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Können wir Fahrräder wieder nachhaltig machen?

Wed, 03 Sep 2025 00:00:00 +0000

Bild: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Fahhradfahren ist nachhaltig, aber wie nachhaltig ist das Fahrrad?

Das Radfahren ist eine der nachhaltigsten Arten der Fortbewegung. Durch mehr Radfahrer wird der Verbrauch fossiler Brennstoffe und die Umweltverschmutzung verringert, wird Platz gespart und die öffentliche Gesundheit und Sicherheit verbessert sich. Das Fahrrad selbst hat es jedoch geschafft, sich der Umweltkritik zu entziehen. ¹² Studien, die die Umweltauswirkungen des Radfahrens berechnen, vergleichen es fast immer mit dem Autofahren, mit dem vorhersehbaren Ergebnis, dass das Fahrrad nachhaltiger ist als das Auto. Solche Untersuchungen mögen die Menschen ermutigen, öfter mit dem Fahrrad zu fahren, aber sie ermutigen die Hersteller nicht, ihre Fahrräder so nachhaltig wie möglich herzustellen.

Für diesen Artikel habe ich wissenschaftliche Studien herangezogen, die verschiedene Fahrradtypen miteinander vergleichen oder sich auf die Herstellung eines bestimmten Zweirads konzentrieren. Diese Art von Forschung war bis vor drei oder vier Jahren praktisch nicht vorhanden. Anhand des verfügbaren Materials vergleiche ich verschiedene Fahrradgenerationen. Im historischen Vergleich wird deutlich, dass der Ressourcenverbrauch bei der Herstellung eines Fahrrads steigt, während dessen Lebensdauer immer kürzer wird. Das Ergebnis ist ein wachsender ökologischer Fußabdruck. Dieser Trend hat einen leicht benennbaren Anfang. Die Fahrradtechnik entwickelte sich bis Anfang der 1980er Jahre sehr langsam und erfuhr dann plötzlich eine schnelle Abfolge von Veränderungen, die bis heute anhält.

Es gibt keine Studien über Fahrräder, die vor den 1980er Jahren gebaut wurden. Lebenszyklusanalysen, die den Ressourcenverbrauch eines Produkts “von der Wiege bis zur Bahre“ untersuchen, gibt es erst seit den 1990er Jahren. Der Maßstab für ein nachhaltiges Fahrrad steht jedoch in dem Raum, in dem ich diesen Text schreibe. Es ist mein 1980er Gazelle Champion Rennrad - jetzt 43 Jahre alt. Ich kaufte es vor zehn Jahren in Barcelona von einem großen deutschen Mann, der die Stadt verließ. Er hatte Tränen in den Augen, als ich es ihm abnahm. Ich habe noch ein zweites Rennrad, ein Mercier von 1978. Das ist mein Ersatzfahrzeug, falls das eine kaputt geht und ich keine Zeit habe, es gleich zu reparieren. Zwei weitere Rennräder habe ich in Belgien geparkt, wo ich aufgewachsen bin, und wohin ich immer noch ein paar Mal im Jahr reise (mit dem Zug, nicht mit dem Fahrrad). Dies sind ein Plume Vainqueur aus den späten 1960er Jahren und ein Ventura aus den 1970er Jahren.

Der Hauptgrund, warum ich mich für alte Fahrräder entschieden habe, ist, dass sie viel besser sind als neue. Die meisten Leute wissen das nicht, deshalb sind sie auch viel billiger. Meine vier Fahrräder haben mich insgesamt nur 500 Euro gekostet. Dafür könnte ich mir nur ein günstiges neues Rennrad kaufen, und so ein Gefährt hält sicher keine 40 bis 50 Jahre - wie wir sehen werden. Natürlich sind es nicht nur alte Rennräder, die besser sind. Das Gleiche gilt für andere Fahrradtypen, die vor den 1980er Jahren gebaut wurden. Ich fahre Rennrad, weil ich relativ lange Strecken zurücklege, meist zwischen 35 und 50 km hin und zurück.

Bild: Das Fahrrad, das ich meistens nutze, ein Gazelle Champion von 1980. Es hat mindestens 30,000 km zurückgelegt seitdem ich es 2013 gekauft habe.

Aus was Fahrräder gefertigt sind

Die erste bedeutende Veränderung in der Fahrradindustrie war die Umstellung von Stahl- auf Aluminiumfahrräder. Vor den 1980er Jahren waren praktisch alle Fahrräder aus Stahl gefertigt. Aus Stahl waren der Rahmen, die Räder, verschiedene Komponenten und Teile. Heutzutage sind die meisten Fahrradrahmen und -räder aus Aluminium gefertigt. Das Gleiche gilt für viele andere Fahrradteile. In jüngster Zeit werden bei immer mehr Fahrrädern Rahmen und Räder aus Kohlefaserverbundwerkstoffen hergestellt. Einige Fahrradrahmen sind aus Titan oder Edelstahl gefertigt. Alle diese Materialien sind in der Herstellung energieintensiver als Stahl. Außerdem können Stahl und Aluminium recycelt und repariert werden, während Faserverbundwerkstoffe nur downgecycelt werden können und sich schlecht reparieren lassen. ³

In mehreren Studien wurden die Energie- und Kohlenstoffkosten von Fahrradrahmen und anderen Komponenten aus diesen verschiedenen Materialien verglichen, die alle ein unterschiedliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht aufweisen. Diese Forschung hat einige Einschränkungen. Die Wissenschaftler verwenden grobe Methoden, weil ihnen detaillierte Energiedaten aus der Fahrradherstellung fehlen, und einige Studien stammen von Herstellern, die Forscher dafür bezahlen, die Nachhaltigkeit ihrer Produkte zu überprüfen. Dennoch sind die Ergebnisse insgesamt ziemlich einheitlich. Der Kürze halber konzentriere ich mich auf die Emissionen (CO2 = CO2-Äquivalente) und lasse andere Umweltauswirkungen außer Acht.

Vor den 1980ern waren praktisch alle Fahrräder aus Stahl gefertigt

Reynolds, ein britischer Hersteller, der für seine Fahrradschläuche bekannt ist, fand heraus, dass die Herstellung eines Stahlrahmens 17,5 kg CO2 kostet, während ein Titan- oder Edelstahlr ahmen etwa 55 kg CO2 pro Rahmen kostet - dreimal so viel. ⁴ Starling Cycles, einer der wenigen Hersteller von Mountainbikes aus Stahl, kam zu dem Schluss, dass ein typischer Carbonrahmen 16 Mal mehr Energie verbraucht wie ein Stahlrahmen. ⁵ (Das wären 280 kg CO2). Eine unabhängige Studie aus dem Jahr 2014 - die erste ihrer Art - berechnete den Fußabdruck eines Aluminium-Rennradrahmens mit Carbongabel der Marke „Specialized“ und kam zu dem Ergebnis, dass die Kosten bei 2.380 Kilowattstunden Primärenergie und über 250 kg Kohlenstoff liegen - etwa 14 Mal so hoch wie bei einem Stahlrahmen (ohne Gabel), wie von Reynolds berechnet. ²

Ein Fahrrad ist mehr als nur ein Rahmen. Lebenszyklusanalysen ganzer Fahrräder zeigen, dass der Kohlenstoff-Fußabdruck aller anderen Komponenten mindestens so groß ist wie der eines Stahlrahmens. ⁶ Wissenschaftler haben die Kohlenstoffemissionen eines Stahlfahrrads während der gesamten Lebensdauer auf 35 kg CO2 berechnet, verglichen mit 212 kg CO2 für ein Aluminiumfahrrad. ⁷⁸ Die detaillierteste Lebenszyklusanalyse beziffert den Kohlenstoff-Fußabdruck für ein 18,4 kg schweres Aluminiumfahrrad auf 200 kg CO2, einschließlich seiner Ersatzteile, bei einer Lebensdauer von 15 000 km. Die Phase mit dem stärksten Einfluss ist die Herstellung der Materialien (74 %; Aluminium, Edelstahl, Gummi), gefolgt von der Wartungsphase (15,5 % für 3,5 neue Reifensätze, sechs Bremsbeläge, eine Kette und eine Kassette) und der Montagephase (5 %). ⁹

Wo und wie Fahrräder gefertigt werden

Meine Stahlfahrräder stammen aus einer Zeit, in der die meisten Industrieländer eine alteingesessene Fahrradindustrie hatten, die den nationalen Markt bediente. ³ Diese Industrien brachen in Europa und Nordamerika im Zuge der neoliberalen Globalisierung Ende der 1970er Jahre zusammen. China öffnete sich für ausländische Investitionen und wurde schnell zum größten Fahrradhersteller der Welt. In den letzten zwei Jahrzehnten hat China zwei Drittel aller Fahrräder der Welt hergestellt (60-70 Millionen von 110 Millionen jährlich). Der Rest kommt aus anderen asiatischen Ländern. In Europa werden wieder zehn Millionen Fahrräder pro Jahr hergestellt, in den USA dagegen nur 60.000 Fahrräder pro Jahr. ³

Die Herstellung von Fahrrädern erforderte während des gesamten zwanzigsten Jahrhunderts einen beträchtlichen Einsatz an menschlicher Arbeit. ³ Laut dem Routledge Companion to Cycling wurden „Räder von Hand eingespeicht und zentriert; Rahmen wurden von Hand gebaut; die Sattelherstellung war mühsam; Steuersätze, Schaltgruppen (Blöcke), Bremszüge und Gangschaltungen wurden physisch angeschraubt.“ Seit den 2000er Jahren hat die Automatisierung den Bedarf an menschlicher Arbeit erheblich reduziert. Der größte chinesische Fahrradhersteller, der ein Fünftel aller Fahrräder weltweit herstellt, verfügt über 42 Fließbänder, an denen täglich 55.000 Fahrräder produziert werden - fast so viel wie in den USA in einem Jahr. ³

Nationale Fahrradindustrien in Europa und Nordamerika brachen in Folge der neoliberalen Globalisierung in den späten 1970er Jahren zusammen.

Die Globalisierung und Automatisierung der Fahrradindustrie machen Fahrräder weniger nachhaltig. Erstens verursachen sie zusätzliche Emissionen für den Transport (von Rohstoffen, Komponenten und Fahrrädern) sowie für die Herstellung und den Betrieb von Robotern und anderen Maschinen. Zweitens ist die Herstellung von Stahl, Aluminium, Kohlefaserverbundwerkstoffen und Elektrizität in China und anderen Fahrrad produzierenden Ländern energie- und kohlenstoffintensiver als in Europa und Nordamerika. ¹⁰ Am wichtigsten ist jedoch, dass die automatisierte Großproduktion versunkenes Kapital darstellt, das die meiste Zeit arbeiten muss, um die Gemeinkosten zu verteilen, was zu Überproduktion führt. ³

Wie lange ein Fahrrad fährt

Wie viel Energie und andere Ressourcen benötigt werden, um ein Fahrrad zu bauen und es an einen Radfahrer zu liefern, ist nur die halbe Geschichte. Mindestens ebenso wichtig ist, wie lange das Fahrrad hält. Je kürzer seine Lebensdauer ist, desto mehr Fahrzeuge müssen während der Lebenszeit eines Radfahrers gefertigt werden, und desto höher ist der Ressourcenverbrauch.

Um eine lange Lebensdauer zu erreichen, müssen einige Teile eines Fahrrads ersetzt werden. Dabei handelt es sich in der Regel um kleinere Teile wie Schalthebel, Ketten und Bremsen. ¹¹ Bis vor einigen Jahrzehnten war die Kompatibilität der Teile ein Markenzeichen der Fahrradhersteller. ¹² Meine Fahrräder sind ein perfektes Beispiel dafür. Die meisten Komponenten - wie Laufräder, Schaltung und Bremsen - sind zwischen den verschiedenen Rahmen austauschbar, auch wenn jedes Fahrzeug von einer anderen Marke und aus einem anderen Baujahr stammt. Die Kompatibilität der Komponenten ermöglicht eine einfache Wartung und Reparatur, wodurch sich die Lebensdauer eines Fahrrads verlängert. Fahrradläden selbst in den kleinsten Ortschaften können alle Arten von Fahrrädern mit einem begrenzten Satz von Werkzeugen und Ersatzteilen reparieren. ¹² Radfahrer können kleinere Reparaturen zu Hause durchführen.

Leider ist Kompatibilität in der Fahrradherstellung kaum noch ein Thema. Die Hersteller haben immer mehr eigene Teile eingeführt und ändern ständig die Normen, was zu Kompatibilitätsproblemen selbst bei älteren Fahrrädern derselben Marke führt. ¹³ Wenn beispielsweise die Gangschaltung eines modernen Fahrrads nach einigen Jahren der Nutzung kaputt geht, ist ein Ersatzteil wahrscheinlich nicht mehr erhältlich. Sie müssen einen neuen Satz einer neuen Generation bestellen, der nicht mit Ihrem Umwerfer und Schaltwerk kompatibel ist, die Sie ebenfalls ersetzen müssen. ¹² Bei Rennrädern hat der Wechsel von Kassettenkörpern mit zehn Ritzeln (um 2010) zu Kassettenkörpern mit elf, zwölf und neuerdings dreizehn Ritzeln viele Laufradsätze überflüssig gemacht, und das Gleiche gilt für den Rest des Antriebsstrangs einschließlich Schalthebel und Ketten. ¹²¹

Vor den 1980ern waren die meisten Komponenten zwischen den Rahmen verschiedener Produktgenerationen oder Marken austauschbar.

