Elektromobilität
"Warum braucht die Welt ein Elektroauto?"
Der Klimawandel schreitet weiter voran und die Auswirkungen treten immer deutlicher zum Vorschein. Die Polar-kappen schmelzen, die Anzahl der Naturkatastrophen steigt, Ökosysteme werden zerstört.
Großen Anteil an der Erwärmung der Erde haben Emissionen wie das Gas-Kohlenstoffdioxid. Im Jahr 2011 lag der weltweite Ausstoß an Kohlenstoffdioxid bei 34.032,7 Millionen Tonnen. Deutschland liegt im weltweiten Kohlenstoffdioxid-Verbrauch auf Platz 6 mit einem Verbrauch von 802 Millionen Tonnen, welches einem Anteil von 2,4 % des weltweiten Verbrauchs entspricht. Bedenkt man, dass der Verkehrssektor allein einen Anteil von 23 % am weltweiten CO2 Ausstoß hat, wird deutlich, dass eine effiziente Weiterentwicklung im Automobilbereich enorm wichtig für die Zukunft ist.
Prognosen besagen, dass sich die Anzahl der Pkw aufgrund der hohen Nachfrage in China, Indien und Südostasien in den nächsten Jahren verdoppeln wird, wodurch sich auch die Emissionen vervielfachen werden. Dem lässt sich nur entgegenwirken, indem die Effizienz der jetzigen Motoren verbessert wird oder man einen Wechsel zum Elektroauto forciert.
Abb. 1: Weltweiter CO2-Ausstoß aufgeschlüsselt nach Branche
Elektroautos haben den Vorteil, dass sie keine Emissionen abgeben, des Weiteren produzieren sie keinen Lärm und sind effizienter als die herkömmlichen Motoren. So wären Probleme, welche wegen der Abgase von Verbrennungsmotoren entstehen, wie die Luftverschmutzung in den Städten, besser regulierbar.
Natürlich ist es nicht möglich einen Umstieg von jetzt auf gleich zu erreichen, aber wie wichtig es ist, dass uns der Umstieg in naher Zukunft gelingt, lässt sich daran erkennen, dass Menschen in großen Industrienationen in der Lebensqualität anhand dieser Probleme stark eingeschränkt sind.
Stand der Technik
Der Hybridantrieb
Das Hybridfahrzeug ist so gut wie in jedem Modell-Portfolio eines Automobilherstellers vertreten. Auch immer mehr Sportwagenhersteller, wie z.B. Ferrari, wenden sich diesem zu. Dies liegt auf der einen Seite daran, dass das umweltbewusste Denken immer mehr den Kunden bestimmt. Auf der anderen Seite aber auch, dass erkannt wurde, welche Vorzüge diese Technologie mit sich bringt. Viele Hersteller betrachten das Hybridfahrzeug aber nur als Zwischenschritt zu einer zukunftsfähigen alternativen Antriebsform. So wird diese aber immer wichtiger, da ein direkter Übergang von Verbrennungsmotor zum Elektromotor nicht möglich ist.
Abb. 2: Effizienzvergleich von Verbrennungs- und Elektromotor
Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt bei optimaler Drehzahl 37 %. Je nach Lastbedingung und Drehzahl fällt der Wirkungsgrad um die Hälfte ab, im Leerlauf liegt er bei null. Vor allem im Teillastbetrieb haben Ottomotoren einen schlechten Wirkungsgrad. Dieser Zustand kommt oft im Stadtverkehr, beim Bremsen und wenig Gas geben vor und kann z.B. durch einen Hybridantrieb vermieden werden. Bei einem Elektromotor dagegen beträgt der Wirkungsgrad 85 %, wo die gespeicherte Energie viel effizienter verwendet wird.
Tabelle 1: Marktanteil einzelner Automobilhersteller
Der Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt bei optimaler Drehzahl 37 %. Je nach Lastbedingung und Drehzahl fällt der Wirkungsgrad um die Hälfte ab, im Leerlauf liegt er bei null. Vor allem im Teillastbetrieb haben Ottomotoren einen schlechten Wirkungsgrad. Dieser Zustand kommt oft im Stadtverkehr, beim Bremsen und wenig Gas geben vor und kann z.B. durch einen Hybridantrieb vermieden werden. Bei einem Elektromotor dagegen beträgt der Wirkungsgrad
85 %, wo die gespeicherte Energie viel effizienter verwendet wird.
