und synthetischen flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen (PtX) verwendet wird, aus regenerativen Quellen zu beziehen. Ansonsten fände keine Vermeidung, sondern nur eine Verlagerung von Treibhausgasemissionen statt. Die nutzungsbezogenen Treibhausgasemissionen sind somit energieseitig mit Null anzusetzen, jedoch sind die Treibhausgasemissionen des Fahrzeugs, der Rohstoffvorkette und der für die Strombereitstellung benötigten Energieerzeugungsanlagen und -infrastrukturen den Fahrzeugen zuzuschlagen und anteilig über die Fahrleistung auf die einzelnen Fahrzeugkilometer zu verteilen (siehe: Rohstoffe und Ressourceneinsatz sowie Ressourceneinsatz zur Erzeugung regenerativen Stroms für den Verkehrssektor).

Neben der Minderung von Treibhausgasemissionen haben die drei betrachteten Technologiepfade weitere lokale Wirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit. Dies betrifft bspw. die lokalen Luftschadstoff- und Lärmemissionen.

NO x -Emissionen

Der grundsätzliche Unterschied hinsichtlich der Umweltwirkungen während der Nutzungsphase ergibt sich aus der weiteren Verwendung von Verbrennungsmotoren beim Einsatz von synthetischen Kraftstoffen. Während bei direkt­elektrischen und Wasserstofffahrzeugen in der Nutzungsphase keine direkten NO x -Emissionen auftreten, entstehen bei der Verbrennung von synthetischen Kraftstoffen (PtX) weiterhin NO x -Emissionen. Diese sind durch funktionierende Abgasminderungseinrichtungen zu reduzieren. Gegenüber Flotten mit Verbrennungs­motor zeigen batterieelektrische und wasserstoffbetriebene Pkw bezüglich der NO x -Emissionen auch unter der Annahme verbesserter Abgasreinigungssysteme und verschärfter Grenzwerte deutliche Vorteile.

Versauerungspotenzial

Die NO x – und auch SO 2 -, NH 3 – und HCl-Emissionen sind mit einem Versauerungspotenzial von Böden und Gewässern verbunden (Folge der Absenkung des pH-Wertes sind Nährstoffmangel, eingeschränktes Pflanzenwachstum, etc.). Die für eine Versauerung relevanten Emissionen entstehen neben der Nutzung u.a. in Rohstoffvorketten und bei der Produktion fossiler und synthetischer Kraftstoffe. Im Vergleich zu rohölbasierten Kraftstoffen ist das Versauerungspotenzial bei synthetischen Kraftstoffen deutlich niedriger und bei Wasserstoff kaum vorhanden. Im Rahmen des Rohstoffabbaus kann es zur Bildung von sauren Bergbauwässern kommen, welche Böden sowie das Grund- und Oberflächenwasser nachhaltig versauern können. Diese Problematik tritt sowohl beim Platinabbau für Brennstoffzellen und Katalysatoren für Verbrennungsfahrzeuge sowie aufgrund des höheren Rohstoffbedarfs insbesondere für die Akkus im größeren Umfang bei batterieelektrischen Fahrzeugen auf (siehe Umwelt- und Sozialfolgen des Rohstoffabbaus).

Feinstaub

Ein weiterer lokaler Luftschadstoff ist Feinstaub. Als Feinstaub bezeichnet man luftgetragene, inhalierbare Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser kleiner als 10 Mikrometer (< 10 µm). Feinstaub bis zu dieser Größe wird als PM 10 (particulate matter < 10 µm) bezeichnet. Lungengängiger Schwebstaub umfasst Partikel unter 2,5 Mikrometer und wird als PM 2,5 -Partikel bezeichnet. Partikel mit einer Größe unter 0,1 µm, die tief in die Lunge eindringen können, werden als Ultrafeinstaub (UFP) bezeichnet.

Die Feinstaubemissionen des Straßenverkehrs setzen sich aus zwei Quellen zusammen: Abgaspartikel aus der Verbrennung des Kraftstoffes und Reifen-­ und Bremsabrieb. Die Fein­staubemissionen aus Reifen­abrieb und Auf­wirbelungen werden unabhängig von der Art des Antriebs bestehen bleiben und hängen maßgeblich vom Verkehrsaufkommen ab. Sie sind insbesondere durch eine Verkehrsverlagerung und insbesondere Verkehrsvermeidung reduzierbar. Bei den nicht-motorischen Feinstaubemissionen ist der Bremsstaub ebenfalls von Belang, der laut unterschiedlichen Studien im Stadtverkehr einen Anteil von 16 – 55 % an den nicht-motorischen PM 10 -Emissionen einnimmt.,,, An den gesamten PM10-Emissionen des Straßenverkehrs soll der Bremsstaub einen Anteil von 11–21 % haben.,, Bremsstaubemissionen bestehen zu einem großen Teil aus metallischen Partikeln, die reaktiv und damit toxisch sein können.

Fahrzeuge mit Elektromotor (batterieelektrisches Fahrzeug, Brennstoffzellenfahrzeug) können über den elektromotorischen Widerstand eines in den Antrieb integrierten Generators bremsen. Die elektromotorische Bremsung ist verschleißfrei, da kein Bremsbelag auf einer Bremsscheibe reibt. Somit werden auch keine Staub- und Geräuschemissionen durch die Reibung verursacht, die Fahrzeugfelgen werden nicht durch Bremsstaub bedeckt. Die bei der Wandlung der Bewegungsenergie in elektrische Energie entstehende Wärme kann für die thermische Konditionierung des Innenraums verwendet werden. Der Generator gewinnt einen Teil der Bremsenergie zurück – das sogenannte rekuperieren – und erhöht somit die Reichweite des Fahrzeugs. Batterieelektrische Fahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge (mit Traktionsbatterie zur Zwischenspeicherung der rekupierten Energie) emittieren somit kaum Bremsstaubemissionen und insgesamt weniger Feinstaub.

Hinsicht­lich der Feinstaubemissionen im Abgas ist davon auszu­gehen, dass direkt­elektrische und wasserstoffbetriebe­ne Fahrzeuge emissionsfrei sind. Für die Nutzung von PtX liegen wenige Erkenntnisse vor – je nach Verbrennungstemperaturen, Entstehung von PM 10 -­Vorläufersub­stanzen und eingesetzter Partikelminderungseinrichtung ist hier aber weiterhin von Emissionen auszugehen.

Auch bei den Feinstaubemissionen sind nicht nur die Nutzungsphase mit den direkten Emissionen, sondern auch vorgelagerte und nachgelagerte Phasen relevant, auch wenn diese nur bedingt lokal wirken. Gesundheitlich relevante Feinstaubemissionen entstehen vorwiegend durch die Fahrzeugherstellung. Insbesondere die Herstellung von Stahlprodukten trägt zu den Feinstaubemissionen bei. Da die Zellgehäuse von Batteriezellen einen sehr hohen Stahleinsatz erfordern und mit dem Kupfereinsatz für die Anoden-Stromabnehmer und dem Kobalteinsatz als Kathodenmaterial ebenfalls Feinstaubemissionen verbunden sind, ist die Feinstaubwirkung von batterieelektrischen Fahrzeugen in der Produktion sehr hoch und direkt von der Batteriekapazität abhängig. Elektrofahrzeuge weisen daher erhebliche Nachteile bei den Feinstaubemissionen auch im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf, die perspektivisch durch Verbesserungen bei Fahrzeugherstellung und Recycling nicht zu kompensieren sein dürften.

Lärmemissionen

Die Lärmemissionen von Fahrzeugen entstehen hauptsächlich durch Antriebsgeräusche und Fahrgeräusche. Die Fahrgeräusche eines Kraftfahrzeugs bestehen primär aus dem Reifen-Fahrbahn-Geräusch, aerodynamische Geräusche (Abwindgeräusche) spielen erst ab einer Geschwindigkeit von etwa 120 km/h eine merkliche Rolle. Bei Pkw mit klassischem Verbrennungsmotor ist – je nach Fahrbahnoberfläche, Gangwahl und Beschleunigung – das Antriebsgeräusch bis etwa 25 km/h dominant. Bei höheren Geschwindigkeiten bestimmt dagegen zunehmend das Reifen-Fahrbahn-Geräusch das Gesamtgeräusch des Fahrzeugs. Bei Elektro-­ und Wasserstofffahrzeugen wird das Antriebsgeräusch hauptsächlich von den verbauten Elektromotoren erzeugt. Diese sind wesentlich leiser als Verbrennungsmotoren gleicher Leistung. “Hinzu kommen die Geräusche der Leistungselektronik, die lastabhängig sind und hauptsächlich beim Anfahren sowie beim Bremsen mit Energierückgewinnung, dem sogenannten Rekuperieren, entstehen. Dabei können hohe Pfeiftöne bei Frequenzen oberhalb von 5 kHz auftreten, die ein großes Störpotenzial besitzen.”

Elektro-­ und Wasserstofffahrzeu­ge sind also prinzipiell bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten deutlich leiser als und bei höheren Geschwindigkeiten vergleichbar laut wie Pkw mit Verbrennungsmotor. Bei starker Beschleunigung (“Vollgas”) und bei hochtouriger Fahrweise sind Elektrofahrzeuge leiser. In Summe sind substanzielle Ver­ringerungen der Lärmbelastungen durch den Straßenverkehr auch bei einem höheren Elektrifizierungsgrad nicht zu erwarten. Um Gefährdungen für Blinde und sehbehinderte Menschen durch langsam und somit leise fahrende Fahrzeuge auszuschließen, sind diese bei geringen Geschwindigkeiten durch sogenannte Acoustic Vehicle Alerting Systems (AVAS) künstlich lauter zu machen (EU-Verordnung 540/2014).

Energieeffizienz der Technologiepfade

Der Verkehrssektor ist nur einer von mehreren Sektoren, in welchen die Treibhausgasemissionen durch den Einsatz regenerativ erzeugter Energie massiv reduziert werden müssen. Im Hinblick auf die Entwicklung eines klimaneutralen Energiesystems sind daher nicht nur die Bedarfe und Anforderungen des Verkehrs und der Verkehrsteilnehmenden zu berücksichtigen, sondern das Gesamtsystem in den Blick zu nehmen. Perspektivisch wird der Verkehrssektor sowohl mit dem Industriesektor wie auch dem Gebäudewärmesektor um die knappen Biomassepotenziale, synthetische strombasierte Energieträger sowie regenerativ erzeugten Strom konkurrieren. Da die hierfür notwendigen Flächen, Standorte und Potenziale begrenzt sind, ist eine effiziente Energieverwendung von entscheidender Bedeutung. Ineffizienzen belasten Verbrauchende durch steigende Energiepreise sowie wachsende Energieaufwände aufgrund des Mehrverbrauchs.

Bei einer direkten Elektrifizierung wird regenerativ erzeugter Strom direkt in einen elektrochemischen Speicher, d.h. einen Akku, geladen. Aus diesem beziehen die Elektromotoren die notwendige Energie. Bei schweren Nutzfahrzeugen ist ein Energiebezug während der Fahrt über Oberleitungen denkbar.

Brennstoffzellenfahrzeuge werden ebenfalls von Elektromotoren angetrieben. Die notwendige Energie wird nicht in Akkus, sondern bei Wasserstoff-Sauerstoff- und Wasserstoff-Luft-Brennstoffzellen in Form von flüssigem oder gasförmigem Wasserstoff mitgeführt. Der Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff / Luft zu Wasser. Bei dieser Reaktion wird elektrische Energie frei, die in kleinen Akkus zwischengespeichert bzw. direkt dem Elektromotor zugeführt wird (siehe auch: Wie funktioniert ein Brennstoffzellenfahrzeug?).

Die dritte Option einer indirekten Elektrifizierung ist die Verbrennung synthetisch erzeugter Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren. Mittels Elektrolyse produziertem Wasserstoff wird in einem weiteren Umwandlungsschritt konzentriertes CO 2 zugeführt und entweder durch Methanisierung synthetisches Methan (CH 4 , PtG) erzeugt oder über die Fischer-Tropsch-Synthese / Methanolsynthese synthetischer Flüssigkraftstoff (PtL) hergestellt. Beim Verbrennungsprozess im Motor wird das zuvor gebundene CO 2 wieder freigesetzt. Zur Herstellung eines klimaneutralen Kraftstoffs darf das verwendete CO 2 nicht aus fossilen Quellen stammen. Es könnte bspw. aus Biogasanlagen oder aus der Luft gewonnen werden. Letzteres ist jedoch wegen der geringen CO 2 -Konzentration in der Luft derzeit noch mit einem hohen Energieaufwand und hohen Kosten verbunden.

Je nach eingesetztem Energieträger unterscheiden sich die energetischen Gesamtwirkungsgrade der verschiedenen Antriebsoptionen. Der Gesamtwirkungsgrad (Well-to-Wheel, WtW) setzt sich zusammen aus dem Well-to-Tank-Wirkungsgrad (WtW) und dem Tank-to-Wheel-Wirkungsgrad (TtW). Der Well-to-Tank-Wirkungsgrad deckt den Weg von der Primärenergiegewinnung bis zur Bereitstellung der Energie im Fahrzeug ab, der Tank-to-Wheel-Wirkungsgrad die Umwandlung dieser Energie in mechanische Energie.

Bei der direkten Nutzung von Strom in batterieelektrischen Fahrzeugen sind die Leitungsverluste vergleichsweise gering, Umwandlungsverluste in andere Energieträger nicht vorhanden. Der Well-to-Tank-Wirkungsgrad ist entsprechend hoch. Gleiches gilt aufgrund der hohen Effizienz des Elektromotors für den Tank-to-Wheel-Wirkungsgrad. Der energetische Gesamtwirkungsgrad liegt bei etwa 70 – 80 %.

