Weltweit wird so viel erneuerbare Energie aufgrund fehlender Speichermöglichkeiten vergeudet, dass sie ein mittelgroßes Land mit Strom versorgen könnte. Erneuerbare Energie ist variabel, was bedeutet, dass wir Energiespeichermedien benötigen, um Spitzen und Täler auszugleichen. Zudem benötigen wir mobile Energie für den Transport. Theoretisch könnten Batterien das meiste davon für uns übernehmen, doch in der Praxis haben sie erhebliche Probleme…
Verschwendete natürliche Energie…
In Ländern mit ausgeprägten Jahreszeiten erzeugen die Sommermonate Spitzenwerte an Energie aus Solarpaneelen. Starke Winde führen dazu, dass Windkraftanlagen abgeschaltet werden müssen, um eine Überlastung des Netzes zu vermeiden. Viel Strom wird – da er weder genutzt noch bequem gespeichert werden kann – abgeschaltet oder sogar einfach in die Erde abgeleitet. In den Wintermonaten oder während längerer Phasen geringer erneuerbarer Produktion brauchen wir dringend die überschüssige Energie, die wir zu anderen Zeiten erzeugt haben. Und das in großen Mengen.
Einfache Speicherung und Verteilung…
Hier kommt eine robuste und relativ einfache Speicher- und Verteilungsinfrastruktur ins Spiel. Dieses System lässt sich leicht skalieren, und die Substanzen, die es nutzen würde, sind kohlenstoffbasierte synthetische Kraftstoffe. Warum Kohlenstoff? Weil er so vielseitig ist und nur grundlegende Technologie benötigt: Man denke an eine Gasflasche oder einen Tank mit flüssigem Kraftstoff. Von der Versorgung großer Industrien – insbesondere der Stahl- und Zementproduktion – bis hin zum Straßentransport bieten synthetische Kraftstoffe einige erhebliche Vorteile. Insbesondere verursachen sie bei der Förderung keine vergleichbaren Umweltschäden wie der Abbau für Batterien, und sie sind nicht mit den typischen Recyclingproblemen von Batterien verbunden.
Nur detaillierte Analysen enthüllen die Wahrheit…
Ein Vergleich ganzer Volkswirtschaften, einschließlich aller Ketten von der Produktion über die Nutzung bis zum Lebensende, führt mich zu folgendem Schluss: Die Wirtschaft mit batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ist mehrere Male schlechter für die Umwelt und die globale menschliche Gesundheit als eine Wirtschaft, die auf E-Fuels basiert. Wirtschaftlich gesehen würde ein batteriebetriebener Sattelschlepper im Güterverkehr etwa 16 % seiner Ladung opfern, um den Gesamtnormgewichtsvorschriften zu entsprechen, verglichen mit einem gleichwertigen Dieselfahrzeug. Außerdem müsste er zum Laden anhalten, was längere Transportzeiten zur Folge hätte: Diesel-Lkw können pan-europäische Strecken ohne Nachtanken zurücklegen. E-Diesel und andere Kraftstoffe können bereits heute mit null oder nahezu null CO2-Emissionen hergestellt werden.
Wir müssen Energie speichern, um eine konstante Versorgung sicherzustellen und Überschüsse aufzufangen. Dadurch könnten wir die Anzahl der Anlagen auf ein Minimum reduzieren – ein wichtiger Schritt, um ihre Umweltbelastung zu minimieren. In Sachen sinnvoller und flexibler Speicherung hinken wir jedoch sehr weit hinterher. Allein im Jahr 2020 wurden im Vereinigten Königreich etwa 3,6 TWh (Terawattstunden) erneuerbarer Energie verschwendet, weil sie nicht gespeichert werden konnte. Das reicht aus, um rund 1.000.000 Haushalte ein Jahr lang mit Strom zu versorgen – und ist interessanterweise mehr als doppelt so viel wie die erneuerbare Stromerzeugung Chinas. Im Jahr 2022 wurden allein in Kalifornien 1,9 TWh erneuerbare Energie mangels Speichermöglichkeiten verschwendet.
Weltweit sprechen wir möglicherweise von mehr als 200 TWh verschwendeter erneuerbarer Stromerzeugung pro Jahr. In vielen Teilen der Welt würde das ausreichen, um fast 0,3 Milliarden Haushalte ein Jahr lang zu versorgen – in Regionen, deren Pro-Kopf-Verbrauch deutlich niedriger ist als beispielsweise in den USA oder Europa. Diese Energie wird – in extremen Fällen – in die Erde abgeleitet („abgeschaltet“), weil das Netz sie nicht verarbeiten kann, oder sie wird direkt an der Quelle „abgestellt“, etwa durch das Abbremsen von Windturbinenrotoren (sogenanntes „Feathering“) oder das Abschalten der Wechselrichter von Solaranlagen.
