RP-Energie-Lexikon
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Elektroauto

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Definition: ein Auto mit elektrischem Antrieb

Englisch: electric car, battery-electric vehicle

Kategorien: elektrische Energie, Fahrzeuge

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta (G+)

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.04.2012; letzte Änderung: 14.08.2017

Elektroauto

Abbildung 1: Ein Elektroauto beim Aufladen der Batterien (Siemens-Pressebild).

Ein Elektroauto ist ein Auto, welches alleine mit einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben wird. Die für die Elektromobilität benötigte elektrische Energie stammt in der Regel aus einem Akkumulator (einer wiederaufladbaren Batterie). Ein Sonderfall wäre ein Fahrzeug mit Stromversorgung über eine Brennstoffzelle, dann oft als Brennstoffzellenfahrzeug bezeichnet (siehe unten). Möglich ist auch die teilweise Stromversorgung über einen Verbrennungsmotor mit Generator; in diesem Fall spricht man von einem (seriellen) Hybridantrieb. Auch Parallel-Hybride haben einen Elektromotor, jedoch erfolgt der Antrieb hier teilweise über einen Verbrennungsmotor, und man spricht dann meist nicht mehr von einem Elektrofahrzeug.

Elektromotoren können als Radnabenmotoren sehr platzsparend eingebaut werden. Jedoch ist natürlich auch eine konventionelle Positionierung in einem Motorraum möglich. Schwieriger ist es, Platz für die große und schwere Fahrzeugbatterie zu finden – oft unter den Sitzen und dem Gepäckraum, auch um einen tiefen Schwerpunkt und damit eine gute Straßenlage zu erreichen.

Das bisher etablierte Konzept von Autos basiert auf einem Verbrennungsmotor – meist einem Ottomotor betrieben mit Benzin oder manchmal mit Erdgas, Flüssiggas oder Bioethanol, oder einem Dieselmotor. Dieses Konzept funktioniert in vieler Hinsicht recht gut, verursacht aber gerade wegen seiner sehr erfolgreichen Verbreitung zu diversen Problemen. Das Problem der vielfältigen Luftschadstoffemissionen (Stickoxide, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid, Ruß) wurde zwar vor allem für Ottomotoren mit Abgaskatalysator weitgehend gelöst (weniger gut für Dieselmotoren), jedoch verbleibt das Problem der klimaschädlichen Kohlendioxid-Emissionen. Dies lässt sich bei Verwendung fossiler Energieträger nicht lösen, und selbst bei Verwendung nominell CO2-neutraler Biokraftstoffe nur zu einem kleinen Teil (wegen begrenzter Verfügbarkeit von Biokraftstoffen und Umweltbelastungen bei ihrer Herstellung). Außerdem gibt es eine zunehmende Verknappung insbesondere von Erdöl, dem üblichen Ausgangsstoff für Benzin.

Das Elektroauto wird vielfach als eine Antwort auf all diese Probleme gesehen, also als das Auto der Zukunft. Eine genauere Analyse zeigt jedoch, dass eine umfassende Problemlösung auf diesem Wege noch einige Zeit kosten wird; die Hoffnung, die bisherige Verwendung von Autos könne einfach durch den Übergang zu einem elektrischen Antriebssystem beibehalten werden (ohne wesentliche Abstriche bei Komfort, Kosten, Reichweite etc.), ist trügerisch.

Vor- und Nachteile von Elektroantrieben

Gegenüber Verbrennungsmotoren haben Elektromotoren beim Antrieb von Fahrzeugen große Vorteile:

Von daher erscheinen Elektromotoren als ideal für solche Antriebe. Der große Nachteil ist aber, dass elektrische Energie benötigt wird, die sich sehr viel schwerer mitführen lässt als chemische Energie z. B. in einem Benzintank. Die nötige Fahrzeugbatterie bringt dann zumindest nach heutigem Stand erhebliche Nachteile für das elektrische Antriebssystem mit sich:

Ein wichtiger Vorteil der elektrischen Versorgung ist jedoch, dass die Energieträgerbasis wesentlich verbreitert wird. Insbesondere können diverse Quellen für erneuerbare Energie genutzt werden.

Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen

Ein direkter Vergleich der Volllast-Wirkungsgrade von Elektromotoren (mehr als 90 %) und Verbrennungsmotoren (meist 25 % bis 40 %) ist aus mehreren Gründen nicht sachgerecht:

Insgesamt ist also die Antriebseffizienz bezogen auf die Primärenergie beim Elektroauto im Stadtverkehr wesentlich besser als bei Autos mit Verbrennungsmotor, während dieser Effizienzvorteil bei starker Auslastung (schnelle Autobahnfahrt) nicht mehr allzu groß ist oder sogar verschwindet.

Der Verbrauch an elektrischer Energie für 100 km Fahrstrecke liegt nach Herstellerangaben typischerweise bei rund 15 kWh für Kleinwagen und 20 kWh oder mehr für mittlere und größere Wagen – in beiden Fällen für nicht zu hohe Geschwindigkeiten. Leider werden in der Praxis häufig wesentlich höhere Verbrauchswerte gemessen, insbesondere im Winter, wenn das Fahrzeug elektrisch beheizt werden muss, oder bei schnellen Autobahnfahrten v. a. in Ländern ohne Tempolimit.

Wenn z. B. 20 kWh in einem Kraftwerk mit 40 % Wirkungsgrad erzeugt werden und Leitungsverluste vernachlässigt werden, so braucht dies 50 kWh Primärenergie – in etwa dem Energieinhalt von 5 Litern Dieselkraftstoff entsprechend. Dies ist ähnlich viel wie der Dieselverbrauch eines typischen neuen Mittelklassewagens; zwar kommt dort noch der Energieverbrauch der Dieselherstellung dazu, aber andererseits berücksichtigen wir ja auch nicht den Energieaufwand für die Bereitstellung der Kraftwerkskapazitäten und deren Brennstoffe. Besser sieht es aus, wenn Strom aus einem modernen Gaskraftwerk (GUD-Kraftwerk) verwendet wird. Das Elektroauto mit Strom aus Gas ist tatsächlich deutlich effizienter als ein Erdgas-betriebenes Auto mit Ottomotor (Erdgasfahrzeug). Mit Heizbetrieb im Winter relativiert sich dies allerdings auch wieder, und auch die Lithium-Akkus verlieren bei Kälte viel an Effizienz.

