Elektromobilität – Ein Überblick
Elektromobilität kann mehr bringen, als dass Autos künftig mit Strom statt fossilen Energieträgern fahren, und ein entscheidender Teil einer Veränderung unseres Verkehrs sein.
Das Auto. Wirtschaftsfaktor, Basis unserer Mobilität, Projektionsfläche von Emotionen und Status, vielfältige Problemquelle, Objekt der Begierde. Auch wenn das Auto in urbanen Gebieten an Attraktivität und Status bereits deutlich eingebüßt hat, ist es in vielen Bereichen und für viele Menschen noch sehr wichtig. Grund genug, das Auto und wie wir es sehen, weiter zu verändern. Elektromobilität ist einer dieser Wege und spart nicht nur CO2 und Stickoxide ein, sondern kann auch als Brückentechnologie und Ermöglicher neuer Mobilitätsformen gesehen werden.
Die Betrügereien der Industrie in der Dieselaffäre und nun der Gerichtsbeschluss, dass in Deutschland Regionen und Städte ein Fahrverbot über – ältere – Dieselfahrzeuge verhängen können, sorgen endlich für Diskussionen. So weit gekommen ist es durch eine Mischung aus einer Probleme ignorierenden Politik und den Machtspielen der Autoindustrie als Wirtschaftsfaktor und Jobgeber. Selbst jetzt sind die Reaktionen langsam und die Motive dahinter keine der Liebe zur Umwelt.
Denn mit jedem abgesetzten Elektro- oder Hybridauto sinkt der Flottenverbrauch, der Hersteller spart sich Strafzahlungen und ein weiterer Diesel darf verkauft werden. Von der erhofften Disruption ist bisher wenig zu spüren. Tesla hat zwar den Markt verändert – spielt in vielen Ländern aber zahlenmäßig eine geringe Rolle. Die etablierten Hersteller beginnen ihre Modellpalette zu elektrifizieren und entwickeln erste ausschließlich elektrische Serien. An der konzeptionellen Basis des Autos hat sich bisher jedoch wenig verändert. Wie beim SUV wird erklärt, die Kunden würden es nicht anders wollen. Auf der anderen Seite gibt es Lieferprobleme und Wartezeiten bei alternativen Modellen.
CO2-Äquivalente je Personenkilometer:
Benzin/Diesel-Verbrenner: 185 g
E-Mobilität im deutschen [IZ1] Strommix: 96 g
E-Mobilität im österreichischen Strommix: 44 g
E-Mobilität mit Ökostrom in Österreich: 29 g
Daten: VCÖ
Die mobile Welt bewegt sich doch
Auch in den letzten Wochen gab es erfreuliche Nachrichten aus der Welt der Mobilität: Das vollelektrische Model S von Tesla verkaufte sich laut Schweizer »Handelszeitung« im letzten Quartal besser als die zwei Topmodelle der deutschen Oberklasse – der Mercedes S-Klasse und der BMW 7er-Reihe. Shenzhen, das chinesische Silicon Valley, stellt 16.359 vollelektrische Busse in Betrieb. Volvo wird ab 2019 keine Autos ohne Elektromotor mehr ausliefern, sondern nur noch vollelektrische oder Hybridfahrzeuge. Die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren stellen die Schweden ein. Volvo-Eigentümer Geely hat gerade zehn Prozent von Daimler übernommen. Das Ziel: Daimler soll elektrisch werden. Dabei geht es Daimler nicht nur um PKW, sondern etwa mit dem Future Truck 2025 auch um Elektromobilität im Transport und dessen Vernetzbarkeit im Sinne der Industrie 4.0 und einer Digital Supply Chain.
Der Tesla Model S steht für die moderne, reichweitenstarke Elektromobilität und ist das drittmeistverkaufte Elektro-Auto in Österreich. Mitunter wohl weil sich die Fahrer bei einer Anmeldung als Firmenfahrzeug mit Privatbenutzung den Sachbezug und damit mehr als 10.000 Euro im Jahr sparen. Bild: Tesla.
