Chancen  und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten  I

Inhaltsverzeichnis

Seite   

Abbildungsverzeichnis   II

Abk  ürzungsverzeichnis  III

1.  Einleitung  1

2.  Theoretische und begriffliche Grundlagen.  2

2.1  EV, PHEV, Range Extender und Radnabenmotor  2

2.2  Differenzierung EV und konventionelle Verbrennungsmotoren  4

2.2.1  Nutzungsgrad  4

2.2.2  Umweltbilanz  7

2.2.3  Kostenfaktor  9

2.3  Entwicklung und Kosten der Batterietechnologie.  12

2.3.1  Entwicklung  12

2.3.2  Kosten von Li-Ionen Batterie  13

2.4  Energieeffizienz der erneuerbaren Energien  14

2.5  Batterieaufladesysteme  17

2.5.1  Zuhause  17

2.5.2  Plug/Park and Charge  18

2.5.3  Schnellladestation  19

2.5.4  Solarladestation  19

2.5.5  Batteriewechselstationen  19

2.6  Zusammenfassung  20

3.  Weltweit umgesetzte Projekte  21

3.1  Project Better Place  21

3.1.1  Intro  21

3.1.2  Parteien  21

3.1.3  Fahrzeug  21

3.1.4  Aufladesysteme  22

3.1.5  Businessmodell  22

3.1.6  Israel  23

3.1.7  Dänemark  23

3.1.8  Ausblick  24

3.2  Th nk  24

3.2.1  Intro  24

3.2.2  A306  25

3.2.3  Kosten  26

3.2.4  Lebenszyklusanalyse  26

3.2.5  Zukunft  26

4  Deutschland  27

4.1  Marktstruktur  27

4.2  Politik  28

4.2.1  Erneuerbare Energien Gesetz EEG  28

4.2.2  Ökologische Steuerreform / KfZ Steuer  30

4.2.3  Atomgesetz AtG  30

4.2.4  Stromsteuergesetz StromStG  30

4.3  Energie  30

4.3.1  Energiebilanz.  30

4.3.2  Erneuerbare Energien EE  32

4.3.3  Windenergie  33

4.3.4  Biomasse  35

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4.3.5  Photovoltaik  35

4.3.6  Wasserkraft  36

4.3.7  Geothermie  37

4.4  Kennzahlenübersicht  37

5  Frankreich  38

5.1  Marktstruktur  38

5.2  Politik  39

5.2.1  CO 2 basiertes Verkaufssystem  39

5.2.2  Pariser Modell  40

5.2.3  La Poste  40

5.2.4  Beschlüsse  41

5.3  Energie  42

5.3.1  Energiebilanz.  42

5.3.2  Kernenergie  42

5.3.3  Windkraft  43

5.3.4  Wasserkraft  43

5.3.5  Erneuerbare Energien  44

5.4  Kennzahlenübersicht  44

6  Vereinigte Staaten von Amerika  45

6.1  Marktstruktur  45

6.2  Politik  47

6.2.1  Zero Emission Gesetz  47

6.2.2  Renewable Portfolio Standards  48

6.2.3  Driving Alternatives - Programm  48

6.2.4  Energy Independence and Security Act 2007  48

6.2.5  Renewable Energy and Job Creation Act 2008.  49

6.3  Energie  49

6.3.1  Energiebilanz.  49

6.3.2  Wasserkraft  51

6.3.3  Windkraft  52

6.3.4  Solarenergie.  52

6.3.5  Biomasse  53

6.3.6  Geothermie  53

6.4  Kennzahlenübersicht  54

7  China  55

7.1  Marktstruktur  55

7.2  Politik  56

7.2.1  Gesetz zur Förderung erneuerbarer Energien  56

7.2.2  Strategieplan 2020  57

7.2.3  Umweltschutzgesetz  57

7.3  Energie  58

7.3.1  Energiebilanz.  58

7.3.2  Kohlekraft  60

7.3.3  Kernenergie  61

7.3.4  Wasserkraft  61

7.3.5  Windkraft  62

7.3.6  Sonstige erneuerbare Energie  62

7.4  Kennzahlenübersicht  63

8.  Fazit  64

Anhang   IV

Literatur  - und Quellenverzeichnis:  VI

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Abbildungsverzeichnis   

Seite   

Abbildung  1 Plug-in Hybrid.  

