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Können wir den Strombedarf für Elektroautos problemlos decken?

Erschienen 2016-12-12 im RP-Energie-Blog (als E-Mail-Newsletter erhältlich!)

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Autor: , RP-Energie-Lexikon, RP Photonics Consulting GmbH

Inhalt: Manche machen sich Sorgen darüber, ob er den absehbar wachsenden Stromverbrauch durch massenhaft eingesetzte Elektroautos vernünftig decken können. Hier wird anhand einiger einfacher Rechenbeispiele gezeigt, wie groß oder klein das Problem tatsächlich ist.

Rüdiger Paschotta

Dass wir nicht auf Dauer massenhaft mit fossilen Brennstoffen angetriebene Fahrzeuge einsetzen können – hauptsächlich wegen des unabdingbaren Klimaschutzes – ist inzwischen gut bekannt. Dass Elektroautos wohl die einzige Möglichkeit darstellen, trotzdem einen umfangreichen Individualverkehr aufrecht zu erhalten, ist auch klar. Schließlich haben andere Ansätze wie Biogas und Biodiesel nur recht beschränkte Potenziale und sind ökologisch auch nicht so vorteilhaft, wie man es sich wünschen sollte. Jedoch entsteht die Sorge, ob der durch Elektrofahrzeuge wachsende Bedarf an elektrischer Energie auch gut gedeckt werden kann und ob man damit das Problem nur in einen anderen Sektor verlagert.

Im Folgenden soll anhand einiger einfacher Rechenbeispiele gezeigt werden, inwieweit hier tatsächlich Probleme zu erwarten sind.

Vergleich mit Energieverbrauch eines konventionell angetriebenen Fahrzeugs

Zunächst einmal ist von Interesse, ob ein Elektroauto mehr oder weniger Energie verbraucht als ein konventionell angetriebenes. Der Vergleich ist freilich nicht trivial, da es sich um unterschiedliche Energieformen handelt:

  • Ein nicht allzu großes benzingetriebenes Auto braucht beispielsweise 5 Liter Benzin pro 100 km. Das entspricht einem Primärenergiegehalt von ca. 42,5 kWh (nach dem Heizwert berechnet).
  • Ein ähnlich großes Elektroauto mag für diese Strecke 15 kWh elektrische Energie benötigen. Nun wird Strom üblicherweise nicht aus Benzin hergestellt – womit sollen wir also vergleichen? Mit Strom aus einem halbwegs effizienten Gaskraftwerk würde man rund 30 kWh Erdgas benötigen. Natürlich ginge es auch mit 15 kWh Solarstrom. Dagegen läge man bei Kohlestrom in einem ehelichen Primärenergieverbrauch wie beim benzingetriebenen Auto.

Also hängt schon die Menge der für das Elektroauto benötigten Primärenergie stark davon ab, wie man diese bereitstellt. Für die spezifische Umweltbelastung gilt dies erst recht. In der Regel steht das Elektroauto aber schon heute deutlich besser da, und zukünftig wird die Stromerzeugung sicherlich noch grüner werden.

Besondere Vorteile hat Elektroantrieb natürlich auf kurzen Strecken und im langsamen Verkehr, weil die Nachteile durch die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors und seine niedrigen Wirkungsgrad bei niedriger Motorleistung entfallen.

Zusätzlicher Strombedarf in einem Haushalt

Ein typischer Vierpersonenhaushalt verbraucht pro Jahr rund 4000 kWh Strom. Wenn nun zusätzlich ein Elektroauto (wie oben beschrieben) betrieben wird, mit dem pro Jahr 10 000 km gefahren werden, kommen dadurch noch rund 1500 kWh dazu – das ist also eine recht spürbare Erhöhung des Verbrauchs. Allerdings folgt daraus nicht, dass die Umstellung von Benzin auf Strom nicht vertretbar wäre; schließlich wird an anderer Stelle eine meist größere Energiemenge eingespart.

