CO2, Wirkungsgrad und «Well-to-wheel»: Viele Schlagworte um ein komplexes Thema. Warum Batterie- beziehungsweise eBusse wesentlich umweltfreundlicher sind als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, erklärt Adrian Vogel, Leiter Flottenmanagement Bus bei den VBZ, im Interview.
«The future is now…» Nach dem erfolgreichen Probebetrieb zweier eBusse starten die Verkehrsbetriebe Zürich (VBZ) aktuell einen Ausschreibungsprozess mit der Absicht, ab Ende 2021 die ersten acht dieser kleinen Batteriebusse durch Zürichs Quartiere fahren zu lassen. Sie sollen dabei helfen, die Ziele der 2000-Watt-Gesellschaft auch im ÖV zu erreichen. Nur, sind batteriebetriebene Busse überhaupt umweltfreundlicher als die mit Diesel betriebenen Autobusse? Wir haben mit Adrian Vogel, Leiter Flottenmanagement Bus bei den VBZ, gesprochen.
Herr Vogel, die VBZ beschaffen Batteriebusse. Es hält sich hartnäckig das Gerücht, wonach Dieselfahrzeuge am Ende auch nicht belastender für die Umwelt seien als die neuen, sogenannt «sauberen» Busse.
Der Beweis, dass elektrobetriebene Fahrzeuge weitaus umweltfreundlicher sind als Benziner oder Diesel-Kraftwagen, wurde im europäischen Raum bereits erbracht. Gemäss einer Studie des Fraunhofer Instituts vom Februar 2019 sind bei Personenwagen Einsparungen der Treibhausgaus-Emissionen von bis zu 70 Prozent möglich, je nach verwendeter Stromart. Bei Bussen des ÖV liegen diese Einsparungen noch deutlich höher.
Eine andere Studie sagt, dass bei der Herstellung eines Elektro-Autos 17 Tonnen CO2 entstehen sollen. Damit müsste das Fahrzeug 200‘000 km zurücklegen, um gegenüber einem Verbrennungsmotor besser dazustehen…
Es handelt sich dabei um die oft zitierte «Schweden»-Studie. Die Zahl von 17 Tonnen CO2 entstand durch eine Reihe von Fehlinterpretationen in der weiteren Verwendung dieser Studie. Die Resultate aller Studien zu diesem Thema variieren sehr stark mit den ihnen zugrunde liegenden Annahmen. Es gibt nun mal unterschiedliche grosse Batterien und verschiedene Produktionsverfahren mit unterschiedlichen Umweltbilanzen. Zu guter Letzt werden die Fahrzeuge noch mit unterschiedlich sauberem Strom geladen. Es gibt also in dieser Frage nicht die eine einfache Antwort.
Welche Aspekte spielen denn bei diesen komplexen Berechnungen eine Rolle?
Es sind vor allem vier Faktoren: Die Energieeffizienz des Motors, also zu wieviel Prozent die eingespeiste Energie für den Antrieb verwendet werden kann. Man nennt dies auch den «Wirkungsgrad». Weiter die Herstellung der Fahrzeuge und des Antriebsstrangs (inklusive der Batterien), für welche ja ebenfalls Energie benötigt wird. Dann natürlich der Stromverbrauch der Fahrzeuge selber – auch dort wieder eng verknüpft mit der Frage, wie der eingesetzte Strom gewonnen wurde. Zu guter Letzt die mögliche Zweitnutzung der Batterie als stationärer Speicher, das Recycling sowie die Entsorgung.
Dann gehen wir diese Liste doch mal durch. Wie hoch ist denn der Wirkungsgrad von einem Elektrofahrzeug gegenüber einem Verbrennungsmotor?
Elektrofahrzeuge weisen einen Wirkungsgrad (Tank-to-Wheel) von weit über 80 Prozent auf, derweil fossile Antriebe lediglich einen solchen von 20 bis 30 Prozent erreichen. Das heisst, von der anfänglich eingespeisten Energie wandelt der Elektroantrieb mehr als 80 Prozent in Antriebsenergie um, während beim Verbrennungsmotor rund 80 Prozent in Abwärme verloren geht. Ein Elektrofahrzeug fährt also mit derselben Energiemenge viermal weiter als ein Diesel- oder Benzinfahrzeug.
Viel Kritik gibt es zum zweiten Faktor, der Herstellung der Batterie, für welche ja ebenfalls Energie verbraucht wird.
