Förderung der Elektromobilität in der Stadt Bayreuth. Analyse zum Status quo und praxisorientierten Maßnahmensvorschlägen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen der Elektromobilität
2.1 Begriff und Abgrenzung der Elektromobilität
2.2 Antriebssysteme in der Elektromobilität
2.2.1 Batterieelektrisches Antriebssystem
2.2.2 Hybridantriebssystem
2.2.3 Brennstoffzellenantrieb
2.3 Vergleich der Eigenschaften elektrifizierter Antriebe in Fahrzeugen anhand bedeutender Faktoren für einen Praxiseinsatz
2.4 Fahrzeuge der Elektromobilität
2.4.1 Mehrspurige Fahrzeuge
2.4.2 Einspurige Fahrzeuge

3 Treiber der Elektromobilität
3.1 Ressourcen und Umwelt
3.2 Legislative
3.3 Schlüsseltechnologien im Antriebsstrang
3.4 Energie- und Ladeinfrastruktur
3.5 Mobilitätsverhalten und Sharing-Ansätze
3.6 Soziale Akzeptanz

4 Status quo der Elektromobilität in der Stadt Bayreuth
4.1 Lade- und Verkehrsinfrastruktur
4.2 Strategien und bestehende Maßnahmen
4.3 Akteure in Bayreuth

5 Empirische Datenerhebung im Bayreuther Raum

6 Praxisorientierte Maßnahmenvorschläge zur Förderung der Elektromobilität im Raum Bayreuth
6.1 Information- und Aufklärung der Bevölkerung
6.2 Elektrifizierung des Fuhrparkes städtischer und kommunaler Träger
6.3 Ausbau der Sharing-Angebote von Pkw und E-Bike
6.3.1 Pkw-Sharing unter Einbindung des kommunalen Fahrzeugparks
6.3.2 E-Bike-Sharing
6.4 Infrastrukturmaßnahmen für elektrifizierte Antriebe
6.4.1 E-Bikes
6.4.2 Personenkraftwagen im privaten Umfeld
6.5 Weitere Fördermaßnahmen
6.6 Vergleich ausgewählter Maßnahmenvorschläge auf ihre zeitliche Umsetzbarkeit anhand eines Zahlenstrahles

7 Fazit

8 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Anhang

1 Einleitung

Die Welt ist im stetigen Wandel. Insbesondere in den letzten Jahren kam es verstärkt zu öffentlichen Debatten rund um die Themen Klimaschutz und -erwärmung, Verknappung fossiler Ressourcen sowie Umweltverschmutzung und -zerstörung. Diese gesellschaftspolitischen Themen machten auch in der Fahrzeugindustrie nicht halt. Zusätzlich durch den VW-Dieselskandal und weiterer involvierter internationaler Pkw-Hersteller wurde die Diskussion um alternative Antriebssysteme zum bisherigen verbrennungsmotorischen Antrieb weiter befeuert. Die EU verschärfte die verbindlichen CO2-Grenzwerte für die Fahrzeugindustrie zunehmend. Gegenwärtig beträgt der Anteil, der durch den Verkehrssektor verursachten Emissionen an den gesamten CO2-Emissionen der EU rund 30 %. Um vor allem die Emissionen zu verringern wurde der Ruf nach elektrifizierten Antrieben immer stärker. Als langfristige Lösung für eine emissionsfreie und klimaneutrale Mobilität wird der Elektromobilität großes Potenzial zugeschrieben. Eine Vielzahl an Studien und Untersuchungen wurden und werden regelmäßig rund um elektrifizierte Antriebe und der Elektromobilität im Allgemeinen publiziert und belegen dies. Die Elektromobilität bekam spätestens mit der beginnenden Großserienproduktion im Jahr 2012 von reinen Elektroautos durch den Fahrzeughersteller Tesla enorme öffentliche Aufmerksamkeit. Nicht zuletzt ist dies auf den nach wie vor großen Stellenwert des Automobils in der deutschen Gesellschaft als Statussymbol, aber vor allem als wichtigstes Exportgut und elementare Stütze der deutschen Wirtschaft zurückzuführen. Elektrifizierte Antriebe in Fahrzeugen führten bis dahin lange Zeit ein Nischendasein und wurden oftmals belächelt. Seit dem letzten Jahrzehnt investieren Automobilhersteller und -zulieferer Milliarden in Forschung und Entwicklung, in neue Produktionsstraßen und Werke. Immer mehr elektrifizierte Pkw-Modelle unterschiedlicher Anbieter sind am Markt verfügbar und Verdrängen immer mehr den konventionellen Verbrennungsmotor. Staatliche Förderprogramme mit Milliardenvolumen wurden mit dem Ziel aufgelegt die Elektromobilität zu fördern und mehr elektrifizierte Fahrzeuge auf die Straßen zu bringen. Vielleicht ist einem noch die Ankündigung der Bundesregierung aus dem Jahr 2008 1 Millionen Elektroautos bis 2020 auf deutschen Straßen fahren zu lassen geläufig, dessen Ziel weit verfehlt wurde. Je nach Nation werden unterschiedliche Instrumente verwendet um die Elektromobilität zu Fördern. Insbesondere die europäischen Nationen allen voran Norwegen, Island und Schweden bilden unterschieden nach dem Anteil elektrifizierter Pkw an allen Neuzulassungen weltweit die Top 3. Bei einem Blick auf die reine Fahrzeuganzahl ist Deutschland innerhalb Europas sogar führend.

Vor allen in den Großstädten und Metropolen der europäischen Staaten und Chinas wird aus vielfältigen Gründen auf die Elektromobilität gesetzt und hat somit dort bereits Einzug etwa in den lokalen Passagier- und Güterverkehr genommen. Zu nennen sind etwa Busse des Nahverkehrs, E-Bikes und E-Scooter in den Haushalten und unterschiedliche Sharing-Angebote. Darüber hinaus etwa bei Zustellfahrten von Logistikdienstleistern auf der letzten Meile oder auch bei Essenslieferungen lokaler Imbisse. Wie sieht es jedoch in kleineren Städten mit der Elektromobilität aus? Welche Maßnahmen ergreifen Kommunen und Städte um die Elektromobilität zu fördern? Was muss gegebenenfalls getan werden beziehungsweise wie sehen konkrete Maßnahmen aus, die Elektromobilität mehr zu integrieren?

Genau auf dieser Problemstellung liegt der Fokus der Arbeit. Ziel ist den gegenwärtigen Status quo der Elektromobilität in der Stadt Bayreuth zu ermitteln und anschließend Maßnahmenvorschläge für die Förderung der Elektromobilität abzuleiten. Damit die Leserin oder der Leser sich ein Bild über die wesentlichen Eigenschaften der Elektromobilität bilden kann und für den weiteren Verlauf der Arbeit ein besseres Verständnis für die Möglichkeiten und Grenzen elektrifizierter Fahrzeuge geschaffen wird, bedarf es zu Beginn einer Einführung in die Grundlagen des Themengebietes. Neben einer Antwort auf die Frage was überhaupt unter dem Begriff der Elektromobilität zu verstehen ist, liegt der Fokus auf den unterschiedlichen Ausprägungen elektrifizierter Antriebssysteme. Darüber hinaus wird der elementare Aufbau und die Funktionsweise in den Grundzügen erläutert und anhand ausgewählter Kriterien für den Einsatz in der Praxis näher beschrieben Abschließend erfolgt eine Übersicht über am Markt verfügbarer elektrifizierter Fahrzeuge. Im zweiten Teil der Arbeit liegt der Fokus auf wichtigen Treibern der Elektromobilität und deren Wesentlichen Beeinflussern.

Um überhaupt Maßnahmenvorschläge für die Förderung der Elektromobilität ermitteln zu können bedarf es einer vorrangegangenen Analyse der gegenwärtigen Situation in der Stadt Bayreuth. Es erfolgt eine Untersuchung der Lade- und Verkehrsinfrastruktur als auch bestehender Strategien und bereits getroffener Maßnahmen in der Stadt Bayreuth. Des Weiteren werden unterschiedliche Akteure auf lokaler Ebene näher betrachtet. Im Zuge einer empirischen Datenerhebung wurden zudem weitere Informationen gesammelt, die in die Maßnahmenausarbeitung mit einfließen. Abschließend erfolgt anhand eines Zahlenstrahles eine zeitliche Einordnung der erarbeiteten Maßnahmenvorschläge um einen Ausblick für das weitere Vorgehen abzubilden.

2 Grundlagen der Elektromobilität

Zu Beginn dieser Arbeit ist es für ein besseres Verständnis der folgenden Kapitel naheliegend die Begrifflichkeit der Elektromobilität kurz zu erläutern. Nachfolgend werden die wichtigsten theoretischen Grundlagen und Basiswissen der gängigen Antriebssysteme in der Elektromobilität vermittelt. Hierbei sollen ein Bewusstsein und ein Überblick über die wesentlichen Eigenschaften und Besonderheiten geschaffen werden. Abschließend erfolgt eine Gegenüberstellung der Antriebssysteme anhand praxisnaher Kriterien und eine Übersicht über am Markt verfügbarer elektrifizierter Fahrzeuge.

2.1 Begriff und Abgrenzung der Elektromobilität

Erstmals erlangte der Begriff der Elektromobilität um die Jahrhundertwende vom 19. zum 20. Jahrhundert Einzug in die internationale Fachliteratur. Zurückzuführen ist dies unweigerlich auf zahlreiche technische Entwicklungen und Verbesserungen dieser Zeit im Bereich der Elektro- und Antriebstechnik sowie der daraus aufkommenden ersten elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. Mit der Konstruktion und der Massenfertigung des Modell T durch Henry Ford im Jahre 1908 und des serienmäßigen Einsatzes eines elektrischen Anlassers in Fahrzeugen, wurde der Grundstein für den Siegeszugs des Verbrennungsmotors gegenüber elektromotorischen Antrieben gelegt. Bis in das 21. Jahrhundert spielte die Elektromobilität lange Zeit nur noch eine sehr untergeordnete Rolle und nahm ein Nischendasein ein (1, Seite 3-5).

Erst um die letzte Jahrhundertwende gewann der Begriff der Elektromobilität durch gesellschaftliche, politische und technologische Entwicklungen wieder an Bedeutung. Im Sinne der Bundesregierung lässt sich die Elektromobilität wie folgt beschreiben: Elektromobilität umfasst alle Fahrzeuge für die Fortbewegung, die mithilfe von Elektromotoren angetrieben werden und elektrisch betriebene Fahrzeuge im Sinne des Elektromobilitätsgesetzes sind. Dazu zählen rein elektrisch betriebene Fahrzeuge, durch eine externe Stromzufuhr aufladbare Hybrid-Elektrofahrzeuge oder Brennstoffzellenfahrzeuge (2).

Der Begriff der Elektromobilität wird in der breiten Öffentlichkeit als auch in der Fachliteratur oftmals weitergefasst und als Sammelbegriff für mehrere unterschiedliche Betrachtungsweisen rund um elektrifiziertes Fahren verwendet. Somit werden auch kohärente Themen, wie beispielsweise die Betrachtung der Energie- und Ladeinfrastruktur, als auch etwaige Förderungs-möglichkeiten und Mobilitätskonzepte mit dem Begriff der Elektromobilität assoziiert. Die Bedeutung der Elektromobilität umfasst in dieser Arbeit nicht nur unterschiedliche elektrifizierte Fahrzeuge, sondern auch wie im vorherigen Textverlauf aufgeführt, angrenzende Themenkomplexe.