Bei Brennstoffzellenfahrzeugen und der Verwendung von Wasserstoff treten bei der Elektrolyse zur Wasserstoffgewinnung, dem Transport des Wasserstoffs und der Verdichtung auf Tankstellendruck sowie bei der Rückverstromung in der Brennstoffzelle Wandlungsverluste auf. Bei der Elektrolyse gehen etwa 25 bis 35 % der eingesetzten Energie verloren. Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle liegt deutlich oberhalb von 50 %. Dennoch sind der Well-to-Tank- wie auch der Tank-to-Wheel-Wirkungsgrad im Vergleich zur direkten Stromnutzung um den Faktor 2 – 3 geringer. Der energetische Gesamtwirkungsgrad beläuft sich auf etwa 25 – 35 %.

Bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe kommen zu den Umwandlungsverlusten bei der Wasserstoffproduktion die Verluste bei der Synthetisierung der Kraftstoffe hinzu. Wird das dafür benötigte CO 2 aus der Luft entnommen, wächst der Energiebedarf des Prozesses weiter. Neben des geringen Well-to-Tank-Wirkungsgrads kommt es aufgrund der Ineffizienzen des Verbrennungsmotors mit einem Wirkungsgrad im Realbetrieb von häufig unter 30 % zu weiteren Verlusten. “Der Primärstromverbrauch […] des PtX­-Technologiepfades beträgt damit etwa das Dop­pelte des Brennstoffzellenpfades und mindestens das Vier­- bis Fünffache der direkten Elektrifizierung.” Der energetische Gesamtwirkungsgrad liegt bei 12 – 20 %.

Die Effizienzunterschiede werden sehr deutlich, wenn man die aus 15 kWh Primärenergieeinsatz erzielten Reichweiten mit einer Spannbreite von 15 bis 100 km betrachtet:

Im Vergleich der verschiedenen Elektrifizierungsoptionen besitzt die direkte Elektrifizierung aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads die größten Effizienzvorteile. Insbesondere der starke Einsatz strombasierter syn­thetischer Kraftstoffe würde aufgrund hoher Umwand­lungsverluste mit einem um ein Vielfaches größeren Strombedarf und, damit verbunden, höheren Kosten einhergehen. Zudem wächst der Importbedarf, da in Deutschland für eine heimische Produktion von PtX-Kraftstoffen aus regenerativer Energie keine Flächen in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen. Für eine rasche Dekarbonisierung des Verkehrs, einer Steigerung der Energieeffizienz des Verkehrssektors und einer Reduktion weiterer Umweltauswirkungen wie z.B. der lokalen Luftschadstoffbelastung bieten batterieelektrische Elektrofahrzeuge innerhalb des Technologievergleichs derzeit die besten Voraussetzungen.

Wirkungen auf das Energiesystem

Ein hoher Energiebedarf wäre nur dann unproblematisch, wenn weitaus mehr Strom produziert als benötigt wird. Dies ist ineffizient, wenngleich durchaus möglich. Da die Stromproduktionsmenge von Windenergie- und Photovoltaikanlagen von den Umweltbedingungen, d.h. Wind und Sonnenschein, abhängig ist, besteht die Notwendigkeit zur Speicherung für den Fall einer Überschussproduktion oder eines Nachfrageüberhangs. Die Differenz zwischen der Nachfrage nach Strom aller Stromverbraucher und der Stromerzeugung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien wird als Residuallast bezeichnet. Diese muss zu jeder Stunde durch den Einsatz von Flexibilitätstechnologien auf Angebotsseite wie bspw. flexible Kraftwerke (Biomasse, etc.) oder Speicher bzw. auf Nachfrageseite mittels Einspeicherung, flexiblen Verbrauchern und Umwandlungsprozessen in andere Energieformen auf Null gebracht werden. Etwaige Fluktuationen können auch über einen europäischen Netzverbund und / oder durch eine Kombination von Kurzzeit- und Langzeitspeichern abgedeckt werden.

Im Rahmen der sogenannten Sektorkopplung kommt es zu diversen Verflechtungen zwischen den einzelnen Sektoren insbesondere zwischen dem Verkehrssektor, dem Industriesektor und dem Gebäudesektor. Die einzelnen Sektoren besitzen unterschiedliche Anforderungen an Flexibilität und Formen der Energiebereitstellung. Gleichzeitig können sie in unterschiedlichen Größenordnungen und Zeiträumen Energie für andere Bereiche bereitstellen oder speichern. Neben einer Konkurrenz um regenerativ erzeugte Energie kommt es somit auch zu einer Kooperations- und gegenseitigen Stabilisierungswirkung.

Für die Kurzzeitspeicherung von Strom über einige Stunden bis Tage kommen aufgrund der wenigen für Pumpspeicherkraftwerke geeigneten Standorte insbesondere Batterien in Betracht (in der folgenden Grafik als “Speicher” bezeichnet”). Für die Lang­zeitspeicherung, also die saisonale Speicherung über mehrere Wochen und Monate, bietet sich die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse an. Dieser kann in Wasserstoffspeichern gespeichert werden. Als weitere Option kann Wasserstoff durch die Zuführung von konzentriertem CO 2 in synthetisches Methan gewandelt werden (Power-to-Gas, PtG). Dieses kann im Anschluss in der bestehenden Erdgasinfrastruktur gespeichert werden. Die Bundesrepublik Deutschland besaß Ende 2015 51 Erdgasspeicher mit einem Arbeitsgasvolumen von 24,6 Milliarden m³. Diese maximale Speicherkapazität reicht gegenwärtig statistisch gesehen für 80 Tage Vollversorgung der BRD und soll in den nächsten Jahren weiter erhöht werden.

Weitere Optionen sind die Umwandlung von Überschussstrom in Wärme (Power-to-Heat; ggf. mit Einspeicherung in Wärmespeichern) und die Produktion synthetischer Flüssigkraftstoffe (PtL). Letztere können im Anschluss für nicht energetische Anwendungen in der Industrie, als Kohlenstoffquelle für organische Grundstoffe und bei jenen Verkehrsarten eingesetzt werden, bei denen der direkte Einsatz von Strom nicht oder nur bedingt möglich ist.

Durch eine Flexibilisierung der Nachfrage werden Nachfragespitzen kleiner. Somit sind weniger Speicherkapazitäten und Stromerzeugungskapazitäten vorzuhalten, die Energiebereitstellung wird günstiger.

Netzstabilisierung durch gesteuertes Laden von batterieelektrischen Fahrzeugen

Im Verkehrsbereich ist im Kontext der Netzstabilisierung und Sektorkopplung das gesteuerte Laden von Elektrofahrzeugen von großer Bedeutung. Fahrzeuge sind über den Tag hinweg einen Großteil der Zeit geparkt. Dies gilt sowohl für gewerblich eingesetzte Flottenfahrzeuge wie private Pkw. Sie stehen in den Nachtstunden und während der Arbeitszeit meistens mehrere Stunden herum und könnten in dieser Zeit gut gesteuert und an gesamtsystemischen Erfordernissen orientiert geladen werden. Der Ladevorgang findet dann statt, wenn das Angebot erneuerbaren Stroms relativ (d. h. im Vergleich zur aktuellen Nachfrage) groß ist. Der Verkehrssektor würde somit einen Beitrag zur kurzfristigen Lastglättung leisten. Bei ungesteuertem Laden eines Großteils der elektrischen Fahrzeugflotte würde der Verkehrssektor hingegen den Flexibilitätsbe­darf in den anderen Sektoren stark erhöhen.

Durch eine bidirektionale Einbindung der Elek­trofahrzeuge in das Stromsystem könnte die Notwendigkeit zusätzlicher Stromerzeugungs­- bzw. Speicherka­pazitäten gesenkt werden (Demand-Side-Management). Hierbei würden batterieelektrische Fahrzeuge Strom in Zeiten hoher Nachfrage und eines geringen Angebots ins Netz zurückspeisen. Die Fahrzeugbatterien würden netzstützend eingebunden werden. Dies gilt sowohl auf lokaler / regionaler Ebene zur Rückspeisung elektrischer Energie wie auch überregional insbesondere zur Bereitstellung von Sekundärregelleistung (Ausgleich von Schwankungen im Bereich von 30 Sekunden bis 15 Minuten). Hierfür sind jedoch zunächst infrastrukturseitig die notwendigen technischen Voraussetzungen zu schaffen sowie wirtschaftliche Fragestellungen zu klären. Dies betrifft bspw. die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladesäule sowie zwischen Ladesäule und Stromnetz. Lade-Stromrichter und die Ladekommunikation sind um die Rückspeisefunktionalität zu erweitern. Auf Ebene der Fahrzeugbatterie kann ein verändertes Batteriedesign und eine andere chemische Auslegung notwendig sein, um die beschleunigte zyklische Alterung durch die zusätzlichen Ladezyklen zu begrenzen.

Um die gewünschten netzstabilisierenden Effekte des gesteuerten Ladens erreichen zu können, spielt das Lade- und Mobilitätsverhalten eine wichtige Rolle. Hierbei ist die alleinige Betrachtung der am Abend auftretenden Lastspitze und des “Ladens nach der Arbeit” nicht ausreichend. Parallel zur demografischen Entwicklung verändert sich das Mobilitätsverhalten signifikant. Die Bedeutung des Berufsverkehrs dürfte aufgrund der größeren Zahl von Menschen im Ruhestand abnehmen, die bereits heute wichtigen Freizeitverkehre weiter zunehmen. Laut der deutschlandweiten Mobilitätsuntersuchung Mobilität in Deutschland 2017 wurden 2017 pro Tag 71 Millionen Wege mit dem Wegezweck Freizeit (34 %), 41 Millionen mit dem Wegezweck Einkauf (16 %) und 42 Millionen mit dem Wegzweck “zur Arbeit” (16 %) zurückgelegt. Darüber hinaus können einzelne Pkw von mehreren Haushaltsmitgliedern mit unterschiedlichen Mobilitätsmustern gemeinsam genutzt werden, sodass die Fahrzeugebene komplexer als die Personenebene sein kann.

Mattioli et al. haben auf Basis der britischen National Travel Survey of Great Britain (NTS) aus dem Jahr 2016 die Nutzung von 3.064 Fahrzeugen an 14.265 Fahrzeugnutzungstagen halbstundenfein untersucht. Neben der Nicht-Nutzung konnten fünf weitere Nutzungsmuster identifiziert werden, die sich in der Nutzungsfrequenz, Dauer, etc. unterscheiden: etwa 31 % der betrachteten Fahrzeuge wiesen das stereotypisch unterstellte Nutzungsmuster “morgens los, abends zurück” auf (VDC1 und VDC2), 14 % wurden hauptsächlich mittags (VDC5) oder in den späten Nachmittagsstunden genutzt (VDC3) und 33 % gar nicht bewegt (VDC0).

Die unterschiedlichen Nutzungsmuster gehen mit unterschiedlichen Distanzen, Zeitaufwänden und Wegezwecken einher:

Auch in der Wochenbetrachtung ist der stereotypische “Pendlerrythmus” mit nur 15 % in der Minderheit (VWC2 und VWC3). Rund 24 % der Fahrzeuge wurden in der Woche nur an weniger als drei Tagen genutzt (VWC1). 3,4 % der Fahrzeuge (VWC4) werden primär in den Morgen- und Mittagsstunden genutzt und scheinen primär dem Ziel zu dienen, Kinder zur Schule zu bringen bzw. von dort zu holen. Dies äußert sich auch in einem höheren Besetzungsgrad.

Die stereotypisch unterstellten Nutzungsmuster von Pkw scheinen in Realität komplexer und weitaus heterogener zu sein. Aufgrund des starken Fokus auf den Berufsverkehr und beruflich bedingte Mobilitätsmuster wird die Netzwirkung von Elektrofahrzeugen, aber auch die Reichweitendiskussion, in der Politik, Öffentlichkeit, aber auch Wissenschaft unvollkommen geführt. Dies betrifft sowohl die möglichen Ladezeitfenster, die zu ladende Strommenge, aber auch die Notwendigkeit, eine entsprechende Reichweite zur Verfügung zu haben. Die Akzeptanz und Einbeziehung heterogener Nutzungsmuster in zukünftige Untersuchungen und Planungen wäre daher zu empfehlen.

Verwendung von Überschussstrom für die Produktion von Wasserstoff und synthetischen Kraftstoffen?

Theoretisch kann Überschussstrom auch für die Produktion von Wasserstoff in Elektrolyseuren genutzt werden. Dies würde zusätzliche Flexibilität und Sicherheit des Energiesystems bedeuten, da sich Wasserstoffproduktion und -verbrauch zeitlich entkoppeln lassen und somit zur (saisonalen) Lastglättung beitragen. Gleichwohl bedeutet dies nicht, dass das Betreiben von Wasserstofffahrzeugen mit reinem Überschussstrom möglich sein wird.

Die Anschaffung der Elektrolyseure geht mit hohen Anfangsinvestitionen einher. Da diese Ausgaben auf die produzierte Menge Wasserstoff umgelegt wird, ist die Auslastung der Elektrolyseanlagen für die Umwandlungskosten maßgeblich: Je höher die Auslastung, desto weniger fallen die Investitionskosten bei Berechnung der spezifischen Umwandlungskosten ins Gewicht. Maßgeblich hierfür ist eine hohe Zahl an Volllaststunden, die durch die vergleichsweise seltenen Einspeisespitzen nicht erreicht werden kann. Viele Anlagen lohnen sich erst ab 2.000 Volllaststunden im Jahr. Die Anlagen dienen somit weniger dazu, quasi kostenlosen Überschussstrom zu nutzen, sondern Strom, der durch Zusatzinvestitionen bereitgestellt werden muss, da die Menge benötigter Stromerzeugungskapazitäten bei einer indirekten Elektrifizierung mittels Brennstoffzellenfahr­zeugen deutlich ansteigen wird.