Wenn der Haushalt über eine Photovoltaikanlage verfügt und diese oft für das Aufladen der Autobatterie genutzt werden kann, steigt der Anteil des Eigenverbrauchs und damit die Wirtschaftlichkeit der Solaranlage bzw. des Elektrofahrzeugs: Man zahlt dann effektiv wesentlich weniger für den Strom. Energiewirtschaftlich gesehen ist es allerdings relativ wenig wichtig, ob der Solarstrom vom eigenen Dach verwendet wird oder als Ökostrom woanders erzeugt und über das öffentliche Stromnetz transportiert wird; für den nötigen Ausbau der Stromnetze dürfte dies jedenfalls nicht allzu viel ausmachen.

Zusätzlicher Strombedarf für ganz Deutschland

Das offizielle Ziel der Bundesregierung ist immer noch, bis 2020 eine Million Elektroautos auf die Straße zu bekommen. Das wird zwar sicher nicht klappen, jedoch kann man trotzdem schon einmal ausrechnen, wie stark dies den Strombedarf Deutschlands erhöhen würde, wenn diese Fahrzeuge z. B. durchschnittlich 1500 kWh pro Jahr verbrauchen würden: offenkundig um 1,5 Milliarden Kilowattstunden bzw. 1,5 TWh. Das ist im Vergleich zur deutschen Bruttostromerzeugung von 647 TWh (Stand 2015) nicht viel. Allein die Windenergie brachte in Deutschland in 2015 bereits gut 79 TWh.

Natürlich gibt es in Deutschland mittel- und langfristig noch viel mehr Fahrzeuge zu ersetzen – beispielsweise rund 45 Millionen Pkw. Wenn diese alle elektrisch betrieben werden sollten, würde dies beispielsweise den größten Teil der momentanen Windenergieproduktion auffressen. Allerdings lässt sich die Windenergie- und Solarenergieproduktion noch wesentlich steigern – insbesondere dann, wenn in Form von Fahrzeugen solche Verbraucher hinzukommen, deren Bedarf sich ein gutes Stück weit den momentanen Energieangebot anpassen lässt.

In der Tat wird es unabdingbar sein, dass die Elektroautos zu einem guten Teil nicht einfach dann geladen werden, wenn es dem Benutzer gerade einfällt, sondern wenn gerade ausreichend Kapazitäten hierfür vorhanden sind. Man wird also der Ladeelektronik irgendwie mitteilen müssen, bis wann das Auto wie weit geladen sein sollte, und die Details werden dann automatisch so eingerichtet, dass das Laden energiewirtschaftlich und in der Folge auch für den Benutzer möglichst kostengünstig erfolgt. Diesbezüglich kommen natürlich Schnellladestationen beispielsweise an Autobahnraststätten kaum infrage, jedoch viele zu Hause einzurichtende Ladestationen. Aufgabe des Staates wird sein, die Entstehung entsprechender technischer Standards z. B. für die technische Kommunikation zwischen Netzbetreibern und Ladegeräten sowie für die abrechnungstechnische Behandlung zu beschleunigen. (In der öffentlichen Diskussion wird bisher nur die nötige Errichtung vieler Ladestation behandelt.)

Fazit

Elektroautos werden in den nächsten Jahrzehnten massenhaft benutzt werden, da es kaum eine Alternative dazu gibt. (Natürlich sollten unbedingt Ansätze verfolgt werden, das Verkehrsaufkommen möglichst klein zu halten, jedoch sind dem Grenzen gesetzt.) Dadurch wird ein erheblicher zusätzlicher Strombedarf entstehen. Jedoch erscheint es durchaus möglich, diesen auf ökonomisch und ökologisch sinnvolle Weise zu decken – auch wenn die derzeitige Bundesregierung ihr Engagement für die Energiewende anscheinend vorwiegend so versteht, dass sie das Wachstum der erneuerbaren Stromerzeugung möglichst niedrig halten soll. Offenkundig macht es wenig Sinn, einerseits für einen möglichst schnellen Einstieg in die Elektromobilität zu werben, andererseits aber die dafür geeignete Stromerzeugung nach Kräften zurückzudrängen.