Aktuell sind das meiste davon kleine Schritte und Ankündigungen – die Konzepte für eine mobile Zukunft fehlen. Die Probleme des Individualverkehrs mit Verkehrsaufkommen, Staus, Unfällen, Flächenverbrauch und Zersiedelung werden allein durch Elektroautos nicht gelöst. Dies bewegt leider nur wenige Menschen dazu, über größere Umbrüche nachzudenken und im Kleinen an diesen zu arbeiten: zum Beispiel viel Rad und Bahn zu fahren und nach Möglichkeit regionale Produkte zu kaufen, die weniger Gütertransport verursachen.
Allerdings kann die Elektrifizierung des Antriebs eine entscheidende Weichenstellung bedeuten, die weitere Schritte erst ermöglicht. Schon heute ist der Betrieb des Autos am Einsatzort vollständig emissionsfrei. Weder Stickoxide noch CO2, Lärm oder Feinstaub durch Bremsabrieb fallen an. Einzig die Feinstaubemission durch Reifenabrieb ist ähnlich wie bei herkömmlichen Autos. Der Wegfall der Belastung ist vor allem im urbanen Bereich ein wesentlicher Gewinn. Ein Vorteil ist außerdem, dass ein Elektrofahrzeug überall geladen werden kann – die Basis der benötigten Infrastruktur ist in jedem Haushalt und an jedem Arbeitsplatz vorhanden. Das Auto kann problemlos an der Steckdose aufgeladen werden, die Stromkosten liegen bei etwa zwei Euro je 100 km.
„Die Grenzen zwischen öffentlichem und Individualverkehr werden sich auflösen, da beides über integrierte Systeme gebucht werden kann und die Verkehrsmittel nur noch durch ihre Größe und die Reisegeschwindigkeit unterschieden werden.“
Hinsichtlich Emotion und Komfort sind Elektroantriebe aufgrund ihrer Laufruhe, der hohen Kraftentfaltung und des Wegfalls eines Schalt- oder Automatikgetriebes Verbrennungsmotoren ebenfalls überlegen. Dass wir von einem Auto einen bestimmten Sound erwarten, ist wohl veränderbare Konditionierung, und sein Fehlen ein lösbares Sicherheitsrisiko. Das Konstruktionsprinzip eines Elektroautos ist sehr einfach und weitgehend wartungsfrei. Die laufenden Kosten sind dementsprechend gering, die aktuell noch höheren Anschaffungskosten beruhen auf geringeren Stückzahlen und den hohen Kosten für die Batterien. Hier sind noch deutliche Preisreduktionen zu erwarten. Noch größer werden die Schritte, wenn die Elektromobilität einen Umstieg auf E-Bikes und E-Motorräder mit einschließt.
Energieaufwand:
Tank to Wheel in Energie je Passagier (kWh/100 km)
Flugzeug (A320–200): 33
ICE (200 km/h): 18
U-Bahn: 15
PKW fossil: 46
Hybridauto: 33
Elektrofahrzeug: 15
Quelle: TU Wien
Zurück zum Start
Das Elektroauto hat nach wie vor zwei Probleme: Reichweite und Ladedauer. Beide sind einem Kernproblem der Elektrizität geschuldet. Elektrischer Strom ist eine einfache, sicher und leicht zu erzeugende, vielseitig verwendbare und effizient zu transportierende Energieform. Sie ist jedoch leider nicht sonderlich effizient speicherbar. Genau das hat seit Anfang des 20. Jahrhunderts, als 40 Prozent der Autos elektrisch fuhren – neben dem Lobbying der Ölindustrie –, zur Dominanz von Benzin- und Dieselantrieben geführt.
Das Elektroauto war stets eine Wunschvorstellung der Ingenieure und Umweltpolitiker. Die Technik des Antriebs ist längst ausgereift, die Energiespeicherung blieb ein Desaster. Alternativen wie Wasserstoff gelten als taugliches Speichermedium, jedoch ist der Wirkungsgrad nicht höher als der von Benzin oder Diesel bei Verbrennungsmotoren, der Herstellungsprozess ist aufwändig und teuer. Die Entwicklung neuer Lithium-Ionen- oder Lithium-Eisenphosphat-Akkus ist noch nicht ausgereizt. Auch hier sind noch deutliche Verbesserungen und somit höhere Reichweiten zu erwarten.