Alarmierenderweise muss mit wachsender Kapazität erneuerbarer Energien an vielen Orten immer mehr Energie begrenzt werden: Sie kann schlicht nicht rechtzeitig genutzt oder gespeichert werden. Verschwendete erneuerbare Energie, die dadurch fossile Energie nicht ersetzt, ist mit unnötigen CO₂-Emissionen verbunden. Dies verursacht sowohl ökologische als auch finanzielle Kosten. Wir könnten bereits jetzt die Synthese erneuerbarer Kraftstoffe mit dieser Energie hochfahren – und dazu sehr einfache und kostengünstige, bereits bestehende Infrastrukturen nutzen.
Vielleicht ist Ihnen ein „Problem“ bei dieser Idee aufgefallen: Ja, wir können die Menge der „verlorenen“ Energie ziemlich genau abschätzen. Aber wenn wir sie speichern und wieder nutzen könnten, bekämen wir definitiv nicht die gleiche Menge an Energie zurück, die wir eingespeist haben. Das ist bei jedem System, das Energieumwandlungen beinhaltet, unvermeidlich.
Stellen Sie sich vor, wir würden überschüssigen Strom in Methan umwandeln und dieses dann nutzen, um gasbetriebene Kraftwerke zu betreiben. Wie viel Energie würden wir „verlieren“? Angenommen, die Effizienz der Strom-zu-Methan-Umwandlung liegt bei 50 %, und die Rückumwandlung zu Strom in einem gasbetriebenen Kraftwerk hat eine Effizienz von 65 % (gasbetriebene Stromerzeugung kann relativ effizient sein). Multipliziert ergibt das nur 33 % Effizienz.
Überraschenderweise ist das für viele sehr ähnlich zu einer batteriebasierten Speicherlösung (Analyse veröffentlicht in The Decarbonization Delusion). Die Batterielösung erreicht keine höhere Effizienz aus folgenden Gründen: Man muss die Energie berücksichtigen, die für die Herstellung der Batterie benötigt wird – und diese ist sehr hoch. Hinzu kommen erhebliche Energieverluste beim Laden und Entladen sowie für die Versorgung von Kühleinrichtungen, um die von der Batterie erzeugte Wärme zu bewältigen. Ein gasbetriebenes Kraftwerk kann problemlos 30 Jahre lang betrieben werden, aber die meisten Quellen gehen derzeit von einer Lebensdauer von nur 10 Jahren für batteriebasierte Energiespeicher aus.
Für ein Energiespeicher- und Rückgewinnungssystem auf Basis von synthetischem Gas ist die Materialbelastung im Vergleich zu Batterien gering. Der Großteil eines gasbasierten Systems ist zudem sehr leicht zu recyceln. Das Recycling von Batterien hingegen ist äußerst energieintensiv, erzeugt erhebliche toxische Nebenprodukte und ist bei weitem nicht so vollständig. Die Umweltrisiken einer Wirtschaft, die auf Megabatteriespeicherung basiert, sind bereits jetzt in den massiven Mineralabbautätigkeiten offensichtlich, die damit einhergehen: Tatsächlich wären diese Auswirkungen weit größer als die eines Systems zur Speicherung mit synthetischen Kraftstoffen.
Im sonnenreichen Sommer könnten wir mit synthetischen Kraftstoffen enorme Energiemengen für wolkige Winter speichern, wenn wir weitaus mehr Energie benötigen, als die regenerative Kapazität liefern kann. Ein solches Vorhaben mit Batterien umzusetzen, würde unvorstellbare Mengen an Batteriematerial erfordern. Zusätzlich wären aufgrund der geringeren Energiedichte von Batterien extrem große Installationen notwendig.
Wir müssen Energie in praktischen Formen für die Endnutzer bereitstellen; zudem benötigen wir mobile Energieformen für den Transport. All dies muss mit derselben Umweltbewusstheit geschehen, mit der auch die Energie erzeugt wurde. Es stimmt, dass wir niemals in der Lage sein werden, die derzeit verschwendete erneuerbare Elektrizität zu mehr als einem bestimmten Prozentsatz ihres Nennwerts zu speichern und zu nutzen: Jegliche Speicherung und Rückgewinnung von Energie ist mit Verlusten verbunden. Einige Technologien verursachen mehr Verluste als andere. Aber wir müssen alle Systeme im Kontext langfristiger Full-Chain-/Lebenszyklus-Analysen betrachten: Der Fokus muss auf der Umweltwirkung (nicht nur der Effizienz) als entscheidendem Faktor liegen.
