Elektroautos reduzieren Straßenemissionen um ein Drittel
Eine bahnbrechende Studie, die das Verständnis der wahren Umweltauswirkungen des urbanen Verkehrs revolutionieren könnte, hat erstmals den vollständigen Lebenszyklus von Energieverbrauch und Kohlenstoff-Fußabdruck des städtischen Straßenverkehrs als integriertes System erfasst, das sowohl Infrastruktur als auch Fahrzeuge umfasst. Die Ergebnisse sind eindrücklich: Der Umstieg von herkömmlichen benzinbetriebenen Autos auf batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) kann den gesamten fossilen Energiebedarf und die Treibhausgasemissionen eines städtischen Straßennetzes um mehr als 30 Prozent reduzieren – und dies ohne saubereren Strom oder revolutionäre Batteriechemie abwarten zu müssen.
Die Studie, die einen radikalen Bruch mit konventionellen Ansätzen darstellt, welche Straßen und Fahrzeuge isoliert betrachten, modellierte stattdessen eine 10 Kilometer lange Hauptverkehrsstraße in einer typischen chinesischen Großstadt über eine Lebensdauer von 15 Jahren. Das Team unter der Leitung von Fu Pei und dem leitenden Autor Chen Yisong bezog dabei nicht nur Asphalt, Zement und Baumaschinen mit ein, sondern auch jede Komponente jedes Fahrzeugs, das diese Straße befährt – von Stahl und Aluminium im Chassis über Kupfer in der Verkabelung bis hin zu Lithium in den Batteriepacks. Das Ergebnis ist ein Gesamtbild der tatsächlichen Energie- und Emissionskosten, die entstehen, um den Verkehrsfluss einer Stadt aufrechtzuerhalten.
„Es geht hier nicht mehr nur um Auspuffrohre“, erklärt Chen Yisong, Professor an der Hochschule für Automobiltechnik der Chang’an-Universität. „Politikentscheidungen, die sich ausschließlich auf Fahrzeugabgasemissionen stützen, sind gefährlich unvollständig. Man könnte meinen, man macht den Verkehr grüner, aber wenn man den in den Straßenbau eingebetteten Kohlenstoff oder die Emissionen aus der Batterieproduktion ignoriert, tauscht man möglicherweise nur eine Art von Verschmutzung gegen eine andere aus – oder schlimmer noch, man schafft eine versteckte Umweltlast.“
Das konventionelle Szenario mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICEV) diente als Basis. Für ein einzelnes 10 km langes Straßensegment, das täglich 16.291 Fahrzeuge verkraftet – repräsentativ für eine stark frequentierte urbane Verkehrsader –, belief sich der gesamte fossile Energieverbrauch über den Lebenszyklus auf erstaunliche 3,26 Milliarden Megajoule (MJ), wobei die Treibhausgasemissionen insgesamt 216 Millionen Kilogramm CO₂-Äquivalent (CO₂-eq) betrugen. Um dies ins Verhältnis zu setzen: Das entspricht in etwa den jährlichen Emissionen von 47.000 durchschnittlichen US-Haushalten.
Doch hier wendet sich das Blatt. Wenn dieselbe Straße ausschließlich von BEVs befahren wird – gleiches Verkehrsaufkommen, gleiche Infrastruktur – sinkt der gesamte Energiebedarf auf 2,20 Milliarden MJ, eine Reduktion um 32,5 Prozent. Noch beeindruckender ist der Rückgang der Kohlenstoffemissionen auf 138 Millionen kg CO₂-eq, ein Minus von 36,1 Prozent. Das sind mehr Einsparungen, als durch das bloße Abschalten der Auspuffrohre erreicht werden könnten; es ist ein Effizienzgewinn auf Systemebene.
Was treibt diese dramatische Verbesserung an? Laut der Modellierung liegt die Antwort in der Betriebsphase – nicht in der Herstellung. Zwar ist die Produktion eines heutigen BEV energie- und kohlenstoffintensiver als der Bau eines ICEV – hauptsächlich aufgrund von Batteriematerialien wie Lithium, Kobalt und Nickel sowie der Energie für die Zellformation –, doch die Studie zeigt, dass diese Vorabkosten während der 150.000 Kilometer langen Lebensdauer des Fahrzeugs mehr als ausgeglichen werden.
Selbst unter Chinas aktuell noch stark kohlebasiertem Strommix bleiben BEVs insgesamt entschieden sauberer. Warum? Weil die Verbrennung von Kraftstoff inhärent ineffizient ist: Etwa 65 bis 70 Prozent der Energie im Benzin gehen als Abwärme über Motor und Abgasanlage verloren. Elektromotoren wandeln dagegen über 85 Prozent der Energie aus dem Netz in Bewegung um. Selbst mit einer kohlenstoffintensiven Stromversorgung schneidet das Aufladen im barrel-to-wheel-Vergleich besser ab als das Verbrennen von Kraftstoff.