Natürlich kann ein Elektroauto auch mit erneuerbarer Energie betrieben werden, beispielsweise mit Wasserkraft, Windenergie oder über Photovoltaik mit Sonnenenergie. Dann erscheinen die oben genannten Kraftwerkswirkungsgrade zwar auf den ersten Blick irrelevant. Jedoch könnte man den erneuerbar erzeugten Strom sonst auch nutzen, um konventionelle Kraftwerke zu verdrängen. Die Kraftwerkswirkungsgrade sind also weiterhin relevant, etwa wenn die folgenden zwei Klimaschutz-Strategien miteinander verglichen werden:

In der Tat stellt sich heraus, dass die beiden Strategien einen ähnlichen starken Klimaschutzeffekt haben (für eine gegebene Kapazität von Kraftwerken). Folglich ist das für das Klima entscheidende, wie viel Ökostrom erzeugt wird, aber nicht ob dieser dann für Elektrofahrzeuge eingesetzt wird.

Abgesehen von Energieeffizienz und Umweltbelastung spielen natürlich auch die Betriebskosten eine Rolle. Wenn beispielsweise ein Elektro-Kleinwagen 15 kWh pro 100 km benötigt, die zu einem Haushaltstarif von 30 ct/kWh bezogen werden, führt dies zu Energiekosten von 4,50 € pro 100 km. Wenn ein ähnlicher benzinbetriebener Wagen 4 Liter auf 100 km verbraucht, die für je 1,60 € einkauft werden, liegen die Kosten bei 6,40 € pro 100 km – deutlich höher als beim Elektrofahrzeug. Wenn die elektrische Energie mit einer eigenen Photovoltaikanlage für 12 ct/kWh hergestellt wird, sinken die Energiekosten für das Elektroauto weiter auf 1,80 € pro 100 km. (Wir setzen hierbei voraus, dass das Auto meist zu Hause geladen wird, und zwar immer nur wenn die Solaranlage Strom liefert.) Allerdings bedeutet selbst dann ein Kostenvorteil von z. B. 4,60 €/kWh bei einer jährlichen Fahrleistung von 10 000 km nur eine finanzielle Einsparung von 460 €, sodass im Laufe der Lebensdauer nur Mehrkosten in Höhe von einigen tausend Euro amortisiert werden.

Bewertung des Energieverbrauchs von Elektroautos

Der Energieverbrauch eines Elektroautos wird in der Regel in Kilowattstunden pro 100 Kilometer (kWh / 100 km) angegeben. Dies basiert auf der Menge elektrischer Energie, die zum Laden des Autos benötigt wird.

Während solche Angaben vollkommen sinnvoll sind, werden sie häufig völlig falsch interpretiert. Weil die meisten Autofahrer nur ein gewisses Gefühl für Verbrauchsangaben herkömmlicher Fahrzeuge in Litern pro 100 Kilometer haben, nicht jedoch für Kilowattstunden, wird die elektrische Energie häufig in die äquivalente Menge von Benzin umgerechnet, und zwar auf der Basis dessen Heizwerts. Ignoriert wird dabei, dass es sich um völlig unterschiedliche Formen von Primärenergie handelt. Die elektrische Energie, die dem Auto zugeführt wird, ist nämlich erheblich höherwertiger als chemische Energie in einem Kraftstoff und muss anders als diese meist unter Inkaufnahme hoher Energieverluste im Kraftwerk gewonnen werden. Würde die elektrische Energie beispielsweise rein hypothetisch in einem Kraftwerk aus Benzin oder Dieselkraftstoff gewonnen, würde mindestens die doppelte Menge von Kraftstoff dafür benötigt, weil der Wirkungsgrad der Umwandlung höchstens in der Gegend von 50 % läge.

Ein sinnvoller Vergleich zwischen elektrischer und chemischer Energie ist also schwer möglich, müsste aber zumindest die genannten Umwandlungsverluste berücksichtigen. Ein ganz anderer Ansatz wäre der Vergleich der entstehenden klimaschädlichen CO2-Emissionen, die freilich sehr stark von der Art der Stromerzeugung abhängen.

Als Beispiel betrachte man ein kleines Elektroauto mit einem Verbrauch von 15 kWh / 100 km. Naiv in Benzin umgerechnet (siehe oben) entspräche das nur ca. 1,67 Liter Benzin pro 100 km. Würde man wie oben diskutiert einen Kraftwerks-Wirkungsgrad mit 50 % eher hoch ansetzen, käme man schon auf ein Äquivalent von 3,34 l / 100 km in Form von Benzin. Wenn man dagegen die CO2-Emissionen nach dem deutschen Strommix von 2013 (559 g/kWh) berechnet, entsprechen 15 kWh einer CO2-Belastung von 84 g/km – ein Wert, der für benzingetriebene Kleinwagen mit einem Verbrauch von ca. 4 l / 100 km in etwa erreichbar ist, mit Hybridantrieb sogar in der Mittelklasse. Wenn man zusätzlich noch die CO2-Emissionen bei der Kraftstoffherstellung berücksichtigt (z. B. 10 bis 20 %), liegt das Elektroauto typischerweise etwas besser, jedoch nicht dramatisch besser – trotz der eher optimistischen Annahme für den Kraftwerks-Wirkungsgrad. (Dass der Praxisverbrauch häufig deutlich höher liegt als von den Herstellern angegeben, trifft für Benzin- und Elektroautos in ähnlichem Maße zu, muss also beim Vergleich nicht berücksichtigt werden.)

Natürlich ließe sich die CO2-Belastung des Elektroautos auf annähernd Null reduzieren durch Verwendung von Ökostrom – wobei dieser aber für diesen Zweck zusätzlich erzeugt werden müsste. Wenn nur ein Teil der ohnehin geschehenden Ökostromerzeugung für das Auto gekauft wird, dafür aber anderswo zusätzlich Strom aus Kohle- und Gaskraftwerken gewonnen wird, ist es irreführend, den Betrieb des Elektroautos als klimaneutral zu bezeichnen. (Mehr zur Ökobilanz ist weiter unten zu lesen.)

