Fairer Vergleich durch ganzheitliche Betrachtung

Das Life Cycle Assessment bewertet Antriebsvarianten von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling

Welchen Einfluss hat ein Fahrzeug mit einem bestimmten Antriebsstrang auf die Umwelt? Bisher betrachtet man dazu meist nur die Emissionen, die während des Fahrbetriebs entstehen. Dieser Ansatz greift aber zu kurz: Das Life Cycle Assessment (LCA) zeigt, dass innerhalb der Nutzungsphase auch die Kraftstoffbereitstellung und im Weiteren auch die Fahrzeugherstellungs- und die Recyclingphase betrachtet werden müssen. Solche Ergebnisse sind zunehmend auch für den Gesetzgeber von Interesse.

Um die Umweltauswirkungen eines Fahrzeugs mit Dieseloder Ottomotor zu bewerten, betrachtete man in der Vergangenheit meist nur den Kraftstoffverbrauch beziehungsweise die CO2-Emissionen und den Schadstoffausstoß während des Fahrbetriebs. Eine Schwäche dieser Tank-to-Wheel-Betrachtung (TtW) besteht darin, dass sie unter anderem die Herstellung der Kraftstoffe nicht berücksichtigt. „Dabei spielt es für die ökologischen Folgen des Verkehrs sehr wohl eine Rolle, woher beispielsweise das Rohöl als Basis für Benzin und Diesel stammt oder wie LPG und CNG für gasbetriebene Fahrzeuge produziert werden“, erklärt Torsten Semper, Projektleiter für Antriebskonzepte und Nachhaltigkeit bei IAV. „Hinzu kommt der Einfluss, den die Beimischung von biogenen Kraftstoffanteilen in Biodiesel und Bioethanol haben.“

Objektiver Vergleich durch erweiterte Systemgrenze

Bei der Well-to-Tank-Betrachtung (WtT) stehen die ökologischen Auswirkungen der Kraftstoff- und Energiebereitstellung für den Fahrbetrieb im Mittelpunkt, und wenn man WtT und TtW miteinander kombiniert, erhält man die Well-to-Wheel-Betrachtung (WtW). Sie erfasst alle Umweltfolgen von der Primärenergiequelle (Well) bis zum Rad (Wheel). Somit wird auch die Stromproduktion für extern aufladbare Hybrid- und Elektrofahrzeuge berücksichtigt – dennoch ist diese Betrachtungsweise nicht vollständig: „Denn auch hier bleibt unberücksichtigt, welche Auswirkungen die Herstellung und das Recycling auf die Ökobilanz von Fahrzeugen haben“, so Semper. Um einen möglichst objektiven Vergleich aller Antriebskonzepte zu erhalten, muss man die Systemgrenze erweitern. Diese ganzheitliche Betrachtungsweise wird als Ökobilanzierung oder Life Cycle Assessment (LCA) bezeichnet. Sie bewertet den gesamten Produktlebenszyklus.

Um die ökologischen Auswirkungen verschiedener Antriebskonzepte zu vergleichen, hat IAV ein Fahrzeug der Kompaktklasse mit verschiedenen Antriebsvarianten in einer LCASoftware modelliert. Darin werden sämtliche Stoffe, Energien und Emissionen bilanziert. Grundlage waren unter anderem Stücklisten mit Informationen zu den verwendeten Materialien und Massen sowie Angaben zu den Herstellungsverfahren für alle Bauteile. „Wir haben diese Daten mit Datenbankinformationen über die spezifischen Eigenschaften der Materialien und Herstellungsverfahren in der LCA-Software verknüpft“, berichtet Semper. „Ähnlich sind wir bei der Verwertung nach dem Ende des Fahrzeuglebens vorgegangen. Wesentliche Eingangsgrößen waren hier Informationen zu den Verwertungsverfahren und der Rückführungsquote.“

Energieverbrauch im WLTC als Grundlage der Nutzungsphase simuliert

Für die Modellierung der Nutzungsphase haben die IAV-Experten Fahrzeuglängsdynamiksimulationen durchgeführt, mit denen sie den Energieverbrauch im WLTC (Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle) für das jeweilige Antriebskonzept bestimmen konnten. Zusammen mit den Datenbankinformationen über die Herstellungsketten von Kraftstoffen beziehungsweise von elektrischer Energie und den ermittelten Emissionen in der Produktion und in der Verwertung konnten sie dann die Emissionen des jeweiligen Antriebskonzeptes berechnen.

