Elektromobilität - Mobilität der Zukunft

Elektromobilität spielt für den Klimaschutz eine wichtige Rolle, denn Elektroautos können emissionsfrei mit Strom aus erneuerbaren Energien wie z.B. aus der Photovoltaikanlage geladen werden und klimaneutral fahren. Das zeigt, zu einer nachhaltigen Elektromobilität gehört mehr als nur ein anderer Motor und ein Akku. Ein wesentlicher Punkt ist die Ladeinfrastruktur als Grundlage für eine neue, saubere Mobilität.

Im Prinzip verstehen wir unter Elektromobilität die Fortbewegung von Personen und Gütern mit der Hilfe von elektrischen Antrieben. Diese Fahrzeuge benötigen dafür nur ein Elektromotor und eine Batterie. 

Zur Elektromobilität gehören diese Fahrzeuge:

• E-Scooter
• Elektro-Fahrräder oder E-Bikes
• Elektroroller
• Elektroautos
• Transportfahrzeuge und LKW
• Öffentlicher Nah- und Fernverkehr (Straßenbahn, Busse, Eisenbahn)

Reden wir von Elektromobilität, sind in der Regel Autos oder PKW gemeint. Denn bei ihnen sollen Elektromotoren in den kommenden Jahren den bisher genutzten Verbrennungsmotor ablösen, der Diesel oder Benzin betrieben wird. Bei einem elektrischen Antrieb können die Fahrer die Batterien/Akkus mit Strom aus erneuerbaren Energien laden. Damit gelten die Fahrzeuge als eine klimafreundliche Alternative zu den bisherigen Antriebstechnologien.

Zur Elektromobilität gehört neben den Fahrzeugen auch eine passende Infrastruktur. Es müssen ausreichend Lademöglichkeiten zur Verfügung stehen und diese erfordern ein geeignetes Stromnetz. Damit die Elektromobilität möglichst klimafreundlich wird, müssen die erneuerbaren Energien und das Verteilnetz ausgebaut werden.

Batterieelektrische Autos (battery electric vehicles, BEV) nutzen für ihren Antrieb mindestens einen Elektromotor. Ihre Energie beziehen sie, wie der Name bereits aussagt, aus einem Akku.  

Elektromotoren wandeln elektrische in mechanische Energie um. In ihrem Inneren befindet sich ein drehbarer Elektromagnet, der Rotor, der mit der Stromversorgung verbunden ist. Dieser Elektromagnet ist von einem äußeren Magnetfeld umgeben, das von einem oder zwei Dauermagneten, den Statoren, erzeugt wird. Sobald Strom am Rotor anliegt, wird er durch die Leiterschleifen selbst magnetisch und die Magnetkräfte sorgen durch Abstoßung und Anziehung für die Drehung des Rotors.  

Die Ansteuerung des Motors erfolgt bei Elektrofahrzeugen über eine Leistungselektronik. Sie sorgt dafür, dass der Strom aus der Batterie in der gewünschten Stärke und Frequenz am Motor ankommt. Elektroautos benötigen daher kein manuelles oder automatisches Schaltgetriebe - ihnen genügt ein einstufiges Getriebe.  

Eine Besonderheit von Elektromotoren (Synchronmotoren) ist die Fähigkeit zur Umkehr ihrer Funktion. Beim Bremsen werden sie zum Generator und wandeln die Bewegung des Fahrzeugs zurück in elektrischen Strom um. Dieser Vorgang, Rekuperation genannt, lädt den Akku wieder auf.  

Während eine Hochvoltbatterie die Energie für den Antrieb liefert, versorgt eine weitere Batterie die Bordelektronik im Auto mit Strom. Hier kommt eine Niedervoltbatterie zum Einsatz, wie sie schon in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verbaut ist. Diese Trennung bringt u.a. kostenseitige Vorteile, denn 12 Volt-Bordnetze sind nach wie vor der Standard im Automobilbereich.  

Die Batterie gehört zu den wichtigsten Bauteilen eines Elektroautos. Sie liefert die Energie für den Antrieb des Fahrzeugs und ist damit sein “Tank”. Eine hohe Kapazität des Akkus sorgt somit für eine große Reichweite. Aber sie ist auch das teuerste und schwerste Bestandteil des Fahrzeugs und kosten je nach Modell mehrere tausend Euro. Der Austausch des Akkus ist im Vergleich zu einem Motorwechsel bei einem Verbrenner deutlich teurer.   