Die Daten belegen dies. Im ICEV-Szenario macht die Fahrzeugbetriebsphase kolossale 64 Prozent der gesamten Lebenszyklusemissionen aus – fast ausschließlich durch den CO₂-Ausstoß des Auspuffs. Ersetzt man sie durch BEVs, bricht dieser Wert auf nur noch 32 Prozent ein. Zwar steigen die upstream-Emissionen aus der Stromerzeugung, und die Batterieproduktion fügt dem Herstellungs-Fußabdruck des Fahrzeugs ~18 Prozent hinzu – aber der Nettoeffekt ist dennoch ein gewaltiger Gewinn.
Hybridfahrzeuge erzählen eine differenziertere Geschichte. Sowohl konventionelle Hybride (HEV) als auch Plug-in-Hybride (PHEV) zeigen moderate Verbesserungen: HEVs reduzieren die Gesamtemissionen um ~27 Prozent, PHEVs um ~24 Prozent im Vergleich zu ICEVs. Die geringere als erwartete Kluft zwischen HEVs und PHEVs könnte reale Nutzungsmuster widerspiegeln: Viele PHEV-Besitzer, so legen Studien nahe, laden ihr Fahrzeug selten auf und fahren es effektiv als schwerere, komplexere Hybride. Deren zusätzliche Batterie und Elektromotor verursachen einen höheren Herstellungsaufwand, ohne die Vorteile voller Elektrokilometer zu liefern.
Dann gibt es noch den Außenseiter: Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge (FCV). Im aktuellen technologischen und energiewirtschaftlichen Umfeld erhöhen FCVs die gesamten Systememissionen – um ernüchternde 25 Prozent gegenüber ICEVs. Der Übeltäter? Die Wasserstoffproduktion. Über 95 Prozent des weltweiten Wasserstoffs today is „grau“, hergestellt aus Erdgas mittels Dampfreformierung (SMR), einem Prozess, bei dem für jedes Kilogramm H₂ fast 10 kg CO₂ emittiert werden. Selbst mit optimistischen Annahmen zur Fahrzeugeffizienz und Leichtbauweise übertreffen die upstream-Emissionen aus der Wasserstoffproduktion jeden Vorteil des emissionsfreien Fahrens.
„Das FCV-Ergebnis ist kein Urteil über die Technologie an sich“, warnt Fu Pei, der Hauptautor der Studie und ein auf Wasserstoffsysteme spezialisierter Ingenieur. „Es ist eine Momentaufnahme der heutigen Wasserstoffwirtschaft. Wenn man H₂ durch Elektrolyse mit überschüssigem Wind- oder Solarstrom produziert – ‚grüner Wasserstoff‘ –, verändert sich das Bild vollständig. Aber im Moment würde die Skalierung von FCVs ohne gleichzeitige Dekarbonisierung der Wasserstoffversorgung umweltpolitisch nach hinten losgehen.“
Die Forscher blieben nicht beim Vergleich von Fahrzeugtypen stehen. Sie führten umfangreiche Sensitivitätsanalysen durch, um zu testen, wie reale Variablen die Schlussfolgerungen verändern könnten – und die Ergebnisse sind lehrreich für Stadtplaner und Politiker.
Erstens, das Verkehrsaufkommen. Intuitiv bedeuten mehr Autos mehr Emissionen. Aber die Studie zeigt, dass wie die Emissionen skaliert werden, vom Antriebsstrang abhängt. Wenn das tägliche Verkehrsaufkommen um ±10 Prozent schwankt, zeigen FCV-basierte Systeme die größten proportionalen Schwankungen der Emissionen (+9,2 % / -9,2 %), während BEV-Systeme die kleinsten zeigen (+8,4 % / -8,4 %). Warum? Weil BEVs die Betriebsemissionen von der direkten fossilen Verbrennung entkoppeln. Ihr Emissionsprofil ist stabiler, abgepuffert durch die durchschnittliche Kohlenstoffintensität des Netzes. ICEVs und FCVs, beide abhängig von diskreten fossilen Energieeinträgen pro Meile, sind volatiler.
Zweitens, der FCV-Technologiefortschritt. Das Team modellierte drei Zukunftsszenarien: reduzierten Wasserstoffverbrauch (von 1,1 auf 0,8 kg/100 km) und Fahrzeug-Leichtbau (bis zu 35 % Gewichtsreduktion durch fortschrittliche Verbundwerkstoffe und Design). Selbst mit diesen aggressiven Verbesserungen – die einem FCV auf dem Niveau von 2035 entsprechen – sinken die gesamten Lebenszyklusemissionen nur auf das Niveau von ICEVs. Um BEVs zu schlagen, bräuchte man sowohl hocheffiziente Fahrzeuge als auch grünen Wasserstoff in großem Maßstab. Eine hohe Hürde.