Bei der Auswertung der Ergebnisse kam die CML-Methode zum Einsatz, mit der sich die Folgen für die Umwelt kategorisieren und in Äquivalenten quantifizieren lassen. Zu den Kategorien gehören beispielsweise das Treibhausgaseffektpotenzial, das Versauerungspotenzial, das Sommersmogbildungspotenzial und das Eutrophierungspotenzial. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, weitere umweltrelevante Kriterien, wie zum Beispiel den Primärenergiebedarf oder den Verbrauch von Land und Wasser, für die Bewertung heranzuziehen.

Wesentlicher Einfluss der Laufleistung und des Einsatzes CO2-neutraler Energieträger

Um das Treibhausgaseffektpotenzial zu ermitteln, wurde eine Laufleistung von 200.000 Kilometern zugrunde gelegt. Dabei zeigte sich, dass das Fahrzeug mit Ottomotor die größten
Emissionen während der Fahrt verursacht, gefolgt von der Diesel- und der Hybridvariante. Naturgemäß schnitten hier das batterieelektrische und das Brennstoffzellenfahrzeug am besten ab – mit null Emissionen. Das Bild verändert sich, wenn man auch die Emissionen für die Bereitstellung von Strom beziehungsweise Kraftstoff wie Benzin, Diesel und Wasserstoff miteinbezieht: Dann machen die konventionellen Antriebe deutlich an Boden gut – erst recht, wenn die Emissionen für die Produktion und die Verwertung miteinbezogen werden. Hier zeigt sich, dass bei der Produktion von teil- und vollelektrischen Antrieben beziehungsweise des Brennstoffzellenantriebs erheblich mehr Treibhausgase emittiert werden. Trotzdem schneidet bei dem Vergleich unter Nutzung konventioneller Energieträger das batterieelektrische Fahrzeug am besten ab. Beim Brennstoffzellenfahrzeug verhindert die derzeit vorherrschende Erzeugung des Wasserstoffs durch die Erdgasdampfreformierung ein besseres Ergebnis.

Schematische Darstellung des Produktlebenszyklus

Schematische Darstellung des Produktlebenszyklus

Vergleich der Antriebskonzepte (Laufleistung 200.000 km) mit fossil-basierten und CO2-neutralen Energieträgern

Vergleich der Antriebskonzepte (Laufleistung 200.000 km) mit fossil-basierten und CO2-neutralen Energieträgern

Interessante Veränderungen des Bildes würden sich ergeben, wenn man die Laufleistung je nach Antriebsart für das gesamte Fahrzeugleben unterschiedlich ansetzen würde – etwa 220.000 Kilometer für die dieselmotorische Variante sowie für das Brennstoffzellenfahrzeug und 80.000 Kilometer für das E-Fahrzeug, das vor allem im Stadtverkehr unterwegs ist und somit nicht die hohen Laufleistungen erreicht. In diesem Fall dominieren beim „Stromer“ die Emissionen während der Herstellung – was dazu führt, dass diese Variante in diesem Szenario die schlechteste Ökobilanz aufweisen würde.

Beim Einsatz CO2-neutraler Energieträger werden die Treibhausgasemissionen in der Nutzungsphase für alle Varianten signifikant reduziert. Auch hier wird klar, dass der Anteil von Produktion und Verwertung an den Gesamtemissionen durch den vermehrten Einsatz CO2-neutraler Energieträger zukünftig steigen wird.

Differenziertes Bild bei Betrachtung aller Umweltwirkungen

Allerdings liefert die ausschließliche Betrachtung der Treibhausgasemissionen nicht das gesamte Bild. Bezieht man auch andere Umweltkategorien beziehungsweise umweltrelevante Kriterien mit ein, zeigen die verschiedenen Antriebskonzepte unterschiedliche Stärken und Schwächen: Das Brennstoffzellenfahrzeug und das batterieelektrische Fahrzeug schneiden bei der Sommersmogbildung am besten ab. Plug-in-Hybrid und E-Fahrzeug zeigen besonders beim Versauerungspotenzial Schwächen.

„Die Untersuchung zeigt, dass man für die Betrachtung der Umweltbelastung durch unterschiedliche Antriebskonzepte nicht ausschließlich den Fahrbetrieb berücksichtigen darf“, fasst Semper zusammen. „Nur ein komplettes Life Cycle Assessment liefert einen fairen Vergleich der Varianten.“ Noch sind solche Untersuchungen nicht gesetzlich vorgeschrieben – aber Experten erwarten, dass derartige Betrachtungen nach 2020 verpflichtend werden. „Schon heute bekommen wir dazu Anfragen von OEMs“, sagt Semper. „Darum analysiert IAV bereits jetzt, welchen Einfluss die verschiedenen Lebensphasen eines Fahrzeugs auf die Umwelt haben.“