2.2 Antriebssysteme in der Elektromobilität

Alle uns bekannten Fahrzeugantriebe benötigen Energie für die Fortbewegung. Sowohl konventionell, als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge wandeln den jeweiligen Energieträger in Antriebsenergie und schließlich in kinetische Energie um. Das rein verbrennungsmotorische Fahrzeug erzeugt aus der im Kraftstofftank zwischengespeicherten chemischen Energie durch eine innermotorische Verbrennung thermische Energie, welche anschließend zu circa einem Drittel in mechanische Energie umgewandelt wird. Fahrzeuge der Elektromobilität hingegen nutzen elektrische Energie als Energielieferant. Die in der Traktionsbatterie zwischengespeicherte Energie wird mithilfe eines oder mehrerer Elektromotoren zum Fahrantrieb genutzt. Bei den eingesetzten Elektromotoren handelt es sich zumeist um eine Form des Synchronmotors. Eine weitere alternative Bauform von Drehstrom-motoren in Elektrofahrzeugen ist der Asynchronmotor. Trotz der abweichenden Motortopologie sind für den Fahrer keine nennenswerten Unterschiede hinsichtlich Fahrverhalten oder Leistungsentfaltung zwischen den Motortypen erkennbar (3, Seite 67). In der Öffentlichkeit werden alternative Antriebe zumeist für den herkömmlichen Personenkraftwagen diskutiert gleichwohl die Einsatzmöglichkeiten weitaus vielfältiger sind. So können elektrifizierte Antriebe in Bussen, weiteren Nutzfahrzeugen oder auch bei zweirädrigen Fahrzeugen wie etwa Motorrädern oder Motoroller Verwendung finden. Unabhängig vom jeweiligen Motortyp oder den spezifischen Ausführungen lassen sich Elektrofahrzeuge in unterschiedliche Typen anhand ihres Antriebsstranges differenzieren. Im Folgenden wird auf die gebräuchlisten Ausführungen eingegangen.

2.2.1 Batterieelektrisches Antriebssystem

Das batterieelektrische Antriebssystem kennzeichnet sich insbesondere durch den vollständigen Wegfall des konventionellen Verbrennungsmotors. Vorab sei erwähnt, dass Brennstoffzellenfahrzeuge zwar ebenfalls über einen Akkumulator verfügen, diesem jedoch eine geringere Bedeutung als bei einem batterieelektrischen Fahrzeug zukommt. Darüber hinaus ist der eigentliche Energieträger im Brennstoffzellen-fahrzeug Wasserstoff, daher erfolgt eine separate Betrachtung dieses Antriebsystems in Kapitel 2.2.3.

Der Antrieb eines reinen Elektrofahrzeuges oder in der englischen Sprachlandschaft auch als Battery Electric Vehicle (BEV) bezeichneten Antriebssystems, erfolgt vollständig durch einen oder mehrere Drehstromelektromotoren. Weitere elementare Bestandteile sind die Leistungselektronik und der Akkumulator. Die verwendeten Elektromotoren weisen typischerweise Wirkungsgrade von über 90 % auf. Aufgrund der Eigenschaft eines großen Drehzahlbandes des Elektromotors, kann auf ein herkömmliches Schaltgetriebe verzichtet werden. Nichtsdestotrotz kann die Verwendung eines angepassten Schaltgetriebes weitere Vorteile mit sich bringen. Der Automobilzulieferer ZF Friedrichshafen stellte im Kalenderjahr 2019 ein automatisiertes Zweigang-Getriebe vor. Hierdurch erhöht sich die Flexibilität für die Steuerungsmöglichkeiten der Leistungselektronik erheblich. So gibt der Hersteller etwa einen Wirkungsgradzuwachs von bis zu 5 % an und verspricht eine Reichweitensteigerung bei identischer Batteriekapazität. Außerdem kann das Beschleunigungsverhalten verbessert, sowie eine größere Höchstgeschwindigkeit erreicht werden (4). Diese liegt bei den meisten, aktuell auf dem Markt verfügbaren batterieelektrischen Fahrzeugen etwa bei 150 km/h. Der Sportwagenhersteller Porsche bietet bereits mit ihrem im Jahr 2019 vorgestellten Fahrzeugmodell Taycan, dessen Höchstgeschwindigkeit je nach Fahrzeugausführung über 250 km/h beträgt, ein batterieelektrisches Fahrzeug mit einem Zweigang-Getriebe an (5).

Neben dem Schaltgetriebe kann auch die klassische Kupplung, deren Aufgabe die Trennung des Kraftschlusses von Motor und Getriebe ist, entfallen. Zurückzuführen ist dies auf das bereits ab der ersten Umdrehung des Elektromotors verfügbare hohe Drehmoment, wodurch ein direktes Anfahren mit dem einstufigen Untersetzungs-getriebe möglich ist. Darüber hinaus profitiert der Fahrer durch ein insgesamt besseres Beschleunigungsverhalten und fahrdynamische Eigenschaften aufgrund des hohen Drehmomentniveaus im Vergleich zu einem ähnlich stark motorisierten konventionellen Antrieb. Durch einen Wechselschalter erfolgt eine Umpolung des Drehsinnes des Elektromotors und gewährleistet somit auch ein Rückwärtsfahren ohne Schaltvorgang. Das Drehmoment wird über eine veränderliche Spannung gesteuert und die Drehzahl durch die Stromfrequenz beeinflusst.

Die Fähigkeit eines Elektromotors, nicht nur Strom mit einem hohen Wirkungs-grad (>90 %) in mechanische Energie zu wandeln, sondern auch nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion erzeugen zu können, ist eine weitere wichtige Eigenschaft dieser Antriebsform. Wird das Fahrzeug verzögert beziehungsweise wird kein Gasbefehl durch den Fahrer gegeben, nimmt der Elektromotor die Rolle eines Stromgenerators ein und gewinnt somit sonst ungenutzte Energie zurück. Diese Form der Energierückgewinnung wird auch als Rekuperation bezeichnet. Der hohe Wirkungsgrad, aber auch die Rekuperation wirken sich positiv auf den Energiebedarf aus. Der Strombedarf liegt beispielsweise bei dem Oberklassenwagen Model S des Elektrofahrzeugherstellers Tesla etwa bei 20 kWh/100km (6). Im Vergleich mit dem Energiewert von einem Liter Benzin (ca. 8,7 kWh/l) entspricht dies etwa einen Kraftstoffverbrauch von 2,3 Litern auf 100 Kilometer. Ein modernes konventionell angetriebenes Fahrzeug der Oberklasse wie etwa der Audi A8 55 TFSI tiptronic benötigt rund 8,0 l/100km Benzin (7). Es bietet sich hier ein kurzer Blick auf die Emissionsbilanz eines batterieelektrischen Fahrzeuges an. Die Tank-to-Wheel (TTW)-Betrachtung ist eine Analyse der entstehenden Emissionen entlang der Energiekette von der Betankung bis zum Rad sowie die Berücksichtigung der Kraftstoff- bzw. Stromverbräuche. In der folgenden Abbildung ist der grundlegende Aufbau des Antriebsstranges in vereinfachter Form dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1 Antriebsstrang eines batterieelektrischen Fahrzeuges (8, Seite 8)

Als zentrales Element eines jedes batterieelektrischen Fahrzeuges ist die Traktionsbatterie oder der oftmals auch als Akkumulator bezeichnete Energiespeicher zu nennen. Der Begriff der Batterie erscheint zunächst ein wenig ungünstig gewählt, da eine Traktionsbatterie im Gegensatz zur eigentlichen Batterie nicht nur Energie speichern, sondern diese auch wieder abgeben kann. In dieser Arbeit wir der Begriff der Traktionsbatterie gleich dem Begriff des Akkumulators gesetzt. Aufgrund des hohen Akkumulatorgewichtes und dessen bodennahe Positionierung im Fahrzeug sinkt der Fahrzeugschwerpunkt und somit auch die Wankbewegungen des Fahrzeugaufbaus, wodurch sich der Fahrkomfort erhöht. Das hohe Gewicht ist auf die aktuell verwendete Batterietechnologie und auf deren im Vergleich zu den gegenwärtigen fossilen Treibstoffen vielfach geringere spezifische Energiedichte zurückzuführen (8)

Energiedichte von Benzin: 12 800 Wh/kg

Energiedichte Lithium-Ionen-Batterie: 80 – 200 Wh/kg

Dies hat zur Folge, dass ein Gewicht von mehreren hundert Kilogramm für eine ausreichende Reichweite mitgeführt werden muss, was sich zwangsläufig negativ auf den Energieverbrauch des elektrifizierten Fahrzeuges auswirkt. Eine detailliertere Betrachtung hinsichtlich der Energiedichte von Traktionsbatterien und ein Ausblick auf zukünftige Verbesserungen erfolgt in Kapitel 3.3. Die Traktionsbatterie speichert elektrische Energie, die durch eine externe Ladeeinrichtung zugeführt, beziehungsweise durch Rekuperation gewonnen wird. Im Fahrbetrieb des Fahrzeuges wird der Elektromotor durch den Akkumulator mit Strom versorgt. Aufgrund des geeigneten Betriebstemperaturbereich, als auch durch eine vergleichsweise hohe Leistungs- und Energiedichte sowie dem Wegfall des Memoryeffekt im Vergleich zu anderen Batterietechnologien, haben sich Lithium-Ionen-Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen etabliert. Lithium-Ionen-Akkumulatoren stellen ein Kompromiss von Energiedichte und Kosten dar (3, Seite 79).

Neben der Batterie ist ein weiterer zentraler Bestandteil bei allen elektrifizierten Fahrzeugen die Leistungselektronik. Zur Leistungselektronik zählt etwa das Onboard-Ladegerät, das Thermomanagement der Batterie, als auch die im Folgenden beschriebenen Wandler. Die typische Ausgangsspannung der eingesetzten Hochvoltakkumulatoren beträgt entsprechend der Spannungsanforderungen des Elektromotors circa 300 V bis 400 V. Der bereits zuvor erwähnte Porsche Taycan setzt sogar auf eine 800 Volt Batterie. Dies ermöglicht kleinere Ströme infolgedessen geringere Kabelquerschnitte und somit ein niedrigeres Gewicht. Das fahrzeugeigene Gleichstrom-Bordnetz hingegen weist eine Spannung von 12 V beziehungsweise durch die Einführung eines parallelen Bordnetzes lediglich 48 V auf. Das 48 V-Bordnetz wurde aus Effizienzgründen bei der Leiterauslegung für eine wirtschaftlichere Rekuperation, aber auch als Entlastung für das bisherige 12 V-Bordnetz aufgrund immer energieintensiveren Verbrauchern eingeführt (9). Sowohl die Bordnetze, als auch der Hochvoltakkumulator werden mit Gleichstrom betrieben. Dieser Umstand erfordert die Verwendung eines Pulswechselrichters (AC/DC-Wandler), um den Wechselstrom für den Elektromotor bereitstellen zu können. Des Weiteren ist die Integration eines Gleichstromwandlers (DC/DC-Wandler), der die nötige Spannungsanpassung für die Versorgung der Bordnetze sicherstellt, notwendig. Aufgrund der eingesetzten Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist ein Thermomanagement erforderlich. Unter-/ oder Überschreitet die Batterie einen Temperaturbereich zwischen 15°C und 35°C wirkt sich dies negativ auf Lebensdauer und Batteriekapazität und somit zwangsläufig auch auf die verfügbare Reichweite und Leistungsfähigkeit des E-Fahrzeuges aus (10).