Es ist nicht von der Hand zu weisen, dass für die Produktion eines batteriebetriebenen Fahrzeugs zunächst mehr Strom benötigt wird als für einen Verbrenner. Essentiell für den CO2-Output ist dabei die Frage, mit welchem Strommix die Fertigungsanlagen der jeweiligen Zell- beziehungsweise Batteriefabrik betrieben werden. So oder so relativiert sich der Wert aber, je länger das Fahrzeug in Betrieb ist, da dieses vor allem bei seiner Herstellung CO2 generiert, während der Fahrt aber nicht mehr – im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor. Man muss alle Faktoren, von der Rohstoffgewinnung bis zur eigentlichen Fahrt, in die Waagschale werfen. Den daraus entstehenden Wert nennt man «Well-to-Wheel».
Und wie sehen diese «Well-to-Wheel»-Werte im Durchschnitt aus?
Gemäss der Studie des Fraunhofer Instituts betragen die kumulierten Treibhausgas-Emissionen eines Mittelklasse-Elektroautos (mit 30-Kilowattstunden-Batterie über 13 Jahre Betriebsdauer und einer Laufleistung von 175‘000 Kilometern) 6 bis 23 Tonnen CO2, je nachdem, ob für Batterieherstellung und Betrieb 100 Prozent erneuerbare Energie oder der gängige deutsche Strommix beziehungsweise eine Kombination davon verwendet wird. Im Vergleich dazu liegt der Benzin-Pkw bei 40 Tonnen CO2, der Diesel-Pkw bei 35 Tonnen CO2. Wie gesagt, verändert sich der Wert mit jedem gefahrenen Kilometer zu Gunsten des Batterieautos. Wird das Auto mit 100 Prozent Ökostrom versorgt, sind die CO2-Emissionen gegenüber einem konventionellen Pkw um bis zu vier Mal niedriger.
Mit was für einem Strommix sind denn die Busse und Trams der VBZ unterwegs?
In Zürich fahren die Trams und Trolleybusse der VBZ schon seit 2005 mit Strom aus 100 Prozent erneuerbarer Energie. Unser Strommix enthält nebst Wasserkraft auch mindestens zehn Prozent Energie aus Wind- und Biomasseanlagen. Natürlich werden die Ladeinfrastrukturen der Verkehrsbetriebe Zürich, die auf die Einführung der eBusse hin gebaut werden, ebenfalls diese Art von Strom beziehen.
«Ein Elektrobus in Zürich rechtfertigt den Initial-Stromaufwand locker.»
Wissen wir auch, wie hoch der CO2-Ausstoss bei den Bussen der VBZ ausfällt?
Nachtrag: Die untenstehenden Berechnungen beruhen auf der Annahme eines Ausstosses von 200kg CO2-Äquivalent pro kWh Batteriekapazität. Gemäss einer aktuellen Meta-Studie aus Schweden liegen die CO2-Emissionen bei der Batterieproduktion jedoch markant tiefer: Der CO2-Ausstoss für die Batterieherstellung wird durchschnittlich noch mit 61 kg bis 106 kg (Spitze bis 146 kg) / kWh angegeben. Diese aktualisierten Werte bedeuten, dass die CO2-Bilanz noch viel deutlicher zugunsten des Batteriebusses ausfällt (beinahe Faktor 15 statt 7).
Nach unseren Berechnungen beträgt der CO2-Ausstoss eines Gelenk-Dieselbusses bei einer Nutzungsdauer von 14 Jahren rund 1’500 Tonnen. Geht man von einem Elektro-Gelenkbus mit einer theoretischen Batteriegrösse von rund 550 Kilowattstunden aus, fallen zur Herstellung der Batterie Emissionen von rund 110 Tonnen CO2 an. Rechnet man mit einem einmaligen Tausch der Batterie nach rund 7 Jahren, kommt man auf Emissionen von rund 220 Tonnen CO2. Kurzum: Der CO2-Ausstoss eines Dieselbusses ist ungefähr um Faktor 7 grösser als derjenige für die Batterieherstellung eines vergleichbaren Elektro-Gelenkbusses. Bei den Batterietrolleybussen sind die CO2-Emissionen zur Batterieherstellung übrigens nochmal um eine Grössenordnung kleiner, da diese mit deutlich kleineren Batterien auskommen. Bei modernen Gelenktrolleybussen beträgt die Batteriegrösse gerade mal 70 kWh.
Und in diesen Zahlen sind jetzt alle Faktoren miteinberechnet?
Nein. In diese Werte ist der CO2-Ausstoss für die Herstellung und den Transport des Dieseltreibstoffs nicht mit einberechnet. Ebenso wenig wird die Möglichkeit der Second-Life-Nutzung einer Batterie und das Batterierecycling mit in Betracht gezogen. Würde man diese Kriterien mit einbeziehen, verschöbe sich das Resultat noch weiter zugunsten des Batteriebusses. Die Resultate sind aber auch so schon eindeutig: Der Produktionsmalus relativiert sich mit jedem Kilometer, den ein Fahrzeug fährt. Ein Elektrobus in Zürich rechtfertigt den Initial-Stromaufwand locker.