Die Scheibenbremsen, mit denen fast alle neuen Fahrräder ausgestattet sind, haben unterschiedliche Achsenkonstruktionen, was bedeutet, dass für jedes Fahrzeug eigene Ersatzteile benötigt werden. ¹ Scheibenbremsen erfordern auch neue Schaltungen, Gabeln, Rahmensets, Kabel und Räder, was diese Fahrräder mit früheren Designs inkompatibel macht. ¹² Durch die Zunahme der herstellerspezifischen Teile wird es immer schwieriger, ein Fahrrad durch Wartung, Wiederverwendung und Überholung auf der Straße zu halten. Mit der zunehmenden Zahl inkompatibler Komponenten wird es für Fahrradgeschäfte unmöglich, ein komplettes Ersatzteillager zu führen. ¹²

Die Inkompatibilität der Komponenten geht damit einher, dass die Qualität abnimmt. Ein Beispiel ist der Sattel, der kaum ein Rahmenteil überdauert, weil er an der Unterseite der Schale bricht. ¹² Mit ein wenig mehr Material würde er ewig halten - wie alle Sättel meiner 40 bis 50 Jahre alten Rennräder beweisen. Niedrige Qualität betrifft einige Teile von teuren Fahrrädern, ist aber besonders problematisch bei billigen Fahrrädern, die ausschließlich aus minderwertigen Komponenten bestehen. Billige Fahrräder - Fahrradmechaniker bezeichnen sie als „Built-to-fail-Bikes“ oder „fahrradförmige Objekte“ - haben oft Kunststoffteile, die leicht brechen und nicht ersetzt oder aufgerüstet werden können. Diese Fahrzeuge halten in der Regel nur wenige Monate. ¹³¹⁴

Illustration: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Wie ein Fahrrad angetrieben wird

Bisher haben wir uns nur mit Fahrrädern beschäftigt, die ausschließlich von menschlicher Kraft angetrieben werden, aber Fahrräder mit Elektromotoren werden immer beliebter. Die Zahl der weltweit verkauften E-Bikes stieg von 3,7 Millionen im Jahr 2019 auf 9,7 Millionen im Jahr 2021 (10 % der gesamten Fahrradverkäufe und bis zu 40 % in einigen Ländern wie Deutschland). Elektrofahrräder verstärken beide Trends, die Fahrräder weniger nachhaltig machen. Einerseits benötigen Elektromotoren und Batterien zusätzliche Ressourcen wie Lithium, Kupfer und Magnete, wodurch der Energieverbrauch und die Emissionen bei der Fahrradherstellung steigen. Forscher haben die Treibhausgasemissionen, die bei der Herstellung eines E-Bikes aus Aluminium entstehen, auf 320 kg berechnet. ⁸ Dem stehen 212 kg für die Herstellung eines Fahrrads ohne Unterstützung aus Aluminium und 35 kg für ein Fahrrad ohne Unterstützung aus Stahl gegenüber.

Zum zweiten ist die Lebensdauer eines Elektrofahrrads kürzer als die eines Zweirads ohne Unterstützung, weil es mehr Fehlerquellen gibt. Der Ausfall der zusätzlichen Komponenten - Motor, Batterie, Elektronik - führt aufgrund der Inkompatibilität der Komponenten zu einem kürzeren Lebenszyklus. In einer wissenschaftlichen Studie über die Kreislaufwirtschaft in der Fahrradindustrie wird ein erheblicher Anstieg defekter Komponenten im Vergleich zu Fahrrädern ohne Unterstützung festgestellt und die Schlussfolgerung gezogen, dass „die große Dynamik des Marktes aufgrund regelmäßiger Innovationen, Produkterneuerungen und des Mangels an Ersatzteilen für ältere Modelle die langfristige Nutzung durch die Kunden viel schwieriger macht als bei herkömmlichen Fahrrädern.“ ¹⁵

Elektroräder verstärken beide Trends, die Fahrräder weniger nachhaltig machen.

Hinzu kommt, dass Elektrofahrräder für ihren Betrieb Strom benötigen, was den Ressourcenverbrauch und die Emissionen weiter erhöht. Diese Auswirkungen sind im Vergleich zur Herstellungsphase relativ gering. Schließlich stellt der Mensch einen Teil der Antiebsleistung zur Verfügung, und der Stromverbrauch eines Elektrofahrrads (25 km/h) beträgt nur etwa 1 Kilowattstunde pro 100 km. Die durchschnittliche Treibhausgasemission durch Stromerzeugung in Europa lag 2019 bei 275 gCO2/kWh. ¹⁶ Wenn ein E-Bike 15.000 km hält, verursacht das Aufladen des Akkus nur 41 kg CO2, verglichen mit 320 kg für die Herstellung des (Aluminium-)Fahrrads. Selbst in den USA und China, wo die Kohlenstoffintensität des Stromnetzes 50-100 % über dem europäischen Wert liegt, dominiert die Produktion von Elektrofahrrädern die Gesamtemissionen und den Energieverbrauch.

Lastenfahrräder

Die Kombination aus energieintensiven Materialien, kurzer Lebensdauer und elektrischer Unterstützung kann die Emissionen während des gesamten Lebenszyklus in überraschende Höhen treiben, insbesondere bei Lastenfahrrädern. Diese Fahrzeuge sind größer und schwerer als Personenfahrräder und benötigen leistungsfähigere Motoren und Batterien. Es gibt nur sehr wenige Lebenszyklusanalysen für Lastenfahrräder. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurden jedoch die Lebenszyklusemissionen eines elektrischen Lastenfahrrads aus Kohlefaser auf 80 gCO2 pro Kilometer berechnet - nur halb so viel wie bei einem elektrischen Lieferwagen (158 gCO2/km). ¹⁷ Die Forscher erklären dies mit der unterschiedlichen Laufleistung - 34.000 km im Vergleich zu 240.000 km für den Transporter - und den Kohlefaserverbundwerkstoffen in vielen Komponenten, einschließlich des Fahrgestells des Fahrzeugs. Die Lebenszyklusemissionen des Lastenfahrrads, einschließlich des Stroms, der zum Aufladen der Batterie verbraucht wird, belaufen sich auf 2.689 kg. Das ist fast das 40-fache der Lebenszyklusemissionen von zwei Fahrrädern aus Stahl (mit einer Laufleistung von jeweils 15.000 km).

Die Verlängerung der Nutzungsdauer von Elektrofahrrädern hat im Vergleich zu Fahrrädern ohne Unterstützung geringere Auswirkungen auf die Lebenszyklusemissionen. Das liegt daran, dass die Batterie alle 3 bis 4 Jahre und der Motor alle zehn Jahre ausgetauscht werden muss, was den Ressourcenverbrauch für Ersatzteile erhöht. ¹¹ Dies zeigt eine Lebenszyklusanalyse eines elektrischen Stahl-Lastenfahrrads mit einer angenommenen Lebensdauer von 20 Jahren. ¹⁸ Während seiner Lebensdauer verbraucht das Fahrzeug fünf Batterien (jede wiegt 8,5 kg), zwei Motoren und 3,5 Reifensätze. Die meisten Lebenszyklusemissionen werden durch diese Ersatzteile verursacht, wobei die Batterien allein 40 % der Gesamtemissionen ausmachen. Im Vergleich dazu sind die Emissionen für den Stahlrahmen nahezu unbedeutend. ¹⁸ Dieses spezielle Lastenfahrrad wurde für afrikanische Straßen gebaut und ist nicht ganz repräsentativ für das durchschnittliche Lastenfahrrad, vor allem wegen seiner schweren Reifen.

Lastenfahrräder haben einen weiteren Nachteil. Personenfahrräder und Autos befördern in der Regel nur eine Person, d. h. ein Personenkilometer auf einem Fahrrad entspricht ungefähr einem Personenkilometer in einem Auto. Bei Lastenrädern ist der Vergleich von Tonnenkilometern jedoch komplizierter. Wenn die Ladung relativ leicht ist - in der Regel bis zu 150 kg - ist das elektrische Lastenfahrrad weniger kohlenstoffintensiv als ein Lieferwagen. Bei schwereren Lasten sind jedoch mehrere Lastenfahrräder erforderlich, um einen Lieferwagen zu ersetzen, wodurch sich die damit verbundenen Emissionen vervielfachen. ¹⁸ Die Umstellung auf Lastenfahrräder ohne eine erhebliche Verringerung des Ladevolumens wird wahrscheinlich nicht zu Emissionseinsparungen führen. Es liegt auf der Hand, dass Lastenfahrräder mit Stahlrahmen und ohne Elektromotoren und Batterien - die derzeit noch in der Mehrzahl sind - während ihrer Lebensdauer wesentlich weniger Kohlenstoffemissionen verursachen werden.

Wie Fahrrad gefahren wird

In den letzten Jahren haben viele Städte Leihfahrräder eingeführt. Theoretisch könnten Leihfahrräder die Zahl der produzierten Fahrräder verringern und damit die Umweltauswirkungen der Fahrradproduktion reduzieren. Der Aufbau und Betrieb von Leihfahrrad-Diensten ist jedoch mit einem erheblichen Energieaufwand und Emissionen verbunden. Außerdem halten gemeinsam genutzte Fahrräder nicht so lange wie Fahrräder in Privatbesitz. Folglich verstärken Leihfahrrad-Dienste die Trends, die Fahrräder weniger nachhaltig machen.

Eine Studie aus dem Jahr 2021 vergleicht die Umweltauswirkungen von gemeinsam genutzten und privaten Fahrrädern und berücksichtigt dabei auch die für jede Option erforderliche Infrastruktur. Sie kommt zu dem Schluss, dass private Fahrräder nachhaltiger sind als gemeinsam genutzte Fahrräder. ⁸ Die Studie basiert auf dem Vélib-System in Paris, Frankreich, das 19.000 Fahrzeuge umfasst, von denen etwa die Hälfte mit einem Elektromotor ausgestattet ist. Mehr als 90 % der Emissionen und des Energieverbrauchs entfallen auf die Fahrzeugherstellung und die Bike-Sharing-Infrastruktur. Die restlichen Emissionen entfallen auf den Bau von Radwegen (3,5 %), das Umladen der Fahrräder, um alle Stationen optimal zu versorgen (2 %), und den Stromverbrauch für das Laden der Batterien der Elektrofahrräder (0,3 %). Insgesamt hat ein gemeinsam genutztes Fahrrad des Vélib-Systems einen Emissionswert von 32 g CO2/km, der drei- bis zehnmal höher ist als der eines eigenen Fahrrads (zwischen 3,5 gCO2/km für ein Stahlfahrrad und 10,5 g CO2/km für ein Aluminiumfahrrad). ⁸

Leihfahrraddienste in den Markt zu bringen und zu betreiben erhöht Energieverbrauch und Emissionen signifikant

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass der Leihfahrrad-Dienst zu einem Rückgang des Fahrradbesitzes um 15 % führte. Allerdings berechneten sie auch, dass die durchschnittliche Lebensdauer eines gemeinsam genutzten Fahrrads nur 14,7 Monate beträgt, bei einer durchschnittlichen Laufleistung von 12.250 km. Im Vergleich dazu beträgt die durchschnittliche Lebensdauer eines eigenen Fahrrads in Frankreich laut einer Erhebung aus dem Jahr 2020 rund 20.000 km - fast 50 % mehr als bei gemeinsam genutzten Fahrrädern. Das Vélib-System umfasst 14.000 Fahrradstationen mit einer Gesamtfläche von 92.000 m2 und einer geschätzten Lebensdauer von zehn Jahren. Jede der 46.500 Stationen besteht aus 23 kg Stahl und 0,5 kg Kunststoff. Der Stromverbrauch jeder Bike-Sharing-Station beträgt rund 6.000 kWh pro Jahr. Aufgrund der hohen Belastung durch die Infrastruktur sind die Lebenszyklusemissionen von gemeinsam genutzten Elektrofahrrädern nur 24 % höher als die von gemeinsam genutzten nicht-elektrischen Rädern. ⁸

Der ökologische Fußabdruck von Leihfahrrad-Systemen kann von Stadt zu Stadt sehr unterschiedlich sein. Eine Lebenszyklusanalyse von Leihfahrrad-Diensten in den USA ergab Kohlenstoffemissionen von 65 g CO2/km - doppelt so hoch wie in Paris. ¹⁹ Das liegt vor allem daran, dass bei den US-Systemen die Fahrräder mit Dieselfahrzeugen transportiert werden, während der französische Dienst elektrische Zugmaschinen einsetzt. Die US-Studie befasst sich auch mit der neueren Generation der „dockless“ Leihfahrrad-Dienste, die noch schlechter abschneiden. Dockless-Leihfahrräder können überall abgestellt und über eine Smartphone-Anwendung geortet werden. Dadurch werden zwar keine Stationen mehr benötigt, aber jedes Fahrrad benötigt energieintensive elektronische Komponenten, und das System verursacht auch Emissionen durch die Kommunikationsnetze. ¹⁹¹⁰ Darüber hinaus werden für dockless-Systeme mehr Fahrräder benötigt und es muss mehr umgeschichtet werden.

Eine Lebenszyklusanalyse chinesischer Leihfahrrad-Dienste, darunter viele “dockless”-Systeme, zeigt hohe Schadensraten und niedrige Wartungsraten für Fahrräder. Die jährliche Schadensquote beträgt 10-20 % bei verstärkten Fahrrädern und 20-40 % bei leichteren Fahrzeugen, die immer häufiger eingesetzt werden. In der Praxis wird ein gemeinsam genutztes Fahrrad zu Schrott, wenn das Fahrradteil mit der schlechtesten Haltbarkeit kaputt geht. Eine Reparatur findet praktisch nicht statt. ¹⁰ Wenn die Unternehmen schließlich in Konkurs gehen, entstehen beim Leihfahrrad-Dienst Berge von Abfall - auch von Fahrrädern in gutem Zustand. ¹⁰ ¹

Bild: Lebenszyklus-Kohlenstoffemissionen pro Kilometer Fahrradfahren. Diagramm: Marie Verdeil. Daten: [^8][^17][^19][^26].

