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Elektroauto

Bearbeitet von: Felix Geldsetzer   

Unter einem Elektroauto versteht man ein Kraftfahrzeug (Kfz), das mit elektrischer Energie angetrieben wird. Dabei kann die elektrische Energie entweder extern zugeführt werden (etwa über Oberleitungen) oder von einem an Bord befindlichen Stromerzeuger (etwa Solarzellen, siehe Photoelement) oder einem Speicher für elektrische Energie (Batterie oder wieder aufladbarer Akkumulator) stammen. Daneben greifen auch Fahrzeuge auf der Basis anderer Energiequellen ganz oder teilweise auf elektrische Antriebe zurück [Wasserstoffauto (mit Brennstoffzelle), Hybridauto].

Geschichte:

Die frühe Geschichte der Kraftfahrzeuge ist geprägt von Elektroautos. Ausgangs des 19. Jahrhunderts waren Elektroautos ihren Konkurrenten auf Dampf- und Benzinbasis in den Fahrleistungen durchaus ebenbürtig und teilweise sogar überlegen. So erreichte im Jahr 1899 C. Jenatzky mit einem Elektroauto eine Geschwindigkeit von 105,88 km/h und war damit als erster Mensch schneller als 100 km/h. In der Folge wurden jedoch Elektroantriebe in Kfz mehr und mehr von Verbrennungskraftmaschinen ersetzt. Der Grund dafür war neben der massiven Steigerung der Leistungsfähigkeit der Ottomotoren und Dieselmotoren vor allem die Beschränkung der Reichweite von Elektroautos, bedingt durch die geringe Kapazität und das hohe Gewicht der gängigen Blei-Akkumulatoren.

Antriebs- und Speicherkonzepte:

Elektrische Motoren sind heute technisch ausgereift. Für den Betrieb in Kfz bringen sie eine Reihe von Vorteilen mit, darunter:

– Emissionsfreiheit (z. B. keine Stickstoffoxid- oder Partikel-Emissionen, die insbesondere als problematisch in der Luft von Ballungsräumen angesehen werden),

– gleichmäßiges Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich,

– stufenlose Drehzahlregelung,

– selbstständiges Anlaufen,

– geringe Anzahl von beweglichen Teilen und geringer Wartungsaufwand,

– hoher Motor-Wirkungsgrad (bis ca. 95 %),

– geräuscharmer Betrieb.

Diese Vorteile erlauben einen einfachen Aufbau von Elektroautos, da mechanische Getriebe und Anlassermotoren nicht erforderlich sind. Werden die elektrischen Antriebe direkt in die Radnaben eingebaut (Nabenmotore), so ergibt sich auch ein Platzvorteil, da der bei herkömmlichen Antrieben notwendige Motorraum entfällt.

Dieser einfachere Aufbau und der geringere Wartungsaufwand von Elektroautos nähren jedoch Befürchtungen in den auf Fahrzeuge mit Verbrennungsantrieb spezialisierten Teilen der Automobil- und Zulieferindustrie sowie bei Werkstätten vor einem Verlust von Arbeitsplätzen[1].

Ein weiterer Vorteil von Elektroantrieben in Kfz besteht in der Möglichkeit, Bremsenergie zurückzugewinnen (durch Umschalten des Motors auf Generatorbetrieb).

Diesen Vorteilen stehen folgende Nachteile gegenüber:

– beschränkte Speicherkapazität für elektrische Energie in Akkumulatoren,

– deren beträchtliches Gewicht (das sich auch bei Entladung nicht reduziert),

– lange Ladedauer im Vergleich zum Betanken von Kfz mit Verbrennungsmotoren.

Das grundlegende Problem liegt dabei in der geringen Energiedichte der Speicherung, die etwa 0,03 kWh/kg bei Blei-Akkumulatoren (siehe Akkumulatoren) und bis zu 0,25 kWh/kg[2] bei den derzeit favorisierten Lithium-Ionen-Akkumulatoren liegt. Die Energiedichte von Benzin und Dieselkraftstoff beträgt dagegen etwa 12 kWh/kg. Das hohe Gewicht der Akkumulatoren schränkt die Reichweiten von Elektroautos ein. Während bei Verwendung konventioneller Energiespeicher (auf Blei- bzw. Nickel/Cadmium-Basis) nur Reichweiten um 100 km erreicht werden, sind bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren inzwischen bereits 450 km erreichbar. Die derzeitigen Entwicklungen (etwa mit Lithium-Luft-Batterien) laufen auf Reichweiten jenseits von 500 km hinaus. Die Reichweiten aktueller Benzin- und Dieselautos betragen etwa 800–1000 km.

