Traktionsbatterien auf dem CO₂-Prüfstand

Bei der Herstellung von hybriden und rein elektrischen Fahrzeugen entstehen erhebliche Treibhausgase (THG) – vor allem durch die Produktion der Traktionsbatterie. IAV führt detaillierte Nachhaltigkeitsbewertungen durch. Mit den gewonnenen Erkenntnissen werden Traktionsbatterien gezielt weiterentwickelt. Beim ganzheitlichen Vergleich von Fahrzeugen durch das Life-Cycle-Assessment (LCA) werden deren Vor- und Nachteile klar verdeutlicht. Konventionelle Antriebe zeigen in puncto THG-Emissionen derzeit eher Schwächen während der Nutzung – also beim eigentlichen Fahren (Tank-to-Wheel) und bei der Kraftstoffbereitstellung (Well-to-Tank). Die anfallenden Emissionen innerhalb der Herstellung dieser Fahrzeuge sind dagegen vergleichsweise gering. Deutlich anders sieht es bei hybriden und rein elektrischen Fahrzeugen aus. Neben der Herkunft der elektrischen Energie für den Betrieb dieser Fahrzeuge ist die Gesamtbilanz der Autos ganz entscheidend von der Herstellung abhängig. „Hier führen einige Antriebskomponenten zu erheblichen Emissionen“, erklärt Dr. Ralf Tröger, Abteilungsleiter Antriebsstrangkonfiguration bei IAV.

Zu den CO₂-Treibern bei hybriden und rein elektrischen Fahrzeugen gehören die Traktionsbatterien mit ihren Aktivmaterialien, welche oft Kobalt, Mangan, Nickel und Lithium beinhalten und für deren Gewinnung viel Energie aufgewendet werden muss. Auch die seltenen Erden für die E-Maschinen und das hochreine Silizium für die Leistungselektronikkomponenten schlagen in der Umweltbilanz negativ zu Buche. So kommt es, dass ein typisches E-Fahrzeug der Kompaktklasse auf dem Weg ins Autohaus bereits 10,8 Tonnen CO₂-Äquivalente (CO₂e) verursacht hat – noch vor dem ersten Kilometer Fahrt. Konventionelle Fahrzeuge kommen hingegen auf einen „Kohlendioxid- Rucksack“ von nur 5,7 Tonnen. Ein E-Auto muss daher mit dem derzeitigen EU-Strommix mindestens 78.000 Kilometer fahren, bevor seine produktionsbedingte „CO₂– Schuld“ im Vergleich zu einem Fahrzeug mit ottomotorischem Antriebsstrang abgetragen ist. Bis zu diesem Punkt werden von beiden Fahrzeugen 210 Gramm CO₂e pro Kilometer emittiert – dies entspricht 16,4 Tonnen CO₂.

Zur Reduzierung der Emissionen von E-Fahrzeugen steht daher die Fahrzeugproduktion verstärkt im Mittelpunkt des Interesses. Eine zentrale Stellschraube ist hier die Traktionsbatterie, auf die alleine bei einem typischen Kompaktklassefahrzeug rund 40 Prozent der herstellungsbedingten Kohlendioxidemissionen entfallen. Einen entscheidenden Einfluss haben die verwendeten Aktivmaterialien sowie die Zellenbauformen. Unter Beibehaltung des Ausgangszellendesigns und bei Verwendung verbesserter Aktivmaterialien lassen sich die THG-Emissionen der Traktionsbatterieherstellung um elf Prozent reduzieren. In Kombination mit der Verwendung einer planaren Zellenbauform, die den Volumenausnutzungsgrad des Aktivmaterials steigert, lässt sich die Reduzierung in Summe auf 46 Prozent steigern. Mit einem intelligenten Aufbau der Traktionsbatterie, in Kombination mit geeignetem Aktivmaterial, kann die Ökobilanz eines E-Fahrzeugs deutlich verbessert werden. Solche Erkenntnisse werden beispielsweise auch in der Technologie EMBATT eingesetzt (siehe den Bericht Nächste Etappe auf dem Weg zu mehr als 500 Kilometer elektrischer Reichweite oder auch unter www.embatt.de).

Die Berechnungen von IAV zeigen, dass sich bei der Produktion eines typischen E-Fahrzeugs der Kompaktklasse insgesamt zehn Prozent THG-Emissionen bei einer Laufleistung von 200.000 Kilometern einsparen lassen – allein bezogen auf die Herstellung der Batterie kann man rund 50 Prozent vermeiden. „Wir führen solche Berechnungen im Auftrag unserer Kunden durch und unterstützen sie dabei, die THG-Emissionen während der Batterieproduktion zu minimieren“, sagt Torsten Semper, Teamleiter LCA and Benchmark bei IAV. „Dabei ermitteln wir den Einfluss des Aufbaus und der eingesetzten Materialien – bis hin zu Detailfragen der Zellchemie mit den Elektrolyten und Ableitern.“ Parallel führen die IAV-Experten immer ein Cost-Engineering durch, um neben den CO₂– auch die Kostentreiber zu finden und die spezifischen Kohlendioxid- Vermeidungskosten so gering wie möglich zu halten.

„In Zukunft werden solche LCA-Betrachtungen immer wichtiger, denn entsprechende gesetzliche Vorgaben sind abzusehen“, so Tröger. „Wir verzeichnen darum schon jetzt eine steigende Nachfrage nach Analysen von gesamten Fahrzeugen und Antriebssträngen, aber auch von Hotspots wie Batterie, Leistungselektronik und E-Maschine.“