Bei vielen Herstellern wird aufgrund der immer stärkeren Regulierung in Städten, durch die Umweltplakette, ein neuer Ansatz angewandt. Dieser sieht vor, dass in Gebieten, wo die Emissionsrate besonders hoch ist, sich nur mit dem Elektroantrieb fortbewegt wird. Außerhalb wird der Verbrennungsmotor wieder hinzugeschaltet. Es existieren viele verschiedene Hybridkonzepte. Das bekannteste Konzept ist der Voll-Hybrid, welcher sich noch mal aufteilt in parallel und serieller Hybrid.
Tabelle 2: Vergleich verschiedener Hybridmodelle
Bei dem Parallel-Hybrid sind Verbrenner und Elektromotor in Reihe geschaltet. Mit einer automatisierten Trennungskupplung kann das Fahrzeug die beiden Antriebe trennen und zwischen elektrischem Fahren und der Rekuperation bzw. Wiedergewinnung wechseln, wo die Batterie wieder aufgeladen wird. Bei dem seriellen Hybrid dagegen, auch als „Range Extender“ bekannt, handelt es sich um einen Antrieb, wo nur der Elektromotor für den Vortrieb sorgt.
Der Verbrenner läuft nur gelegentlich im optimalen Betriebsbereich, um über einen Generator Strom für die Akkus zu erzeugen. So handelt es sich bei den Wasserstoff betrieben Brennstoffzellen im Mercedes-Benz GLC F-CELL um nichts anderes als ein bordeigenes Elektrizität-Kraftwerk. Dieses produziert während der Fahrt Strom und liefert damit Energie für den seriellen Hybrid.
Abb. 3: Hybrid-Konzept
Das Elektroauto
Bei dem Elektroantrieb handelt es sich um den Antrieb, der immer öfter als „der Antrieb der Zukunft“ bezeichnet wird. In den letzten Jahren kamen immer mehr neue Modelle auf den Markt, die immer alltagstauglicher sind.
Angetrieben werden die Autos von Drehstrommotoren. Diese Antriebe haben im Vergleich zu Gleichstrommotoren den Vorteil, dass aufgrund der „umrichtergeführten permanentmagneterregte. Dreiphasen-Synchronmaschine“ nur ein geringer Verschleiß entsteht, da keine Schleifkontakte benötigt werden. Der Umrichter hat dabei die Aufgabe, im Schubbetrieb die Energie aus der Transaktionsbatterie in Wechselstrom umzuwandeln. Während der Rekuperation dient der Elektromotor als Generator, welcher anhand des erzeugten Stroms die Batterie wieder auflädt.
Unterschiede existieren auch bei den Antriebssystemen von Elektroautos. Auf der einen Seite existiert der Frontantrieb, auf der anderen Seite ist ein Einsatz von zwei Motoren möglich. Beim Frontantrieb kommt die Energie direkt aus dem Abtrieb der E-Maschine. Beim Einsatz von zwei Motoren müssen die beiden Motoren nicht leistungsidentisch sein , da sich über eine intelligente Steuereinheit sämtliche Fahr-Szenarien abbilden lassen.
Tesla bietet mit seinem Model S P100D eine Allradvariante an, wo an beiden Fahrzeugachsen ein Elektromotor verbaut ist. Diese Variante beschleunigt in 2,7 Sekunden, ohne das von Schaltvorgängen gewohnte Ruckeln, von 0 auf 100 km/h, das bei einem Gewicht von 2,5 Tonnen einen beachtlichen Wert darstellt.
Eine weitere Variante ist der Einsatz von Radnabenmotoren, die es ermöglichen, einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, da Übertragungsverluste wegfallen. So ist es möglich, anhand von Radnabenmotoren neue Fahrzeugkon-zepte zu gestalten, welche zuvor aus Platzgründen nicht realisierbar waren.
Tabelle 3: Vergleich von Elektroautos
Ein Problem, das viele Menschen vom Kauf eines Elektrofahrzeugs abbringt, ist die fehlende Infrastruktur, um die Fahrzeuge aufzuladen, wie auch die längere Ladezeit. Dieses Problem wurde jetzt von den deutschen Automobilherstellern gelöst, indem gemeinsam in ein Ladenetzwerk investiert wird. Wobei neue Ladestationen geschaffen werden. So gibt es aber auch noch andere interessante Pläne, indem Straßenlaternen umgerüstet werden, um diese als Ladestation nutzen zu können.
