Marktübersicht und Wirtschaftlichkeit von Elektrorollern in Deutschland

Inhaltsübersicht

Abkürzungsverzeichnis- und Begriffsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Elektromobilität
1.2 Abgrenzung und Ziel der Arbeit

2. Anfänge und Entwicklung von E-Rollern

3. Stand der Technik zu Elektrorollern
3.1 Elektroantriebe
3.1.1 Wirkungsgrad
3.1.2 Bürstenloser Radnabenmotor als Standard
3.2 Batterietechnologie
3.2.1 Batterieanforderungen für mobile Anwendungen in Fahrzeugen
3.2.2 Batterien für mobile Anwendungen bei E-Rollern
3.2.3 Zusammenfassung der Batterietechnologien
3.2.4 Recycling der Batterien
3.3 Energiemanagementsysteme
3.3.1 Batterie-Management-System (BMS)
3.3.2 Energierückgewinnung mittels Rekuperation
3.4 Ladetechnik
3.5 Gesetze und Genehmigungen

4. Marktübersicht und Wirtschaftlichkeit
4.1 Marktübersicht
4.1.1 Design-Linien
4.1.2 Antriebsleistung
4.1.3 Reichweiten
4.1.4 Batterietechnologien
4.1.5 Preise
4.1.6 Zusammenfassung
4.2 Wirtschaftliche Betrachtung
4.2.1 Total Cost of Ownership (TCO)
4.2.2 Übertrag auf Nutzerverhalten
4.3 Lademöglichkeiten
4.4 SWOT-Analyse

5. Fazit und Ausblick
5.1 Zusammenfassung und kritische Reflexion
5.2 Ausblick

Quellenverzeichnis

Anhang

Abkürzungs- und Begriffsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Dimensionen der Elektromobilität

Abbildung 2: Einteilung der Elektrostraßenfahrzeuge

Abbildung 3: Kritische Faktoren bei Elektrorollern

Abbildung 4: H.W. Libbey „Electric Bicycle“ (Patent aus 1897)

Abbildung 5: Socovel Scooter Modellreihe 1941-

Abbildung 6: SOLO Electra 720 (1973)

Abbildung 7: Simson SR50 gamma E (1992)

Abbildung 8: BMW C Evolution (2014)

Abbildung 9: Innoscooter auf der eCarTec München

Abbildung 10: Leistungscharakteristika von Verbrennungs- und Elektromotor

Abbildung 11: Wirkungsgrade im Vergleich

Abbildung 12: Typischer Aufbau eines Radnabenmotors

Abbildung 13: Antriebsstrang eines Elektrorollers

Abbildung 14: Einteilung verschiedener EES nach der Art

Abbildung 15: Elektrolyse und Elektronenübertragung

Abbildung 16: Spannungsfeld der Batterietechnologie

Abbildung 17: Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

Abbildung 18: Energie- und Leistungsdichte von Energiespeichern

Abbildung 19: Materialkreislauf einer Traktionsbatterie

Abbildung 20: Batterieladekurve für eine 5 kWh-Batterie

Abbildung 21: Möglichkeiten des frei zugänglichen Ladens

Abbildung 22: Designlinien Retro, Classic, Maxi

Abbildung 23: Verteilung der Design-Linien

Abbildung 24: Antriebsleistung der erhobenen Modelle

Abbildung 25: Reichweiten laut Hersteller der erhobenen E-Roller

Abbildung 26: Verwendete Batterietechnologien

Abbildung 27: Wechselakku

Abbildung 28: Preis und Reichweite von Elektrorollern

Abbildung 29: Blei- und Lithium Akkus im Vergleich

Abbildung 30: TCO eines Automobils

Abbildung 31: Kostenschwelle von Benzin- und Elektro-Roller

Abbildung 32: Umfrage zur Fahrleistung mit dem Motorrad/Motorroller

Abbildung 33: Stromtankstellennetz in Horb a. N

Abbildung 34: SWOT-Analyse Elektroroller

Abbildung 35: Elektromobile City Scooter

Abbildung 36: Joeys E-Roller Flotte in München.

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Bewertung der Batterietechnologien.

Tabelle 2: Übersicht Ladeleistungen

Tabelle 3: Kostenvergleich Benzin-Roller und Elektro-Roller.