Der Aufbau einer Wasserstoffproduktion an Gunststandorten wie bspw. Nordafrika und der Export des erzeugten Wasserstoffes nach Deutschland wäre produktionsseitig aufgrund der günstigeren Gestehungskosten für regenerativen Strom günstiger. Dies setzt jedoch umfangreiche Transporte und den Aufbau der notwendigen Infrastrukturen und Verteilnetze voraus.

Auch Power-to-Gas- und Power-to-Liquid-Anlagen brauchen als kapitalintensive Güter mit hohen Fixkosten für einen wirtschaftlichen Betrieb günstigen Strom aus regenerativen Quellen und hohe Volllaststunden von mindestens 3.000 – 4.000 Stunden pro Jahr. Sie können daher ebenso wie Elektrolyseure nicht mit Überschussstrom betrieben werden. “Der oft genannte ‘Überschussstrom’ stellt […] rein mengenmäßig keine ausreichende Basis für den wirtschaftlichen Betrieb von PtG-/PtL-Anlagen in Deutschland dar. Hinzu kommt, dass diese Anlagen lokal mit weiteren, oft erheblich kostengünstigeren zuschaltbaren Lasten im Markt für Flexibilität konkurrieren werden, wie Power-to-Heat, Speichern und Industrieanwendungen.” Für die Erzeugung synthetischer Brennstoffe werden explizit für diesen Zweck Erneuerbare-Energien-Anlagen gebaut werden müssen – entweder in Deutschland oder beispielsweise in Nordafrika beziehungsweise im Nahen Osten.

Gleichwohl besitzen synthetische, klimaneutrale Kraftstoffe aufgrund ihrer hohen Energiedichte und guten Speicherbarkeit Vorteile im Gesamtenergiesystem. So würden sie es ermöglichen, die Anwendungsroutinen und Energiestrukturen im Wesentlichen so zu belassen wie heute. Die gute Speicherbarkeit ermöglicht Flexibilität und den Betrieb steuerbarer Kraftwerke, “um so der Fluktuation der erneuerbaren Strom­erzeugung entgegenzuwirken. Hierdurch können poten­ziell notwendige Überkapazitäten an erneuerbaren Ener­gien zum Teil reduziert werden.”

Eine Umstellung des Verkehrs auf synthetische Kraftstoffe bietet per se erst einmal keine Vorteile für das Energiesystem oder die Umwelt. Die energetische Ineffizienz erfordert einen hohen Primärenergieaufwand. Dies macht einen starke Steigerung der Energieerzeugungskapazitäten und – damit verbunden – einen sehr hohen Importanteil notwendig. Dies spiegelt sich wiederum in dauerhaft höheren Kosten wieder und lässt ebenfalls Fragen nach der Versorgungssicherheit aufkommen.

Gleichzeitig stellt sich die Frage nach der Erzeugung der erforderlichen Mengen an erneuerbaren Energien innerhalb Deutschlands. Auch wenn es technisch in Deutschland ausreichend Standorte für die Erzeugung erneuerbarer Energien gibt, ist zweifelhaft, ob diese hinsichtlich Akzeptanz in ausreichendem Maße erschlossen werden können. Es könnte daher notwendig werden, einen Teil der benötigten erneuerbaren Energien mangels heimischer Akzeptanz für die Energiewende zu importieren. Chemische Energieträger sind hierbei aufgrund ihrer guten Speicherbarkeit und der vorhandenen Transportinfrastruktur von Vorteil. Gunststandorte wie Nordafrika, der Nahe Osten oder auch Island weisen hierbei nicht nur deutliche Effizienzvorteile im Vergleich zu einer heimischen Herstellung von PtL auf. Auch hinsichtlich der ökologischen Auswirkungen der Flächeninanspruchnahme durch Energieerzeugungsanlagen und deren Auswirkungen auf die lokale Umwelt und das lokale Klima haben Wüstenstandorte Vorteile. Des Weiteren kann die Produktion synthetischer Kraftstoffe Entwicklungspotentiale für die jeweiligen Erzeugerländer kreieren und über Auslandsinvestitionen und Exporte insbesondere in Schwellen- und Entwicklungsländern zusätzliche Wachstums-, Beschäftigungs- und Wohlstandsperspektiven vor Ort schaffen. Zudem können Investitionen in die Energiesektoren der jeweiligen Länder die lokale Versorgungsstabilität erhöhen.

Infrastrukturkosten

Die Produktion und Bereitstellung der benötigten Energie unterscheidet sich nach der Energieform: Stromverteilnetze, Ladepunkte und Oberleitungen für die direkte Stromnutzung; Terminals, Pipelines und Tankstellen für Wasserstoff, Power-to-Gas und Power-to-Liquid.

Bei der direkten Verwendung von Strom existieren Unterschiede zwischen leitungsgebundenem und -ungebundenem Laden. Der Aufbau eines Oberleitungsnetzes auf deutschen Autobahnen zur Strombereitstellung für Oberleitungs-Hybrid-Lkw kostet je Kilometer (beide Richtungen) zwischen zwei bis drei Millionen Euro. Die Kosten sind abhängig von den Streckengegebenheiten. Für die deutschen Autobahnen A1 bis A9 mit einer Streckenlänge von etwa 5700 km ergäben sich somit Investitionskosten von rund 11,5 Milliarden Euro. Wietschel et al. haben für verschiedene Systemvarianten , die sich maßgeblich über die Netzabdeckung mit Oberleitungsinfrastruktur unterscheiden, Investitionsbedarfe zwischen 2,0 und 23,4 Milliarden Euro ermittelt. Das Öko-Institut ermittelte für ein Startnetz von 500 elektrifizierten Kilometern je Richtung Gesamt-Investitionskosten von 0,85 Milliarden Euro, bei 2.000 elektrifizierten Kilometern je Richtung von 5,1 Milliarden Euro und im Endausbau mit 4.000 elektrifizierten Kilometern je Richtung von 10,2 – 12,2 Milliarden Euro. Die Mittel zum Aufbau der Infrastruktur könnten dabei entweder aus der bestehenden Lkw-Maut oder durch Einführung einer eigenständigen Oberleitungsnetz-Maut für alle potentiellen Nutzer finanziert werden.

Bei batterieelektrischen Fahrzeugen hat das Ladeverhalten Auswirkungen auf die benötigte Ladeinfrastruktur. Gesteuertes Laden verringert die Belastung der Verteilnetze und die bereitzustellenden Kapazitäten bei der Stromproduktion. Für den Aufbau eines engmaschigen Ladenetzes von rund 40 Millionen Ladepunkten im Jahr 2050 kann mit einer Investitionshöhe in der Größenordnung von 80 bis 110 Milliarden Euro gerechnet werden. “Die Höhe der Investition im häuslichen Bereich liegt bei 1.200 € bis 1.300 € pro Ladesäule. Die Gebühren für die Nutzung (halb-) öffentlicher Ladeinfrastruktur liegen zwischen 0,02 € und 0,18 € für 10 Minuten.” Grube et al. gehen bei einem Anteil von 75 % batterieelektrischen Elektrofahrzeugen von Kosten zwischen 125 bis 179 Milliarden Euro aus (Gesamtsystem).

Robinius et al. haben die Infrastrukturkosten für batterieelektrische Fahrzeuge sowie Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge inklusive Optionen zur Integration von Strom-Überschüssen untersucht. Die kumulierten Investitionen bei einem Fahrzeugbestand von 20 Millionen Fahrzeugen liegen für eine Ladeinfrastruktur bei rund 51 Milliarden Euro und bei einer Wasserstoff-Infrastruktur bei rund 40 Milliarden Euro. Die realen Kosten werden stark von der Überschuss-Strommenge, den eingesetzten Speichern und der Anzahl der Schnellladestationen abhängen. Die Investitionskosten für 20 Millionen FCEV verteilen sich auf 19,2 GW Elektrolysekapazität (~9,6 Mrd. €), 300.000 t Wasserstoffspeicherkapazität (~5,1 Mrd. €), 12.400 km Wasserstofftransportleitung (~5,9 Mrd. €), 3.000 Transport-Lkw mit 500 bar Verbundbehälteranhängern (~2,4 Mrd. €), eine Kompressionsleistung von 500 MW (~1,5 Mrd. €) und 6.977 Tankstellen (15,6 Mrd. €).

Für die Nutzung synthetischer Kraftstoffe in Ver­brennungsmotoren sind in Deutschland keine größeren Veränderungen an der derzeit existierenden Infrastruktur not­wendig. So kann bspw. auf die bestehende Tankstellen- und Importinfrastruk­tur zurückgegriffen werden. Bei einem verstärkten Einsatz von Power-to-Gas wäre die Gastankstelleninfrastruktur punktuell auszubauen, für die Verteilung steht das Erdgasnetz zur Verfügung. Für die Wasserstofferzeugung, Kohlenstoffbereitstellung und Kraftstoffsynthese wären in Deutschland entsprechende Anlagen weiterzuentwickeln und zu installieren. “Soweit die stofflichen PtX-Produkte mit den konventionellen Produkten vergleichbar sind, können diese gemischt werden und gemeinsam transportiert werden. Damit ist eine fließende Umstellung des Energieträgers unter Beibehaltung der Infrastruktur möglich, ohne dass es zu Brüchen kommt oder eine Infrastruktur obsolet wird.”

An Gunststandorten im Ausland wären größere Investitionssummen zu investieren, um dort die notwendige Strommenge, Wasser ggf. über Entsalzungsanlagen und Produktions- sowie Lager- und Transportstrukturen (Netze, Pipelines oder Schiffe) aufzubauen. Denkbar ist das Entstehen neuer Transportstrukturen bspw. den Transport von überkritischem CO 2 aus industriellen Zentren in Europa hin zu erneuerbaren Stromerzeugungs- und PtX-Anlagen in Nordafrika und der Rücktransport von erneuerbarem LNG.

Die Infrastrukturkosten der einzelnen Technologiepfade des Verkehrssektors werden stark vom allgemeinen Speicher- und Netzausbau im Energiebereich abhängen. Unter der Annahme, dass die großen saisonalen Schwankungen der erneuerbaren Energie in Deutschland nur über Gasspeicherung, vorzugsweise über Wasserstoff, ausgeglichen werden können, könnte es zu einer Verbindung des Stromerzeugungssektors und des Verkehrssektors kommen. Wasserstoff könnte die sinnvollste großtechnische Speichermöglichkeit bieten, weil andere Möglichkeiten, wie z.B. Pumpspeicher, Druckluftspeicher oder Batterien, nicht über genügend potenzielle Kapazitäten verfügen und die Methanisierung ökonomisch nicht darstellbar ist. In diesem Falle würde ein Wasserstoffpfad im Energiesektor ökonomisch deutliche Vorteile besitzen, die auch auf den Verkehrssektor ausstrahlen würden. Ähnliche Effekte könnten auch durch die Verwendung synthetischer Kraft- und Brennstoffe (PtX) oder die Weiterentwicklung von (regionalen) Stromnetzen und der Kombination verschiedener Speichertechnologien entstehen.

Gesamtkosten (Anschaffungskosten für Fahrzeuge, Kosten für Lade- und Tankstelleninfrastruktur, Energiekosten und Betriebskosten)

Eine exakte Bezifferung der Kosten der verschiedenen Energiebereitstellungsformen ist derzeit nicht möglich. Alle Kostenangaben für die Zukunft sind abhängig von den Annahmen und zugrundeliegenden Modellen. Es ist aber absehbar, dass die größten Kostenblöcke im Bereich der Energieträgerproduktion und bei der Fahrzeugherstellung liegen. Durch technische Innovationen – insbesondere Sprunginnovationen – kann es zu starken Veränderungen der Kostenbestandteile kommen. Diese sind heute nicht absehbar, sodass Modelle und Prognosen stets nur ein mit starken Unsicherheiten behafteter Blick in die Zukunft sein können.

Möchte man eine Vergleichbarkeit zwischen den verschiedenen Optionen herstellen, ist es zunächst von großer Bedeutung, Modelle mit gleichen Annahmen und einer konsistenten Datengrundlage zu wählen. Ebenfalls bietet es sich an, die volkswirtschaftlichen Kosten statt die privat-individuellen Kosten bzw. Kilometerkosten zu betrachten, da diese unabhängiger vom individuellen Verhalten sind und die Kosten für die Energieversorgung, die Anpassung der Infrastruktur und die Herstellung der Fahrzeuge mit in den Blick nehmen.

Kasten et al. haben 2016 verschiedene Verkehrs- und Energieversorgungsszenarien für den Verkehr für den Zeitraum zwischen 2010 und 2050 modelliert. Betrachtet wurden die Direktnutzung von Strom in batterieelektrischen bzw. über Oberleitung versorgten Fahrzeuge, stromgenerierte Kraftstoffen wie Power-to-Gas (PtG-CH4 [Methan], PtG-H2 [Wasserstoff]) und Power-to-Liquid (PtL) als jeweils zentrale THG-freie Energieträgeroption. Um die vier Verkehrs– und Energieträgerszenarien vergleichbar zu halten, wurden keine Unterschiede in der Verkehrsleistung der einzelnen Verkehrsträger, der Anzahl der Neuzulassungen und des Bestands der Fahrzeuge, der Effizienzentwicklung der einzelnen Technologien,der Tankstellenzahl sowie der Kostenentwicklung der einzelnen Technologien und der Energieträger angenommen. Jedoch ist diesen Technologien eine starke Kostendegression aufgrund der technischen Weiterentwicklung und höheren Stückzahlen zugrunde gelegt. Unterschiede in den Szenarien ergeben sich daher alleine dadurch, dass unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen, die auch unterschiedliche Entwicklungen in der Energieinfrastruktur und beim Energieträgereinsatz mit sich bringen.,

In der Modellierung wird zwischen Straßennahverkehr und Straßenfernverkehr unterschieden. Im Straßennahverkehr sind Pkw und Güterfahrzeuge unter 18 t zulässigem Gesamtgewicht zusammengefasst. Betrachtet wurden für diesen verbrennungsmotorische CH 4 -Fahrzeuge (ICEV-CH 4 ; gasförmig), H 2 -betriebene Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV; gasförmig), rein batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) und Plug-In-Hybride (PHEV). In allen vier Szenarien für den Straßennahverkehr wurde ein elektromobiler Neuzulassungsanteil von mindestens 50 % im Jahr 2050 angenommen.