Bedarf an Kraftwerken und Stromnetzen; Lastmanagement

Wenn Elektroautos einmal in großem Umfang genutzt werden, werden hierfür gewisse zusätzliche Kraftwerkskapazitäten benötigt. Allerdings wird dieser Effekt allenfalls langfristig spürbar werden, da ein schneller Ausbau der Elektroauto-Flotte kaum zu erwarten ist. Selbst mit z. B. 10 Millionen Elektroautos in Deutschland würde der derzeitige Stromverbrauch nur ca. 3 % erhöht. Mit anderen Worten ist der Kraftwerkspark hier nicht der limitierende Faktor.

Wenn zukünftig die Batterien einer großen Anzahl von Elektroautos unkoordiniert geladen würden, könnte dies zu erheblichen zusätzlichen Belastungen der Stromnetze zumindest auf der Niederspannungsebene bewirken. Die Anschlussleistung eines typischen Ladegeräts beträgt nämlich etliche Kilowatt (über einen Drehstrom-Anschluss), oder bei Schnellladung sogar noch deutlich mehr – vergleichbar mit der gesamten Anschlussleistung eines Haushalts (ohne Elektroheizung). Dieser Effekt ließe sich durch ein geeignetes Lastmanagement (etwa im Rahmen eines intelligenten Stromnetzes) jedoch stark reduzieren, da der genaue Zeitpunkt der Ladung für die Benutzer oft keine Rolle spielt. Die Batterien der Elektroautos könnten hierdurch sogar eine stabilisierende Rolle für die Stromnetze spielen: Beispielsweise würde bevorzugt geladen, wenn die Stromnachfrage gering ist oder ein hohes Angebot an Windstrom besteht. Denkbar (wenn auch vorerst nicht wahrscheinlich) ist sogar die Rückspeisung in das Stromnetz über einen Wechselrichter im Falle besonderer Engpässe.

Der jahreszeitliche Verlauf des Strombedarfs für Elektroautos dürfte relativ flach sein; insbesondere würde im Winter voraussichtlich nicht mehr verbraucht werden als im Sommer. Aufgrund dieser Aspekte ließe sich der Strombedarf für eine große Elektrofahrzeugflotte ziemlich gut in das Stromversorgungssystem integrieren, und auch die Deckung dieses Bedarfs z. B. über Windenergie und Photovoltaik wäre eher einfacher als für andere Verbrauchssektoren wie z. B. Heizungen. Über entsprechende Stromtarife (z. B. für vergünstigten Strom in Zeiten geringer Nachfrage) würden auch die Benutzer hiervon profitieren.

Graue Energie

Der Bau eines Autos erfordert einen erheblichen Energieaufwand; im gebauten Auto steckt deswegen “graue Energie”. Die graue Energie im Elektro-Antriebssystem ist erheblich höher als z. B. für einen Benzinmotor, und zwar wegen der Fahrzeugbatterie, die z. B. ein mehrere hundert Kilogramm schwerer Lithium-Ionen-Akkumulator ist [3]. Die Produktion einer solchen Batterie dürfte so viel (meist nicht erneuerbare) Energie verbrauchen wie einige hundert komplette Ladezyklen (allerdings wohl deutlich weniger, wenn ein gutes Recycling betrieben wird). Es ist also auch deswegen (und nicht nur wegen der Kosten) wichtig, dass die Batterie zumindest eine lange Lebensdauer erreicht – möglichst etliche tausend Ladezyklen.

Bei Betrachtung des gesamten Fahrzeugs (und nicht nur des Antriebssystems) ist der Unterschied zum Benzinauto immer noch deutlich, wenn auch nicht dramatisch. Man beachte auch, dass die graue Energie durch die Fahrzeugproduktion stark vom Modell abhängt. Große und schwere Wagen enthalten in aller Regel wesentlich mehr graue Energie als kleinere und leichte Fahrzeuge, obwohl gewisse Leichtbaumaterialien (z. B. Aluminiumlegierungen statt Stahl) den Energieaufwand erhöhen können. Sollte die Einführung von Elektroautos einen Trend zu leichteren Fahrzeugen auslösen, so würde dies die Problematik der grauen Energie deutlich entschärfen.

Ökonomisch und auch ökologisch ist es in der Regel nicht sinnvoll, ein altes Auto mit Verbrennungsmotor vorzeitig zu verschrotten, um es durch ein Elektroauto zu ersetzen. Die Energieeinsparungen im Betrieb sind nämlich nicht so dramatisch, dass man dafür große Nachteile in Bezug auf graue Energie in Kauf nehmen sollte.

Lebensdauer

Entscheidend ist die Lebensdauer der Fahrzeugbatterie, denn diese ist die teuerste Komponente, deren Herstellung auch die Umwelt am meisten belastet; andere Komponenten wie Elektromotoren und Elektronik können dagegen leicht für die gesamte Fahrzeuglebensdauer ausgelegt werden. Für moderne Lithium-Ionen-Batterien garantieren die Hersteller eine Lebensdauer von z. B. 5 Jahren und für eine Fahrstrecke von 50 000 bis 100 000 km. Da Garantiefälle für die Hersteller sehr teuer kommen, dürfte die tatsächliche Lebensdauer meist deutlich länger sein. Ob sie für die gesamte Nutzungsdauer des Fahrzeugs ausreicht, ist aber nicht sicher – insbesondere wenn das Fahrzeug entweder sehr viel benutzt wird (also bald deutlich mehr als 100 000 km erreicht), oder umgekehrt wenn das Fahrzeug wenig gefahren, aber über viele Jahre genutzt wird. Im letzteren Fall kann die Lebensdauer nämlich durch die Alterung auch im Stillstand begrenzt sein.

Es ist vor diesem Hintergrund für manche Nutzer ein sinnvoller Ansatz, die Batterie nicht mit dem Fahrzeug zu kaufen, sondern vom Hersteller zu mieten. Dann liegt das Risiko eines vorzeitigen Ausfalls der Batterie beim Hersteller, der das Problem hier überschauen und bekämpfen kann. Der Kunde erhält üblicherweise das Recht, eine neue Batterie zu erhalten, wenn die bisherige mehr als beispielsweise 20 % an Kapazität eingebüßt hat. Dieser Ansatz erleichtert auch die Finanzierung des gesamten Fahrzeugs, da ein großer Hersteller meist leichter als ein kleiner Kunde Darlehen erhalten kann.