Eine besondere Ausprägungsform des batterieelektrischen Antriebsystems ist die, auf den ersten Blick widersprüchlich erscheinende Kombination von Elektromotor und Verbrennungsmotor. Die Bezeichnung dieses Konzeptes lautet im Englischen Range Extended Electric Vehicle (REEV). In das deutsche Übertragen ist darunter ein elektrisches Fahrzeug mit einem Reichweitenverlängerer zu verstehen. Die Rolle des Range Extender (Reichweitenverlängerer) übernimmt der Verbrennungsmotor. Der meist eher klein dimensionierte Verbrennungsmotor greift nicht direkt in den Fahrtrieb ein, sondern dient dazu, die Traktionsbatterie des Fahrzeuges zu laden. Hierbei wird der Verbrennungsmotor üblicherweise möglichst nahe an seinem optimalen Betriebspunkt betrieben. Das Fahrzeug wird in der Regel ausschließlich durch den Elektromotor angetrieben, welcher seine benötigte Energie aus der Traktionsbatterie entnimmt. Als Beispiel ist die seit 2018 eingestellte Range Extender Version des i3 des deutschen Fahrzeugherstellers BMW zu nennen.

2.2.2 Hybridantriebssystem

Neben dem batterieelektrischen Antrieb ist eine weitere Ausprägung elektrifizierter Antriebsstränge der Hybridantrieb. Der Begriff Hybrid stammt aus dem lateinischen hybrida und bezeichnet einen Mischling, also eine Kreuzung verschiedener Arten. Gemäß der EU-Richtlinie IEC/TC60 ist ein hybrides Antriebssystem wie folgt zu verstehen: Ein Hybridantrieb besteht aus mindestens zwei unterschiedlichen Energiespeichern, als auch aus mindestens zwei unterschiedlichen Energiewandlern zu Traktionszwecken (11). In der zuvor im Kapitel 2.2.1 behandelten Ausführung des Range Extender dient der Verbrennungsmotor in der Regel nicht zu Traktionszwecken. Es sei erwähnt, dass bei Fahrzeugen in der Praxis in speziellen Fällen sich die Grenzen überschneiden und nicht immer eine klare Zuordnung möglich ist. Als Energiespeicher kommen beispielsweise der Kraftstofftank und die Traktionsbatterie in Frage. Zu den Energiewandlern lassen sich Verbrennungsmotor zum einen und zum anderen der Elektromotor zählen. In der Praxis findet die Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotoren unterschiedlicher Leistungsklassen Anwendung. Nach der obigen Auslegung des Hybridbegriffes ist auch eine Kombination von Brennstoffzelle mit Verbrennungsmotor oder Elektromotor denkbar. Die Mercedes-Benz AG stellte im Jahr 2018 als erster Automobilhersteller überhaupt mit dem GLC F-Cell der Öffentlichkeit einen Pkw vor, der eine Kombination aus Brennstoffzellenantrieb und der Plug-in-Hybrid-Technologie abbildet. Das Fahrzeug kann seit dem Jahr 2019 ausschließlich geleast werden (12).

Das Zusammenspiel der unterschiedlichen Energiewandler soll die Vorteile beider Antriebssysteme nutzen und gleichzeitig die entsprechenden Nachteile kompensieren. So kann das hohe und früh verfügbare Drehmoment des Elektromotors beispielsweise zum Anfahren und für Überholvorgänge genutzt werden, wohingegen der Verbrennungsmotor eine große Reichweite von mehreren hundert Kilometern und die damit einhergehende Langstreckenflexibilität gewährleisten soll. Des Weiteren zählt dazu die Möglichkeit abgasfrei im rein elektrischen Fahrmodus in urbanen Gebieten, als auch im kombinierten Betrieb gegenüber konventionellen Antriebssystemen emissionsärmer zu fahren.

Hybridelektrofahrzeuge, so die exakte Bezeichnung für Hybridfahrzeuge nach EU-Richtlinie IEC/TC60, lassen sich nach einer Vielzahl unterschiedlicher Parameter kategorisieren (12, Seite 5). Zu den gebräuchlisten zählen etwa eine Einteilung nach dem Elektrifizierungsgrad, also dem Anteil der elektrischen Leistung im Verhältnis zur Systemleistung aus E-Maschine und Verbrennungsmotor oder nach der absoluten elektrischen Leistung, als auch nach der spezifischen Antriebsstruktur. Grundsätzlich ist, wie bei einem rein elektrischen Fahrzeug, ebenfalls eine Integration von Wechselrichter und Stromwandler respektive einer Leistungselektronik nötig. Für eine detaillierte Betrachtung des Aufbaus und Eigenschaften der einzelnen Komponenten bietet sich entsprechende Fachliteratur wie beispielsweise Alternative Antriebe für Automobile -Hybridsysteme, Brennstoffzellen, alternative Energieträger - von Cornel Stan an. Im Folgenden erfolgt eine Unterscheidung des Hybridantriebes anhand der absoluten elektrischen Leistung des Elektromotors.

Die Klasse mit einer elektrischen Leistung von kleiner 6 kW wird als Mikro-Hybrid bezeichnet. Hierbei entfällt die Lichtmaschine und wird durch einen Startergenerator ersetzt. Außerdem wird eine kapazitätsgrößere Starterbatterie verwendet. Der Elektromotor dient somit nicht als Fahrantrieb, sondern lediglich als Anlasser und ermöglicht den Einsatz der Start-Stopp-Automatik. Die Start-Stopp-Automatik etabliert sich zunehmend als Basisausstattung bei Neufahrzeugen im Pkw-Segment. Durch eine selbstständige Motorabschaltung und erneutes Starten, kann bei Standphasen im Verkehr Kraftstoff gespart werden. Im Gegensatz zum Ausschalten des Verbrennungsmotors durch ziehen des Zündschlüssels, bleiben trotz stehenden Motors die elektrischen Systeme aktiviert. Damit das System eingreift müssen bestimmte Bedingungen wie beispielsweise eine ausreichend hohe Motortemperatur oder eine spezifische Batteriespannung gewährleistet sein. Es können Kraftstoffeinsparung von etwa 3 % bis 6 % erzielt werden.

Die nächsthöhere Stufe ist der Mild-Hybrid mit einer elektrischen Leistung im Bereich von 6 kW bis 20 kW. Im Gegensatz zur vorherigen Klasse greift der Elektromotor des Mild-Hybrid aktiv in den Antriebsstrang ein. Durch die Positionierung auf der Kurbelwelle kann beim Ausrollen während des Schiebebetriebes Energie zurückgewonnen werden (Rekuperation) und in einer, neben der 12V-Starterbatterie, zusätzlichen und kapazitätsgrößeren 48 V-Batterie zwischengespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann wiederum zum sogenannten Boosten verwendet werden. Unter Boosten versteht man einen temporären Eingriff des Elektromotors in den Antriebsstrang um zusätzliches Drehmoment, etwa zum Anfahren oder für Überholvorgänge, bereitzustellen. Eine Kraftstoffersparnis von 10 % bis 20 % sind folglich möglich.

Zu den Vollhybriden zählen Fahrzeuge mit einer elektrischen Leistung größer 40 kW. Ebenfalls ist eine weitere, gebräuchliche Bezeichnung Hybrid Electric Vehicle (HEV). Eine Traktionsbatterie mit ähnlich hohen Spannungen, wenngleich geringerer Kapazität als bei batterieelektrischen Fahrzeugen, findet sich nun im Antriebsstrang wieder. Neben den Eigenschaften von Mikro- und Mild-Hybrid, bietet der Voll-Hybrid die Möglichkeit einer rein elektrischen Fortbewegung. Die Reichweite umfasst jedoch nur wenige Kilometer. Im Vordergrund stehen aufgrund der größeren elektrischen Leistung bei dieser Ausprägungsform des Hybridantriebes die nun vielfältigeren Integrationsmöglichkeiten der E-Maschine in den Antriebsstrang. Die Antriebssysteme sind zumeist über stufenlose Getriebe miteinander kombiniert. Hiermit lässt sich beispielsweise das Konzept eines Parallelhybrides umsetzen, bei welchem die Leistung von Elektromotor und Verbrennungsmotor additiv für den Fahrzeugantrieb wirken. Der Antrieb kann rein verbrennungsmotorisch, rein elektrisch, aber auch kombiniert erfolgen. Bisher gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Kombinations-möglichkeiten und Anordnungen von Verbrennungsmotor, Elektromotor, Kupplung und verschiedener Getriebevarianten, die sich je nach Fahrzeughersteller, aber zum Teil auch je nach Fahrzeugmodell voneinander abheben. Denkbar ist auch ein achsindividueller Antrieb durch den jeweiligen Motor. Der Vorteil der parallelen Auslegung ist hierbei die Möglichkeit den Verbrennungsmotor sowie den Elektromotor geringer zu dimensionieren (Downsizing) und weitere Emissionen zu sparen. Bei geringen Leistungsanforderungen arbeitet der Elektromotor meist als Generator und lädt die Traktionsbatterie auf.

Eine weitere mögliche Antriebsstruktur des Vollhybriden ist eine Mischhybrid-Struktur, beispielsweise in Form eines leistungsverzweigten Hybridantriebs. Neben den Eigenschaften eines Parallel-Hybrid kann darüber hinaus der Verbrennungsmotor dazu verwendet werden, durch antreiben eines Generators, die Traktionsbatterie beziehungsweise den Elektromotor mit Strom zu versorgen. Meist wird mehr als ein Elektromotor in den Antriebsstrang integriert. Hohe Bauteilkomplexität und eine anspruchsvolle Auslegung der Leistungselektronik machen dieses Antriebskonzept teuer. Es lassen sich Kraftstoffeinsparungen von 30 % bis 40 % gegenüber dem herkömmlichen Verbrennungsmotor erzielen (13). Als Pionier für Hybridfahrzeuge gilt der japanische Fahrzeughersteller Toyota. Mit der Einführung ihres Modell Prius im Jahr 1997 wurde erstmals ein Hybridfahrzeug in Großserie gebaut. Toyota bietet aktuell sieben unterschiedliche Hybrid-Pkw an. Darunter auch seit dem Jahr 2012 den Prius (HEV) zusätzlich als Plug-in-Hybrid (14).

Der Plug-in-Hybrid oder auch als Plug-in Electric Vehicle (PHEV) bezeichnete Fahrzeugtyp, unterscheidet sich im Wesentlichen durch eine größere Batterie-kapazität, aber insbesondere durch die Möglichkeit einer externen Stromzufuhr vom Vollhybriden. Die externe Ladung erfolgt wie bei einem batterieelektrischen Fahrzeug mithilfe eines speziellen Steckers. Als Beispiel sind die Optionen einer Betankung an einer Ladesäule, Wallbox oder über eine klassische Steckdose zu nennen. Aufgrund der gesteigerten Batteriekapazität sind nun rein elektrische Reichweiten von 40 km bis 50 km möglich.

Das Einsparungspotenzial der jeweiligen Hybridsysteme ist stark von dem jeweiligen Streckenprofil abhängig. Das Potenzial von Mikro- und Mildhybrid ist im Stadtverkehr zu sehen. Vor allem bei höheren Geschwindigkeiten, wie etwa auf Landstraßen und mit zunehmendem Verkehrsfluss sinken die erzielten Kraftstoffeinsparungen. Auf Autobahnen sind sogar geringe Mehrverbräuche möglich. Ursächlich hierfür ist unter anderem:

- Kein Stop-and-Go-Verkehr
- Zu geringe elektrische Leistung um bei höheren Fahrgeschwindigkeiten den Verbrennungsmotor in einem optimalen Arbeitsbereich betreiben und somit wirksam entlasten zu können
- Erhöhtes Gewicht des Antriebsstranges durch zusätzliche Komponenten

Beide Hybridisierungsvarianten erzielen kaum einen nennenswerten Effekt bei einem Streckenprofil mit hohem Autobahn- oder Landstraßenanteil. Der Mild-Hybrid erzielt lediglich einen geringen Nutzen während des Schubbetriebs durch der eher niedrigen Rekuperationswirkung. Der Vollhybrid hingegen ermöglicht aufgrund seiner Charakteristik nicht nur in der Stadt, sondern auch auf Überlandfahrten Kraftstoffeinsparungen. Auf schnellen Autobahnfahrten hingegen ist auch ein Vollhybrid einem konventionellen Dieselmotor weiterhin noch unterlegen (13). Durch die Möglichkeit über eine weitere Strecke rein elektrisch fahren als der Vollhybrid zu können, sind die Kraftstoff- beziehungsweise die daraus resultierenden Emissionseinsparungen bei einem Plug-in-Hybrid erheblich höher. Aufgrund des größeren Elektromotors, aber vor allem durch die größere Batteriekapazität, liegen die Fahrzeugkosten ohne Berücksichtigung von Förderungen um mehrere tausend Euro höher als die eines Vollhybriden. Des Weiteren zählt der PHEV aus Sicht der deutschen Bundesregierung als einziges der hier beschriebenen hybriden Antriebskonzepte aus Verbrennungs- und Elektromotor als förderfähig (15).