1. Einleitung

„Anstatt das Automobil immer weiter zu entwickeln, sollten wir uns überlegen, wie wir Mobilität in Zukunft anders gestalten.“¹

1.1 Elektromobilität

Elektromobilität, ein Thema das in unserer heutigen Gesellschaft immer mehr an Be- deutung gewinnt. E-Bikes, E-Roller, E-Motorräder und andere E-Fahrzeuge berei- chern unsere Mobilität und sind nicht mehr von den Straßen in Deutschland wegzu- denken. Elektromobilität ermöglicht eine CO2-freie Fortbewegung, wenn die Fahr- zeuge und Zweiräder mit Strom aus erneuerbaren Energien beladen werden. Durch den Umstieg auf elektrobetriebene Fortbewegungsmittel mit solarer Energie kann somit der verkehrsbedingte Anteil an CO2-Emissionen deutlich gesenkt werden.² Damit wird eine Unabhängigkeit gegenüber fossilen Brennstoffen erreicht, welche in Zeiten teuren Öls eine erschwinglichere Mobilität bieten kann und zusätzlich dem unverkennbaren Klimawandel durch die Reduktion von fossilem Energieverbrauch entgegenwirkt.

Regierungsprogramm Elektromobilität 2020

Die Bundesregierung sieht in der Elektromobilität eine große Chance für Deutschland, da sie unsere Industriegesellschaft mit Innovativen, weltweit gefragten Produkten und Systemen nachhaltig mitgestalten kann.³

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 1: Dimensionen der Elektromobilität⁴

1. Einleitung

Folglich ist Elektromobilität mehr als nur ein Austausch der Antriebsenergie. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht sie aus mehreren Dimensionen, die es gilt, in Ein- klang miteinander zu bringen. Dabei ist es essentiell den Nutzer stets im Mittelpunkt des Ganzen zu betrachten. Elektromobilität ist zudem als wichtiges Element einer klimagerechten Energie- und Verkehrspolitik im Regierungsprogramm verankert - mit dem Ziel bis 2020 eine Million elektrobetriebene Fahrzeuge auf Deutschlands Stra- ßen zu haben.

Um die Millionenmarke zu erreichen, startete im April 2012 eine Initiative der Bun- desregierung, die vier Regionen als sogenannte „Schaufenster für Elektromobilität“ für dieses Förderprojekt vorsieht und mit einem Volumen von 180 Mio. Euro unter- stützt.

- Schaufenster Baden-Württemberg „Living Lab BWe mobil“
- Schaufenster Bayern-Sachsen „Elektromobilität verbindet“
- Schaufenster Berlin-Brandenburg „Internationales Schaufenster E-Mobilität“
- Schaufenster Niedersachsen „Unsere Pferdestärken werden elektrisch“

Ziel dieser Schaufenster ist es, die deutschen Kompetenzen in den Bereichen Elekt- rofahrzeuge, Energieversorgung und Verkehrssysteme in ausgewählten, groß ange- legten regionalen Demonstrations- und Pilotvorhaben systemübergreifend zu bün- deln und für den Nutzer sichtbar zu machen.⁵ „Elektromobilität wird nur mit Beteili- gung der Nutzer ein Erfolg“⁶, sind sich WEERT CANZLER und ANDREAS KNIE vom Inno- vationszentrum für Mobilität und gesellschaftlichen Wandel (InnoZ) sicher.

Das Elektromobilitätsgesetzt (EMoG)

Mit dem Gesetz zur Bevorrechtigung der Verwendung von elektrisch betriebenen Fahrzeugen - dem Elektromobilitätsgesetzt - verfolgt die Bundesregierung das Ziel elektrisch betriebene Fahrzeuge zu fördern und Ermächtigungsgrundlagen für die Integration in die Straßenverkehrsordnung zu schaffen.⁷ Diese umfassen u.a. eine Parkbevorrichtung, Parkgebührenbefreiung für elektrisch betriebene Fahrzeuge im öffentlichen Verkehrsraum sowie eine erforderliche Kennzeichnung der Fahrzeuge. Das Gesetzt soll am 1. Februar 2015 in Kraft treten.