Welche Arten von Batterien gibt es und wie sind diese aufgebaut
Wichtig bei der Produktion von Elektroautobatterien ist, dass gewisse Anforderungen an Sicherheit, Leistung, Kapazität, Volumen und Lebensdauer gewährleistet werden und dies mit einem niedrigen Preis vereinbart werden kann. So ist bei der Sicherheit relevant, dass keine Überladung wie auch kein elektrischer Kurzschluss stattfindet, welcher zur Schädigung des Autos oder der Insassen führen kann.
Abb. 4: Verlust bei Energieübertragung
Bei der Leistungsoptimierung versucht man die Verluste, die bei der Übertragung von Komponente zu Komponente entstehen, zu minimieren. Bei aktuellem Stand kommen von der Energiequelle aus über Ladegerät Motorsteuereinheit und Motor nur 60 – 68 % der Energie bei der Antriebswelle an.
Ein weiterer Punkt ist die Kapazität der Batterien, die entscheidend ist für eine hohe Reichweite und eine geringe Anzahl an Aufladungen. Die Lebensdauer der Batterie wird vor allem von der Anzahl der Aufladungen mitbeeinflusst. So hängt ein häufiges Aufladen oft mit einer geringen Lebensdauer der Batterien zusammen.
Die Batterien, die diesen Ansprüchen derzeit am besten entsprechen, sind die Lithium-Ionen-Batterien. Diese Batterien existieren in der Form eines Zylinders, eines Prismas und einer Tasche (siehe Abb.5).
Bei der zylindrischen Form ist das Dimensionsverhältnis der Länge und des Durchmessers der Zelle meist unvorteilhaft, da es zu hohen Temperaturunterschieden innerhalb der Zelle führen kann. Der Abstand vom inneren der Zelle zum äußeren Rand ist meist zu groß, dass es eine gleichmäßige Kühlung innerhalb der Zelle unmöglich macht. Des Weiteren ist die Packungsdichte verhältnismäßig gering. Vorteile sind, dass die Produktionskosten niedrig sind und die Zelle robust ist.
Abb. 5: Arten von Batteriezellen
Eine weitere Art der Zellenstruktur ist die prismatische. Hier ist der Unterschied zur zylindrischen Zelle, dass die Form niedrige Temperaturunterschiede zulässt und die Packungsdichte hoch ist. Ein Nachteil ist allerdings, dass die Produktionskosten sehr hoch sind.
Die dritte Art ist aufgebaut wie eine Tasche und hat auch den Vorteil, dass die Packungsdichte sehr hoch ist und die Oberfläche geringe Temperaturunterschiede hervorruft. Vorteilhaft sind auch die geringen Produktionskosten. Von Nachteil dagegen ist die hohe Verletzlichkeit der Außenhülle.
Je nach chemischer Zusammensetzung existieren auch verschiedene Typen von Batterien, Abb.6. Am leistungsfähigsten sind die Zebra- (Natrium Nickelchlorid), Zink-Luft- und NiMH-Batterien sowie die Lithium-Ionen-Batterien. Obwohl die Leistungswerte bei einigen Batterien auf den ersten Blick vielversprechend erscheinen, sind sie dennoch für die Elektroautos ungeeignet. Wie z.B. die Zebra - Batterie, die nur bei einer hohen Betriebstemperatur von 270 - 350 °C arbeitet.
Die meist verwendete Batterie ist die Lithium-Ionen-Batterie. Dies liegt daran, dass sie am meisten Energie auf Volumen mit 250 - 730 [Wh/l] und Energie pro kg 100 - 250 [Wh/kg] besitzt. Ein weiterer Vorteil ist, dass Lithium sehr leicht ist und einen kleinen Ionenradius aufweist, welches es erlaubt, besonders kleine leistungsfähige Akkus zu bauen.
Abb. 6: Energiedichte nach Technologie
Diese Art von Akkumulator, welcher stetig weiterentwickelt wird, ermöglicht teilweise mit der neu vorgestellten Technologie der „21700 Akkuzelle“ von Samsung Reichweiten von bis zu 600 km, welche zudem noch in 20 Minuten bis zu 80 % aufgeladen werden kann.
