CO2-Emissionen von Elektrofahrzeugen. Wirtschaftliche Chancen und Risiken der Elektromobilität

Der Grüne Weg für Deutschland?


Bachelorarbeit, 2021

100 Seiten, Note: 1,7

Anonym


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Zielsetzung der Untersuchung
1.2 Aufbau der Forschungsmethodik und Vorgehensweise

2 Grundlagen zum Automobil
2.1 Entstehung des Automobils
2.2 Antriebskonzepte für das Auto
2.2.1 Auto mit Verbrennungsmotor
2.2.2 Batteriebetriebenes Elektroauto
2.2.3 Brennstoffzellen-Auto
2.3 Verbrennungsmotoren – Abgase
2.3.1 Deutschland - Emissionen, die durch den Straßenverkehr entstehen
2.3.2 Zusammenfassung - Verbrennungsmotoren

3 Elektromobilität
3.1 Geschichte der Elektromobilität
3.2 Technischer Stand der Elektromobilität
3.2.1 Aufbau eines Elektrofahrzeuges
3.2.2 Funktionsprinzip eines reinen Elektrofahrzeuges
3.2.3 Typen von Elektromotoren
3.2.4 Energiespeicher – Akkumulator
3.2.5 Aufladung
3.2.6 Ladeinfrastruktur
3.3 Vorteile der Elektrofahrzeuge
3.3.1 Energieeffizienz des Elektroantriebs
3.3.2 Unkomplizierter Aufbau von Elektrofahrzeugen
3.3.3 Lokale Emissionsfreiheit bei Elektrofahrzeugen
3.4 Nachteile der Elektrofahrzeuge
3.4.1 Menschenrechtsverletzungen in der Lieferkette
3.4.2 Die Verfügbarkeit von Lithium und die Folgen dessen Abbau für die Umwelt

4 Wirtschaftliche und Umweltpolitische Bedeutung
4.1 Wirtschaftliche Bedeutung
4.1.1 Marktanteil und Bedeutung der Automobilbranche
4.1.2 Förderung der Elektromobilität
4.2 Umweltpolitische Bedeutung der Automobilindustrie

5 Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen
5.1 Lebenszyklusanalyse der CO₂-Emissionen von Automobilen
5.2 CO₂-Bilanz im Vergleich: Elektro gegen Verbrenner
5.2.1 Analyse 1: CO₂-Emission in der Herstellungsphase
5.2.2 Analyse 2: CO₂-Emission in der Herstellung der Batterie
5.2.3 Analyse 3: CO₂-Emission in der Nutzungsphase
5.2.4 Analyse 4: CO₂-Emissionen im Recyclingprozess
5.3 Zusammenfassung und Auswertung der Untersuchungen

6 Fazit und Ausblick
6.1 Beantwortung der Forschungsfrage
6.2 Zukünftige Forschungsempfehlungen

Literaturverzeichnis

Elektronische Quellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Übersicht der verschiedenen Antriebskonzepte bei Verbrennungsmotoren

Abbildung 2: Verhältnis Luft zu Kraftstoff in Kilogramm

Abbildung 3: Prozentuale Anteile der Abgase eines Ottomotors

Abbildung 4: Prozentuale Anteile der verschiedenen Antriebsarten in den USA - 1900

Abbildung 5: Anzahl der Ladesäulen in Deutschland von Juli 2020 bis Juli 20216

Abbildung 6: Minenproduktion von Kobalt in Tonnen im Jahr 2020

Abbildung 7: Minenproduktion von Lithium nach Ländern im Jahr 2020

Abbildung 8: Rohstoffbedarf für die Batterieherstellung für 2030 und 2050 in Tonnen

Abbildung 9: Umsatz der Automobilindustrie in Deutschland von 2010 bis 2020

Abbildung 10: Anzahl der Neuzulassungen von Personenkraftwagen in Deutschland

Abbildung 11: Beschäftigte in der deutschen Automobilindustrie von 2010 bis 2020

Abbildung 12: Anzahl der Elektroautos in Deutschland von 2011 bis 2021

Abbildung 13: Anzahl der Kraftfahrzeuge weltweit in den Jahren 2005 bis 2015

Abbildung 14: Klimaschutzplan 2050 im Verkehrsbereich zum Jahr 2030

Abbildung 15: Ökobilanzierung – Kreislauf

Abbildung 16: Lebenszyklusanalyse von Automobilen

Abbildung 17: Umfang des Well-to-Wheel Gesamtsystems

Abbildung 18: Entsorgung von Autos in fünf Schritten

Abbildung 19: Zusammenfassung der Treibhausgasemissionen in [kg CO2-eq] der Fahrzeugherstellung und Entsorgung im Vergleich in graphischer Darstellung

Abbildung 20: Lebenszyklus-Analyse der drei Phasen von e-Golf und Golf 1.5 TSI

Abbildung 21: Lebenszyklus-Analyse der drei Phasen mit BEP

Abbildung 22: Bruttostromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern

Abbildung 23: CO2-Emissionen der Stromerzeugung der verschiedenen Energieträger

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Unterschiede zwischen den zu untersuchenden Fahrzeugen

Tabelle 2: Auflistung der Ökobilanzdatenbanken

Tabelle 3: Gewichtsverteilung der Materialien zur Herstellung von Karosserie/Anbauteilen

Tabelle 4: Treibhauspotenziale ausgewählter Treibhausgase gemäß IPCC (2013)

Tabelle 5: Auflistung der Materialien zur Herstellung von Karosserie/Anbauteilen und zugehörige Treibhausgasemissionen in Kilogramm

Tabelle 6: Auflistung der Prozesse zur Herstellung von Karosserie/Anbauteilen und zugehörige Treibhausgasemissionen in Kilogramm

Tabelle 7: Auflistung der Materialien zur Herstellung der Antriebe (ohne Batterie), deren Prozesse und zugehörige Treibhausgasemissionen in Kilogramm

Tabelle 8: Auflistung der Materialien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akku, deren Prozesse und zugehörige Treibhausgasemissionen in Kilogramm

Tabelle 9: WtT-Analyse – CO2-Ausstoß bei Herstellung und Transport für Benzin pro Liter

Tabelle 10: TtW-Analyse – CO2-Ausstoß in der Betriebsphase

Tabelle 11: WtW-Analyse – Zusammenfassung der CO2-Emissionen pro Liter Benzin

Tabelle 12: CO2-Ausstoß pro km in der Betriebsphase des Elektrofahrzeuges

Tabelle 13: Recyclingprozess für Altfahrzeuge

Tabelle 14: CO2-Ausstoß für Recyclingprozess (ohne E-Akku)

Tabelle 15: CO2-Ausstoß für den Recyclingprozess der Lithium-Ionen-Batterie

Tabelle 16: Treibhausgasemissionen in der Herstellung und Entsorgung im Vergleich

Tabelle 17: CO2-Ausstoß bei einer Laufleistung von 200.000 Kilometern für den Benziner

Tabelle 18: CO2-Ausstoß bei einer Laufleistung von 200.000 Kilometern für das E-Auto