2.2.3 Brennstoffzellenantrieb

Eine klare Zuordnung des Begriffes des Brennstoffzellenfahrzeuges ist bei genauerer Betrachtung nicht ohne weiteres möglich. Um den Ursprung dieser Diskrepanz näher zu beleuchten, lohnt sich ein Blick auf die Hauptbestandteile des Antriebsstranges.

- Traktionsbatterie
- Elektromotor
- Wasserstofftank
- Brennstoffzelle

Die Traktionsbatterie als auch der Elektromotor zählen ebenfalls zu den elementaren Bestandteilen eines batterieelektrischen Fahrzeuges. Der Antrieb erfolgt ausschließlich über den Elektromotor. Die Batteriekapazität ist um ein Vielfaches geringer und dient vorrangig als Zwischenspeicher für die Aufnahme der durch die Rekuperation gewonnenen Energie sowie zur kurzfristigen Deckung von Spitzenlastanforderungen aus dem Elektromotor. Zwar ist der Energieträger für das Brennstoffzellenfahrzeug, welches auch als Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) bezeichnet wird, primär Wasserstoff (H2), allerdings erfolgt in der Brennstoffzelle eine Umwandlung in elektrische Energie. Somit kann dieses Antriebssystem auch als batterieelektrisches Fahrzeug mit Wasserstoff als Range Extender betrachtet werden.

Eine weitere Möglichkeit ist eine Zuordnung zu den Hybridfahrzeugen. Da sowohl zwei unterschiedliche Energiespeicher (Traktionsbatterie, Wasserstofftank), als auch zwei verschiedene Energiewandler (Elektromotor, Brennstoffzelle) vorhanden sind. Im Zuge dieser Arbeit ist es nicht weiter zielführend sich mit der Frage zu beschäftigen wie nun ein Brennstoffzellenfahrzeug zu klassifizieren ist.

Die Brennstoffzelle wandelt die im Wasserstoff gespeicherte Energie durch Zufuhr eines Oxidationsmittels, wie etwa Sauerstoff (O), in Wasser (je nach Brennstoffzellen-typ auch in Wasserdampf), Wärme und in elektrische Energie um. Als Abgas entsteht lediglich das unschädliche Reaktionsprodukt Wasser (H2O) beziehungsweise Wasserdampf. Ähnlich eines Elektrofahrzeuges entstehen keine schädlichen Abgase und ermöglichen eine lokale Emissionsfreiheit. Die entstehende Wärme durch die kalte Verbrennung kann als Nutzwärme für Fahrzeuginnenraumbeheizung genutzt werden, erfordert jedoch zum Schutz vor thermischer Überlast der Brennstoffzelle eine Kühlung. Der nach dem umgekehrten Prinzip der Elektrolyse erzeugte Strom speist den Elektromotor und stellt somit die tatsächliche Energieform für den Fahrantrieb dar. Um die nötige Leistung für den Antrieb im Fahrzeug zu realisieren besteht der Brennstoffzellen-Stack aus mehreren, meist aneinander gestapelten und in Serie geschalteten Brennstoffzellen. Der Wirkungsgrad, der in Fahrzeugen eingesetzten Niedertemperatursystemen, liegt bei etwa 50 %. Der tatsächliche Wirkungsgrad liegt, wie auch bei den batterieelektrischen Fahrzeugen, niedriger, wenn die Energieverluste für die Energiebereitstellung (Strom bei BEV und H2 bei FCEV) mitberücksichtigt werden.

Im Besonderen ist auf die Herstellung von Wasserstoff hinzuweisen. Wasserstoff wird hauptsächlich mit hohem Energieeinsatz durch Reformierungsverfahren, beispielsweise aus Erdgas oder als Nebenprodukt in der petrochemischen Industrie, gewonnen und basiert daher überwiegend auf fossilen Energieträgern. Um die Umweltbilanz des Wasserstoffantriebes zu verbessern ist es mittelfristig erforderlich auf nachhaltige Alternativen zur bisherigen Wasserstofferzeugung zu setzen. Ein erster Ansatz ist Gewinnung von Wasserstoff durch den Einsatz von Grünalgen. Bei Tests konnte mithilfe des Enzyms Hydrogenase viermal mehr Wasserstoff aus Grünalgen gewonnen werden als bisher. Ein weiterer Ansatz für eine zukünftige Kohlenstoffdioxid (CO2) freie Wasserstoffherstellung ist die solare Wasserspaltung. Trotz eines noch geringen Wirkungsgrades von etwa 14 % sind die Forscher der TU Ilmenau optimistisch, die Schwelle zur Wirtschaftlichkeit des Verfahrens in naher Zukunft zu erreichen (16). Dennoch bleibt es fraglich, ob somit ausreichende Mengen an Wasserstoff produziert werden können.

Die Speicherung von Wasserstoff ist technisch herausfordernd. Zwar ist der massenbezogene Energiegehalt von Wasserstoff in Hinblick etwa um den Faktor 3 besser als der von Diesel oder Benzin, gleichwohl weist dieser aber eine sehr geringe volumetrische Energiedichte auf. Zum Vergleich, ein Liter Diesel enthält etwa 10 000 Wattstunden, wohingegen ein Liter gasförmiger Wasserstoff auf lediglich drei Wattstunden kommt. Um eine ausreichende Menge an Wasserstoff, für eine große Fahrzeugreichweite mitführen zu können, gibt es zwei grundsätzliche Speichermöglichkeiten. Eine Verflüssigung des Wasserstoffes führt zu einer Erhöhung der volumetrischen Energiedichte und es kann somit mehr Energie bei gleichem Volumen mitgeführt werden. Flüssiger Wasserstoff weist pro Liter eine Energiedichte von circa 2,3 kWh auf, ein Liter gasförmiger, bei einem Druck von 700 bar, hingegen rund 1,3 kWh. Das Mehrgewicht im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff ist in der Gesamtbetrachtung des Fahrzeuggewichtes zu vernachlässigen. Ein Liter flüssiger Wasserstoff wiegt etwa 70 Gramm. Bei heutigen verbauten Fahrzeugtanks liegt das Fassungsvermögen bei circa 140 Litern und entspricht somit einem Gewicht von weniger als 10 Kilogramm. Damit Wasserstoff flüssig wird, muss dieser permanent auf -253 °C gekühlt werden, weshalb eine aufwendige Isolierung und Kühltechnik erforderlich ist. Als geeignete Alternative erscheint auf den ersten Blick die Verdichtung des gasförmigen Wasserstoffes in einem Hochdrucktank. Im Pkw-Bereich haben sich Speicherdrücke von 700 bar und in Nutzfahrzeugen, aufgrund des größeren zur Verfügung stehenden Bauraumes, bisher Speicherdrücke von 350 bar etabliert (3, Seite 40).Die Tankkapazität für gasförmigen Wasserstoff liegt bei einem Großteil der am Markt verfügbaren Pkw bei 4 Kilogramm bis 5 Kilogramm. Um die Sicherheit des jeweiligen Speicherkonzeptes und eine möglichst verlustfreie Speicherung des zum verdunsten neigenden Wasserstoffes im Fahrzeug zu gewährleisten, sind hohe technische Anforderungen bei der Auslegung der Wasserstofftanks zu erfüllen (17). Welche der beiden Speichermethoden sich durchsetzen wird oder ob beide in unterschiedlichen Bereichen der gesamten Transport- und Nutzungskette langfristig existent bleiben ist noch nicht absehbar und trifft in der Wissenschaft auf unterschiedlichen Ansichten. Bisher erfolgt der Transport von Wasserstoff zu Tankstellen oder Industriekunden zumeist in flüssiger Form, wohingegen die Speicherung vor Ort oder etwa in Fahrzeugen überwiegend gasförmig in Hochdrucktanks erfolgt.

2.3 Vergleich der Eigenschaften elektrifizierter Antriebe in Fahrzeugen anhand bedeutender Faktoren für einen Praxiseinsatz

Um einen tieferen Einblick in die Praxistauglichkeit der vorgestellten Antriebssysteme zu gewinnen, wird in diesem Kapitel auf wichtige Faktoren weiterführend eingegangen. Reichweite, Ladedauer, Anschaffungskosten, als auch Verbrauch und die damit in Verbindung stehenden Unterhaltskosten werden thematisiert. Sowohl im privaten als auch im gewerblichen Bereich sind dies sicherlich Aspekte, die für eine Bewertung hinsichtlich der Attraktivität sinnvoll erscheinen. Selbstverständlich gilt es weitere Faktoren, als die hier genannten, für eine Anschaffung eines elektrifizierten Antriebssystems zu berücksichtigen. Auf den Einfluss durch die Bundesrepublik Deutschland wird separat im Kapitel 3.2 eingegangen.

Die Reichweite der elektrifizierten Fahrzeuge ist gegenüber rein verbrennungs-motorisch angetriebenen Fahrzeugen, insbesondere im Vergleich zu Dieselfahrzeugen zumeist geringer. Der FCEV-Antrieb kommt hierbei in punkto Reichweite mit bis zu 750 km konventionell angetrieben Pkw am nächsten. Die Reichweite von HEV/PHEV und vor allem von BEV liegt noch deutlich darunter. Bei einem Blick auf die Entwicklung der durchschnittlichen Reichweite reiner Elektro-Pkw (Jahr 2011 ~150km, Jahr 2015 ~240 km), zeigt sich ein starker Zuwachs, der laut Prognose des Beratungsunternehmens Horváth & Partners die 400 km Marke im Jahr 2020 erreichen wird (18). Der technologische Fortschritt, insbesondere in Form von effizienteren Akkumulatoren in der Batterietechnologie, wird diese Entwicklung weiterhin stärken. Die theoretische Reichweite hängt von der Tank- bzw. Batteriekapazität, dem Verbrauch und besonders bei BEV von der Batterietemperatur ab. Der zuerst genannte Faktor lässt sich bei der Fahrzeuganschaffung, speziell im Nutzfahrzeugbereich, oftmals beeinflussen, da zwischen unterschiedlichen Batteriekapazitäten gewählt werden kann. Das Fahrzeug wiederum erfordert konzeptbedingt einen Mindestenergiebedarf für den Betrieb und weist daher einen spezifischen Verbrauch auf. Dennoch kann der Fahrer oder die Fahrerin bis zu einem gewissen Grad den Verbrauch und damit die Reichweite beeinflussen. Der individuelle Fahrstil, das Streckenprofil sowie die gefahrene Geschwindigkeit sind als Hauptfaktoren zu nennen. Um eine gewisse Mindestreichweite jederzeit sicherstellen zu können, beschränken Fahrzeughersteller von E-Fahrzeugen zumeist die maximale Höchstgeschwindigkeit. Die Begrenzung für Pkw liegt meist im Bereich um 130 km/h bis 150 km/h. Hintergrund ist der, sich um den Faktor 4 erhöhende Luft-widerstand, wodurch der Energiebedarf überproportional ansteigt und die Reichweite deutlich verringert. Die Höchstgeschwindigkeit, der beiden am deutschen Markt verfügbaren Brennstoffzellen-Pkw, liegt bei rund 180 km/h. Bei einem Einsatz im kommunalen Bereich, sei es in Form eines Pkw oder Nutzfahrzeuges, aber auch im Privatverkehr ist die Höchstgeschwindigkeit freilich nicht von zentraler Bedeutung. Nur auf vergleichsweise wenigen Straßenabschnitten gelten keine vorgeschriebenen Tempolimits. Interessanter ist der Einfluss der Batterietemperatur und elektrischer Verbraucher auf die verfügbare Reichweite. Als größter Verbraucher ist in warmen Monaten die Klimaanlage und in kühlen Jahresabschnitten die Fahrzeugheizung zu nennen. Die Integration einer elektrischen Heizung ist aufgrund des hohen Wirkungsgrades der E-Maschine erforderlich, da diese im Gegensatz zum Verbrenner kaum Verlustwärme erzeugt, welche zum Heizen bei konventionellen Antrieben genutzt wird. Der Reichweitenverlust beträgt je nach eingestellter Temperierung und Außentemperatur bis zu 30 %, was durchaus als erheblich zu bewerten ist (3, Seite 137). In der nachfolgenden Abbildung sind die Auswirkungen der Batterietemperatur auf die Reichweite und Lebensdauer dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-2 Auswirkungen der Batterietemperatur auf und Lebensdauer (20)