Viele Entwickler und Forscher sehen allerdings in den Feststoff-Lithium-Ionen-Batterien die chancenreichsten Energiespeicher der Zukunft. Denn diese verfügen über Eigenschaften, die viele Nachteile heutiger Batterien lösen. So zeichnen sie sich über eine höhere Energiedichte aus und erlauben ein kompakteres Zelldesign. Des Weiteren sind Feststoffakkumulatoren sicherer und langlebiger, da ihre anorganischen Feststoff-Elektrolyte nicht brennbar und beständiger sind.
Wie werden Batterien im Elektroauto temperiert?
Batterien werden gekühlt, da eine erhöhte Temperatur die Batterielebensdauer reduziert. Auf der anderen Seite vermindert eine niedrige Temperatur die Energie- und Leistungsfähigkeiten der Batterie. So sollen Batterien innerhalb eines Temperaturbereiches, der optimal für die Leistung und Lebensdauer ist, arbeiten. Dieser optimale Temperaturbereich ist je nach Batterietyp unterschiedlich, meist zwischen 30 und 50 °C. Die Temperatur der Batterie kann jedoch aufgrund von heißem/kaltem Klima einer Region von dem optimalen Temperaturbereich abweichen. Aus diesem Grund ist ein Thermalmanagementsystem nötig, welches die Batterie im Temperaturbereich optimal bei
ca. 45 °C hält.
Abb. 7: Wärmebild einer Batterie
So ist es das Ziel des Thermalmanagementsystems, eine höchstmögliche Gleichmäßigkeit der Temperatur zwischen den Zellen der Batterie einzuhalten. Ein Thermalmanagementsystem bzw. BMS (Battery-Management-System) sollte vier nötige Funktionen haben, welche die richtigen Betriebsbedingungen des Batteriepacks sichern, dazu gehören Kühlung, Heizung, Isolierung und Belüftung. Wichtig dabei ist, dass das System einerseits kompakt und leicht verbaut ist und anderseits nicht zu teuer und zuverlässig ist.
Es wird in zwei Thermalmanagementsysteme unterteilt, in das aktive Thermalmanagementsystem und in das passive Thermalmanagementsystem. Aktive Thermalmanagementsysteme verfügen über eine eingebaute Quelle, die aktive Heizung und Kühlung bietet. Bei den passiven Thermalmanagementsystemen wird die Umgebungsluft benutzt um die Temperatur der Batterien im optimalen Fenster zu halten. In den meisten Regionen sind hauptsächlich aktive Thermalmanagementsysteme im Einsatz, da dort die Umgebungstemperaturen selten den optimalen gewünschten Temperaturen für die Batteriezellen entsprechen.
Solche Systeme sind meistens teurer und aufwendig zu implementieren, da sämtliche Komponente, wie die Kältekreise, Heizung, Antrieb, Elektronik, Bordcomputer und Steuerung (BMS) in harmonischen Einklang gebracht werden müssen (Integration). Hier wird darauf geachtet, wie groß die Wärmemenge ist, die von einem Batteriepack entnommen werden muss und was die zulässigen Temperaturgrenzen sind, damit die Batterie optimal funktioniert. Bei zu viel Kühlung wird die Batterie weniger Energie and E-Motor abliefern, demzufolge lässt sich das E-Auto schwer beschleunigen und bei zu wenig Kühlung wird die Lebensdauer der Batterie am Ende leiden. Die Aufgabe von BMS ist u.a. diese beide Szenarien durch die sog. SOC- und SOH-Berechnungen (State of Charge and -Health) zu verhindern.
Effiziente Klimatisierung eines Elektroautos
Die Klimatisierung des Elektroautos im Winter spielt eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung der Elektromobilität. Bei den konventionellen Autos beinhaltet die Ineffizienz des Verbrennungsmotors den Vorteil, dass die dadurch entstehende Energie als Abwärme zur Erwärmung des Innenraums im Winter genutzt werden kann. Bei den Elektroautos dagegen ist es aufgrund des fehlenden Verbrennungsmotors nicht möglich, diese Abwärme zu verwenden, sodass zur Beheizung des Innenraums Energie des Akkus genutzt werden muss, welche die Reichweite der Fahrzeuge stark einschränkt. Aus dem Grund greifen viele Hersteller immer öfter auf das Konzept der Wärmepumpe zurück. Hierbei handelt es sich um einen geschlossenen Kreislauf, welcher ein spezielles flüssiges oder gasförmiges Medium (Kühlmittel) beinhaltet. Dieses Prinzip entzieht der Umgebung Wärme und leitet sie in das Innere des Autos, wobei keine hohen Temperaturen benötigt werden. Großer Vorteil dabei ist, dass der Stromverbrauch für die Betreibung gering ist.