Nachhaltiges Mobilitätsverhalten

Der Stromverbrauch von vollelektrisch betrieben Fahrzeugen ist relativ gering. Beim Einsatz von einer Millionen Elektrofahrzeugen läge der Anteil am Bruttostromver- brauch bei 0,3% des Gesamtstromverbrauchs.⁸ Auch bei einem weiteren Anstieg der Elektrofahrzeuge im Straßenverkehr bleibt der Verbrauch überschaubar. Die durch elektrisch betriebene Fahrzeuge entstehende Stromnachfrage könnte somit ohne Probleme durch erneuerbare Energien gedeckt werden. Inwieweit sich Elektromobili- tät positiv auf den Klima- und Umweltschutz auswirkt, hängt maßgeblich davon ab, welcher Anteil an erneuerbaren Energien beim Laden der Elektrofahrzeuge zum Ein- satz kommt. Beim Einsatz von 100 % erneuerbaren Energien sind Elektrofahrzeuge emissionsfrei unterwegs. Gemäß § 42 Abs. 1 Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) sind alle Elektrizitätsversorgungsunternehmen verpflichtet, den Letztverbraucher über den Anteil der einzelnen Energieträger (Kernkraft, Kohle, Erdgas, andere fossile Energie- träger, erneuerbare Energien) und Umweltauswirkungen zu informieren. Dadurch wird im Sinne des Verbraucherschutzes die Transparenz in den liberalen und volati- len Strommärkten verbessert. Wie sich die Stromkennzeichnung gemessen an den Erzeugungsanteilen zusammensetzt, kann im Anhang eingesehen werden.

Ein weiterer positiver Effekt der Elektromobilität ergibt sich aus der Einbindung der Elektrofahrzeuge in das intelligente Stromnetz der Zukunft, das sogenannte „Smart Grid“. Viele erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind stehen nicht kontinuier- lich zur Verfügung oder aber zu Zeiten, an welchen kein erhöhter Strombedarf be- steht. Durch eine intelligente Steuerung des Ladevorgangs von Elektroautos können die Fahrzeugbatterien als mobile Energiespeicher genutzt werden.⁹ Damit kann die Elektromobilität einen wichtigen Beitrag für das Lastmanagement im Stromsektor leisten.

1.2 Abgrenzung und Ziel der Arbeit

Die Wahl dieses Studienarbeitsthemas ist auf Grundlage folgender Gesichtspunkte gefallen. Auf der einen Seite ist das Thema Elektromobilität in der Anfangsphase und weist dadurch einen hohen Grad an Unsicherheit und Komplexität auf. Daher bietet diese Studienarbeit die Möglichkeit sich mit einem wichtigen und zukunftsweisenden Thema auseinanderzusetzen und das eigene Mobilitätsverhalten zu reflektieren. Auf der anderen Seite gibt es bereits zahlreiche Studien und Berichte zur Mobilität mit Elektroautos - Studien zu elektrisch betriebenen Motorrädern und vor allem Rollern wurde bisher nicht dieselbe Aufmerksamkeit bemessen, obwohl sie das Potential haben, das Mobilitätsverhalten - vor allem das urbane - nachhaltig zu beeinflussen.

Abgrenzung der Arbeit

Elektromobilität bietet viele Einsatzgebiete elektrobetriebener Straßenfahrzeuge. Diese Studienarbeit fokussiert sich auf einspurige Elektrofahrzeuge - den Elektrorol- lern. Das E-Motorrad und seine Technologie werden kurz im Ausblick erwähnt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 2: Einteilung der Elektrostraßenfahrzeuge¹⁰

Simultan zu Motorrollern ist auch für die Rahmenkonstruktion des Elektrorollers die Existenz eines Fußraums hinter dem lenkenden Vorderrad charakteristisch. Dieser führt bei Vorhandensein einer Sitzbank zu der rollertypischen nicht-reitende Sitzhal- tung. Ein Knieschluss des Fahrers mit seiner Maschine wird damit im Unterschied zum Motorrad nicht möglich, welches die Querstabilität des Fahrers verringert.¹¹ Ein schnelles Durchfahren von engen Kurven wird dem Rollerfahrer im Unterschied zum Motorradfahrer eher erschwert. Auch konstruktionstypisch sind die kleinen Räder in Verbindung mit hohen Drehzahlen. Diese verringern bei regennasser Fahrbahn die Rutschfestigkeit und erhöhen somit die Gefahr des Aquaplaning. Aus diesem Grund werden leistungsfähigere E-Roller mit größeren Rädern gebaut, um mehr Fahrstabili- tät und damit mehr Sicherheit zu gewährleisten.