Abkürzungsverzeichnis

BEP Break-Even-Point

BEV Battery Electric Vehicle

C Kohlenstoff

CARB California Air Resources Board

CO Kohlenmonoxid

CO2 Kohlenstoffdioxid

CO2-eq CO2-Äquivalente

ELCD European Reference Life Cycle Database

FCEV Fuel Cell Elektric Vehicles

GEMIS Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme

GFP Glasverstärkte Polyester

GWP Global Warming Potential, Global Warming Potential

H2O Wasser

HC Kohlenwasserstoffe

HDPE Hart-Polyethylen

IAA Internationale Automobil-Ausstellung

KBA Kraftfahrt-Bundesamt

kg Kilogramm

KLG Kraftstoff-Luft-Gemisch

kWh Kilowattstunde

LCA Life Cycle Assessment

MJ Megajoule

NEP Nationale Entwicklungsplan Elektromobilität

NGO Nichtregierungsorganisationen

NMVOC Nicht-Methan-flüchtige organische Verbindungen

NO2 Stickstoffoxid

NOx Stickoxide

NPE Nationale Plattform Elektromobilität

NPM Nationale Plattform der Mobilität

O Sauerstoffatom

PC Polycarbonat

PE Polyethylen

PEMFC Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

PET Polyethylenterephthalat

PM10 Feinstaub

POM Polyoxy-methylen

PP Polypropylen

PPS Polyphenylensulfid

ProBas Prozessorientierte Basisdaten für Umweltmanagement-Instrumente

PSM Permanenterregter Synchronmotor

PU Polyurethan

PVC Polyvinylchlorid

TtW Tank-to-Wheel

VDA Verband der Automobilindustrie

WtT Well-to-Tank

WtW Well-to-Wheel

ZEV Zero Emission Vehicle

1 Einleitung

Die heutige sowie alle folgenden Generationen stehen einem der größten Probleme der Menschheitsgeschichte gegenüber: dem Klimawandel. Dessen Auswirkungen zeigen sich rund um den Globus.1 So litt sowohl der gesamte Mittelmeerraum als auch Regionen in Nordamerika im Sommer 2021 unter einer extremen Hitzewelle mit einem enormen Ausmaß an Waldverbrennung als Folge. Deutschland hingegen musste sich einem ungewöhnlich hohen Regenaufkommen fügen, der einige Gemeinden überflutete.2 Als eine der Ursachen für den Klimawandel wird das immer weiter steigende Verkehrsaufkommen genannt. Der Verkehrssektor bietet daher eine erhebliche Chance, der Erderwärmung entgegenzuwirken. In der Entwicklung von alternativen Antrieben wird dabei eine entscheidende Möglichkeit gesehen, um die zukünftigen Folgen abzumildern.3 Auch bei der internationalen Klimakonferenz, im Jahr 2015 in Paris, wurde unter anderem beschlossen, dass in Bezug auf den Klimaschutz der Einsatz von fossilen Brennstoffen minimiert werden muss. Damit sollte das Pariser Abkommen einen Meilenstein für den Klimaschutz setzen.4 Die wesentlichen Bestandteile dieses Abkommens sind unter anderem die drastische Reduktion der ausgestoßenen Kohlendioxidmenge eines jeden teilnehmenden Landes, um so die globale Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu beschränken. Um dieses Ziel erreichen zu können, gewinnen die erneuerbaren Energien, besonders im Verkehrs- und Energiesektor, an immer größerer Bedeutung.5 Die traditionellen Antriebskonzepte der Automobilindustrie geraten daher zunehmend in den Fokus der Kritik. Denn bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen viele Schadstoffe wie Kohlendioxid (CO2).6 Eine Lösung des Problems könnte in einer Wende der Mobilität zu finden sein. In Deutschland nimmt das Konzept des alternativen Antriebs immer mehr an Bedeutung zu.7 In den letzten Jahren hat sich daher das Angebot der Mobilität gewandelt und die Idee der massentauglichen Elektrofahrzeuge weiterentwickelt. Um den Kohlendioxidausstoß des Sektors Straßenverkehr zu reduzieren, setzen viele Autohersteller auf die Elektrifizierung der Fahrzeuge. Dabei ist es notwendig, dass die Elektrofahrzeuge gegenüber den Verbrennungsmotoren wettbewerbsfähig werden.8 Insbesondere im Hinblick auf die aktuellen Wahlprogramme wird die Relevanz dieses Ziels umso deutlicher. So fordert zum Beispiel Bündnis 90/Die Grünen, dass zu Gunsten des Klimas ab dem Jahr 2030, keine neuen Verbrennungsmotoren mehr zugelassen werden sollen.9,10 Fraglich ist, ob diese drastische Vorgehensweise den grünen Weg für Deutschland ebnen kann und ob die Chancen gegenüber den Risiken überwiegen. Unbestreitbar ist, dass die Wetterextreme zunehmen und sich damit auch auf die Wirtschaft immer deutlicher auswirken werden.

Aufgrund all der genannten Beweggründe befasst sich die vorliegende Arbeit mit folgender Forschungsfrage: Inwiefern kann die Ausweitung der Elektromobilität, im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren, einen Beitrag zu einer Nachhaltigen Wirtschaft in Deutschland leisten? Die Forschungsfrage soll beantworten, inwiefern das Elektroauto im Hinblick auf Rohstoffvorkommen, Klimafreundlichkeit und der Unterstützung der Politik durch finanzielle Mittel, eine realitätsnahe Alternative für die zukünftige Mobilität bietet.

1.1 Zielsetzung der Untersuchung

Anders als bei den herkömmlichen Fahrzeugen, wird der Aspekt Umweltschutz im Hinblick auf das Elektrofahrzeug des Öfteren von den Medien und der Öffentlichkeit eher kritisch diskutiert. Dabei ist ein häufig angeführtes Argument, dass die Umweltbilanz der Elektrofahrzeuge lediglich beschönigt sei und diese in der Realität nicht klimafreundlicher seien als Verbrennungsmotoren. Insbesondere die Herstellung der erforderlichen Batterien, die sogenannten Lithium-Ionen-Batterien, die für den Antrieb der Elektroautos verantwortlich sind, seien nicht konform mit dem Schutz der Umwelt.11 Die sich daraus ergebene Frage ist nun, ob aus ökologischer Sicht Elektrofahrzeuge, während ihres gesamten Lebenszyklus, im Vergleich zu den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, weniger Kohlendioxid produzieren und damit zum Klimaschutz beitragen können. Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Unterschiede der CO₂-Emissionen beider Fahrzeugkonzepte herauszuarbeiten und zu untersuchen. Es soll geklärt werden, welches dieser Antriebskonzepte über seine gesamte Lebensdauer hinweg weniger CO₂ emittiert. Am Beispiel der ausgewählten Fahrzeuge wird eine vollständige Lebenszyklusanalyse durchgeführt. Dabei werden die Emissionen eines Elektrofahrzeuges, basierend auf den bestehenden Produktionstechnologien der CO₂-Emissionswerte, in den unterschiedlichen Phasen des Lebenszyklus ermittelt. Um einen Vergleich zum herkömmlichen Verbrennungsmotor herstellen zu können, wird dieser ebenfalls einer Lebenszyklusanalyse unterzogen. Anschließend werden die Parallelen und Unterschiede beider Antriebsarten gegenübergestellt. Deswegen beantwortet diese Analyse auch gleichzeitig die Frage, ob Deutschlands Weg in die Zukunft durch die Elektrifizierung der Fahrzeuge wirklich „grün“ ist.