Eine weitere Möglichkeit, die Klimatisierung des Elektroautos effizienter zu gestalten, beinhaltet eine körpernahe Klimatisierung nach Peltier. Hierbei wird berücksichtigt, dass ein kleiner Raum mit geringerem Energieaufwand klimatisiert werden kann als ein großer. Des Weiteren nimmt der Mensch nur die Lufttemperatur in nächster Umgebung wahr, sodass es wenig sinnvoll erscheint, den ganzen Fahrzeugraum zu klimatisieren. Vorteil dabei ist, dass aufgrund der effizienteren Klimatisierung der Akku nicht mehr so stark belastet wird.
.png)
Abb. 8: Peltier Klimatisierung
Batterieaufladung: Welche Arten von Ladegeräten gibt es?
Die vielen Elektroautos unterscheiden sich nicht nur in ihren spezifischen Bauweisen und Arten von Akkumulatoren, sondern auch in der Art, wie sie geladen werden. In verschiedenen Ländern gibt es unterschiedliche Standards, wie geladen wird. So bestehen die Komponenten eines Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) aus Kabel, Stecker, Steckdose und Steckverbinder.
Die europäische Norm (Tabelle 4) bei Ladegeräten ist gegliedert in drei Teile. Der erste Teil beinhaltet die „Normal power“ - Lademethode, wobei es sich um eine 1-Phasen Wechselstromverbindung handelt, welche mit 3,7 [kW],10-16 [A] und 230 [V] betrieben wird. Die zweite Lademethode beschreibt eine 1-3-Phasen-Wechselstromverbindung und wird mit 11-22 [kW], 16-32 [A] und 400 [V] betrieben. Bei dem letzten Typen handelt es sich um eine Gleichstromverbindung, welche mit 350 [kW], 800 [V] geladen wird und eine Stromstärke von über 430 [A] besitzt.
Tabelle 4: Lademethoden - EU
In diesem Teil wird die amerikanische Norm (Tabelle 5) beschrieben. Hier wird zwischen Level-1-Aufladung und Level-2-Aufladung unterschieden, wo jeweils das eingebaute Ladegerät benutzt wird. Beide Varianten werden mit Wechselstrom von einer Wohnstromquelle geladen. Bei der Level-1 EVSE wird von einer 120 V-Stromquelle geladen bei einer Level-2 dagegen von einer 240 V-Stromquelle. Eine weitere Alternative ist die Gleichstrom-Schnell-Aufladung, bei dieser EVSE handelt es sich um eine 480 V Stromquelle.
Tabelle 5: Lademethoden - USA
In China und Japan wird ein System genutzt, welches vom mechanischen Aufbau dem „Medium-power“-System entspricht (Tabelle 4). Im Gegensatz zum europäischen System sind jedoch „Stecker“ und „Kupplung“ vertauscht. Des Weiteren wurde ein Gleichstrom-Ladestandard noch nicht definiert.
Abb. 9: Tesla Supercharger
Schnellladestationen
Aktuelle DC-Schnellladestationen für Elektroautos arbeiten mit einer Spannung von ca. 400 Volt, wobei sich die Ladeleistung im Bereich von 50 Kilowatt bewegt. Dies bedeutet, dass 400 km Reichweite in 80 Minuten bereitgestellt werden können. Durch eine Erhöhung der Ladeleistung auf 100 Kilowatt ist es möglich, diese Zeit zu halbieren, dies führt aber dazu, dass die maximale Leistungsfähigkeit der Ladepins im Ladestecker erreicht wird. Anhand von neuen Kühlkonzepten ist aktuell, eine Steigerung der Ladegeschwindig-keit auf circa 30 Minuten möglich, welches dennoch nicht zeitlich mit einem Tankvorgang eines konventionellen Autos verglichen werden kann.
Porsche löst dieses Problem, indem sie sich auf die Formel der elektrischen Energie beziehen (E=U*I*t; U=Spannung; I=Strom). Durch Umstellung dieser Formel zu t=E/(U*I) lässt sich erkennen, dass bei einer Erhöhung der Spannung und gleichbleibenden Einflussfaktoren die Ladedauer (t) geringer wird. Aus diesem Grund hat Porsche eine neue Schnellladestation entworfen, welche mit 800 Volt betrieben wird, wodurch die Ladedauer nur noch einmal auf 15 Minuten halbiert wird.
