Es ist eine sehr spannende und komplexe Aufgabe, den Lebenszyklus von Materialien in der Produktionskette zu verfolgen. Bei jedem Schritt, beim Transport und bei der Nutzung wird Energie verbraucht, welche sich zu einer Gesamtenergiebilanz akkumuliert. Die Analyse dieser  Lebenszyklen ist eine neue interdisziplinäre Richtung in der Materialwissenschaft, die von enormer Bedeutung für den Aufbau einer umfassenden Kreislaufwirtschaft ist.

Die heutige Form der Industrialisierung ist auf lineare Produktionsketten ausgerichtet . Aus Rohstoffen, die aus natürlichen Vorkommen gewonnen werden entstehen Materialien, die in Produkten – seien es Konsumgüter oder auch Maschinen und Produktionsmittel – verarbeitet werden. Nach ihrer Benutzung landen sie meist im „Abfall“. Dabei ist „Abfall“ ein unwissenschaftlicher Begriff, da man Stoffe und Produkte nicht beseitigen, sondern nur umwandeln kann. Aber auch bei der Produktion werden „Abfälle“ in Form von Emissionen in die natürlichen Kreisläufe der Natur gebracht. Die heutige Form unserer fossilen Energieversorgung basiert überwiegend auf der Umwandlung wertvoller Kohlenstoffverbindungen (Kohle, Erdöl, Erdgas) in wertloses CO2, welches sich als Treibhausgas in der Atmosphäre anreichert.

Diese lineare Form der industriellen Produktion muss  ersetzt  werden  durch eine umfassenden Kreislaufwirtschaft, welche  die Stoffkreisläufe schließt, den Raubbau an natürlichen Ressourcen stoppt und die Vergiftung der Biosphäre beendet. Ein wichtiges Instrument für  eine umfassende Kreislaufwirtschaft ist die vollständige Lebenszyklusanalyse LCA (aus dem Englischen: Life Cycle Assessment). Sie  verfolgt und analysiert den Gesamtprozess der Herstellung eines Produkts mit allen Rohstoffen, Energieaufwand, Zwischenprodukten, Emissionen bis zur Nutzung und der Wiedernutzung in verschiedenen Varianten, z. B. Recycling. Sie  erstellt damit eine Gesamtmaterial-, Energie- und Umweltbilanz einer Produktion.

In Tabelle 1 sind als Beispiel einige Grunddaten für eine LCA der Produktion von Aluminiumlegierungen zusammengestellt. In Wirklichkeit ist eine LCA ein unendlicher Prozess der immer genaueren Erfassung aller notwendigen Bestandteile der materiellen Produktion.  Deshalb muss auch der Aufwand für die Errichtung der Aluminiumgießerei, die Herstellung der Öfen für die Gießerei,  für die Herstellung der LKWs, welche  die Aluminiumverbindungen transportieren, bis hin zum  Bau der Kraftwerke für die Elektrizitätsversorgung der Öfen anteilmäßig erfasst werden. Ebenso alle Auswirkungen auf die Umwelt und der Aufwand,   die entstandenen Umweltschäden wieder zu reparieren. In der unendlichen Verknüpfung aller Seiten muss man Wesentliches von Unwesentlichen trennen. Aus Tabelle 1 für die Aluminiumproduktion geht hervor, dass der größte Energie- und Materialaufwand bei  der Gewinnung von metallischen Aluminium aus Bauxit steckt. Weltweit geht ca. 5% der erzeugten elektrischen Energie in die Aluminiumherstellung. Durch Recycling von Aluminium lassen  sich 95% der Energie und der CO2-Emissionen im Vergleich zur Neugewinnung einsparen.

Die Angaben über den Anteil des weltweit recycelten Aluminiums schwanken zwischen 42% und 70% (Recycling Rates of Metals, Statusreport, UNEP, 2011). Generell gibt es wenig zuverlässige Angaben über den Anteil der weltweit recycelten Rohstoffe. Statt einer Reduktion des Ressourcenverbrauchs , wird  der Verbrauch durch künstlich erzeugte Nachfrage gesteigert. Eine Methode ist die bewusste Verkürzung der  Lebenszeiten (Obsoleszenz) von Produkten. Andere Methoden: Steigerung des Konsumverhaltens durch Modeprodukte und durch Aufblähung von unnützer Produktion, wie  Verpackungen oder Wegwerfartikeln.
In einigen Bereichen hilft die Lebenszyklusanalyse  Firmen Rohstoffe und Energie zu sparen und damit ihre Profite zu erhöhen. In Deutschland sind erste rudimentäre Schritte einer Lebenszyklusanalyse in den Ökobilanzen von Firmen nach Norm ISO 14040 enthalten. Diese „Ökobilanz“ kann jedoch auch für „Greenwashing“ missbraucht werden und ist kein Ersatz für eine vollständige LCA im Sinne einer totalen Kreislaufwirtschaft. Im besten Falle vermindert sie einige Umweltschäden, setzt aber nicht auf die positive Festlegung eines integrierten Produktionsprozesses, in dem sämtliche Stoffkreisläufe bewusst in der Einheit von Mensch und Natur organisiert werden. Dazu würde notwendigerweise auch eine exakte Analyse der Stoffströme nach der Nutzung von Produkten gehören. Der umfassende Aufbau einer Recyclingindustrie mit einer umfassenden Organisation der Materiallebenszyklen in Kreisläufen  erfordert eine Globalsteuerung der Produktion. Dies widerspricht einer Produktionsweise, die nur auf die kurzfristige Maximierung von Profiten orientiert ist, während Kosten externalisiert und auf die Gesellschaft abgewälzt werden. Es sollte darüber nachgedacht werden, wie eine Gesellschaft aussieht, die eine volkswirtschaftliche Gesamtrentabilität der Produktion verwirklichen kann.