Allerdings kann sich die Reichweite von Elektroautos bei winterlichen –7 °C im TÜV Süd-E-Car-Cycle (TSECC) auf weniger als die Hälfte der Werksangabe reduzieren[3]. Der begrenzende Faktor ist die hohe Leistungsaufnahme der Elektroheizung. Aber auch erhöhter Beleuchtungsbedarf und höhere Reibungswiderstände tragen zu dieser Reichweitenverringerung bei.

Mittlerweile existieren in Deutschland (Stand August 2019) rund 20650 erfasste öffentliche und teilöffentliche Ladepunkte von Energieunternehmen, Parkhaus- und Parkplatzbetreibern, Supermärkten und Hotels mit unterschiedlichen Stecker- und Abrechnungssystemen[4]. Akkumulatoren können auch an konventionellen 230 V/50 Hz-Steckdosen (Hausanschluss) aufgeladen werden. Je nach Akkumulatortyp und Ladeelektronik dauert die Ladung bis auf 80 % der Akkumulatorkapazität ca. 20 Minuten (bei Schnellladung mit Gleichstrom) bis zu mehreren Stunden.

Die Zahl der möglichen Wiederaufladungen eines Akkumulators liegt inzwischen bei weit über tausend Cyclen, bevor die Leistungsfähigkeit spürbar nachlässt[2]. Über den Ausbau der Schnellladesäulen in Deutschland und Europa sowie weitere Planungen berichtet Literatur[5].

Tabelle: Ladesysteme (vereinfacht) nach Literatur[3], S. 85, Literatur[6] und der Normenserie IEC 61851[7,8].
 Normalladung über HausanschlussSchnellladungInduktionsladung
Spannung/Leistung230 V/13 A300–800 V/60–500 A230 V/16 A
Gleichrichterim Kfzin Ladesäuleim Kfz
Ladeleistung3 kW20–50 kW3,6 kW
Dauer4,5 h15–30 mina 
Akku-Belastungniedrigmittel bis hochniedrig
Ladeverlustniedrigniedrig bis mittelmittel
Verfügbarkeit in Deutschlandsehr hochmittelfast nicht

a für 80 % eines 16-kW-Akkumulators

Hinweise zu Ladeplätzen für die Elektromobilität an Gebäuden sowie zur konkreten Ausstattung und Ausgestaltung gibt Literatur[9]. Eine Übersicht der Ladesäuleninfrastruktur in Deutschland, Frankreich, Großbritannien, den Niederlanden, Norwegen und Griechenland, der Strompreise und der Bezahlsysteme bietet Literatur[10].

Ökologische Aspekte:

Ein wesentlicher Grund für die Renaissance der Elektroautos und die Triebfeder für das Engagement aller großen Automobilhersteller in der Entwicklung neuer Elektroautos sind die Argumente des Gesundheits-, Klima- und Umweltschutzes. Tatsächlich ist der Betrieb von Elektroautos im engen Sinne emissionsarm, was insbesondere in Ballungszentren zu einer Verbesserung der Luftqualität und möglicherweise zu einer Verringerung des Verkehrslärms (siehe Lärm) beitragen könnte.