Verschiedene Steckersysteme
Die Bauweisen der Steckersysteme unterscheiden sich in drei Gebieten (Amerika, Europa und China & Japan). In Amerika und Europa werden drei unterschiedliche Stecksysteme verwendet. In Japan und China dagegen nur zwei (Abbildung 10).
Abb. 10: Ladesysteme
Bei der amerikanischen Bauweise wird in drei verschiedene Typen aufgeteilt. Typ 1 ist die Wechselstrom-Einphasensteckdose mit 120V/ 15A, welche im Haushalt dort wiederzufinden ist. Die Typ-2-Vorrichtung ist ein Gleichstrom-Steckersystem, das meistens staatlich oder öffentlich zur Verfügung gestellt ist. Dieses erfordert spezielles Equipment, wie beispielsweise der Supercharger von Tesla. Der Typ-3 ist ein CCS-Ladesystem (Combined Charging System) und in der Lage, mit seinem standarisierten Steckersystem sowohl Gleichstrom– als auch Wechsel-stromladeverfahren zu realisieren. Die Leistungsdaten der europäischen Stecksysteme Typ-2 sind ähnlich mit den von der amerikanischen Typ-2-Vorrichtung, wobei das Design leicht abweicht. Bei den chinesischen und japanischen Stecksystemen ist der Typ 1 vom Design her sehr ähnlich wie das europäische, wobei bei Typ 2 doch sehr einzigartig ist. Beim Typ 3 fehlt es hingegen leistungstechnisch ein gleichwertiges Produkt zum europäischen sowie amerikanischen Markt.
Ziel ist es, in Zukunft ein universell standardisiertes Stecksystem zu entwickeln, welches gleichzeitig mit Gleich– und Wechselstrom betrieben werden kann.
Energie und Umweltbetrachtung
Elektroautos stehen oft in der Kritik, dass die versprochenen Eigenschaften der Autos in Wahrheit nicht zutreffend sind. In diesem Abschnitt wird auf die Energiebilanz des Autos und die Umweltbetrachtung eingegangen.
Energiebilanz eines Elektroautos
Laut einer Studie vom Wuppertal Institut für Klima, Umwelt und Energie GmbH wurden unterschiedliche Fahrzeuge miteinander verglichen. Bei den Kompaktwagen wurde neben herkömmlichen Pkw mit Diesel-, Benzin-, und Erdgas-antrieb zusätzlich ein besonders sparsames Dieselfahrzeug betrachtet. Die Studie ergab, dass bei den Kompaktwagen das Elektrofahrzeug lebenzyklusweit weniger Treibhausgasemissionen erzeugt als die herkömmlichen Benzin-, Diesel- und Erdgasfahrzeuge, der Unterschied zu einem verbrauchsarmen Diesel jedoch ist nur minimal. Wichtig ist hier, den Energiemix zu berücksichtigen, der die Ergebnisse von beispielsweise Elektroautos beeinträchtigen kann. Muss Kohlestrom eingesetzt werden, ist das Ergebnis für die Elektrofahrzeuge deutlich schlechter als bei herkömmlichen Fahrzeugen.
Lambrecht (2011) schätzt ab, dass bei Elektrofahrzeugen, abhängig von der Lebensdauer und dem Speicherbedarf, ca. 17 g CO2 pro km auf die Batterieherstellung entfallen. Hier muss zusätzlich noch der Aspekt der Ressourcenverfügbarkeit berücksichtigt werden. Wichtige Metalle wie Nickel und Lithium sind in der EU nicht verfügbar, welches zu einer vollständigen Abhängigkeit von den Importen führen würde.
Neue Ergebnisse einer Studie aus Schweden besagen, dass die Herstellung einer Kilowattstunde 150 - 200 kg Kohlendioxid-Äquivalente produziert. Tesla würde nach dieser Rechnung bei einem Akku von 100 Kilowattstunden ca. 17,5 Tonnen CO2 für die Akkuproduktion verbrauchen. Aus dem Grund wird eine Optimierung des Herstellungsprozesses oder eine kleinere Speicherkapazität in den Akkus gefordert. Tesla versucht mit einer neuen Fabrik, das Problem zu lösen. Nach aktuellen Daten rentiert sich ein Tesla Model S erst nach acht Jahren für die Umwelt.