Wieviel macht die Förderung des Treibstoffes denn aus?
Um einen Liter Treibstoff zu fördern, zu produzieren und zu transportieren werden rund 1,5 Kilowattstunden Strom benötigt. Machen wir ein kleines Gedankenexperiment: Wenn ein Diesel- oder Benzin-Personenwagen 10 Liter auf 100 Kilometer verbraucht, bedeutet das bereits 15 Kilowattstunden Strom, alleine um den Kraftstoff bereit zu stellen. Damit fährt das Elektroauto aber schon fast 100 Kilometer weit, ohne dass dabei Treibstoff verbrannt wird. Leider ist es jedoch schwierig, Studien zu finden, welche die Treibstoffproduktion miteinbeziehen.
Sie haben – und damit sind wir beim letzten der vier Faktoren – die Second-Life-Nutzung der Batterie erwähnt. Wie muss man sich das vorstellen?
Eine ausgediente Traktionsbatterie, die nicht mehr für den Verkehr tauglich ist, hat noch etwa 80 Prozent ihrer Nennkapazität, die für weitere zehn bis fünfzehn Jahre genutzt werden kann: Als stationärer Speicher beispielsweise für Strom aus Photovoltaik-Anlagen oder ähnliche Anwendungen.
Wie muss man sich das anschliessende Recycling bei einer solchen Batterie vorstellen?
Bei diesem hochentwickelten Prozess werden die Lithium-Ionen-Batteriezellen in einem stark gesicherten Ofen bei 450 bis 400 Grad thermisch zerlegt und ihre einzelnen Bestandteile in einem komplexen Verfahren voneinander getrennt. Auf diese Weise wird es möglich, rund 95 Prozent der in der Batterie enthaltenen Rohstoffe weiter zu nutzen, etwa als Rohstoffe zur Produktion von neuen Batteriezellen. Die Post beispielsweise unterhält Pilotprojekte für eine Weiterverwendung der Batterien ihrer Kyburz-Roller. Tesla hat auch da die Nase vorn und recycelt in der Wüste von Nevada mit 100 Prozent Solarstrom Batterien, die sie in neue Fahrzeuge einbaut und als Hausspeicher einsetzt.
Kritiker monieren aber, dass die Gewinnung des Lithiums für die Batterien noch immer billiger sei als das erwähnte Recycling.
Bei Lithium ist das im Moment noch so. Bezüglich Second-Life-Nutzung und Recycling muss man berücksichtigen, dass die Nutzung von modernen Traktionsbatterien im Verkehrssektor ja erst am Anfang steht. Momentan stehen schlicht noch zu wenig Zellen für Zweitnutzung und Recycling zur Verfügung, um Skaleneffekte zu nutzen und entsprechende Business Cases aufzubauen. Das ist aber jetzt stark im Entstehen. Die Industrie hat punkto Recycling in den vergangenen Jahren grosse Fortschritte gemacht. Die Fahrzeughersteller befinden sich da momentan in einer Art Goldgräber-Stimmung. Die gewonnenen Rohstoffe sind wertvoll, das Potenzial und neue Geschäftsfelder werden erkannt.
Bevor die Rohstoffe recycelt werden können, müssen sie aber erst einmal abgebaut werden. Wie das geschieht, gibt zu Diskussionen Anlass…
Richtig, darüber kann und soll man diskutieren. Das gilt aber für alle Rohstoffe. Wir fördern heute weltweit 4‘000 Millionen Tonnen Erdöl pro Jahr. Die daraus entstandenen Katastrophen würden Seiten füllen: Bei der Explosion der Ölbohrinsel Deepwater Horizon strömten jahrelang täglich ca. 5’400 Tonnen Rohöl ins Meer. Wir müssen uns der Frage stellen, wie bei der Förderung von Ressourcen sowohl humanitäre als auch ökologische Standards sichergestellt werden können. In vielen Gebieten fliesst immer noch Erdöl in Gewässer und in die Böden – meine persönliche Meinung: Man nimmt‘s zur Kenntnis und geht zum Alltag über. Schliesslich wäre ein Leben ohne Erdöl nicht denkbar, oder?
Warum setzen die VBZ nicht auf Wasserstoff oder Biogas?
