Zukunft Elektromobilität. Deutschland in Hinblick auf Reichweite, Infrastruktur, Kosten sowie Nachhaltigkeit

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Geschichtliche Entwicklung der Elektromobilitat

3. Elektromobilitat heute
3.1 Fahrzeuge
3.2 Tankstellen
3.3 Carsharing - Integration von Elektroautos

4. Probleme und Herausforderungen
4.1 Reichweite - Batterietypen
4.2 Infrastruktur
4.2.1. Tankstellennetz
4.2.2. Stromnetz
4.3 Anschaffungs- und Betriebskosten
4.4 Nachhaltigkeit

5. Fazit

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Durch die zunehmende Teuerung von Treibstoffen in den vergangenen Jahren sowie den Bemuhungen der Regierungen um Nachhaltigkeit, tritt Elektromobilitat in den Fokus der Forschungsbemuhungen in der Automobilindustrie. GemaR einer Pressemeldung des Deutschen Bundestages wurden von der deutschen Regierung seit dem Jahre 2009 rund 671 Millionen Euro fur Forschung und Entwicklung im Bereich der Elektromobilitat zur Verfugung gestellt. Zudem hat die deutsche Industrie angekundigt innerhalb der nachsten drei Jahre bis zu 17 Milliarden Euro in diesen Sektor zu investieren (Deutscher Bundestag, 2011).

Ebenso spielt das Umweltbewusstsein fur die deutsche Bevolkerung eine immer wichtigere Rolle. Dies ist abzulesen an einer Studie von Oliver Wyman aus dem Jahre 2007, die zeigt, dass bei der Kaufentscheidung eines PKW die Umweltfreundlichkeit bereits vor Design, Service und Markenprestige liegt (Wallentowitz et al., 2011).

Unter dem Rahmenthema „Mobilitat bei reduziertem fossilen Brennstoffeinsatz" werden von unseren Gruppen folgende Themenbereiche behandelt: Die AG 1 fokussiert die wirtschaftlichen Auswirkung der Verknappung auf den globalen Handel. Unter anderem sollen der Modal Split sowie alternative Transportmittel untersucht werden. AG 20 beschaftigt sich mit alternativen Energiekonzepten fur regionale, nationale und internationale Verkehre. Dabei soll genauer auf die Moglichkeiten in den Bereichen Luft-, Wasser-, Schienen- und StraRenverkehr eingegangen werden. Die AG 2 behandelt die Frage, wie der Verknappung fossiler Brennstoffe begegnet werden kann. Die momentan genutzten Energietrager werden in Hinblick auf Ressourcenknappheit und Umweltvertraglichkeit vorgestellt. Im Zusammenhang damit soll untersucht werden, welche Moglichkeiten es gibt, nachhaltig Energie zu erzeugen.

Elektromobilitat ist eng mit dem Thema der Mobilitat bei reduziertem fossilen Brennstoffeinsatz und den Moglichkeiten, die alternativen Energiekonzepte bieten verknupft. Um tiefgehend auf den Kernbereich Elektromobilitat einzugehen, werden wir folgende Fragestellung untersuchen: Inwiefern besteht eine Zukunft fur die flachendeckende Verbreitung elektrisch betriebener PKW in Deutschland in Hinblick auf Reichweite, Infrastruktur, Kosten sowie Nachhaltigkeit?

Des Weiteren wird zur Einfuhrung in die Thematik auf aktuelle Pilotprojekte und die geschichtliche Entwicklung eingegangen. Als Grundlage unserer Arbeit werden hauptsachlich aktuelle Studien, Fachzeitschriften und Fachbucher genutzt werden. Zudem werden einschlagige Internetseiten als Informationsquellen herangezogen, um so der Aktualitat des Themenbereiches Genuge zu tun.

2. Geschichtliche Entwicklung der Elektromobilitat

In jungster Vergangenheit spielt die Elektromobilitat eine immer groRere Rolle. So werden von den groRen Automobilherstellern regelmaRig neue Konzeptfahrzeuge mit elektrischem Antrieb vorgestellt. Dabei ist zu beachten, dass die Geschichte der elektrisch betriebenen Fahrzeuge schon vor uber 170 Jahren ihren Anfang nahm. Diesen markierte Thomas Davenport, der bereits im Jahr 1834 das erste batteriebetriebene Fahrzeug konstruierte. Auch wenn die Batterie damals nicht wieder aufladbar und nur fur kurze Strecken geeignet war, zeigt es doch dass die Technologie sogar alter ist als die des Verbrennungsmotors. Erst 50 Jahre spater, im Jahr 1886, wurde das erste Auto mit Verbrennungsmotor von Carl Friedrich Benz entwickelt.