1.2 Aufbau der Forschungsmethodik und Vorgehensweise

Die ersten vier Kapitel dieser Arbeit widmen sich der Darstellung der theoretischen Grundlagen. In Kapitel 2 werden die Entwicklungsphasen der verschiedenen Antriebskonzepte und die Problematik des herkömmlichen Verbrennungsmotors dargestellt. Kapitel 3 befasst sich ausschließlich mit der Elektromobilität. Hierbei wird unter anderem auf den technischen Stand der Elektrofahrzeuge sowie auf das Für und Wider dieses Fahrzeugtypen eingegangen. Insbesondere werden die Chancen und Risiken aus ökonomischer, sozialer und ökologischer Sicht diskutiert. In Kapitel 4 folgen die wirtschaftlichen Konzepte seitens der Politik, mit denen mehr Anreize für den Kauf eines Elektroautos geschaffen werden sollen. Kapitel 5 stellt den Hauptteil dieser Arbeit dar. Hier wird die Lebenszyklusanalyse erläutert und angewendet. Der Fokus liegt in diesem Kapitel auf der Ausarbeitung der Analyse, welche die Treibhausgasemissionen eines Elektrofahrzeuges und eines konventionellen Fahrzeuges, wiedergibt. Dabei ist es bei manchen Berechnungen notwendig gewesen Annahmen zu treffen, weshalb eine gewisse Fehlerquote nicht ausgeschlossen werden kann. Der Grund dafür ist, dass die Automobilbranche keine sensiblen Daten veröffentlichen möchte. Die getroffenen Annahmen werden von der Wissenschaft so gut wie möglich unterstützt und als Quelle angegeben. Darauf folgt sowohl für den gesamten Fahrzeuglebenszyklus des Elektrofahrzeuges als auch von dem eines Verbrennungsmotors eine Zusammenfassung und Auswertung. Kapitel 6 fasst abschließend die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und beantwortet die vorangegangene Forschungsfrage. Darüber hinaus werden weitere Aspekte für eine mögliche weitere Forschung angeführt.

2 Grundlagen zum Automobil

In diesem Kapitel wird die Entstehung des Automobils anhand geschichtlicher Meilensteine erläutert. Ferner wird auf verschiedene Antriebskonzepte eingegangen. Abschließend wird der CO2-Ausstoß des Verbrennungsmotors kritisch beleuchtet und in Relation zu den Emissionen des deutschen Straßenverkehres gesetzt.

2.1 Entstehung des Automobils

Die Erfindung des Automobils im Jahre 1886 war der Beginn des mobilen Zeitalters. Lange bevor die Erfindung tatsächlich erfunden wurde, gab es verschiedene Unternehmungen und Ideen ein Fahrzeug zu entwickeln, welches sich ohne das Zutun von tierischer oder menschlicher Muskelkraft fortbewegen konnte.12 Der Militäringenieur Nicolas Joseph Cugnot machte den ersten bahnbrechenden Schritt zum heutigen Automobil. 1769 entwickelte er einen dreirädrigen Dampfwagen, basierend auf der Dampfmaschine von James Watt. Seine Erfindung wog mehr als vier Tonnen und fuhr vier Kilometer pro Stunde, hingegen nur zwölf Minuten lang, da spätestens dann der Dampf ausging. Im Jahre 1860, mit dem Bau eines Leuchtgas-Motor des Belgiers Étienne Lenoir, unterlag der Dampfantrieb den Verbrennungsmotoren. Dies ist unter anderem damit zu erklären, dass Dampf schwerwiegende Defizite hat, wie zum Beispiel, das stetige Anheizen bei einer bevorstehenden Fahrt, die extreme Last, die es mit sich bringt, die grobe Lenkbarkeit und letztendlich der Transport von Kohle und Wasser. Gemessen an dem Beispiel des Lenoir-Motors, folgte darauf die Entwicklung des althergebrachten Ottomotors, nach dem Namensgebenden Schöpfer Nikolaus Otto, der diesen Jahre 1876 patentieren ließ. Im Jahr 1883 stellten die Erfinder Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach ihren ersten Benzinmotor vor. Nur zwei Jahre später entwarfen sie ein zweirädriges Fahrzeug mit Benzinmotor. Dieses Gefährt gilt heute als das erste Motorrad. Der in Mannheim ansässige Ingenieur Carl Benz entwarf im Jahre 1886 das erste Automobil der Geschichte und legte damit den Grundstein für alle darauffolgenden Autos. Dieses ließ er als „Benz-Patentwagen“ oder auch bekannt als „Fahrzeug mit Gasmotorenbetrieb“ patentieren. Ungeachtet dessen, entwarf Gottlieb Daimler in Stuttgart eine vierrädrige Motorkutsche, in der ein Benzinmotor in dem Kutschwagen integriert war. Erst ab diesem Automobil konnte tatsächlich von einem „selbst beweglichen“ Fahrzeug gesprochen werden.13

Obwohl Carl Benz und Gottlieb Daimler anfangs sich weder kannten noch begegneten, machten sie parallel eine der weltbedeutsamsten Erfindungen der Geschichte. Beide behaupteten, dass sie die Aktivitäten des jeweils anderen nicht kannten und unterschiedliche Ziele verfolgen zu haben. Deutschland gilt als Mutterland des Automobils. Die ersten Automobile wurden zunächst in Nachbarländern wie Frankreich und Großbritannien verkauft, da die deutsche Öffentlichkeit nur mäßiges Interesse und Misstrauen gegenüber dieser Erfindung empfand.

Dies änderte sich maßgeblich als die Ehefrau von Carls Benz, Berta Benz, ohne das Wissen ihres Mannes eine Strecke von insgesamt 180 Kilometern mit einer Geschwindigkeit von etwa 15 – 18 Stundenkilometer zurücklegte und damit die Alltagstauglichkeit des Benz-Patentwagens belegte. Dies verursachte eine enorme Werbewirkung für die Automobil-Konstruktion ihres Mannes.14

Im Jahre 1926 fusionierten die Pioniere des Automobilbaus „Carl Benz Söhne“ mit dem Konkurrenten „Daimler-Motoren-Gesellschaft“, gemeinsam bilden beide Unternehmen die bis heute andauernde Daimler-Benz AG, somit gelten sie als die beiden ältesten Kraftfahrzeughersteller der Welt.15 Die erste massentaugliche Produktion von Autos begann im Mai 1938 mit der Eröffnung des Werkes Volkswagen in Wolfsburg durch Adolf Hitler. Somit legte er das Fundament für das Kernstück des heutigen Großkonzern Volkswagen.16 Der Gedanke hinter dem Namen „Volkswagen“ war es, ein Automobil für die breite Masse herzustellen. Dabei sollte es vor allem günstig bei der Anschaffung und sparsam im Verbrauch sein. Der Käfer sollte Platz für vier Personen bieten und eine Reichweite von circa 100 Kilometern überwinden.17 Die gesamte erste Entwicklungsphase des Automobils wurde in Deutschland mit großer Skepsis verfolgt. Im Nachhinein hat Deutschland in der Automobilgeschichte seit jeher eine der bedeutsamsten Vorreiterrollen gespielt und konnte diese im Laufe der Zeit weiter ausbauen. Selbst heute sind deutsche Automarken überaus stark auf dem Weltmarkt vertreten und durch die Entwicklung immer neuer Technologien steigt die Nachfrage stetig an.18

2.2 Antriebskonzepte für das Auto

Betrachtet werden hier die verschiedene Antriebskonzepte für Automobile. Grundsätzlich sind diese durch den eigentlichen Hauptenergiewandler zu unterscheiden, wie zum Beispiel den Verbrennungsmotor, das batteriebetriebene Elektroauto und das Elektroauto mit der Brennstoffzelle.