Nicht jedes Fahrrad ersetzt ein Auto

All dies sollte nicht vom Radfahren abhalten. Selbst die Fahrräder, die in punkto Nachhaltigkeit nicht an der Spitze stehen, sind dennoch nachhaltiger als Autos. Der Kohlenstoff-Fußabdruck für die Herstellung eines benzin- oder dieselbetriebenen Autos liegt zwischen 6 Tonnen (Citroen C1) und 35 Tonnen (Land Rover Discovery). ²⁰ Der Bau eines Kleinwagens wie des C1 verursacht also so viele Emissionen wie die Herstellung von 171 Stahlfahrrädern oder 28 Aluminiumfahrrädern. Darüber hinaus haben Autos auch einen hohen Kohlenstoff-Fußabdruck durch den Kraftstoffverbrauch, während Fahrräder ganz oder teilweise von Menschen angetrieben werden. ²¹ Elektroautos haben höhere Emissionen bei der Herstellung, aber geringere Emissionen beim Betrieb (wobei letzteres ganz von der Kohlenstoffintensität des Stromnetzes abhängt).

Das Fahrrad ist sogar dann im Vorteil, wenn man seine viel geringere Lebensleistung berücksichtigt. ²² Benzin- und dieselbetriebene Autos erreichen heute mehr als 300.000 km, das ist das Doppelte ihrer Lebensdauer in den 1960er und 1970er Jahren. ²³ Wenn ein Fahrrad 20.000 km hält, bräuchte man 15 Fahrräder, um 300.000 km zurückzulegen. Wenn es sich dabei um Stahlfahrräder ohne Elektromotor handelt, ist der gesamte Kohlenstoff-Fußabdruck bei der Herstellung immer noch sechsmal geringer als bei einem Kleinwagen: 1.050 kg CO2. Sind die Fahrräder aus Aluminium und haben einen Elektromotor, steigen die Emissionen auf 4.800 kg CO2, was immer noch unter dem CO2-Fußabdruck der Herstellung eines Kleinwagens liegt.

Allerdings ersetzt nicht jedes Fahrrad ein Auto. Dies gilt insbesondere für Gemeinschaftsfahrräder und Elektrofahrräder: Studien zeigen, dass sie hauptsächlich nachhaltigere Verkehrsalternativen ersetzen, wie z. B. zu Fuß gehen, ein Fahrrad ohne Unterstützung oder ein privates Fahrrad benutzen oder mit der U-Bahn fahren. ¹⁹ ²⁴ In Paris sind die Emissionen von gemeinsam genutzten Fahrrädern dreimal so hoch wie die von elektrischen öffentlichen Verkehrsmitteln. ⁸ Außerdem werden viele kohlenstoffintensive Fahrräder zu Freizeitzwecken gekauft und sind keineswegs als Ersatz für das Auto gedacht - sie können sogar zu einer verstärkten Autonutzung führen, wenn die Radfahrer für einen Ausflug in die Natur aus der Stadt fahren. In all diesen Fällen steigen die Emissionen, sie sinken nicht.

Wie kann man Fahrräder wieder nachhaltiger machen?

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mehrere Gründe gibt, warum Fahrräder weniger nachhaltig geworden sind: die Umstellung von Stahl auf Aluminium und andere energieintensivere Materialien, die Globalisierung der Fahrradindustrie, die zunehmende Inkompatibilität und sinkende Qualität der Komponenten, der wachsende Erfolg von Elektrofahrrädern und die Nutzung von Leihfahrrad-Diensten. Die meisten dieser Faktoren sind für sich genommen nicht problematisch. Vielmehr ist es die Kombination von Trends, die zu erheblichen Unterschieden zu den Fahrrädern früherer Generationen führt.

Die Herstellung eines Elektrofahrrads aus Stahl hätte beispielsweise einen CO2-Fußabdruck von 143 kg. Das ist zwar viermal so viel wie die Emissionen eines Fahrrads ohne Unterstützung aus Stahl, liegt aber unter dem CO2-Fußabdruck eines Aluminiumfahrrads ohne Elektromotor (212 kg). Vor allem wenn die Batterie mit erneuerbarer Energie aufgeladen wird, kann das Fahren mit einem Elektrofahrrad also nachhaltiger sein als mit einem Fahrrad ohne Motor. Ebenso könnte ein Aluminiumfahrrad mit einer langen Lebensdauer - z. B. durch Kompatibilität der Komponenten - einen geringeren CO2-Fußabdruck haben als ein Stahlfahrrad mit einer begrenzten Lebensdauer.

Viele Forscher plädieren dafür, Fahrräder wieder aus Stahl statt aus Aluminium und anderen energieintensiven Materialien herzustellen. Das würde bei relativ geringen Nachteilen - etwas schwerere Fahrräder - einen erheblichen Gewinn an Nachhaltigkeit bringen. Stahlrahmen würden auch die Kohlenstoffintensität von Elektrofahrrädern und Fahrrädern, die gemeinsam genutzt werden, verringern. Einige Forscher werben für Fahrradrahmen aus Bambus, aber der Nutzen im Vergleich zu altmodischen Stahl- oder sogar Aluminiumrahmen ist unklar. ²⁵ Ein „Bambusfahrrad“ benötigt immer noch Räder und viele andere Teile aus Metall oder Kohlefaserverbundwerkstoffen, und die Rahmenrohre werden in der Regel durch Kohlefaser- oder Metallteile zusammengehalten. ⁶ Außerdem wird der Bambus chemisch gegen Fäulnis behandelt und ist nicht biologisch abbaubar. ¹

Um nachhaltige Fahrräder zu bekommen, sollte man zu lokaler und weniger automatisierter Herstellung zurückfinden

Eine bessere Kompatibilität der Komponenten würde die Lebensdauer von Fahrrädern - auch von Elektrofahrrädern - durch Reparatur und Aufarbeitung erhöhen. Sie würde den Verbrauchern keine Nachteile bringen, ganz im Gegenteil. Im Gegensatz zu einer Umstellung auf Stahlrahmen würde eine bessere Kompatibilität der Komponenten jedoch den Verkauf von neuen Fahrrädern beeinträchtigen. Eine Studie kommt zu dem Schluss, dass „der Verzicht auf Normung ein profitables Geschäftsmodell ist, weil er dafür sorgt, dass Fahrräder nur eine bestimmte Zeit lang gefahren werden können.“ ¹ Die abnehmende Nachhaltigkeit von Fahrrädern ist kein technologisches Problem und nicht nur bei Fahrrädern der Fall. Wir sehen es auch bei der Herstellung anderer Produkte, wie Computern. Ein Fahrradmechaniker stellt fest: „Das Problem hier ist der Kapitalismus, nicht die Fahrräder.“ ¹⁴

Die Umstellung auf eine lokale und weniger automatisierte Fahrradherstellung ist eine Voraussetzung für nachhaltige Fahrräder. Der Hauptgrund ist nicht der zusätzliche Energieverbrauch durch Transport und Maschinen, der relativ gering ist. Beispielsweise verursacht der Transport aus China bei gemeinsam genutzten Fahrrädern etwa 0,7 bis 1,2 gCO2/km. ⁸ Viel wichtiger ist, dass die heimische und handwerkliche Herstellung von Fahrrädern eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass die Reparatur und Aufarbeitung die wirtschaftlich attraktivere Option ist. Die Reparatur ist per definitionem lokal und manuell, so dass sie schnell teurer wird als die Herstellung eines neuen Fahrzeugs in einer großen, automatisierten Fabrik. ¹⁰ Vor Ort hergestellte Fahrräder würden den Kaufpreis für die Verbraucher erhöhen. Eine bessere Reparierbarkeit würde jedoch eine längere Lebensdauer und langfristig niedrigere Kosten ermöglichen. Die Lösung von Fahrraddiebstahl- und Parkproblemen ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da sie häufig ein Grund für den Kauf billiger, kurzlebiger Fahrräder sind. ²⁶

Schließlich können auch gemeinsam genutzte Fahrräder ihren Platz haben, und wir werden wahrscheinlich weitere Verbesserungen ihrer Ressourceneffizienz erleben - die neuesten Leihfahrrad-Stationen in Paris haben ihren Stromverbrauch um den Faktor sechs reduziert. ⁸ Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass gemeinsam genutzte Fahrräder nachhaltiger sind als private Fahrräder, da sie immer wieder neu räumlich verteilt werden müssen und eine High-Tech-Infrastruktur benötigen, damit der Dienst funktioniert. Außerdem kann die Bindung an das eigene Fahrrad ein starker Anreiz sein, es gut zu pflegen und so seine Lebensdauer zu erhöhen, wie ich bezeugen kann.

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Aaron Gordon. “Mechanics Ask Walmart, Major Bike Manufacturers to Stop Making and Selling ‘Built-to-Fail’ Bikes”, Vice, January 13, 2022. https://www.vice.com/en/article/wxdgq9/mechanics-ask-walmart-major-bike-manufacturers-to-stop-making-and-selling-built-to-fail-bikes ↩︎ ↩︎
Koop, Carina, et al. “Circular business models for remanufacturing in the electric bicycle industry.” Frontiers in Sustainability 2 (2021): 785036. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/frsus.2021.785036/full ↩︎
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Temporelli, Andrea, et al. “Last mile logistics life cycle assessment: a comparative analysis from diesel van to e-cargo bike.” Energies 15.20 (2022): 7817.. https://www.mdpi.com/1996-1073/15/20/7817 ↩︎
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https://www.theguardian.com/environment/green-living-blog/2010/sep/23/carbon-footprint-new-car ↩︎
Fahrräder werden ganz oder teilweise durch Nahrungskalorien angetrieben. Einige Leute argumentieren, dass der Lebenszyklus-Energiebedarf von Fahrrädern höher ist als der anderer Verkehrsmittel, wenn man die Auswirkungen der Lebensmittel berücksichtigt, die für die Bereitstellung zusätzlicher Kalorien erforderlich sind, die während der Fahrradnutzung verbrannt werden. Die Mehrheit der Menschen in autozentrierten Gesellschaften nimmt jedoch mehr Kalorien zu sich, als ihre sitzende Lebensweise erfordert. Mehr Radfahren würde zu geringeren Fettleibigkeitsraten führen, nicht zu einer höheren Kalorienaufnahme. ↩︎
Dies ist eine rein theoretische Berechnung, denn Autos laden zu viel längeren Fahrten ein als Fahrräder. ↩︎
Ford, Dexter. “As Cars Are Kept Longer, 200,000 Is New 100,000.” New York Times, March 16, 2012. https://www.nytimes.com/2012/03/18/automobiles/as-cars-are-kept-longer-200000-is-new-100000.html?_r=2&ref=business&pagewanted=all& ↩︎
Zheng, Fanying, et al. “Is bicycle sharing an environmental practice? Evidence from a life cycle assessment based on behavioral surveys.” Sustainability 11.6 (2019): 1550. https://www.mdpi.com/2071-1050/11/6/1550 ↩︎
Ein Vergleich der Lebenszyklusemissionen eines Bambusfahrrads mit denen eines Aluminiumfahrrads ergab kaum Unterschiede (233 vs. 238 kg CO2), siehe [6]. ↩︎
Larsen, Jonas, and Mathilde Dissing Christensen. “The unstable lives of bicycles: the ‘unbecoming’of design objects.” Environment and Planning A: Economy and Space 47.4 (2015): 922-938. https://orca.cardiff.ac.uk/id/eprint/131212/1/M%20Christensen%202015%20the%20unstable%20lives%20of%20bicycles%20ver2%20postprint.pdf ↩︎

Wie entkommt man der Eisenzeit?

Fri, 06 Sep 2024 00:00:00 +0000

Bild: Stahlbewehrung für das Betonfundament einer Windkraftanlage in Gilliam County, USA. Foto von Goose Chap, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)

Gefangen in der Eisenzeit

Im Jahr 1836 unterschied der dänische Antiquar und Kurator Christian Jürgensen Thomsen drei prähistorische Epochen auf der Grundlage der vorherrschenden Materialien für Waffen und Schneidewerkzeuge: die Steinzeit, die Bronzezeit und die Eisenzeit.¹ Thomsens Klassifizierung bezieht sich zwar auf die Vergangenheit, aber folgte man heute seinen Kriterien, hätten wir uns nie über die Eisenzeit hinaus entwickelt. Auch im 21. Jahrhundert ist Eisen immer noch das vorherrschende Material, nicht nur für Waffen und Schneidewerkzeuge, sondern für fast alle modernen Technologien.