Kritische Faktoren bei Elektrorollern

Die Akzeptanz zukunftsfähiger Mobilitätskonzepte in der Bevölkerung wächst, und Nachhaltigkeit spielt dabei für immer mehr Menschen eine wichtige Rolle, so auch der Eindruck vieler Aussteller auf der diesjährigen eCarTec in München - der Leit- messe für Elektromobilität. Das große Interesse an E-Rollern und Pedelecs spiegelte sich ebenfalls auf der diesjährigen INTERMOT in Köln wieder - der weltweit führen- den und meistbesuchten Motorradmesse. Laut der offiziellen Pressemitteilung kamen alleine am letzten Tag rund 201.000 Einkäufer und Besucher aus 105 Ländern.

Doch aus welchen Gründen ist die Verbreitung der Elektroroller beim Nutzer bisher so stockend? Wie unterscheiden sich das Fahrverhalten und der Komfort eines E- Rollers im Vergleich zu einem Motorroller? Ist ein lautloser Motor im Straßenverkehr gefährlich? Haben die Roller genug Leistung? Wie weit komme ich mit einem Roller? Was passiert wenn ich liegen bleibe? Wie lange dauert das Aufladen und welchen Steckertypen benötige ich für meinen Elektroroller? Und die grundsätzliche Frage: „Macht Elektromobilität für mich überhaupt Sinn?“.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 3: Kritische Faktoren bei Elektrorollern

Fragen über Fragen - ob sich ein Elektrofahrzeug für den Einzelnen lohnt, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, beispielsweise den Lademöglichkeiten zu Hause und am Arbeitsplatz, der Planbarkeit der täglichen Fahrten sowie deren Häufigkeit und

Länge. Auch die Fahrtüchtigkeit von Elektrorollern in der kalten Jahreszeit wurde in der Vergangenheit angeprangert, da die Viskosität der Elektrolyte in den Akkuzellen bei tiefen Temperaturen zu hoch wird und folglich nicht mehr die notwendige Leistung abrufen werden kann

Ziel der Arbeit

Das Ziel dieser Studienarbeit ist es eine Marktübersicht von Elektrorollern zu erstel- len, die auf dem deutschen Markt verfügbar sind. Diese soll dem Nutzer auf die oben aufgeführten Fragen beantworten. Dabei werden die historische Entwicklung und der aktuelle Stand der Technik von E-Rollern und der Ladetechnik festgehalten. Das Fahrverhalten und der Komfort werden auf zwei Messebesuchen von E-Rollern er- probt. Unter Berücksichtigung des TCO (Preis, Werterhaltung, Betriebskosten) ein- schlägigen Nachhaltigkeitsaspekten (Batterie Management Systeme, Ressourcen- verfügbarkeit) und der europäischen Regelkonformität (CoC) werden die Daten der erhobenen Elektroroller analysiert und in verschiedenen Grafiken dargestellt. Ein di- rekter Vergleich von Benzin- und Elektroroller soll die Kostenschwelle aufzeigen, ab wann der E-Roller wirtschaftlicher ist. Vor- und Nachteile gegenüber benzinbetriebe- nen Motorrollern und Risiken bei der Nutzung unterstützen dabei. Ein Blick auf ein Pionierprojekt eines Pizzalieferanten in München sowie eine Kooperation zwischen dem Fraunhofer Institut und EDAG zeigen auf, was bereits möglich ist und wohin der Trend hinsichtlich einer Elektromobilität mit Elektrorollern geht. Die kritische Reflexi- on des EMoG hinsichtlich der E-Roller rundet die Studienarbeit ab.

Darüberhinaus verfolgt diese Studienarbeit das Ziel, die soziale Umgebung auf das Thema Elektromobilität hinzuweisen und eine kritische Reflexion des eigenen Nut- zerverhaltens anzuregen. Dieses zukunftsorientierte Thema ist so vielschichtig und bietet zahlreiche Möglichkeiten zum Gestalten einer nachhaltigen und umweltfreund- lichen Zukunft, ohne dabei Einbußen in der Mobilität hinnehmen zu müssen.