Neben diesen gibt es mehrere Kombinationsmöglichkeiten, die als Hybridfahrzeuge bezeichnet werden. Diese Automobile verfügen über mindestens zwei Energiespeicher und zwei Energiewandler, die beide eine Fortbewegung ermöglichen. Aktuell gibt es verschiedene, zum Teil auch irreführende, Bezeichnungen der Zwischenstufen. Daher werden die grundlegenden Antriebskonzepte im folgenden Kapitel möglichst verständlich vorgestellt und beschrieben.19

2.2.1 Auto mit Verbrennungsmotor

Die Funktionsweise der Verbrennungsmotoren ist grundlegend oft die gleiche. Die Funktionsweise des Ottomotors basiert auf einer chemisch umgewandelten Energie in kinetische Energie, dadurch kann das Kraftstoff-Luft-Gemisch (KLG) zunächst komprimiert und dann durch Funken gezündet wird. Dabei dehnt sich das zum Verbrennen gebrachte KLG aus. Durch die explosionsartige Ausdehnung entsteht ein Platzbedarf, der bewirkt, dass sich der Kolben im Zylinderraum bewegt. Mittels der sogenannten Pleuelstange wird die Energie durch die Rotation in der Kurbelwelle umgewandelt. Bei diesem Umwandlungsprozess schwindet die Nutzenergie und wird insbesondere als Wärmeenergie an die Sphäre abgegeben. Dieser Verlust verringert den Gesamtwirkungsgrad des Motors. Allerdings führt nicht nur das Abhandenkommen der Wärmeenergie zum Wirkungsverlust, sondern auch andere Aspekte wie die Abdichtung des Zylinderraumes, die Reibung und die Motorschwingungen können ebenfalls dazu führen.20 Anfangs lag der Wirkungsgrad von atmosphärischen Benzinmotoren bei etwa 10 Prozent, inzwischen kann ein Wirkungsgrad von circa 30 Prozent erreicht werden.21 Der Dieselmotor ist auch unter der Bezeichnung des Selbstentzündungsmotor mit innerer Gemischbildung bekannt. Die zur Verbrennung benötigte Luft wird im Brennraum stark komprimiert, sodass eine hohe Temperatur entsteht, wodurch sich der eingespritzte Dieselkraftstoff selbst entzündet. Dieselmotoren nutzen die gewonnene Wärme, um chemische Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln. Bei der Verbrennung von Kraftstoff und Luft kommt es wie bei einem Ottomotor zu einer explosionsartigen Ausdehnung. Unter den Verbrennungsmotoren haben Dieselmotoren die höchste Arbeitsleistung von bis zu 50 Prozent.22

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Übersicht der verschiedenen Antriebskonzepte bei Verbrennungsmotoren

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Energie-Info (2015)

Fahrzeuge mit Mild-Hybrid-Antrieb verwenden hauptsächlich kleine Batterien, um beim Schub- und Bremsvorgang Strom zu speichern. In aller Regel wird sie nur zur Unterstützung des Ottomotors eingeschaltet, zum Beispiel beim Beschleunigen, Überholen oder Starten eines Fahrzeuges. Allerdings arbeitet die Batterie nie allein.23 Alternativ gibt es das Voll-Hybrid-Auto. Die Batterie ist hier groß genug, um das Fahrzeug ohne aktiven Verbrennungsmotor mehrere Kilometer vollelektrisch zu fahren. Eine weitere Besonderheit ist, dass beim Anfahren und bei geringerer Geschwindigkeit ausschließlich der Elektroantrieb zum Einsatz kommt, der den Kraftstoffverbrauch senken kann. Beide Hybride benötigen keine Ladebuchsen, da es sich um ein geschlossenes System handelt. Die Batterie wird während der Fahrt aufgeladen, etwa beim Bremsen oder beim Bergabfahren. Der Elektromotor agiert als eine Art Stromerzeuger und versorgt die Batterie mit neuer Energie. Als eine Erweiterung dessen kann das Plug-in-Hybrid-Fahrzeug gesehen werden. Dieses beschreibt eine Brückentechnologie, zwischen einem Ottomotor und einem Elektroantrieb. Das englische „plug in“ bezieht sich konkret auf die Möglichkeit, die integrierte Batterie über einen Anschluss aufzuladen.24

2.2.2 Batteriebetriebenes Elektroauto

Das Konzept eines Elektromotors ist nicht so kompliziert wie das eines Verbrennungsmotors, da deutlich weniger Komponenten aufeinander abgestimmt werden müssen. Das gesamte Antriebssystem eines Elektrofahrzeuges besteht im Wesentlichen aus folgenden Bauteilen: einer Batterie, einem oder mehreren Motoren sowie einem Lade- und Leistungsmanagement. Die Batterie ist gut geschützt, abgedeckt und platzsparend unten im Auto untergebracht, während sich andere Bauteile an Vorder- und Hinterachse befinden. Alle Komponenten sind durch Hochspannungskabel untereinander verbunden. Das System hat überwiegend die Spannung von 408 Volt, was viel mehr ist als die 230 Volt im privaten Sektor.25 Prinzipiell kann die in der Batterie gespeicherte oder von der Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Energie im Elektromotor durch elektromagnetische Einwirkung in mechanische Energie umgewandelt werden.26 Das Grundprinzip der Motorarbeit, nach dem Elektromotoren arbeiten, ist Magnetkraft. Dabei werden immer wieder die gleichen Pole sich abstoßen und die ungleichartigen Pole wieder anziehen. Im späteren Verlauf der Arbeit wird auf die Funktion und den Aufbau der verschiedenen Antriebskonzepte der Elektromotoren detaillierter eingegangen.

2.2.3 Brennstoffzellen-Auto

Brennstoffzellenautos, auch Fuel Cell Electric Vehicles (FCEV) genannt, verfügen wie reine Elektrofahrzeuge über keinen herkömmlichen Verbrennungsmotor, sondern lediglich über einen Elektromotor und einen Wasserstofftank. Als Energiespeicher dient gasförmiger Wasserstoff, der durch die Reaktion mit dem aus der Umwelt gewonnenen Sauerstoff in der Brennstoffzelle in elektrische Energie für den Antrieb des Elektromotos umgewandelt wird. Das Übertragungssystem besteht aus einem Elektromotor, Batterien, Leistungselektronik und weiteren Komponenten. Daher sind Brennstoffzellenfahrzeuge Elektro-Wasserstoff-Hybridfahrzeuge.27 Der entscheidende Unterschied zu reinen Elektrofahrzeugen besteht darin, dass Wasserstofffahrzeuge selbst den Strom produzieren. Daher beziehen sie keine Energie aus der eingebauten Batterie. Im Gegensatz zu den Elektrofahrzeugen haben wasserstoffbetriebene Autos eine Brennstoffzelle, die als eigenes Kraftwerk dient. Da wasserstoffbetriebene Autos rein elektrisch angetrieben werden, ist das Fahrerlebnis das gleiche wie bei den bekannten Elektroautos. Dies bedeutet, Motorgeräusche und ein impulsiver Antrieb entfallen, denn der Elektromotor kann auch bei geringeren Drehzahlen das gesamte Drehmoment bereitstellen. Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist die fortschrittlichste, die in Automobilen verwendet wird, ebenfalls sind alkalische Brennstoffzellen gut entwickelt.28

Zusammenfassend lässt sich unkompliziert erklären – In einer Brennstoffzelle wird Strom aus der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff erzeugt, der dann bei Bedarf in den Motor und/oder in die Batterie befördert wird.29 Die Brennstoffzelle ist ein überaus leistungsfähiger Antrieb, da ihr elektrischer Wirkungsgrad bei über 60 Prozent liegt.30

