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CO2, Abgas
03/2021, UBA Statistik Treibhausgas CO2 Emissionen Deutschland 2020
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03/2021, UBA Statistik Treibhausgas CO2 Emissionen Deutschland 2020 7 Bilder

CO2-Emissionen: Warum E-Autos nicht Kohlestrom laden

CO2-Emissionen von Elektroautos Warum E-Autos nicht nur Kohlestrom laden

Der Vorwurf ist so alt wie der Traum vom emissionsfreien Fahren: E-Autos tanken Strom aus der Steckdose und emittieren deshalb auch CO2. Aber wie viel? Und was ist mit dem zusätzlichen Strombedarf durch neue E-Autos? Mit einem Gastbeitrag von Prof. Martin Doppelbauer.

Elektroautos fahren lokal emissionsfrei. Was nicht heißt, dass sie auch CO2-frei fahren, weil eben die Erzeugung des Stroms mitgerechnet werden muss. Aber wie viel ist das pro Kilometer? In der EU emittierte ein Neuwagen (alle Antriebsarten) 2020 im Schnitt rund 140 Gramm CO2 pro Kilometer. Die steigende Zahl von PHEVs und Elektrofahrzeugen hat diesen Wert gegenüber 2019 schon erheblich gesenkt.

E-Auto emittiert 42 Prozent weniger CO2

Elektroautos verbrauchen beim Fahren Strom. Ein typischer Wert inklusive Ladeverlusten wären 22 kWh/100 km. Wie viel CO2 bei der Erzeugung einer kWh bisher emittiert werden, weiß beispielsweise das Umweltbundesamt (UBA) für die Jahre 1990 bis 2018 und prognostiziert damit auch, wie die Werte für 2019 und 2020 aussehen. Für 2020 gibt das UBA derzeit auf seiner Website einen Wert von 366 g (CO2)/kWh * an.

CO2-Emissionen Stromerzeugung
Umweltbundesamt
Das UBA gibt den CO2-Emissionsfaktor der Stromerzeugung für jedes Jahr an.

Zu den CO2-Emissionen, die beim Fahren eines E-Autos entstehen, ist es dann ein kurzer Weg über einen Dreisatz: 22 kWh/100 km x 366 g (CO2)/kWh = 8.052 g (CO2)/100 km. Das entspricht also 80,5 g/km. Ersparnis gegenüber dem Durchschnittsneuwagen (in diesem Mix ist wie gesagt schon eine beträchtliche Zahl an E-Autos und Plug-in-Hybriden enthalten): gut 42 Prozent.

Damit lässt sich nun ausrechnen, wie lange ein E-Auto fahren muss, um mit dieser Ersparnis seinen CO2-Rucksack (CO2-Emissionen, die bei der Herstellung anfallen; wegen der Batterie mehr als bei einem Auto mit Verbrenner) aus der Produktion zu kompensieren – und damit, ob der E-Antrieb die richtige Technologie ist, um de facto CO2 zu sparen.

Die CO2-Emissionen der Stromerzeugung sinken

Ebenfalls keine neue Erkenntnis: Je CO2-ärmer der Strom entsteht, desto sauberer fährt das E-Auto. Um die CO2-Emissionen der Stromerzeugung in der Zukunft zu berechnen, kalkulieren Wissenschaftler mit der Entwicklung des Stromnetzes, dem erwarteten Bedarf und greifen auf die Daten der Vergangenheit zurück. Seit 1990 hat sich der so genannte Emissionsfaktor laut UBA von 764 g/kWh bis 2020 um etwa 52 Prozent reduziert.

Wissenschaftler, die sich mit der CO2-Bilanz beschäftigen, gehen entsprechend von einem sinkenden CO2-Emissionsfaktor für die Zukunft der Stromerzeugung aus, weil dies nicht zuletzt dem CO2-Reduktionsplan der EU entspricht, der ja nicht nur den Verkehr, sondern auch die Stromerzeugung CO2-ärmer machen soll.

Alternative Antriebe

Steigern E-Autos den CO2-Ausstoß?

Immer wieder tauchen aber so genannte Grenzkosten-Kalkulationen auf, die davon ausgehen, dass der Stromverbrauch der wachsenden E-Auto-Flotte den Strombedarf erhöhen wird, was zu höheren Emissionen führen soll, weil die Stromerzeugung aus regenerativen Quellen nicht schnell genug mitwachsen würden und der Anteil von Strom aus vergleichsweise schnell zuschaltbaren Gas- oder Kohlekraftwerken mit entsprechend hohen CO2-Emissionen wachse.