Diese Website beschäftigt sich damit, wie wir all dies erreichen können – weitgehend durch Einsichten aus der Biologie, die es dem Leben ermöglicht hat, seit mehr als 3,5 Milliarden Jahren nachhaltig auf der Erde zu existieren.
Derzeit decken wir den überwiegenden Teil unseres Batteriebedarfs durch frisch abgebaute Mineralien und Erze – und der Trend nimmt zu. Selbst wenn das Batterierecycling stark zunähme, könnte es die wachsende Nachfrage nicht decken. Wir müssten weiterhin mehr „Zutaten“ abbauen. Über Jahrzehnte hinweg würden wir die Erde aufwühlen, um an die benötigten Rohstoffe zu gelangen.
Wie eine kürzlich von Forschern der Materialwissenschaft und Umweltverträglichkeit im begutachteten Fachjournal Battery Energy veröffentlichte Studie feststellt:
„Auch wenn die Black-Mass-(BM)-Industrie mit dem schnellen Anstieg der Verkaufszahlen von Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) wachsen dürfte, sind die nachhaltigsten Strategien für ein kreislauforientiertes Recycling noch weit davon entfernt, marktreif zu sein.“
Black Mass (schwarze Masse) – eine variable Mischung aus zurückgewonnenen Materialien aus Batterien am Ende ihres Lebenszyklus – ist dabei nicht das größte Problem, sondern vielmehr die Entwicklung von Prozessen für unterschiedliche Arten von Black Mass (unterschiedliche Batterietypen haben verschiedene Bestandteile) und die wirtschaftliche sowie saubere Gewinnung hoher Prozentsätze von Metallen.
Das Fazit lautet jedoch: Selbst wenn das Recycling deutlich verbessert wird, werden wir über viele Jahrzehnte hinweg riesige Mengen frisch abgebauter metallischer Rohstoffe benötigen.
Die Herausforderungen für Batterien in Bezug auf die Praktikabilität steigen mit der Größe des Objekts, in dem sie eingesetzt werden. Bislang gibt es keine ernsthaften Versuche, Langstreckenflugzeuge mit Batteriestrom und Elektromotoren zu betreiben: Die Energiedichte von Batterien ist nach wie vor viel zu gering, um die notwendige Energie bei gleichzeitig niedrigem Gewicht für den Start und Langstreckenflüge bereitzustellen. Auch große Schiffe müssten eine beträchtliche zusätzliche Ladekapazität opfern, wenn sie batteriebetrieben wären.
An Land sind batterieelektrische Fahrzeuge leicht zu realisieren, aber sind sie in jeder Hinsicht wirklich besser als ihre Verbrennermotor-Pendants? Besonders bei Lastwagen für den Fernverkehr nimmt die Herausforderung für Batterien mit steigender Traglast zu. Ein 44-Tonnen-Sattelschlepper würde bei batteriebetriebenem Antrieb etwa 2,7 Tonnen Fracht im Vergleich zu seinem Diesel-Pendant opfern: das entspricht 16 % seiner Ladekapazität.
In ökologischer Hinsicht sind batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) Verbrennerfahrzeugen (ICEVs) überlegen, wenn sie relativ hohe jährliche Kilometerleistungen erreichen. Doch selbst wenn wir uns vorstellen, die gesamten CO2-Emissionen vergleichbarer Autos zu vergleichen – BEVs mit ICEVs, die fossile Brennstoffe nutzen – liegt der Break-even-Punkt beim derzeitigen globalen Energiemix weit über der Strecke, die die meisten Menschen im Leben eines Autos zurücklegen:
Bei 0 km wird nur der UNTERSCHIED in den CO2-Emissionen zwischen ICEV und BEV für die Grafik berücksichtigt: Das BEV verursacht bei der Herstellung deutlich höhere CO2-Emissionen (basierend auf Werten aus globalen Energiemixen). Bis zu einer GESAMT zurückgelegten Strecke von etwa 570.000 km ist das ICEV für weniger CO2-Emissionen verantwortlich als das BEV – auf Basis globaler Energiemixe. Der Break-even-Punkt für ein BEV, das mit dem Strommix der Europäischen Union betrieben wird, liegt bei etwa 130.000 km; für den Strommix der USA in der Größenordnung von 200.000 km. Unterhalb dieser Break-even-Punkte produziert das mit fossilem Treibstoff betriebene ICEV kumulativ über seinen Herstellungs- und Nutzungszyklus hinweg weniger CO2 als das BEV.
