Stromer gegen Verbrenner

Elektromobilität. Schon heute wegweisend?

Das Ringen um die Antriebstechnologie der Zukunft. Ein Kampf auf Zeit?

Zurück in die Zukunft – buchstäblich

Hinsetzen, anschnallen, Augen zu. Willkommen im Jahr 1839. Sie befinden sich im schottischen Aberdeen. Gerade fährt das erste Elektrofahrzeug an Ihnen vorbei. Es holpert über das mittelalterliche Kopfsteinpflaster durch die Gassen der Stadt. Sie reiben sich die Augen. War das Einbildung? Nicht im Geringsten. Eine Antriebstechnologie, die auf die meisten Menschen noch heute fremd und unerforscht wirkt, hatte ihre Geburtsstunde bereits im 19. Jahrhundert.

Zurück in die Zukunft
Elektromobilität früher und heute

Aufstieg, Erfolg und Niedergang der ersten Elektrofahrzeuge

Zugegeben: Die Leistung der damaligen Fahrzeuge war aus heutiger Sicht eher bescheiden. Geringe Geschwindigkeiten trübten den Fahrspaß. Und in die nächste Stadt konnte man auch nicht fahren. Die Akkumulatorentechnik steckte noch in den Kinderschuhen. Obwohl es zeitweise mehr Elektroautos auf den Straßen gab als benzinbetriebene Pendants, fielen sie zu Beginn des 20. Jahrhunderts in einen Dornröschenschlaf. Billiges Öl, die höhere Zuverlässigkeit und elektrische Anlasser für Benziner beschafften den Stromern fortan ein Nischendasein.

Das elektromobile Comeback

Doch dann das Comeback: Ölkrisen, steigendes Umweltbewusstsein und zunehmender politischer Druck sorgten zu Beginn der 1990er Jahre dafür, dass Automobilhersteller ihre Schubladen öffneten und die Pläne neu aufrollten. Trotz neuer Entwicklungen in der Batterietechnik konnte zunächst jedoch kein Modell in Großserie produziert werden. Erst 2008 schaffte der Tesla Roadster das bis dahin Unmögliche: Er erzielte eine Reichweite von 350 Kilometern auch bei höheren Geschwindigkeiten, war damit geeignet für Langstrecken und vor allem rein elektrisch angetrieben. Seither ergänzen immer mehr Autohersteller ihre Modellpalette um elektrische Antriebe. Im Jahr 2013, mit dem Launch des BMW i3, war es dann auch in Deutschland soweit. Das erste in Großserie produzierte und rein elektrisch angetriebene Fahrzeug eines deutschen Autobauers. Eine vergleichsweise späte Reaktion im Land der Energiewende, das auch eine Automobilnation ist.

Rein elektrisch betrieben: Der BMW i3
Zur Energiewende gehört auch die Verkehrswende

Die Kehrtwende auf der Straße

Zur Energiewende gehört auch die Verkehrswende.

Mittelfristig sollen unsere Autos nicht mehr mit fossilen, sondern erneuerbaren Energieträgern „betankt“ werden. Hier kommt die Elektromobilität ins Spiel. Viele Länder setzen bereits zunehmend auf erneuerbare Energien. Die Synergieeffekte lassen sich bei elektrifiziertem Verkehr besonders gut nutzen. In Norwegen, dem Land mit der höchsten Dichte an Elektrofahrzeugen, wird es ab 2025 keine neu zugelassenen Autos mit Verbrennungsmotor mehr geben. Auch in Deutschland denkt die Regierung über eine ähnliche Regelung ab 2030 nach. Wirklich nachhaltig sind Elektroautos aber erst dann, wenn ihr gesamter Lebenszyklus entsprechend geplant wurde. Das beginnt bei der nachhaltigen Energieversorgung der Produktionsanlagen. Außerdem sollten im Auto recycelte Materialien zum Einsatz kommen und Ökostrom für das Aufladen verwendet werden. Schließlich kommt es darauf an, die einzelnen Komponenten des Autos am Ende ihrer Lebensdauer umweltschonend wiederzuverwerten.