Schließlich, und für die kurzfristige Politik perhaps am relevantesten, modellierte das Team Flottenmix-Szenarien. Die heutigen chinesischen Stadtflotten werden noch von ICEVs dominiert (~90 %), wobei Hybride, Plug-Ins und BEV nur einstellige Anteile ausmachen – und FCV kaum registriert sind (<0,1 %). Aber was, wenn Städte die Einführung beschleunigen? Die Forscher simulierten drei plausible Übergangspfade:
- Szenario 1 (kurzfristig): ICEVs sinken auf ~78 %, BEVs steigen auf ~7 %
- Szenario 2 (mittelfristig): ICEVs ~49 %, BEVs ~19 %
- Szenario 3 (ehrgeizig): ICEVs ~21 %, BEVs ~34 %, Hybride und PHEV wachsen stetig
Die EmissionsEinsparungen sind linear und erheblich: eine Reduktion um 2,9 Prozent in Szenario 1, die in Szenario 2 auf 11,8 Prozent ansteigt und in Szenario 3 beachtliche 20,2 Prozent erreicht. Jedes zusätzliche BEV in der Flotte bringt vielfältige Vorteile – nicht nur null Abgasemissionen, sondern auch reduzierte Straßenabnutzung (durch leichteres regeneratives Bremsen), geringere Nachfrage nach Erdölraffination und verringerte lokale Luftschadstoffe wie NOx und Feinstaub.
Was oft übersehen wird – und diese Studie eindrücklich betont – ist die Asymmetrie zwischen den Beiträgen von Straße und Fahrzeugen. Von den insgesamt 3,26 Milliarden MJ, die im ICEV-Basisszenario verbraucht werden, stammen volle 77 Prozent von den Fahrzeugen, nur 23 Prozent von der Straße selbst. Ebenso verantworten die Fahrzeuge 89,5 Prozent des gesamten CO₂-eq. Dies dreht das Skript von konventionellen, auf Infrastruktur fokussierten grünen Initiativen um. Bäume entlang von Autobahnen zu pflanzen oder recycelten Asphalt zu verwenden, ist lobenswert, aber es ist Herumdoktern an den Rändern. Der eigentliche Hebelpunkt ist der Antriebsstrang.
„Die Straße ist eine Bühne; die Fahrzeuge sind die Schauspieler“, sagt Chen. „Man kann das nachhaltigste Theater der Welt bauen, aber wenn das Stück von Kohle handelt, ist die Vorstellung immer noch schmutzig. Unsere Daten sagen, dass die schnellsten, tiefgreifendsten Einschnitte von der Elektrifizierung der Flotte kommen werden – nicht von schrittweisen Anpassungen an Rezepturen für Fahrbahnbeläge.“
Das soll die Nachhaltigkeit von Straßen nicht gänzlich abtun. Die Studie bestätigt, dass der Straßenbau kohlenstoffintensiv ist – insbesondere Zement (emittiert ~830 kg CO₂ pro Tonne) und Asphalt (~634 kg CO₂ pro Tonne für modifizierte Sorten). Die Phase der Materialbeschaffung für die 10 km lange Straße allein trägt fast 23 Millionen kg CO₂-eq bei. Recycling und alternative Bindemittel (wie Geopolymer-Zemente oder Bio-Bitumen) bleiben wichtig. Aber ihre Auswirkungen werden von den Betriebsemissionen in den Schatten gestellt.
Die Implikationen weiten sich aus. Für Stadtregierungen, die Klimaaktionspläne entwerfen, plädiert diese Forschung dafür, priorität auf Ladeinfrastruktur für E-Fahrzeuge, Bus-Elektrifizierung und Kaufanreize zu legen anstatt auf rein straßenzentrierte Projekte. Für Automobilhersteller validiert sie den strategischen Schwenk zu BEVs – selbst wenn sie sich mit Hybriden absichern – als den glaubwürdigsten Pfad zur Netto-Null-Mobilität. Und für Investoren hebt sie das systemische Risiko hervor, am Verbrennungsmotor festzuhalten: Da Lebenszyklusbilanzen zum Standard in der ESG-Berichterstattung werden, könnten ICEV-lastige Portfolios einer plötzlichen Abwertung gegenüberstehen.