Übrigens ist die Entwicklung im Verkehrsbereich ein gutes Beispiel für den allgemeineren Trend, dass eine weitergehende Elektrifizierung erfolgt, weil es vernünftigere Ansätze schlicht nicht gibt. Nur im Strombereich haben wir die Möglichkeit, eine ganze Reihe neuer sauberer Energiequellen mit großem Potenzial anzuzapfen. Beispielsweise für die Nutzung von Biomasse gibt es hier sehr viel engere Grenzen. Dies hat zu einem guten Teil mit der dort vergleichsweise niedrigen Flächennutzungseffizienz zu tun. Erst wenn Cellulose aus pflanzlichen Abfällen technisch wesentlich besser genutzt werden könnte, würde hier ein deutlich größeres Potenzial erwachsen. In dieser Hoffnung bei den Verbrennungsmotoren zu bleiben, erscheint aber nicht als sinnvoll.

Man beachte auch den aktuellen Artikel "Wird eine Disruption den Energiemarkt umkrempeln?" vom Energieblogger-Kollegen Kilian Rüfer.

Nachtrag: Stromverbrauch für Kraftstoffe

Ich bin von einem Leser darauf hingewiesen worden, dass ich einen womöglich wichtigen Aspekt im Artikel nicht behandelt hatte: den Stromverbrauch, der mit der Kraftstoffversorgung zusammen hängt. Konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor benötigen Kraftstoffe, und deren Herstellung und Transport kostet viel Energie – teils auch elektrische Energie. Hierzu gibt es einen interessanten Artikel von Julian Affeldt: "So viel Strom brauchen Autos mit Verbrennungsmotor". Leider konnte dort nicht aufgeklärt werden, wie viel der für die Kraftstoffe benötigten Energie tatsächlich Strom ist (also elektrische Energie). Bei der Herstellung in der Raffinerie dürfte dies der kleinere Teil sein. Auch die Sache mit den Tankstellen überzeugt nicht so ganz; ähnliche Dinge werden auch im Zusammenhang mit Elektro-Ladestationen betrieben werden. Es mag jedoch schon sein, dass mit der Elektrifizierung des Straßenverkehrs hier und da auch einiges an Stromverbrauch entfällt, was vom zusätzlichen Verbrauch für die Elektrofahrzeuge abzuziehen wäre.

Dieser Artikel erschien als Teil des RP-Energie-Blogs von Dr. Rüdiger Paschotta. Sie können Links auf diese Seite setzen, da ihre Adresse permanent ist, und die Seite auch zitieren. Siehe auch das RP-Energie-Lexikon.

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Kommentare von Lesern

12.12.2016

Es würde helfen, keine fest eingebauten Akkus zu verwenden, sondern diese auf “Tankstellen” komplett auszutauschen. Dies hat zwei Vorteile:

1. können die ausgebauten Akkus ideal aufgeladen werden, auch angepasst an das Angebotsprofil

2. dauert das Tanken nur Minuten.

Nötig wäre allerdings ein Standardformat und eine Energieinhaltsgarantie seitens der Tankstellen.

Antwort vom Autor:

Ja, das wäre im Prinzip durchaus sinnvoll. Auf diese Weise könnte man den Stromverbrauch für die Fahrzeuge zeitlich sehr viel besser steuern. Günstig ist außerdem, dass die Investitionskosten für die Akkus und das Ausfallrisiko auf die Anbieter übergingen, die diese Kosten dann auf die gefahrenen Kilometer verteilen würden. Das würde die Einstiegsschwelle für Autokäufer erheblich reduzieren.