Es ist zu beachten, dass ein Elektrofahrzeug viele Komponenten eines typischen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor nicht enthält, die eine begrenzte Lebensdauer aufweisen und deren Ersatz im Laufe der Fahrzeugs Lebensdauer erhebliche Kosten verursachen kann.

Wartung

Das Antriebssystem eines Elektroautos benötigt weitaus weniger Wartung als ein System mit Verbrennungsmotor, dessen Aufbau viel komplexer ist und der viele Verschleißteile und regelmäßig auszutauschende Materialien wie z. B. Motoröl enthält. Die entsprechenden Einsparungen bei den Wartungskosten sind über die Fahrzeugdauer gerechnet erheblich und sollten bei Kostenvergleichen angemessen berücksichtigt werden.

Luftschadstoffe und Lärm

Das Elektroauto selbst erzeugt keinerlei Luftschadstoffe außer etwas Feinstaub durch Reifen- und Bremsabrieb sowie durch Aufwirbelung. Dagegen erfolgen wesentliche Emissionen in den Kraftwerken, wenn konventionell erzeugter Strom zum Laden der Batterie verwendet wird. Durch Verwendung von Ökostrom könnten diese im Prinzip weitgehend vermieden werden, aber nur wenn zusätzliche Ökostromkapazitäten hierfür aufgebaut werden, d. h. nicht anders verwendeten Kapazitäten hierfür herangezogen werden (siehe unten im Zusammenhang mit der Energie- und Klimabilanz des Elektroautos).

Im Allgemeinen sind elektrische Antriebe recht leise (obwohl es Ausnahmen gibt). Bei typischen Elektroautos ist das Antriebssystem sogar kaum hörbar. Da hierdurch im Stadtverkehr die Gefahr von Unfällen mit Fußgängern höher wird, wird sogar bereits konkret über die künstliche Erzeugung von Geräuschen diskutiert, die Fußgänger warnen sollen.

Antriebsleistung

Die Leistung eines elektrischen Antriebs kann problemlos ausreichend hoch sein, da Elektromotoren mit z. B. 50 kW oder mehr problemlos verfügbar (und nicht zu schwer) sind und eine Fahrzeugbatterie, die genügend Reichweite ermöglicht, auch eine hohe Leistung zur Verfügung stellen kann. Allerdings führt das dauerhafte Abrufen einer hohen Leistung natürlich zu einer schnellen Erschöpfung der Batterie. Deswegen ist ein Elektrofahrzeug zwar für zügige Überholmanöver geeignet, kaum aber für dauerhaft hohe Geschwindigkeiten.

Die Reichweite eines Elektrofahrzeugs kann deutlich vermindert werden, wenn gewohnheitsmäßig immer mit voller Leistung beschleunigt wird. Der Wirkungsgrad dürfte bei etwas reduzierter Leistung nämlich in der Regel deutlich höher liegen.

Technik zum Laden; häusliche Infrastruktur und Stromtankstellen

In den meisten Fällen werden die Batterien von Elektroautos aufgeladen, indem sie mit geeigneten Ladekabeln Strom aus dem öffentlichen Stromnetz beziehen. Die Batterie kann damit nicht direkt mit der Netzspannung verbunden werden; dazwischen muss eine geeignete Art von Ladegerät eingesetzt werden, welches entweder im Fahrzeug verbaut wird oder aber an einer Ladestation. Für den Anschluss werden natürlich an beiden Seiten des Kabels geeignete Stecker benötigt; leider kommt es hierbei häufig zu Problemen durch Inkompatibilitäten, da sich noch kein Steckersystem komplett durchgesetzt hat.

Ladestecker für Elektroauto

Abbildung 2: Ein Ladestecker, mit dem ein Elektroauto an eine Ladestation angeschlossen werden kann (Siemens-Pressebild).

Der Vorteil eines Ladegeräts im Auto ist, dass es optimal auf die verwendete Batterie abgestimmt sein kann, also deren Typ, Größe sowie den momentanen Ladezustand und die Temperatur berücksichtigen kann. Die Kabelverbindung dient dann nur der Energiezufuhr, und es werden keine speziellen Ansprüche an die Stromquelle gestellt. Es gibt aber auch Systeme, bei denen ein externes Ladegerät mit dem Fahrzeug kommuniziert, um Dinge wie den Ladezustand, die maximale Ladeleistung und die Temperatur der Batterie zu erfahren. Dies ist beispielsweise bei den Systemen CCS (Combined Charging System) und CHAdeMO der Fall, welche einen Datenbus enthalten.

Wenn eine normale Haushaltssteckdose genutzt wird, hat dies einerseits den Vorteil, dass solche vielerorts ohne Zusatzaufwand verfügbar sind, bringt aber andererseits wegen der auf ca. 3,7 kW begrenzten Ladeleistung entsprechend lange Ladezeiten mit sich. Wenn ein Autoakku beispielsweise 24 kWh fasst, dauert dabei das komplette Laden rund 6,5 Stunden; bei größeren Wagen mit entsprechend größeren Batterien dauert es entsprechend länger. Viel mehr Leistung kann über einen Drehstromanschluss mit bezogen werden, beispielsweise ca. 22 kW für 400 V und 32 A. Damit lässt sich also beispielsweise eine 24-kWh-Batterie in gut einer Stunde komplett laden, vorausgesetzt dass die Batterie die gesamte Leistung aufnehmen kann.

Wenn in einem Haushalt ein Elektroauto eingeführt wird, wird häufig eine bereits bestehende Steckdose in der Garage zum Laden genutzt; oft sind die langen Ladezeiten nicht wirklich ein Problem, wenn beispielsweise die ganze Nacht dafür zur Verfügung steht. Unbedingt zu beachten ist übrigens, ob die Verkabelung im Haus für die hohe Dauerbelastung beim Laden ausreichend ist. Gerade bei älteren Elektroinstallationen, wo beispielsweise Kontakte in Anschlussdosen bereits etwas oxidiert sein können, kann bei starker Dauerbelastung unter Umständen eine Dose durchschmoren und womöglich sogar einen Brand auslösen. Im Zweifelsfall sollte die Installation von einem Elektriker überprüft werden.