Wasserstoff wird seit Jahrzehnten als mögliche Zukunftstechnologie im Mobilitätssektor gehandelt. Aufgrund seiner hohen Energiedichte ist Wasserstoff eine Möglichkeit, viel Energie zu speichern und hohe Reichweiten zu realisieren. Eine physikalisch bedingte Schwierigkeit ist jedoch der geringe Gesamtwirkungsgrad von Wasserstoffantrieben, da die Energie von der Erzeugung bis zur Antriebsachse mehrfach umgewandelt werden muss. Letztendlich ist ein Wasserstoffbus auch ein Elektrobus, der seine Antriebsenergie nicht aus einer Batterie (oder aus Fahrleitungen), sondern aus einer Brennstoffzelle bezieht, die den Wasserstoff in elektrische Energie umwandelt.
In jüngster Zeit gibt es zwar verstärkte Bestrebungen, eine schweizweite Wasserstoff-Infrastruktur mit Fokus auf den Nutzfahrzeugbereich aufzubauen . Dennoch müssen wir heute feststellen, dass Brennstoffzellenfahrzeuge bisher noch nicht wirklich über den Status von Prototypen hinausgekommen sind. Der Fahrzeugmarkt gibt im Moment keine nennenswerten Stückzahlen von serienreifen Brennstoffzellenbussen her – ganz im Gegensatz zu batterieelektrischen Bussen, die in ihrer Entwicklung schon deutlich weiter sind. Die VBZ verfolgen die Entwicklungen dennoch aufmerksam mit und stehen jedoch mit anderen Verkehrsbetrieben im engen Austausch.
Auch bei Gasbussen gibt es Gründe, warum die VBZ diese Technologie nicht verfolgen. Obwohl Gasbusse in vielen Städten seit Jahren im Einsatz sind, handelt es sich im Vergleich zur Gesamtzahl an Stadtbussen nach wie vor um ein Nischenprodukt. Vertiefte Abklärungen der VBZ haben ergeben, dass alleine der Aufbau einer Gasbetankungsanlage in der Busgarage Hardau enorme Herausforderungen mit sich bringen würde und in der heutigen Bausubstanz kaum bewilligungsfähig wäre. Hinzu kommt, dass der Verbrennungsmotor gasbetriebener Busse ja nach wie vor lokal Abgase ausstösst und Lärm verursacht. Entscheidende Vorteile der Elektromobilität könnten mit einer Gasbusflotte nicht realisiert werden, obwohl auch hier grosse Anfangsinvestitionen nötig wären.
Ist die Batterietechnologie eigentlich für alle Buslinien geeignet?
Auf Hochleistungs-Buslinien mit grossen Fahrzeugen, langen Umläufen, dichten Taktfolgen, starken Steigungen und einem grossen Energieverbrauch stösst die Batterietechnologie mit ausschliesslicher Aufladung in der Garage heute noch an ihre technologischen und wirtschaftlichen Grenzen. Hier können zukünftig so genannte Range-extender eine Rolle spielen. Dies können Brennstoffzellen sein, oder auch Hybridantriebe mit Verbrennungsmotoren.
In Zürich haben wir allerdings die günstige Situation, dass zahlreiche Hochleistungs-Buslinien bereits heute elektrisch verkehren, nämlich als Trolleybusse. Die VBZ und der ZVV sind durch Studien zur Überzeugung gelangt, dass ein gezielter Ausbau des Trolleybusnetzes das richtige Elektrifizierungskonzept für diese Hochleistungslinien ist. So sollen die stark nachgefragten Buslinien 80 und 69 zur ETH Hönggerberg bis 2025 auf elektrischen Betrieb umgestellt werden. Bereits im kommenden Jahr werden wir die heutige Dieselbuslinie 83 auf Batterietrolleybusbetrieb umstellen.
Worauf stützen die VBZ ihre Elektrobusstrategie?
Auslöser für die Abkehr vom Verbrennungsmotor hin zu umweltfreundlicheren Antrieben sind Vorgaben von Stadt, Kanton und Bund, die eine markante Reduktion der Treibhausgasemissionen und des Primärenergieverbrauchs verlangen. So hat das Stadtzürcher Stimmvolk 2008 die Ziele der 2000-Watt-Gesellschaft angenommen, die auch im Programm «Stadtverkehr 2025» ihren Niederschlag finden. Verschiedene Verkehrsbetriebe haben ausserdem die Arbeitsgruppe «Bus der Zukunft» ins Leben gerufen, um in einer Studie die Frage zu klären, welche Antriebstechnologie im ÖV die nachhaltigsten Zukunftsaussichten hat.
Und wie lautet das Fazit?
In Sachen Umweltfreundlichkeit und Machbarkeit schwingt der Elektrobus derzeit klar obenauf – auch gegenüber Erd- beziehungsweise Biogas und Wasserstoff. Die Behauptung, wonach Benzin- oder Dieselmotoren unterm Strich immer noch umweltfreundlicher seien, ist ein Mythos, der ganz klar widerlegt ist.