Auf eine detaillierte Betrachtung des Temperatureinflusses kann im Rahmen dieser Arbeit verzichtet werden.

Ebenfalls hat auch die Ladeleistung respektive die Ladegeschwindigkeit Einfluss auf die Lebensdauer der verwendeten Traktionsbatterien in BEV, PHEV und HEV. Bei einer Betrachtung der typischen Lade/- beziehungsweise Tankdauer wird ebenfalls deutlich, dass sich die Antriebstechnologien zum Teil stark voneinander unterscheiden. Ein FCEV weist ähnliche Tankzeiten von weniger als 5 Minuten wie ein konventionell angetriebener Pkw auf. Bei PHEV, aber vor allem bei den kapazitätsgrößeren BEV, ist die Ladedauer erheblich länger. Die Ladezeit ist im Wesentlichen abhängig von der Akkukapazität, der verfügbaren Ladeleistung und der Schnellladefähigkeit der Traktionsbatterie. Darüber hinaus bedarf die Batterie einer Temperierung, wenn der maximale Ladestrom genutzt werden soll. Im Optimalfall sind Ladezeiten auch bei größeren Batteriekapazitäten von 25 Minuten an Schnelladesäulen möglich. Grundsätzlich kann eine kapazitätsstärkere Batterie mit einer höheren Ladeleistung geladen werden als eine kapazitätskleinere. Wird per Haushaltssteckdose geladen, kann die Ladezeit je nach Batteriekapazität auch mehr als 12 Stunden betragen. Größere Nutzfahrzeuge weisen Batteriekapazitäten von mehreren hundert kWh auf. Um keine Ladezeiten von mehr als einem Tag zu benötigen, sind entsprechend hohe Ladeleistungen nötig.

Der größte Vorteil des BEV gegenüber anderen elektrifizierten Antriebssystemen ist der hohe Wirkungsgrad und somit auch der vergleichsweise geringste Energieverbrauch pro Kilometer Fahrstrecke. Natürlich wird der Verbrauch von einer Vielzahl an Faktoren, wie etwa durch das Fahrzeuggewicht oder des cw-Wertes, bestimmt. Bei einer Betrachtung des Energieverbrauches im Fahrbetrieb liegt dieser bei einem BEV bei circa 15 kWh bis 20 kWh/100 km. Ein Brennstoffzellenfahrzeug benötigt etwa 30 kWh bis 35 kWh, was rund 1 Kilogramm Wasserstoff entspricht. Die Verbrauchsermittlung eines PHEV ist aufwendiger, da dieser stark von dem elektrischen Fahranteil über die zurückgelegte Distanz abhängig ist. Im bis ins Jahr 2018 gültigen Verbrauchsprüfzyklus NEFZ für PHEV schnitten insbesondere Fahrzeuge mit einer höhen rein elektrischen Reichweite aufgrund der verwendeten Berechnungsformel vorteilhaft ab. So wurde der tatsächliche Verbrauch des Verbrennungsmotors verschleiert. Beispielsweise konnte so ein Pkw mit Verbrennungsmotor mit einem Benzinbedarf von 7,2 l/100 km und einer elektrischen Reichweite von 50 km nach dem NEFZ-Prüfzyklus einen Verbrauch von 2,4 l/100 km (entspricht rund 20 kWh) ausweisen. Die benötigte elektrische Energie wurde nicht berücksichtigt (19). Die Einführung der verpflichtenden Verbrauchsangabe nach dem neuen WLTP-Prüfzyklus ist laut Bundesregierung für das erste Halbjahr 2020 geplant (20). Die meisten der großen Fahrzeughersteller, wie etwa Toyota oder BMW, weisen bereits freiwillig den Verbrauch nach dem neuen Prüfzyklus aus. Eine weiterführende Diskussion der Hintergründe unterschiedlicher Prüfzyklen ist im Rahmen dieser Arbeit nicht zielführend. Vielmehr lässt sich sagen, dass vor allem das Fahr- und Nutzungsprofil für den Verbrauch ausschlaggebend ist. Um niedrige Verbräuche mit einem PHEV in der Praxis zu erzielen, muss auch dessen Fähigkeit des rein elektrischen Fahrens genutzt werden. Mit abnehmenden Leistungsanteil des Elektromotors an der Gesamtleistung vor allem bei schnellen Fahrten auf Autobahnen, verringert sich die Kraftstoffeinsparung und erhöht, aufgrund des im nun schlechteren Arbeitsbereich betriebenen Verbrennungsmotor, den Verbrauch.

Als einer der gewichtigsten Gründe, die für ein elektrifiziertes Fahrzeug sprechen, ist unweigerlich die lokale Emissionsbilanz zu nennen. Es ist unbestritten, dass sowohl ein BEV als auch ein FCEV während des Fahrbetriebes praktisch keine Emissionen emittiert und eine lokale emissionsfreie Mobilität ermöglicht. Lediglich geringe Lärmemissionen und im Vergleich zum klassischen Verbrennungsmotor stark verminderte Feinstaubemissionen sind zu nennen. Die Feinstaubemissionen lassen sich im Wesentlichen durch den weiterhin bestehenden Reifenabrieb, als auch durch den Bremsenabrieb beschreiben. Die Emissionen durch den Bremsenabrieb sind jedoch aufgrund der Rekuperation, die zu einer geringeren Bremsenbelastung führen, niedriger als bei einem Fahrzeug ohne diese Fähigkeit. Die verbliebenen Geräuschemissionen entstehen weniger durch das eigentliche Antriebssystem, sondern vielmehr durch Abroll- und Windgeräusche mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit. Bei einem PHEV gilt das Gleiche im rein elektrischen Fahrbetrieb. Im kombinierten Modus, als auch bei HEV, erzeugt der Verbrennungs-motor Geräuschemissionen, welche jedoch bei den verwendeten neuen Motorgenerationen eher gering sind.

Die Frage nach den Betriebs- und Unterhaltskosten für ein FCEV ist nur eingeschränkt beantwortbar. Aufgrund der niedrigen Zulassungszahlen von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen und den noch eher geringen Erfahrungswerten mit diesem Antriebssystem, lassen sich nur wenige, grundlegende und gesicherte Informationen zusammenfassen. Der Wasserstoffverbrauch pro 100 km beträgt rund 1 Kilogramm. Der Preis an einer Wasserstofftankstelle liegt bei 9,50 EUR pro Kilogramm. Somit sind die Kosten für den Kraftstoff mit denen eines Benzinmotors vergleichbar. Bei einem Kraftstoffpreis von 1,42 EUR pro Liter Benzin (Stand Dez. 2019) herrscht in etwa Kostengleichheit bei einem Verbrauch von circa 6,70 Litern Benzin, welchen sich mit modernen Benzinern bei entsprechender Fahrweise zweifelsohne erreichen lässt. Auch entfallen bei einem FCEV die Kosten für den obsolet gewordenen Motorölwechsel oder der Abgasmessung. Sowohl das Wasserstofffahrzeug als auch BEV, sind im Gegensatz zu den Hybridfahrzeugen, für 10 Jahre ab Datum der Fahrzeugzulassung von der Kfz-Steuer befreit. Anschließend gilt ein um 50 % verminderter Kfz-Steuersatz. Der geringe Energieverbrauch des BEV spiegelt sich unteranderem auch in den Betriebs- beziehungsweise Unterhaltskosten wider. Die Strompreise an Ladesäulen unterscheiden sich je nach Betreiber zum Teil sehr stark. So kostete eine Kilowattstunde bei dem Energieversorger E.ON in den Monaten April/Mai 2019 durchschnittlich 53 Cent, gefolgt von den Stadtwerken München (46,7 Cent). Bei den Stadtwerken Dresden hingegen betrug der Preis pro kWh 20 Cent. Der durchschnittliche Preis für Haushaltsstrom liegt etwa in der Mitte mit 30,4 Cent je kWh. Wird ein durchschnittlicher Verbrauch von 18 kWh/100 Km unterstellt betragen die Kosten zwischen 9,54 EUR (E.ON) und 3,60 EUR (Stadtwerke Dresden) je 100 Kilometer. Dies ist ein Preisunterschied von über 160 %. Wird das BEV mit Haushaltstrom geladen, betragen die Kosten 5,47 EUR. Die Stadtwerke Leipzig und der Betreiber Rhein Energie stellen den Ladestrom sogar kostenlos zur Verfügung (21). Durch diese Betrachtung wird deutlich, dass die Betreiber von Ladesäulen im direkten Vergleich großen Einfluss auf die Attraktivität von batterieelektrischen Fahrzeugen beziehungsweise PHEV haben. Es zeigt sich, dass Kunden, die ihr Fahrzeug ausschließlich bei einem höherpreisigen Anbieter laden, zumindest keine Vorteile hinsichtlich der Kraftstoff-/ und Energiekosten gegenüber anderen Antriebssystemen haben. Kann hingegen bei einem günstigen Anbieter getankt werden oder zumindest zum Marktpreis für Haushaltsstrom, lassen sich mitunter große Kosteneinsparungen erzielen. Die Durchsetzung eines dauerhaften, flächen-deckenden kostenlosen Angebotes für Ladestrom hingegen ist eher unwahrscheinlich und vielmehr als vorrübergehende Kampagne vereinzelter, lokaler und nicht privater Betreiber zu betrachten. Wenngleich dies sicherlich die Attraktivität, insbesondere von BEV, stark fördert und im Sinne der Umweltpolitik der Bundesregierung liegt.