Wer eine Photovoltaikanlage betreibt, kann mit dieser auch ein Elektroauto laden. Da aber bei Abwesenheit des Fahrzeugs der Strom so oder so in das Stromnetz eingespeist werden soll, werden die hierfür verwendeten Wechselrichter nicht überflüssig. In der Regel wird man keine direkte Verbindung von Solaranlage und Elektroauto schaffen, sondern beides separat behandeln – auch wenn es im Prinzip etwas energieeffizienter wäre, ein Ladegerät direkt mit Gleichstrom von der Solaranlage (ohne Wechselrichter und Gleichrichter) zu betreiben.

Übrigens gibt es bereits Systeme, die Gleichstrom anstelle von Wechselstrom oder Drehstrom verwenden – besonders im Bereich hoher Leistungen. Es gibt auch Steckersysteme, die mit beiden Stromarten arbeiten können, je nachdem an welcher Art von Ladestation sie eingesetzt werden. Interessant sind auch bidirektionale Ladesysteme, die zeitweise Energie vom Fahrzeug in das Stromnetz einspeisen können, wenn die Energie dort dringender benötigt wird.

Wer als Autohalter über keine Garage verfügt, hat oft größere Schwierigkeiten, einen geeigneten Ladeplatz zu finden. Beispielsweise sind Vermieter in Mehrfamilienhäusern nicht immer bereit, die entsprechende Infrastruktur erstellen zu lassen; man beachte hierbei, dass es nicht nur um die Bereitstellung von Steckdosen geht, sondern unter Umständen auch um Einrichtungen für die Abrechnung des Stromverbrauchs – der ja im Vergleich zum sonstigen Verbrauch durchaus nicht unerheblich ist. Die gleiche Problematik besteht natürlich bei öffentlichen Ladestationen – umso mehr, solange es dafür keinen allgemein verwendeten Standard gibt. Hier wäre die Politik gefordert, für die schnellstmögliche Einführung sinnvoller Standards zu sorgen; darauf zu warten, dass sich Autohersteller von sich aus auf Standards einigen, kann unter Umständen einige Zeit dauern.

Im Falle längerer Fahrten wäre es wünschenswert, die Batterie auch außer Haus nachladen zu können – etwa während der Arbeitszeit, während des Einkaufens oder während der Rast an einer Autobahntankstelle. Hierfür müsste ein Netz von Stromtankstellen (Ladestationen) geschaffen werden, insoweit nicht einfach ein Arbeitgeber die Nutzung einfacher Steckdosen für das Laden erlaubt. Das Anschließen und spätere Entfernen des Ladekabels sowie der Bezahlvorgang wäre wohl kaum aufwendiger als das Tanken von Benzin, jedoch dauert der Ladevorgang natürlich viel länger – selbst bei Schnellladung an leistungsfähigen Stromtankstellen. Gerade für Autobahnraststätten sind sehr hohe Ladeleistungen wünschenswert, wenn man anders als am Arbeitsplatz dort nicht viele Stunden verbringen möchte; auch für die Betreiber ist es im Prinzip attraktiv, wenn eine Ladestation nicht allzu lange von einem Kunden belegt wird. Heutige Betreiber von Elektroautos müssen auf eine solche Infrastruktur in der Regel verzichten. Nachteilig ist übrigens auch, das Schnellladungen die Batterie mehr belasten, also ihre Lebensdauer reduzieren können, und tendenziell weniger Energieeffizienz sind. An heißen Tagen kann es auch nötig sein, die Ladeleistung automatisch zu begrenzen, um eine Überhitzung der Batterie zu vermeiden. Wenn nämlich beim Laden auch nur wenige Prozent einer Ladeleistung von z. B. 150 kW in Wärme umgewandelt werden, führt dies in kurzer Zeit zu einem erheblichen Temperaturanstieg. Hier würde im Prinzip ein leistungsfähiges Kühlsystem im Fahrzeug helfen, jedoch erhöht ein solches wiederum das Gewicht und die Kosten.

Ein anderes generelles Problem von Stromtankstellen ist, dass mit ihnen ein Lastmanagement kaum möglich ist: Die Batterie soll ja in der Regel so schnell wie möglich geladen werden. Zudem ist zu befürchten, dass der Strompreis an den Stromtankstellen höher ist als zu Hause, da die Infrastruktur ja amortisiert werden muss.

Für das Laden ist nicht unbedingt die Verbindung eines Kabel notwendig: Über eine Induktionsspule am Ladegerät und eine Empfängerspule im Fahrzeug ist ein kabelloses Laden möglich. Dies kann den Komfort erhöhen. Allerdings erhöht es auch die Kosten und verursacht insbesondere Energieverluste von rund 15 bis 20 %.

Möglich wäre auch ein System mit Wechselbatterien. Hier würde an der Tankstelle nicht die Batterie im Fahrzeug geladen, sondern gegen eine geladene Batterie ausgetauscht. Die Batterie wäre dann nicht im Eigentum des Nutzers, sondern würde nur von einem Anbieter gemietet. Der große Vorteil wäre, dass der Austausch einer Batterie – vermutlich automatisiert – weitaus schneller möglich ist als das Laden. Zudem wäre ein Lastmanagement so viel eher möglich, da das Nachladen der ausgebauten Batterien auf günstige Zeiten verlegt werden könnte. Ein solches Wechselbatterien-System würde jedoch erfordern, dass viele Hersteller von Elektroautos das gleiche standardisierte Batteriesystem verwenden. Man müsste sich zumindest auf sehr wenige Batterietypen beschränken.

Sicherheit

Ein Lithium-Akku kann bei schwerer Beschädigung im Falle eines Unfalls viel Energie freisetzen und stellt damit ein Gefahrenpotenzial dar, insbesondere für im Fahrzeug eingeschlossene oder eingequetschte Personen. Es werden deswegen verbesserte Akkus entwickelt, die diesbezüglich harmloser sind. Es ist auch zu beachten, dass auch ein Benzintank gefährlich ist: Auslaufendes Benzin kann sich unter dem Fahrzeug ausbreiten und entzünden, wodurch das ganze Fahrzeug abbrennen kann. Von daher ist ein Elektrofahrzeug nicht unbedingt unsicherer als ein konventionelles. Das Grundproblem bei jedem Auto ist, dass viel Antriebsenergie mitgeführt werden muss und diese bei einem Unfall unter Umständen auf unerwünschte Weise freigesetzt wird.