Abbildung  2 Radnabenmotor  

Abbildung  3 Möglichkeiten der Realisierung elektrischer Antriebe  

Abbildung  4 Rohöl Well-to-Wheel Lebenszyklusanalyse  

Abbildung  5 Energieeffizienzvergleich EV Verbrennungsmotoren  

Abbildung  6 Effizienzvergleich EV Verbrennungsmotor Ford Explorer  

Abbildung  7 Well to Wheel Energieeffizienzvergleich  

Abbildung  8 Well to Wheel Energieeffizienz- und Emissionsvergleich  

Abbildung  9 CO 2 Ausstoß Primärenergieerzeugung und Fortbewegung  

Abbildung  10 Kraftstoffkostenvergleich .US.A. Quelle: Eigene Darstellung  

Abbildung  11 Kraftstoffkostenvergleich Deutschland Quelle: Eigene Darstellung  

Abbildung  12 Potenziale erneuerbare Energien  

2   

Abbildung  13 Sonneinstrahlung je m  

Abbildung  14 Leistung einer 5 MW Anlage  

Abbildung  15 Leistung Windenergie  

Abbildung  16 Reichweite je Hektarertrag Energiepflanzen und PV-Anlagen  

Abbildung  17 Batteriewechselvorgang  

Abbildung  18 Kostenvergleich EV / PKW  

Abbildung  19 Lebenszyklus CO2-Ausstoß  

Abbildung  20 Stromvergütung  

Abbildung  21 Stromeinspeisungsvergütung  

Abbildung  22 Strombilanz  

Abbildung  23 Beitrag der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung  

Abbildung  24 Installierte Windenergieleistung in Deutschland  

Abbildung  25 Windkraftpotenzial Deutschland  

Abbildung  26 Energiezufuhr der Sonne  

Abbildung  27 Kennzahlenübersicht Deutschland  

Abbildung  28 PKW CO2 Besteuerung Frankreich  

Abbildung  29 Frankreichs Stromerzeugung  

Abbildung  30 Mittlere Windgeschwindigkeit in Westeuropa  

Abbildung  31 Kennzahlenübersicht Frankreich  

Abbildung  32 Durchschnittliche Tagesfahrleistung .US.A.  

Abbildung  33 PHEV Marktentwicklung  

Abbildung  34 Bruttostromerzeugung nach Energiequelle .US.A.  

Abbildung  35 Zusammensetzung EE  

Abbildung  36 Windpotenziale .US.A.  

Abbildung  37 Sonnenenergiepotenziale .US.A.  

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Chancen  und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten  

Abbildung  38 Geothermiepotenzial .US.A.  

Abbildung  39 Kennzahlenübersicht .US.A.  

Abbildung  40 Ausbauziele EE bis 2010 und 2020  

Abbildung  41 Wachstum des Ölbedarfs  

Abbildung  42 Windenergiepotenzial China  

Abbildung  43 Kennzahlenübersicht China  

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Abkürzungsverzeichnis

AK Anschaffungskosten BTL Biomass to Liquid CTL Coal to Liquid DGS Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie EE Erneuerbare Energien EEG Erneuerbare Energien Gesetz EPIA European Photovoltaic Industry Association EV Electric Vehicle gall Gallone GW Gigawatt IES International Energy Agency kg Kilogramm kWh Kilowattstunde Li-Ionen Lithium-Ionen mi Meile mj Megajoule mpg Meilen pro Gallone MW Megawatt NiMH Nickel-Metall-Hybrid Batterie OEM Original Equipment Manufacturer PBP Project Better Place PHEV Pluy-in Hybrid Vehicle PKW Personenkraftwagen PTT Plant-to-Tank PTW Plant-to-Wheel PV Photovoltaik StrEG Stromeinsparungsgesetz TTW Tank-to-Wheel TWh Terrawattstunde Wh Wattstunden WTT Well-to-Tank WTW Well-to-Wheel