Umweltbetrachtung
Dieser Teil, verdeutlicht anhand von Grafiken, warum es wichtig ist, dass alternative Projekte wie das Elektroauto weiter gefördert werden. Aufgrund der weiter voranschreitenden Erderwärmung wird es immer wichtiger, Konzepte wie das Elektroauto zur Schonung der Umwelt zu etablieren. Die effiziente Nutzung von erneuerbaren Ressourcen hat einen großen Einfluss auf die Erhaltung der Erde für zukünftige Generationen. In den folgenden Grafiken wird veranschaulicht, welchen Schaden eine Erderwärmung bis zum Jahr 2060 (Abbildung 11), in US Dollar ausgedrückt, haben könnte. Des Weiteren werden die Kohlenstoffdioxid-Emissionen verschiedener Länder verglichen (Abbildung 12 und 13).
Abb. 11: Schaden in Billionen US-Dollar bis zum Jahr 2060
Die Grafik 11 beschreibt, welche Kosten bei einer Erderwärmung bis zum Jahr 2060 entstehen könnten. Die Zahlen belaufen sich bei einer Erhöhung von 1,5 Grad Celsius schon auf 20 Billionen US-Dollar und steigen pro weiteren Grad Celsius stark an.
Abb. 12: CO2-Emissionen pro Kopf in Tonnen
Abb. 13: CO2-Emissionen pro Kopf in Tonnen
Grafik 12 und 13 dagegen zeigen einmal die ausgestoßenen Emissionen von Kohlenstoffdioxid pro Land und die Emissionen pro Einwohner. Auffällig ist dabei, dass Länder wie China und Indien einen relativ hohen Wert bei den ausgestoßenen Emissionen pro Land haben, aber bei der pro Einwohner Berechnung niedrige Werte besitzen. Dies kommt dadurch zustande, dass die Anzahl der Population in diesen Ländern besonders hoch ist.
Problematisch dabei wird in Zukunft sein, dass der Lebensstandard sich in diesen Ländern durch die voranschreitende Industrialisierung immer weiter verbessern wird. Dies wird dazu führen, dass sich die pro Einwohner Emissionen, zu Ländern wie Deutschland angleichen werden und es dadurch zu einem sehr starken Anstieg der Abgaswerte kommen kann.
Ziel sollte es sein, in allen Ländern Konzepte wie das Elektrofahrzeug zu etablieren, um die Emission-Rate in Zukunft zu regulieren, aber auch die Temperatur nicht ansteigen zu lassen. Denn die immer weiteren Unkosten, welche durch den Anstieg entstehen, wie Reparaturarbeiten bei Naturkatastrophen, steigen stetig parallel mit der Durchschnittstemperatur.
Aus diesen Gründen führt die chinesische Regierung ab 2019 eine Quote für Elektroautos ein. Diese verpflichtet Autobauer, welche jährlich mehr als 30.000 Fahrzeuge importieren, bestimmte Anteile über ein sogenanntes Punktesystem zu erfüllen. Im Jahr 2019 soll die Quote der gelieferten Elektroautos pro Hersteller 10 % betragen und ab 2020 dann bei 12 % liegen, welches hohen Druck auf die Autoindustrie ausübt.
Grund dafür sind, wie schon vorher erläutert, die hohen Emissionen, die von konventionellen Fahrzeugen ausgehen, wobei hier vor allem die Luftverschmutzung im Mittelpunkt steht. Auch in Deutschland wird dieses Problem immer präsenter, so werden nach einer Klage der EU Lösungen gesucht, um dem entgegenzutreten. Eine der Hauptlösungen ist auch hier, die stärker Förderung der E-Mobilität, um die Luftverschmutzung in den stark belasteten Gebieten durch emissionsfreie Fahrzeuge zu entlasten.
Stand des Marktes
Wie entwickelt sich der Markt?
Deutschland hat in den letzten Jahren die Spitzenposition im Bereich Technologie in der Elektromobilität an Frankreich verloren. Langfristig aber wird geschätzt, dass China das Land sein könnte, das den Markt dominieren wird.
In China entwickeln sich viele technologische Start-ups, welche sich mit ausreichend Kapital dem Premiumsegment nähern. So werden in China bis zum Jahr 2019 ca. 3,5 Millionen E-Fahrzeuge hergestellt. In den USA dagegen wird es bis dahin nur möglich sein ein Drittel dieser Menge zu produzieren. Zusätzlich sollen 90 % der Lithium-Ionen-Zellen aus eigener Fertigung kommen.