Heute verwenden wir das meiste Eisen in Form von Stahl. Nach den Kriterien von Thomsen kann man jedoch nicht von einem “Stahlzeitalter” sprechen. Erstens ist Stahl lediglich eine Legierung aus Eisen (>98%) und Kohlenstoff (<2%). Zweitens hat der Mensch seit dem Beginn der Eisenzeit Stahl hergestellt. Diese Tatsache ist in der westlichen Welt kaum bekannt, da die Stahlproduktion erst im neunzehnten Jahrhundert mit Hilfe fossiler Brennstoffe in Gang kam. Asiatische und afrikanische Metallurgen entwickelten jedoch schon viel früher hochwertige Stähle, und dieses Wissen ermöglichte es den Europäern schließlich, dasselbe zu tun - und zwar in einem viel größeren Maßstab.²

Bis 2021 wird die weltweite Eisen- und Stahlproduktion 1.950 Millionen Tonnen (Mt) erreichen. Das ist 22 Mal mehr als die kombinierte Aluminium- und Kupferproduktion (88 Mio. t). Die globale Eisen- und Stahlproduktion entspricht dem Fünffachen der globalen Kunststoffproduktion (391 Mio. t) und stellt die weltweite Produktion von Silizium (8,5 Mio. t) und Lithium (0,1 Mio. t) in den Schatten.³⁴ Stahl ist das grundlegende Material der Industriegesellschaften. Ohne Kunststoffe, Lithium oder Silizium würden wir uns immer noch in einer Industriegesellschaft befinden. Ohne Eisen und Stahl würden wir 3.000 Jahre in die Bronzezeit zurückgeworfen werden.

Wo steckt der ganze Stahl?

Die massive Präsenz von Stahl in der Industriegesellschaft ist nicht so offensichtlich.⁵ Im Haushalt finden wir verschiedene Stahlgeräte wie Kühlschrank, Waschmaschine, Wasserkocher, Badewanne sowie Koch-, Heiz- und Kühlgeräte. Allerdings werden nur 2-3 % der gesamten Stahlproduktion für Haushaltsgeräte verwendet.⁶⁷⁸ Im Freien sehen wir viel Stahl in Form von Fahrzeugen. Dabei handelt es sich vor allem um Personenkraftwagen, die weltweit etwa 10 % des gesamten Stahls verbrauchen (20 % in den reichen Ländern). Busse, Lastwagen, Züge und Schiffe tragen weitere 4-5 % bei. Alles in allem sind das immer noch weniger als 20 % der weltweiten Stahlproduktion.

Der meiste Stahl ist in andere Materialien eingebettet, befindet sich unter der Erde oder weit entfernt von Wohngebieten.

Der meiste Stahl ist in andere Materialien eingebettet, befindet sich unter der Erde oder weit entfernt von Wohngebieten. Mehr als die Hälfte der weltweiten Stahlproduktion wird für den Bau von Gebäuden (Wohn-, Geschäfts- und Industriegebäude) und Infrastruktur verwendet (Brücken, Tunnel, Häfen, Kanäle, Start- und Landebahnen, Ölplattformen, Raffinerien, Pipelines, Kraftwerke, Übertragungsleitungen, Eisenbahnen, U-Bahnen usw.). Ein großer Teil dieses Stahls ist in Beton eingebettet. Stahlbeton ist das wichtigste Baumaterial der Welt, und Beton ist das einzige Material, das mit der Produktion von Stahl mithalten kann (1.819 Mio. Tonnen im Jahr 2021).

Etwa 15 % der weltweiten Stahlproduktion werden für die Herstellung von Maschinen verwendet, darunter Werkzeugmaschinen, Industrieausrüstungen, elektrische Geräte sowie Bau-, Bergbau- und Landwirtschaftsmaschinen. Auch Produkte aus anderen Materialien - wie andere Metalle, Kunststoffe und Holz - werden mit Stahlwerkzeugen geformt.⁵ Die letzten 15 % der Stahlproduktion landen in einer Vielzahl von Gegenständen, von Schrauben über Lebensmittelverpackungen bis hin zu Möbeln und Schiffscontainern.⁶⁷⁸

Bild: Stahlbeton ist das wichtigste Baumaterial der Welt. Loch auf der Interstate 84, US. Foto von Tony George, Oregon Department of Transportation, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Der ökologische Fußabdruck der Stahlindustrie

Stahl wird oft als einer der nachhaltigsten Werkstoffe dargestellt. Im Gegensatz zu Kunststoffen kann Stahl ohne Qualitätseinbußen recycelt werden. Die Stahlindustrie hat große Fortschritte bei der Energieeffizienz gemacht, größere als viele andere Branchen. Für die Herstellung einer Tonne Rohstahl werden heute durchschnittlich etwa 20 Gigajoule (GJ) Primärenergie benötigt - dreimal weniger als 1950⁹, was im Vergleich zu anderen Werkstoffen wie Aluminium (175 GJ/t), Kunststoffen (80-120 GJ/t) oder Kupfer (45 GJ/t) sehr günstig ist.⁷ Im Gegensatz zu Kunststoffen ist Stahl biologisch abbaubar.¹⁰ Und schließlich ist Eisenerz nicht knapp. Es macht 5 % der Erdkruste aus und Eisen steht in der Reihe der Häufigkeit nach Massenanteil an vierter Stelle unter den Elementen.¹¹ Zum Vergleich: Kupfer macht nur 0,01 % aus.⁵

Trotz all dieser Vorteile verbraucht die Eisen- und Stahlindustrie weltweit mehr Energie und erzeugt mehr Kohlenstoffemissionen als jede andere Branche. Der gesamte Primärenergieverbrauch der Rohstahlerzeugung lag im Jahr 2021 bei 39 Exajoule (EJ), was 7 % der gesamten in diesem Jahr weltweit verbrauchten Energie entspricht (595 EJ). Die Treibhausgasemissionen sind sogar noch höher, da etwa 75 % des Energieverbrauchs aus Kohle stammen - dem Brennstoff mit den höchsten Kohlenstoffemissionen. Im Jahr 2021 verursachte die Eisen- und Stahlindustrie 3,3 Gt Kohlenstoffemissionen, was etwa 9 % der weltweiten Emissionen (36,3 Gt) entspricht.¹² Die Betonindustrie folgt mit 8 % dicht dahinter.

Die Eisen- und Stahlindustrie verbraucht mehr Energie und erzeugt mehr Kohlenstoffemissionen als jede andere Industrie.

Die obigen Schätzungen stammen von der World Steel Association und der Internationalen Energieagentur. Diese Daten sind für alle Metalle verfügbar und wurden über einen langen Zeitraum dokumentiert, so dass historische Vergleiche möglich sind. Sie beziehen sich jedoch nur auf die Verhüttung des Metalls. Sie enthalten nicht den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen für den Abbau und den Transport von Eisenerz, Kohle, Kalkstein, Schrott und Stahlprodukten. Auch die Energie und die Emissionen für die Koksproduktion und die Erzaufbereitung, die für den Stahlherstellungsprozess unerlässlich sind, werden nicht berücksichtigt.⁷

Wissenschaftliche Studien, die die Effekte aus der Eisen- und Stahlindustrie höher veranschlagen, kommen zu dem Schluss, dass die Energiekosten der Stahlproduktion um 50 % bis 100 % höher zu veranschlagen sind.¹³ Ein Bericht kommt zu dem Schluss, dass allein die Methanemissionen aus der metallurgischen Kohleförderung die Emissionen um 27 % erhöhen könnten. Eine andere Studie schätzt, dass der Transport von Eisenerz und Stahl auf dem Seeweg 10-15 % zusätzliche Emissionen verursacht.¹⁴¹⁵ Die Eisen- und Stahlproduktion verursacht auch andere Umweltprobleme, wie hohen Wasserverbrauch, die Erzeugung fester Abfälle und eine erhebliche Luft- und Wasserverschmutzung.

Der Kohlenstoff-Fußabdruck der Eisen- und Stahlindustrie ist mit den derzeitigen Bestrebungen, die Netto-Kohlenstoffemissionen bis 2050 zu eliminieren, unvereinbar, zumal die Stahlproduktion höchstwahrscheinlich weiter steigen wird. Die Stahlproduktion hat sich seit 1950 verzehnfacht und zwischen 2000 und 2020 verdoppelt und ist damit schneller gewachsen, als viele Forscher vorhergesagt hatten.¹⁶ Außerdem sind die Effizienzgewinne zurückgegangen, und es besteht ein wissenschaftlicher Konsens darüber, dass die derzeitigen Technologien ihre thermodynamischen Grenzen erreicht haben.⁷⁹¹⁷ In den letzten zwei Jahrzehnten lag der durchschnittliche Energieverbrauch für die Produktion von einer Tonne Stahl bei etwa 20 GJ/t.⁹¹⁸

Wie kann man Stahl ohne fossile Brennstoffe herstellen?

Es gibt zwei Arten der Stahlerzeugung, von denen die eine wesentlich nachhaltiger ist als die andere.¹⁹ Zum einen gibt es den Hochofen, heute mit dem Sauerstoffblasverfahren, in dem Stahl aus Eisenerz und Kohle hergestellt wird. Diese Technologie ist - in ihrer wesentlichen Form - 2000 Jahre alt. Auf der anderen Seite gibt es den Elektrolichtbogenofen, in dem Stahl aus Stahlschrott und Strom hergestellt wird. Der Elektrolichtbogenofen, eine relativ neue Technologie, verbraucht viel weniger Energie als der Hochofen, nutzt eine wiederverwertbare Ressource (es muss kein Eisenerz abgebaut werden) und arbeitet ohne den direkten Einsatz von Kohle oder anderen fossilen Brennstoffen (der Strom kann durch Sonnen-, Wind- oder Atomkraft erzeugt werden).

Die energieeffizientesten Elektrolichtbogenöfen verbrauchen heute weniger als 300 Kilowattstunden Strom pro Tonne produzierten Stahls.⁹²⁰ Hätten wir hypothetisch den gesamten Stahl im Jahr 2021 (1.950 Mio. t) in solchen Öfen produziert, hätte der gesamte Stromverbrauch der globalen Eisen- und Stahlindustrie nur 585 Terawattstunden (TWh) betragen. Das entspricht gerade einmal einem Drittel der gesamten Stromerzeugung durch Windkraftanlagen weltweit im selben Jahr (1.848 Twh). Leider wurden mehr als 70 % der weltweiten Stahlproduktion in Hochöfen hergestellt, die mit Kohle und Eisenerz beschickt wurden.⁹²⁰ Ein Hochofen verbraucht zwanzigmal mehr Energie und kann nicht mit Strom betrieben werden, da Kohle sowohl der Brennstoff als auch das chemische Reduktionsmittel ist. Bei der Verbrennung von Kohle entsteht Kohlenmonoxid, das das Eisen aus dem Erz reduziert.⁷

Nicht genug Schrott vorhanden

Die Lösung scheint auf der Hand zu liegen, wir sollten den gesamten Stahl in Elektrolichtbogenöfen herstellen. Doch das ist unmöglich. Es gibt nicht genug Schrott: Das kontinuierliche Wachstum der weltweiten Stahlproduktion macht einen Kreislauf der Ressourcen unmöglich.²¹ Es dauert Jahrzehnte, bis der meiste Stahl für das Recycling zur Verfügung steht. So lagern beispielsweise 543 Mio. t Stahl in Schiffen.²² Der im Jahr 2021 für das Recycling verfügbare Schrott entspricht dem Produktionsniveau von 1965, als die weltweite Stahlproduktion weniger als ein Viertel der heutigen betrug (450 Mio. t).⁹¹⁰¹⁵²³ Folglich müssen die anderen drei Viertel in Hochöfen mit Kohle und frisch abgebautem Eisenerz hergestellt werden.

Bild: Autos zum Abwracken im Hafen von Cardiff. Gareth James via Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0).

Heutzutage produziert China etwa die Hälfte des weltweiten Stahls, und zwar fast ausschließlich (>90 %) in Hochöfen unter Verwendung von Kohle und Eisenerz. Viele andere stahlerzeugende Länder haben einen höheren Anteil an Elektrolichtbogenöfen. Es macht jedoch wenig Sinn, mit dem Finger auf China zu zeigen. Erstens haben die USA und Europa seit den 2000er Jahren viele ihrer Industrien nach China ausgelagert, ein Trend, der der wachsenden Stahlproduktion in diesem Land genau entspricht. Außerdem wurde in China vor zwanzig bis vierzig Jahren kaum Stahl verwendet. Folglich gibt es fast keinen Schrott mehr. China hat keine andere Wahl als den Einsatz von Hochöfen.²⁴

Immer hochwertigere Stahlsorten

Ein zweites Hindernis ist die kontinuierliche Entwicklung hochwertigerer Stahlsorten. Inzwischen gibt es über 2.500 verschiedene Stahlsorten mit unterschiedlichen Eigenschaften, z. B. erhöhter Festigkeit, Toleranz gegenüber hohen Temperaturen oder Korrosionsbeständigkeit.⁷⁹²³²⁵ Diese höherwertigen Stähle können zwar in Elektrolichtbogenöfen hergestellt werden, aber sie werden nicht aus Schrott gewonnen und haben einen wesentlich höheren Energiebedarf.

Der für das Recycling verfügbare Stahl besteht aus einer Mischung von Stahlsorten. Diese Mischung eignet sich für die Herstellung von unlegiertem Stahl, nicht aber für hochlegierte Stähle, für die Schrott mit ähnlichen Eigenschaften erforderlich ist. Dieser Schrott ist jedoch nicht verfügbar. Bei Edelstahl, der meistproduzierten Spezialstahlsorte, liegt die Recyclingquote beispielsweise bei nur 15 %. Im Jahr 2021 wurden fast 60 Mio. Tonnen rostfreier Stahl hergestellt, 1980 waren es nur 4 Mio. Tonnen.²⁶ Traditionell wurde rostfreier Stahl für Besteck, chirurgische Werkzeuge sowie medizinische und lebensmittelverarbeitende Geräte verwendet. Inzwischen wird er jedoch auch beim Bau von Tunneln und Außenmöbeln, bei der Abwasserbehandlung, der Meerwasserentsalzung, der Kerntechnik und der Herstellung von Biokraftstoffen verwendet.⁷

Die geringe Recyclingrate und die Notwendigkeit der Gewinnung zusätzlicher Elemente wie Chrom und Nickel machen die Herstellung höherer Stahlsorten energieintensiver. Für die Herstellung von rostfreiem Stahl werden beispielsweise fast 80 GJ pro Tonne benötigt, das ist viermal mehr als für die Herstellung von normalem Kohlenstoffstahl.⁷²³ Die kontinuierliche Entwicklung höherwertiger Stähle wird durch Umweltvorschriften (wie die Verwendung von leichterem Stahl in Autos) und durch die Konkurrenz anderer Materialien, vor allem Aluminium und Kunststoffverbundwerkstoffe, gefördert.⁷⁹²³²⁵ Ironischerweise führt die Konkurrenz mit diesen Materialien, die noch mehr Energie verbrauchen, dazu, dass Stahl immer weniger nachhaltig ist.