Im Verlauf der nachsten Jahre wurden weitere Entdeckungen gemacht wie die des dynamo- elektrischen Prinzips durch den Erfinder Werner von Siemens im Jahre 1866, die von hoher Wichtigkeit fur die zukunftige Entwickelung der Elektromobilitat war. Von ihm wurde auch 1881 die erste elektrische StraRenbahn und 1882 das erste elektrische Auto, welches uber eine Oberleitung mit Strom gespeist wurde, in Betrieb genommen.

Bis zur Jahrhundertwende hatte sich der Elektroantrieb fur PKW auch in vielen anderen Industriestaaten durchgesetzt. So gab es zu dem Zeitpunkt in den Vereinigten Staaten mehr als 15000 elektrisch betriebene Autos. Von da an entwickeln sich der Einsatz des Elektromotors im StraRen- und Schienenverkehr sehr unterschiedlich (Naunin, 2004).

Im Schienenverkehr machte die Entwickelung neuer strombetriebener Lokomotiven schnelle Fortschritte. So wurde 1895 die erste elektrische Vollbahnlokomotive von General Electric Co. gebaut. Durch weitere Entwicklungen in diesem Gebiet und Kohleknappheit wurde im Jahr 1918 der Entschluss gefasst die Schweizerische Bundesbahn (SBB) allgemein zu elektrifizieren, welcher bis 1960 komplett umgesetzt werden konnte. Im Jahr 1952 wurde mit der weltweiten Elektrifizierung mit Einphasen-Wechselstrom des Schienenverkehrs begonnen. Dadurch hat sich der Elektroantrieb im Schienenverkehr bis zum heutigen Tage komplett durchgesetzt, so dass andere Antriebstechnologien, wie der Dampfantrieb mit Kohle oder der Verbrennungsantrieb mit Diesel, kaum mehr eine Rolle spielen (Filipovic, 2004).

Im StraRenverkehr dagegen sah die Entwicklung anders aus. Ab dem Jahr 1920 verlor der Elektromotor fur den StraRenverkehr immer mehr an Bedeutung. Zwar gab es im Jahr 1945 22000 Elektrofahrzeuge in Deutschland aber dadurch, dass die Serienfahrzeuge immer leisere und zuverlassigere Verbrennungsmotoren besaRen und Benzin ein gunstiger Kraftstoff war, setze sich der Verbrennungsantrieb immer weiter durch. Erst ab 1965 wurde die Entwickelung von Elektrofahrzeugen gefordert indem die Gesellschaft fur elektrischen StraRenverkehr (GES) in Deutschland gegrundet wurde. In den folgenden Jahrzehnten wurden weitere politische MaRnahmen getroffen um alternative Energien im StraRenverkehr zu fordern. So gab es in den Jahren 1980 bis 1984 und 1992 bis 1996 Programme, die den Einsatz elektrischer Fahrzeuge testeten und vom Bundesministerium fur Forschung und Technologie gefordert wurden (Naunin, 2004).

3. Elektromobilitat heute

Wie weit die Entwicklung bis heute fortgeschritten ist, soil im weiteren Verlauf dieser Arbeit naher beleuchtet werden. Im folgenden Kapitel werden zunachst die einzelnen Fahrzeug Typen und verschiedene Modelle vorgestellt und erlautert. Danach wird die aktuelle Stand der Ladeinfrastruktur und die Idee und Umsetzung des „Car-Sharing" beleuchtet.

3.1 Fahrzeuge

Zurzeit ist nur eine sehr uberschaubare Anzahl von Elektrofahrzeugen auf dem Weltmarkt erhaltlich. Obwohl viele Automobilkonzerne ein Elektroauto in der Flotte haben belaufen sich fast alle Entwicklungen auf Prototypen und Testmodelle. Auch in Deutschland verlief die Entwicklung bisher schleppend.

Das zunehmende Umweltbewusstsein der Bevolkerung und der Politik in Deutschland und die daraus resultierende Nachfrage nach umweltfreundlicheren Autos bewegen zurzeit jedoch die Autoindustrie in die Entwicklung und Forschung von Elektroautos zu investieren. Das deutsche Bundeskabinett hat zudem im August 2009 mit dem „Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilitat" die notigen Rahmenbedingungen sowie Investitionen fur den Bereich der Elektromobilitat festgelegt um die notigen Entwicklungen voranzutreiben (Presse- und Informationsamt der Bundesregierung, 2009).