Jaguar entwickelt mit dem noch 2018 auf den Markt kommenden -Pace ein rein elektrisch angetriebenes SUV. Gebaut wird das in England entwickelte Fahrzeug bei Magna Steyr in Graz. Zwei E-Motoren sollen die 400 PS mittels Allradantrieb auf die Straße bringen. Angekündigt sind 480 Kilometer Aktionsradius. Bild: Jaguar.
Gegenwind
Der Elektroantrieb kann allein zwar keine nachhaltige Lösung für eine verfehlte Verkehrspolitik sein, allerdings einige gravierende Probleme lösen und Basis für weitere Evolutionsstufen bilden. Die Forderung nach mehr öffentlichem Verkehr ist berechtigt – allerdings ist das keine Frage des Antriebs. Solange Menschen Auto fahren, muss dieses verbessert werden. Elektroantriebe eignen sich aber für sämtliche Mobilitätsformen von Schiffen über Güterverkehr und Busse bis zur Maschinen in der Landwirtschaft und es gilt jetzt die nötige Infrastruktur auszubauen. Teile des öffentlichen Verkehrs wie U- und Eisenbahn sind bereits elektrifiziert und bei künftigen Transportmitteln wie Drohnen steht der elektrische Antrieb außer Frage.
Woher kommt der Strom?
Elektromobilität ist im Betrieb natürlich nur dann emissionsfrei, wenn das Auto mit Strom aus erneuerbarer oder ökologischer Produktion geladen wird. Selbst beim vergleichsweise schlechten deutschen Strommix aber ist die CO2-Emission eines Elektrofahrzeugs gesamt besser als die von Verbrennern. Die Gesamtemission – Produktion von Fahrzeug und Treibstoff sowie laufender Betreib – liegt bei einem Elektroauto zwischen 40 und 178 Gramm CO2 je km (abhängig von Strommix und Fahrzeug), bei Autos mit Verbrennungsmotoren zwischen 200 und 350 g/km.
Aktuelle Stromer benötigen zwischen 10 und 30 kWh pro 100 km. Das entspricht einem Verbrauch von etwa 1 bis 3 Litern Benzin. Ein über zwei Tonnen schwerer Benziner mit einer Leistung von 700 PS und einem Verbrauch von 2,5 Litern ist undenkbar, die Elektrovariante mit einem Verbrauch von 25 kWh – also 2,5 Litern – ist Realität.
Der Renault Zoe ist an Neuanmeldungen gemessen österreichs wichtigstes und erfolgreichstes Elektro-Auto. Renault spricht von 300 Kilometern Reichweite und bietet neben Batteriemiete etwa auch Services wie Wartungs-, Pannen- und Versicherungsverträge. Bild: Yannick Brossard / Planimonteur
Die Produktion
Die CO2-Bilanz bei der Produktion eines Stromers liegt wegen der Batterie je nach Berechnung etwa zehn bis zwanzig Prozent über dem Verbrenner. Allerdings gleicht diesen Startnachteil die deutlich bessere Bilanz im Betrieb wieder aus. Auch war die Haltbarkeit früherer Akkugenerationen beschränkt – laut Erfahrungsberichten von Nutzern aktueller Batterietechnologien bieten neuere Akkus nach 300.000 Kilometern noch zumindest 80 Prozent der Leistung. An neuen Recycling-Modellen und der Verwendung alter Akkus in anderen Bereichen wird gearbeitet. Die Potenziale von Benzin- und Dieselmotoren sind weitgehend ausgereizt, bei den Batterien von Elektroautos sind noch Innovationssprünge, Effizienzsteigerungen und Kostenreduktionen zu erwarten.
Eine andere Frage ist die immer wieder angesprochene Erhöhung der gesamten benötigten Energiemenge. Der Energiebedarf in Österreich liegt bei etwa 70 TWh jährlich. Der Energieverbrauch von fünf Millionen Elektroautos (aktueller Stand 2017: 4,9 Millionen PKW) macht etwa 10–15 TWh aus – entspricht also etwa 15–20 Prozent des aktuellen Gesamtverbrauchs.