Ansonsten sind die Argumente jedoch zu relativieren: Die Produktion der Akkumulatoren erfordert einen hohen Energie- und Ressourcenaufwand sowie Kohlendioxid-Emissionen[11]. Die Bereitstellung elektrischer Energie ist teilweise mit erheblichen ökologischen Belastungen verbunden, weshalb die Zusammensetzung des eingesetzten Strommixes eine wesentliche Einflussgröße bei der Bewertung der Umwelteffekte von Elektroautos darstellt. Schrader[12] diskutiert die Ergebnisse verschiedener Studien über die Ökobilanz von Elektrofahrzeugen. Aufgrund verschiedener zugrunde gelegter Annahmen fallen die Urteile dieser Studien sehr unterschiedlich aus. Unstrittig ist, dass – unter den aktuellen Rahmenbedingungen – die Produktion von Elektroautos wesentlich umweltschädigender ist als die Produktion herkömmlicher Fahrzeuge. Ökologische Vorteile lassen sich also nur bei einer ausreichend langen Nutzungsdauer mit entsprechend zahlreichen gefahrenen Kilometern, Einsatz eines Strommixes mit hohem Anteil an erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraft, Windenergie und Photovoltaik (Beispiel siehe Abbildung) sowie ggf. einer Nachnutzung gebrauchter Akkumulatoren (z. B. als Stromspeicher) bzw. eine umweltfreundliche Entsorgung erwirtschaften.

Abbildung: Elektroauto-Ladestation mit Photovoltaikanlage (Quelle: Autor Felix Geldsetzer).
Abbildung: Elektroauto-Ladestation mit Photovoltaikanlage (Quelle: Autor Felix Geldsetzer).

Eine wesentliche Motivation der Politik für die Unterstützung von Elektroautos insbesondere in Deutschland und in China ist, dass Elektroautos dort, wo sie fahren, keine Stickstoffoxide emittieren. Zum luftgetragenen Feinstaub tragen sie – im Gegensatz zu Diesel- und Benzin-Kfz – nur durch den Reifen- und Bremsenabrieb bei. Deshalb wird der Ersatz von Diesel- und Benzin-Kfz durch Elektroautos als wirksames Mittel angesehen, um die Immissionen dieser Schadstoffe insbesondere in Ballungsräumen zu begrenzen und so Gesundheitsrisiken für die Bevölkerung durch diese potentiell lebensverkürzenden Luftschadstoffe zu verringern.

Der VDI/VDE vergleicht die Batterie-elektrische mit der Brennstoffzellen-elektrischen Mobilität auf Basis von Wasserstoff (vergleiche Wasserstoff-Wirtschaft) im Hinblick auf deren Fähigkeit, einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung der Emissionen von Treibhausgasen zu leisten. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Brennstoffzellentechnologie wie die Batterietechnologie bei Nutzung erneuerbarer Energien einen nachhaltigen Beitrag zur Erreichung der politischen Ziele Deutschlands im Verkehrsbereich leisten kann[13].

Bedeutung:

Der Elektroantrieb stellt eines von mehreren alternativen Antriebskonzepten für Kfz dar, die je nach Anforderungs- bzw. Nutzungsprofil des Anwenders ihre Stärken ausspielen können oder wegen ihrer Grenzen ggf. eingeschränkt oder gar nicht in Frage kommen.

Beschränkte fossile Energieträger, insbesondere Erdöl, aber auch Umwelt- und Klimaprobleme und insbesondere gesundheitliche Risiken durch Stickstoffoxid- und Ruß-Emissionen in Ballungsräumen lassen die Mobilität auf Basis von Elektrizität wieder als zukunftsfähige Alternative erscheinen.

In Literatur[14] wird vorgerechnet, dass bei der vollständigen Umstellung aller in Deutschland zugelassenen 45 Millionen Kraftfahrzeuge auf Elektroautos bei einer angenommenen Fahrleistung von 14000 km/Jahr und einem eher niedrig angesetzten angenommenen Verbrauch von 15 kWh/100 km ein zusätzlicher Stromverbrauch von 95 Milliarden kWh/Jahr entstünde. Das entspräche einer Erhöhung des deutschen Strombedarfs um 20 %. Würden die Batterien ausschließlich nachts geladen, benötigte man dafür etwa 20–30 GW zusätzliche Leistung. Um diese bereitzustellen, wären keine zusätzlichen Kraftwerke erforderlich, weil die in Deutschland vorhandenen Kraftwerke derzeit nachts um etwa diese Leistung heruntergefahren werden.

