Elektroantrieb

Ein altes Prinzip, neu entdeckt

Das Thema E-Mobilität mit reinen Elektrofahrzeugen ist durch die Absicht der Bundesregierung, das bis 2020 eine Millionen Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren sollen, auch eine hoch politische Angelegenheit geworden. Derzeit (11/2015) sind laut Deutschem Kraftfahrtbundesamt ca. 100.000 Elektro- und Hybridfahrzeuge gemeldet, davon sind ca. 19.000 reine Elektroautos.

Elektroautos, -busse und -motorräder gelten als Null-Emissionsfahrzeuge und deshalb als besonders umweltfreundlich. Diese Betrachtung gilt aber nur für den Well-to-Wheel-Ansatz, also von der Stromquelle (Akkumulator oder Brennstoffzelle) bis zu den Rädern, aber nicht für den gesamten Lebenszyklus. Auch lässt der Ansatz den Strommix außen vor, mit dem das Fahrzeug „betankt“ werden muss. In Deutschland  wird derzeit ein Viertel des Bedarfstroms aus regenerativen Energieformen gewonnen, weitere 15% aus der Kernenergie. Demnach fallen auf die fossilen Energieträger knapp über 50% Anteil. Allerdings besitzt der Elektroantrieb eine Reihe von Vorteilen gegenüber den Verbrennungsmotoren.

Grundlegendes zum Elektroantrieb


Im Gegensatz zu anderen Fahrzeugen sind Elektrofahrzeuge einfacher gebaut, viele Baugruppen wie das Getriebe, die Kraftstoff-, Vergaser- und Auspuffanlage können wegfallen. Der E-Motor, der in verschiedenen Bauweisen zur Verfügung steht, treibt die Räder entweder direkt an (Radnabenmotoren) oder überträgt die Kraft mittels Getriebe. Die Motoren sind Platz sparend und stellen ihre Energie mit deutlich höherem Wirkungsgrad zur Verfügung als die Verbrennungsmotoren. Der einfache, dezentrale Aufbau bewirkt einige vorteilhafte Unterschiede: Ein niedriger Schwerpunkt durch den Einbau der Akkus in den Fahrzeugboden, mehr Platz in der Fahrgastzelle, eine bessere Aerodynamik der Frontpartie durch den Verzicht von großen Lufteinlässen u.a.m. Viele Elektrofahrzeuge verfügen über die Möglichkeit der Rekuperation, d.h. die Wiedergewinnung von Energie aus Bremsvorgängen. Eine weitere wichtige Baugruppe sind die Managementsysteme, allen voran für die Batterie. Die Systeme berichten dem Fahrer beispielsweise über Ladezustand, Reichweite und Temperatur, da extreme Temperaturen über die Klimatisierung der Fahrgastzelle Auswirkungen auf den Energieverbrauch besitzen. Wichtigstes Bauteil, auch häufiger Gegenstand der Kritik am E-Antrieb, ist der Energiespeicher bzw. der Akkumulator. Die Kritiker beziehen sich auf die ungenügende Reichweite. Der Lithium-Ionen-Akku besitzt eine vergleichsweise hohe Energiedichte und damit verbunden akzeptable Reichweite. Dazu kommt, dass der Löwenanteil an täglichen Fahrten auf die Stadtfahrten unter 50 Kilometer entfällt. Richtig ist jedoch, dass den E-Fahrzeugen die Flexibilität fehlt, die konventionell betriebene Fahrzeuge besitzen und Fahrten anders geplant werden müssen. Die Brennstoffzelle, die flüssigen Wasserstoff nutzt, hat sich derzeit noch nicht durchgesetzt. Jedoch ist das erste Serienfahrzeug, dass das hoch reaktive Element nutzt, bereits auf dem Markt (Toyota Mirai).

Ein wichtiges Bauteil ist der Stecker. Für Europa soll das Combined Charging System (CCS) Standard werden, das sowohl Gleichstrom-, als auch Wechselstrom laden kann. Die meisten Elektrofahrzeuge lassen sich – die Nutzung eines entsprechenden Adapters vorausgesetzt –  auch mit handelsüblichen Haushaltssteckern aufladen. Allerdings verlängert sich die Ladezeit um mehrere Stunden im Vergleich zu Schnellladesystemen. Die Ladezeiten und das noch lückenhafte Netz an Stromtankstellen mit Schnellladern werden von Kritikern der Elektroautos häufig negativ bemerkt. Bestimmte Fahrzeugtypen schaffen mittlerweile die Aufladung bis auf 80% in unter einer halben Stunde; auch die Reichweite der Fahrzeuge nimmt mit der technischen Entwicklung der Akkus stetig zu (siehe Zahlen und Fakten).

Kurze Geschichte des Elektroantriebs

Die Idee, Elektromotoren zum Antrieb von Fahrzeugen zu nutzen, ist alt: Sie fußt auf Entdeckungen des Engländers Faradays zum Elektromagnetismus aus den 20er Jahren des 19. Jahrhunderts. Ab den 1880er Jahren wurden Elektromobile zu den meist verkauften Automobilen. Der Boom hielt bis ca. 1912 an; dann bekamen die Verbrennungsmotoren die Oberhand, was einerseits an deren größeren Reichweite und andererseits an der Verfügbarkeit billigen Treibstoffs lag. Dabei zeigten sich die Fahrzeuge einiger Elektrohersteller den Ottomotoren gegenüber in mancher Hinsicht überlegen: Die ersten Geschwindigkeitsrekorde stammen von Elektroautos; der Belgier Camille Jenatzy fuhr sein „La Jamais Contente“ genanntes Fahrzeug mit 105 km/h. Auch die Reichweite einzelner Fahrzeugtypen war beachtlich: Bis zu 100 km konnten mit einer Ladung gefahren werden.