Im Straßenfernverkehr werden insbesondere Sattel-/Lastzüge betrachtet. “Für batterieelektrische Fahrzeuge mit ausreichenden Reichweiten für den Güterfernverkehr (mindestens 600 bis 800 km) ergeben sich aufgrund der benötigten Batteriekapazität, die mit hohen Kosten und einem hohen Zusatzgewicht einhergeht, außer in Sonderanwendungen keine praktikable Fahrzeugkonfiguration und werden demzufolge in den Szenarien nicht betrachtet. Als Option für die Nutzung von Strom werden daher Oberleitungs-Lkw (OC-GIV) in Betracht gezogen.” Der elektrische Fahranteil der Lkw-Hybridfahrzeuge wird mit 75 % über die Zeit konstant gehalten. Beim Einsatz von CH 4 und H 2 werden diese in flüssiger Form verwendet.

Die Gesamtkosten der vier Szenarien werden im Vergleich zu einem Referenzszenario ermittelt. Das Referenzszenario entspricht dabei dem PtL-Flüssigkraftstoffe-Szenario „Fl+“, allerdings werden ausschließlich konventionelle Kraftstoffe (Benzin, Diesel, Kerosin, Schweröl) verwendet. Die volkswirtschaftlichen Kosten werden für den gesamten Betrachtungszeitraum von 2010 bis 2050 ermittelt. Die Mehrkosten zum Referenzszenario verdeutlichen die volkswirtschaftlichen Umstellungskosten zur Erreichung des Ziels eines treibhausgasneutralen Verkehrs mit den jeweiligen Optionen. Alle Kostenangaben werden dabei zu konstanten Preisen auf Basis von 2010 dargestellt.

Im Szenarienvergleich weist das Szenario “E+” mit der weitgehend direkten Nutzung regenerativ erzeugten Stroms für Pkw und Krafträdern, leichten Nutzfahrzeuge und Lkw, die im Nahverkehr eingesetzt werden, die volkswirtschaftlich geringsten Gesamtkosten aus. Die gesamten Umstellungskosten inklusive Energiekosten und Anschaffungskosten der Fahrzeuge liegen bei rund 243 Milliarden Euro.

Die Nutzung von PtG-Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen (Szenario H2+) ist bei der Fahrzeuganschaffung als auch bei Tankstellen und Ladeinfrastruktur deutlich teurer als alle anderen Varianten. Dies schließt auch den Aufbau eines flächendeckenden Ladenetzes für batterieelektrische Fahrzeuge ein und ist hauptsächlich den hohen Investitionskosten für die Tankstelleninfrastruktur mit 23.083 H 2 -Zapfsäulen geschuldet. Weitere große Kostenblöcke sind die Energiebereitstellung aufgrund der geringeren Energieeffizienz trotz der zusätzlich angenommenen Wirkungsgradsteigerung der Brennstoffzellensysteme und die hohen Fahrzeugkosten. “Die [fahrzeugseitigen] Mehrkosten in den Anfangsjahren führen zu einem Kostenrucksack, der selbst im Zeitraum nach 2050 nicht mehr abgebaut werden kann. Die Mehrkosten der Fahrzeugtechnik versachen im Straßenpersonenverkehr mit den relativ geringen Fahrleistungen letztendlich deutlich höhere Kilometerkosten für Verbraucherinnen und Verbraucher.

Im Vergleich zum Szenario E+ liegen die Mehrkosten des Szenarios H2+ bei rund 500 Milliarden Euro. Die Szenarien Fl+ und CH 4 + weisen gegenüber dem Szenario E+ im gleichen Zeitraum Mehrkosten von jeweils ca. 90 Milliarden Euro auf.

Das Fl+-Szenario mit Nutzung von regenerativ erzeugten synthetischen Kraftstoffen hat infrastruktur- und fahrzeugseitig gegenüber dem Referenzszenario keine Kostenunterschiede, da es nur zu Änderungen auf Kraftstoffseite kommt. In den ersten Jahren weist der Einsatz von PtL daher nur sehr geringe Kosten auf, da umfangreiche Infrastrukturinvestitionen entfallen. Auf mittlere und lange Frist entstehen aufgrund des Energiebedarfs und der schlechten Energieeffizienz hohe Zusatzkosten bei der Energiebereitstellung, die von den Verbraucherinnen und Verbrauchern zu tragen sind.

Das Szenario PtG-CH 4 ähnelt dem H 2 -Szenario, besitzt jedoch einige energieträgerspezifische Vorteile. So erfolgt der Transport innerhalb Deutschlands über das bestehende öffentliche Gasnetz. Beim Transport entweicht im Vergleich zu H 2 weniger Methan (geringerer Boil-off) mit entsprechend geringeren Kosten.

Im Straßengüterfernverkehr und Reisebusverkehr (Straßenfernverkehr) schneidet das Szenario E+ mit Schwerpunkt auf direkter Stromnutzung in der Kostenbetrachtung klar besser ab als alle anderen Szenarien.

Die Elektrifizierung von Teilen des Autobahnnetzes mit Oberleitungen ab dem Jahr 2025 ist im Vergleich relativ günstig. Im Betrieb bestehen Vorteile aufgrund des hohen Effizienzgrads, der sich in geringen Energiebereitstellungskosten äußert. Aufgrund der höheren Jahres- und Gesamtfahrleistungen von Lkw und Reisebussen im Vergleich zu Pkw und leichten Nutzfahrzeugen ist dieser Kostenblock von sehr großer Bedeutung.

Die Szenarien Fl+ und CH 4 + liegen kostenseitig eng beeinander. Leichte Vorteile von CH 4 bei den Kosten der Energiebereitstellung werden von Fahrzeug- und Infrastrukturkosten bei PtL aufgehoben. Die Kosten der Szenarien Fl+ und CH 4+ würden Mehrkosten von zusätzlich 96 % bzw. 122 % bezogen auf das Szenario E+ bedeuten (96 bzw. 122 Mrd. € Mehrkosten).

Der Einsatz von Brennstoffzellen-Lkw und -Bussen und deren Betrieb mit Wasserstoff weist im Vergleich zu allen anderen Optionen die höchsten Gesamtkosten auf, diese sind jedoch nicht so hoch wie bei Pkw und anderen Fahrzeugen, die im Nahbereich eingesetzt werden. Im Vergleich zur direkten Stromnutzung insbesondere über ein Oberleitungsnetz über Autobahnen liegen die Gesamtkosten um rund 200 Milliarden Euro höher.

Die Gesamtkostenbetrachtung, welche neben den Anschaffungskosten für Fahrzeuge auch die Kosten für Lade- und Tankstelleninfrastruktur, Energiekosten und Betriebskosten wie Wartungs-, Reparatur- oder Haltungskosten berücksichtigt, zeigt die hohe Bedeutung der Energiebereitstellung und Fahrzeuganschaffung. Die oft im Fokus stehenden Infrastrukturkosten sind zwar nicht vernachlässigbar, aber im Verhältnis zur Energiebereitstellung und Fahrzeuganschaffung um ein Vielfaches geringer. Gleichzeitig besitzt die Infrastukturfrage eine große Bedeutung für die gesellschaftliche Akzeptanz der einzelnen Technologien. In der öffentlichen Debatte könnte es schwer zu vermitteln sein, dass die für den Zeitraum 2010 – 2050 kostengünstigste Energieversorgungsoption des direkten Stromeinsatzes in ihrer Einführungsphase kurzfristig die teuerste Option sein kann. Es wäre relativ einfach, insbesondere synthetische Kraftstoffe (PtL) zu fordern, da diese nicht den Aufbau neuer Verteil- und Tankinfrastrukturen erfordern. Auf lange Sicht dürfte dieser Weg des geringsten Widerstands jedoch zu einer starken Belastung der Bürgerinnen und Bürger führen.

Rohstoffe und Ressourceneinsatz

Ortsveränderungen abseits des Barfußgehen sind ausnahmslos mit dem Einsatz von Rohstoffen und Ressourcen verbunden. Dies gilt für die Herstellung von Schuhen, die Fahrzeugproduktion (Fahrrad, Tretroller, Pkw, Bus, Lkw, u.v.m) wie auch für die Bereitstellung der notwendigen Antriebsenergie (Rohöl, für Stromproduktion eingesetzte Energieträger, Ressourcen für Erzeugungsanlagen, u.v.m) und der Infrastruktur (Straßen, Schienen, etc.). Im Verkehrsbereich stellen sich daher bei jeder Verkehrsart Fragen nach den wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Folgen der Ressourceninanspruchnahme und insbesondere deren Gewinnung. Die Wirkungen differenzieren sich nach der Menge und der Art der jeweils eingesetzten Rohstoffe. Ebenfalls stellt sich die Frage, ob Ressourcen final verbraucht oder lediglich verwendet werden, da durch eine Mehrfachverwendung ein effizienterer Ressourceneinsatz und eine Verminderung der damit zusammenhängenden Auswirkungen möglich ist.

Die Inanspruchnahme von Rohstoffen und Verwendung von Ressourcen hat verschiedene Dimensionen: eine wirtschaftspolitisch, geo- und regionalstrategische hinsichtlich der Rohstoffversorgung und -sicherheit, eine gesundheitlich-soziale hinsichtlich der Abbaubedingungen sowie eine ökologische hinsichtlich der Abbaufolgen und der mit dem Abbau verbundenen Natureingriffe.

Bei einer regenerativen Stromerzeugung und einer Verwendung dieses Stroms in verschiedenen Formen in Fahrzeugen, werden während der Nutzungsphase nahezu keine Rohstoffe benötigt. Gleichwohl steigt die Bedeutung der Herstellungsphase aufgrund des höheren Materialeinsatzes im Allgemeinen und den Einsatz bestimmter Materialien im Besonderen. Während auf der einen Seite die Nachfrage nach Erdöl, den Materialien für den Antriebsstrang von Verbrennungsmotoren, Autoabgaskatalysatoren und die Benzin­/Diesel-Wertschöpfungskette wie Raffineriekatalysatoren, usw. deutlich zurückgehen werden, nimmt die Bedeutung der Erzgewinnung und ­-verarbeitung zur Metallherstellung zu.

Da viele der benötigten Rohstoffe nicht in Deutschland oder der EU gewonnen werden, wird ein Großteil der negativen Folgen in Drittländern verursacht. Die in den Abbauregionen häufig existierenden niedrigen Umwelt­- und Sozialstandards sowie deren ungenügende Durchsetzung haben gravierende Folgen für die dort lebenden Menschen und die Natur. Der von uns in den letzten Jahrzehnten bei der Gewinnung fossiler und nuklearer Brennstoffe begangene Fehler, unseren Wohlstand und unseren Lebensstil auf den Schultern wehrloser Dritter zu errichten, sollte dieses Mal vermieden und Wiedergutmachung geleistet werden.

Um die Auswirkungen der verschiedenen Antriebskonzepte und Technologieoptionen auf Umwelt, menschliche Gesundheit und Ressourcen ganzheitlich erfassen zu können, ist der gesamte Lebensweg zu betrachten. Dies schließt die Herstellung, die Nutzungsphase mit der Energiebereitstellung sowie die Entsorgung mit ein.

Die drei in diesem Artikel betrachteten Technologieoptionen – Fahrzeug mit Verbrennungsmotor bei Verwendung flüssiger oder gasförmiger synthetischer Kraftstoffe, Brennstoffzellenfahrzeug und batterieelektrisches Elektrofahrzeug – bedürfen bei der Herstellung des Rumpffahrzeugs bestehend aus Karosserie, Fahrwerk, Türen, Glasscheiben, Stoßfänger, Reifen und Innenraum den gleichen Ressourcen, deren Menge sich ggf. gewichtsmäßig durch erforderliche Verstärkungen unterscheiden kann.

Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor müssen für die Herstellung des Verbrennungsmotors und die Herstellung der benötigten Zusatzbauteile Ressourcen aufgewandt werden. Bei Brennstoffzellenfahrzeugen gilt dies für die Herstellung des Elektromotors, der Brennstoffzelle, des Umrichters und weiterer Zusatzbauteile. Batterieelektrische Fahrzeuge benötigen Ressourcen für die Herstellung des Elektromotors, der Batterie und der notwendigen Zusatzbauteile.

Ressourceneinsatz zur Erzeugung regenerativen Stroms für den Verkehrssektor

Neben dem fahrzeugbezogenen Ressourceneinsatz sind auch die zur Energieerzeugung und -­speicherung notwendigen Anlagen dem Verkehrssektor zuzuschlagen. Bei Windenergieanlagen werden neben Beton und Stahl, glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) sowie kohlenstofffaser­verstärkte Kunststoffe (CFK) und Verbunde aus GFK und CFK genutzt. Für die Verkabelung und Netzanbindung wird Kupfer benötigt. Bei der Verwendung permanentmagnetisch erregter Generatoren werden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB) eingesetzt, welche neben Neodym die Seltenerdelemente Dysprosium, Terbium und Praseodym enthalten können. Der Bedarf an Seltenen Erden hängt vom Marktanteil permanentmagnethaltiger Antriebstechnologien ab. Dieser ist wiederum abhängig von der Nachfrage nach elektrisch erregten Direct-Drive-Anlagen und der Entwicklung von Hochtemperatursupraleiter-Windkraftanlagen (HTS).