Ökobilanz des Elektroautos

Teil der Ökobilanz des Elektroautos (im Vergleich mit einem konventionell angetriebenen Fahrzeug) ist eine umfassende Energie- und Klimabilanz. Hinzu kommen Aspekte wie die Freisetzung von Schadstoffen bei der Produktion. Insgesamt müssen viele Aspekte berücksichtigt werden:

Insgesamt kommt man zu den folgenden Bewertungen (siehe z. B. [4]):

Dem Bau erheblich leichterer Fahrzeuge wird also für die Lösung der Energie- und Klimaprobleme eine entscheidende Bedeutung zukommen. In wieweit die entsprechenden Einschränkungen z. B. bei der Fahrzeuggröße auf Akzeptanz stoßen, ist freilich unklar. Immerhin besteht im Sektor Elektrofahrzeuge wegen der Batteriekosten erstmals ein starker finanzieller Anreiz zum Leichtbau.

Reichweite

Die Reichweite konventionell angetriebener Autos ist wegen der hohen Energiedichte von Benzin oder Dieselkraftstoff sehr hoch: typischerweise 500 bis 1000 km. Wegen der erheblich geringeren Energiedichte von Akkumulatoren (zumindest der bisher entwickelten) ist es beim Elektrofahrzeug sehr viel schwieriger, eine so hohe Reichweite zu erzielen. Wenn es mehr als 200 km sein sollen, wird der Anteil des Batteriegewichts am Gesamtgewicht sehr hoch, und die schwere Batterie verschlechtert die Energie- und Umweltbilanz erheblich.

Da in der Praxis die meisten Fahrten kürzer als 100 km sind, genügt eine Reichweite von 100 km für viele Zwecke. Allerdings dürfte die Akzeptanz der begrenzten Reichweite oft doch nicht hoch sein, da eben gelegentlich Probleme auftreten könnten, wenn weitere Strecken gefahren werden sollen. Für viele Haushalte würde deswegen ein Elektrofahrzeug noch am ehesten in Kombination mit einem konventionellen Fahrzeug in Frage kommen – wobei die hohen Anschaffungskosten aber gerade bei einem Zweitwagen problematisch sind.

Für 100 km Fahrstrecke benötigt ein Elektroauto typischerweise zwischen 15 und 25 kWh, je nach Fahrzeuggröße. (Bei schneller Autobahnfahrt oder starker Verwendung von Heizung oder Klimaanlage kann der Verbrauch auch höher liegen.) Wenn die Lithium-Ionen-Batterie eine Kapazität von 30 kWh hat (was bei 15 kWh pro 100 km eine Reichweite von 200 km ermöglichen würde) und die Herstellungskosten bei 150 €/kWh lägen (was hoffentlich in einigen Jahren erreicht wird), würde der Akku mit 4500 € zu den Herstellungskosten beitragen. Bislang ist es noch deutlich mehr. Einige tausend Euro sollten tragbar sein, da andererseits ein Elektromotor wesentlich weniger kostet als ein heutiger Verbrennungsmotor, der ungleich komplexer ist.

Man beachte, dass die in der Praxis erreichte Reichweite stark reduziert sein kann, wenn die Bedingungen ungünstig sind: insbesondere beim Winterbetrieb mit Heizung (siehe unten) oder bei recht schneller Fahrt. Auch durch die Batteriealterung nimmt die Reichweite mit der Zeit noch deutlich ab.

Die Vorstellung, die Reichweite eines Elektroautos könnte mit Photovoltaik (Solarzellen) auf dem Dach wesentlich gesteigert werden, ist nicht zutreffend. Die begrenzte Dachfläche ermöglicht nämlich auch bei vollem Sonnenschein nur eine elektrische Leistung, die recht gering ist im Vergleich zur durchschnittlich benötigten Antriebsleistung. Allerdings können Solarzellen zumindest bei längeren Standzeiten die Batterie wieder etwas nachladen.

Heizung

Wenn das Fahrzeug an kalten Wintertagen beheizt werden muss, ist dies beim Elektroauto ein Problem: Gerade wegen seiner hohen Effizienz erzeugt der Elektromotor (und auch der Rest des Antriebssystems) kaum Abwärme, während bei Verbrennungsmotoren reichlich Abwärme zum Heizen anfällt. Wenn nun eine Elektroheizung im Fahrzeug betrieben werden muss, sinken die Energieeffizienz und die Reichweite massiv. Eine deutlich günstigere Möglichkeit ist die Verwendung einer Klimaanlage, die sich für den Heizbetrieb als Wärmepumpe verwenden lässt. Eine andere Möglichkeit ist, für das Heizen einen kleinen Brenner zu verwenden, der z. B. mit Benzin, Alkohol oder Flüssiggas betrieben wird. Viele heutige Elektrofahrzeuge verfügen aber nicht darüber und sind deswegen für den Einsatz an kalten Tagen wenig geeignet, außer für sehr kurze Strecken.

Andererseits verlieren auch Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor bei niedrigen Temperaturen deutlich an Effizienz, zumindest auf kurzen Strecken, wegen der dann längeren Warmlaufphase.

Was muss besser werden?

Diverse technische Verbesserungen der Elektroautos sollten möglich sein, die seine Energie- und Umweltbilanz verbessern und/oder die Herstellungskosten senken könnten:

Massive Verbesserungen sind mittelfristig aber nur durch eine andere Strategie erreichbar: die Entwicklung kleinerer und wesentlich leichterer Fahrzeuge, auch wenn dies mit gewissen Komforteinschränkungen verbunden sein wird.

Staatliche Förderung von Elektroautos

In verschiedenen Ländern erhalten Käufer von Elektroautos einen teils sogar hohen staatlichen Zuschuss, der einen Teil der erhöhten Anschaffungskosten ausgleicht. Im Betrieb erfolgt eine Bevorzugung gegenüber konventionellen Fahrzeugen dadurch, dass keine Mineralölsteuer bezahlt werden muss. Zudem gibt es oft Vergünstigungen bei der Kraftfahrzeugsteuer. Die Hersteller können ebenfalls unterstützt werden, etwa durch staatlich finanzierte Forschungs- und Entwicklungsprogramme.