Nachdem auch die Produktion von Treibstoffen elektrische Energie verbraucht, die zur Gänze entfallen würde, rechnet der VCÖ mit einem Mehrverbrauch von rund acht Prozent, würden wirklich alle KFZ elektrisch fahren. Ein durch den Ausbau von erneuerbarer Energieproduktion, Verwendung von dezentral und privat erzeugter Energie und künftige intelligente Stromnutzung kompensierbares Ausmaß. Investitionen in Infrastruktur wären jedoch zwingend nötig, um die benötigte Energie in kurzer Zeit an den Ladestationen an die Autos abzugeben. Dies bedeutet vor allem die Installation von Trafostationen und Energiespeichern an Hauptverkehrsachsen und im urbanen Raum.
Emission:
Betrieb (CO2/km) / Total (Herstellung Treibstoff und Produktion Fahrzeug, Laufleistung 200.000 km)
Hybrid (Toyota Auris): 128 g / 184 g
Benzin (Golf, BMW 535): 150–250 g / 210–340 g
Diesel (BMW 320d): 170 g / 231 g
Gas (Skoda Octavia, Erdgas / Biogas): 108–0
Wasserstoff: 0 / 108–327 g (abhängig vom Strommix)
Elektro (Tesla S): 0 / 50–178 g (abhängig vom Strommix)
Elektro (Nissan Leaf): 0 / 37 g (Ökostrom)
Quelle: http://www.alainveuve.ch/wp-content/uploads/CO2-Emissionsvergleich-Rotta.pdf
Blick nach vorne
Beim Versuch, einen gesellschaftlichen Wandel zu steuern, ist die Diskussion um die CO2-Bilanz eines Akkus vergleichsweise irrelevant. Wir stehen vor der einmaligen Chance, den Verbrennungsmotor in die Geschichtsbücher zu verbannen. Ein mögliches Szenario für die Mobilität der Zukunft könnte folgendes sein: Wenn Menschen im urbanen Bereich feststellen, dass Elektroautos komfortabel, kostengünstig und vor allem leise sind, werden sie Dieselfahrzeuge nicht mehr länger akzeptieren. Mittelfristig werden autonom fahrende Autos, U-Bahnen, Shuttlebusse oder Drohnen uns und unsere Produkte befördern.
BMW präsentierte kürzlich in New York diesen rein elektrisch betriebenen Mini Cooper Classic – er bleibt leider ein Einzelstück. Bild: BMW.
Dabei wird zusätzlich einer der größten Risikofaktoren im Straßenverkehr eliminiert: der Fahrer. Das Laden des Fahrzeugs wird vom Auto selbstständig durchgeführt und die heute aktuellen Fragen nach Reichweite und Ladenetz werden beantwortet sein. Wir werden künftig Autos nicht mehr besitzen, sondern bedarfsgerecht das jeweils benötigte Transportmittel buchen. Die Grenzen zwischen öffentlichem und Individualverkehr werden sich auflösen, da beides über integrierte Systeme gebucht werden kann und die Verkehrsmittel nur noch durch ihre Größe und die Reisegeschwindigkeit unterschieden werden.
„Autonom fahrende Autos, U-Bahnen, Shuttlebusse oder Drohnen werden uns und unsere Produkte befördern. Dabei wird zusätzlich einer der größten Risikofaktoren im Straßenverkehr eliminiert: der Fahrer.“
Die für den Transport benötigte Energie wird elektrisch sein und wir werden diese lokal und dezentral auf unseren Dächern oder Wänden erzeugen und in unseren Kellern oder Autos speichern. Da Fahrzeuge der nächsten Generation nicht mehr durchschnittlich 23 Stunden parken, sondern im Idealfall 23 Stunden im Einsatz sind, werden diese wesentlich effizienter betrieben, als das bisher der Fall ist. Die Anzahl der Fahrzeuge sinkt und es werden sich neue Möglichkeiten für die Flächennutzung ergeben. In zwei Jahrzehnten werden wir uns nicht mehr erinnern können, wie laut, stinkend und aggressionsgeladen unsere Straßen und Städte zu Beginn des 21. Jahrhunderts waren.