Bei Photovoltaikanlagen ist zunächst zwischen siliziumbasierten Photovoltaikmodulen (c-­Si-­Module) und Dünnschicht­-Photovoltaikmodulen zu unterscheiden. Siliziumbasierte Module dominieren derzeit den Markt und bestehen typischerweise zu circa 60 bis 85 % aus Glas (Trägerglas und Deckscheibe), 0 bis 20 % Aluminium (Rahmen), 7 bis 10 % Kunststoffen (insbesondere EVA-Folie), 3 bis 4 % Solarzellen bzw. 2,5 bis 5 % Silizium, 0,5 bis 1 % Kupfer und 0,05 bis 0,1 % Zinn. Ebenfalls werden Silber, Blei und Nickel in unterschiedlichen Mengen eingesetzt.

In die Gruppe der Dünnschicht­-Photovoltaikmodule fallen Cadmium-Tellurid-­Module (CdTe­-Module, größter Anteil), Kupfer-­Indium­-Disulfid-/­Diselenid-­Module (CIS-­Module), Kupfer-Indium­-Gallium­-Disulfid-/­Diselenid-­Module (CIGS-­Module) und Kupfer-­Indium-­Gallium­-Selenid-­Schwefel-­Module (CIGSS-­Module). Die einzelnen photovoltaisch aktiven Stoffe werden im Mikro- bzw. Nanometerbereich auf einen Träger – meistens ein Substratglas – aufgebracht. Je nach Marktentwicklung werden hierbei unterschiedliche Mengen Kupfer, Indium, Gallium, das teilweise durch Schwefel substituierbare Selen, Kadmium und das Beiprodukt der Kupferproduktion Tellur benötigt.

Ressourcenbedarf des Power-to-X­-Technologiepfades

In Abhängigkeit der Energieeffizienz der einzelnen Technologien und des damit verbundenen Stromsbedarfs ergeben sich unterschiedliche Kapazitätsbedarfe in Form regenerativer Stromerzeugungsanlagen. Diese wiederum haben Auswirkungen auf die einzusetzenden Rohstoffmengen. “Der Primärstromverbrauch […] des PtX­-Technologiepfades beträgt damit etwa das Dop­pelte des Brennstoffzellenpfades und mindestens das Vier­- bis Fünffache der direkten Elektrifizierung.” Somit sind PtX-Anlagen die vier­- bis fünffache Rohstoffmenge und Brennstoffzellen die doppelte Rohstoffmenge im Vergleich zur direkten Elektrifizierung zuzuschlagen.

Für die Produktion synthetischer Kraftstoffe wird neben regenerativ erzeugtem Strom auch Kohlendioxid in für den Anlagenbetrieb ausreichenden Mengen benötigt. Dieses steht heute als Abfallprodukt aus verschiedenen Prozessen zur Verfügung. Im Rahmen einer (weitgehenden) Dekarbonisierung könnte es notwendig werden, dieses der Luft per Luftzerlegung zu entnehmen. Für die Erzeugungsanlagen werden vor allem Stähle und Legierungen in größeren Mengen benötigt, die jedoch gut und zu einem hohen Grad rezykliert werden.

Für den Katalysator werden unterschiedliche Materialien eingesetzt. So nutzt der Katalysator des Fischer-Tropsch-Reaktors Kobalt (Co) bzw. Kobaltoxid. “Darin sind geringe Mengen Rhenium oder ein Platinmetall, bspw. Platin, Ruthenium, Palladium oder Rhodium, als Promotoren eingelagert, welche den Reduktionsprozess verbessern und die Oberfläche des Kobalts aktiv halten sollen.” Weitere Materialien sind Wolfram (W), Magnesium (Mg), Lanthan (La) und Cer (Ce), Wismut (Bi), Neodym (Nd) und Lithium (Li).

Weiterhin müssten zudem die Platingruppenmetalle Platin und Palladium in der Abgasnachbehandlung verwendet werden.

Ressourcenbedarf für Elektromotoren in batterieelektrischen Fahrzeugen und Brennstoffzellenfahrzeugen

In batterieelektrischen Fahrzeugen und Brennstoffzellenfahrzeugen sind einer oder mehrere elektrische Traktionsmotoren verbaut. Aufgrund ihres geringen Gewichts und Volumens sowie ihrer Energieeffizienz werden überwiegend permanent erregte Synchronmotoren mit Neodym-Eisen-Bor-Magneten eingesetzt. Die NdFeB-Magnete enthalten die Seltenen Erden Neodym, Praseodym, Dysprosium und Terbium. Der spezifische Materialbedarf des Elektromotors hängt stark von der Motorgröße ab, die wiederum vom Segment (Klein- bis Oberklassewagen) und der Antriebstechnologie beeinflusst wird. Das Magnetmaterial dürfte zwischen 1 und 3 kg schwanken.

Bei Elektromotoren für vollelektrische Pkw existieren bereits alternative Motorkonzepte, die gänzlich ohne Seltene Erden auskommen. Alternativen wie Asynchronmotoren (ASM) und der Electrically / Externally-excited-Synchronmotor (EESM) sind bereits auf dem Markt, der permanent erregte Synchronmotor mit Neodym-Eisen-Bor-Magnet dürfte jedoch zurzeit die erste Wahl der Industrie sein.

Ressourcenbedarf des Brennstoffzellen­-Technologiepfades

Neben den Rohstoffen für den Elektromotor (Kupfer, Neodym, Dysprosium) benötigen Brennstoffzellenfahrzeuge eine (kleine) Batterie (Lithium, Metalloxide) als Zwischenspeicher und Leistungselektronik (Kupfer, Edel­- und Sondermetalle wie bspw. Iridium, Yttrium, Lanthan sowie Titan und Graphit). Innerhalb der Brennstoff­zelle wird kohlegeträgertes Platin als Katalysator eingesetzt.

Zur Entsorgung von Brennstoffzellen und der Rückgewinnung einzelner Stoffe liegen bisher wenige Erkenntnisse vor, da bislang nur wenige Brennstoffzellen in das Recycling gelangt sind. Bei Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) befindet sich das Yttrium im Elektrolyt, der meistens aus Yttriumdotiertem Zirkoniumoxid (YSZ) besteht. Das Lanthan wird als Lanthan-Strontium-Manganat für die Kathode verwendet. Bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC) dürfte von den als Katalysatormaterialien zum Einsatz kommenden Edelmetalle Palladium, Ruthenium vor allem Platin rezykliert werden.

Ressourcenbedarf des Elektroauto-Technologiepfades

Die in batterieelektrischen Fahrzeugen und in kleiner Form in Brennstoffzellenfahrzeugen verbauten Akkus werden derzeit vor allem auf Basis von Lithium­-Metalloxiden gefertigt. Die Lithium-Ionen-Batterie dürfte kurz- und mittelfristig dominieren, wenngleich diese perspektivisch von heute noch nicht kommerziell nutzbaren Batterietechnologien abgelöst werden dürfte.

Die Batterien eines vollelektrischen Pkw wiegen mehrere Hundert Kilogramm. Ein Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer oder mehreren Lithium-Ionen-Zellen. Eine solche Zelle enthält zwei unterschiedlichen Elektroden (die negative Anode und die positive Kathode), den für die Ionenleitung zwischen den Elektroden zuständigen Elektrolyten und dem Separator, der die Elektroden physisch voneinander trennt. Als Aktivmaterialien der Kathode werden hauptsächlich Nickel­-Kobalt­-Mangan-­Verbindungen (NMC), Nickel-­Kobalt-Aluminium­-Verbindungen (NCA) oder Lithium-­Eisenphosphat­-Verbindungen (LFP) eingesetzt. Die Verbindung wird zusammen mit einem Leitruß und einem Binder auf einer Aluminiumfolie aufgebracht. Als Anode finden aktuell verschiedene Kohlenstoffmodifikationen Verwendung, hier insbesondere Graphit. Das Graphit wird zusammen mit einem Leitruß und einem Binder auf einer Kupferfolie aufgebracht. Als Elektrolyt werden Lösungsmittel mit Lithium-Leitsalzen verwendet.

In der Leistungselektronik finden neben Aluminium, Eisen und Kupfer auch Kleinmengen an Zinn, Gold, Silber, Gallium, Indium, Tantal, Niob, Germanium und Palladium Ver­wendung. Da die Spannung einer einzelnen Batteriezellen bei heutigen Systemen nur zwischen 2,2 und 4,5 V liegt, reichen diese für den praktischen Einsatz nicht aus. Daher werden je nach Bedarf mehrere Zellen in einer Reihenschaltung zu einem Modul zusammengeschlossen und dadurch eine höhere Spannung erreicht. Der Zusammenschluss von mehreren Modulen wird als Batteriepack bezeichnet. Zusammen mit einem Batterie-Management-System (BMS) und einem Gehäuse bildet das Batteriepack das Batteriesystem.

Schlüsselrohstoffe Lithium, Kobalt, Graphit und Nickel

Als Schlüsselrohstoffe bei Lithium-Ionen-Batterien gelten Lithium, Kobalt, Graphit und Nickel.

Schlüsselrohstoff Lithium

Der Lithiumgehalt bei Verwendung von Kobaltoxid- / Kobalt-Mischoxid-Kathodensystemen liegt bei ~180 g Li / kWh, bei Eisenphosphat-Kathodensystemen bei 120 g Li / kWh. Für die kommenden Jahre wird ein sehr stark steigender Bedarf an Lithium erwartet. Perspektivisch wird der Rohstoffbedarf aus Primärquellen durch Sekundärmaterial gedämpft werden können. Umfangreiche Recyclingaktivitäten gebrauchter Lithium-Ionen-Batterien finden derzeit jedoch in Europa noch nicht statt. Der Recyclinganteil dürfte sich bis 2050 bei stark steigender Nachfrage auf circa 40 Prozent steigern lassen.

Schlüsselrohstoff Kobalt

Das Schwermetall Kobalt wird praktisch ausschließlich als Nebenprodukt von Kupfer- oder Nickelerzen gefördert. Kobalt ist somit ein sogenanntes minor metal und an die Nachfrage- und Angebotsentwicklung eines major metals (Kupfer, Nickel) gekoppelt. Lithium-Kobaltdioxid ist als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien bedeutsam, weil sich in dessen Schichtstruktur sehr gut Lithium einlagern kann, was zu hohen Energiedichten dieser Kathodensysteme führt. Der Kobaltbedarf kann durch den Einsatz von Sekundärmaterial deutlich gesenkt werden. Kobalt wird aufgrund des hohen Marktpreises bereits heute recycelt (vor allem aus Katalysatoren, Superlegierungen, aber auch bereits aus Batterien), der Sekundäranteil lag 2015 bei 35 %. Durch eine Weiterentwicklung von Batteriezellen auf Basis von Lithium-Eisenphosphat und eine Erhöhung ihrer Energiedichte könnte Kobalt als Kathodenmaterial (NMC und NCA) perspektivisch abgelöst werden.

Schlüsselrohstoff Nickel

Wird der Kobaltbedarf in Nickel-Mangan-Kobalt-(NMC-)-Batteriezellen verringert, steigt im Gegenzug der Nickelbedarf (siehe z.B. NMC 111 und NMC 811). Neben NMC-Batterien findet Nickel auch in Nickel-Kobalt-Aluminium-(NCA-)Batterien Anwendung. Beide haben eine hohe Energiedichte und sind somit gut für Elektrofahrzeuge geeignet. Aus diesem Grund wird ein steigender Nickelbedarf erwartet. Nickel wird bereits heute aufgrund des hohen Marktpreises aus Batterien (Nickel-Metallhydrid-Batterien) recycelt. Die rezyklierten Mengen werden häufig als Legierung für Stahl eingesetzt. Durch eine Weiterentwicklung von Batteriezellen auf Basis von Lithium-Eisenphosphat und eine Erhöhung ihrer Energiedichte könnte Nickel als Kathodenmaterial (NMC und NCA) perspektivisch abgelöst werden.

Schlüsselrohstoff Graphit

Das Kohlenstoff-Material Graphit wird heutzutage in Lithium-Ionen-Batterien häufig als Anoden-Material eingesetzt. Da es hierfür besonders rein sein muss, wird bereits heute synthetisches Graphit eingesetzt. Der wachsende Bedarf an Graphit sollte nicht zuletzt durch Synthesegraphit befriedigt werden können, größere Recyclinganstrengungen sind nicht zu erwarten.

End-of-life-Szenarien für das Recycling der Batterien

Während ihrer Nutzung in Elektrofahrzeugen altern die Batterien durch Lade- und Entladevorgänge sowie über die Zeit. Diese Alterungseffekte resultieren in einer sinkenden Reichweite sowie einer verringerten Leistungsfähigkeit. Ein Gesundheitszustand (State-of-Health) “von unter 80 % wird momentan als Ausschlusskriterium für eine Verwendung in Elektrofahrzeugen betrachtet.”

Der weitere Umgang mit einer gebrauchten Elektroautobatterie hängt vom Zustand derselben ab. Wurde sie nur kurz genutzt und weist keine Defekte auf, kann sie in einem anderen Elektrofahrzeug wiederverwendet werden. Lässt sie eine automobile Anwendung nicht mehr zu, ist aber ansonsten intakt, kann sie für weniger anspruchsvolle Aufgaben weiterverwendet werden. Denkbar ist bspw. der stationäre Einsatz als Speicher einer Photovoltaikanlage, ein semi-stationärer Einsatz zur Versorgung einer Baustellenbeleuchtung oder ein mobiler Einsatz bspw. in einem Gabelstapler oder einem Elektrorollstuhl.

Kommen eine Wiederinstandsetzung der Batterie für die Wiederverwendung oder eine Umwidmung für die Weiterverwendung nicht infrage, so wird die Batterie der Demontage zugeführt. Hierbei werden die Batteriemodule aufgelöst und einzelne intakte Komponenten als Ersatzteile verwendet (Kannibalisierung) oder verwertet. Komponenten des Batteriesystems mit einem hohen Kupferanteil wie Kabel, Stromleitschienen und Elektronikkomponenten können den “etablierten Verwertungswegen zugeführt werden. Gleiches gilt für Gehäusekomponenten aus Aluminium oder Stahl.” Die Batteriezellen werden mechanisch geschreddert, wodurch mit Elektrolyt benetzte Batteriefragmente erzeugt werden. Im Anschluss erfolgt eine Sortierung, Klassierung und Trennung der verschiedenen Metalle, Kunststoffe und der für das Recycling höchst relevanten Beschichtungsmaterialien der Elektroden (Kobalt, Nickel, Kupfer, Aluminium und Mangan) durch weitere mechanische bzw. thermo-mechanische Verfahren.