Aktuell verwenden die Hersteller überwiegend Batterien mit der seit Jahren bekannten und auch für “normale” Batterien verwendeten Lithium-Ionen-Technologie. Vorteil dieser Akkus ist eine lange Lebensdauer und kurze Ladezeiten. Fortschritte in der Technik und die große Nachfrage haben in den vergangenen Jahren zu höheren Reichweiten und geringeren Kosten geführt.

Die Akkus für das Elektroauto werden beständig weiterentwickelt. Hersteller arbeiten daran, ohne seltene Erden auszukommen und entwickeln neue Speichertechnologien für eine höhere Reichweite und schnelleres Laden. Völlig neuartige Technologien wie die Feststoffbatterie sollen deutliche Fortschritte bringen und Reichweiten von mehr als 1.000 Kilometern möglich machen. Damit wäre ein wichtiger Vorteil der Verbrenner hinfällig. 

Die Kapazität einer E-Auto-Batterie liegt zwischen 20 und 100 kWh, teilweise auch darüber. Der typische Verbrauch auf 100 km liegt zwischen 12 und 30 kW. Beides Angaben, die in den Fahrzeugpapieren zu finden sind.

Mit beiden Zahlen lässt sich die (theoretische) Reichweite leicht errechnen: 

Reichweite = Kapazität / Verbrauch  

Beispiel Audi Q4 e-tron

Für ein bequemes Aufladen von Elektroautos, zu jeder Zeit und an vielen Orten, ist ein Ausbau der Ladeinfrastruktur dringend erforderlich.  

Elektrizität ist in Deutschland praktisch überall verfügbar, daher könnten Elektrofahrzeuge theoretisch überall geladen werden. Normale Haushaltssteckdosen sind jedoch nicht für dauerhaft hohe Ströme ausgelegt, das Auto könnte zu einem Brand-Risiko werden. Zudem ist die mögliche Ladeleistung von 2,3 kW an diesen Steckdosen verhältnismäßig gering und die Ladezeiten sind entsprechend lang. Aus diesen Gründen ist es sinnvoll, nur an Ladepunkten zu laden, die für Elektroautos ausgelegt sind. Diese ermöglichen schnellere Ladevorgänge und bieten eine höhere Sicherheit.

Für Fahrer von Elektroautos gibt es vielfältige Lademöglichkeiten, zuhause, unterwegs, bei der Arbeit oder beim Einkaufen. Wer die Möglichkeit hat, kann am Haus eine Wallbox mit einer Ladeleistung von 11 kW installieren. Da das Auto dort oft mehrere Stunden steht, stellt die verhältnismäßig lange Ladedauer keine Beeinträchtigung dar. Am Arbeitsplatz und auf öffentlichen Parkplätzen stehen die E-Autos ebenfalls für längere Zeit. Daher werden dort häufig sogenannte Normalladesäulen mit einer Leistung von 11 oder 22 kW Wechselstrom aufgestellt. Die Bordelektronik im E-Auto wandelt diesen in Gleichstrom für die Batterie um.

An Bundesstraßen und Autobahnen gibt es eine steigende Zahl von Schnellladesäulen. Diese bieten in der Regel eine Leistung von 50 bis 150 kW Gleichstrom. Die höchste Leistung liegt derzeit bei 350 kW. Damit können die Fahrer ihre Fahrzeuge deutlich schneller beladen und nach einem kurzen Aufenthalt ihre Fahrt fortsetzen.

Zurzeit gibt es in Europa verschiedene Ladesysteme für E-Autos. Der Fahrer muss daher sicherstellen, dass die Ladesäule eine zum Fahrzeug passende Leistung bietet und auch über den zur Ladebuchse passenden Stecker verfügt.

An Normalladesäulen hat sich der Stecker vom Typ-2 als Standard durchgesetzt. Für Schnellladesäulen sind hingegen die CCS- oder CHAdeMo-Stecker üblich. Nach der deutschen Ladesäulenverordnung müssen an jedem Ladepunkt – eine Ladesäule hat in der Regel zwei Ladepunkte – der Typ-2 Stecker für Ladevorgänge mit Wechselstrom (AC) und das sogenannte Combined-Charging-System (CCS) für das Laden mit Gleichstrom (DC) vorhanden sein.