Diesel-, Wasserstoff- oder Elektroautos? Ein Beispiel einer Lebenszyklusanalyse
In der Automobilindustrie entwickelt sich die Diskussion um die beste Zukunftstechnologie basierend auf erneuerbaren Energien. Benzin- oder Dieselautos verbrennen einen fossilen Energieträger und produzieren neben Giftstoffen und Feinstäuben auch das Treibhausgas CO2. Der Verkehrssektor trägt mit ca. 17-20% zur Emission von Treibhausgasen bei. Neben dem Ausbau des Energie sparenden öffentlichen Verkehrs und der Vermeidung unnötiger Transporte, ist die Antwort beim Individualverkehr: Elektroautos, basierend auf erneuerbaren Energien. Aber wie soll die Energie gespeichert werden? Mit Wasserstoff, der mittels einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden kann? Oder ist die direkte Speicherung von elektrischer Energie in leistungsfähigen Batterien, wie die Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) das Allheilmittel? Tatsächlich sind die direkten Wirkungsgrade in der Speicherung von elektrischer Energie in Batterien mit mehr als 95% viel größer, als die der Umwandlung in Wasserstoff mittels Elektrolyse (bis zu 80%) und der Rückumwandlung in elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelle (bis zu 65%). Dies würde   zu einem Wirkungsgrad der Speicherung elektrischer Energie in Form von Wasserstoff von nur 30% – 50% führen. Es ist jedoch eine umfassendere Betrachtung notwendig.


Bei den Batterien sind im Moment die Li-Ionen Akkus in Punkto Speicherdichte (Energie pro Gewicht) führend.  Allerdings hat ein Li-Ionen Akku für einen Mittelklasse-PKW mit 250 km Reichweite ein Gewicht von mehr als 900 kg. Für die Herstellung eines Akkus werden große Mengen an Rohstoffen benötigt:
Kupfer, Mangan, Lithium-Salze. Auch für die Herstellung von Brennstoffzellen werden Gold, Platin und Kupfer benötigt. Darüber hinaus Polymere, Binder, Kunststoff. Der Gesamtenergie- und Materialaufwand für die Herstellung des Li-Ionen Akkus ist jedoch  etwa 5 mal so groß, wie der für die Herstellung einer Brennstoffzelle – bei gleicher Leistung.


Die Untersuchung der gesamten Energie- und Materialbilanz zeigt, dass eine Antwort auf die Frage Elektro- oder Brennstoffzellenauto nicht ja oder nein heißen kann. Beide Konzepte sind sinnvoll,  wenn sie richtig entwickelt werden.  Bei der heutigen Struktur der Energieversorgung in der EU und der Annahme, dass Wasserstoff aus Erdgas gewonnen wird, haben Brennstoffzellenautos und Elektroautos eine deutlich bessere Energie- und CO2-Bilanz pro gefahrenen km als herkömmliche Fahrzeuge. Bei einer Elektrizitätsversorgung vollständig aus erneuerbaren Energien wie Windkraft, Photovoltaik, Wellenenergie, Geothermie und Methan aus Bioabfällen, ist die akkumulierte Gesamtenergie pro gefahrenem km nur noch 1/3 hoch wie bei Dieselautos. CO2 würde dann nur noch in kleinen Mengen bei der Verhüttung von Metallerzen entstehen. Durch Aufbau eines umfassenden Recyclingsystem für Autos inklusive Brennstoffzelle oder Li-Ionen-Akkus, könnte die akkumulierte Energie und der CO2 Ausstoß noch weiter gesenkt werden.
Das Brennstoffzellenauto hat gegenüber dem Elektroauto mit Akku vor allem den Vorteil des geringeren Gewichts, des geringeren Materialverbrauchs und einer viel größeren Reichweite.


Verbesserungen können vor allem durch Steigerung der Wirkungsgrade  mittels besserer Katalysatoren und  eine  bessere Wasserstoffspeicherung erzielt werden. Im Vergleich dazu hat die Li-Ionenbatterie Vorteile im hohen Wirkungsgrad bei der Speicherung der elektrischen Energie. Verbesserungen müssen hauptsächlich in der Zahl der Speicherzyklen und  durch Gewichtsreduktion erzielt werden.  Der große Energie- und Rohstoffeinsatz bei der Herstellung  von Elektroautos macht ohne vollständiges Recycling keinen Sinn. Beide Technologien – Wasserstoff/Brennstoffzelle und Elektroauto/Akku sind wichtige Technologien der Kreislaufwirtschaft und dürfen nicht gegeneinander gestellt werden. Die Lebenszyklusanalyse zeigt heute schon ihre enormen Vorteile gegenüber den Diesel- und Benzinfahrzeugen. Obwohl es noch viel Potential für Verbesserungen gibt, können diese Technologien sofort breit eingeführt
werden, in Verbindung mit einer Energieversorgung auf der Basis  von 100% erneuerbarer Energien.
Es ist für den Erhalt unserer Lebensgrundlagen von ausschlaggebender Bedeutung, dass sich die Kolleginnen und Kollegen in den Automobilbetrieben  gemeinsam mit der Umweltbewegung  für diese Zukunftstechnologien einsetzen.

Prof. Dr. Christian Jooß,
Universität Göttingen

Daten: Baptista et al, Energy Policy 39 (2011) 4683 und für 100% erneuerbare Energien Szenario eigene Berechnungen.