Die einzelnen Beschichtungsmaterialien werden durch pyrometallurgische (thermische Zersetzung) und / oder hydrometallurgische Verfahren (Laugung, Extraktion, Kristallisation und Fällung) separiert und zurückgewonnen. Es schließen sich ggf. Raffinations- und Schlackeaufbereitungsprozesse an. In der Praxis existieren unterschiedliche großtechnische Recyclingverfahren, welche sich im Aufbau, den angewandten Verfahren und den zurückgewonnenen Materialien stark unterscheiden. BRÄUER und STIEGER 2019 haben acht Recyclingverfahren exemplarisch gegenübergestellt.

Rückgewinnung Seltener Erden aus Permanentmagneten des Elektromotors

Seltene Erden werden in Elektrofahrzeugen für die Permanentmagneten des Elektromotors benötigt. NdFeB-Magnete als die am stärksten kommerziell eingesetzten Permanentmagnete waren 2008 Hauptanwendungsbereich für die Seltenen Erden Neodym (ca. 76 %; 18.200 t), Dysprosium (ca. 100 %; 1.310 t), Praseodym (ca. 70 %, 6.140 t) und Gadolinium (69 %, 525 t).

Stand 2018 findet eine Rückgewinnung der Seltenen Erden in größerem Umfang trotz Knappheit und begrenzter Substituierbarkeit noch nicht statt. Ursache sind die (noch) zu geringen Abfallmengen, ein fehlender europäischer Sammel- und Recyclingverbund für Kleingeräte wie Handys (höhere Abfallgesamtmenge), die noch nicht im Industriemaßstab verfügbaren Technologien und eine oftmals fehlende Wirtschaftlichkeit aufgrund des notwendigen hohen Energieeinsatzes bei geringer Stoffkonzentration.

Kritikalität von Rohstoffen für batterieelektrische Fahrzeuge, Bennstoffzellenfahrzeuge und Power-to-X

Die Verringerung des Primärrohstoffbedarfs durch die Wiedergewinnung von Materialien generiert ökonomischen und ökologischen Nutzen. Des Weiteren sinkt durch die Verwendung von Sekundärmaterial die Abhängigkeit von Rohstofflieferungen sowie den Abbauregionen. Die Robustheit gegenüber Rohstoffknappheiten und steigenden Preisen wächst.

Rohstoffknappheiten könnten physisch oder temporär auftreten. Bei einer physischen Verknappung steht ein Rohstoff geologisch nicht mehr ausreichend zur Verfügung und muss ersetzt werden. Bei einer temporären Verknappung sind Rohstoffe für einige Wochen bis Jahre aufgrund verschiedener Ursachen in nicht ausreichendem Maße verfügbar. Politische Instabilität, Kriege, Naturkatastrophen, aber auch ein starkes Nachfragewachstum können Grund für eine temporäre Verfügbarkeitseinschränkung sein.

Viele Rohstoffmärkte sind durch eine hohe Konzentration des Angebots (Rohstoffabbau und -veredelung) auf wenige marktmächtige Unternehmen und einige wenige Abbauländern gekennzeichnet. Im Rohstoffsektor existieren hohe Markteintrittsbarrieren, die insbesondere auf den hohen Kapitalbedarf und die finanziellen Risiken zurückgehen, die mit der Finanzierung neuer Bergbauprojekte verbunden sind. Aus dieser Konzentration entstehen Abhängigkeiten und Risiken. Zudem können Produktionskapazitäten nur mit etlichen Jahren Vorlauf ausgeweitet werden. Eine Kombination aus Knappheit und Konzentration kann jahrelange Engpässe verursachen.

Das Versorgungsrisiko bzw. die Verfügbarkeit eines Rohstoffs in Kombination mit dessen wirtschaftlichen Bedeutung ergibt die sogenannte Kritikalität. In diese gehen neben Faktoren wie der Substituierbarkeit auch die Recyclingfähigkeit eines Stoffes ein. Ebenfalls wird die politische Lage und das Konfliktpotenzial der einzelnen Abbauländer bewertet. Je höher das Versorgungsrisiko und die wirtschaftliche Bedeutung eines Rohstoffes ist, desto kritischer ist er.

Die Komponenten eines Elektrofahrzeugs haben unterschiedliche Ressourcenbedarfe, die sich in Menge und Art über die Zeit verändern dürften. Folgende Darstellung des ifeu stellt die in einem Elektrofahrzeug enthaltenen kritischen Rohstoffe entsprechend ihrer Verwendung beispielhaft dar:

Ein Teil der kritischen Rohstoffe kann nicht primär dem elektrischen Antrieb zugeordnet werden, sondern ist in jedem Fahrzeug enthalten. Das kritische Legierungsmetall Chrom und die bedingt kritischen Metalle Molybdän, Mangan, Nickel und Eisen sind Bestandteile von Stahl, der in der Fahrzeugindustrie vielfältig eingesetzt wird. Auch eine Vielzahl weiterer kritischer Rohstoffe ist unabhängig von der Antriebstechnik in Fahrzeugen enthalten.

Besonderes Augenmerk ist auf die Seltenen Erden Neodym, Praseodym und Dysprosium zu legen, die für den Permanentmagneten des Elektromotors benötigt werden. Insbesondere Dysprosium, welches nahezu ausschließlich in China und seit 2018 auch in Australien gefördert wird, gilt als besonders kritisch. Bei Batterien stehen Lithium, Kobalt und Graphit im Fokus; die globalen Nickelreserven und -ressourcen überragen den wachsenden Bedarf deutlich und sind auch wegen ihrer weltweiten Verteilung kein Problem.

Bei einer Betrachtung der Rohstoffkritikalität von Elektrofahrzeugen sind diese nicht isoliert, sondern stets im Kontext der allgemeinen Rohstoffnachfrage und deren Veränderung zu bewerten. Eine Untersuchung des Wissenschaftlichen Dienstes der Europäischen Kommission hat sich 2016 die EU-weite Rohstoffnachfrage für Windenergieanlagen, Photovoltaik und Elektrofahrzeuge und daraus resultierende mögliche Knappheiten für den Zeittraum 2015 – 2050 gewidmet.

Im Jahr 2015 hatte die Europäische Union eine geringe Widerstandsfähigkeit gegen Lieferengpässe bei Dysprosium, Neodym, Praseodym und Graphit, mittlere Widerstandsfähigkeit bei der Versorgung mit Indium, Silber, Silizium, Kobalt und Lithium und hohe Widerstandsfähigkeit bei der Versorgung mit Kohlefaserverbundwerkstoffen. Bei ausbleibenden Minderungsmaßnahmen wird die Materialliste mit Lieferproblemen bis 2030 um Indium, Silber, Kobalt und Lithium wachsen. Für Elektrofahrzeuge sind hierbei die Seltenen Erden für Permanentmagneten in Elektromotoren sowie Graphit, Kobalt und Lithium für die Akkus von Signifikanz.

Die deutlichsten Anstiege des Rohstoffbedarfs im Vergleich zur Primärförderung sind bei Lithium und Kobalt zu erwarten. Dies kann kurzfristig zu Engpässen führen, welche durch eine Angebotsausweitung und zunehmendes Recycling vermindert werden können. Bei Lithium könnte sich die Widerstandfähigkeit bei Versorgungsengpässen leicht verbessern, wird jedoch das 2015-Level nicht mehr erreichen. Es sind daher langfristige Lieferverträge mit einer Ausweitung der Produktionsmenge zu vereinbaren.

Der wachsende Kobaltbedarf lässt die Widerstandsfähigkeit der EU bei Kobalt-Versorgungsengpässen stark sinken. Durch eine stärkere Verwendung von recycelten Sekundärmaterial und einer Substitution mit anderen Materialien kann diese wieder wachsen und die Abhängigkeit stark sinken.

Dem wachsenden Graphitbedarf kann durch verstärkten Einsatz von Synthesegraphit begegnet werden. In Kombination mit einem hohen Recyclinggrad kann jedoch trotzdem keine hohe Widerstandsfähigkeit erreicht werden.

In Bezug auf die für Elektromotoren erforderlichen Materialien – Neodym (Nd), Praseodym (Pr) und Dysprosium (Dy) – besteht bereits heute eine hohe Abhängigkeit und geringe Widerstandsfähigkeit. Letztere dürfte sich durch Erschließung von Abbaugebieten außerhalb Chinas – das schließt die EU mit ein – leicht verbessern, bleibt jedoch äußerst niedrig. Durch die Mengenausweitung und die Diversifizierung der Abbauländer, mögliche Substitutionsmaterialien und eine erhöhte Recyclingquote dürfte sich die Widerstandsfähigkeit der EU bei Versorgungsengpässen von Neodym und Praseodym leicht verbessern und ein mittleres Level erreichen, bei Dysprosium kann es ebenfalls zu leichten Verbesserungen kommen.

Zusammenfassung

Alle drei Antriebstechnologien haben veränderte Rohstoffbedarfe zur Folge. Dies gilt insbesondere, wenn die Bereitstellung des regenerativ erzeugten Stroms mit einbezogen wird.

In Brennstoffzellenfahrzeugen sind Elektromotoren und damit Seltene Erden verbaut, in der Brennstoffzelle wird Platin als Katalysator eingesetzt. Hinzu kommen kleine Akkus, die im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen die gleichen Rohstoffe jedoch in weitaus geringerer Menge benötigen. Die Verwendung von synthetischen Kraftstoffen in Verbrennungsmotoren bringt ebenfalls Rohstoffbedarfe mit sich. Für den Katalysator des Fischer-Tropsch-Reaktors wird Kobalt verwendet, im Fahrzeug selber für die Abgasnachbehandlung Platin und andere Platingruppenmetalle eingesetzt.

In Summe scheinen Lithium, Kobalt, Nickel und Graphit in ausreichender Menge für einen weltweiten Umstieg auf Elektromobilität zur Verfügung zu stehen, jedoch sind temporäre Verknappungen für einzelne Rohstoffe (Kobalt, Lithium, Platin) nicht auszuschließen. Dies kann sich in Produktionsengpässen der Automobilindustrie und steigenden Preisen äußern.

Umwelt- und Sozialfolgen des Rohstoffabbaus

Der Abbau von Rohstoffen hat stets Auswirkungen für die Umwelt. Des Weiteren ist er mit vielfältigen sozialen Auswirkungen verbunden. In welchem Ausmaß von der Rohstoffproduktion negative externe Effekte auf Mensch und Natur ausgehen, wird von der Höhe der im Abbauland geltenden Umwelt- und Sozialstandards beeinflusst. Ein Teil der durch den Rohstoffabbau entstehenden externen Folgekosten wird von den Unternehmen an die Gesellschaft ausgelagert. Da diese nicht die vollen Kosten ihres Handelns selbst tragen, sind die Produktionskosten von Rohstoffen zu niedrig, “woraus tendenziell eine zu hohe Nachfrage der Gesellschaft nach Rohstoffen bzw. rohstoffintensiven Produkten resultiert, die mangels entsprechender Preissignale nicht korrigiert wird.” Ziel muss es daher sein, die externen Effekte zu internalisieren, ein adäquates Preisniveau zu erreichen, Sozial-und Umweltstandards durchzusetzen und Transparenz in Bezug auf deren Einhaltung anzustreben.

Je nach Rohstoff und Abbauland kommt es zu unterschiedlichen starken Umweltfolgen und sozialen Auswirkungen. Hinter dieser abstrakten Formulierung können sich im konkreten Fall massive Menschenrechtsverletzungen, ausbeuterische Verhältnisse, Vertreibungen und gewalttätige Auseinandersetzungen sowie massivste Umweltschäden verbergen. Andererseits kann der Rohstoffreichtum eines Landes bei dessen gerechter Verteilung und einem nachhaltigen Ressourcenumgang und -abbau das Leben der dort lebenden Menschen maßgeblich verbessern (Beispiel: Norwegen, Teile Australiens). Es liegt in der Verantwortung der Konsumenten, sich zu informieren und bei der Industrie die notwendige Transparenz über die Herkunft der Rohstoffe und deren Produktionsbedingungen einzufordern. Das produzierende Gewerbe wiederum steht in der Pflicht, Menschen und Natur bei der Beschaffung der eingesetzten Materialien und der dafür notwendigen Rohstoffe zu schützen und Transparenz über die Beschaffungsprozesse herzustellen. Gleiches gilt für die Finanzierung von Rohstoffabbau und -handel. Zuletzt sind auch der Staat und die verschiedenen Staatenbünde gefordert, Missstände rechtlich zu unterbinden, Druck für Verbesserungen aufzubauen und eine Rohstoffpolitik nicht ausschließlich nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu betreiben. Letzteres gilt auch für Deutschland und die EU.

Folgen des Graphit-Abbaus

Etwa 70 % des im Jahr 2018 bergbaulich geförderten Graphits stammt aus China. Weitere wichtige Abbauländer sind Brasilien, Kanada, Indien, Mosambik und die Ukraine. Chinas Dominanz ist “vor allem aufgrund des günstigeren Preises gegenüber anderen Standorten zu erklären. Nicht zuletzt wird dieser Wettbewerbsvorteil durch geringere Umwelt- und Sozialstandards erkauft. Berichten der Washington Post zufolge werden viele chinesische Graphitabbaustandorte von massiven Staubemissionen begleitet. Die Stäube setzen sich in der unmittelbaren Umgebung ab und beeinträchtigen die Gesundheit der Anwohner, ebenso werden die Gewässer durch Rückstände der Aufbereitung verunreinigt.”