Zuletzt versuchten Prof. Thomas Koch und Prof. Thomas Böhlke, beide vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dies mittels Leibnizscher Integralrechnung nachzuweisen. Obwohl die mathematischen Grundlagen aus dem 17. Jahrhundert stammen, erhielten sie für die Rechnung ("The Averaging Bias - A Standard Miscalculation, Which Extensively Underestimates Real CO2 Emissions") eine Zusage für eine Veröffentlichung im ZAMM, dem Journal of Applied Mathematics and Mechanics. Prof. Thomas Koch schrieb zudem einen Brief an die Stuttgarter Zeitung und die Europäische Union, die gerade ein Maßnahmenpaket ("Fit for 55") schnürt, um die CO2-Einsparung an die neuen, für 2030 ambitionierteren Ziele anzupassen.

Unser Podcast-Gast, Martin Doppelbauer, der (ebenfalls am KIT) die Professur für Hybride Elektrische Fahrzeuge hält, erklärt hier in einer Stellungnahme, warum seine Kollegen falsch liegen.

Porfessor Martin Doppelbauer KIT Podcast MOOVE
Martin Doppelbauer
Prof. Martin Doppelbauer lehrt am KIT.

Volle Kraft zurück?

Vorab zur Klarstellung ein paar Worte zum Emissionsfaktor. Der Emissionsfaktor der Stromproduktion, angegeben in Gramm CO2 pro kWh verbrauchter elektrischer Energie, wird nachträglich für das jeweils abgelaufene Jahr berechnet, indem man die Emissionen aller Stromerzeuger dem gesamten Stromverbrauch aller industriellen und privaten Endkunden gegenüberstellt. Er berücksichtigt die Netzverluste, den Eigenverbrauch der Kraftwerke und alle sonstigen Effekte, die zu Emissionen in der Produktion und zum Verbrauch elektrischer Energie führen. Der Emissionsfaktor gilt im Mittel für alle Endstromverbräuche des jeweiligen Jahres im entsprechenden Netz und daher natürlich auch für die dort ladenden Elektroautos.

Verdoppelung der CO2-Emissionen durch E-Autos?

Kurz zusammengefasst sagt der Aufsatz (von Prof. Koch, Anm. d. Red.), dass Produktion und Verbrauch im Stromnetz laufenden Schwankungen unterworfen sind und sich der momentane Emissionsfaktor daher ununterbrochen ändert. Dagegen ist nichts einzuwenden. Das ist lange bekannt und schon vielfach untersucht und veröffentlicht worden. Es hat allerdings keine praktische Relevanz für die Berechnung des durchschnittlichen Emissionsfaktors, denn diese Schwankungen sind darin berücksichtigt. Zu kritisieren ist, wenn einer der Autoren daraus die steile Behauptung ableitet und in der Öffentlichkeit verbreitet, dass der Emissionsfaktor von Elektroautos in Wirklichkeit verdoppelt werden müsse und Elektroautos daher viel dreckiger seien als bisher angenommen.

Folgen wir der Argumentation des Autors, dann müsste die Verdoppelung des Emissionsfaktors natürlich für alle neu ans Stromnetz angeschlossenen Verbraucher gelten, sofern es nicht-elektrische Ausweichtechnologien gibt, denn sie verursachen ja ebenfalls einen vermeidbaren Mehrverbrauch. Warum sollte das nur für neu angeschaffte Elektroautos gelten? Neue Elektroöfen und -herde kann man durch Gasöfen und -Herde ersetzen, Wärmepumpen durch Ölheizungen, Lampen durch Kerzen und statt fernzusehen kann man sich mit dem Handy informieren, das spart Strom. Ähnlicher Ersatz lässt sich für viele neu gekaufte elektrische Geräte finden. Müssen wir deren Emissionsfaktoren nicht ebenso verdoppeln?! Letztlich gingen alle heutigen elektrischen Verbraucher irgendwann einmal als Neugeräte ans Netz. Müssen wir dann nicht den Emissionsfaktor insgesamt verdoppeln?

Haben E-Autos einen negativen Emissionsfaktor?