2. Anfänge und Entwicklung von E-Rollern

Anfänge (ab 1900 bis 1945)

Zur Jahrhundertwende experimentieren die Automobilpioniere wie LOHNER, BENZ und PORSCHE mit unterschiedlichen Antriebssystemen - der Dampfmaschine, dem Ex- plosionsmotor und dem Elektromotor. Ersteres war für den Individualverkehr auf Grund des hohen Gewichts, seiner großen Dimensionen und zuletzt dem enormen Verbrauch von Wasser, Kohle und z.T. Petroleum nicht geeignet.¹² Kleiner in seinen Dimensionen und für damalige Verhältnisse mit einer beachtlichen Motorleistung ausgestattet, setzte sich der Explosionsmotor gegen die Dampfmaschine durch. Al- lerdings hatte dieser auch seine Nachteile, wie z.B. das Kühlungsproblem, das Star- ten des Motors mit einer Handkurbel, die enorme Lärm- und Abgasbelästigung für die Verkehrsteilnehmer. Schon damals schien demgegenüber der Elektromotor eine technische Alternative zu sein, da der Verbrennungsmotor mit den angeführten Prob- lemen zu kämpfen hatte. Bei der Weltausstellung 1900 wurde der „Lohner-Porsche“ als der erstentwickelte Elektrowagen vorgestellt. Öffentlicher Nahverkehr wie in Ber- lin zum Beispiel, wurde von elektrisch angetriebene Bussen - den sog. Akkutriebwa- gen von AEG - dominiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 4: H.W. Libbey „Electric Bicycle“ (Patent aus 1897)

Im Zweiradgeschäft waren Elektromotoren angesagt - wie diverse Patente, die in den USA und Europa vergeben wurden, belegen. Eines der ersten belegten Patente sicherte sich der Erfinder H. W. Libbey, über den im Detail fast nichts bekannt ist. Er reichte Planzeichnungen und technische Beschreibungen ein - für ein Akku- und Elektromotor-betriebenes Zweirad - die offensichtlich so überzeugend und neu wa- ren, dass ihm das wertvolle Patent am 28. Dezember 1897 gewährt wurde.¹³ Offen- sichtlich handelt es sich um einen Satz Blei-Säure-Batterien unter dem Sattel mit ei- nem zentral gelagerten Motor, der das Hinterrad mit zwei Felgen und Reifen über Schubstangen antreibt. Obwohl Elektromotoren zunächst den Explosionsmotoren überlegen waren, konnten sie sich auf Dauer wegen der geringen Reichweiten und der großen Akkumulatoren (bis zu 510kg) nicht durchsetzen.¹⁴ So konnte die Tatsa- che, dass ein Elektroauto das erste Automobil war, welches die 100 km/h Grenze im Jahr 1899¹⁵ überschritt, den damaligen Verbraucher nicht überzeugen. Auch die feh- lende Akzeptanz der Automobilisten, die ihre Prestige an der PS-Zahl ihrer Boliden messen ließen, trug dazu bei, dass der Elektromotor bei Zweirädern im Individual- verkehr erst wieder in den 40er Jahren an Bedeutung gewann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 5: Socovel Scooter Modellreihe 1941-1944¹⁶

Der belgische Hersteller Socovel stellte in den Jahren 1941-1944 Scooter mit Elekt- roantrieb her. Die Reichweite betrug ca. 50km, für die drei 6-Volt-Batterien mit 45 Ah Stunden sorgten. Der Elektromotor hatte eine Leistung von 0,5 PS, die mittels einer Kette auf das Hinterrad übertragen wurde und den Roller bis zu 30 km/h schnell fah- ren lies. Die Ladezeit betrug ca. 10 Stunden.¹⁷ Allerdings wurde die Produktion des 75 kg schweren Boliden nach dem Ende des 2. Weltkriegs auf Grund mangelnder Anfragen wieder eingestellt.¹⁸

Ölkrise 1973

Bis in die 70er Jahre machte sich kaum jemand über die Nutzung fossiler Ressour- cen und der damit verbundenen Umweltbelastung durch Abgase der Automobile we- nig Sorgen. Bis 1973 die Ölkrise die Welt traf. „Statt mit Gestank und Geknatter rollt ein Gefährt leise schnurrend und doch kraftvoll durch unsere Straßen: das elektri- sche Mofa“, so der Werbeslogan der Solo Kleinmotoren GmbH im Jahr 1973.¹⁹ Das SOLO Electra 720 wurde in Sindelfingen unmittelbar vor der Ölkrise entwickelt und machte so stark auf sich aufmerksam. Ausgestattet mit zwei 12-Volt-Batterien a 50 Ah, hatte der Roller eine Reichweite von bis zu 35 km. Geladen werden konnte er an der gewöhnlichen Steckdose. Der 1,2 PS starke Motor beschleunigte das Gefährt auf 23 km/h - auch bei einer Steigung von 13 %.²⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 6: SOLO Electra 720 (1973)²¹

Auf Grund des hohen Anschaffungspreises in Höhe von ca. 1200 DM und einem nach 200 Ladungszyklen erforderlichen Batterieaustausch (300 DM) erzielte das SOLO 720 nicht die erhofften Verkaufszahlen. Ein von den technischen Leistungsda- ten her adäquater Roller kostete damals nur rund ein Drittel von dem. Auch die ma- ximale Reichweite von 35 km konnte den damaligen Verbraucher nicht überzeugen.