Elektrische Antriebshilfen werden schon langer in Serienfahrzeugen verbaut. Die Hauptfunktion besteht in der Reduzierung des Verbrauchs und der Verbesserung der Fahreigenschaften. Das Einsparen von Kraftstoff wird dabei meist so realisiert, dass der Verbrennungsmotor abgeschaltet wird und ein Elektromotor bestimmte Aufgaben ubernimmt. Gerade bei niedrigeren Geschwindigkeiten sind Elektromotoren viel effizienter als Verbrennungsmotoren. Im hohen Drehzahlbereich, also bei hohen Geschwindigkeiten ist jedoch der Verbrennungsmotor die effizientere Losung und wird meist ab einer Geschwindigkeit von 60 km/h zugeschaltet, sowie zur Unterstutzung, einer sogenannten Boost-Funktion beispielsweise beim Oberholen (Wallentowitz, et al., 2011). Auf Grundlage dieser Eigenschaften werden beim Hybriden die Vorteile beider Motoren so ausgenutzt, dass eine moglichst groRe Einsparung an Kraftstoff und Emissionen erreicht wird. Man unterscheidet verschiedene Arten von Hybriden, deren Antrieb jeweils eine Kombination von Elektromotor und Verbrennungsmotor darstellt. Hybride sind somit keine reinen Elektrofahrzeuge, stellen jedoch wichtige Entwicklungen auf dem Weg zum reinen Elektrofahrzeug dar. Im Gegensatz zum reinen Elektrofahrzeug gibt es bereits mehrere seriell hergestellte Hybrid Modelle von verschiedenen Automobilherstellern. Daher sollen diese kurz naher erlautert werden.

Die ersten Mikro-Hybriden ersetzten Lichtmaschine und Anlasser durch einen integrierten Starter-Generator. Der Motor geht bei dieser Start-Stopp-Automatik automatisch aus, sobald eine bestimmte Fahrtgeschwindigkeit unterschritten und die Bremse betatigt wird. Wird die Bremse wieder gelost, bei Schaltwagen die Kupplung, springt der Motor wieder an. Durch diese Technik lassen sich zwischen sieben bis elf Prozent Kraftstoff einsparen, abhangig vom Anteil der Stadt- und Autobahnfahrten. Wird ein funf bis 15 kW Elektromotor verwendet so lautet die Bezeichnung Mild Hybrid. Dieser Elektromotor kann bei niedrigen Umdrehungen des Verbrennungsmotors als Antriebsunterstutzung hinzu geschaltet werden. Beim regenerativen Bremsen ladt die entstehende Energie die Batterie bzw. die Kondensatoren des Elektromotors. Hierdurch konnen bis zu zehn Prozent mehr Reichweite des Elektroautos erreicht werden. Insgesamt lassen sich durch Antriebsunterstutzung und regeneratives Bremsen Kraftstoffeinsparungen von 15% - 20% realisieren. Dieses Modell des Mild Hybriden wird von vielen Unternehmen als Optimum zwischen technischem und finanziellem Aufwand und erreichbarer Kraftstoffeinsparung gesehen. Dies hangt unter anderem damit zusammen, dass die bisher entwickelten Fahrzeugakkumulators relativ teuer sind und eine geringe Reichweite aufweisen.

Bei Vollhybriden erreicht der leistungsstarkere Elektromotor uber 20 kW. Die verwendeten Hochvolt - Li-Ionen- Batterien mit Spannungen von 300 V ermoglichen rein elektrisches Fahren von bis zu 20 km. Bei Vollhybriden wird zwischen parallelen und leistungsverzweigten Hybriden sowie seriellen Hybriden unterschieden. Beim Parallelhybrid konnen der Verbrennungsmotor und der Elektromotor oder jeder Motor separat das Fahrzeug antreiben. Es ist also moglich eine gewisse Strecke emissionsfrei mit dem Elektromotor zu fahren. Dies ist beim leistungsverzweigten Hybrid nicht moglich, da fur den Antrieb stets beide Motoren verwendet werden. Der serielle Hybrid wird hingegen nur mit einem, dem Elektromotor, angetrieben. Der eingebaute Verbrennungsmotor dient lediglich zum erzeugen von Energie fur den Generator.

Einem reinen Elektroauto kommt der Plug-In Hybride sehr nahe. Diese Fahrzeuge sind darauf ausgelegt mit Strom aus der Steckdose betrieben zu werden. Viele Strecken die taglich zuruckgelegt werden und keine groRe Reichweite erfordern, konnen emissionsfrei mit dem Elektromotor zuruckgelegt werden.

Der eingebaute Verbrennungsmotor wird nur als „Range-Extender" benotigt und versorgt auf langeren Strecken den Generator mit Energie fur den Elektromotor um so auch groRere Reichweiten ohne zwischenzeitliches Aufladen zu erreichen. (Wallentowitz et al., 2011).