Auch andersherum kann man argumentieren: Die meisten Elektroautos werden heute nicht von Erstkäufern erworben, schon allein aufgrund der derzeit noch höheren Preise. Sie ersetzen also einen Verbrenner und dessen Emissionen. Muss man die eingesparten Emissionen dann nicht vom Emissionsfaktor des Elektroautos abziehen? Rechnen wir das einmal: Ein Mittelklasse-Elektroauto braucht rund 22 kWh inkl. Ladeverluste auf 100 km. Mit dem aktuellen Emissionsfaktor Strominlandsverbrauch (in 2020: 380 g/kWh) sind das 8,36 kg CO2. Wir folgen der Argumentation der Autoren und verdoppeln den Wert willkürlich auf 16,7 kg. Der eingesparte Pkw mit Benzinmotor verbraucht heute typisch 7,3 l/100km (aktueller mittlerer Verbrauch aller Pkw in Deutschland laut KBA). Das entspricht mit 2,732 kgCO2/l (inkl. Vorkette) dann 19,9 kg CO2. Also wäre der richtige Emissionsfaktor für Elektroautos sogar negativ?! Und müsste man nicht auch den Entfall von Lärm und von Diesel- und Schwefelgestank in den Innenstädten einpreisen? Und weiter: Elektroautos werden immer häufiger beim Parken am Arbeitsplatz oder beim Einkaufen geladen, also über den Tag. Wegen Corona arbeiten viele Menschen im Homeoffice. Auch sie laden ihre Autos tagsüber. Tagsüber haben wir oft ein Überangebot an PV-Strom. Es besteht die Gefahr von Netzinstabilität und Abregelung. Diese Situation wird durch ladende Elektroautos verbessert, die Autos verhalten sich netzdienlich. Müsste man ihren Emissionsfaktor deshalb nicht eigentlich reduzieren, sagen wir beispielsweise auf die Hälfte?

Maßgeblich kann nur ein durchschnittlicher Emissionsfaktor sein

Diese Ausführungen machen deutlich, dass eine Sonderbehandlung einzelner elektrischer Verbraucher hinsichtlich ihrer Emissionen gleichermaßen willkürlich wie fruchtlos ist. Jede Anwendung, die wir von der Verbrennung fossiler Kraftstoffe auf elektrische Energie umstellen, ist ein Gewinn für unsere Umwelt. Das gilt neben Elektroautos auch für die Heizung mit Wärmepumpen und für vieles mehr. Die einzige vernünftige Vorgehensweise ist die Rechnung mit den gleichen mittleren Emissionen für alle elektrischen Verbraucher in einem Netzgebiet. Genau das machen die vielfältigen auf diesem Forschungsfeld veröffentlichten nationalen und internationalen Studien seit vielen Jahren.

CO2-Emissionen
Martin Dopellbauer
Der Emissionsfaktor bei der Stromerzeugung wird seit 1990 immer besser, obwohl inzwischen schon rund 310.000 E-Autos in Deutschland unterwegs sind.

Eine offensichtliche Ausnahme ergibt sich nur dann, wenn Erzeuger und Verbraucher direkt gekoppelt sind, also beispielsweise an einer Photovoltaik-Anlage. Aber auch die immer wieder vorgebrachte These, dass Elektroautos den Übergang zur regenerativen Stromproduktion behindern und dass man daher die Verbrenner noch lange Zeit weiter propagieren und Elektromobilität bremsen solle, ist auf mehreren Ebenen falsch. Tatsächlich spielt der Stromverbrauch von Elektroautos in Summe gar keine wesentliche Rolle. Würden fast alle Autos in Deutschland elektrisch fahren, so hätten wir zwischen 20 bis 25% höheren Strombedarf. Von einem weitgehenden Verkaufsende der Verbrenner-Pkw sind wir mindestens 10 Jahre entfernt. Dann folgen weitere typisch 15 Jahre, bis sich der Pkw-Flottenbestand einmal weitgehend umgewälzt hat. Die zusätzliche Stromproduktion haben wir also, optimistisch gerechnet, in frühestens 25 Jahren vollständig aufzubringen.

CO2-Emissionen
Martin Dopellbauer
Der Anteil an Grünstrom wächst trotz der Zunahme von E-Autos.

Anders formuliert: Wir müssen lediglich knapp 1 % zusätzliche Stromproduktion pro Jahr aufbauen, um den Mehrbedarf durch Elektroautos aufzufangen. Im Vergleich zu den sonstigen Anstrengungen, die für die Umstellung auf regenerative Stromerzeugung zu leisten sind, ist dies ein geringer Mehraufwand. Es gibt dazu eine Vielzahl von Untersuchungen und eindeutige Statements der großen Stromerzeuger.

An den eigentlichen Problemen der E-Mobilität vorbei

Die wirklichen Herausforderungen der Elektromobilität werden vom Autor des Artikels gar nicht erwähnt: Wir müssen für viele Millionen Menschen, die kein Eigenheim und keinen eigenen Parkplatz haben, komfortable Lademöglichkeiten schaffen. Wir müssen die Entwicklung und Produktion der neuen Technologien hochfahren, optimieren und die Kosten reduzieren. Wir müssen neue Autos entwerfen, denn zu Elektroautos umgepfriemelte Verbrenner sind in Zukunft nicht mehr wettbewerbsfähig. Alles das braucht vor allem eines: ganz viel Zeit. Wir können nicht jahrzehntelang in aller Ruhe die Stromproduktion umbauen und danach mal schauen, was wir mit dem Pkw-Verkehr machen. Im Verkehrssektor sind die Emissionen seit 30 Jahren nicht gesunken. Wir müssen die Umstellung auf Elektromobilität jetzt mit voller Kraft weitertreiben. Und noch etwas: Es wird versprochen, dass Verbrenner zukünftig durch neue hybride Technologien viel weniger Kraftstoff verbrauchen werden als bisher. Man spricht sogar von einer Halbierung, etwa 3 bis 4 l/100km. Der Emissionsfaktor fällt beständig, Verbrenner werden kaum sparsamer