Stahl und erneuerbare Energie

Die Stahlindustrie ist in hohem Maße von der Energieversorgung abhängig, aber die Energieversorgung ist auch in hohem Maße von der Stahlindustrie abhängig. Fast 10 % der weltweiten Stahlproduktion fließen in den Aufbau und die Instandhaltung der Energieversorgungsinfrastruktur. Diese Menge entspricht der gesamten Stahlproduktion des Jahres 1950. Ein großer Teil dieses Stahls geht in die Gas- und Ölinfrastruktur.²⁷ Für die Förderung, Produktion und den Transport von Öl und Gas wird Stahl für Offshore-Bohrinseln, Pipelines, Raffinerien, Tanker und Lagertanks benötigt. Der Kohlebergbau ist auf Stahl für Schrämmaschinen, Lader, Förderbänder, Bagger und Lastwagen angewiesen.⁷

Leider wird die geplante Umstellung auf kohlenstoffarme Energiequellen und die Elektrifizierung von Heiz- und Verkehrstechnologien unsere Abhängigkeit von der Stahlindustrie nicht verringern - im Gegenteil. Ein kohlenstoffarmes Stromnetz erfordert viel mehr Stahl (und andere Materialien) als eine auf fossilen Brennstoffen basierende Infrastruktur. Wind- und Sonnenenergie sind im Vergleich zu fossilen Brennstoffen sehr diffuse Energiequellen. Daher wird viel mehr Material (und Land) benötigt, um die gleiche Energie zu erzeugen. Im Fachjargon haben Wind- und Solarenergie eine geringe “Volumenleistungsdichte” oder eine hohe “Materialintensität”.²⁸²⁹³⁰³¹³².

Ein kohlenstoffarmes Stromnetz benötigt viel mehr Stahl als eine auf fossilen Brennstoffen basierende Infrastruktur.

Die “Stahlintensität” thermischer Gas- und Kohlekraftwerke liegt zwischen 50 und 60 Tonnen Stahl pro Megawatt installierter Leistung.³³ Wasserkraftwerke haben mit 20-30 Tonnen Stahl pro MW eine geringere Stahlintensität.⁷³³ Die Stahlintensität der Atomkraft ist mit 20 bis 40 Tonnen Stahl pro installiertem MW ebenfalls geringer.³³³⁴ Andererseits erfordert die Photovoltaik zwischen 40 und 170 Tonnen Stahl pro installiertem MW.³³³⁵ Obwohl die Solarmodule selbst wenig oder gar keinen Stahl enthalten, ist er für die Strukturen, die sie tragen, das Material der Wahl.

Stahl und Windkraft

Die mit Abstand stahlintensivste Energiequelle ist die moderne Windkraftanlage. Die Stahlintensität einer Windturbine hängt von ihrer Größe ab. Eine einzelne große Windturbine benötigt deutlich mehr Stahl pro Megawatt installierter Leistung als zwei kleinere Windturbinen.³⁶ Eine 3,6-MW-Windturbine mit einem 100 Meter hohen Turm benötigt beispielsweise 335 Tonnen Stahl (83 Tonnen/MW), während eine 5-MW-Windturbine mit einem 150 Meter hohen Turm 875 Tonnen Stahl (175 Tonnen/MW) benötigt.³⁷ Der Trend geht zu höheren Windturbinen und einer höheren Stahlintensität.

Bild: Stahltürme für Windkraftanlagen im Hafen von Rotterdam. Foto: Melle Smets.

Der Stahlverbrauch steigt bei Offshore-Windturbinen weiter an. Während Onshore-Windkraftanlagen für ihre Fundamente auf Stahlbeton angewiesen sind, benötigen Offshore-Windturbinen massive Stahlkonstruktionen wie Monopiles und Jackets.³⁸ Die Stahlintensität von Offshore-Windturbinen wird auf rund 450 Tonnen pro MW für eine 5-MW-Turbine berechnet - achtmal höher als die Stahlintensität eines Wärmekraftwerks.³⁶ Je höher die Windturbinen werden und je weiter sie in tiefere Gewässer vordringen, desto höher ist ihr Stahlverbrauch.

Die derzeit gängigste Offshore-Windturbine hat eine Leistung von 7 MW, während die größten eine Leistung von 14 MW haben.³⁶ Bei einer vorsichtigen Schätzung auf der Grundlage der obigen Daten (die Stahlintensität verdoppelt sich bei jeder Verdoppelung der Leistung) würde eine 14-MW-Offshore-Windturbine 1.300 Tonnen Stahl pro MW oder insgesamt 18.200 Tonnen erfordern. Eine solche Windturbine verbraucht also 24-mal mehr Stahl als ein Kohle- oder Gaskraftwerk mit der gleichen Leistung.

Kürzere Lebensdauer

Der Unterschied zwischen erneuerbaren Energiequellen und fossilen Brennstoffen wird noch größer, wenn die Stahlintensität pro Energieeinheit und nicht pro Leistung berechnet wird (MWh statt MW). Im Gegensatz zu Kohle- und Gaskraftwerken ist die Leistung von Wind- und Solarkraftwerken wetterabhängig, und sie erreichen nicht immer ihre maximale Leistung. Daher erfordert der Ersatz von 1 MW fossiler Stromerzeugungskapazität die Installation von (durchschnittlich) 4 MW Solarenergie oder 2 MW Windkraft.³⁹ Eine 14-MW-Offshore-Windturbine hat somit eine Stahlintensität, die für jede erzeugte Kilowattstunde Strom fast 50 Mal höher ist als die eines fossilen Kraftwerks.⁴⁰

Bei einer 14-MW-Offshore-Windturbine ist die Stahlintensität für jede erzeugte Kilowattstunde Strom fast 50 Mal höher als bei einem fossilen Kraftwerk.

Solar- und Windkraftanlagen haben auch eine kürzere Lebensdauer (20-30 Jahre) als Wärmekraftwerke (30-60 Jahre)³¹, was sich zwar nicht auf die Stahlintensität pro MW installierter Leistung auswirkt, aber die Stahlintensität pro erzeugter Energieeinheit im Laufe der Zeit erhöht. Dies führt nicht immer zu einer Verdoppelung des Stahleinsatzes, da Fundamente für Offshore-Windturbinen und Strukturen für Solarpaneele eine längere Lebensdauer haben können als die Energiequellen, die sie tragen, und somit wiederverwendet werden können.⁴¹

Infrastruktur für die Energieübertragung

Die oben genannten Daten umfassen nur den in den Kraftwerken selbst verwendeten Stahl. Bei Kraftwerken, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, ist der Stahl, der in Pipelines, Bohrinseln, Kohlebaggern und dergleichen verwendet wird, nicht berücksichtigt. Das Gleiche gilt aber auch für die kohlenstoffarmen Energiequellen. Da sie viel mehr Ressourcen benötigen als Wärmekraftwerke (Stahl, aber auch andere Metalle und Materialien), sind sie auf eine globale Bergbau- und Transportinfrastruktur angewiesen, die ebenso stahlintensiv ist wie die Lieferkette für fossile Brennstoffe.

Da es sich bei den Kraftwerken für erneuerbare Energie um eher diffuse Energiequellen mit unregelmäßiger und unvorhersehbarer Stromerzeugung handelt, die oft weit von den Energieverbrauchszentren entfernt sind, ist der Ausbau der Übertragungsinfrastruktur erforderlich. Diese Infrastruktur basiert ebenfalls auf Stahl - von Schaltanlagen über Türme bis hin zu Leitungskabeln.²⁸²⁹³⁰³¹³²⁴²

Schließlich haben kohlenstoffarme Energiequellen auch einen hohen Bedarf an speziellen Stahlsorten, deren Herstellung energieintensiver ist. Der Stahl für Offshore-Windturbinen muss korrosionsbeständig sein, und für die Trägerstrukturen von Solarpaneelen wird zunehmend rostfreier Stahl verwendet.⁴³ Elektrischer Lamellenstahl (Eisen-Silizium) ist für Transformatoren im Stromnetz unverzichtbar.⁷ Kernkraftwerke haben zwar eine relativ geringe Stahlintensität, bestehen aber vollständig aus energieintensiven Spezialstählen. So wird zum Beispiel für die Ummantelung der Brennelemente, die spaltbares Uran enthalten, Zirkoniumstahl benötigt, während alle Strukturelemente aus austenitischem Edelstahl bestehen.⁷⁴⁴

Kohlenstoffarme Netze können nicht aus recyceltem Stahl hergestellt werden

Die hohe Stahlintensität kohlenstoffarmer Energiequellen konfrontiert uns mit einem Dilemma, einer Situation, in der es scheinbar keinen Ausweg aus einem Problem gibt, egal was wir tun. Wir brauchen viel mehr Stahl, wenn wir Wärmekraftwerke durch erneuerbare Kraftwerke ersetzen. Da nicht genügend Stahlschrott zur Verfügung steht, können wir diesen zusätzlichen Stahl nur aus Eisenerz in Hochöfen herstellen, die fossile Brennstoffe verbrennen. Um den Klimawandel zu bekämpfen, müssen wir schnell und in großer Zahl kohlenstoffarme Energiequellen schaffen. Um jedoch zirkuläre Materialflüsse zu erreichen und kohlenstoffarme Energiequellen aus Schrott und erneuerbarem Strom zu schaffen, müssten wir das Gegenteil tun: den Aufbau eines kohlenstoffarmen Stromnetzes verlangsamen.

Bild: Stahlfundamente für off-shore Windturbinen. Foto von Glen Wallace, Wikimedia Commons (CC BY 2.0).

Eine viel zitierte Studie aus dem Jahr 2013 kam zu dem Schluss, dass bei einer Stromerzeugung aus Wind- und Solarenergie von 25.000 TWh - was dem gesamten weltweiten Strombedarf im Jahr 2021 entspricht - allein für den Bau der Kraftwerke etwa 3.200 Mio. t Stahl benötigt werden.³³⁴⁵ 2050 wird der weltweite Strombedarf voraussichtlich auf 52.000 bis 71.000 Terawattstunden steigen, was den zusätzlichen Stahlbedarf auf 6.400 bis 8.960 Mio. t erhöhen würde.⁴⁶ Über die Lebensdauer von Solarzellen und Windturbinen (25 Jahre) verteilt, müssten wir 256 bis 358 Mio. Tonnen Stahl pro Jahr zusätzlich produzieren, um Windturbinen und Solarzellenstrukturen herzustellen - vergleichbar mit dem Stahlbedarf für Personenkraftwagen (195 Mio. Tonnen) und andere Verkehrsträger (98 Mio. Tonnen) zusammen.

Das ist immer noch eine sehr optimistische Schätzung. Der Strombedarf macht nur etwa 20 % des gesamten Energiebedarfs aus. Wenn der gesamte Energiebedarf (177.000 Twh im Jahr 2021) durch Wind- und Solarenergie gedeckt würde, bräuchten wir 22.400 Mio. t Stahl. Das sind zusätzliche 896 Mio. t Stahl pro Jahr - so viel wie die weltweite Produktion in den frühen 2000er Jahren. Man könnte argumentieren, dass Strom effizienter genutzt werden kann als fossile Brennstoffe, zum Beispiel in Autos und Heizungsanlagen. Gleichzeitig wird jedoch erwartet, dass die Gesamtenergienachfrage weiter ansteigt, was die Gewinne aus der Steigerung der Energieeffizienz zunichte macht.

Die Hightech-Lösungen

Die Stahlindustrie setzt auf technologische Lösungen, um die Stahlproduktion kohlenstoffneutral zu gestalten. Eine Möglichkeit besteht darin, Kohle durch Gas zu ersetzen, ein Ansatz, der im Nahen Osten und in Nordamerika bereits üblich ist. Die Stahlerzeugung mit Gas führt zu etwas geringeren Kohlenstoffemissionen, die aber immer noch viel höher sind als beim Elektrolichtbogenofen. Daher gilt die meiste Aufmerksamkeit dem Wasserstoff, der gereinigte Kohle (Koks) als Reduktionsmittel in einem Direktreduktionsschachtofen ersetzen kann.⁴⁷ Die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung bietet jedoch keinen Ausweg aus der Zwickmühle, da sie den Bedarf an einer stahlintensiven Infrastruktur weiter erhöht.

Die Herstellung von Wasserstoff ist sehr energieintensiv. Für die Herstellung von 1 kg Wasserstoff werden 50-55 Kilowattstunden und für die Herstellung von 1 Tonne Stahl 60 kg Wasserstoff benötigt.⁴⁷ Für die Herstellung von 1 Tonne Stahl aus Wasserstoff werden also 3.000 kWh Strom verbraucht, was zehnmal höher ist als der Stromverbrauch eines Elektrolichtbogenofens, der Stahl aus Schrott herstellt. Folglich werden für die wasserstoffbasierte Stahlerzeugung etwa zehnmal mehr Windturbinen und Solarpaneele benötigt als für die Stahlerzeugung aus Schrott - und damit zehnmal mehr Stahl. Hinzu kommt noch der Stahl für den Bau der Pipelines und Speichertanks, die Teil der Wasserstoffinfrastruktur sind.