Das Konzept wurde auch schon erprobt von der Firma Better Place, die dann allerdings in 2013 insolvent wurde. Renault konnte als einziger Autohersteller für dieses Konzept gewonnen werden. Offenbar ist es sehr schwierig, einen guten Teil der Autohersteller zur Verwendung eines stark standardisierten Systems zu motivieren, bzw. einen von allen akzeptierten Standard für die Batterien und die zugehörige Wechsel-Mechanik zu entwickeln. Hier müsste man wohl vom Staat aus – z. B. auf EU-Ebene in Zusammenarbeit mit Japan und den USA – eine solche Entwicklung gezielt initiieren.

13.12.2016

Vielen Dank für diese großartige Analyse! Der Kernpunkt ist, dass wir Elektromobilität mit erneuerbarer Energie betreiben können und sollten.

Zum “Zusätzlichen Strombedarf in einem Haushalt” möchte ich ergänzen:

Gerade in unseren Haushalten haben wir ein großes Effizienzpotential beim Stromverbrauch. Ich selber konnte in meinem 2-Personen-Haushalt den (recht niedrigen) Verbrauch von 2500 kWh/a in kurzer Zeit ohne Komfortverlust auf 1700 kWh/a senken.

Wer sich für Elektroautos interessiert, kann sich bestimmt auch für Effizienz in seinem Stromverbrauch begeistern und seinen Mobilitäts-Energiemehrverbrauch damit zum großen Teil kompensieren.

Zur Anregung: http://gruenert-mz.de/stromspartipp-nein-danke/

Antwort vom Autor:

Die Entscheidung, ob man nun ein Elektroauto anschafft, sollte eigentlich nicht davon abhängen, wie viel Strom man anderswo einsparen kann. Jedoch finde ich die hier genannte Webseite tatsächlich gut gemacht und lehrreich.

22.12.2016

Einige Kritikpunkte würde ich dann doch mal einbringen.

Wenn ich mal fix Google benutze, finde ich heraus, dass ein Benziner im Schnitt 6,9 Liter pro 100 km braucht und den offiziellen Schnitt von 14259 km, was im Jahr gefahren wird.

Das sind mal knapp 40 % mehr, als in ihrer Rechnung angegeben. In Kombination mit dem höheren Verbrauch komme ich auf einen Verbrauch von 7514 kWh beim Benziner (warum eigentlich nur Benzin?).

Wenn ich jetzt die Steckdosen Werte vom I3 nehme (15 kWh / 100 km), komme ich auf 2100 kWh pro Jahr (Tesla S85 2800 kWh). Bei mir im Haus stehen 28 Autos; mit je 2000 kWh/Jahr sind wir schon bei einem mehr Verbrauch von 56 MWh/J! Ich bezweifle sehr stark, dass wenn ein ganzer Straßenzug diese Leistung mehr zieht, unser derzeitiges Stromnetz das hält.

Das nächste Problem was ich sehe ist die Idee mit dem Solar daheim. Leute auf Nachtschicht, Rentner und Arbeitssuchende ausgenommen ist kaum einer zur Mittagszeit daheim, wenn die Sonne scheint. Einen Energie Speicher hat wohl auch keiner. Um das ganze sinnvoll zu nutzen bräuchte man Ladestationen auf Arbeit zugleich benötigt man auch daheim eine Ladestation. Verbunden mit dem Netzumbau dürfte das eine teure Angelegenheit werden.

Eine Art Tankstelle, wo die Batterien gewechselt werden, wäre da die bessere Idee, allerdings (Gott ich bin gerade arg am schwarzmalen…) ist die Batterie bekanntlich das teuerste Teil am Auto, wodurch die Kosten massiv steigen würden.

Versteht mich nicht falsch, ich verstehe sehr gut, dass wir die E-Mobilität benötigen, aber diese Probleme sollte man vorher lösen bzw. ein Konzept dazu entwickeln, was realistisch umgesetzt werden kann.

Dass die Preise für E-Autos sehr hoch sind wird sich dank der Massenfertigung in den nächsten Jahren sicher auch ändern. Was mich allerdings interessieren würde ist, ob es genügend Ressourcen gibt um diese Batterien auch zu fertigen?