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten III

WWF World Wildlife Fund ZEV Zero Emission Vehicle $ Dollar € Euro Ø Durchschnitt

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 1

1. Einleitung

Bis zum Jahr 2020 wird erwartet, dass der Kraftfahrzeugbestand weltweit von dato 900 Millionen Fahrzeugen auf prognostizierte 1,8 Milliarden ansteigen wird. Bereits heute besitzt Asiens PKW Sektor einen jährlichen Zuwachs von 43 Prozent und der Wunsch nach Mobilität wächst weiter an. Die dadurch verursachte höhere Nachfrage nach Rohöl ließ den Preis je Barrel im Laufe eines Jahres von 77 € auf 144 € steigen. Derzeit wird versucht, durch den Einsatz von Biokraftstoffen den Ölverbrauch zu reduzieren, jedoch wird es im Bezug auf diese Kraftstoffvariante immer Diskrepanzen mit dem Anbau von Nahrungsmitteln ergeben. Durch die Umlegung von Anbauflächen von Nahrungsmitteln in Biokraftstoffflächen, stieg z.B. der Weizenpreis innerhalb von 3 Monaten um 25 Prozent.

Benötigt wird eine nachhaltige Mobilität, welche regenerativ, möglichst CO ² neutral und nicht in Konflikt mit der Weltnahrungsversorgung steht. In meiner Arbeit werde ich mich mit den Chancen und Potenzialen des Elektroautos auf dem deutschen, französischen, amerikanischen und chinesischen Markt beschäftigen. Dabei werde ich zunächst auf theoretische und begriffliche Grundlagen zur Thematik des Elektroautos eingehen. Im Weiteren werden die ausgewählten Märkte nach ihrer Marktstruktur, ihren politischen Maßnahmen, ihrem Energiehaushalt und dessen Entwicklung untersucht.

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 2

2. Theoretische und begriffliche Grundlagen

2.1 EV, PHEV, Range Extender und Radnabenmotor

Elektrofahrzeug

Das Elektrofahrzeug, auch Electric Vehicle (EV) genannt, wird durch einen oder mehrere Elektromotoren angetrieben. Die dafür benötigte elektrische Energie wird von den Akkumulatoren des Fahrzeuges entnommen. Um diesen wieder aufzuladen benötigt das EV lediglich einen 220V Wechselstromanschluss, wie er in jedem Haushalt vorzufinden ist ¹ . Im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor besitzt das EV 90 Prozent weniger bewegliche Teile, fährt fast geräuschlos und weist einen hohen Wirkungsgrad auf ² . Bereits heute werden Reichweiten von bis zu 350 km bei rein elektrischer Fahrt ermöglicht. 3

Plug-in Hybrid Fahrzeug

Plug-in Hybrid Vehicles (PHEV) sind Hybrid Fahrzeuge, die zusätzlich extern

¹ Vgl. http://www.arb.ca.gov/msprog/zevprog/factsheets/evinformation.pdf 31.03.08

² Vgl. http://www.pluginamerica.org/what-are-plugins.shtm 31.03.08

³ Vgl. http://www.teslamotors.com/performance/perf_specs.php 31.03.08

⁴ Vgl. http://www.iags.org/pih.htm 31.03.08

⁵ Vgl. http://www.eere.energy.gov/afdc/vehicles/plugin_hybrids.html 31.03.08

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 3

Range Extender

Ein Range Extender, auch Reichweitenerweiterer genannt, ist ein kleiner Verbrennungsmotor, der bei einem PHEV ausschließlich als Stromgenerator zur Aufladung des Akkumulators dient. Dieser ersetzt den herkömmlichen Verbrennungsmotor des Fahrzeuges ⁶ . Mit dieser Variante lässt sich der Aktionsradius der PHEV vergrößern und bietet dabei einen höheren Nutzungsgrad als ein reiner Verbrennungsmotor für den Antrieb ⁷ .