Abb. 14: Neuzulassungen im jeweiligen Land
In Deutschland gab es zum Vergleich im Jahr 2016 keine Zellenproduktion, das daran liegt, dass die deutschen Autobauer ihre Zellen aus asiatischen Ländern wie Korea (z.B LG Chem und Samsung), Japan (Panasonic) beziehen.
Daimler investiert dieses Jahr 500 Millionen in eine neue Fabrik zur Fertigung von Lithium-Ionen-Batterien. Dabei wird der Fokus auf der Zusammenstellung von Batterien aus den zuvor extern angelieferten Zellen liegen.
Es wird davon ausgegangen, dass im Jahr 2025 jedes vierte Auto mit einem Elektromotor angetrieben wird. Gegenwärtig sind Panasonic, LG Chem und Samsung SDI die größten Batteriehersteller. So lag im letzten Jahr der Marktanteil von Panasonic in der Sparte der Batterien für Elektroautos bei 39%. Große Elektroautohersteller wie z.B. Tesla werden von Panasonic beliefert. Andere Unternehmen wie GM, VW, Daimler und Ford werden von LG Chem ausgestattet. BMW arbeitet aktuell mit Samsung SDI zusammen.
Ziel dieser Unternehmen ist es, die Kosten pro Kilowattstunde so weit zu reduzieren, dass das Elektroauto und der Verbrenner sich ebenbürtig sind. So ist man im Jahr 2010, wo 900 € pro Kilowattstunde gezahlt worden sind, davon ausgegangen, dass man erst im Jahr 2020 die Marke 300 € pro Kilowattstunde erreichen wird. Diese Kostensenkung trat aber schon 2014 ein.
Hieraus lässt sich schließen, dass die Entwicklung um einiges schneller voranschreitet als zu Beginn vermutet wurde, das darauf hinweist, dass sich die Kosten immer mehr an die 130 € pro Kilowattstunde annähern. Dies ist das Ziel, das die Gleichsetzung nach Berechnungen umsetzen würde.
Die meisten Elektroautos wurden im Jahr 2016 mit 351.000 in China verkauft, darauf folgt die USA mit 158.000 und Frankreich mit 34.000. Deutschland liegt mit 28.000 verkauften Autos auf Platz 4 vor Japan und Südkorea. Schaut man sich den Markt nur in Deutschland an, so hat Tesla im März 2017 einen Marktanteil von 25,4 %, Renault einen Anteil von 24,2 % und die Post einen Anteil von 15,4 % bei einer Anzahl von 2642 verkauften Autos.
Abb. 15: Marktanteil im jeweiligen Land in 2015 und 2016
Vor allem Tesla mit seinem Model S und Model 3 sind sehr beliebt, aber auch bei Renault mit dem Model Zoe wurde ein Auto entwickelt, das immer größeren Absatz findet.
Des Weiteren hat Opel, bei den deutschen Herstellern, mit dem Ampera-E ein Auto entworfen, das von den Leistungsdaten sehr vielversprechend ist und zeitnah auf den Markt kommen wird. Das Ziel ist es, den Markt neu zu gestalten.
Marktführer sind Tesla, Renault und Nissan aus dem Grund, da sie es schaffen, das Elektroauto immer alltagstauglicher zu machen. So ist die Reichweite eines Tesla Model S schon mit einem herkömmlichen Auto zu vergleichen. Außerdem investieren diese Firmen auch immer mehr in ein strukturiertes Ladenetzwerk, das für die Elektroautofahrer grundlegend ist. Denn der Umstieg vom konventionellem Verbrenner auf ein E-Auto ist nur möglich, wenn die Stromtankstellen nicht nur verschiede Ladesysteme anbieten, sondern wenn es auch genug Stromtankstellen gibt. Es muss möglich sein größere Entfernungen zurücklegen zu können, ohne sich Sorgen darüber zu machen , dass noch 100 Kilometer bis zur nächsten Stromtankstelle zurückzulegen sind.
Allgemeine Technik CH
Anlagenbau CH
Wirtschaft und Technik CH
Allgemeine Technik CH
News
Fachartikel/Publication
Elektromobilität
Electromobility
Elektromobilität Teil II
Electromobility Part II
Company Brochure
Reference list