Werden nur die variablen Kosten eines BEV berücksichtigt, so belegen unterschiedliche Studien, dass diese unterhalb denen eines rein verbrennungs-motorischen Antriebes liegen. Nach Angaben einer Untersuchung durch das Öko-Institut e. V. liegen die variablen Kosten bis zu 47 % unterhalb denen eines rein verbrennungsmotorischen Antriebes (ICEV, Internal Combustion Engine Vehicle) (22). Als Gründe sind neben den geringeren Energiekosten auch der Wegfall eines Großteils der Kosten für Betriebsstoffe als auch niedrigere Reparaturkosten aufgrund der geringeren Bauteilanzahl oder verringerte Aufwendungen für einen schwächeren Bremsenverschleiß zu nennen. Ob die genannte Kosteneinsparung sich tatsächlich flächendeckend in dieser Höhe auf die breite Masse an Fahrzeugen übertragen lässt, bleibt anzuzweifeln. Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) rechnet in ihrer Studie Markthochlaufszenarien für Elektrofahrzeuge beispielsweise mit rund 13 % geringeren Wartungskosten eines BEV gegenüber dem konventionellen Antrieb. Bei einem PHEV lediglich mit einem Unterschied von knapp 7,40 % (23). Bei den aufgeführten Größen handelt es sich um Simulationsergebnisse. Zu einer ähnlichen Kostenersparnis (BEV 18,80 %, PHEV 7 %) kommen Experten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Zusammenarbeit mit Kollegen der US-amerikanischen Forschungseinrichtung Argonne National Laboratory (24). Festzuhalten ist an dieser Stelle, dass das Einsparungspotenzial für PHEV bei Betrachtung der Unterhalts- und Wartungskosten gegenüber rein verbrennungsmotorischen Antrieben weitaus geringer als das von BEV ist.

Eine ebenfalls anspruchsvolle Ermittlung ist die zukünftige Entwicklung des entstehenden Wertverlustes. Besonders auf die Berücksichtigung des technologischen Fortschrittes im Antriebsstrang kommender Fahrzeugmodelle ist an dieser Stelle hinzuweisen. Hierfür wurden bereits eine Vielzahl unterschiedlicher Berechnungsmodelle aufgestellt, um diesen möglichst genau im Sinne einer Gesamtkostenbetrachtung über eine definierte Nutzungsdauer beziehungsweise Laufleistung zu berücksichtigen. Der Fachbegriff für eine Gesamtkostenbetrachtung lautet Total Costs Of Ownership, kurz TCO. Als Hauptkostenfaktor einer TCO-Betrachtung sind neben dem Wertverlust die Anschaffungskosten elektrifizierter Fahrzeuge zu nennen. Die Anschaffungskosten liegen bei allen hier betrachteten Antriebssystemen in der Regel noch über denen ihrer verbrennungsmotorischen Derivate. Je nach Fahrzeugklasse und Antriebssystem liegt die Preisdifferenz zwischen wenigen tausend Euro (PHEV) und zum Teil bis zu 20 000 Euro (BEV) oberhalb des ICEV-Modells. Ein kurzer Vergleich anhand des Fahrzeugmodells Golf VII, welches im Jahr 2020 durch das Nachfolgemodell Golf VIII abgelöst wird, verdeutlich dies. Der benzinmotorische Golf VII 1.5 TSI BlueMotion mit einer Leistung von 103 kW kostet in der Ausstattungslinie Comfortline rund 25 000 EUR. Der eGolf VII mit einer Leistung von 100 kW kostet hingegen in der günstigsten Ausführung rund 32 000 EUR. Der geringere Preisunterschied eines PHEV wird deutlich bei einem Vergleich des 530i mit dem 530e des ebenfalls deutschen Fahrzeugherstellers BMW. Beide Modelle weisen eine identische Motorleistung von 185 kW auf. Die Preisdifferenz fällt mit knapp 3 000 EUR deutlich niedriger als bei dem BEV aus (25). Ein genauer Vergleich mit einem FCEV ist aufgrund der geringen Modellvielfalt nicht möglich. Nichtsdestotrotz lässt sich sagen, dass ein Brennstoffzellenfahrzeug um den Faktor 2 bis 3 teurer als ein vergleichbar konventionell motorisiertes Fahrzeug ist. An dieser Stelle ist noch anzumerken, dass es im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls naheliegend ist, einen ähnlichen Vergleich im Bereich von Nutzfahrzeugen zu behandeln. Der Vergleich im Pkw-Bereich soll lediglich die grundsätzlichen Preisdifferenzen bei den Anschaffungskosten nach Antriebssystem verdeutlichen. Eine ähnliche Preisgestaltung lässt sich auch auf den Nutzfahrzeugbereich übertragen.

Zweifellos ist ein Großteil der Anschaffungskosten auf die hohen Kosten für die Traktionsbatterie zurückzuführen, welche bis zu 40 % des gesamten Fahrzeugpreises betragen. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass die Ergebnisse zahlreicher Studien sich zum Teil stark voneinander unterscheiden. So ist das BEV nach Angaben der P3 Unternehmensgruppe auch im Zuge einer TCO-Betrachtung wirtschaftlicher als ein ICEV (26). Wohingegen etwa in dem in der Fachzeitschrift Energy Policy erschienen Beitrag, die Frage nach der Wirtschaftlichkeit der unterschiedlichen Antriebssysteme weitaus differenzierter untersucht wurde. Aus dieser Untersuchung geht hervor, dass das BEV nicht zwangsläufig in jedem Szenario kostengünstiger als vergleichbare Antriebssysteme ist. Es zeigt sich, dass besonders die hohen Anschaffungskosten des BEV sich nur mit einer ausreichend großen Fahrleistung über die Nutzungsdauer amortisieren lassen. Dieser Umstand bestätigt den grundlegenden Vorteil der geringeren Unterhaltskosten des batterieelektrischen Fahrzeuges. Natürlich muss dies nicht zwangsläufig bedeuten, dass ein BEV nur über hohe Fahrleistungen wirtschaftlich zu betreiben ist. Erfahrungen aus der Praxis zeigen auch, dass insbesondere bei Fahrten mit viel Stop-and-Go-Anteil der Kraftstoffbedarf und die Emissionen, wie etwa bei einem Einsatz in der innerstädtischen Müllentsorgung, erheblich reduziert werden kann. Darüber hinaus untersuchte die Studie keine Nutzfahrzeuge, sondern beschränkte sich lediglich auf Pkw unterschiedlicher Gewichtsklassen. Bei niedrigen Fahrleistungen profitiert der ICEV zum aktuellen Stand der Technik besonders durch die noch weitaus geringeren Anschaffungskosten. Des Weiteren wird deutlich, dass vor allem bei Klein- und Kleinstwagen die Kosten für den batterieelektrischen Antrieb sich am schnellsten ausgleichen. Bereits für das aktuelle Kalenderjahr 2020 wird dieser Punkt prognostiziert. Für HEV und PHEV hingegen werden erst für 2025 Kostenvorteile bei schwereren Fahrzeugen gesehen (27).

2.4 Fahrzeuge der Elektromobilität

Die Entwicklung und der Fortschritt bei den elektrifizierten Antriebssystemen ermöglicht neue Einsatz- und Verwendungsmöglichkeiten, was sich in neue Ausführungsformen von Fahrzeugen widerspiegelt. Als bekannteste Form ist selbstverständlich der Einsatz im Pkw zu nennen, aber es findet auch eine zunehmende Etablierung elektrifizierter Antriebe in unterschiedlichen Nutzfahrzeugen, Bussen, einspurigen Fahrzeugen, wie etwa Motorrädern, Rollern oder auch Fahrrädern statt. Ausdrücklich sei an dieser Stelle auf das Potenzial von elektrifizierten Bussen im Rahmen dieser Arbeit im weiteren Verlauf in Kapitel 6.2 hingewiesen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-3 Übersicht der Antriebsmodi elektrifizierter Fahrzeuge -Eigene Darstellung-

In der nachfolgenden Abbildung sind die unterschiedlichen Antriebsmodi elektrifizierter Antriebssysteme dargestellt. Die angegebenen rein elektrischen Reichweiten beziehen sich aufgrund der höheren Anzahl an verfügbaren Modellen auf Pkw.

2.4.1 Mehrspurige Fahrzeuge

In vielfältigen Kombinationsmöglichkeiten sind mittlerweile mehrere dutzend unterschiedliche Modelle auf den nationalen Pkw-Märkten verfügbar. Die Modellpalette reicht von Kleinwagen über Fahrzeuge der Mittelklasse bis hin zu SUVs. Aktuell planen die US-amerikanischen Fahrzeughersteller Ford, Tesla und GM in den nächsten Jahren auch elektrifizierte Pick-Up-Trucks in Großserienfertigung auf den Markt zu bringen (28). Den weltweiten Markt für elektrifizierte Pkw dominieren insbesondere die asiatischen Hersteller. Von den 20 größten Fahrzeugherstellern nach Zulassungen an batterieelektrischen Fahrzeugen und Plug-in-Hybriden im Jahr 2019, sind 14 aus dem asiatischen Raum. Zu nennen sind etwa die chinesischen Autokonzerne BYD und BAIC, die japanischen Hersteller Nissan und Toyota oder das südkoreanische Unternehmen Hyundai (29). Europäische Hersteller nehmen zum aktuellen Zeitpunkt nach Zulassungszahlen betrachtet noch eher eine Nebenrolle auf dem internationalen Markt für voll- und teilelektrifizierte Pkw ein. Der deutsche und weltweit größte Fahrzeughersteller VW kündigte im Zuge seiner Konzernstrategie Strategie 2025 an, ab 2026 keine rein verbrennungsmotorisch angetriebenen Pkw mehr zu produzieren und in den nächsten Jahren 40 neue Elektro- oder Hybridautos auf den Markt zu bringen. Ähnliche Strategien verfolgen auch andere europäische Hersteller wie beispielsweise Renault in seinem Strategieplan Drive the Future oder BMW mit der Strategie Number One > NEXT.

Nicht nur im Pkw Markt finden elektrifizierte Antriebe zunehmend Einsatz, sondern auch bei Nutzfahrzeugen ist diese Entwicklung festzustellen. Nutzfahrzeuge sind in unzähligen Größen, Varianten und Ausführungen auf den Märkten für konventionell angetriebene Fahrzeuge verfügbar. So gibt es beinahe für jeden Einsatzzweck entsprechend ausgestattete und konstruierte Fahrzeuge. Zu den typischen Einsatzbereichen zählt die Verwendung im gewerblichen, landwirtschaftlichen oder auch behördlichen Bereich. Als eine der ersten elektrifizierten Nutzfahrzeuge ist der Gabelstapler zu nennen. Bereits seit den 60ern des 20. Jahrhunderts findet der Elektroantrieb Verwendung und ist aus heutigen Indoor-Logistikzentren nicht mehr wegzudenken. Der Schwerpunkt in diesem Abschnitt liegt jedoch auf Fahrzeugen, die für den Gütertransport beziehungsweise für den Einsatz in urbanen Räumen oder für die Nutzung als Behördenfahrzeuge in Frage kommen. Elektrifizierte Antriebe in Bussen werden in einem separaten Abschnitt behandelt. Im Januar 2019 waren etwa 3,15 Millionen Lkw in Deutschland zugelassen, der Anteil an batterieelektrischen Antriebssystemen beträgt lediglich 0,6 % (Bestand: 17 598). Weitaus geringer ist der Bestand an hybridelektrischen Lkw mit lediglich 131 Zulassungen deutschlandweit (30). Dies zeigt zweifellos, dass der Anteil an elektrifizierten Antrieben im Lkw-Sektor noch sehr gering ist und die Technologie erst langsam Einzug in den Bereich der Nutzfahrzeuge nimmt. Ähnlich eines Elektro-Pkw liegen die Vorteile auf der Hand. Rein elektrische und brennstoffzellenbasierte Nutzfahrzeuge erlauben einen vollständigen, lokal CO2-freien beziehungsweise mit verminderten Emissionen (Hybride) stattfindenden Arbeitseinsatz. Aktuell beträgt der Anteil der CO2-Emissionen durch schwere Nutzfahrzeuge im EU-Verkehr rund 25 %. Mit der Einführung von Umweltzonen in urbanen Gebieten im Jahr 2008 ist eine Einfahrt nur für Fahrzeuge erlaubt, die bestimmte Emissionsstandards erfüllen. Von ebenfalls großer Bedeutung ist selbstredend die Verringerung der Lärm- und Geräuschemissionen, welche bei einem Nutzfahrzeug höher als bei einem Pkw sind. Hierdurch können auch Nachtbelieferungen in urbanen Wohngebieten geräuschärmer werden.