Die Berechnungsmethodik und die zugrunde liegenden Werte finden Sie in The Decarbonization Delusion.
Die CO2-Reduktionen beim Laden von BEVs durch bessere Stromquellen nehmen zu, und wir hoffen, dass wir schnell Nullemissionen erreichen. Aber selbst dann sind die Herausforderungen noch lange nicht gelöst: Wir müssen die Umwelt als Ganzes betrachten und nicht nur das Klima und Treibhausgasemissionen.
Bei global durchschnittlichen Fahrleistungen ist es unwahrscheinlich, dass BEVs konventionelle Autos insgesamt schlagen – aufgrund ihrer erheblich höheren Umweltbelastung bei der Herstellung. Im Vergleich zu konventionellen Autos, die mit E-Fuels betrieben werden, schneiden sie in der Umweltbilanz sogar schlechter ab. Dies wird gemessen als die Rate, mit der Arten voraussichtlich aussterben würden (Species *Years = Spezies*Jahre) aufgrund der Auswirkungen:
Hier betrachten wir ganze globale Volkswirtschaften im Bereich der Automobilproduktion und des Fahrens, unter Verwendung eines Zeitfensters von einem Jahr, das sich durch die Zeit bewegt. Die Fahrzeugzahlen für 2030 stammen von der Internationalen Energieagentur: 140.000.000 BEVs auf den Straßen; 35.000.000 Fahrzeuge werden in diesem Jahr produziert; ein Gedankenexperiment, das auf dem Ersetzen dieser BEV-Zahlen durch entweder Vollhybride oder ICEVs, die mit E-Fuel betrieben werden, basiert. Alle Energien (für Herstellung und Fahrt) für alle Autos werden als CO2-neutral angesehen. Identitäten der verglichenen Fahrzeuge:
Bis zu 31.000 km pro Fahrzeug und Jahr ist die Vollhybridwirtschaft umweltfreundlicher als das BEV; bis zu 27.500 km pro Fahrzeug und Jahr ist der ICEV mit E-Fuel umweltfreundlicher als das BEV. Zum Vergleich: Der durchschnittliche globale Fahrwert pro Jahr wird auf etwa 12.000 km geschätzt. Kraftstoffverbrauchswerte und E-Fuel-Produktionseffizienz stammen von Audi AG (interne Daten, 2024) und von FVV Energy for a Moving Society (Studie 2022). Berechnungsrahmen: ReCiPe (Niederländisches Nationales Institut für öffentliche Gesundheit und Umwelt). Szenario und Modellierung in The Decarbonization Delusion.
Die Break-even-Punkte in Bezug auf die gesamten Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit in der globalen Bevölkerung sind – laut meinen Analysen – sogar größer als die für die Umweltauswirkungen. Dies wird gemessen an den Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit in Jahren mit krankheits- bzw. behinderungsbedingten Einschränkungen (Disability-Adjusted Life Years: DALY):
Datenquellen und Methodik (d.h. das Modell, das in The Decarbonization Delusion veröffentlicht wurde, unter Anwendung des Impact-Berechnungsrahmens ReCiPe) sind identisch mit dem vorherigen Diagramm. Zum Vergleich wurde ein aktuelles ICEV, das fossile Brennstoffe verwendet, aufgenommen, um die obere Grenze der wahrscheinlichen Break-even-Region aufzuzeigen: Die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit des fossilen ICEV steigen viel steiler als die der anderen Fahrzeuge aufgrund der Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen des fossilen Brennstoffabbaus. Der Anteil der Auswirkungen, der durch die Verbrennung des Kraftstoffs in modernen Motoren mit Katalysatoren und Partikelfiltern verursacht wird, wird im Vergleich als sehr gering angesehen. Aus diesem Grund ergeben sich die wahrscheinlichen Break-even-Punkte wie folgt: Bis zu 170.000 km pro Fahrzeug und Jahr ist das Vollhybridfahrzeug (Fhyb.) weniger schädlich als das BEV; bis zu 157.000 km pro Jahr ist das ICEV, das E-Fuel verwendet, weniger schädlich als das BEV. Zum Vergleich: Die durchschnittliche globale Fahrleistung pro Jahr wird auf etwa 12.000 km geschätzt.