Radnabenmotor

Der Radnabenmotor ist ein Elektromotor, der direkt im Rad des

Fahrzeuges eingebaut ist. Durch seine geringen mechanischen Übertragungsverluste lassen sich Wirkungsgrade bis zu 96 Prozent erreichen. Im Vergleich zum herkömmlichen Automobil, kommt diese Fahrzeugarchitektur ohne einen Motorraum und Getriebe aus ⁸ .

⁶ Vgl. http://www.unendlich-viel-energie.de/de/strom/detailansicht/article/113/strom-tanken-stattoel-verbrennen-so-funktioniert-das-elektroauto.html 31.03.08

⁷ Vgl. http://www.meinews.net/ab-t117224p3.html?s=67d023a62dc21d9cb1e3949f8f b62591& 08.04.08

⁸ Vgl. http://www.heise.de/newsticker/Radnabenmotor-im-Aufwind--/meldung/105376/from/rss09

^20.05.08 Philipp Gauß Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Geislingen

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2.2 Differenzierung EV und konventionelle

Verbrennungsmotoren

2.2.1 Nutzungsgrad

Versucht

Nutzungsgrad Fahrzeuges ergeben sich verschiedene Ansätze diesen zu bestimmen. Je nach Betrachtungsweise lassen sich folgende Varianten

bestimmen.

Well-to-Wheel (WTW) ist die

Berechnung des Energieverbrauchs vom Ausgangsbrennstoff bis zur Verwendung im Fahrzeug ⁹ . Diese lässt sich unter anderem unterteilen in Wellto-Tank (WTT) und Tank-to-Wheel (TTW). Unter WTT wird der Prozess der Energiegewinnung und des Transports gesehen, welcher von den Mineralölkonzernen betrieben wird. TTW stellt die Nutzung der Energie im Fahrzeug dar.

Da die Gewinnung der Kohle und des Öls bis zur Herstellung von Kraftstoffen oder Elektrizität vergleichbar sind, wird der Prozess gerne erst ab der Plant-to-Wheels (PTW) Variante betrachtet. ¹⁰ Diese lässt sich dann noch schlussendlich in Plant-to-Tank (PTT) und TTW aufsplitten.

Beim PTT erhält der Treibstoff trotz Raffinerie und Transport zu den Tankstellen 83 Prozent seiner Energie. Konträr dazu erhält das Stromwerk mit Kohle 35 Prozent und mit Erdgas noch 42 Prozent der eingesetzten Energie. Zusätzlich gehen danach noch weitere 8 Prozent durch Netzeinspeisung und Verteilung der Elektrizität verloren.

Im Zustand höchster Leistung hat ein Benzinmotor eine TTW Effektivität von ungefähr 28 Prozent, ein Diesel um die 33 Prozent. Diese Werte gehen jedoch von Laborbedingungen aus und schließen dabei reale Verkehrssituationen und

⁹ Vgl. http://www.lbst.de/publications/studies__d/2002/Well2WheelStudie_d.pdf 22.05.08

¹⁰ Vgl. http://assets.panda.org/downloads/plugged_in_full_report___final.pdf 07.04.08

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 5

Gegebenheiten aus. In der Realität lassen sich Werte um die 18% und 23% Prozent erreichen. Bereits beim Anfahren an einer roten Ampel werden 5%-10% Prozent der eingesetzten Energie verloren, weitere 5% Prozent durch Reibungsverluste des Getriebes. Bei den

Verbrennungsmotoren verpufft ein Grossteil der eingesetzten Energie in Abgase, Kühlung und erzeugte Abwärme.

Vergleicht man diese von der World Wildlife Fund (WWF) aufgestellten Wirkungsgrade, so decken sich die mit Ergebnissen der schwedischen Lund Universität.

Ein EV hingegen besitzt einen TTW Nutzungsgrad von ca. 65 Prozent. Dieser Wert ist ein wenig höher als die 57 Prozent der Lund Universität, welche aber mit fortschreitender Entwicklung 76 Prozent vorhersagen. Nach Meinung der Internationalen Energie Agentur (IES) wird der

Benzinmotor 3,3-mal effizienter. Vergleicht man diesen Wert mit Modellen im Gebrauch, so lässt sich dieses Ergebnis durchaus bestätigen.