Viele Grüße

Marco Trobisch

Antwort vom Autor:

Vereinzelt könnte es tatsächlich zu Engpässen auch in den Verteilungsnetzen geben, und natürlich wäre es ziemlich teuer, diese eigens für die Elektroautos ausbauen zu müssen. Allerdings dürfte es meistens genügend Reserven geben, um bei vielen Haushalten zusätzlich noch ein Elektroauto zu versorgen – vorausgesetzt, dies kann zeitlich einigermaßen gut gesteuert werden. Schließlich müssen ohnehin für jeden Haushalt etliche Kilowatt zur Verfügung stehen, sogar noch mit Reserven für Elektroheizungen (die nach und nach frei werden).

Die Autobatterie zu Hause mit Photovoltaik zu laden, scheidet natürlich für viele Nutzer aus. Wenn die Autos am Arbeitsplatz geladen werden müssen, ist dies allerdings keineswegs ein größeres Problem; im Gegenteil dürfte die Photovoltaik durch den Mittelungseffekt bei mehreren Benutzern sogar eher noch besser für diesen Zweck passen.

Ja, die Umstellung auf Elektroautos wird hier und da einige Probleme und Kosten verursachen. Für die bisherige Lösung – Autos mit Verbrennungsmotor – gilt dies allerdings auch. Man denke allein schon an die volkswirtschaftlichen Belastungen durch die Luftverschmutzung, die unter anderem viele Atemwegserkrankungen verursacht. Da könnte man im Prinzip auch sagen, lösen wir doch erst mal diese Probleme, bevor wir solche Autos in Betrieb nehmen. Andererseits ist es tatsächlich klar, dass man die Probleme nicht so einfach und billig durch den Wechsel der Antriebstechnologie löst – also genauso billig mit genauso großen und leistungsfähigen Autos fahren kann, nur eben ohne CO2 und Luftschadstoffe.

Engpässe bei begrenzt verfügbaren Materialien sollten vorläufig ein überschaubares Problem bleiben; natürlich wird man die Batterien auch dahingehend optimieren und ggf. Recyclingverfahren entwickeln. Jedenfalls sehe ich in dieser Problematik keinen Grund, länger beim Verbrennungsmotor zu bleiben.

20.03.2017

Das Problem sehe ich eher an der Ladeleistung die benötigt wird.

Eine grobe Abschätzung: Angenommen man hat eine Million E-Autos. Wenn jetzt 20 % (könnte passieren) gleichzeitig ihr Auto laden wollen, dann benötigt man eine Leistung von 5400 MW zusätzlich im Netz. (Meine Annahme: 180 000 an der herkömmlichen Steckdose mit 15 kW, 20 000 an einer Schnellladesäule mit 135 kW.) 5,4 GW sind zwischen ca. 12 % und 6 % der deutschen Gesamtlast, je nach Zeitpunkt.

Ich denke es liegt eher dort das Problem. Vor allem, wenn die Zahl von 1 Mio. Autos noch wachsen soll. Oder habe ich einen “Denkfehler” in meiner Schätzung?

Antwort vom Autor:

Wie gesagt, wenn die meisten Leute ihre Autos laden würden, wenn es ihnen gerade einfiele, ohne Rücksicht auf die jeweiligen Kapazitäten zu nehmen, käme es schnell zu Engpässen. Wenn dagegen ein guter Teil dann geladen würde, wenn es vom Netz her gerade gut passt, könnte man schon mit den heutigen Kapazitäten einiges anfangen. Zeitweise hat man durchaus etliche Gigawatt für so etwas übrig.

07.04.2017

Primärenergie von Benzin/Diesel: Das muss erst mit hohem Energieaufwand raffiniert werden, also auch mit eingerechnet werden.

Antwort vom Autor:

Der Energieaufwand in der Erdölraffinerie ist nur ein Bruchteil der Energie, die im Kraftstoff steckt – und vor allem kaum elektrische Energie. Das heißt, dass durch Umstellung auf Elektroautos kaum Strom in den Raffinerien überflüssig würde, den man dann für die Autos nutzen könnte.

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