Die meisten großen europäischen Lastkraftwagenhersteller, wie etwa Volvo Trucks, Renault Trucks und MAN, stellten erste Modelle auf der IAA Nutzfahrzeuge 2018 der Öffentlichkeit vor (31). Es handelt sich bei den vorgestellten mittleren- und schweren Lastkraftwagen um Kleinserienproduktionen, was als erster Schritt in Sachen am Markt tatsächlich verfügbarer, größerer elektrifizierter Nutzfahrzeuge zu betrachten ist. Im Bereich der schweren Lkw (Zulässige Gesamtmasse >18 Tonnen) bietet etwa Renault Trucks mit dem D WIDE Z.E. einen 26t-Lastkraftwagen mit einer Reichweite von 200 km und einer Dauerleistung von 370 kW sowie einem max. Drehmoment von 850 Nm an. Das Unternehmen Volvo Trucks bietet mit dem FE Electric Truck einen leistungs- und drehmomentgleichen 27t-Lkw, ebenfalls mit einer Reichweite von 200 km, an. Die Ladezeit beträgt für eine vollständige Akkuladung (Batteriekapazität wahlweise bei beiden Herstellern 200 oder 300 kWh) bei Nutzung eines 150 kW-Gleichstromsteckers circa 1,5 bis 2 Stunden und bei einer Wechselstromladung per Starkstromsteckdose etwa 8 bis 12 Stunden. Beide Fahrzeuge sind für den Verteil- oder Entsorgungsverkehr in urbanen Räumen vorgesehen. Der Volvo FE Electric Truck wird im Zuge eines Pilotprojektes bei der Stadtreinigung in Hamburg als Müllwagen eingesetzt. Das typische Fahrprofil eines Müllwagens ist vor allem durch eine sehr große Anzahl an Anfahr- und Anhaltvorgängen geprägt, darüber hinaus werden in der Regel tendenziell vermehrt kurze Fahrstrecken zurückgelegt. Die beiden hier vorgestellten Lkw von Renault und Volvo setzen auf den batterieelektrischen Antrieb. Deutschlandweit sind bisher lediglich 8 batterieelektrische Lastkraftwagen mit einer Nutzlast von mehr als 12t und lediglich 5 Hybrid-Lkw zugelassen (Stand Januar 2019). Ein konventionell mit Diesel angetriebener Müllwagen benötigt je nach Anzahl der Stopps und Route oftmals mehr als 80 Liter pro 100 km Fahrstrecke (32). Zurückzuführen ist dies zum einem auf das typische Fahrprofil und zum anderen auf häufig noch alte Bestandsfahrzeuge aufgrund nicht ausreichender Investitionen in den Städten und Kommunen. Ferner liegt somit auch der Emissionsausstoß auf einem hohen Niveau. Zieht man den Vergleich zu den durchschnittlichen Kraftstoffverbräuchen schwerer Lkw, ist dieser bei Müllwägen um den Faktor 2 bis 3 höher. Da die CO2-Emissionen direkt abhängig von der eingesetzten Kraftstoffmenge sind, liegen auch diese auf einem vergleichsweisen sehr hohen Niveau.

Während bei den mittelschweren und schweren Lkw elektrifizierten Modellen zum aktuellen Zeitpunkt keine wirkliche Bedeutung zukommt, finden die elektrifizierten Antriebssysteme hingegen bei leichten Nutzfahrzeugen und Kleinst-/ Kleintransportern in den letzten Jahren immer mehr Anklang. Insbesondere diese Fahrzeugklassen sind von größerer Bedeutung für urbane Dienstleistungs- und Logistikverkehre. Hierzu zählen etwa Handwerksbetriebe, als auch City-Logistikdienstleister, öffentliche Unternehmen und Einrichtungen, Pflegedienste oder auch Kommunen und Gemeinden. Bei einem Blick auf den Fahrzeugbestand findet der batterieelektrische Antrieb insbesondere Einsatz bei einer Nutzlast bis 999 kg Verwendung. Etwa 93 % der Fahrzeuge entfallen in diese Gewichtsklasse und weitere 4,6 % in die nächsthöhere mit einer max. Nutzlast von 1 999 kg (30). Von den knapp über 16 400 E-Lkws der kleinsten Nutzlastklasse sind rund 10 000 für die Deutsche Post DHL Group als Zustellfahrzeug für Paket- und Briefsendungen im Einsatz. Die Streetscooter genannten Fahrzeuge sind in unterschiedlichen Akkukapazitäten verfügbar und weisen je nach Typ Reichweiten von 100 bis 200 km auf. Das Unternehmen StreetScooter GmbH bietet darüber hinaus unterschiedliche Aufbauten, wie etwa einen Kühlaufbau oder eine Pickup-ähnliche Ausführung mit offener Ladefläche an. Bis Mitte des aktuellen Jahrzehnts planen viele etablierte und auch junge (Nutz-)Fahrzeughersteller entweder bestehende Modelle durch eine elektrifizierte Version zu ergänzen oder neue E-Fahrzeuge auf den Markt zu bringen.

Einen anderen Ansatz als den Kauf eines neuen Fahrzeuges bietet die Unternehmensgruppe Paul in Zusammenarbeit mit der BPW Gruppe an. Das Angebot richtet sich vor allem an Kommunen und soll ältere, verbrennungsmotorische Bestandsfahrzeuge elektrifizieren. Bisher wird nur ein serienmäßiger Umbau des Mercedes-Benz Vario angeboten, aber Konzepte für die Umrüstung von weiteren und auch schweren Nutzfahrzeugen sind bereits in Planung. Der Vario ist ein Nutzfahrzeug, welches in vielen Kommunen und Einrichtungen in unterschiedlichen Ausführungen genutzt wird. So rüstete der europäische Marktführer für Sonderfahrzeuge Paul beispielsweise bereits einen entsprechenden Transporter für die Abfallwirtschaftsbetriebe Köln um. Der verbrennungsmotorische Antriebsstrang wird hierbei vollständig durch einen batterieelektrischen Antrieb ersetzt. Das Fahrzeuggewicht soll sich trotz der schweren Batterien nicht wesentlich ändern (33).

Im Gegensatz zu den Nutzfahrzeugen für den Gütertransport haben sich elektrifizierte Antriebe in Bussen bereits besser in der Praxis etabliert, wenn auch gleich bei diesen der Anteil am gesamten Fahrzeugbestand ebenfalls sehr gering ist. Den mit Abstand größte Bestand an E-Bussen weltweit weist die Volksrepublik China auf. Dort ist über 95 % des weltweiten Bestandes an batterieelektrischen Bussen beheimatet. Die Einsparungen an fossilen Kraftstoffen sind immens. Rund 42 Millionen Liter Diesel werden pro Tag eingespart (34). Der tägliche Kraftstoffbedarf von Diesel und Benzin, für in Deutschland zugelassene Pkw, lag im Jahr 2015 nach Angaben des Statistischen Bundesamt bei rund 124 Millionen Litern pro Tag (davon Diesel-Pkw rund 55 Mio. Liter) (35). Alleine in der chinesischen Millionenstadt Shenzhen sind täglich über 16 000 elektrifizierte Busse im Einsatz. Die immense Elektrifizierung ist nur aufgrund milliardenschwerer Subventionen durch die Regierung möglich. Bei einem Blick auf den Bestand in Deutschland im Jahr 2019 zeigt sich, dass von insgesamt knapp 77 900 Bussen mit mehr als 17 Sitzplätzen lediglich 1% (768 Fahrzeuge) elektrifiziert ist. Im Vergleich zum Jahr 2018 bedeutet das immerhin eine Steigerung von 25 % (BEV) und 57 % an Hybridantriebssystemen. Das vorherrschende Antriebskonzept der zugelassenen Busse in Deutschland ist der Hybridantrieb. Überwiegend werden Vollhybride eingesetzt, aber auch Brennstoffzellen-(Wasserstoff)-busse werden verwendet. So werden seit Ende des Jahres 2019 in der Stadt Köln die ersten von insgesamt 35 Wasserstoffbussen des Typs A330 Fuel cell des belgischen Herstellers Van Hool N.V. in den Regionalverkehr Köln GmbH (RVK) integriert. In der Stadt Wuppertal ist eine schrittweise Einflottung von insgesamt 10 Typgleichen Wasserstoffbussen für das Frühjahr 2020 geplant (36). Die großen deutschen Fahrzeughersteller haben auch im Bereich der Busse anderen Unternehmen gegenüber das Nachsehen. Das Angebot durch deutsche Anbieter ist zum heutigen Zeitpunkt als mangelhaft zu betrachten. Die elektrifizierten Busse als auch die Brennstoffzellenbusse auf den deutschen Straßen stammen meist von asiatischen oder anderen nicht europäischen Herstellern. Beispielsweise setzten die Berliner Verkehrsbetriebe (BVG) bisher auf den polnischen Hersteller Solaris. Geplant ist eine Anschaffung von 125 batterieelektrischen Bussen des Typs Solaris New Urbino 12 Electric bis Ende 2020. Die Stadt Aachen setzt bisher auf den deutsch/türkischen Hersteller Sileo. Der deutsche Nutfahrzeughersteller MAN kündigte an, erst im Jahr 2020 einen batterieelektrischen Bus unter der Bezeichnung Lions’s City E auf den Markt bringen zu wollen. Mercedes-Benz bietet seit dem Jahr 2019 mit dem eCitaro ebenfalls einen batterieelektrischen Bus an. Aufgrund keiner eindeutigen Daten und qualitativen Quellen zu den einzelnen Antriebssystemen und Modellvarianten wird auf einen weiterführenden Vergleich verzichtet.

2.4.2 Einspurige Fahrzeuge

Neben den klassischen mehrspurigen Fahrzeugen erleben einspurige Fahrzeuge, insbesondere, welche bisher in der Regel per Muskelkraft angetrieben wurden, einen regelrechten Boom auf europäischen Straßen- und öffentlichen Verkehrsflächen. Durch die Integration eines asynchronen Elektromotors in den Antriebsstrang eines klassischen Fahrrades, erfreut sich dieses Verkehrsmittel in den letzten Jahren steigender Beliebtheit. Lag im Jahr 2009 der Absatz von Elektrofahrrädern noch bei rund 150 000 Stück, verfehlte dieser 2018 nur knapp die Grenze zu einer Million verkauften E-Bikes mit 980 000 Stück (37). Die Elektrofahrräder lassen sich in drei unterschiedlichen Gruppen klassifizieren (38).