Folgen des Nickel-Abbaus

Nickel wird in vielen Ländern der Welt abgebaut und primär in der Produktion von Edelstahl und Metalllegierungen eingesetzt. Hauptförderländer sind Indonesien, die Phillipinen, Neukaledonien (französisches Überseegebiet), Russland, Australien und Kanada.

Nickel wird aus sulfidischen Nickelerzen oder lateritischen Vorkommen gewonnen. Laterite sind Böden, in denen sich in ultramafischem Gestein Nickel durch intensive chemische Verwitterung unter tropischen bis subtropischen Bedingungen angereichert hat. Der größte Teil der Nickelproduktion erfolgte bislang aus magmatischen (sulfidischen) Erzen (insb. Pentlandit). Aufgrund der Ausbeutung der klassischen sulfidischen Lagerstätten verschiebt sich der Abbau jedoch zunehmend zu lateritischen Nickelerzen, die in ausreichender Menge zur Verfügung stehen. Während sulfidische Erze im Untertage- als auch im Tagebau abgebaut werden, liegen lateritische Vorkommen meistens oberflächennah in geringer Konzentration vor und werden daher im großflächigen Tagebau abgebaut.

Die beiden Lagerstättenformen bringen unterschiedliche Umweltauswirkungen mit sich. Generell gilt, dass der Nickelabbau und die Verarbeitung aufgrund des geringen Nickelgehalts im Boden sehr aufwändig und energieintensiv ist. Eine 2009 veröffentlichte Studie stufte Nickel als das siebtschädlichste Metall für die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme ein (Produktionsniveau 2008). Das Treibhauseffektpotenzial lag im Vergleich von 63 Metallen auf Rang Acht. Die Ausbeutung lateritischer Lagerstätten ist im Vergleich zu sulfidischen Erzen mit einem größeren Energieaufwand, stärkeren Treibhausgasemissionen und einem umfangreicheren Einsatz von Chemikalien verbunden, da die Aufbereitung u.a. wegen der höheren Feuchte im Erz aufwändiger ist. Das Treibhausgaspotenzial liegt “zwischen 25 und 46 Tonnen CO 2 je produzierter Tonne primärem Metall [..]. Sulfidische Erze erreichen weniger als 10 Tonnen CO 2 je Tonne Metall. Beide Lagerstättentypen werden vom Ausstoß von Schwefeldioxid begleitet, welcher sauren Regen hervorruft.” Die SO 2 -Emissionen entstehen insbesondere beim Schmelzprozess und können durch technische Maßnahmen wie bspw. eine Rauchgasentschwefelung erheblich verringert werden.

Sulfidische Erze bergen zudem das Potenzial, saure Bergbauwässer zu bilden (Acid Mine Drainage). Diese entstehen, wenn die in den Gesteinen anwesenden sulfidischen Mineralien oxidierenden Bedingungen ausgesetzt werden. Saure Grubenwässer können Böden sowie das Grund- und Oberflächenwasser nachhaltig versauern. Die gebildete Schwefelsäure löst weitere Schwermetalle aus dem Erz, die Gewässer und Umwelt nachhaltig schädigen. Durch den Nickelbergbau können landwirtschaftliche Flächen und Fischgründe unbrauchbar werden. Dies kann soziale wie gesundheitliche Folgen für die lokale Bevölkerung nach sich ziehen. In Guatemala kam es im Zusammenhang mit dem Nickelabbau zu vereinzelten Vertreibungen und gewalttätigen Protesten.

Folgen des Platin-Abbaus

Südafrika nimmt beim Abbau von Platin weltweit eine zentrale Rolle ein. 2017 und 2018 wurden etwa 70 % der globalen Abbaumenge in Südafrika gefördert. Weitaus kleinere Vorkommen und Abbauaktivitäten sind in Russland und Simbabwe zu finden.

Da die abgebauten Erze im Schnitt nur 0,002 Prozent Platin-Gruppen-Metalle enthalten, ist die Aufbereitung sehr energieintensiv und verursacht vergleichsweise hohe Treibhausgasemissionen von 14.000 Tonnen CO 2 je produzierter Tonne Primärmetall. Hinzu kommen starke Landschaftseingriffe durch die flächigen Tagebauten und große Mengen baulicher Reststoffe. Der Abbau sulfidhaltiger Erze im Platin-Gruppen-Metall-Bergbau ist mit einem hohen Potenzial verbunden, saure Bergbauwässer zu bilden (Acid Mine Drainage). Diese können Gewässer mit Schwermetallen verschmutzen und die Gewässerökologie durch Herabsetzung des pH-Werts beeinträchtigen.

Der Platinabbau bringt neben ökologischen auch soziale Folgen mit sich. Hierzu gehören neben Umsiedlungen mit entsprechenden sozialen Auswirkungen gesundheitliche Beeinträchtigungen der Bevölkerung, der Verlust landwirtschaftlicher Flächen sowie vielfältige Auswirkungen der systematischen Ausbeutung von Arbeitskräften auf die existierenden traditionellen kulturellen und familiären Strukturen. Vereinzelt kommt es auch zu gewalttätigen Auseinandersetzungen zwischen Minenarbeitern und Minenbetreibern bzw. der Polizei. Beim sogenannten “Massaker von Marikana” wurden 2012 34 Bergleute von der Polizei erschossen. Insgesamt kamen beim südafrikanischen Bergarbeiterstreik 2012 über 40 Menschen ums Leben.

Folgen des Kobalt-Abbaus

Kobalt wird in der Regel als Nebenprodukt des Nickel- und Kupferabbaus gewonnen: Im Jahr 2016 wurden laut Joint Research Centre (JRC) der EU-Kommission 85 % des weltweit abgebauten Kobalts als Nebenprodukt des Nickelbergbaus (39 %) oder des Kupferbergbaus (46 %) gewonnen. Die restlichen 15 % stammen in geringem Umfang aus marokkanischen Bergwerken, die primär der Kobaltproduktion dienen, oder dem artisanalen Bergbau aus dem Kongo. Andere Quellen berichten von einer Verbindung mit dem Nickelabbau von 55 % und dem Kupferabbau von 35 %. Der primäre Abbau soll 2,2 % des Fördervolumens ausmachen (Werte jedoch ohne Jahresangabe).

Etwa 65 % der globalen Kobaltabbaumenge wurden 2017 und 2018 in der Demokratischen Republik Kongo gefördert. Weitere Lagerstätten und Abbauaktivitäten in weitaus geringerem Umfang sind auf den Phillipinen, in Australien, Russland, Kuba und weiteren Ländern zu finden.

Die ökologischen und gesundheitlichen Folgen des Kobalt-Abbaus sind stark mit den Auswirkungen des industriellen Kupfer- und Nickelbergbaus verbunden. Hierzu zählen bspw. die Problematik saurer Grubenwässer, die Gewässer und Böden versauern und mit Schwermetallen verschmutzen. Die Verarbeitung von Nickel- und Kupfererz (insb. der Schmelzprozess) ist mit der Emission von Schwefeldioxid verbunden, das sauren Regen verursacht. Die SO 2 -Emissionen können durch technische Reinigungsverfahren jedoch erheblich reduziert werden.

Ein weiteres Problem ist die Staubbelastung. Der aufgewirbelte Staub belastet die Atemwege der an unbefestigten Straßen mit Minen-Schwerlastverkehr oder der in unmittelbarer Nähe der Tagebauten lebenden Menschen unmittelbar und kann Böden und Gewässern verschmutzen. Chronische Exposition gegenüber kobalthaltigem Staub kann zu einer potenziell tödlichen Lungenerkrankung führen, die als “Hartmetall-Lungenerkrankung” bezeichnet wird. Das Einatmen von Kobaltpartikeln kann zudem Asthma, Kurzatmigkeit und eine verminderte Lungenfunktion verursachen, anhaltender Hautkontakt mit Kobalt kann zu Dermatitis führen. Über die Zeit reicht sich kobalt- und kupferhaltige Staub zudem in Fischen sowie angebautem Gemüse und Getreide an. Kupfer und Kobalt gelangen am Ende in den menschlichen Körper., Es ist jedoch schwer abzuschätzen, wie viele Menschen direkt auf kontaminierten Böden leben oder diese für die Landwirtschaft nutzen. Böden in mineralreichen Gebieten sind zudem oft von Natur aus mit Metallen angereichert.

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Fokus: Kobalt aus der DR Kongo

Fast die Hälfte der weltweiten Kobaltvorräte befindet sich in der Demokratischen Republik Kongo (DR Kongo) und somit in einem Gebiet mit hoher staatlicher Fragilität. Die Kobaltförderung konzentriert sich mit Ausnahme der kleinen kobalthaltigen Nickel-Chrom-Lagerstätten von Nkonko und Lutshatsha in der ehemaligen Provinz Westkasai (die jetzigen Provinzen Kasaï und Kasaï-Central) auf den sogenannten zentralafrikanischen Kupfergürtel im Südosten des Landes. Der Kupfergürtel und die ehemalige Provinz Katanga (die jetzigen Provinzen Haut-Katanga und Lualaba) sind politisch extrem fragil und Schauplatz zahlreicher Menschenrechtsverletzungen.

Während in den letzten Jahrzehnten insbesondere der Zinn- und Coltanabbau lokalen Milizführern die Bezahlung von Soldaten, den Kauf von Waffen und die Fortsetzung des Bürgerkrieges und der zahlreichen gewaltvollen Konflikte ermöglicht hat, rückt aufgrund der stark wachsenden Nachfrage der Kobaltabbau stärker in den Fokus. Die lokale Bevölkerung wird in den nationalen und regionalen politischen Auseinandersetzungen über Macht und Einfluss in den östlichen Provinzen des Landes und dem Grenzgebiet zwischen der DR Kongo, Ruanda und Uganda aufgerieben. Insbesondere die Konflikte zwischen den Volksgruppen der Hutu und Tutsi – die im Völkermord an den Tutsi in Ruanda 1994 gipfelten, in dessen Rahmen etwa 800.000 ethnische Tutsi und gemäßigte Hutu von radikalen Hutu ermordet wurden – hat massivste Auswirkungen auf das Leben im Ostkongo. Seit diesem Völkermord kam es zu bislang drei mehrjährigen Bürgerkriegen (1. – 3. Kongokrieg), die in verminderter Form bis heute (2019) andauern.

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Trotz des Rohstoffreichtums des Landes ist ein großer Teil der kongolesischen Bevölkerung arm. Laut einer Befragung von 2.635 Haushalten mit 15.023 Haushaltsmitgliedern im Kupfergürtel aus dem Jahr 2017 beträgt das um die Kaufkraft in lokaler Währung bereinigte durchschnittliche monatliche Haushaltseinkommen pro Kopf nur 35 US-Dollar. Zwei Drittel der Haushalte haben Sorgen, nicht genug zu essen zu haben, drei Viertel haben keinen Strom und ein Drittel hat kein solides Dach über dem Kopf. Aufgrund der ökonomischen Situation und fehlender Perspektiven ist der informelle Kleinbergbau (auch als artisanaler Bergbau bezeichnet) eine wichtige Einkommensmöglichkeit für die Bevölkerung (Karte mit Minenstandorten und Verflechtungen von IPIS). Rund 20 % des Kobaltvorkommens wird in der DR Kongo artisanal abgebaut. Es wird geschätzt, dass zwischen 50.000 bis 250.000 Menschen im Kupfergürtel artisanalen Kobalt-Kupfer-Bergbau betreiben, wobei sich die meisten Schätzungen auf eine Größenordnung zwischen 100.000 und 150.000 beziehen.

Im Gegensatz zur industriellen Produktion werden die Arbeiten im Kleinst- oder artisanalen Bergbau händisch und mit einfachem Werkzeug verrichtet. Schutzbekleidung und Sicherheitseinrichtungen fehlen, viele KleinschürferInnen begeben sich bei ihrer Arbeit in den selbstgebauten Tunneln und Abbaugruben in Gefahr. Aufgrund fehlender Umwelttechnik sind die Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen groß, die Arbeitsbedingungen im Kleinbergbau verstoßen oft gegen allgemeingültige Menschenrechte. Auch Kinder und Jugendliche werden teilweise in den Minen oder dem Umfeld eingesetzt – eine der schlimmsten Formen der Kinderarbeit, die international geächtet ist.

Der exakte Umfang und die Auswirkungen von Kinderarbeit in artisanalen Kobalt-Minen in der DR Kongo ist nur schwer abzuschätzen. Im Rahmen der erwähnten Haushaltsbefragung im Kupfergürtel aus dem Jahr 2017 wurden Interviews mit 1.575 Kindern und Jugendlichen bei Abwesenheit der Eltern, 75 Schulen und 137 Dorfvorsteher geführt. Hierbei berichteten 58 % der Kinder und Jugendlichen zwischen 3 – 17 Jahren, dass sie arbeiten (42 % arbeiteten nicht). 57 % dieser Arbeit fand im Haushalt selbst statt, 11 % nahmen eine Arbeit außerhalb des Haushalts wahr. Unabhängig vom Arbeiten gingen 49 % der befragten Kinder und Jugendliche zur Schule.

Jüngere Kinder arbeiteten seltener, aber selbst bei den 3-5 Jährigen gaben etwa 12 % an, innerhalb oder außerhalb des Haushalts zu arbeiten. Ab einem Alter von neun Jahren haben über alle Altersgruppen hinweg mindestens 80% der Kinder gearbeitet.