Neuzeit

Anfang der 1990er Jahre brachte Simson einen Elektroroller auf den deutschen Markt, der den heute verfügbaren Modellen bereits sehr Nahe kommt. Angetrieben von einem 2,3 PS starken Reihenschlussmotor, welcher seine Energie aus zwei 12- Volt Blei-Gel-Batterien a 115 Ah bezieht, erreichte der SR50 gamma E eine Höchstgeschwindigkeit von 40 km/h bei einer Reichweite von 50 km.²²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 7: Simson SR50 gamma E (1992)²³

Produziert wurde er in Thüringen bei einer Auflage von nur 24 Stück. Der Verkaufs- preis von 5.000 DM war aber für den damaligen Kundenkreis zu hoch gegriffen. In den darauffolgenden Jahren hat sich auf dem Markt der Elektroroller wenig getan.

Erst ab ca. 2006 sind Elektroroller wieder in Deutschland flächendeckend erhältlich. Dabei wird in Kleinkrafträder und Krafträder differenziert - je nach dem welche Höchstgeschwindigkeit das Fahrzeug hat. In der Batterietechnik hat sich auch eini- ges getan, sodass es neben Blei-Akkus Nickel- und Lithium-basierte Akkumulator- technologien eingesetzt werden. Auch beim Design hat sich einiges getan. Folgende Abbildung zeigt einen Elektroroller der Premiumklasse aus dem Hause BMW.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 8: BMW C Evolution (2014)²⁴

Der BMW C Evolution hat ein bereits sehr futuristisches Design und ähnelt einer Kombination aus Roller und Motorrad. Nachfolgendes Modell des Herstellers Inno- scooter stellt im Vergleich dazu die zurzeit typische Bauweise von Elektrorollern dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 9: Innoscooter auf der eCarTec München 2014

Die Verkaufszahlen für Elektroroller mit einer Geschwindigkeit von über 45 km/ sind noch sehr übersichtlich. 2011 wurden 142 Neuzulassungen in Deutschland gemel- det, 2012 waren es 227 und 2013 201 Elektroroller.²⁵ Am 1. Januar 2013 lag der Ge- samtbestand an Elektro-Großrollern und E-Motorrädern - Kleinroller bis 45 Stunden- kilometer sind nicht erfasst - laut dem Kraftfahrzeugbundesamt bei gerade mal 2086 Fahrzeugen. Gemessen am Gesamtbestand von ca. 3,84 Millionen zweirädri- ger Kraftfahrzeuge in der Bundesrepublik haben elektrobetriebene Scooter somit ei- nen Anteil von 0,06 Prozent. Bei den Elektrorollern bis 45 km/h schätzen Branchen- fachleute den E-Roller Verkauf Bundesweit auf ca. 3000 Stück im Jahr 2013.²⁶

In Deutschland führen Elektroroller ein Nischendasein. „Für Elektroroller interessiert sich hier kaum jemand, sagt JULIA VINNAI vom Bundesverkehrsministerium und ver- mutet das es „vor allem kulturelle Ursachen sind“. Damit meint sie, dass der deut- sche Bundesbürger überwiegend sein Fahrrad nutzt, um kleine Strecken zu überbrü- cken.

In China hingegen ist die Popularität der Elektroroller in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen. 9,4 Millionen E-Roller wurden dort 2013 verkauft. Die Ver- kaufszahlen außerhalb Asiens sind dagegen bislang noch vernachlässigbar. Gerade einmal 31.000 Roller schafften es in der restlichen Welt auf die Straßen.²⁷ Der enor- me Verkauf in China hängt auch damit zusammen, dass die chinesische Regierung in ihren Bemühungen um saubere Luft die herkömmlichen benzinbetriebenen Motor- roller aus den Megametropolen komplett verbannt hat. Ähnlich wie die bei uns einge- setzte Abwrackprämie bieten viele Händler zudem an, den Kaufpreis für einen neuen Elektroroller zu halbieren, wenn der alte Benziner abgegeben wird. In Deutschland sucht man bisher vergeblich nach solchen Anreizsystemen - auch ein potentieller Grund, weshalb der E-Roller sich noch nicht so richtig auf dem Verbraucher-Markt etablieren konnte.