Im Gegensatz zu Hybridfahrzeugen gibt es vergleichsweise sehr wenig Elektroautos auf dem Markt. Mit dem Model S plant Tesla Motors Ende 2012, nach dem Tesla Roadster 2008, bereits das zweite Elektroauto einzufuhren. Der zweisitzige Sportwagen ist mit einem 225 kW Elektromotor sowie einer 450 kg Li-Ionen Batterie mit 45 kWh Leistung ausgestattet bei einem Leergewicht von 1.220 kg. Der Tesla Roadster erreicht Reichweiten von bis zu 365 km sowie eine Hochstgeschwindigkeit von 210 km/h. Werte die vergleichbar sind mit dem Lotus Elise SC welcher durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Dies macht den Roadster einzigartig auf dem Markt. Der Preis von 117.819 € ist jedoch mehr als doppelt so hoch wie der des Lotus (Tragner et al., 2009).

Zum Vergleich werden hier zwei weitere Elektroautos aufgefuhrt die, wie derTesla Roadster, bereits am Markt eingefuhrt sind und typische Leistungsmerkmale fur ein Elektroauto aufweisen. Der iMiEV von Mitsubishi wurde 2009 in Japan und 2010 in Europa eingefuhrt. Der Viersitzer besitzt einen 47 kW starken Elektromotor, eine Li-Ionen Batterie mit, je nach Modell, 16-20 kWh Leistung bei einem Leergewicht von 1080 kg. Die Hochstgeschwindigkeit ist mit 130 km/h angegeben bei einer Reichweite von 130 - 160 km. Der Preis betragt 34.000 Euro.

Fur 20.000 € erhalt man den Think City von der norwegischen Firma Think Global AS der 2007 auf den Markt kam. Der Zwei - bis Viersitzer besitzt einen 30 kW Elektromotor und kann mit diversen Batterietypen betrieben werden. Das Leergewicht betragt 1.400 kg, hinzukommen ca. 250 kg fur die Batterie. Die Hochstgeschwindigkeit betragt 100 km/h bei einer Reichweite von 180 km. Der Verbrauch ist beim iMiEV mit 12,4 kWh/100km beim Think City mit 14, 5 kWh/100 km angegeben. Zum Vergleich: der Verbrauch des Sportwagen Tesla Roadster betragt 14 - 20 kWh/100 km (Bristela, 2010).

Diese groRen Kosten- und Leistungsdifferenzen zwischen dem iMiEV bzw. Think City und dem Roadster verdeutlichen die hohen Preise fur Elektroautos. Vergleichbare Leistungsmerkmale eines PKW mit Verbrennungsmotor zu erreichen ist beim Elektroauto mit hohen Kosten verbunden. Ein GroRteil der Kosten entfallen auf die Batterie.

Neben den batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen gibt es noch Entwicklungen wie den „7 Hydrogen" von BMW dessen Elektromotor mit einer Brennstoffzelle angetrieben wird. Die bisher entwickelten brennstoffzellenbetriebenen Elektrofahrzeuge weisen sehr gute Leistungsmerkmale im Bezug auf Fahrleistung und Reichweiten bis 500 km auf. Fur eine flachendeckende Einfuhrung ist diese Entwicklung jedoch nicht geeignet. Der benotigte Wasserstoff der fur die Energieerzeugung in der Brennstoffzelle notwendig ist steht zurzeit zwar ausreichend als Abfallprodukt der Industrie zur Verfugung. Steigt jedoch der Bedarf musste zusatzlich Wasserstoff hergestellt werden. Das benotigte Wasser hierfur ist in ausreichendem AusmaRe vorhanden, jedoch ist der Primarenergieaufwand sehr hoch.

Hinzukommen die hohen Kosten fur die Brennstoffzelle die eine geringe Lebensdauer von 2000 - 3000 Betriebsstunden aufweist sowie die schwierige Betankung und Speicherung von Wasserstoff (Wallentowitz et al., 2011).

Um uberhaupt Reichweiten um die 100 km sowie Hochstgeschwindigkeiten von 120 km/h zu erreichen werden viele Elektroautos in Leichtbauweise hergestellt. Die Fahrgastzelle ist meist aus Aluminium. Elemente wie A- und B- Saule sind aus Kohlenfaser hergestellt. Diese konnen die Energie bei einem Unfall aufnehmen und gewahrleisteten die notige Sicherheit. Zudem sind die Elektroautos meist Zweisitzer. Um die geringe Reichweite nicht noch zusatzlich zu schmahlern wird die Heizung und Klimaanlage haufig mit Bioethanol betrieben (Muller, 2011).

Dass die Entwicklung von Elektroautos jedoch noch am Anfang steht zeigt unter anderem der Chevrolet Volt. Der seit 2010 erhaltliche Plug-In Hybrid musste Ende 2011 von General Motors zuruckgerufen werden. Bei unfallgetesteten Wagen entzundeten sich Wochen nach dem Test die Li-Ionen Batterie von selbst und ging in Flammen auf (FOCUS online, 2011).

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