2.3 Verbrennungsmotoren – Abgase

Die zur Verbrennung in einem Verbrennungsmotor benötigten Komponenten sind Kraftstoff und Sauerstoff.31 Beim Verbrennungsprozess bilden Kohlenstoffatome (C) mit je zwei Sauerstoffatomen (O) zwangsläufig das klimaschädliche Gas Kohlenstoffdioxid (CO2).32 Solch eine chemische Reaktion, welche bei einer idealen Verbrennung stattfindet, tritt bei einem Verhältnis von einem Kilogramm reinem Brennstoff zu 14,7 Kilogramm reiner Umgebungsluft auf.33

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Verhältnis Luft zu Kraftstoff in Kilogramm

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Klell, Eichlseder & Trattner (2018, S. 203)

Die angesaugte Luft besteht zu 21 Prozent aus Sauerstoff, zu 78 Prozent Stickstoff (N₂) und zu einem Prozent aus Rest Gasen (Edelgase), die in der Umgebungsluft enthalten sind.34 In Abgasen sind unter anderem auch toxische Bestandteile enthalten. Als Giftstoffe zu benennen sind in den 1,1 Prozent die Kohlenmonoxid (CO) mit 0,9 Prozent, der Kohlenwasserstoffe (HC) mit 0,08 Prozent sowie die unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen, sprich unverbrannter Kraftstoff und Stickstoffoxid (NOx), die 0,12 Prozent des Bestandteils ausmachen, die bei hohen Temperaturen und hohem Druck entstehen.35 Das Problem bei einem Verbrennungsmotor mit höheren Drehzahlen ist, dass der Weg zwischen der Einspritzanlage und der Verbrennungsauslösung gering ist. Demzufolge muss der Kraftstoff in kurzer Zeit vom flüssigen in den gasförmigen Zustand umgewandelt werden. Dadurch kommt es häufig zu einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffes. Das bedeutet, dass ein Teil des Kraftstoffes unter Sauerstoffmangel verbrennt, wodurch Partikel entstehen.36 Abbildung 3 zeigt den prozentualen Anteil der Abgase eines Ottomotors bei Zufuhr von Ansaugluft und Kraftstoff.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Prozentuale Anteile der Abgase eines Ottomotors

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Seilnacht (2020)

Auf eine ideale Verbrennung wird bewusst verzichtet. Die Ursache dafür liegt zum einen an der unzureichenden Vermischung von Kraftstoff und Luft als auch an möglichen Verunreinigungen im Kraftstoff selbst. Diese Einflüsse können zu einer unvollständigen Verbrennung führen. Die Folge dessen wäre, dass beim Ausstoß der Abgase des Fahrzeuges mehr Kohlenstoffmonoxid und Einzelkohlenstoffe freigesetzt werden.37 Bei einem Verbrauch von einem Liter Benzin werden etwa 2,37 Kilogramm CO2 ausgestoßen. Bei den Motoren hat ein Diesel-Fahrzeug bezüglich des CO2-Ausstoßes einen Nachteil. Bei einem Liter Diesel entstehen 2,65 Kilogramm CO2. Dieser Unterschied lässt sich mit der Chemie erklären: Der Kohlenstoffgehalt von Benzin ist etwas niedriger als der von Diesel, daher bindet er weniger Sauerstoff.38

2.3.1 Deutschland - Emissionen, die durch den Straßenverkehr entstehen

Immer, wenn kohlenstoffbasierte Kraftstoffe wie Diesel oder Benzin verbrannt werden, entsteht CO2. Dabei gilt: Je geringer der Verbrauch der Verbrennungsmotoren, desto geringer der CO2-Ausstoß. Das Problem der Verbrennungsmotoren, trotz moderner Abgastechnik, ist, dass diese beim Verbrennungsprozess große Menge CO2 erzeugen und damit Schadstoffe wie Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und den Feinstaub (PM10) freigeben.39 Der Großteil der Abgasbestandteile sind in Form von Gas, Dampf und Staub in der Luft zu finden. Den höchsten Wert, mit rund 146 Millionen Tonnen pro Jahr, nimmt Kohlenstoffdioxid ein. Wird dieser Wert mit dem Vorjahreswert verglichen, ist festzustellen, dass dieser um 11,4 Prozent gesunken ist. Damit liegt er auch unter den vom Bundesklimaschutzgesetz 2020 geforderten jährlichen CO2-Emissionen von 150 Millionen Tonnen. Der Grund für den Rückgang ist, dass während des anfänglichen Lockdowns in der Corona-Pandemie weniger Menschen mit dem Auto gefahren sind. Dies belegen geringere Verkaufszahlen für Kraftstoff und Daten von Messpunkten auf Autobahnen und Bundesstraßen. Ein kleiner Teil der Reduzierung in Höhe von etwa zwei Millionen Tonnen, ist auf die Senkung der CO₂-Emissionen von Neufahrzeugen zurückzuführen, darunter die Zunahme der Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen und die Zunahme der Biokraftstoffe. Da Kohlenmonoxid im Vergleich gleich zu Kohlenstoffdioxid gesundheitsgefährdender für den menschlichen Körper ist, wird folglich ein geringerer Anteil dessen angestrebt.40 Gemessen am Gewicht macht CO mit fast 820.000 Tonnen pro Jahr den zweitgrößten Anteil der Verkehrsschadstoffe aus. Dieser entsteht bei der Brennstoffverbrennung, wenn kein ausreichend Sauerstoff verfügbar ist. CO ist deutlich schädlicher als CO₂. Dieses geruchslose Gas ist einer der größten Kohlenmonoxid-Erzeuger im deutschen Autoverkehr. Beim CO schneidet Diesel im Motorenbereich besser ab, und dass obwohl in den letzten Jahren die Abgasnormen der europäischen Emissionsvorgaben deutlich verschärft wurden.41 Stickoxide steht mengenmäßig an dritter Stelle. Dieser Schafstoff wird ebenfalls durch den Straßenverkehr in die Atmosphäre freigesetzt. Dabei handelt es sich um rund 520.000 Tonnen pro Jahr. Wenn die Verbrennungstemperatur zu hoch oder ein Luftüberschuss gegeben ist, produziert der Motor Reizgase. Diese verbinden sich mit dem Stickstoff der Atemluft und dem in der Umwelt enthaltenen Sauerstoffs zu NO und NO₂. Diese beiden Giftstoffe tragen unter anderem zur Bildung von Ozon in der Atmosphäre bei, welcher sich besonders im Sommer bemerkbar macht. Die Hauptemissionsquelle stellt dabei der Dieselmotor dar. Aufgrund technisch bedingter erhöhter Luftanteile und hoher Temperaturen produzieren Dieselmotoren beim Verbrennungsprozess mehr Stickoxide als Ottomotoren. Ottomoren können ebenfalls von der NOx-Bildung betroffen sein. Dies ist der Fall, wenn die Temperaturen im Verbrennungsmotor durch die Entwicklung einer sogenannten Turboaufladung im Zusammenspiel mit einer hohen Verdichtung tendenziell ansteigen. Durch dieses Phänomen wird die Bildung von Stickoxiden ähnlich begünstigt wie bei Dieselmotoren. Weiterhin zu den größten Bestandteilen der Schadstoffe zählen Nicht-Methan-flüchtige organische Verbindungen (NMVOC) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), welche beispielsweise sowohl bei der Fahrzeugnutzung als auch beim Tanken freigesetzt werden. Die Menge der dabei freigesetzten NMVOC beträgt etwa 93.000 Tonnen im Jahr. Noch vor wenigen Jahren waren die Werte wesentlich höher, jedoch verfügen heute die meisten Zapfsäulen über eine Gasrückführung. Den NMVOC folgt Staub an fünfter Stelle in Betrachtung der Schadstoffmengen. Dieser entsteht durch die Reibung und den Verschleiß der Bremsscheibe, ein Großteil stammt aus dem Abgas, hauptsächlich in Form von Ruß. Dies geschieht, wenn während des Verbrennungsprozesses zu wenig Sauerstoff oder zu viel Brennstoff zur Verfügung steht. Insbesondere Dieselmotoren sind zu bekannten Ruß-Erzeugern geworden, bei denen der Kraftstoff in heiße Druckluft eingespritzt wird und in kurzer Zeit relativ gleichmäßig verteilt werden muss. Wenn dies nicht möglich ist, werden die einzelnen Tröpfchen nicht vollständig verbrannt und bildet infolgedessen Ruß. Neben einer verbesserten Einspritztechnik haben in den letzten Jahren auch Rußpartikelfilter eine abmildernde Rolle gespielt. Gleichermaßen ist auch bei Ottomotoren die Rußbildung kritisch zu betrachten, da sie zunehmend auf Direkteinspritzung setzen und teilweise die drei- bis Zehnfache Menge ultrafeiner Partikel emittieren wie Dieselmotoren.42