Aufbau eines Elektrorollers

Von außen betrachtet unterscheidet sich der Elektroroller kaum von einem herkömmlichen Benzinmotorroller. Die Rahmenkonstruktion und die Nutzteile sind mit denen eines benzinbetriebenen Rollers nahezu identisch. Lediglich der fehlende Motorlärm und die fehlenden Abgase lassen vermuten, dass es sich bei einem E-Roller um eine andere, umweltfreundlichere Form der Mobilität handelt.

3. Stand der Technik zu Elektrorollern

Erste Versionen des Elektrorollers wurden bereits vor über 100 Jahren erfunden. Seitdem haben sich die Technologien Marktanforderungen stetig weiterentwickelt. Im Folgenden Kapitel wird der Stand der Technik von Elektrorollern dargestellt. Dabei werden insbesondere die Antriebs- und Batterietechnologien untersucht und dargestellt. Diese sind die Kernelemente, welche die Fahreigenschaften, wie Reichweite, Leistung oder Beschleunigung eines Elektrorollers beeinflussen. Grundlagen zu Energiemanagementsystemen und Ladetechniken sowie gesetzliche Bestimmungen zu Elektrorollern runden den Stand der Technik ab.

3.1 Elektroantriebe

Die Funktion von Elektromotoren beruht im Wesentlichen auf zwei physikalischen Grundgesetzen. Nach dem Induktionsgesetz wird in jedem Leiter, der sich in einem magnetischen Feld bewegt, eine Spannung induziert. Zum Zweiten wirkt auf einen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem magnetischen Feld befindet, eine Kraft, die man als Lorenzkraft bezeichnet.²⁸

Ein Elektromotor besteht im Wesentlichen aus dem Stator (feststehender elektrome- chanischer Teil), dem Rotor (rotierender elektromechanischer Teil), Stromleitern (Wicklungen) und dem Gehäuse mit Lager, Achse und Kühlung. Die Drehbewegung wird mit Hilfe wechselnder Magnetfelder im Stator eingeleitet. Der Rotor folgt der vorgegebenen Drehung, diese Drehung überträgt der Rotor dann auf eine Achse. Das dadurch bewirkte Drehmoment wird für den mechanischen Antrieb ausgenutzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 10: Leistungscharakteristika von Verbrennungs- und Elektromotor²⁹

3. Stand der Technik zu Elektrorollern

Kriterien bei der Auswahl der Motoren sind kompakte Bauweise, geringes Gewicht (hohe Leistungsdichte), hoher Wirkungsgrad, einfache Steuerbarkeit in einem weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich, Überlastbarkeit, niedrige Geräuschentwicklung, niedrige Kosten und geringer Wartungsbedarf.³⁰

Elektromotoren sind aufgrund ihrer Drehmomentverteilung gut für den Einsatz als Traktionssystem im Elektroroller geeignet. Das volle Drehmoment kann bereits im Stillstand aufgebracht werden. Das macht im Gegensatz zum konventionellen Antriebsstrang ein schaltbares Getriebe oder Kupplungen nicht erforderlich.³¹

3.1.1 Wirkungsgrad

Der energetische Wirkungsgrad einer Maschine ist eine quantitative Angabe ihrer Energieeffizienz. Er ist das Verhältnis der erzeugten nutzbaren Energie zur einge- setzten Energie. Beispielsweise hat ein Elektromotor einen Wirkungsgrad von 90 %, wenn er aus 1 kW elektrischer Leistung eine mechanische Antriebsleistung von 0,9 kW erzeugt. Die restlichen 0,1 kW werden als Verlustleistung bezeichnet. Im Fol- genden Schaubild werden die Wirkungsgrade eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 11: Wirkungsgrade im Vergleich³²

Ein Elektroroller verbraucht ca. 3 bis 5 kWh pro 100km. Das entspricht einem Benzinverbrauch von 0,3 bis 0,5 l Benzin und einem Wirkungsgrad von 90 %. Ein vergleichbarer 2-Takter Roller benötigt für die gleiche Strecke 3 bis 5 l Öl-Benzin Gemisch. Das entspricht einem Wirkungsgrad von 5 bis 7 %.³³

3. Stand der Technik zu Elektrorollern

3.1.2 Bürstenloser Radnabenmotor als Standard

Bei den Elektrorollern haben sich bürstenlose Radnabenmotoren beinahe als Stan- dard etabliert. Ihre Position im Hinterrad reduziert Platzbedarf und die Anzahl der Teile für den Antrieb. Allerdings wird dadurch die ungefederte Masse erhöht.³⁴ Bei einigen Geräten kommen daher auch Motoren zum Einsatz, die ihre Kraft über einen Zahnriemen an das Hinterrad übertragen. Per Definition ist der Radnabenmotor ein permanenterregter Synchronmotor.³⁵ Er ist prinzipiell wie folgt aufgebaut:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.