Sind Elektroautos eine massentaugliche Alternative zum Verbrennungsmotor? Die Antwort hängt entscheidend von drei Faktoren ab. Erstens: die Speicherkapazität. Sie begrenzt die Reichweite der Fahrzeuge. Zweitens: die Ladezyklen. Während man ein herkömmliches Fahrzeug innerhalb weniger Minuten volltanken kann, muss man beim Stromer deutlich mehr Zeit mitbringen. Drittens: das Kosten-Nutzen-Verhältnis. Käufer von Elektroautos zahlen derzeit – trotz staatlicher Förderung – einen hohen Aufpreis für das emissionsfreie Fahren.

Herzstück des Stromers: Die Batterie

Verantwortlich für die Mehrkosten ist die sogenannte Traktionsbatterie, die zusätzlich zur Starterbatterie verbaut ist. Sie ist die teuerste Komponente eines Elektrofahrzeugs und besteht fast immer aus Lithium-Ionen-Zellen. Die Starterbatterie ist hingegen ein Bleiakkumulator. Sie ist für die konstante Stromversorgung des Bordnetzes sowie für das Starten des Fahrzeugs verantwortlich. Durch den geringen Innenwiderstand fällt die elektrische Spannung während der Beanspruchung kaum ab. Die Traktionsbatterie muss aber robuster gegen tiefe Entladungsvorgänge sein, denn sie ist ausschließlich für den Antrieb zuständig. Derzeit erreichen die Lithium-Ionen-Zellen pro Liter Volumen rund 900 Wattstunden. Ein Liter Diesel enthält jedoch 10.000 Wattstunden, die Energiedichte ist also viel höher. Aber: Der Vorsprung schrumpft. Im Fokus der Hersteller liegt deshalb die Optimierung der Energiedichte von Akkus. So können die Kosten gesenkt und die Reichweite erhöht werden.

Stecker statt Zapfhahn. Strom statt Kraftstoff.
Schnellladesäulen sparen Zeit

In Elektrofahrzeugen ist nicht ein einziges, großes Batteriepaket verbaut. Vielmehr handelt es sich um einen Verbund aus vielen einzelnen Zellen, sogenannte Stacks. Ihr Wirkungsgrad und damit die Reichweite sind auch von der Außentemperatur abhängig. In vielen Traktionsbatterien findet man aus diesem Grund eigene Kühl- und Heizsysteme, die die Zellen auf optimaler Betriebstemperatur halten. Darüber hinaus sorgt das Energiemanagement des Fahrzeugs dafür, dass ein vorgegebenes Ladefenster eingehalten wird. Zur Erhöhung der Lebensdauer wird die Batterie normalerweise nie vollständig be- oder entladen.  Weiterhin beeinflusst auch die Ladetechnik die Haltbarkeit des Energiespeichers. Das Dilemma: Ein hoher Ladestrom lädt den Akku zwar schnell auf, ist jedoch schlecht für dessen Haltbarkeit. Nach heutigem Stand sind jedoch schon Laufleistungen von bis zu 200.000 Kilometern bei einer Restkapazität von 80 Prozent möglich, bevor der Energiespeicher verschlissen ist.

Kraftpakete: Magneten für den Antrieb

Abgesehen von der Batterietechnik sind Fahrzeuge mit Elektromotor weniger komplex aufgebaut, als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Der Vorteil: Teure Verschleißteile wie das Getriebe, die Kupplung und das komplexe Motorenkühlsystem inklusive Ölwechsel entfallen. Auch die Bremsen müssen nur selten gewartet werden. Da viele mechanische Bauteile nicht benötigt werden, bleibt im Innenraum auch mehr Platz für die Insassen - und im Kofferraum mehr Platz für Gepäck. Oftmals verfügen Elektrofahrzeuge sogar über zwei Kofferräume, nämlich einen im Heck des Fahrzeugs und einen unter der Motorhaube. Dort ist der Elektromotor nicht mehr untergebracht. Stattdessen montiert man ihn entweder an der Achse oder direkt an der Radnabe. 

In fast allen Elektroautos sind Drehstrommotoren mit zwei Arten von Magneten eingesetzt: Statische Magnete befinden sich im äußeren Kranz, ein rotierender Magnet ist in der Mitte montiert. Wenn Elektrizität durch die Spulen fließt, entsteht ein Magnetfeld, bei dem der rotierende Magnet permanent von den statischen Magneten angezogen wird. Diese Rotation setzt die Räder des Fahrzeugs in Bewegung. Ein Umrichter wandelt beim Beschleunigen die Energie aus der Traktionsbatterie in Wechselstrom um. Bremst das Auto, kann daraus Energie zurückgewonnen und als Ladestrom an die Batterie abgegeben werden.