Kritisch zeigt die Studie auch einen blinden Fleck in aktuellen politischen Kennzahlen auf. Viele Städte prahlen mit „Niedrigemissionszonen“, die ältere Diesel Fahrzeuge verbieten – aber wenn diese Zonen sich einfach mit neueren Benzinern oder ineffizienten Hybriden füllen, ist der Rückgang der Emissionen auf Systemebene minimal. Echte Dekarbonisierung erfordert die verbindliche Vorgabe von Null-Emissions-Fahrzeugen, nicht nur „ emissionsärmeren “.
Darüber hinaus stellt die Forschung die Vorstellung in Frage, dass BEVs nur so sauber seien wie das Stromnetz. Ja, ein kohlelastiges Netz verringert ihren Vorteil – aber entscheidend ist, dass es ihn nicht auslöscht. Und Netze werden überall sauberer. China hat im Jahr 2023 mehr Solar- und Windkapazität zugebaut als der Rest der Welt zusammen. Während sich das Netz dekarbonisiert, werden BEVs automatisch sauberer, ohne ersetzt werden zu müssen. ICEVs und FCVs, die mit grauem Wasserstoff betrieben werden, sind dagegen für ihre gesamte Lebensdauer auf ihr Emissionsprofil festgelegt.
Hinzu kommt die Frage der Nebenvorteile, die das Modell nicht erfasst: leisere Straßen, weniger Atemwegserkrankungen durch Abgas Schadstoffe, geringere Wartungskosten (weniger bewegliche Teile) und Energiesicherheit (Strom kann im Inland erzeugt werden; Öl nicht). Diese sind schwerer zu quantifizieren, aber für die urbane Lebensqualität von entscheidender Bedeutung.
Selbstverständlich bleiben Herausforderungen. Die Beschaffung von Batterierohmaterialien – insbesondere Lithium, Kobalt und Nickel – wirft berechtigte Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen des Bergbaus und der Ethik der Lieferkette auf. Die Studie räumt dies ein: BEVs weisen in ihrer Herstellungsphase ein höheres „Versauerungspotential“ und „humane Toxizität“ auf, die largely auf Bergbau und Verarbeitung zurückzuführen sind. Aber die Autoren argumentieren, dass diese durch Strategien der Kreislaufwirtschaft beherrschbar sind: robustes Batterierecycling (Rückgewinnung von >90 % der Schlüsselmetalle), Chemien der nächsten Generation (z.B. Lithium-Eisenphosphat – LFP, already in China dominant – senkt den Kobaltbedarf auf Null) und verantwortungsvolle Beschaffungsstandards.
Die Alternative – beim ICEV zu bleiben – tauscht einfach einen Satz Probleme gegen einen anderen aus: geopolitische Ölabhängigkeit, volatile Kraftstoffpreise und irreversible Klimaschäden.
In Zukunft planen die Forscher, das Modell zu erweitern. Die nächsten Schritte umfassen die Einbeziehung der Vehicle-to-Grid (V2G)-Integration – bei der geparkte BEVs während der Spitzennachfrage Strom zurück ins Netz einspeisen und die Flotte effektiv in ein dezentrales Energiespeichernetzwerk verwandeln – und die Modellierung der Auswirkungen des autonomen Fahrens auf die Verkehrsflusseffizienz und Energienutzung.
Aber für jetzt ist die Botschaft klar, datengestützt und dringend: Elektrifizierung ist kein futuristisches Ideal. Sie ist das wirksamste Werkzeug, das Städte jetzt schon haben, um den Kohlenstoff-Fußabdruck ihrer Verkehrssysteme drastisch zu verringern. Und je sooner der Übergang beschleunigt wird, desto tiefer werden die Einschnitte sein.
Da die städtischen Bevölkerungen wachsen – 68 Prozent der Menschheit werden bis 2050 in Städten leben, gegenüber 56 Prozent today – könnten die stakes nicht höher sein. Überlastete, verschmutzte, kohlenstoffintensive Straßen sind ein Alt system, das sich Städte nicht mehr leisten können. Diese Studie liefert die empirische Grundlage für eine andere Vision: leise, saubere, effiziente urbane Verkehrsadern, die nicht mit Verbrennung, sondern mit Elektronen summen.
Der Weg zu Netto-Null ist nicht mit guten Absichten gepflastert. Er ist mit Elektronen gepflastert – und laut dieser rigorosen Lebenszyklusbilanz ist das genau so, wie es sein sollte.
Fu Pei, Cai Xu, Liu Junzhe, Lan Libo, Yang Yang, Chen Yisong Hochschule für Automobiltechnik, Chang’an-Universität, Xi’an 710064, China; Hochschule für Verkehrstechnik, Chang’an-Universität, Xi’an 710064, China Chinese Journal of Automotive Engineering, Bd.13, Nr.3, Mai 2023 DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2023.03.14