Abbildung 12: Typischer Aufbau eines Radnabenmotors³⁶

Er ist für die Montage in Zweiarmschwingen vorgesehen und leicht in die meisten Roller und Kleinkrafträder integrierbar.

Technische Daten

Radnabenmotoren für Elektroroller haben eine Leistungsspanne von 500 W bis 6,0 kW. Die Drehzahlen betragen dabei zwischen ca. 400 und 900 U/min. Üblicherweise wird eine Batteriespannung von 48 Volt bis 96 Volt benötigt um ein Drehmoment von ungefähr 150 bis 250 Nm zu erzeugen. Das Gewicht eines durchschnittlichen Rad- nabenmotors beträgt ca. 16 kg, was im Schnitt etwa 10 % der Gesamtmasse des Rollers ausmacht.

Mit Hilfe eines elektronischen Steuergerätes können Rekuperation und BoostFunktion mit dem Radnabenmotor gesteuert werden. Außerdem kann es zusätzliche Sicherheitsfunktionen einbinden: zum Beispiel eine Belegungserkennung für den Sitz, mit deren Hilfe der Motor beim Schieben des Elektrorollers auf eingeschränkte Leistung geschaltet werden kann.

[...]

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¹ Hans-Peter Dürr, dt. Physiker (1929-2014)

² Vgl. Bundesverband Solare Mobilität (2014), S. 2

³ Vgl. Regierungsprogramm Elektromobilität (2011), S. 5

⁴ http://schaufenster-elektromobilitaet.org/de/content/service/faq/faq_uebersicht.html

⁵ Vgl. Schaufenster Elektromobilität (2014)

⁶ Vgl. Zeit Online (2011), o. V.

⁷ Vgl. Entwurf des Elektromobilitätgesetztes (2014)

⁸ Vgl. Schaufenster Elektromobilität (2014)

⁹ Vgl. BMWI (2014)

¹⁰ in Anlehnung an Pfaffenbichler et al. (2009), S. 30

¹¹ Vgl. Fries, N. (2008), S. 14

¹² Vgl. Köppen, T. (1993), S. 220

¹³ Vgl. Metzeler (2012)

¹⁴ Vgl. Köppen, T. (1993), S. 221

¹⁵ Vgl. Borscheid, P. (2004), S. 205

¹⁶ http://media-cache-ak0.pinimg.com/736x/38/04/4b/38044bff4bb5249f442aa37e93af5500.jpg

¹⁷ Vgl. Dumas, F.-M. (2012), S. 100

¹⁸ Vgl. Wilson, H. (2001), S. 297

¹⁹ Vgl. SOLO (2014)

²⁰ Vgl. Woltereck, S. (1973)

²¹ http://www.e-fahren.eu/resources/solo3.jpg

²² Vgl. Werner, E. (1995), S. 48

²³ http://news.schletter.eu/elektro-mobilitat/simons-elektroroller/

²⁴ http://www.motorradonline.de/sixcms/media.php/11/thumbnails/BMW_C_evolution_2.jpg.1944942.jpg

²⁵ Vgl. Motorrad (2014), S. 55

²⁶ Vgl. Süddeutsche Zeitung (2013), o. V.

²⁷ Vgl. Pabst, J., Trentmann, N. (2014)

²⁸ Vgl. Beermann et al. (2010), S. 40

²⁹ Wallentowitz, H., Freialdenhoven, A. (2011), S. 89

³⁰ ebenda, S. 42

³¹ Vgl. Wallentowitz, H., Freialdenhoven, A. (2011), S. 90

³² Velji, A. (2010), S. 6

³³ Volkert, D. (2014)

³⁴ Vgl. Fries, N. (2008), S. 37

³⁵ Vgl. Fries, N. (2008), S. 38

³⁶ Vgl. Hanselka, H. (2012), S. 12