- Pedelec (Pedal Electric Vehicle)
- Unterstützung des tretenden Fahrers mit bis zu 250 Watt und maximal 25 km/h
- Rechtliche Gleichstellung mit einem konventionellen Fahrrad
- S-Pedelec (Schnelle Pedelecs)
- Unterstützung des tretenden Fahrers mit bis zu 500 Watt und maximal 45 km/h
- Rechtliche Zuordnung zu den Kleinkrafträdern erfordert ein Versicherungs-kennzeichen sowie eine Fahrerlaubnis der Klasse AM (Mindestalter 16. Jahre)
- Keine Nutzung von Radwegen erlaubt
- E-Bike
- Sind mit einem klassischen Mofa vergleichbar, da kein Treten durch den Fahrer erforderlich ist und der Gasbefehl per Daumengas oder Knopfdruck erfolgt
- Beträgt die max. Leistung nicht mehr als 500 Watt und die Höchst-geschwindigkeit nicht mehr als 20 km/h, sind diese Fahrzeuge ebenfalls zu den Kleinkrafträdern zu zählen

Die Motoranordnung kann entweder als Front- beziehungsweise Hinterradnabenmotor oder auch als Mittelmotor erfolgen. Bei der Anordnung als Frontmotor wird auf die Möglichkeit der Rekuperation aus Sicherheitsgründen verzichtet, da die zusätzliche negative Beschleunigung zu einem leichteren Stützen, insbesondere bei Kurvenfahrten, führen kann. Trotz einer aufwendigeren Integration ist die häufigste Ausführung der Mittelmotorantrieb. Aufgrund der tiefen und zentralen Positionierung wirkt sich diese Anordnung positiv auf die Fahrstabilität aus und ermöglicht gleichzeitig eine direkte Verbindung des E-Antrieb und menschlicher Tretkraft in Form eines Tretlagermotors. Die Reichweite lässt sich im Allgemein nur schwer pauschal eingrenzen, da diese stark von dem entsprechenden Streckenprofil und dem Arbeitsanteil des Elektromotors für den Antrieb abhängig ist. Grundsätzlich liegen die typischen Reichweiten zwischen 50 km und 100 km. Elektrofahrräder werden etwa von Privatpersonen als alternative zum privaten Pkw für Kurzstrecken oder unter anderem auch als Sportgerät verwendet. Von größerer Bedeutung im Rahmen dieser Arbeit ist die Eignung für den Einsatz bei Transport-, Ver- und Entsorgungsfahrten im kommunalen Umfeld. Als sogenannte E-Lastenräder werden diese Beispielsweise mit einer Nutzlast von bis zu 100 kg für die Briefzustellung im Rahmen der City-Logistik, etwa bei der Deutschen Post, eingesetzt. Weitere Abwandlungen, etwa als Trike mit einer mehrspurigen Vorder- oder Hinterachse, können Lasten von 300 kg transportieren. Beispielhaft ist das Lastenrad Cargo Cruiser von FUSO zu nennen, auf welches der Logistikdienstleister UPS setzt. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Müllentsorgung. Im amerikanischen Seattle und in Hamburg werden E-Lastenräder von der Stadtreinigung für Reinigungsaufgaben in der Innenstadt eingesetzt. Als Energiespeicher dient ebenfalls wie bei den meisten batterieelektrischen Fahrzeugen ein oder mehrere Lithium-Ionen-Akkus. Die Akkukapazitäten sind im Vergleich zu den anderen hier vorgestellten Fahrzeugen sehr gering. Nur wenige Modelle haben eine Kapazität von mehr als 1 kWh. Üblich sind Kapazitäten im Bereich von 250 Wh bis 500 Wh. Die Aufladung erfolgt in der Regel über das Ladegerät des Fahrradherstellers. Eine gebräuchliche 230 Volt Schuko-Steckdose ermöglicht eine Ladezeit je nach Ladegerät und Akkukapazität von 2 h bis 5 h. Die Akkus sind ohne großen Aufwand auswechselbar und somit lässt sich die Reichweite zusätzlich steigern, beziehungsweise ermöglicht dies Wartzeiten für das Wiederaufladen zu umgehen.

Ein noch relativ neues Fahrzeug auf dem Markt für elektrifizierte Fahrzeuge ist der E-Scooter. Der E-Scooter oder auch als Elektro-Tretroller zu bezeichnen, ist im Grunde ein einfacher Tretroller, welcher durch einen Elektromotor angetrieben und mittels Akkumulators mit Strom versorgt wird. Die maximal zulässige Fahrgeschwindigkeit darf 20 km/h nicht überschreiten und die Leistung nicht mehr als 500 Watt betragen. Gleich dem S-Pedelec oder dem E-Bike benötigen diese eine Versicherungsplakette. Darüber hinaus ist eine Verwendung in Fußgängerzonen oder auf Fußgängerwegen verboten. Seit dem 15. Juni 2019 ist Nutzung auf deutschen Straßen oder Radwegen erlaubt (39). Der batterieelektrische Antrieb, gängiger am Markt verfügbarer E-Scooter, ermöglicht Reichweiten von bis zu 50 km. Einige Roller verfügen über eine Rekuperationsfähigkeit oder sogar einen Kombibetrieb ähnlich eines Pedelecs, bei dem die Antriebskraft durch aktives Treten des Fahrers mit der Kraft des Elektromotors parallel wirkt. Das Laden und die Akkukapazität der etablierten Lithium-Ionen-Akkus entsprechen im Wesentlichem dem eines Elektrofahrrades. Ein Großteil der in Deutschland zugelassenen E-Scooter werden durch Sharing-Unternehmen in den Städten als Alternative zum öffentlichen Nahverkehr und anderen Verkehrsmitteln angeboten. Durch fehlerhaftes Verhalten und die oftmals durch riskante Fahrmanöver hervorgerufene Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer trifft die Akzeptanz der E-Scooter auf sehr geteilte Meinungen in der Gesellschaft. Die elektrifizierten Tretroller weisen laut einer US-amerikanischen Studie unter anderem aufgrund der kurzen Lebensdauer im Sharing-Einsatz von weniger als einem Jahr und der nur sehr geringen durchschnittlich zurückgelegten Entfernungen eine 5 mal schlechtere CO2-Bilanz bei Berücksichtigung einer vollständigen Life-Cycle-Analyse als Elektrofahrräder auf (40). Darüber hinaus ist das Verletzungsrisiko hoch und aktuell gibt es keine weiterführenden Ansätze für einen Einsatz etwa als Lastentransporter. Eine Verwendung im kommunalen Umfeld durch städtische Mitarbeiter hingegen ist aufgrund der fehlenden Abstellproblematik und dem anzunehmenden umsichtigeren Fahren dennoch unter bestimmten Rahmenbedingungen denkbar. Ferner ist durch einen angemessenen Umgang von einer längeren Lebensdauer auszugehen, wodurch die Klimabilanz profitiert.

3 Treiber der Elektromobilität

Jedes Handeln und jede Entscheidung hat direkt oder indirekt Auswirkung auf ihr Umfeld und beeinflusst dieses. So bringen eine Vielzahl vielfältiger und nicht immer unmittelbar beeinflussbare Faktoren Konsequenzen und zum Teil weitreichende Effekte für Beteiligten mit sich. Dieses Kapitel behandelt essenzielle Stellhebel und Faktoren, die einen entscheidenden und maßgeblichen Einfluss auf die gegenwärtige Situation, aber vor allem auf die zukünftige Entwicklung und Bedeutung der Elektromobilität in unserem alltäglichen Leben haben. Diese Treiber beziehungsweise Stellhebel der Elektromobilität lassen sich in unterschiedliche Themengebiete klassifizieren. Die Treiber sind nicht unabhängig voneinander, sondern stehen vielmehr miteinander in Beziehung und weisen Wechselwirkungen zueinander auf. In der nachfolgenden Abbildung, sind die, im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Treiber nach Themengebiet unterschieden dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3-1 Treiber der Elektromobilität -Eigene Darstellung-

Im Zuge seiner Dissertation aus dem Jahr 2015 mit dem Thema Fahrzeugantriebe für die Elektromobilität identifizierte Danny Kreyenberg ähnliche Treiber von zentraler Bedeutung für die Elektromobilität. Eine Berücksichtigung des Aspekts der sozialen Akzeptanz blieb jedoch unberücksichtigt (41).

3.1 Ressourcen und Umwelt

Allgegenwärtig ist die Thematik des Klimawandels, der schlechten Umweltbilanz fossiler Energieträger und eine sich insbesondere von Rohöl anbahnende Rohstoffverknappung. Der Klimawandel so belegen weltweite Studien unterschiedlicher Wissenschaftler, beeinflusst primär die Eisschmelze, den damit verbundenen Meeresspiegelanstieg, Wetterextreme, Artensterben und auch die menschliche Gesundheit. Als wesentlicher Treiber von Fahrzeugemissionen auf globaler Ebene ist das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2) aufzuführen. Auf lokaler Eben hingegen sind Schadstoffe wie Stickoxide (NOx), Feinstaubpartikel (PM) und Kohlenwasserstoffe (HC), aber auch Lärmemissionen zu nennen. Vor allem der Anstieg des CO2-Niveaus in der Atmosphäre wird als Hauptursache des anthropogenen Anteils am Klimawandel gesehen. Das Verkehrswesen verursacht rund 30 % der gesamten CO2-Emissionen in der EU, wovon 72 % auf den straßengebundenen Verkehr entfallen. Dies zeigt, dass durch CO2-ärmere beziehungsweise CO2-freie Fahrzeuge großes Einsparungspotenzial besteht. Trotz einer teilweisen lokalen Emissionsfreiheit tragen auch elektrifizierte Fahrzeuge einen Beitrag zur Kohlenstoffdioxidemission bei. Um ein besseres Verständnis für die Umweltauswirkungen respektive den Ressourcenbedarf der Elektromobilität zu erhalten, ist es naheliegend die Klimabilanz und den Rohstoffbedarf elektrifizierter Fahrzeuge zu betrachten. In diesem Kapitel liegt der Fokus auf den batterieelektrischen Fahrzeugen. Um eine bessere Vergleichbarkeit mit anderen Antriebssystemen, aber auch um die tatsächliche Klimabilanz ermitteln zu können, ist eine Berücksichtigung der energetischen beziehungsweise der Ressourcenaufwendungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette erforderlich. In der Fachsprache spricht man auch von einer Well-to-Wheel-Analyse (WTW). Das bedeutet, beginnend bei den Aufwendungen für die Materialvorkette, die eigentliche Herstellung des Fahrzeuges, die Bedarfe bei der Nutzung über die Fahrzeuglebensdauer, als auch die Berücksichtigung der bei der Entsorgung entstehenden Emissionen ist Rechnung zu tragen. Eine umfassende und detaillierte Untersuchung der Klimabilanz für Elektroautos wurde durch das Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg im Jahr 2019 in Zusammenarbeit mit der Denkfabrik Agora Verkehrswende durchgeführt. Die Inhalte in diesem Kapitel beziehen sich im Wesentlichen auf die Untersuchungsergebnisse dieser Studie, welche unter anderem die Ergebnisse 11 weiterer Untersuchungen der Klimabilanz von Elektroautos berücksichtigen (42). Als Einheit zur Messung der Klimabilanz wurde Kohlenstoffdioxid, welches zu den Treibhausgasen zählt, verwendet. Der Schwerpunkt in diesem Kapitel liegt hierbei auf den Ressourcen, als auch auf den CO2-Emissionen für die Fahrzeugherstellung Batterieelektrischer Fahrzeuge. Die Aufwendungen für die Rumpfherstellung eines batterieelektrischen Fahrzeuges liegen auf dem gleichen Niveau konventioneller Antriebe (je Fahrzeug der Kompaktklasse circa 5 400 kg CO2). Im Mittelpunkt beim Rohstoff- beziehungsweise Energiebedarf steht die Traktionsbatterie. Diese bringt einen immensen CO2-Rucksack in die Klimabilanz der Fahrzeugherstellung ein. Je nach Studie liegt die Mehrheit der errechneten Emissionen entlang der Wertschöpfungskette für die Herstellung der Traktionsbatterie im Bereich von 100 bis 200 kg CO2 pro kWh Batteriekapazität. Somit weist ein BEV mit einer Batteriekapazität von beispielsweise 50 kWh eine Emissionsvorbelastung zwischen 5 000 kg und 10 000 kg CO2 auf, ohne überhaupt gefahren worden zu sein.

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