Durch die geringe Anzahl der Fahrzeugmodelle, die sowohl einen Verbrennungs- als auch einen Elektromotor besitzen, werden der Toyota RAV4 aus dem Jahre 2000 und der Ford Explorer aus dem Jahre 2002 zum Vergleich herangezogen.

Anhand der gewonnenen Informationen aus der Datenbank des U.S. Department of Energy, lässt sich errechnen, dass die Effizienz des Toyota

¹¹ Vgl. http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2005/hydrogen2005.pdf 07.04.08

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 6

RAV4 EV um 4,4-mal und die des Ford Explorer USPS Electric um 3,2-mal höher ist als die der vergleichbaren Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. 12

Abbildung 6 Effizienzvergleich EV & Verbrennungsmotor Ford Explorer

Quelle: eigene Abbildung

Die folgende Abbildung gibt die Energieeffizienz der Treibstoffe in Mega-Joule pro Kilogramm (MJ/kg) an. Die WTW-Effizienz wird dann in km-Reichweite pro Mega-Joule (km/MJ) angegeben. Je höher dieser Wert, desto effizienter ist das Fahrzeug.

Abgebildet werden aktuell erhältliche Kraftfahrzeuge, mit unterschiedlichen Kraftstoffvarianten, um eine bessere Vergleichbarkeit zu schaffen.

Abbildung 7 Well to Wheel Energieeffizienzvergleich

Quelle: The 21st Century Electric Car, Martin Eberhard und Marc Tarpenning

¹² Vgl. http://www.fueleconomy.gov/ 22.05.08

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 7

Anhand der vorliegenden Untersuchung von Telsa Motors Inc. lässt sich erkennen, dass der elektrische Antrieb die höchsten WTW Werte aufweist ¹³ . Andere neue alternative Antriebe wie z.B. Wasserstoff oder Erdgas bieten die schlechtesten Effizienzwerte in dieser Untersuchung. Zur Gewinnung von Wasserstoff wird die dreifache Strommenge benötigt um dieselben Reichweiten zu erreichen, wie ein EV ¹⁴ . Daher bietet es sich an die verwendete Energie direkt in EVs zu speisen. Geringe Abweichungen im Vergleich zu den bisher genannten Zahlen weist diese Untersuchung auf, da nicht ein und dasselbe Fahrzeug mit unterschiedlichen Antriebsvarianten verglichen werden kann.

Dennoch besitzt das EV gegenüber dem Benziner 2,2-mal höhere und gegenüber dem Diesel 2,4-mal höhere Kilometerreichweite pro Mega-Joule. Daraus erschließt sich, dass der EV mehreren Studien zufolge, des bessere bzw. effizientere Antriebskonzept darstellt.

2.2.2 Umweltbilanz

Nach dem neuen Beschluss der Europäischen Kommission dürfen Neuwagen ab dem Jahre 2012 einen max. CO 2 Ausstoß von 120 Gramm CO 2 je Kilometer emittieren ¹⁵ .

Bei diesem Beschluss wird jedoch lediglich der Ausstoß des Fahrzeuges und nicht der ganze Kraftstofflebenszyklus betrachtet. Anstatt eines TTW sollte der WTW Ansatz gewählt werden, um den tatsächlichen CO 2 Ausstoß der Fahrzeuge von der Rohstoffgewinnung bis zum gefahrenen Kilometer berücksichtigen zu können.

Im Folgenden werde ich auf zwei verschiedene Ansätze zur Erhebung des CO 2 Gehaltes eingehen. In der ersten Vergleichsrechnung wird der WTW CO ² Ausstoß als ein Ganzes angesehen.