Begründet wird eine staatliche Förderung zum guten Teil damit, dass so ein Beitrag zum Klimaschutz und zur Reduktion der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern angestrebt wird. Wie oben gezeigt, kommt man diesen Zielen jedoch nur beim Einsatz von zusätzlich erzeugtem Strom aus erneuerbaren Energien näher, nicht aber mit dem heutigen deutschen Strommix (auch wenn dieser allmählich besser wird) und auch nicht dann, wenn sonst anders eingesetzter (also nicht zusätzlicher) Ökostrom verwendet wird. Deswegen könnte und sollte zukünftig die staatliche Förderung zumindest davon abhängig gemacht werden, dass für das Fahrzeug nur entsprechend zertifizierter Ökostrom eingesetzt wird – wobei die Zusätzlichkeit schwer zu garantieren ist. Eine Förderung der Ökostrom-Erzeugung oder des 3-Liter-Autos dürfte jedoch in jedem Falle eine viel höhere Klimaschutzwirkung haben als die Förderung von Elektroautos.

Wie sinnvoll eine staatliche Förderung von Elektroautos ist, ist in der öffentlichen Diskussion stark umstritten. Vor allem aufgrund der fraglichen Klimaschutzwirkung und der hohen Kosten (die die Finanzierung von wirksameren Maßnahmen verhindern) sprechen sich etliche Umweltschutzorganisationen dezidiert gegen eine solche Förderung aus. Andere dagegen fordern trotz allem eine staatlich forcierte Markteinführung in der Hoffnung auf zukünftige Verbesserungen (etwa durch die Batterieentwicklung und den besser werdenden Strommix). Bei der Industrie gibt es ähnlich gegensätzliche Meinungen und Interessen.

Trotz der genannten Bedenken hat die deutsche Bundesregierung in 2016 beschlossen, eine staatliche Förderung von Elektroautos einzuführen. (Gleichzeitig arbeitet die Bundesregierung an der Reduktion des Ausbaus der erneuerbaren Stromerzeugung, was dazu natürlich nicht passt.) Käufer von Elektroautos können in den nächsten Jahren eine Kaufprämie von bis zu 4000 € erhalten. Dies könnte dazu führen, dass sich die Zahl von Elektroautos in Deutschland deutlich erhöht. Jedoch wurde die Kaufprämie im Jahr der Einführung noch kaum nachgefragt.

Reichweitenverlängerer und Hybridantriebe als Ersatz oder Übergangslösung

Manche Elektrofahrzeuge werden mit einem Reichweitenverlängerer (Range Extender) ausgerüstet, d. h. mit einem Aggregat, welches mithilfe eines Verbrennungsmotors zusätzliche elektrische Energie liefern kann, wenn die Batterien nicht ausreichen. Dieser Ansatz wird in dem Artikel über Reichweitenverlängerer ausführlich erklärt.

Der genannte Ansatz entspricht im Prinzip einem Hybridantrieb, wobei allerdings der Reichweitenverlängerer nur für den gelegentlichen Einsatz gedacht ist, während ein eigentlicher Hybridantrieb den Verbrennungsmotor regelmäßig einsetzt. Eine scharfe Abgrenzung existiert allerdings nicht.

Ein Hybridantrieb, der einen Elektromotor und auch einen Verbrennungsmotor enthält, kann einige wichtige Vorteile des reinen Elektroantriebs bereits erreichen:

Nicht erreicht wird dagegen der Betrieb mit erneuerbarer Energie – außer teilweise beim Plug-in-Hybrid –, also die Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern, sowie der abgasfreie Betrieb. Auf der anderen Seite werden aber einige Probleme des reinen Elektroantriebs vermieden:

Auf jeden Fall bringt die zunehmende Verbreitung von Hybridfahrzeugen Erfahrungen, die teilweise auch für die weitere Entwicklung von Elektroautos nützlich sind: etwa mit Batterien (wenn auch kleineren), Hochleistungs-Elektronik und Elektromotoren. Der nächste Schritt in Richtung Elektroauto ist der Plug-in-Hybrid, bei dem die Batterie auch über das Stromnetz nachgeladen werden kann. Hier wird die Batterie aber etwas größer sein müssen (z. B. für die Speicherung von 10 kWh), und sie wird stärker belastet; eine hohe Lebensdauer wird also schwieriger zu erzielen sein. Wenn nun der Verbrennungsmotor stark verkleinert wird, kommt man zum oben genannten Reichweitenverlängerer (“Range Extender”). Wenn die Batterien schließlich gut genug entwickelt und/oder viele Elektrotankstellen verfügbar sind, kann auch dieser Verbrennungsmotor entfallen, und man hat das reine Elektroauto.

Übergang zum Brennstoffzellenfahrzeug

Als Ersatz für eine aufladbare Batterie könnte zukünftig eine Brennstoffzelle dienen. Ein solches Brennstoffzellenauto hätte den großen Vorteil, dass die Brennstoffzelle relativ kompakt und leicht wäre, weil die Energiespeicherung separat in einem Tank z. B. für Wasserstoff oder Methanol erfolgt. Die Energiedichte eines solchen Tanks wäre höher als die einer Batterie, so dass ein besserer Kompromiss zwischen Gewicht und Reichweite möglich wäre und die Reichweite die Herstellungskosten weniger beeinflussen würde.

Voraussichtlich würde eine kleinere Hochleistungs­batterie immer noch benötigt, da eine Brennstoffzelle weniger schnell auf eine andere Leistung eingestellt werden kann und auch keine Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation) erlaubt.

Bisher sind Brennstoffzellen aber noch sehr teuer, und die Lebensdauer ist ebenfalls begrenzt. Zudem müsste für Brennstoffzellenfahrzeuge eine neue Kraftstoff-Infrastruktur erstellt werden. Die Errichtung eines Netzes von Elektrotankstellen für Elektroautos wäre offenkundig keine nützliche Vorbereitung für die spätere Nutzung von Brennstoffzellenautos. Hinzu kommt, dass die Energiedichte eines Wasserstofftanks nicht dramatisch besser ist als die von Batterien, die derzeit immer besser werden.