Ladepause für die Fahrzeuge

Quo vadis E-Mobility?

Die Zukunft beginnt schon jetzt

Ohne Zweifel – Elektromobilität steht in den Startlöchern. Mittelfristig werden beide Antriebstechnologien koexistieren.

Dabei bleiben fossile Brennstoffe und Hybridfahrzeuge weiterhin das Mittel der Wahl für den Langstreckenverkehr. Auf Kurz- und Mittelstrecken in den Ballungszentren werden hingegen die Stromer zunehmend das Bild bestimmen. Voraussetzung hierfür ist der Ausbau der Ladeinfrastruktur sowie die Erzielung von Skaleneffekten in der Batterieproduktion, die den Neupreis eines Elektroautos sinken lassen. Die Pläne und technischen Möglichkeiten sind vielversprechend. Schon heute können die Fahrzeuge über Wandladestationen in der privaten Garage gut vier Mal schneller aufgeladen werden als über eine gewöhnliche Steckdose. Auch das Netz von Schnellladesäulen an Autobahnraststätten und in Innenstädten, die den Akku innerhalb von 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen, wächst. Künftig soll das schon in fünf bis zehn Minuten möglich sein. Besonders interessant ist das berührungsfreie Laden über Induktionsplatten, die in den Boden eingelassen sind. Sobald man das Auto über dieser Platte parkt, startet der Ladevorgang. Somit sind keine Stecker mehr nötig und auch lange Zwischenstopps entfallen. Denn bei entsprechend ausgebauter Infrastruktur ist das Fahrzeug immer vollständig aufgeladen. Egal, ob Sie auf dem Weg zum Arzt sind, einkaufen oder nach Hause fahren. Diese Technik bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich: Kurze Ladezyklen, das sogenannte Snack Charging, erhöhen die Lebensdauer der Traktionsbatterie.

Ladeinfrastruktur ausbauen - eine von vielen Missionen für die elektromobilen Zukunft
Elektrisch durchstarten? Die Aussichten sind vielversprechend.

Langfristig können Elektroautos so in das lokale und überregionale Stromnetz eingebunden und sogar beim Fahren aufgeladen werden. Aber nicht nur die Entnahme von Strom ist dadurch möglich. Das Vehicle to Grid-Konzept erlaubt auch die Einspeisung der Energie aus Elektroautos zurück in das Stromnetz – beispielsweise bei hoher Netzlast. Sie funktionieren dann als lokale Energiespeicher, die auf Abruf für unser gemeinsames Stromnetz zur Verfügung stehen. Ein wichtiger Schritt in Richtung dezentrale Energieversorgung. Auch die Vernetzung der Fahrzeuge untereinander spielt eine immer wichtigere Rolle. So kann die Geschwindigkeit entsprechend des aktuellen Verkehrsaufkommens angepasst werden. Außerdem ist eine energieoptimierte Routenplanung möglich, welche die Passagiere batterieschonend zum Ziel führt.

Hinsetzen. Anschnallen. Augen auf. Willkommen in der Zukunft.

Auf einen Blick: Vor- und Nachteile von Elektrofahrzeugen

Vorteile

  • Keine Abgase beim Fahren
  • Reichweiten von 400 Kilometern und mehr sind möglich
  • Geringere Wartungskosten durch Entfall von Verschleißteilen
  • Hohe Drehmomente sorgen für Fahrspaß und Durchzugskraft
  • Hoher Komfort: Motorgeräusche und Schaltvorgänge entfallen
  • Geringere Betriebskosten: Das Aufladen kostet nur wenige Euro
  • Fahrzeug kann ganzheitlich in die Infrastruktur eingebunden werden (Vehicle-to-Grid)
  • Hoher Wirkungsgrad: 95% der Energie werden in Bewegung umgesetzt. Beim Verbrenner sind es 30%

Nachteile

  • Bisher hoher Anschaffungspreis
  • Ladeinfrastruktur ist noch ausbaufähig
  • Hohes Gewicht reduziert die Reichweite des Fahrzeugs
  • Vergleichsweise geringe Energiedichte der Traktionsbatterie
  • Abbau von seltenen Erden für die Permanentmagneten des Motors
  • Zeitintensive Ladezyklen, wenn keine Schnellladestationen verwendet werden
Felix Schmidt
Autor
Felix Schmidt
Digitale Kommunikation und Social Media

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