Nächste Schritte
Sämtliche Technologien sind bereits vorhanden oder in Entwicklung. Die rechtlichen Rahmenbedingungen sind noch offen. Die wesentliche Herausforderung liegt mittlerweile weniger beim autonomen Betrieb des Fahrzeugs als vielmehr beim Mischbetrieb autonom und manuell betriebener Fahrzeuge. Neben offensichtlichen Argumenten wie Lärm- und Abgasemissionen sind vor allem die höhere Effizienz, das einfache Konstruktionsprinzip und somit geringe Kosten durch Wartung und Betrieb sowie ein einfaches und risikoloses Laden relevant. In Kombination mit lokaler und privater Stromproduktion kann dies zu Unabhängigkeit des Konsumenten von Stromkonzernen und einer Demokratisierung des Energiemarktes führen. Ob diese eintritt, hängt davon ab, wer den Veränderungsprozess des Energiemarktes rascher nutzt.
„Die Potenziale von Benzin- und Dieselmotoren sind weitgehend ausgereizt, bei den Batterien von Elektroautos sind noch Innovationssprünge, Effizienzsteigerungen und Kostenreduktionen zu erwarten.“
Eine wesentliche Aufgabe ist die Klärung der Sicherheits- und Datenschutzproblematik. Smarte Stromnutzung liefert dem Anbieter ein detailliertes Nutzungsprofil und der Prozess von Buchung, Routing und Abrechnung liefert Bewegungsprofile. Aufgrund unserer hohen Abhängigkeit von Energie und Mobilität sind diese Systeme (und vor allem die Bündelung beider) ein interessantes Ziel für Angriffe. Auf die Frage, welche Maßnahmen die deutsche Autoindustrie jetzt ergreifen müsse, um die Dieselkrise zu überwinden, meinte der deutsche Mobilitätsexperte Ferdinand Dudenhöffer in einem Interview mit Hanno Settele: Sie müsse gar nichts machen, aber dann mache es eben Google.
Volvo gehört mit dem XC60 mit Hybridantrieb zu den großen und schweren Luxusmobilen, die eher Genuss als Spritsparen zu ihrer Maxime machen. Mercedes bietet in dieser Liga eine Hybrid E-Klasse, viele andere Hersteller ähnliche gelagerte Modelle. Bild: Martin Mühl.
Wir stehen vor erheblichen Transformationen von drei unser Leben bestimmenden Systemen. Es liegt an uns, die Richtung der Entwicklung unserer Mobilität, Logistik und Energieproduktion vorzugeben.
Wesentliche Unterschiede zwischen Elektroantrieben und Verbrennungsmotoren
Folgende Eigenschaften unterscheiden Elektroantrieb und Verbrennungsmotoren:
- Ein Elektroauto ist potenziell emissionsfrei zu betreiben. Direkte Emissionen im Betrieb werden keine ausgestoßen.
- Der Wirkungsgrad ist um den Faktor 3 höher. Bei Verbrennungsmotoren werden nur etwa 20–30% der Energie des Treibstoffs in Fahrleistung umgesetzt. Beim Elektroauto liegt dieser Anteil bei etwa 70%.
- Es kann Energie beim Bremsen oder bei Talfahrten rückgewonnen werden. Der Motor dient als Generator und verwendet die Bremsenergie zum Laden der Batterien. Der Gesamtwirkungsgrad des Autos kann dadurch noch erhöht werden.
- Zumindest im urbanen Bereich sind Elektroautos frei von Lärmemissionen. Bei höheren Geschwindigkeiten treten Abroll- und Strömungsgeräusche auf.
- Das Konstruktionsprinzip eines Elektroautos ist deutlich einfacher, wodurch bei Produktion in höheren Stückzahlen ein Preisvorteil gegenüber konventionellen Autos zu erwarten ist.
- Elektromotoren sind kompakt, langlebig, ausgereift und wartungsfrei.
- Die Anzahl der Verschleißteile ist deutlich geringer und der laufende Betrieb ist somit kaum mit Kosten verbunden. Die Bremsen werden durch die Energierückgewinnung des Motors (Rekuperation) deutlich geringer belastest als bei Verbrennern.
- Die Feinstaubbelastung ist deutlich geringer, da Bremsabrieb (durch Rekuperation) und Verbrennung wegfallen und nur Reifenabrieb und Aufwirbelung von Straßenstaub auftreten.
- Es kann an jeder Steckdose geladen werden. Die Stromkosten liegen bei etwa zwei Euro pro 100 km.
Dieser Artikel ist im BIORAMA #54 erschienen
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