Von den 11 % der außerhalb des eigenen Haushalts arbeitenden Kinder und Jugendlichen arbeiteten 23 % im Bergbau. Der Großteil der durchgeführten Arbeiten fand in der Landwirtschaft oder anderen Haushalten statt. Von den insgesamt 7.053 befragten Kindern über drei Jahren arbeiteten 148 in den Minen (2,1 %) und 31 verarbeiteten abgebaute Mineralien (0,4 % der befragten Kinder). 51 % der Kinder und Jugendlichen, die im artisanalen Bergbau arbeiten, waren 15 – 17 Jahre alt, 41 % 10 – 14 Jahre und 8 % jünger als 10. In den Minen wurden die Kinder als Sortierer (26 %), Oberflächenarbeiter (22 %) und als Reiniger (17 %) eingesetzt. 12 % arbeiteten unter Tage (n = 17), wenigstens waren diese Jugendlichen etwas älter. Etwa 12 % der in artisanalen Kobalt-Minen arbeitenden Menschen waren unter 18 Jahre alt.

Kinderarbeit in Minen und der Rohstoffgewinnung gilt als eine der schlimmsten Formen der Kinderarbeit. Kinder und Jugendliche sind hierbei schweren Lasten, anstrengender Arbeit, instabilen unterirdischen Strukturen, schweren Werkzeugen und Ausrüstungen, giftigen Stäuben und Chemikalien sowie extremer Umweltbedingungen ausgesetzt. Aus diesem Grund müssen Unternehmen sicherstellen, dass innerhalb ihrer Kobaltlieferkette keine Kinderarbeit sowie weitere Menschenrechtsverletzungen stattfinden.

Ob ein vollkommener Ausschluss des artisanalen Bergbaus aus den Lieferketten hierbei die beste Strategie ist, ist kritisch zu hinterfragen. Ein Viertel der gesamten Kobaltmenge der DR Kongo wird über den sehr gut funktionierenden Schwarzmarkt vom artisanalen in den industriellen Sektor eingeschleust (siehe folgendes Videao ab Minute 4:15). Kein einziges Unternehmen kann daher zu 100 % ausschließen, dass entlang seiner Kobaltlieferkette keine Menschenrechtsverletzungen geschehen. Auch Zertifizierungen können die notwendige Transparenz nicht herstellen.

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Vor dem Hintergrund der Alternativlosigkeit und der hohen Abhängigkeit der lokalen Bevölkerung vom artisanalen Bergbau wird eine vermeintliche Reduktion oder gar ein Verbot des Kleinbergbaus ohne Schaffung von Beschäftigungsalternativen keine Verbesserung bringen, sondern vielmehr schaden. Weitaus vielversprechender könnte eine offizielle Integration des artisanalen Bergbaus in die Wertschöpfungskette sein. Hierfür wäre eine Zusammenarbeit der Abnehmer mit Bergbaukooperativen aus artisanal arbeitenden Bergleuten sowie eine transparente Preis- und Marktgestaltung auf lokalen Rohstoffmärkten notwendig. Nur durch eine größere Markttransparenz und -sicherheit kann die soziale und wirtschaftliche Sicherheit erhöht werden. Durch schrittweise Verbesserungen können gefährliche Arbeitsbedingungen in den ungesicherten Minen abgestellt und die ökologischen Auswirkungen reduziert werden.

Von großer Bedeutung ist ebenfalls die Schaffung formeller Rechtssicherheit für den artisanalen Bergbau. Die Zahl der Konflikte zwischen den KleinschürferInnen und den industriellen Bergbauunternehmen nimmt stetig zu. Die Vergabe von Schürflizenzen ist teilweise von Korruption geprägt und erfolgt mitunter ohne das Wissen der lokalen Gemeinden. Entschädigung für den Verlust der Lebensgrundlage bleiben aus. Wenn große Unternehmen den Rohstoffabbau auf einem Gebiet betreiben möchten, auf dem zuvor viele Menschen im Kleinbergbau tätig waren, kommt es häufig zu Vertreibungen in für den Bergbau weniger geeignete Gebiete. Dringen die KleinschürferInnen auf Konzessionsgebiete von Bergbauunternehmen ein, um ihr Überleben sichern zu können, werden sie verjagt. Die fehlende Rechtssicherheit und juristische Vertretung erhöht den Druck auf den artisanalen Bergbau massiv.

Der industrielle Sektor ist ebenfalls mit Problemen und Risiken für die Bevölkerung und die Umwelt in den Abbaugebieten behaftet. Dies gilt bspw. für das Thema Korruption, schlechte Arbeitsbedingungen und dem Fehlen elementarer Arbeitnehmerrechte.

Folgen der Lithium-Förderung

Australien (60 %) und Chile (19 %) waren 2018 die weltweit größten Lithiumproduzenten. Weitere wichtige Abbauländer sind Argentinien, China und Simbabwe. Während Lithium in Australien und anderen Ländern überwiegend bergbaulich gewonnen wird, ist die Gewinnung von Lithium aus Salzseen vor allem im südamerikanischen Lithiumdreieck (Chile, Bolivien, Argentinien) verbreitet. Lithium wird zu einem Großteil in politisch stabilen Ländern produziert. Dort liegen auch die größten Reserven. Die Umweltfolgen der Lithiumgewinnung sind stark davon abhängig, ob es bergbaulich oder durch Evaporationsbecken gewonnen wird.

In Australien ist das Mineral Spodumen Ausgangsmaterial, welches in der Regel im Tagebau gewonnen wird. Es wird im Anschluss unter großem Energieaufwand zerkleinert und gemahlen. Anschließend wird das Erz im Ofen auf 1.150 Grad Celsius erhitzt. Danach wird Schwefelsäure eingesetzt, um Lithiumsulfat zu bilden, welches aufkonzentriert und unter Zugabe von Natriumcarbonat Lithiumcarbonat bildet, welches das Endprodukt darstellt. Diese Produktionsweise geht mit Landschaftseingriffen, Treibhausgasemissionen und Schadstoffausstoß für die Bereitstellung der notwendigen Energie und dem Ablagern eines hohen Reststoffvolumens einher. Die bergbauliche Gewinnung von Lithium ist im Vergleich zur Evaportationsgewinnung teurer und energieintensiver. Sie ist erst seit einigen Jahren aufgrund der gestiegenen Lithiumpreise ökonomisch wieder darstellbar.

Bei der Gewinnung aus Salzseen wird durch die Salzoberfläche bis zu einer Tiefe von 200 Metern gebohrt und die lithiumhaltige Salzlauge in Evaporationsbecken gepumpt, in denen die Lithiumsalze mithilfe von natürlicher Sonnenenergie konzentriert werden. In mehreren Schritten wird die Lauge durch Evaporation und durch das Ausfällen ungewünschter Bestandteile von einem Gehalt von unter einem Prozent auf etwa sechs Prozent Lithiumchlorid konzentriert, anschließend wird unter Zugabe von Natriumcarbonat das Endprodukt Lithiumcarbonat gebildet. Der gesamte Verdunstungsprozess dauert trotz einer Verdunstungsrate von 10 Litern pro Quadratmeter und Tag bis zu zwölf Monate. Die Abfallprodukte der Lithiumproduktion (wie Kalziumkarbonat, Kalziumsulfat und Magnesiumkarbonat) werden auf Abraumhalden gelagert. Im Vergleich zur bergbaulichen Lithium-Produktion ist die Evaporationsmethode mit weitaus größeren Umweltfolgen verbunden.

Fokus: Lithiumgewinnung in Chile

Die nördlichen Regionen Chiles weisen weltweit die höchste Konzentration an natürlich vorkommenden Lithiumsalzablagerungen und die höchste Lithiumsalzkonzentration in Oberflächengewässern auf. Die Atacama-Wüste, eine der trockensten und einsamsten Landschaften der Erde, erstreckt sich über eine Fläche von 23.438 km2. Verstreut über diese Fläche leben in zahlreichen kleinen Siedlungen etwa 11.000 Einwohner. Die Atacama-Wüste wird im Westen von der Cordillera Domeyko und im Osten von der Andenkordillere begrenzt. An der tiefsten Stelle hat sich ein 3051 km2 großer Salzsumpf gebildet, der Salar de Atacama. Er besteht aus einer harten, rauen, weißen Schicht Salz verunreinigt mit Wüstensand. Darunter befindet sich eine lithium-, kalium-, magnesium- und borhaltige Sole.

Innerhalb des Gebiets lebt seit mehreren Jahrtausenden das Volk der Atacameño (Likan Antai). Die Gemeinden Peine (ca. 600 Einwohner), Toconao (ca. 800 Einwohner) und die kleinen Gemeinden Camar, Socaire und Talabre grenzen unmittelbar an den Salzsee an. Obwohl die Landwirtschaft und Tierzucht in den Anden in den vergangenen Jahrzehnten stark rückläufig ist, werden im Gebiet weiterhin Mais, Quinoa, Gemüse und Obst angebaut. Hinzu kommt die Zucht von Lamas, Alpakas, Schafen und Ziegen. Ein großer Teil der Bevölkerung arbeitet in Kupferminen und den Salinen. Die Gemeinde San Pedro de Atacama hat eine große touristische Bedeutung und ist mit über 100.000 Besuchern pro Jahr das wichtigste internationale Reiseziel Chiles.

In den Gemeinden der Atacama-Wüste ist die Wasserversorgung ein ständiges Problem. Aufgrund der hohen Verdunstungs- und geringen Niederschlagsrate können die Grundwasservorkommen im Gebiet der Salzseen als nicht erneuerbar angesehen werden. Im Durchschnitt beträgt die jährliche Niederschlagsmenge in der Region zwischen 0,6 bis 2,1 mm. Im Vergleich dazu beträgt die jährliche Niederschlagsmenge in der Sahara im Durchschnitt 45,5 mm. Die Wasserversorgung der lokalen Gemeinden wird hauptsächlich aus Oberflächengewässern wie Bächen und kleinen Lagunen, Salinen und Quellen und in geringerem Maße aus Grundwasser sichergestellt. Die Wasserquellen, die für Trinkwasser und die Bewässerung genutzt werden, werden von den Gemeinden durch Trinkwasserkomitees, Nachbarschaftsräte und Bewässerungsverbände kooperativ verwaltet.

Der Kupfer-Bergbau, die landwirtschaftlichen Aktivitäten und der weiter wachsende Tourismussektor üben einen erheblichen Druck auf die Wasservorräte auf. In der Region Antofagasta entfallen etwa 74 Prozent des gesamten Wasserverbrauchs auf den Bergbau. Der weiter steigende Wasserstress durch die Übernutzung der Quellen gefährdet die Bevölkerung und die landwirtschaftliches Aktivitäten. Die Flüsse Rio San Pedro und Rio Vilama gelten seit 2016 als übernutzt, weitere Wasserentnahmen wurden durch die Regierung untersagt. Trotz Rückgang der landwirtschaftlichen Anbaufläche von 1.210 Hektar im Jahr 1964 auf 709 Hektar im Jahr 2014 sinkt die durchschnittliche Durchflussmenge stetig:

Die Sole des Salzsees ist in der Regel nicht zur Bewässerung oder als Trinkwasser geeignet. Der Eingriff durch den Lithiumabbau in den Wasserhaushalt hat aber zur Folge, dass der Grundwasserspiegel absinkt und dadurch auch das Süßwasser außerhalb der Salzseen zurückgeht.

Die chilenisch-kanadische Unternehmen SQM und das US-amerikanische Unternehmen Albemarle haben von der zuständigen Umweltbehörde die Verwendung von 240 bzw. 23,5 Litern pro Sekunde (l/s) Frischwasser und 1700 l/s bzw. 442 l/s Sole (Salzwasser) genehmigt bekommen. Dies bedeutet eine tägliche Entnahme von mehr als 200 Millionen Litern Wasser (frisch und salzig). Der übermäßige Verbrauch von Wasser führt zu einem Anstieg des Salzgehalts der Landschaft, der das empfindliche Ökosystem und die dort lebenden Arten in Mitleidenschaft zieht. Die Entnahme der Sole lässt den Grundwasserspiegel nachweislich absinken und damit auch den Wasserstand in den Lagunen in der Nähe der Salzseen. Die spürbare Folge: Die Wasserressourcen in der Region werden knapper oder verschwinden ganz, der natürliche Vogelzug und das Brutverhalten endemischer Vogelarten wie der Flamingos sind merklich beeinträchtigt. Des Weiteren verändert die Entnahme der Sole auch die Konzentration von Mineralien im Grundwasser. Das Gleichgewicht des Wasserhaushalts gerät zunehmend aus der Balance. Die langfristigen Folgen der Veränderungen des Wasserhaushalts für Flora und Fauna, das Mikroklima, etc. durch die Lithiumförderung sind bislang jedoch zu wenig erforscht.

Der Abbau von Lithium in Chile ist seit 1979 von nationalem Interesse und unterliegt der Kontrolle einer eigenen Behörde, die die Abbaurechte und die zulässigen Abbau- und Wasserentnahmemengen vertraglich an transnationale Unternehmen überträgt. Chile ist zudem das einzige Land der Welt, in dem 1981 die Wasserversorgung und Wasserrechte zu 100 Prozent privatisiert wurden. Die Rohstoffunternehmen erhalten die notwendigen Wasserentnahmerechte unentgeltlich vom Staat oder kaufen Wasserkonzessionen von der bäuerlichen und indigenen Bevölkerung. Insbesondere der Kupfer- und Goldbergbau hat in den letzten Jahrzehnten die Oberflächengewässer überansprucht, sodass nun die Notwendigkeit besteht, Grundwasserreservoirs zu nutzen. Die Wasserknappheit, das Wassereigentum und die Konzentrationswirkung des Wassermarkts in Nord- und Zentralchile haben zu Auseinandersetzungen zwischen indigenen lokalen Gemeinschaften und Bauern gegen die Bergbauunternehmen geführt. Die Ausweitung des Kupferbergbaus und die Lithiumförderung könnten perspektivisch möglicherweise zum Zusammenbruch der indigenen Gemeinschaft der Atacameño führen, die seit Jahrhunderten in diesen fragilen Gebiet lebt.

Anfang 2018 hat der chilenische Staat eine Verdreifachung der Lithium-Fördermenge genehmigt. Die umliegenden Gemeinden fühlen sich in diese Entscheidung nicht einbezogen und fürchten um ihre Wasserver