2.3.2 Zusammenfassung - Verbrennungsmotoren

Neben den oben benannten Substanzen gibt es weitere giftige Abgase wie Schwefeldioxid, Ammoniak oder Lachgas. Dies verdeutlicht auch die Schwierigkeit und Komplexität der Abgasbekämpfung, solange fossile Brennstoffe in Motoren verbrannt werden. Bei der Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes, ist bei Benzinmotoren ein starker Anstieg des Feinstaubs zu verzeichnen. Werden die Feinstaubemissionen reduziert, steigt der Verbrauch meist wieder, oftmals mit den Folgen vermehrter Stickoxide.43 Dabei sind insbesondere die Stickoxide eine der größten Gesundheitsgefahren der Stadtluft. Diese reizen und verschlechtern möglicherweise die Funktion der Lunge. Ferner können bereits bestehende Lungenkrankheiten durch die Schadstoffe weiter verschlechtert werden. Aus einer Studie im Jahr 2018 ging zudem hervor, dass Stickoxide das Herzinfarktrisiko erhöhen.44 Der von Étienne Lenoir erfundene Verbrennungsmotor hatte einen Wirkungsgrad von drei bis fünf Prozent.45 Im Laufe der Jahre konnten die Fahrzeuge eine stetige Verbesserung ihrer Effizienz verzeichnen. Daher liegt der Wirkungsgrad der Ottomotoren aktuell beim Höchstwert von nahezu 40 Prozent und für Dieselmotoren bei 35 bis 45 Prozent.46 Dies bedeutet, dass mehr als 50 Prozent der durch die Verbrennung realisierten Energie nicht direkt für den Betrieb des Fahrzeuges genutzt werden können. Dieses Problem kennt beispielsweise der Elektromotor nicht, denn bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird der Wirkungsgrad derzeit auf 90 Prozent geschätzt.47 Um dieser Situation und der CO₂-Belastung entgegenzuwirken, wurden verschiedene Lösungsansätze vorgeschlagen. Die Unzulänglichkeiten von Verbrennungsmotoren haben die Bevölkerung und die Politik dazu veranlasst, auf alternative Antriebskonzepte umzusteigen. Im Fokus stehen in Deutschland derzeit die Elektrofahrzeuge mit ihren unterschiedlichen Elektroantrieben.

3 Elektromobilität

In diesem Kapitel wird die Geschichte der Elektromobilität beschrieben, angefangen von seinem ursprünglichen Erfinder bis hin zu den Möglichkeiten, die die heutigen Elektroautos mit sich bringen. Dabei wird auf den technischen Stand dieser Antriebsart sowie auf die politische Kontroverse gegenüber dieser Antriebsart eingegangen. Abschließend wird auf den Aufbau des Elektroautos eingegangen, dabei werden einzelne Komponenten und deren Vorteile näher betrachtet.

3.1 Geschichte der Elektromobilität

Die Erfindung des Elektrofahrzeuges geht, entgegen der meisten Vermutungen, der des Verbrennungsmotors voraus. Der deutsche Erfinder Carl Benz wusste mit angrenzender Sicherheit, dass er nicht der erste war, als er seinen „Motorwagen Nummer 1“, beim Patentamt am 29. Januar 1886, anmeldete. Denn der Antrieb auf Basis von Dampf oder Elektrizität hatten bereits einige Jahre zuvor begonnen.48

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Prozentuale Anteile der verschiedenen Antriebsarten in den USA - 1900

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an FAZ (2019)

Beispielsweise nutzten im Jahr 1900 rund 40 Prozent der Autos in den Vereinigten Staaten noch Dampf, wertend 38 Prozent der Fahrzeuge wurden mit Elektrizität angetrieben und nur 22 Prozent wurden mit Benzin betrieben. Innerhalb von 50 Jahren stieg die Menge von Autos mit Verbrennungsmotoren erheblich an.49 Die Geschichte des ersten Elektroautos begann 1832 mit dem Briten Robert Anderson. Das von ihn entwickelte Auto eine Geschwindigkeit von etwa 12 Stundenkilometer und verursachte bei der Fahrt eine Lautstärke, die nicht wesentlich höher war als die von heutigen Fahrzeugen. Robert Anderson nutzte für sein Fahrzeug eine Einwegbatterie und zur Stromerzeugung Rohöl. Lange bevor 1886 der berühmte dreirädrige Benz-Benzinmotor auf den Markt kam, brachte Anderson sein Elektroauto auf die Straße. Dadurch hatte er bewiesen, dass Autos auch ohne den Einsatz von Benzin funktionieren können.50