Die Ladeleistung gibt die mögliche Geschwindigkeit für den Ladevorgang an. Wichtig ist aber auch die maximal mögliche Ladeleistung des Fahrzeugs zu beachten, diese kann geringer sein als die der Ladestation. Daher können nicht jedes Elektroauto die Schnellladesäulen nutzen. Um die Batterie zu schonen, verringern die Ladesäulen ihre Leistung oder stoppen den Ladevorgang, wenn das Auto zu 80 Prozent geladen ist.

Bei der Neuzulassung von Fahrzeugen ist eine deutliche Verschiebung zu alternativen Antrieben zu beobachten. Hier dominieren bereits heute Elektroautos. Bis 2030 wird erwartet, dass die Anzahl der neu zugelassenen Autos mit einem rein batterieelektrischen Antrieb auf mehr als eine Million im Jahr ansteigt.  

Die Elektromobilität gilt – neben alternativen Mobilitätskonzepten – als wichtiger Baustein zur Reduzierung der CO₂-Emissionen im Verkehrssektor. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein Ausbau der erneuerbaren Energien erforderlich, denn nur so können Elektroautos ihre Vorteile voll entfalten. Neben der CO₂-Einsparung hilft die Elektromobilität dabei, die Belastungen durch Luftschadstoffe und Lärm zu verringern.  

Bidirektionales Laden

Elektrofahrzeuge haben ein großes Potenzial zur kurzzeitigen Speicherung von Wind- und Solarstrom in einem intelligenten Stromnetz. Sie können diesen bei einem Überangebot speichern und ihn bei Bedarf wieder ans Netz abgeben. Diese Funktion nennt sich bidirektionales Laden – das Laden in beide Richtungen ist aber mit den meisten aktuell in Deutschland verfügbaren Elektroautos noch nicht möglich. Es fehlt auch an den rechtlichen Voraussetzungen, um Elektroautos als Speicher zu nutzen.

Das Potenzial ist sehr groß, denn die Bundesregierung strebt bis 2030 das Ziel von 15 Millionen Elektrofahrzeugen auf Deutschlands Straßen an. Bei der heutigen Kapazität der Batterien würden sie eine gesamte Speicherkapazität von 700 Millionen kWh (700 GWh) bieten, von denen ein großer Teil fast den gesamten Tag ungenutzt auf dem Parkplatz steht. Der Bedarf an Kurzzeitspeichern liegt dagegen bei 70 bis 100 GWh, wenn erneuerbare Energien einen Anteil von 80 Prozent am Strommix haben.

Laut Kraftfahrtbundesamt waren bis Ende 2021 in Deutschland, mehr als 618.500 rein batterieelektrisch betriebene PKW zugelassen. 2012 waren es nur 4.500. Hinzu kommen 1.669.000 zugelassene Hybridfahrzeuge, also PKW mit Verbrennungs- und Elektromotor, darunter rund 566.000 Plug-in-Hybrid PKW (PHEV). Damit betrug der Anteil von Elektroautos 1,3 Prozent aller zugelassenen Autos, der Anteil von Hybrid-PKW liegt bei 3,4 Prozent (Plugin-Hybrid bei 1,3 Prozent).

Bei den Neuzulassungen hat sich 2021 der Anteil von neu zugelassenen Elektroautos im Vergleich zum Vorjahr fast verdoppelt. Ihr Anteil lag bei 13,6 Prozent, 2020 betrug er noch 6,7 Prozent.

Auch die Ladeinfrastruktur legt deutlich zu. Ende 2021 waren der Bundesnetzagentur über 50.900 öffentlich zugängliche Ladepunkte gemeldet. Ein Jahr vorher waren es noch rund 39.300 und zwei Jahre zuvor 28.600. Vor allem die Anzahl an Schnellladepunkten ab 150 kW hat sich 2021 mehr als verdoppelt, sodass die durchschnittlich verfügbare Leistung pro Ladepunkt bei 29,8 kW lag.

Rohstoffe 

Ein wesentliches Element von Elektrofahrzeugen ist die Batterie. Sie steht aufgrund einiger Nachteile häufig in der Kritik. Nicht nur, dass der Akku einen großen Teil des Gewichts und der noch recht hohen Kosten eines E-Fahrzeugs verursacht; sie wird auch aus Rohstoffen (wie z. B. Lithium und Kobalt) hergestellt, deren Förderung alles andere als umweltverträglich ist.