Bild: Arbeiter in einem Hochofen. Bundesarchiv, B 145 Bild-F079044-0020 / CC-BY-SA 3.0.

Die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, bei der die Kohlenstoffemissionen von Stahlwerken abgeschieden und dann unterirdisch gelagert werden, steht vor denselben Problemen. Sie erfordert eine Stahlinfrastruktur und zusätzliche Energie und erhöht damit indirekt den Verbrauch fossiler Brennstoffe. Die Rückkehr zu älteren, vorindustriellen Stahlherstellungsprozessen ist ebenfalls keine Lösung. Der heutige Hochofen ist im Wesentlichen immer noch der Hochofen aus früheren Jahrhunderten, nur viel energieeffizienter.⁷

Die Lowtech-Lösungen

Das oben gezeichnete Bild scheint wenig Hoffnung auf eine kohlenstoffneutrale Stahlerzeugung und Stromproduktion zu machen. Es gibt jedoch eine Low-Tech-Lösung, die dies erreichen könnte. Wir könnten die Stahlproduktion an das verfügbare Schrottangebot anpassen, sowohl was die Menge als auch die Qualität betrifft. Das würde es uns ermöglichen, den gesamten Stahl aus Schrott in Elektrolichtbogenöfen zu produzieren, was den Energieverbrauch drastisch reduzieren und fast alle Kohlenstoffemissionen eliminieren würde. Natürlich darf es nicht darum gehen, Stahl durch Kunststoffverbundwerkstoffe und Aluminium zu ersetzen, da deren Herstellung noch energieintensiver ist. Die einzige Lösung besteht darin, den Materialeinsatz insgesamt zu reduzieren.

Wir könnten die Stahlproduktion sowohl quantitativ als auch qualitativ an das verfügbare Schrottangebot anpassen

Eine Verringerung der Stahlproduktion und die Verwendung gängigerer Stahlsorten würde uns nicht in die Bronzezeit zurückversetzen. Wie bereits erwähnt, waren im Jahr 2021 weltweit etwa 450 Mio. Tonnen Altmetallschrott verfügbar, mit denen wir etwa ein Viertel der derzeitigen Stahlproduktion herstellen könnten. Darüber hinaus wird das Schrottangebot in den nächsten 40 Jahren weiter ansteigen, so dass wir jedes Jahr mehr und mehr emissionsarmen Stahl produzieren können. Bis 2050 wird das Schrottangebot voraussichtlich auf etwa 900 Mio. t ansteigen, was fast der Hälfte der heutigen weltweiten Stahlproduktion entspricht.⁴⁸ All dieser zusätzliche Stahl könnte in den Ausbau des kohlenstoffarmen Stromnetzes investiert werden, ohne zunächst die Emissionen zu erhöhen.

Es gibt viel Spielraum, um die Stahlintensität der modernen Gesellschaft zu verringern. Alle unsere Grundbedürfnisse - und mehr - könnten mit viel weniger Stahl gedeckt werden. Wir könnten zum Beispiel Autos leichter machen, indem wir sie kleiner bauen. Das würde Energieeinsparungen mit sich bringen, ohne dass energieintensiver Edelstahl benötigt wird. Wir könnten Autos durch Fahrräder und öffentliche Verkehrsmittel ersetzen, so dass sich mehr Menschen weniger Stahl teilen. Solche Veränderungen würden auch den Bedarf an Stahl im Straßennetz, in der Energieinfrastruktur und in der verarbeitenden Industrie verringern. Wir würden weniger Werkzeugmaschinen, Schiffscontainer und Stahlbetongebäude benötigen. Wann immer die Stahlintensität verringert wird, wirken sich die Vorteile kaskadenartig auf das gesamte System aus. Die Vermeidung von Korrosion und die Herstellung von Stahl aus lokalen Ressourcen würde auch den Energieverbrauch und die Emissionen senken.¹⁰¹⁴

Das kontinuierliche Wachstum der Stahlproduktion - die zunehmende Stahlintensität der menschlichen Gesellschaft - macht eine nachhaltige Stahlproduktion unmöglich. Keine Technologie kann daran etwas ändern, denn es ist kein technologisches Problem. So wie die Forstwirtschaft nur dann nachhaltig sein kann, wenn die Holznachfrage das Holzangebot nicht übersteigt, hängt die Nachhaltigkeit von Stahl vom Gleichgewicht zwischen (Schrott-)Angebot und (Stahl-)Nachfrage ab. Vielleicht können wir dem Eisernen Zeitalter nicht entkommen, aber wir haben die Möglichkeit, dem Dilemma zu entkommen, das die Stahlproduktion untrennbar mit fossilen Brennstoffen verbindet.⁴⁹

Thomsen, Christian Jürgensen. “Cursory View of the Monuments and Antiquities of the North.” Guide to Northern Archaeology by the Royal Society of Northern Antiquaries of Copenhagen (1848): 25-104. See also: Eskildsen, Kasper Risbjerg. “Christian Jürgensen Thomsen (1788–1865): Comparing Prehistoric Antiquities.” History of Humanities 4.2 (2019): 263-267. And: Briggs, C. Stephen. “From Genesis to Prehistory: the archaeological Three Age System and its contested reception in Denmark, Britain, and Ireland. By Peter Rowley-Conwy. 226mm. Pp xix+ 362, 55 b&w ills. Oxford: Oxford University Press, 2007. ISBN 9780199227747.£ 65 (hbk).” The Antiquaries Journal 88 (2008): 474-478. ↩︎
Geplanter Artikel, Kris De Decker, Low-tech Magazine. Abonnieren sie den Newsletter von Low-tech Magazine. ↩︎
Idoine, N. E., et al. “World mineral production 2017-21.” (2023). https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/534316/1/WMP_2017_2021_FINAL.pdf ↩︎
Katz-Lavigne, Sarah, Saumya Pandey, and Bert Suykens. “Mapping global sand: extraction, research and policy options.” (2022). https://repository.uantwerpen.be/docman/irua/1428b3/183490cc.pdf ↩︎
Colás, Rafael, and George E. Totten, eds. Encyclopedia of iron, steel, and their alloys (Online version). CRC Press, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎
https://www.steelonthenet.com/consumption.html. Meanwhile the data on this page have been updated for 2023. ↩︎ ↩︎
Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Steel in buildings and infrastructure”, World steel association. https://worldsteel.org/steel-topics/steel-markets/buildings-and-infrastructure/ ↩︎ ↩︎
Conejo, Alberto N., Jean-Pierre Birat, and Abhishek Dutta. “A review of the current environmental challenges of the steel industry and its value chain.” Journal of environmental management 259 (2020): 109782. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Zwischen 25 und 33% der jährlichen Stahlproduktion wird nach Beginn der Nutzung durch Verrosten zerstört. Siehe: Iannuzzi, M., and G. S. Frankel. “The carbon footprint of steel corrosion.” npj Materials Degradation 6.1 (2022): 101. https://www.nature.com/articles/s41529-022-00318-1.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Iron”, Encyclopedia Britannica ↩︎
The potential of hydrogen for decarbonising steel production. European Parliament: https://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2020/641552/EPRS_BRI(2020)641552_EN.pdf ↩︎
Lenzen, Manfred, and Christopher Dey. “Truncation error in embodied energy analyses of basic iron and steel products.” Energy 25.6 (2000): 577-585. & Oda, Junichiro, et al. “International comparisons of energy efficiency in power, steel, and cement industries.” Energy Policy 44 (2012): 118-129. Both found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
“Pedal to the metal”, Caitlin Swalec, Global Energy Monitor, June 2022. https://globalenergymonitor.org/wp-content/uploads/2022/06/GEM_SteelPlants2022.pdf ↩︎ ↩︎
Yellishetty, Mohan, P. G. Ranjith, and A. Tharumarajah. “Iron ore and steel production trends and material flows in the world: Is this really sustainable?.” Resources, conservation and recycling 54.12 (2010): 1084-1094. ↩︎ ↩︎
Siehe zum Beispiel: Hatayama, Hiroki, et al. “Outlook of the world steel cycle based on the stock and flow dynamics.” Environmental science & technology 44.16 (2010): 6457-6463. This paper predicted steel demand to reach 1.8 billion tonnes only by around 2025. ↩︎
De Beer, Jeroen. Potential for industrial energy-efficiency improvement in the long term. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013. ↩︎
Wang, R. Q., et al. “Energy saving technologies and mass-thermal network optimization for decarbonized iron and steel industry: A review.” Journal of Cleaner Production 274 (2020): 122997. ↩︎
Etwa 5% des Stahls weltweit wird mit einer dritten Methode produziert: Gasbasierte direkte Eisenreduktion. Diese Öfen verwenden Gas anstelle von Kohle und haben daher geringere Kohlenstoffemissionen. Allerdings sind die Emissionen immer noch viel höher als beim Elektrolichtbogenofen. Die gasbasierte Stahlerzeugung findet hauptsächlich im Nahen Osten und in Nordamerika statt. ↩︎
He, Kun, and Li Wang. “A review of energy use and energy-efficient technologies for the iron and steel industry.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 70 (2017): 1022-1039. This source gives a value of 1-1.5 GJ/ton of crude steel. ↩︎ ↩︎
Dies ist auch bei vielen anderen Materialien der Fall. Siehe: “How circular is the circular economy?”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, November 2018. https://qelnixcor.cloud/2018/11/how-circular-is-the-circular-economy/ ↩︎
Kong, Xianghui, et al. “Steel stocks and flows of global merchant fleets as material base of international trade from 1980 to 2050.” Global Environmental Change 73 (2022): 102493. ↩︎
ODPADKA, PROIZVODNJA JEKLA IZ JEKLENEGA. “Scrap-based steel production and recycling of steel.” Materiali in tehnologije 34.6 (2000): 387. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Im Westen vollzog sich die Ausweitung der Stahlverwendung über einen Zeitraum von 150 Jahren, parallel zur technologischen Entwicklung. Im Gegensatz dazu hat China diese technologische Entwicklung in nur wenigen Jahrzehnten komprimiert: Schifffahrt und Eisenbahn, Elektrifizierung, Stahlgebäude, Auto und Flugzeug, Internet und erneuerbare Energietechnologien. Es gibt immer noch große Teile der Welt, in denen die Stahlintensität der Gesellschaft sehr gering ist, wie in Indien und Afrika. Es gibt also noch viel Raum für das Wachstum der Stahlproduktion. Quelle: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
AHHS Application Guidelines, WorldAutoSteel. ahssinsights.org/news/intro ↩︎ ↩︎
Sverdrup, Harald Ulrik, and Anna Hulda Olafsdottir. “Assessing the long-term global sustainability of the production and supply for stainless steel.” BioPhysical Economics and Resource Quality 4 (2019): 1-29. ↩︎
Conseil, Laplace. “Impacts of energy market developments on the steel industry.” 74th Session of the OECD Steel Committee, Paris, France (2013). Found in: Smil, Vaclav. Still the iron age: iron and steel in the modern world. Butterworth-Heinemann, 2016. ↩︎
Deetman, Sebastiaan, et al. “Projected material requirements for the global electricity infrastructure–generation, transmission and storage.” Resources, Conservation and Recycling 164 (2021): 105200. ↩︎ ↩︎
How (Not) to Run a Modern Society on Solar and Wind Power Alone, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. https://qelnixcor.cloud/2017/09/how-not-to-run-a-modern-society-on-solar-and-wind-power-alone/ ↩︎ ↩︎
Kleijn, René, et al. “Metal requirements of low-carbon power generation.” Energy 36.9 (2011): 5640-5648. ↩︎ ↩︎
Weißbach, Daniel, et al. “Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants.” Energy 52 (2013): 210-221. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chen, Zhenyang, Rene Kleijn, and Hai Xiang Lin. “Metal requirements for building electrical grid systems of global wind power and utility-scale solar photovoltaic until 2050.” Environmental Science & Technology 57.2 (2022): 1080-1091. ↩︎ ↩︎
Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
“Energy”, American Iron and Steel Institute. https://www.steel.org/steel-markets/energy/ ↩︎
“Steel is the power behind renewable energy”, Arcelor Mittal. https://constructalia.arcelormittal.com/en/news_center/articles/steel-is-the-power-behind-renewable-energy#:~:text=Steel%3A%20a%20key%20material%20in%20a%20less%20carbon%2Dintensive%20world&text=Without%20steel%2C%20none%20of%20the,Schrijver%2C%20CEO%20of%20ArcelorMittal%20Projects. ↩︎
Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Gervásio, Helena, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 2: Life cycle analysis.” Engineering structures 74 (2014): 292-299. & Rebelo, Carlos, et al. “Comparative life cycle assessment of tubular wind towers and foundations–Part 1: Structural design.” Engineering structures 74 (2014): 283-291. ↩︎
Assessing the significance of steel to the global wind industry, S&P Global, Commodity Insights. December 2021. https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/research-analysis/assessing-the-significance-of-steel-to-the-global-wind-industry.html ↩︎
Bolson, Natanael, Pedro Prieto, and Tadeusz Patzek. “Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources.” Proceedings of the National Academy of Sciences 119.52 (2022): e2205429119. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205429119 ↩︎
Dieses Ergebnis stimmt gut überein mit Vidal, Olivier, Bruno Goffé, and Nicholas Arndt. “Metals for a low-carbon society.” Nature Geoscience 6.11 (2013): 894-896. The data are in the supplementary info: https://www.nature.com/articles/ngeo1993#Sec5 ↩︎
Bei Offshore-Windturbinen wird die Lebensdauer der Fundamente auf 100 Jahre geschätzt, so dass sie im Prinzip für Ersatz-Windturbinen der gleichen Größe dienen könnten. Andererseits ist es nicht selbstverständlich, dass diese Stahlfundamente irgendwann recycelt werden. Erstens können durch das Recycling des Metalls nur etwa 10 % der Stilllegungskosten wieder hereingeholt werden, was bedeutet, dass es wirtschaftlich und vielleicht sogar energetisch nicht interessant ist, dies zu tun. Zweitens hat sich in einigen Fällen das Meeresleben um die Fundamente herum entwickelt. Die vier Offshore-Windparks, die 2019 stillgelegt wurden, waren 15, 18, 20 und 26 Jahre in Betrieb. Quelle: Topham, Eva, et al. “Recycling offshore wind farms at decommissioning stage.” Energy policy 129 (2019): 698-709. ↩︎
https://www.fedsteel.com/insights/steels-role-in-the-us-power-infrastructure/ ↩︎
https://industry.arcelormittal.com/products-solutions/Products_in_the_spotlight/magnelis ↩︎
Maziasz, Philip J., and Jeremy T. Busby. Properties of austenitic stainless steels for nuclear reactor applications. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2012. ↩︎
Ein Teil davon ist bereits gebaut worden. Die Forscher gehen von der Solar- und Windstromproduktion im Jahr 2013 aus, die 400 TWh betrug, während beide Stromquellen im Jahr 2021 2.894 TWh produzierten. ↩︎
Electricity consumption worldwide from 2000 to 2022, with a forecast for 2030 and 2050, by scenario. Statista. https://www.statista.com/statistics/1426308/electricity-consumption-worldwide-forecast-by-scenario/#:~:text=According%20to%20a%20recent%20forecast,on%20the%20energy%20transition%20scenario ↩︎
Bhaskar, Abhinav, et al. “Decarbonizing primary steel production: Techno-economic assessment of a hydrogen based green steel production plant in Norway.” Journal of Cleaner Production 350 (2022): 131339. ↩︎ ↩︎
Scrap use in the steel industry, World Steel Association. May 2021. https://worldsteel.org/wp-content/uploads/Fact-sheet-on-scrap_2021.pdf ↩︎
Eine weitere Motivation, die Stahlintensität der modernen Gesellschaft zu verringern, ist die Begrenzung der Folgen geopolitischer Konflikte. Je mehr Stahl wir für friedliche Zwecke produzieren, desto mehr Stahl wird für Krieg und Zerstörung verfügbar. Es ist bemerkenswert, dass die Produktion von Rüstungsgütern in den modernen Stahlstatistiken nicht vorkommt, und wenn sie erwähnt wird, ist ihr Anteil sehr gering. In Kriegszeiten stellen die Stahlwerke jedoch auf die Produktion von Stahl für militärische Zwecke um. Die Stahlindustrie kann also jederzeit in eine Waffenindustrie umgewandelt werden, und es stehen heute viel mehr Stahlproduktionskapazitäten zur Verfügung als je zuvor in der Geschichte. ↩︎