Warum überraschen diese Ergebnisse viele Menschen? Hauptsächlich, weil die enormen Auswirkungen des Elektrofahrzeugs während der Produktion (eine vollständige Analyse der gesamten Wertschöpfungskette vom Erzabbau bis zum fertigen fahrbaren Produkt) vernachlässigt oder stark unterschätzt werden:
Aufschlüsselung der Faktoren, die zur Umwelt- und Gesundheitsbelastung der Automobilproduktion und -nutzung beitragen. Bis zum fertigen, fahrbereiten Produkt hat ein typisches batterieelektrisches Fahrzeug, das mit globalen Energiemischungen und Produktionspraktiken hergestellt wird, mindestens doppelt so hohe Auswirkungen auf Energieverbrauch, Umwelt und menschliche Gesundheit wie ein vergleichbares Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (ICEV). Der Nickelanteil einer typischen BEV-Batterie steigt steil an, und Nickel erfordert pro kg raffiniertem Metall 4,5-mal so viel Energie wie Aluminium. Freiluft-Nickelminen in Indonesien zerstören bereits größere Gebiete des Primärwaldes. Zudem ist der Recyclinganteil nach Masse (Gewicht in kg) bei ICEVs sehr hoch – in den meisten Metallkategorien bis zu 90 % – während der Recyclinganteil bei BEVs aufgrund des Batteriematerials und der erhöhten Elektronikmasse erheblich niedriger ist. Das Recycling von Batterien ist im Vergleich relativ unvollständig und sehr kostspielig. Traditionelles Fahrzeugrecycling ist durch eine umfangreiche analytische Literatur beschrieben; das Recycling von BEVs hinkt sowohl in der Theorie als auch in der Praxis deutlich hinter den Produktionsraten her.
Die Ironie der Situation ist folgende: In vielen Industrieländern versuchen die Regierungen (oder sollten es tun), die Menschen dazu zu ermutigen, mehr öffentliche Verkehrsmittel zu nutzen und weniger das Auto. Elektrofahrzeuge (EVs) wären in diesem Szenario nur dann ratsam, wenn es sich um Poolautos handelte, die viel häufiger genutzt würden als derzeit. Sie würden also – pro Fahrzeug – viel größere Entfernungen zurücklegen als bisher. Aber würde die Automobilindustrie ein solches Szenario “akzeptieren”? Schließlich würde das eine starke Reduzierung der Produktion neuer Autos bedeuten…
Ist es möglich, dass die blaue Linie in den oben dargestellten Diagrammen – die das BEV darstellt – nach unten geht und damit einen geringeren Umwelteinfluss anzeigt? Das würde es dem BEV ermöglichen, den Break-even-Punkt mit dem ICEV, der E-Fuels verwendet, bei einer geringeren Fahrstrecke zu erreichen. Könnte also Folgendes passieren?
Dies ist in absehbarer Zukunft unwahrscheinlich, weil:
Warum sieht die Nachhaltigkeit der aktuellen BEV-Wirtschaft so zweifelhaft aus? Der intuitive Grund ist:
Und die Konzentration des Erz-/Mineralabbaus und seiner Auswirkungen ist größtenteils weit entfernt von den Verbrauchern, die glauben, dass sie etwas Gutes tun…
Wir dürfen nicht in die Falle der Umwelt-Heuchelei tappen… Es gibt ein passendes Sprichwort: “Den Teufel mit Beelzebub austreiben”; in diesem Fall fossile Rohstoffförderung mit Mineral- und Erzabbau. Wenn wir nicht die sind, die metaphorisch gesehen mit Beelzebub in Kontakt stehen, können wir dann eine solche Handlung ethisch unterstützen? Zudem sind die zerstörten Umgebungen Teile globaler Ökologien, die uns alle am Leben erhalten…
> World Economic Forum on the energy storage challenge
> Worldwide renewable energy wastage because of lack of suitable energy storage
> Progress in renewable electricity generation in China
> Reviving spent lithium-ion batteries: The advancements and challenges of sustainable black mass recovery
> Guardian newspaper article 2024 on UN report highlighting impacts of expanding raw material extraction
> On the environmental AND financial impact of deep sea mining
> On the destruction of primary forests via open cast nickel ore mining
> Analysis of break-even points between battery electric vehicles and fossil-fuel burning vehicles to discover the parts of the systems most sensitive to improvement
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andrewmoorescientist.com Analyses and comparisons in energy and material economies Email