Dieses Kapitel gibt eine Einführung in die Elektromobilität. Dabei werden die einzelnen Technologien voneinander abgegrenzt und auf die Potenziale, aber auch Herausforderungen von BEV eingegangen sowie ein Überblick über die politischen Rahmenbedingungen gegeben.
Elektromobilität steht für „die Nutzung elektrischer Energie bei Fahrzeugantrieben inkl. Hybridantrieben“[5]. Darunter fallen strombetriebene Fahrzeuge, wie Straßenbahnen, Omnibusse und Züge, aber auch Elektroautos und Elektrofahrräder. Der Unterschied zwischen schienengebundenen Fahrzeugen und Elektroautos ist, dass die elektrische Energie hier während der Fahrt von einer Leitung abgegriffen wird und bei Elektroautos aus Akkumulatoren (Batterien) kommt.[6] Wenn man von einem Elektroauto spricht, ist der Grad der Elektrifizierung gegenüber einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor für die genaue Zuordnung ausschlaggebend. Der Toyota Prius war beispielsweise das erste Großserienmodell mit eingebautem Hybridantrieb.[7] Unter Hybrid versteht man die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem Elektromotor und einer Batterie.[8] Es ist somit nur zum Teil ein Elektroauto. Bei den Hybridfahrzeugen gibt es diverse Unterscheidungen, wie Abbildung 1 zeigt. Die Batterie, welche den Elektromotor betreibt, wird allerdings ausschließlich über den Generator vom Verbrennungsmotor, der durch fossile Brennstoffe betrieben wird und per Rekuperation, d.h. durch Energierückgewinnung beim Bremsen und im Schubbetrieb, aufgeladen. Über ein Steuersystem wird geregelt, wann welcher Antrieb zum Zuge kommt. Beim Anfahren, bei langsamen Stadtfahrten oder in Stop-and-Go-Verkehr reicht der Elektromotor aus. Im Stadtverkehr kommt somit hauptsächlich der Elektromotor zum Einsatz. Insgesamt kann so mehr Energie nutzbar gemacht werden und eine höhere Energieeffizienz erreicht werden.[9]
Abbildung 1: Einordnung des Elektroautos[10]
Nur bei Hybridfahrzeugen mit der neuen Plug-in-Hybrid-Technologie[11] kann das Aufladen der Batterie ebenfalls an der Steckdose erfolgen, sodass bis zu einer bestimmten Reichweite vor allem im städtischen Verkehr (in der Regel 20 – 50 km) rein elektrisch gefahren werden kann. Da in Deutschland 80% aller Einzelfahrten unter 50 km und für 90% der Emissionen im Straßenverkehr verantwortlich sind,[12] bietet diese Technologie bereits eine Lösung emissionsneutral zu fahren, sofern der Strom vorwiegend aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Zu den Plug-in Hybriden gehören auch Fahrzeuge mit der Range Extender Technologie. Sobald die Batterie leer ist, schaltet sich hier ein Verbrennungsmotor ein, der ausschließlich einen Generator, der wiederum Batterie und Elektromotor mit Strom versorgt, antreibt.[13] Beim Opel Ampera, den es seit Januar 2012[14] in Deutschland zu kaufen gibt, vergrößert sich dadurch die Reichweite von etwa 60 km auf bis zu 500 km.[15]
Rein elektrisch und lokal emissionsfrei fahren allerdings nur reine batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV)[16] sowie Wasserstoffautos mit Brennstoffzelle (FCEV). Anders als beim Hybridfahrzeug gibt es im BEV keinen Verbrennungsmotor. Somit ist der wesentliche Unterschied, dass BEV lediglich einen Elektromotor und Akkumulatoren haben.[17] Im Rahmen dieser Master-Thesis sind FCEV jedoch nicht Hauptfocus der Untersuchung. Im Theorieteil wird nicht weiter darauf eingegangen. Im empirischen Teil der Arbeit wird allerdings nicht zwischen BEV und FCEV abgegrenzt, damit die Aussagekraft der Ergebnisse für beide Theorien gilt.
Ein BEV bietet gegenüber Fahrzeugen mit anderen Antriebstechnologien wie Benzin- und Dieselmotor Vorteile, welche nachfolgend näher erläutert werden.