Das erste Elektro-Straßenauto war 1881 das von Gustave Trouvé aus Paris.[51] Der tatsächliche, vierrädrige Elektro-Personenwagen wurde 1888 in der Coburger Maschinenfabrik A. Flocken in Deutschland hergestellt.52 Im Jahre 1939 produzierten weltweit 565 Marken Elektroautos, davon 29 in Deutschland.53 Historiker führen den Rückgang der Zahl der Elektrofahrzeuge im Jahr 1910 auf mehrere Faktoren zurück. Einerseits sorgte der große Einfluss des US-amerikanischen Erdölraffinerie-Unternehmens, die Standard Oil Company, hinter der der Inhaber John D. Rockefeller stand, für eine enorme Bevorzugung von Verbrennungsmotoren. Die Firma Standard Oil Company nannten bis zu 70 Prozent des Weltmarktes Erdöl ihr Eigen und konnten somit die dafür fälligen Preise festsetzen und kontrollieren.54 Andererseits unterstützte der erste Weltkrieg diese Weiterentwicklung, denn die Militärfahrzeuge benötigten Antriebe mit hohen Reichweiten und Kraftstoffreserven, die leicht zu transportieren sind.55 Letzten Endes lag es daran, dass das Unternehmen Ford die Autos mit Verbrennungsmotoren für die Öffentlichkeit massentauglich machte. Der Kurator des Frankfurter Museums beschrieb, dass es auch im Dritten Reich Diskussionen über Elektrofahrzeuge gegeben habe. Nach Berechnungen des Reichspostministeriums von 1935 könnten die Produktionskosten um bis zu 40 Prozent gesenkt werden. Nach dem Versuch kam die Reichspost zu dem Schluss, dass die Elektrofahrzeuge die meisten Routen schneller zurücklegen konnten, denn bei den gängigen Zustellrouten lag das Hauptaugenmerk mehr auf der Beschleunigung der Fahrzeuge als auf der Höchstgeschwindigkeit. Bis Ende der 1930er Jahre war die Anzahl der Elektrofahrzeuge von der Deutschen Post auf fast 3000 angewachsen. Zudem konnte der Strom beispielsweise aus Kohle gewonnen werden, welches im Inland produziert werden konnte und die Unabhängigkeit vom Ausland erhöhte. Die Autohersteller experimentierten gleichzeitig weiter mit Elektroautos und sonstigen alternativen Antrieben. Chrysler beispielsweise testete in den 1960er Jahren sogar an einem turbinenbetriebenen Auto, im Jahre 1976 realisierte Volkswagen die Elektrifizierung von 20 Fahrzeugen und BMW schaffte 1981 ein Forschungsprojekt „Elektroauto mit Hochenergiebatterie“. Der Bundesstaat Kalifornien hatte verlangt, dass die Autohersteller emissionsfreie Autos produzieren. In den 1990er Jahren brachte General Motors beispielsweise ein Elektrofahrzeug auf den Markt. „Sie werden einer der ersten sein, der ein Leben ohne Ölwechsel und Emissionstests führt. Es gibt so viel, dass Sie nun vergessen können“ – so im Handbuch des Elektrofahrzeuges von General Motors. Das Problem bleibt dagegen vergleich wie um 1900: Zum einen sind Elektrofahrzeuge teuer, zum anderen ist die Reichweite zu kurz. Wie bereits in den 1970er Jahren ist es auch heutzutage meist noch ein politisches Thema. Dabei spielt vor allem die generelle Abhängigkeit von Erdöl eine besonders große Rolle. Ziel ist es daher, autonomer gegenüber bestimmter Erdölexportierenden Länder zu werden. Die Ölkrise von 1973 verdeutlichte abermals die Problematik der Wirtschaft in Bezug auf die Abhängigkeit von Öl. Viele Umweltschützer wie zum Beispiel der Club of Rome, welcher einen Zusammenschluss von Experten, Wissenschaftlern und Politikern bildet, verunglimpfen den Ruf des Öls.56

Sie drängen den Bundestag dazu, weitere alternative Antriebskonzepte zu den Elektrofahrzeugen zu testen. Die Geschichte macht allerdings deutlich, wie groß der Wettbewerb der Autohersteller heutzutage ist, denn die Aufgabe besteht darin, zu verwirklichen, was in den vergangenen 100 Jahren weder Technikern noch Wissenschaftlern gelungen ist. Es besteht die Möglichkeit, dass die Entwicklung etwas zutage fördert, was in den vergangenen 100 Jahren für unmöglich gehalten wurde. Der Großteil der deutschen Bevölkerung ist bereit in eine klimafreundliche Zukunft zu investieren. Sofern die Politik bereit ist die angemessenen Voraussetzungen zu stellen und alternative Antriebe zweckmäßig zu fördern.57

3.2 Technischer Stand der Elektromobilität

Die Elektromobilität beschreibt die auf Elektrizität basierende Antriebskraft unterschiedlicher Fahrzeuge. Diese können sowohl zum Personenverkehr gehören als auch den Transport von Gütern ermöglichen. Dazu gehören auch die schienengebundenen Verkehrssysteme.58 Die auf der Internationalen Automobilausstellung, im Jahre 2013 bekannt gegebenen Elektroautomobile, verdeutlichten, dass Elektrofahrzeuge keine Nischenprodukte mehr sind, sondern in der Mobilität eine immer bedeutsamere Funktion einnehmen werden. Dies war der Wendepunkt für die Elektrofahrzeuge in Deutschland, mit dem sie in die öffentliche Wahrnehmung rückten.59

Die Ablösung von Verbrennungsmotoren durch Elektroantriebe ähnelt dem Ersatz fossiler Kraftwerke durch Windkraftanlagen. Dies hat zu einer politischen Kontroverse über grundlegende technische Fragen geführt, die weiterentwickelt werden müssen. Kurzum, klimapolitisch sind die Auswirkungen der Technologie auf die Automobilindustrie vergleichbar mit denen der Energiewirtschaft.60

3.2.1 Aufbau eines Elektrofahrzeuges

Dieses Kapitel führt in die Grundkenntnisse der wesentlichen Elemente eines reinen elektrifizierten Antriebsstrangs ein. Dieses besteht aus den folgenden vier Bauteilen:61

- Elektromotor
- Akkumulator/Fahrzeugbatterie
- Leistungselektronik
- Ladeanschluss

Bei der Konstruktion dieser Fahrzeugkomponenten hat sich die sogenannte „Skateboard“-Architektur bewährt. Das Herzstück eines Elektroautos ist die Batterie, die sich zwischen den Achsen an der Unterseite des Autos befindet. Der Elektromotor und die Leistungselektronik befinden sich an der Vorderachse und/oder der Hinterachse. Das Unterflursystem ermöglicht einen geringeren Schwerpunkt und hat eine etwas höhere Raumnutzung als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.62 Die Energiespeicher in Elektrofahrzeugen sind Hochvoltbatterien. Im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren können diese Hochvoltbatterien am besten mit Kraftstofftanks verglichen werden.

Die Reichweite eines Elektrofahrzeuges wird durch die Speicherkapazität der Batterie bestimmt, welche über eine Ladestation geladen wird. Die Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeuges ist anhand des Geldwertes die kostenintensivste Komponente. In gängigen Elektroauto-Typen werden vor allem die Lithium-Ionen-Akkus verbaut, die viele Vorteile aufweisen. Diese sind im Vergleich zu anderen Akkus langlebiger, schneller beim Aufladen, darüber hinaus bieten diese die Möglichkeit mehr Strom zu speichern. Der Verkaufspreis von Elektrofahrzeugen hängt maßgeblich von der Leistung und Qualität der Batterie ab.63 Die Leistungselektronik ist eine der drei Kernkomponenten jedes Elektrofahrzeuges, die auch als das Bindeglied zwischen dem Elektromotor und dem Akku bezeichnet wird. Dabei besteht die Leistungselektronik aus einem Inverter und einem Spannungswandler. Die Regelung und Überwachung des Elektromotors sowie die erforderliche Drehmomentversorgung und die Drehzahlregelung des elektrischen Antriebssystems erfolgen über den Inverter. Der Spannungswandler hingegen ändert die Eingangsspannung von Gleichstrom in Wechselstrom.64 Elektromotoren haben grundsätzlich gegenüber Verbrennungsmotoren die Vorteile einer kompakteren Bauweise und einer geringeren Anzahl an Komponenten, wodurch die E-Autos leichter sind im Vergleich zu den herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.

3.2.2 Funktionsprinzip eines reinen Elektrofahrzeuges

Der Fokus dieser Fahrzeuge liegt auf der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie. Zu Beginn fließt die in der Batterie gespeicherte Energie zum Elektromotor. Das integrierte Managementsystem sorgt dafür, dass jede einzelne Batteriezelle so arbeitet, dass alle die gleiche Spannung und die benötigte Leistung liefern. Die Funktionsweise dieser Regelung kann die Lebensdauer der in Autos verbauten Batterien verlängern und sicherstellen, dass sie so wirtschaftlich und zuverlässig wie möglich arbeiten. Bei elektronischen Motoren gibt es zwei verschiedene Hauptteile von Magneten, die als physikalische Elemente zu verstehen sind. Zum einen den Stator und zum anderen den Rotor. Im Gegensatz zum Stator, der fest integriert ist, handelt es sich bei dem Rotor um den rotierenden Teil der Maschine. Durch die Energie aus der Batterie wechseln die Statoren permanent ihre Pole.65 Gleichzeitig wird der Rotor in der Mitte abwechselnd von anderen Magneten angezogen und wieder abgestoßen, wodurch er sich um die eigene Achse dreht. Das Ergebnis ist eine Drehbewegung durch die Erzeugung eines Magnetfeldes. Der bewegliche Teil ist mit einer Welle verbunden, die sich permanent mit ihm dreht. Diese Übersetzung sorgt dafür, dass die Räder angetrieben werden.

