Energiewissen

Keine andere Energieart lässt sich so einfach, vielfältig, sauber und verlustarm in Wärme, Licht, mechanische Arbeit oder auch Schall umwandeln wie Elektrizität.

Elektromobilität

Schon länger steht fest, dass der Verbrennungsmotor auf lange Sicht nicht mehr die zentrale Antriebstechnologie im Bereich der Mobilität sein kann, sodass neue, innovative und nachhaltigere Lösungen gefordert sind.
Daher rückt die E-Mobilität zunehmend in den Vordergrund, unter der man die Nutzung von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen versteht.

Neben der lokalen Emissionsfreiheit (also den Emissionen am Fahrzeug selbst) sind bessere Fahrleistungen, effizientere Motoren und mehr Platz im Innenraum der Fahrzeuge nur einige Vorteile der E-Mobilität.
Doch gibt es auch noch zu lösende Herausforderungen im Bereich der Ladeinfrastruktur, der Batterieherstellung und der tatsächlichen Emissionsfreiheit in Bezug auf den Stromsektor.

Es ist allerdings nicht zu übersehen, dass sich die gesamte Branche im Aufbruch befindet. Allein in den Jahren 2016 und 2017 investierte die deutsche Automobilindustrie fast 4,7 Milliarden Euro in die Elektromobilität (Quelle: Statista). Als einzuholende Vorreiter gelten aber weiterhin asiatische Hersteller und ein exklusiv auf E-Mobilität ausgerichtetes amerikanisches Unternehmen. Insgesamt können diese Märkte jedoch nicht mit den deutschen Investitionen mithalten (in den USA wurden im gleichen Zeitraum nur 335 Millionen Euro investiert). Auch bei den Neuzulassungen ist ein klarer Trend nach oben zu erkennen. So wurde die Anzahl an Neuzulassungen mit circa 12.000 im Jahr 2015 bis 2018 mit circa 36.000 Neuzulassungen verdreifacht (Quelle: Statista). Um diese Tendenz weiter zu fördern, plant ein großer deutscher Automobilkonzern für 2020 eine weitere Großoffensive mit mehreren E-Modellen und einer eigenen Plattform für E-Autos, die die Produktion deutlich vereinfachen und wirtschaftlich effizienter machen soll.

 

Ladeinfrastruktur:

Elektroautos können sowohl mit Wechselstrom (AC (alternating current)) als auch mit Gleichstrom (DC (direct current)) geladen werden. Dabei wird Wechselstrom für gewöhnlich beim Laden mit einer Wallbox über den Hausanschluss verwendet, während Gleichstrom in der Regel an sogenannten Schnellladestationen zum Einsatz kommt, die beispielsweise an Autobahnraststätten zu finden sind. Dabei kann mit Wechselspannung eine maximale Ladeleistung von aktuell 22 kW erzielt werden, was problemlos für das volle Aufladen einer Batterie über Nacht genügt. Für schnelleres Laden ist Gleichstrom zu präferieren, da dieser mit aktuell bis zu 150 kW je nach Batteriegröße diese in circa 20 Minuten zu 80 Prozent aufladen kann. Allerdings stresst die Schnellladung den Akku eines Elektrofahrzeuges deutlich stärker als das langsamere Laden über beispielsweise den Hausanschluss.

Zeitgemäß ist daher heute neben dem für Wechselstromladen typischen „Mennekes-Stecker“ (IEC Typ 2) an öffentlichen Ladestationen der sogenannte CCS-Stecker (CCS = Combined Charging System), der sowohl AC-Ladung als auch DC-Ladung ermöglicht.

Die öffentliche Ladeinfrastruktur selbst ist allerdings weiterhin ausbaufähig. Viele Ladesäulen sind häufig defekt, haben Probleme mit der Abrechnung oder verfügen über einen Steckertyp, der nicht kompatibel mit dem eigenen Fahrzeug ist. Insbesondere in vielen ländlichen Regionen mangelt es zudem schlichtweg an der Anzahl an verfügbaren Ladesäulen, um über weitere Strecken verlässlich von A nach B zu gelangen.

 

Batterieherstellung:

Die Batterieherstellung ist wohl eines der kontroversesten Themen im Zusammenhang mit der E-Mobilität. Momentan werden hauptsächlich Lithium- Ionen-Zellen für die Akkutechnik verwendet (günstige Nickel-Mettalhybrid- Akkus nur noch selten). Die Akku-Zellen selbst werden von den meisten Autoherstellern extern beschafft, wobei Tesla bereits angekündigt hat, als genereller Vorreiter der E-Mobilität auch in die Zellentwicklung und -produktion einzusteigen.