Wie Windenergie wieder nachhaltig werden kann

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Abbildung: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Mehr als zweitausend Jahre lang wurden Windmühlen aus recycelbaren und wiederverwertbaren Materialien gefertigt: Holz, Stein, Backstein, Segeltuch, und Metall. Die Materialien veränderten sich auch nicht, als in den 1880er Jahren die neuartigen Windmühlen auftauchten, die Strom erzeugen konnten. Erst mit dem Aufmarsch von Rotorblättern aus Kunststoff in den 1980er Jahren wurde Windenergie zur Quelle von toxischem Abfall, der auf Deponien landet.

Neue Technologien der Holzproduktion und neue Entwürfe ermöglichen es mittlerweile größere Windkraftanlagen beinahe wieder vollständig aus Holz zu bauen – nicht nur die Rotorblätter, sondern auch das restliche Konstrukt. So könnte man das Abfallproblem lösen und die Herstellung von Windanlagen von fossilen Brennstoffen und Materialien aus Minen größtenteils unabhängig machen. Ein Wald inmitten der Windkraftanlagen könnte das Holz für die kommenden Generationen von Anlagen liefern.

Wie nachhaltig ist ein Rotorblatt?

Windkraftanlagen werden zu den sauberen und nachhaltigen Energiequellen gezählt. Obwohl sie in der Tat weniger CO2 ausstoßen als Anlagen, die fossile Brennstoffe nutzen, erzeugen auch sie jede Menge Abfall. Das übersieht man leicht, da ungefähr 90% der gesamten Masse einer Windkraftanlage aus Stahl ist und sich hauptsächlich im Turm konzentriert. Stahl ist wiederverwertbar. Das erklärt, wieso Windkraftanlagen so schnell die Energie zurückgewinnen, die nötig ist, um sie zu bauen – der wiederverwertete Stahl kann bei der Herstellung von neuen Bestandteilen genutzt werden. Das spart viel Energie.

Die Rotorblätter anderseits werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, der voluminös ist und nicht recycelt werden kann. Obwohl die Masse im Vergleich zur gesamten Masse einer Windkraftanlage klein ist, sollte sie nicht unterschätzt werden. Ein 60m langes Rotorblatt wiegt 17 Tonnen, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter von einer 5-MW-Windkraftanlage alleine mehr als 50 Tonnen nicht recyclebaren Abfall produzieren.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Quelle: [Gurit](https://www.gurit.com/Our-Business/Industries--Markets/Wind).

Ein Rotorblatt besteht normalerweise aus einer Kombination von Epoxidharz – ein Petroleum-Produkt – verstärkt durch Glasfasern. Die Blätter sind zudem gefüllt mit Materialien auf Kunststoffbasis, zum Beispiel teilvernetztem PVC-Schaum, und umhüllt von einer Schutzschicht auf Polyurethan-Basis.¹²³⁴

Im Gegensatz zum Stahl des Turmes kann das Plastik der Rotorblätter nicht recycelt werden, um neue Blätter herzustellen. Das Material kann man nur “downcyceln”, indem man es beispielsweise schreddert. Dabei gehen die Fasern jedoch kaputt und eignen sich dann nur noch als Füllmaterial für die Produktion von Zement oder Asphalt. Andere Methoden werden noch erforscht, aber sie stoßen bis jetzt immer wieder auf dasselbe Problem: Niemand will das “recycelte” Material haben. Einige Architekten haben die Rotorblätter wiederverwendet, indem sie damit Bänke oder Spielplätze gebaut haben. Aber wir können nicht alles aus Rotorblättern anfertigen!

Schon allein die Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage produzieren mehr als 50 Tonnen nicht recycelbaren Abfalls.

Wegen der begrenzten Möglichkeiten zum Recyceln und Wiederverwerten werden Rotorblätter normalerweise auf Deponien entsorgt (in den USA), oder verbrannt (in der EU). Letzteres ist auch nicht nachhaltiger, da das Verbrennen der Rotorblätter nur einen Teil des Materials reduziert (60% bleiben als Asche übrig) und der Rest verschmutzt die Luft. Es kann außerdem kaum Energie zurückgewonnen werden, da Glasfaser ohnehin nicht brennbar ist. ¹²³⁴

Müllentsorgung mit 25 Jahren Verspätung

Die meisten der ca. 250.000 Windkraftanlagen, die momentan weltweit in Betrieb sind, wurden vor weniger als 25 Jahren installiert, was ihrer voraussichtlichen Lebensdauer entspricht. Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

In Europa zum Beispiel steigt der Anteil an Windkraftanlagen, die älter als 15 Jahre sind, von 12 % in 2016 auf 28 % in 2020 an. In Deutschland, Spanien und Dänemark beläuft sich ihr Anteil sogar schon auf 41 - 57 %. Im Jahr 2020 alleine werden diese Länder zwischen 6.000 und 12.000 Rotorblätter entsorgen müssen. ⁵

Abbildung: Die Flügel von altmodischen Windmühlen wurden gänzlich aus recycelbaren Materialien hergestellt. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Entsorgte Rotorblätter werden nicht nur immer zahlreicher sondern auch größer, da Rotorblätter mit stets größerem Umfang im Trend liegen. Windkraftanlagen vor 25 Jahren hatten ca. 15 - 25m lange Rotorblätter, wohingegen die heutigen Rotorblätter zwischen 75 - 80m oder länger sind.³ Schätzungen auf Basis von aktuellen Wachstumsprognosen für Windenergie suggerieren, dass der Abfall aus Rotorblättern sich bis 2028 auf 330.000 Tonnen jährlich belaufen wird und bis 2040 sogar auf 418.000 Tonnen pro Jahr.¹

Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

Diese Schätzungen sind konservativ, da es zum einen immer wieder defekte Rotorblätter gibt und zum anderen neue Innovationen dazu führen, dass viele der Blätter weit vor ihrem Verfallsdatum ausgetauscht werden – gegen effizientere Rotorblätter mit verbessertem Energieertrag.¹⁶ Außerdem stammt diese Abfallmenge von Windkraftanlagen, die zwischen 2005 und 2015 installiert wurden, als Windenergie gerade mal 4% der globalen Energiequellen ausmachte. Würde Windenergie die gewünschten 40% des (heutigen) globalen Energievierbauchs decken, wären es drei bis vier Millionen Tonnen Abfall pro Jahr.

Die Geschichte der Windmühlenflügel

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik als Bestandteil eigentlich nicht zwingend notwendig ist. Die Nutzung von Wind zur mechanischen Erzeugung von Energie geht auf die Antike zurück und die ersten stromerzeugenden Windmühlen – die heute Windkraftanlagen heißen – wurden um 1880 gebaut. Glasfaser-Rotorblätter wurden allerdings erst in den 1980er Jahren populär. 2000 Jahre lang waren Windmühlen, ganz gleich aus welchem Material, also komplett recycelbar.

Die Windmühlen in Europa, die von Paul La Cour in Dänemark gebaut wurden, hatten traditionelle Holzflügel. Bild: Image: Paul La Cour Museum.

Traditionelle Windmühlen hatten Türme, die aus Holz, Stein oder aus Backstein gebaut wurden. Ihre Flügel wurden normalerweise aus einem Holzgerüst gefertigt, an dem die Segel oder Holzklappen befestigt wurden. Später wurden Teile der Windmühlen zunehmend aus Eisen hergestellt – ebenfalls ein recycelbares Material.

Trotz sich wandelnder Designs ab dem 18. Jahrhundert haben sich die Materialien der Flügel nicht groß verändert, abgesehen von der Anwendung von Aluminium ab dem 20. Jahrhundert, das jedoch auch recycelbar ist.⁷] Im Gegensatz zu modernen Windkraftanlagen, die regelmäßig komplett erneuert werden müssen, konnten traditionelle Windmühlen durch stetige Wartung und Reparatur über Jahrzehnte hinweg genutzt werden, manchmal sogar jahrhundertelang.

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik kein notwendiges Material ist.

Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz. Die erste Windkraftanlage in Europa von Paul La Cour in Dänemark hatte vier traditionelle Holzflügel mit einem Rotordurchmesser von 22,8m.

La Cours Design wurde von lokalen dänischen Unternehmen kopiert, was dazu führte, dass zwischen 1900 und 1920 tausende Windkraftanlagen auf dänischen Farmen gebaut wurden. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden auch dutzende experimentelle Windkraftanlagen gebaut, manche mit Stahlflügeln, wie das US-amerikanische Smith-Putnam-Modell von 1939.

Eine Struktur aus Stahldraht stabilisierte die drei Rotorblätter der Gedser Windkraftanlage.

1957 baute Johannes Juul, ein Schüler von Paul La Cour, die Gedser Windkraftanlage mit drei Rotorblättern. Die Anlage hatte einen Rotordurchmesser von 24m und wurde zusammengehalten von einem Stahlgerüst, das für extra Stabilität der Rotorblätter sorgte. Die Rotorblätter wurden aus Stahl konstruiert, mit Aluminium umhüllt und gestützt durch Holzrippen.

Bis Mitte der 1980er galt die Gedser Windkraftanlage als die erfolgreichste. Sie war ohne Wartung 11 Jahre in Betrieb und generierte bis zu 360.000 kWh pro Jahr, aber sie wurde nicht repariert, als ein Lager ausfiel. Als die Turbine in den späten 1970ern getestet und überholt wurde, stellte sich heraus, dass sie besser funktionierte als die ersten Windkraftanlagen mit Rotorblättern aus Kunststoff.⁸⁹

Die Größe spielt eine Rolle

Die erste Windkraftanlage mit Rotorblättern aus Kunststoff wurde 1978 in Dänemark installiert, wo sie eine Schule mit Strom versorgte. Mit einem Rotordurchmesser von 54m war die Tvind Windkraftanlage damals die größte existierende Windkraftanlage. Nach 1980 wurden Rotorblätter aus Kunststoff zum Standard in Dänemark und das ‘Dänische Design’ wurde überall auf der Welt kopiert. Rotorblätter aus Kunststoff, so könnte man sagen, definieren die moderne Windkraftanlage. Das stellt uns vor ein Dilemma!