In den folgenden 80 Jahren bis etwa 1990 besetzten Elektrofahrzeuge allenfalls Nischen, etwa als Kleintransporter und im ÖPNV bei E-Lokomotiven, Bussen mit Oberleitungsanschluss oder Straßenbahnen. Die zunehmende Sorge um den Klimawandel und teure fossile Treibstoffe sorgten für eine Renaissance der E-Fahrzeuge. Die Entwicklung auf dem Akkumulatoren-Sektor, auf dem immer energiedichtere Modelle entwickelt wurden, tat ihr übriges. Eine schärfere Umweltgesetzgebung sorgte dafür, dass die großen Hersteller zunehmend mehr Fahrzeugtypen für den Massenmarkt entwickelten. Einer der Vorreiter dieses Prozesses war der amerikanische Oberklassenhersteller Tesla, dessen Fahrzeuge bei Reichweite und Endgeschwindigkeit Maßstäbe setzen. In Europa hat Renault mit dem Zoe nicht nur einen Kleinwagen als Serienfahrzeug etabliert; der französische Hersteller hat auch ein Mietsystem für Akkumulatoren eingeführt.

 

Vorteile des Elektroantriebs:

  • Elektromotoren haben einen hohen Wirkungsgrad (Maß für Energieeffizienz und -übertragung) von 94 – 98%, der damit um das Doppelte über einem Verbrennungsmotor liegt.
  • Elektrofahrzeuge sind Null-Emissionsfahrzeuge im Betrieb. Das bedeutet, sie erzeugen weder CO2 noch Lärm
  • Die Umweltbilanz ist sowohl bei der Well-to-Wheel Betrachtung als auch beim gesamten Lebenszyklus besser als beim Verbrennungsmotor
  • Weniger Bauteile bedeuten auch geringere Störungsanfälligkeit
  • Ein Ölwechsel, überhaupt Schmierstoffwechsel entfällt
  • Die Bauweise bringt Vorteile im Fahrzeugdesign
  • Hoher Fahrkomfort durch vibrationsarmes Fahren und leisen Fahrbetrieb
  • Großer Innenraum durch fehlenden Getriebetunnel
  • Geringe Wartungskosten

    Nachteile des Elektroantriebs:

    • Geringere Reichweiten als Verbrennungsmotoren
    • Aufladevorgänge müssen aufgrund ihrer Dauer geplant werden
    • Unzureichende Infrastruktur bei den Stromtankstellen
    • Ökonomisch kaum Vorteile gegenüber konventionellen Antrieben
    • Noch wenige Industriestandards (Steckersysteme etc.)
    • Fahrzeuge in der Anschaffung teuer
    • Akkumulatoren im Austausch (in der Regel) teuer
    • Reichweite nimmt bei extremen Außentemperaturen stark ab
    • Leistungsfähigkeit der Akkumulatoren nimmt bei dauerhafter Belastung durch die Witterung stark ab

    Förderung von E-Fahrzeugen

    Um die E-Mobilität in Deutschland zu fördern, hat der Gesetzgeber eine Reihe von Maßnahmen vorgesehen. Dazu zählen Sonderparkplätze und die Benutzung der Busspur, die Nutzung eines speziellen E-Kennzeichen und die Befreiung von der Kfz-Steuer. Wer sein Fahrzeug vor dem 01. Januar 2016 anmeldet, wird für zehn Jahre von der Steuer befreit, bei Anmeldungen nach diesem Stichtag verkürzt sich dieser Zeitraum auf fünf Jahre. Nach dem Auslaufen der Steuerbefreiung gelten ermäßigte Sätze.

    Zahlen und Fakten

    Anzahl der E-Fahrzeuge (2015)
    Die geschätzte Gesamtzahl aller Elektroautos mit Straßenzulassung weltweit beträgt 750.000 Stück (3/2015). In Deutschland waren zu diesem Zeitpunkt knapp 19.000 Fahrzeuge mit reinem E-Antrieb zugelassen. Das weltweit meistverkaufte E-Auto ist der Nissan Leaf (Stand: 04/2015). Die weitaus meisten Elektrofahrzeuge (ca. 40%) fahren in den USA.

    Reichweiten und Ladezeiten
    Einige Modelle von Tesla erreichen im Durchschnitt (witterungsabhängig) ca. 500 km. Die Ladezeiten ihrer Akkus betragen ca. eine halbe Stunde an Hochleistungsladestationen. In Deutschland standen im Jahr 2015 über 4000 öffentlich zugängliche Stromtankstellen zur Verfügung.

    Geschichtliche Daten
    Der Flocken Elektrowagen von 1888 gilt als das erste deutsche Elektroauto. Aus diesem Grund konnte im Jahr 2013 das Jubiläum „125 Jahre deutsches Elektroauto“ gefeiert werden. Nur zwölf Jahre nach der deutschen Premiere fuhren knapp 40% aller Autos in den USA mit E-Antrieb.

    Umweltbilanz
    Bei der Betrachtung des Lebenszyklus fallen bei E-Fahrzeugen gemittelt zwischen 38% und 50% weniger CO2 an als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Sollte das Ziel Bundesregierung, bis zum Stichjahr 2020 auf Deutschlands Straßen zu bekommen, eintreffen, verbrauchen diese Fahrzeuge  ca. drei Terawattstunden Strom, was einem halben Prozent des im Jahr 2015 verbrauchten Stroms entspricht.