Dennoch waren zum 01.01.2019 nur 0,2 % aller in Deutschland zugelassenen Personenkraftwagen (Pkw) mit einem Elektro- und 0,7 % mit einem Hybrid-Antrieb (einschließlich Plug-in-Hybrid-Antrieb, siehe Hybridauto) ausgestattet[15]. Wohl wegen der Problematik gesundheitsschädlicher Emissionen und der kürzeren Fahrtstrecken war in den deutschen Großstädten (Städte mit mindestens 100000 Einwohnern) mit 10–35 Fahrzeugen je 10000 Pkw ein wesentlich höherer Anteil an Elektro- und Plug-in-Pkw zugelassen als in den ländlich geprägten Räumen, von denen einige noch fast frei von Elektroautos sind[16]. Unter den 3,44 Millionen im Jahr 2018 neu zugelassenen Pkw waren neben 36062 (entspricht 1,0 %) Elektroautos auch 130258 Pkw mit Hybridantrieb (entspricht 3,8 %)[17]. Der Anteil der reinen Elektro- und Hybrid-Pkw an den Neuzulassungen betrug also etwa 5 %.

In einigen Nischenanwendungen erscheint das Konzept des Elektrofahrzeugs besonders interessant, insbesondere durch Vorteile wie schadstoffarmer Betrieb und geringe Lärmemission. Das betrifft etwa Nahversorgungsfahrzeuge in Städten bzw. Lastkarren sowie Gabelstapler in Handels- und Industriebetrieben (Flurförderzeuge). So legen Lieferfahrzeuge für Zustelldienste täglich typischerweise Entfernungen unter 100 km meist in Innenstädten zurück und können dann über Nacht mehrere Stunden lang aufgeladen werden. Ein entscheidender Vorteil dieser Elektrolieferfahrzeuge ist auch, dass sie kein Getriebe benötigen. Getriebe sind in Auslieferungsfahrzeugen mit Verbrennungsmotor stark belastete und kostenträchtige Verschleißteile. Ein großer deutscher Logistikkonzern baut in Zusammenarbeit mit einem namhaften Autohersteller Auslieferungsfahrzeuge für seinen eigenen Bedarf, die auch an Dritte verkauft werden[18].

Recht:

Mit dem Gesetz zur Bevorrechtigung der Verwendung elektrisch betriebener Fahrzeuge[19] beabsichtigt der deutsche Gesetzgeber, elektrisch betriebenen Fahrzeugen im Straßenverkehr Vorrechte zu ermöglichen, „um deren Verwendung zur Verringerung insbesondere klima- und umweltschädlicher Auswirkungen des motorisierten Individualverkehrs zu fördern.“

Nach § 3 Absatz 4 sind Bevorrechtigungen möglich:

1. für das Parken auf öffentlichen Straßen oder Wegen,

2. bei der Nutzung von für besondere Zwecke bestimmten öffentlichen Straßen oder Wegen oder Teilen von diesen (z. B. Benutzung von Busspuren),

3. durch das Zulassen von Ausnahmen von Zufahrtbeschränkungen oder Durchfahrtverboten,

4. im Hinblick auf das Erheben von Gebühren für das Parken auf öffentlichen Straßen oder Wegen.

§ 3d des Kraftfahrzeugsteuergesetzes[20] gewährt eine zehnjährige Befreiung von der Kraftfahrzeugsteuer für reine Elektroautos, die in der Zeit vom 18.05.2011 bis 31.12.2020 erstmals zugelassen wurden. § 3 Nummer 46 und § 40 Absatz 2 Nr. 6 des Einkommensteuergesetzes[21] erlauben weitere Vergünstigungen, wenn Arbeitnehmer ihr Elektroauto an Ladevorrichtungen laden, die der Arbeitgeber zur Verfügung stellt.