Schaut man nüchtern auf die technischen Entwicklungen der Pkw in den letzten 30 Jahren (Stichjahr 1990), dann kann man feststellen, dass der mittlere Fahrzeugverbrauch in etwa um 33 % zurückgegangen ist. Das sind im langjährigen Mittel sage und schreibe 1 % Verbrauchsverbesserung pro Jahr. Übrigens wurde der Emissionsfaktor der Stromproduktion in der gleichen Zeit von knapp 800 auf heute 380 g CO2/kWh** verbessert und er fällt beständig weiter, allen neuen Elektroautos zum Trotz, aber das nur am Rande. Hybride Pkw fahren schon seit rund 10 Jahren in größerer Zahl über unsere Straßen. In der letzten Zeit werden fast alle Neufahrzeuge mit hybriden Technologien ausgerüstet. Trotzdem stagniert der mittlere, reale Kraftstoffverbrauch pro Pkw seit rund 10 Jahren. Schlimmer noch: In den letzten rund 5 Jahren gingen sowohl der reale Flottenverbrauch (Angaben KBA) wie auch der mittlere Verbrauch der Neufahrzeuge (Angaben der Hersteller) leicht nach oben. Was soll man von dem Versprechen einer Halbierung des Kraftstoffverbrauchs in naher Zukunft halten?

Synthetische Kraftstoffe brauchen 10 mal mehr Strom

Vom gleichen Autor werden strombasierte, synthetische Kraftstoffe als angeblich umweltfreundliche Alternative propagiert. Rechnet man ehrlich mit den aktuellen 7,3 Liter Kraftstoffverbrauch auf 100 km, dann benötigen synthetische Kraftstoffe über 10-mal mehr elektrische Energie als Elektroautos. Wie passt das zu der Forderung, dass man den Emissionsfaktor für neue Verbraucher verdoppeln soll? Die Schadstoffbelastung der Innenstädte verbessert sich durch synthetische Kraftstoffe auch nicht.

Zum Schluss ist es mir wichtig darauf hinzuweisen, dass wir in Deutschland in diesem Spiel gar keinen entscheidenden, internationalen Einfluss haben. Die meisten unserer europäischen Nachbarn haben bessere Emissionsfaktoren als wir und werden sowieso auf Elektromobilität umstellen. Immer mehr europäische Städte planen Einfahrverbote für Pkw mit Verbrennungsmotoren, teils sogar schon für Hybride, z.B. Paris. Die USA und auch China sind uns deutlich voraus. Selbst Schwellenländer wie Indien gehen die Elektrifizierung des Straßenverkehrs inzwischen offensiv an.

E-Autos billiger als Verbrenner

Die Gründe sind vielfältig: Neben dem lokalen und globalen Umweltschutz spielen auch Wettbewerbsthemen eine wichtige Rolle. Immer mehr Hersteller, u.a. Fiat, erwarten, dass Elektroautos spätestens zum Ende des Jahrzehnts preisgünstiger als Verbrenner sein werden und stellen ihre Produktion vollständig um.

Hersteller Verbrenner Ausstieg Elektromobilität Zukunft Strategie
Alternative Antriebe

In den gesamten Betriebskosten (TCO – Total Cost of Ownership) sind Elektroautos laut ADAC ganz überwiegend heute schon führend. Wir müssen uns entscheiden, ob wir vorne dabei sind und damit unsere führende Stellung im internationalen Wettbewerb behalten oder ob wir uns als Bremser ans Ende des Zugs begeben. Zum Glück sind die Automobilkonzerne und die Zulieferindustrie in Deutschland nach langem Anlauf inzwischen ganz gut aufgestellt. Deshalb ist es mir um unseren Wirtschaftsstandort nicht allzu bange. Wir müssen aber weiter am Ball bleiben.

Martin Doppelbauer

* CO2-Emissionsfaktor Strommix Stand Mai 2021 laut UBA

**Der Emissionsfaktor wird üblicherweise unmittelbar nach dem Ablauf eines jeden Jahres geschätzt und einige Monate später nochmals genauer nachgerechnet veröffentlicht. Dies ist der vor rund 4 Wochen vom Umweltbundesamt veröffentlichte Wert (CO2-Emissionsfaktor Strominlandsverbrauch, 380 g/kWh). Auch dieser Wert hat noch zwei Sterne, er ist weiterhin geschätzt.

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