Aus Erkenntnissen der Wissenschaft lässt sich sagen, dass Rohöl einen CO ² Gehalt von 73,0 Gramm je Mega-Joule enthält, Erdgas dagegen nur 58,8 Gramm. Kombiniert man nun diese Werte mit den bereits errungenen

¹³ Vgl. The 21st Century Electric Car, Martin Eberhard und Marc Tarpenning , 6. Oktober 2006

¹⁴ Vgl. http://www.efcf.com/media/dp031022.shtml 31.04.08

¹⁵ Vgl. http://www.co2-handel.de/article185_8682.html 23.05.2008

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 8

Kenntnissen aus Abbildung 8 lassen sich folgende CO 2 Emissionen beim WTW Ansatz errechnen.

Abbildung 8 Well to Wheel Energieeffizienz- und Emissionsvergleich

Quelle: The 21st Century Electric Car, Martin Eberhard und Marc Tarpenning

Das EV stellt mit dem Faktor 2,8 das umweltfreundlichste Fahrzeug in dieser Untersuchung dar. Beachtet man, dass der Wert von 46,1 g/km unter Einsatz von Erdgas zur Stromgewinnung zustande kam, bietet das EV noch weiteres CO 2 Einsparpotenzial. Desto umweltfreundlicher der Strommix aus erneuerbaren Energien wie Wind, Wasser und Sonne wird, desto mehr läuft dieser Wert gegen 0 Gramm CO 2 je Kilometer.

Analysiert man ein EV das ungefähr 15 Kilowattstunden Strom verbraucht, was 1,5 Liter fossilen Kraftstoffen entspricht, würde durchschnittlich 97,5 g CO 2 pro Kilometer ausgestoßen werden, bei einem Strommix mit 14 Prozent Anteil an

Fortbewegung entsteht. Ein Grossteil der erzeugten Emissionen für den fossilen

¹⁶ Vgl. http://www.unendlich-viel-energie.de/uploads/media/Presseinfo_Elektromobilitaet.pdf 07.04.08

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Chancen und Potenziale des Elektroautos auf ausgewählten Märkten 9

Kraftfahrzeugverkehr entsteht jedoch bei der Verbrennung des Kraftstoffes im Fahrzeug ¹⁷ . Je nach Standort und Stromvertrag mit dem Stromanbieter können die CO 2 Werte schwanken. Wird der Strom beispielsweise aus rein erneuerbaren Energien (EE) gewonnen, welche z.B. nachts im Form von Windenergie überschüssig zur Verfügung stehen, beläuft sich der CO 2 Ausstoß auf 0 g/km.

Zusätzlich haben EV die Eigenschaft weder Feinstaub, noch sonstige Schadstoffprobleme hervorzurufen. Umweltzonen mit Fahrverboten oder Strafzahlungen kommen daher für diese Fahrzeuge nicht in Betrachtung ¹⁸ .

2.2.3 Kostenfaktor

Vergleicht man nun national unterschiedliche Fahreigenschaften, so lässt sich feststellen, dass die USA mit ca. 19.000km (12.000 Meilen) vor Deutschland mit ca. 12.000 km und Frankreich mit ca. 10.000 km durchschnittlicher Jahresfahrleistung liegt ¹⁹ .

Abbildung 10 Kraftstoffkostenvergleich U.S.A.

Quelle: Eigene Darstellung

Betrachtet man die Kraftstoffkosten über den Zeitraum eines Jahres, so lässt sich sagen, dass ein Elektrofahrzeug mit dem Faktor 5 sparsamer ist.

¹⁷ Vgl. http://www.elektro-auto.net/index.php?option=com_content&task=view&id=23&Itemid=44 07.04.08

¹⁸ Vgl. http://www.unendlich-viel-energie.de/de/verkehr/detailansicht/article/185/erneuerbare-energien-und-elektromobilitaet-das-dreamteam-fuer-postfossile-fortbewegung.html 07.04.08

^{19 Vgl. http://assets.panda.org/downloads/plugged_in_full_report___final.pdf 25.04.08 20 Opel Astra 1,8 Liter Benziner 140 PS, 7,3 Liter/100 km, Stromverbrauch 0,25 kWh/mi} Philipp Gauß Hochschule für Wirtschaft und Umwelt Geislingen