Literatur: 
[1] Mönnig, A.; Schneemann, C.; Weber, E.; Zika, G.; Helmrich, R., Elektromobilität 2035. Effekte auf Wirtschaft und Erwerbstätigkeit durch die Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Personenkraftwagen; IAB-Forschungsbericht 8/2018; Institut für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung der Bundesagentur für Arbeit: Nürnberg, (2018); http://doku.iab.de/forschungsbericht/2018/fb0818.pdf [Prüfdatum 27.11.2019]
[2] Bohlen, O., Batterien. Schlüsseltechnologie der Elektromobilität, In Technik in Bayern, (2018) Nr. 1, 17–19
[3] Ostmann, B., Chefredakteur, Alternative Antriebe, Motorbuch Verlag: Stuttgart, (2011), S. 100–105
[4] Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft (BDEW), Ladesäulen: Energiewirtschaft baut Ladeinfrastruktur auf; https://www.bdew.de/energie/elektromobilitaet-dossier/... [Prüfdatum 27.11.2019]
[5] Fasse, M.; Flauger, J., Elektromobilität. Starkstrom für die Autobahn, In Handelsblatt, (2017) Nr. 232 (01.12.2017), 22–23
[6] Hering, T., Hochleistungsschnellladen. Die Lösung des Reichweitenproblems?, In Technik in Bayern, (2018) Nr. 1, 14–16
[7] DIN IEC/TS 61851-3-1; VDE V 0122-3-1: 2016-02 (DIN SPEC Entwurf), Konduktive Stromversorgungssysteme für Elektrofahrzeuge – Teil 3-1: Allgemeine Anforderungen für konduktive AC- und DC-Stromversorgungssysteme für Elektroleichtfahrzeuge
[8] DIN IEC/TS 61851-3-2; VDE V 0122-3-2: 2016-02 (DIN SPEC Entwurf), Konduktive Stromversorgungssysteme für Elektrofahrzeuge – Teil 3-2: Allgemeine Anforderungen für konduktive externe DC-Stromversorgungssysteme für Elektroleichtfahrzeuge
[9] VDI 2166 Blatt 2: 2019-06 (Entwurf), Planung elektrischer Anlagen in Gebäuden – Hinweise für die Elektromobilität
[10] Möthe, A., Janson, M., Handelsblatt, (2017) Nr. 237 (08.12.2017), 36–37
[11] Romare, M.; Dahllöf, L., The Life Cycle Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries, IVL Swedish Environmental Research Institute Ltd.: Stockholm, (2017); https://www.ivl.se/download/18.5922281715bdaebede95a9/1496136143435/C243.pdf [Prüfdatum 27.11.2019]
[12] Schrader, C., Die Ökobilanz der E-Mobilität, In Spektrum Wiss., (2018) Nr. 6, 12–19
[13] VDI/VDE, Hrsg., VDI/VDE-Studie Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge, VDI/VDE: Düsseldorf/Frankfurt a. M., (2019); https://www.vdi.de/ueber-uns/presse/publikationen/details?... [Prüfdatum 27.11.2019]
[14] Holler, C.; Gaukel, J., Erneuerbare Energien ohne heiße Luft, oekom: München, (2019), S. 172–173
[15] Kraftfahrt-Bundesamt, Bestand an Pkw am 1. Januar 2019 nach ausgewählten Kraftstoffarten; https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Bestand/Umwelt/... [Prüfdatum 27.11.2019]
[16] Kraftfahrt-Bundesamt, Höhere private Elektro-Mobilität in Stadtregionen; https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Bestand/Umwelt/umwelt_node.html [Prüfdatum 27.11.2019]
[17] Kraftfahrt-Bundesamt, Jahresbilanz der Neuzulassungen 2018; https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Neuzulassungen/n_... [Prüfdatum 27.11.2019]
[18] Deutsche Post DHL Group, Elektromobilität; https://www.dpdhl.com/de/presse/specials/emobilitaet.html [Prüfdatum 27.11.2019]
[19] Gesetz zur Bevorrechtigung der Verwendung elektrisch betriebener Fahrzeuge (Elektromobilitätsgesetz – EmoG) vom 05.06.2015 (BGBl. I, S. 898); https://www.gesetze-im-internet.de/emog/ [Prüfdatum 27.11.2019]
[20] Kraftfahrzeugsteuergesetz (KraftStG 2002) in der Fassung der Bekanntmachung vom 26.09.2002 (BGBl. I, S. 3818); https://www.gesetze-im-internet.de/kraftstg/ [Prüfdatum 27.11.2019]
[21] Einkommensteuergesetz (EStG) in der Fassung der Bekanntmachung vom 08.10.2009 (BGBl. I, S. 3366, 3862); https://www.gesetze-im-internet.de/estg/ [Prüfdatum 27.11.2019]
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Übersetzungen:
Eelectric vehicle
Fvoiture électrique
Iveicolo elettrico
Scoche eléctrico
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