Problematisch ist neben dem hohen Gewicht eines Akkus (E-Autos sind im Vergleich zu ähnlichen Verbrennern für gewöhnlich deutlich schwerer.) die ökologisch diskutable Herstellung der Batterie in Bezug auf den Energieverbrauch und einige Inhaltsstoffe.

 

Reichweite, Stromverbrauch und -speicher:

Der tatsächliche Stromverbrauch eines Elektrofahrzeuges, an der sich letztlich auch die Reichweite orientiert, ist stark abhängig von der Außentemperatur (Wirkungsgrad im Winter ohne zusätzliche Heizung erheblich geringer als im Sommer) und der Fahrweise des Fahrers. Im Durchschnitt kann man einen Stromverbrauch zwischen 12 und 16 kWh auf 100 Kilometern erwarten, sodass sich bei einem angenommenen Strompreis von 30 Cent/kWh Gesamtkosten von gerundet 4 bis 5 Euro ergeben. Vergleicht man dies mit einem mit Benzin betriebenen Fahrzeug und nimmt einen sehr geringen Verbrauch von 5 Litern auf 100 Kilometern und einen aktuell sehr geringen Benzinpreis von 1,30 Euro pro Liter an, liegt man mit 6,50 Euro hier schon deutlich über den Gesamtkosten des E-Autos (trotz der Grundannahmen zum Vorteil des Verbrenners).

In Bezug auf die Batteriegröße gibt es eine große Bandbreite an möglichen Speicherkapazitäten. Die meisten Hersteller bieten ihren Kunden dabei je Modell

mehrere auf den Bedarf des Kunden zugeschnittene Optionen an, die sich mit zunehmender Größe natürlich auch im Preis entsprechend widerspiegeln. So gibt es kleine Akkus mit einem Inhalt von 22 kWh, aber auch deutlich größere Energiespeicher mit beispielsweise 100 kWh.

 

Elektromotoren:

Das Gegenstück zum Generator, der aus mechanischer Leistung elektrische Leistung erzeugt, ist der Elektromotor, der diese elektrische Leistung wieder in Bewegung (also mechanische Leistung) umwandelt.
Elektromotoren werden in E-Autos mit Drehstrom (also Dreiphasenwechselspannung) betrieben. Dabei wird zwischen Asynchron- und Synchronmotoren mit einem Permanentmagneten unterschieden. In Asynchronmotoren wird Strom in den Rotor (Läufer; der bewegliche Teil des Motors) induziert, während im Synchronmotor die Bewegung des Rotors (Permanentmagnet) synchron zur Bewegung des mittels Wechselspannung hervorgerufenen magnetischen Drehfeldes im Stator (unbeweglicher Teil des Motors) erfolgt.

Wird der Elektromotor als Generator betrieben (also kein Strom induziert, aber dennoch kinetische Energie (Bewegungsenergie) durch Rollen des Fahrzeuges im Rotor erzeugt), rekuperiert der Motor, indem er einen Teil der Bewegungsenergie in elektrische Energie zurückwandelt und damit einhergehend Bremskraft erzeugt, sodass das Fahrzeug verzögert.

Dabei rekuperiert ein Synchronmotor mit Permanentmagnet unter den oben beschriebenen Bedingungen immer, während ein Asynchronmotor bedarfsweise zugeschaltet werden kann, was beispielsweise sinnvoll ist, wenn Fahrzeuge mit Motoren an Vorder- und Hinterachse im sogenannten „Segelmodus“ fahren (Nur der Synchronmotor an der Hinterachse läuft, der Asynchronmotor an der

Vorderachse soll aber auch nicht rekuperieren, da dies zur Verzögerung des Fahrzeuges führen würde.).
Weiterführend sind Asynchronmotoren etwas günstiger in der Produktion und langlebiger als Synchronmotoren.

Generell weisen Elektromotoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad (teilweise fast 95 Prozent) auf und sind damit bei Weitem effizienter als der konventionelle Verbrennungsmotor. Zudem können Sie aufgrund des signifikant höheren Drehmoments ihre Leistung besser auf die Straße bringen, als dies gleichwertige Fahrzeuge aus dem Verbrennersegment können, was sich in erheblichen Differenzen bei der Beschleunigung widerspiegelt. Darüber hinaus benötigen Elektroautos – bedingt durch den hohen Wirkungsgrad des Motors – für gewöhnlich kein Mehrganggetriebe wie Verbrennungsmotoren.