Energieeffizienz: Ein Benzinmotor setzt durchschnittlich 20 %[18] und ein Dieselmotor 35 %[19] der Primärenergie[20] im Kraftstoff in Bewegungsenergie um. Im realen Betrieb noch deutlich weniger, da er nicht immer im optimalen Bereich läuft wie z.B. im Stadtverkehr und bei Standzeiten an Ampeln. Ferner entstehen Energieverluste von rund 13 % bei der Kraftstoffherstellung.[21] Ein Elektromotor setzt dagegen mit einem Wirkungsgrad von max. 92 % etwa 3-mal so viel Energie in Bewegung um.[22] Aber von der eingesetzten Primärenergie erreichen nur 41,7%[23], das ist der durchschnittliche energetische Wirkungsgrad der deutschen Stromerzeugung, die Steckdose. Nach dieser „Well-to-Wheel“ Betrachtung, also von der Energiequelle bis zum Rad, liegt die Energieeffizienz des Elektroautos bei fast 40 % und damit höher als beim Benziner mit 17 % bzw. Diesel mit 30 %.[24] Sofern die Elektroautos ausschließlich durch Erneuerbare Energien[25] betrieben werden, sind Wirkungsgrade von über 70% möglich.[26]
Verringerung lokaler Emissionen: Bei der Umwandlung des elektrischen Stroms in kinetische Energie im Motor, werden keinerlei Schadstoffe frei, wie das bei den Verbrennungsmotoren der Fall ist. Besonders in stark belasteten urbanen Zentren kann somit der gesundheitsschädliche Smog (NOx- und Feinstaubbelastung) sowie Lärm vermieden werden.[27] Damit kann die Lebensqualität im urbanen Bereich gesteigert werden.
Geringer globaler CO2-Ausstoß: In Deutschland verursacht der Pkw-Verkehr ca. 14% der gesamten CO2-Emissionen.[28] Wird das Elektroauto mit Strom aus CO2 freier Erzeugung wie z. B. Wind geladen, verursacht es keine Treibhausgase.[29] Beim deutschen Strommix 2010 emittiert ein Elektroauto der Kompaktwagenklasse allerdings noch ca. 112 g CO2 / km[30]. Der Ausbau der erneuerbaren Energien wirkt sich aber weiter positiv aus. Im Vergleich dazu emittiert ein VW Golf 1.4 TSI mit 144 g CO2 / km[31] rund 28 % mehr. Wie groß die CO2-Einsparung letztendlich ist, hängt also von der Art der Stromerzeugung ab.
Unabhängigkeit vom Erdöl: BEV ermöglichen die Nutzung erneuerbarer Energiequellen im fast ausschließlich vom Erdöl abhängigen Straßenverkehr. Für die Stromerzeugung wird in Europa kaum Erdöl benötigt. Eine weitgehende Unabhängigkeit von steigenden Ölpreisen und Ölimporten ist damit gewährleistet.[32]
Niedrigere Betriebskosten: Der „i-MiEV“ von Mitsubishi verbraucht nach Herstellerangaben 13,5 kWh / 100 km[33]. Bei einem Strompreis von 0,22 Euro / kWh entspricht dies 2,87 Euro / 100 km Kraftstoffkosten. Selbst sparsame Dieselmotoren mit einem Verbrauch von 5 l / 100 km verursachen bei einem Dieselpreis von 1,40 Euro / l Treibstoffkosten von 7,00 Euro / 100 km. Darüber hinaus sind BEV wartungsarmer. Elektromotoren sind einfacher aufgebaut und besitzen erheblich weniger bewegliche Teile als Verbrennungsmotoren. Im Antriebsstrang beim BEV sind nur etwa 210 Teile gegenüber rund 1.400 beim konventionellen Fahrzeug verbaut.[34] Elektromotoren sind hinsichtlich der Antriebseinheit deutlich wartungsarmer und verwenden lediglich Schmierstoffe für die Wälzlager, sodass Ölwechsel überflüssig werden.[35]
Neue Mobilität: Die Formen heutiger Mobilität werden sich verändern. Sie werden vielseitiger, individueller und an moderne Stadtbilder und fortschrittliche Mobilitätskonzepte angepasst. Elektrofahrzeuge können ein Baustein für intelligente und multimodale Mobilitätskonzepte der Zukunft sein.[36]
Außerdem könnte die intelligente Nutzung der Batterien von Elektrofahrzeugen als Stromspeicher eine Möglichkeit bieten, die Gesamteffizienz der Stromversorgung zu erhöhen.[37] Auf diesen Bereich wird in dieser Thesis aufgrund der Komplexität jedoch nicht weiter eingegangen. Neben diesen Vorteilen gibt es aber auch noch Einschränkungen und damit Herausforderung für die Weiterentwicklung der BEV, die nachfolgend aufgeführt werden.
Die Reduzierung der Batterie- / Fahrzeugherstellungskosten, die Erhöhung der Reichweite und die Errichtung einer bedarfsgerechten Ladeinfrastruktur stellen drei wesentliche Herausforderungen der Elektromobilität dar.
hohe Batteriekosten: Die Kosten für derzeit erhältliche Batteriesysteme für Elektroautos liegen bei etwa 1.000 Euro pro kWh. Damit kostet die 16 kWh Lithium-Ionen-Batterie eines Mitsubishi i-MiEV aktuell...