3.2.3 Typen von Elektromotoren

Der Elektromotor muss die folgenden drei Merkmale aufweisen, um das Fahrzeug anzutreiben. Auf der einen Seite einen hohen Wirkungsgrad, auf der anderen Seite eine empfindsame Drehzahl- und Drehmomentregelung und abschließend ein möglichst geringes Gewicht und Größe. Die Realisierung der genannten Eigenschaften kann durch unterschiedliche Motortypen umgesetzt werden, die in Gleichstrommotoren, Synchronmotoren und Asynchronmotoren unterteilt werden. Im Laufe der Jahre wurden umfangreiche Erfahrungen mit diesen unterschiedlichen Motortypen im Bereich der industriellen Antriebstechnik gesammelt. Da Elektrofahrzeuge eine hohe Leistung erfordern, kann diese nur mit eingesetzten Drehstrommotoren erreicht werden. Um ihr volles Potential zu nutzen, arbeiten sie mit Hoch-Volt-Drehstrom mit einer Spannung von 400 Volt. Nahezu alle Arten der Drehstrommotoren sind in Fahrzeugen zu finden. Hauptvertreter ist dabei allerdings der permanenterregte Synchronmotor (PSM).66 Die Automobilindustrie verwendet drei verschiedene Arten von Motoren. Ihr technischer Aufbau ist dennoch vergleichbar, ihre Funktionsweisen jedoch unterschiedlich. Permanenterregte Synchronmotoren haben unter diesen Motoren den höchsten Wirkungsgrad, gefolgt vom stromerregten Synchronmotor und an dritter Stelle dem Asynchronmotor. Demzufolge hat der PSM im Vergleich der drei Motoren bei gleicher Energieeinbringung die höchste Reichweite, die zurückgelegt werden kann. Darüber hinaus hat der PSM auch den höchsten Wirkungsgrad bei der Rekuperation, sprich die Energiegewinnung beim Bremsen. Asynchronmotoren sind technisch unkompliziert, wodurch der Wirkungsgrad beeinträchtigt wird, andererseits ist dieser robust und hat geringere Herstellungskosten. Es liegt nahe, dass eine umweltfreundliche Konstruktion der Motoren, diejenige Variante sein wird, die einen technischen Mehraufwand erfordert.67

[...]


1 Vgl. Bundeszentrale für politische Bildung (2021)

2 Vgl. Deutsche Welle (2021)

3 Vgl. Komarnicki, Haubrock und Zbigniew (2018, S. 6)

4 Vgl. Deutsche Welle (2015)

5 Vgl. European Commission (o.D.)

6 Vgl. Energie-Umwelt (2019)

7 Vgl. BMWI (2020)

8 Vgl. Handelsblatt (2020)

9 Vgl. Der Tagesspiegel (2021a)

10 Vgl. Gruene (o.D.)

11 Vgl. Focus Online (2020)

12 Vgl. Wenzlaff, Adriana (2011, S. 2)

13 Vgl. Motorzeitung (2018)

14 Vgl. Ingenieur (2020)

15 Vgl. Landeszentrale für politische Bildung Baden-Württemberg (2019)

16 Vgl. Mitteldeutscher Rundfunk (2018)

17 Vgl. NDR (2020)

18 Vgl. Der Tagesspiegel (2021b)

19 Vgl. Energie-Info (2015)

20 Vgl. Roller (2020)

21 Vgl. Springer Professional (2012)

22 Vgl. Eurotransport (2020)

23 Vgl. Inside Digital (2021)

24 Vgl. Inside Digital (2021)

25 Vgl. Kampker, Vallée & Schnettler (2018, S. 314-316)

26 Vgl. Smarterfahren (2017)

27 Vgl. Klell, Eichlseder & Trattner (2018, S. 178-179)

28 Vgl. Siqens (2021)

29 Vgl. BMW (2020)

30 Vgl. Jülich - Forschungszentrum (2018)

31 Vgl. Daparto (2020)

32 Vgl. Fischer, et al. (2017, S. 162)

33 Vgl. Klell, Eichlseder & Trattner (2018, S. 203)

34 Vgl. SimplyScience (2016)

35 Vgl. Seilnacht (2020)

36 Vgl. RP-Energie-Lexikon (2020)

37 Vgl. Kickelbick, Guido (2008, S. 337)

38 Vgl. Helmholtz (2020)

39 Vgl. PS WELT (2015)

40 Vgl. BMU (2021)

41 Vgl. Handelsblatt (2015)

42 Vgl. PS WELT (2015)

43 Vgl. TÜV Nord (2019)

44 Vgl. Umweltbundesamt (2013)

45 Vgl. TÜV Nord (2019)

46 Vgl. Spiegel (2014)

47 Vgl. Groupe Renault (2021)

48 Vgl. FAZ (2019)

49 Vgl. Energie Dienst (2019)

50 Vgl. Vattenfall Smarter Living (2020)

51 Vgl. Vattenfall (2016)

52 Vgl. inFranken (2013)

53 Vgl. Elektroauto-News (2020)

54 Vgl. Deutschlandfunk (2020)

55 Vgl. Energie Dienst (2019)

56 Vgl. FAZ (2019)

57 Vgl. T-Online (2018)

58 Vgl. BMWI (2019)

59 Vgl. Karle, Anton (2020, S. 15)

60 Vgl. Becker, Thomas (2021, S. 321)

61 Vgl. Karle, Anton (2020, S. 60)

62 Vgl. ADAC (2018)

63 Vgl. Energielösung (2020)

64 Vgl. Mein-Autolexikon (2019)

65 Vgl. E-Autos (2019)

66 Vgl. Karle, Anton (2020, S. 61-67)

67 Vgl. Neue Zürcher Zeitung (2021)

Ende der Leseprobe aus 100 Seiten

Details

Titel
CO2-Emissionen von Elektrofahrzeugen. Wirtschaftliche Chancen und Risiken der Elektromobilität
Untertitel
Der Grüne Weg für Deutschland?
Hochschule
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel
Note
1,7
Jahr
2021
Seiten
100
Katalognummer
V1141520
ISBN (eBook)
9783346513694
ISBN (Buch)
9783346513700
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Mit Academic Plus bietet GRIN ein eigenes Imprint für herausragende Abschlussarbeiten aus verschiedenen Fachbereichen. Alle Titel werden von der GRIN-Redaktion geprüft und ausgewählt. Unsere Autor:innen greifen in ihren Publikationen aktuelle Themen und Fragestellungen auf, die im Mittelpunkt gesellschaftlicher Diskussionen stehen. Sie liefern fundierte Informationen, präzise Analysen und konkrete Lösungsvorschläge für Wissenschaft und Forschung.
Schlagworte
Ökobilanz, E-Auto, Elektroauto, Elektrofahrzeug, Elektromobilität, Umweltschutz, Klimaschutz, Klimaziele, Nachhaltigkeit, Klimaneutralität, Umweltpolitik, CO2-Emissionen
Arbeit zitieren
Anonym, 2021, CO2-Emissionen von Elektrofahrzeugen. Wirtschaftliche Chancen und Risiken der Elektromobilität, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1141520

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