Der Wechsel zu Rotorblättern aus Kunststoff hatte hauptsächlich mit dem Wunsch nach größeren Windkraftanlagen zu tun. Es gibt zwei Gründe, warum größere Anlagen die Kosten pro Kilowattstunde generierter Elektrizität verringern: die Windgeschwindigkeit nimmt in der Höhe zu und das Verdoppeln des Rotorradius vervierfacht den Energieertrag.

Der Wunsch nach immer größeren Windkraftanlagen treibt die Industrie seitdem voran. Der Rotordurchmesser ist von ca. 50m in den 1990ern auf bis zu 120m im Jahr 2000 angestiegen. Heute haben die größten Offshore-Windkraftanlagen einen Rotordurchmesser von mehr als 160m. In den Niederlanden wird gerade eine 12-MW-Windkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 220m gebaut. ³⁶¹⁰

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1940ern, gebaut und entworfen von P.L. Fauel. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Je größer die Rotorblätter, desto größer auch die Masse der Blätter, wodurch immer leichtere Materialien benötigt werden. Gleichzeitig biegen sich größere Blätter auch leichter, wodurch ihre strukturelle Steifigkeit immer wichtiger wird, um eine optimale Aerodynamik zu erreichen und zu vermeiden, dass die Blätter den Turm streifen. Kurz gesagt, größere Windkraftanlagen mit längeren Rotorblättern stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft, und diese übersteigen die Möglichkeiten von recycelbaren Materialien.¹¹¹² Windkraftanlagen sind effizienter geworden, aber weniger nachhaltig.

Größere Windkraftanlagen stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft.

Dieser Trend schlägt sich nieder in der vermehrten Nutzung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, der noch stabiler, steifer und leichter ist als glasfaserverstärkter Kunststoff.¹¹ Das Nutzen von Kohlenstofffasern, was das Recyceln noch weiter erschwert, ist bei großen Rotorblättern zum Standard geworden – vor allem in Bereichen, die großer Belastung ausgesetzt sind, wie zum Beispiel die Wurzel des Blattes. Wir haben demnach ein neue Phase erreicht, in der Rotorblätter so groß sind, dass sie nicht einmal mehr aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden können.

Das Rotorblatt neu erfinden

Eine Industrie, die sich selbst nachhaltig und erneuerbar nennen will, sollte nicht jährlich Millionen Tonnen Plastikabfall produzieren. Wäre es denn möglich Rotorblätter aus recyclebaren Materialien zu bauen? Wie groß könnten diese Anlagen sein? Inwieweit lassen sich Effizienz und Nachhaltigkeit miteinander vereinen?

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1930ern, entworfen von Kurt Bilau. Der Turm ist aus Stein, die Segel aus Holz und Aluminium. Bild: Frank Vincentz (CC BY-SA 3.0).

Die meiste Forschung zu nachhaltigeren Rotorblättern bleibt bei Kunststoff als Hauptmaterial. “Thermoplaste”, wie zum Beispiel PVC, können geschmolzen und wiederverwendet werden, was es ermöglicht, die Rotorblätter zu recyceln, um neue herzustellen, selbst vor Ort. Da das Material aber nicht so belastbar ist, waren die gebauten Rotorblätter bis jetzt noch nicht größer als 9m.¹¹³

Ein weiterer Bereich ist der Erforschung von Holz- oder Flachsfasern als Alternative zu Glasfasern gewidmet. Diese Rotorblätter können zwar größer werden, aber sie sind nur minimal nachhaltiger als die Glasfaser-Epoxidharz-Rotorblätter.¹⁴¹⁵ Denn das aus Petroleum gewonnene Epoxidharz ist besonders schädlich und Produkte, die auf natürlichen Fasern basieren, absorbieren mehr davon als Glasfaserprodukte.¹⁶¹⁷¹²

Die Länge von Holz-Rotorblättern ist nicht mehr abhängig von der Verfügbarkeit großer Bäume von einheitlicher Qualität.

Manche Ingenieure und Wissenschaftler wählen andere Wege und konzentrieren sich auf traditionellere Holzkonstruktionen. Für kleine Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus solidem Holz geschnitzt werden. Für größere Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus einer leeren aerodynamischen Hülle mit einem inneren Gerüst aus Rippen und einem Holm als Stütze konstruiert werden – allesamt aus laminiertem Furnierholz.

Laminiertes Furnierholz

Laminiertes Furnierholz, bei dem das Holz zuerst vom Baum geschält und dann in dünnen Schichten wieder aneinander geleimt wird, ist ein Holzprodukt, das in den 1980ern auftauchte und das einen wichtigen Vorteil gegenüber Massivholzprodukten bietet. Die Beschaffenheit des Holzes kann innerhalb eines Baumes variieren. Deswegen war die Länge der Holme aus Holz, die in vorindustriellen Windmühlen eingesetzt wurden, abhängig von der Verfügbarkeit von ausreichend großen Bäume einheitlicher Qualität. Die größte traditionelle Windmühle, die je gebaut wurde – die ‘Murphy Mill’ in San Francisco (1900) – hatte einen Rotordurchmesser von 35m.

Verbesserte Windmühlenflügel aus den 1940ern. Bild: Reboelje.

Im Gegensatz dazu verteilt der Prozess des Furnierens Defekte im Holz, wie zum Beispiel Knoten, gleichmäßig und gewährleistet somit eine bessere Steifigkeit. Dadurch wird es möglich, größere Rotorblätter aus Holz zu bauen.¹² Laminiertes Holz ist viel günstiger und leichter als Glasfaser. Da Rotorblätter vor allem ihr eigenes Gewicht aushalten müssen und Holz leichter als Glasfaser ist, müssen Holzrotorblätter nicht so stark und steif wie Glasfaserblätter sein.¹² Nichtsdestotrotz ist es aufgrund der geringen Steifigkeit von Holz schwer, das Durchbiegen bei sehr großen Rotorblättern zu verhindern.

Eine Studie aus 2017 zu einer 5-MW-Windkraftanlagen mit 61,5m langen Rotorblättern, die an der UmassAmherst in den USA durchgeführt wurde, hat errechnet: Für eine ausreichende Steifigkeit muss ein Rotorblatt aus laminiertem Furnierholz eine Laminatschicht von über 50cm aufweisen und 2,8 Mal schwerer sein als sein Kunststoff-Gegenpart (48 statt 17 Tonnen Gewicht).¹² Obwohl es also technisch möglich ist, Rotorblätter aus Holz zu bauen, die über 60m groß sind, ist dies nicht besonders praktikabel. Mit schwereren Rotorblättern müssen die Windkraftanlagen viel robuster gebaut werden, wodurch sowohl die Kosten als auch der Verbrauch anderer Rohstoffe steigen.

Das Beste aus zwei Welten?

Es gibt zwei mögliche Lösungen für dieses Problem: Die erste wäre ein Rotorblatt zu entwerfen, das hauptsächlich aus laminiertem Furnierholz besteht, aber gestützt wird durch Holme aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit einer zusätzlichen Außenschicht von glasfaserverstärktem Kunststoff. In der oben genannten Studie wurde errechnet, dass ein Holz-Kohlenstoff-Kombinationsrotorblatt steif genug ist, um bei einer 5-MW-Windkraftanlage eine Länge von 61,5m zu erreichen, und 3 Tonnen leichter wäre als ein Glasfaserrotorblatt.¹² Eine andere Studie zu einem Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt kommt zu einer ähnlichen Schlussfolgerung, aber in diesem Fall ist das Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt etwas schwerer als das Kunststoff-Blatt.¹⁴

Ein Rotorblatt aus Furnierholz und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff kann mit einer Länge von über 60m gebaut werden.

Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter enthalten weniger Kunststoff und der Kunststoff ist nicht mit dem Holz im Inneren des Rotorblatts verwebt, sondern deutlich davon getrennt, wodurch das Wiederverwerten, Recyceln oder Verbrennen des Rotorblatts einfacher wird. Laut den genannten Studien enthält ein solches Rotorblatt allerdings immer noch 2,5 ¹⁴ - 6,2 ¹² Tonnen Kunststoff, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage 7,5 -18,4 Tonnen nicht recycelbaren Abfall produzieren würden – verglichen mit den 50 Tonnen eines gewöhnlichen Rotorblatts.

Dann doch lieber kleine Windkraftanlagen?

Den Umweltschaden, den Kohlenstoff-Epoxidharz-Holme verursachen, könnte man vielleicht akzeptieren, wenn man ihn mit dem größeren Schaden vergleicht, den konventionelle Windkraftanlagen anrichten. Aber das Problem des Abfalls wäre immer noch nicht gelöst und das stetige Wachstum der Windenergie-Branche würde nach wie vor mit immer mehr Abfall einhergehen.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus laminiertem Holz mit Holmkappen aus Kohlenstoff.[^14]

Alternativ könnten wir das Thema Nachhaltigkeit auch ambitionierter angehen und Rotorblätter wieder komplett aus Holz bauen – auch wenn das bedeutet, dass sie kleiner sind. Es gibt nämlich ein weiteres Argument dafür, den Fokus auf Effizienz in Frage zu stellen: Die geringe Nachhaltigkeit liegt nicht nur an den Rotorblättern. Andere Teile der Windkraftanlagen werden in zunehmenden Maße auch aus Kunststoff hergestellt, wie zum Beispiel die Gondel, die den Generator schützt, oder die Nabe.¹²³⁴

Weitere Trends sind die zunehmende Nutzung von Elektronik, die nicht recycelt werden kann, und von Dauermagnet-Generatoren aus seltenen Rohstoffen, was verglichen mit einer mechanischen Lösung zwar Kosten spart, aber dafür destruktiven Bergbau voraussetzt. Größere Windkraftanlagen töten zudem mehr Vögel und Fledermäuse.¹⁸

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen.

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen. Die Befürworter von Windenergie sind da wahrscheinlich anderer Meinung. Denn dies bedeutet auch, dass die Windenergie nicht mehr mit fossilen Brennstoffen konkurrieren kann. Der sich verteuernden Windenergie könnte aber mit höheren Preisen für fossile Brennstoffe begegnet werden.

Das eigentliche Problem ist, dass wir billige fossile Brennstoffe als Maßstab nehmen, um die Wirtschaftlichkeit von Windenergie zu bemessen. Durch den Vergleich mit fossilen Brennstoffen – und ausgehend von einem Lebensstil, der erst durch fossile Brennstoffe möglich wurde – wird Windenergie in zunehmenden Maße schädlich für die Umwelt. Wenn wir den allgemeinen Energiebedarf senken würden, wären kleinere und weniger effiziente Windkraftanlagen kein Problem.

Abbildung: Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz.

Wie groß könnten Rotorblätter aus Furnierholz werden? Niemand scheint es wirklich zu wissen. Ich habe Rachel Koh befragt, die Wissenschaftlerin, die die Berechnungen zu dem 61,5m Holzrotorblatt gemacht hat, aber auch sie konnte nicht weiterhelfen: „Ich habe das Modell nur für eine 5-MW-Windkraftanlage entwickelt“, schreibt Koh. „Es wäre hypothetisch möglich, eine neue Studie zu konzipieren, um die Frage zu beantworten, aber das ist kein kleines Unterfangen.“ Sie wies zudem darauf hin, dass es möglich sei, mit innovativen Herstellungsmethoden die Steifigkeit von Holzlaminaten weiter zu verbessern.

Ein Wald von Windkraftanlagen

Ob wir uns für große Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter oder für kleinere nur aus Holz bestehende Rotorblätter entscheiden, in beiden Fällen könnte man den Turm und auch die Gondel aus laminierten Holzprodukten anfertigen. 2012 hat die deutsche Firma TimberTower für eine 1,5-MW-Windkraftanlage einen 100m hohen Turm aus laminiertem Holz gebaut. Ein Turm aus Holz scheint auf den ersten Blick natürlich etwas unsinnig, da er einen Teil des Konstruktes ersetzt, der sowieso schon recycelt werden kann. Eine Windkraftanlage, die fast ganz aus Holz gebaut ist, bietet aber noch andere Vorteile.

Illustration: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Die Verwendung von Holz könnte die Herstellung von Windkraftanlagen von fossilen Brennstoffen und Minen unabhängig machen, ausgenommen der Zahnräder und der nötigen Elektronik (und es geht sogar noch nachhaltiger, wenn Windenergie für die direkte mechanische Energiegewinnung genutzt wird.)¹⁹ Holzwindkraftanlagen könnten außerdem CO2 aus der Atmosphäre speichern, das die Bäume, die ihre Bestandteile liefern, gebunden haben.

Außerdem könnte das Gelände zwischen den Windkraftanlagen, das sich nicht als Wohngebiet eignet, genutzt werden, um Wälder anzupflanzen, die wiederum das Holz für die nächste Generation an Windkraftanlagen liefern. Das Holz könnte vor Ort gesägt und verarbeitet werden, was den Energieverbrauch verringert, der normalerweise mit dem Transport von Bestandteilen einhergeht. Die benötigte Energie, um die Laminate herzustellen und um die neuen Anlagen zu bauen, könnten von den Anlagen im Park selbst sowie aus der Biomasse des Waldes kommen. Wenn die Rotorblätter wirklich nur aus Holz gefertigt würden, könnten Windkraftanlagen tatsächlich zu einem Paradebeispiel für die Kreislaufwirtschaft werden.

Und was ist mit Solarzellen?

Der nächste Artikel wird sich der Nachhaltigkeit der Solarzellen widmen. Ist toxischer und nicht recycelbarer Abfall ein inhärenter Bestandteil der Solarenergie? Könnte man Solarzellen aus nachhaltigen Materialien anfertigen? Welche Folgen hätte das für die Bezahlbarkeit und Effizienz von Solarenergie?

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
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