Ein weiteres Problem sind die hohen Energieverluste. Wenn Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt wird, gehen rund 30 % der Energie verloren. In der Brennstoffzelle kann je nach Typ nochmals rund die Hälfte der Energie verloren gehen; weitere Verluste treten auf, wenn deren Energie zunächst noch in der Batterie zwischengespeichert werden muss. Insofern wäre die Einführung von Brennstoffzellenautos ein großer Rückschritt in Bezug auf die Energieeffizienz, und auch die Treibhausgasbilanz fällt entsprechend schlechter aus. Die Entwicklung besserer Batterien wäre insofern wesentlich attraktiver. Besser würde es allerdings aussehen, wenn die Biomassevergasung zukünftig große Mengen von Wasserstoff preisgünstig liefern könnte. Brennstoffzellenfahrzeuge wären dann jedenfalls eine effizientere und schadstoffärmere Lösung als solche, die Wasserstoff oder auch Biodiesel in Verbrennungsmotoren nutzen würden.

Elektroautos und öffentlicher Verkehr

Elektroautos können eine sinnvolle Ergänzung zum öffentlichen Verkehr sein, wenn z. B. der Großteil einer Strecke mit der Bahn gefahren wird, der letzte Rest bis zum Ziel aber mit einem gemieteten Elektroauto. Allerdings ist es ähnlich sinnvoll, dies mit einem benzingetriebenen Auto zu tun; in jedem Fall ist der gesamte Energieverbrauch für die Reise relativ gering.

Wenn viele Elektroautos privat betrieben werden, können diese auch eine Konkurrenz zum öffentlichen Nahverkehr darstellen: Eventuell wird dann manche Strecke, für die sonst ein Bus oder eine Tram verwendet worden wäre, mit dem Elektroauto gefahren, wodurch der Energieverbrauch stark ansteigt. (Dies wäre ein sogenannter Rebound-Effekt.) Andererseits könnte die Benutzung eines öffentlichen Verkehrsmittels auch dadurch begünstigt werden, dass man mit dem Elektroauto günstig zur Haltestelle kommt – wofür ein recht kleines Fahrzeug völlig ausreichen würde. Hier ist im Vergleich zum Benzinauto günstig, dass das Elektroauto gerade für sehr kurze Strecken keinen Effizienzverlust aufweist. Die Forschung wird noch zeigen müssen, ob Elektroautos in der Praxis den öffentlichen Verkehr eher sinnvoll ergänzen oder eher zurückdrängen.

Literatur

[1]Blog-Artikel: Elektromobilität am falschen Ort zum falschen Zweck
[2]Extra-Artikel: Mehr Spielraum durch Elektromobilität
[3]D. A. Notter et. al., “Contribution of Li-Ion Batteries to the Environmental Impact of Electric Vehicles”, http://www.newride.ch/documents/forschungsprojekt/Notter_Contribution_of_LiIon_Batteries_final_online_es903729a.pdf, Environ. Sci. Technol. 44, 6550 (2010)
[4]R. Frischknecht, “Königsweg oder Sackgasse? Das Elektroauto in der Ökobilanz”, http://www.forum-elektromobilitaet.ch/fileadmin/DATA_Forum/EKongress_2011/2_2_Rolf_Frischknecht.pdf, Vortrag beim 2. Schweizer Forum Elektromobilität (2011)
[5]H. Helms et al., Wissenschaftlicher Grundlagenbericht für eine eine umfassende Umweltbewertung der Elektromobilität, http://emobil-umwelt.de/images/pdf/ifeu_%282011%29_-_UMBReLA_grundlagenbericht.pdf, Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH (ifeu) (2011)
[6]H.-J. Althaus und C. Bauer, “Gegenüberstellung verschiedener aktueller Schweizer Ökobilanzstudien im Bereich Elektromobilität”, http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/117160/---/l=1, Empa und PSI (2011)
[7]Informationen über Elektroautos auf der Website von Mario Sedlak, http://sedl.at/Elektroauto, beispielsweise mit Diskussion der Stromherkunft

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: elektrische Energie, Elektromobilität, Elektromotor, Hybridantrieb, Akkumulator, Brennstoffzelle, Klimaschutz, Reichweitenverlängerer
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Fahrzeuge

Alles verstanden?


Frage: Unter welchen Umständen sind Elektroautos im Vergleich zu anderen besonders energieeffizient?

(a) bei Kurzstrecken-Fahrten

(b) auf Strecken mit starken Steigungen und Gefällen

(c) bei niedrigen Außentemperaturen

(d) bei Fahrten mit häufigen Stopps

(e) bei Verwendung von kabellosen Ladeeinrichtungen


Frage: Welche Fortschritte bei der Entwicklung von Lithium-Batterien für Fahrzeuge sind besonders dringlich?

(a) eine Verminderung der Energieverluste

(b) eine Erhöhung der Energiedichte

(c) eine Erhöhung der entnehmbaren Leistung

(d) eine Verminderung der Herstellungskosten

(e) eine Steigerung der Anzahl der möglichen Ladezyklen


Frage: Welche der folgenden Aussagen sind korrekt?

(a) Wenn ein Elektroauto vorwiegend mit einer Photovoltaikanlage aufgeladen wird, schneidet es im Vergleich zum Benzinfahrzeug immer massiv besser ab. Die Wirkungsgrade von Großkraftwerken sind dann für die Beurteilung nicht mehr relevant.

(b) Man könnte in Deutschland relativ problemlos zusätzlich ausreichende Mengen erneuerbarer elektrischer Energie erzeugen, um damit mehrere Millionen von Elektroautos zu betreiben.

(c) Wegen der hohen Ladeleistungen wäre ein breiter Einsatz von Elektroautos nur mit massiv verstärkten Stromnetzen möglich.

(d) Langfristig sollten die meisten Elektroautos mit Brennstoffzellen statt mit Batterien betrieben werden, weil dies viel effizienter wäre.

(e) Ein kleines Benzinauto kann wesentlich umweltfreundlicher sein als ein großes Elektroauto.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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