Das Lithium für die Batterien stammt vor allem aus Lithium-Salzen der Salzseen in Südamerika. Für die Gewinnung des Lithiums sind große Mengen Wasser erforderlich, wodurch der Grundwasserspiegel sinkt. Auch wenn nur wenige Menschen in diesen Regionen leben und nur wenige Pflanzen dort wachsen, hat der Abbau schwerwiegende Folgen für die Umwelt. Eine Verwendung des Wassers als Trinkwasser oder in der Landwirtschaft ist aufgrund des hohen Salzgehaltes nicht mehr möglich. Ein großer Teil des Lithiums stammt auch aus dem Bergbau in Australien. Dort fällt das Lithium als Nebenprodukt der Geothermie in dem zu Tage geförderten heißen Wasser an. Das macht der Abbau schwieriger, aber weitere Probleme sind nicht bekannt.

Kobalt ist ein anderer Rohstoff, der in der Kritik steht. Dieser stammt teilweise aus Minen im Kongo, in denen Kinder unter schlechten Bedingungen arbeiten. Auch hier haben die australischen Minen einen Wettbewerbsvorteil: die kurzen Transportwege nach China, wo die Mehrzahl der Batterien hergestellt wird. Die Batteriehersteller arbeiten daran, weniger Kobalt bzw. andere Technologien zu verwenden. Zudem engagieren sich die großen Hersteller für sichere Arbeitsbedingungen bei ihren Zulieferern. 

Beide Rohstoffe werden auch in vielen anderen Produkten verwendet, in Smartphones, Tablets und Laptops. Der Bedarf für diese Geräte liegt noch über dem für die Akkus der Elektroautos. 

CO₂-Emissionen

Der größte Teil der CO₂-Emissionen im Lebenszyklus eines Elektrofahrzeugs entsteht bei seiner Herstellung, nicht im Verkehr auf der Straße - daher steht diese besonders oft in der Kritik. In der Nutzungsphase müssen die Emissionen wieder eingespart werden. Je sauberer der Ladestrom ist, umso schneller kann ein Elektroauto den Nachteil aus der Herstellung ausgleichen. Nach Angaben des ADAC sind dafür ca. 50.000 bis 100.000 Kilometer Fahrleistung notwendig.

Sicherheit

Auch die Sicherheit und Brandgefahr sind Kritikpunkte, die häufig zu hören sind. Entsprechende Sicherheitstests zeigen: für die Insassen ist die Gefahr nicht größer, als in anderen Autos. Die Brandgefahr ist ebenfalls nicht höher als bei konventionellen Motoren. Wenn etwas passiert, dann durch schadhafte Batteriezellen oder Fehler im Batteriemanagement. Die Feuerwehr muss in Brand geratene Elektrofahrzeuge anders löschen, ist aber entsprechend vorbereitet und geschult. Elektroautos haben daher eine entsprechende Plakette, die auf den Elektromotor hinweist.

Reichweite

Die Elektromobilität benötigt eine entsprechend gut ausgebaute Ladeinfrastruktur mit einer guten Mischung aus Normal- und Schnellladesäulen. Das “Tanken” erfordert für die Besitzer eine andere Planung als mit einem Verbrennungsmotor. Sie müssen Ladestopps frühzeitig einplanen, solange es nicht ein gut ausgebautes Netz an Ladesäulen gibt. Ein Netz, wie wir es heute bei den Tankstellen kennen. Im privaten Sektor setzen viele Nutzerinnen und Nutzer auf eigene Ladestationen, sogenannte Wallboxen. Der Ladestrom kann zum Beispiel vom Solar-Carport kommen. Damit lässt sich das Fahrzeug recht sicher immer dann aufladen, wenn es in der heimischen "Garage" steht.

Der Elektromobilität gehört die Zukunft. Sie hat einige Vorteile, insbesondere für das Klima. Im Vergleich mit Benzin und Diesel punktet das Elektroauto insbesondere bei Effizienz, Sauberkeit und Lärm. Aber es gibt auch einige Nachteile, die es zu beachten gilt.

Vorteile

• Hohe Effizienz, über 90 % der eingesetzten Energie geht in den Antrieb
• Rückgewinnung der Bremsenergie
• Hoher Fahrkomfort und leise Motoren
• Kompakte Bauweise der Motoren
• Keine direkten Abgase am Fahrzeug
• Weniger CO₂-Emissionen bei durchschnittlichem europ. Strommix
• Möglichkeit emissionsfrei mit Ökostrom/ Solarstrom zu laden
• Möglichkeit an der eigenen Wallbox mit Solarstrom zu laden
• Innovatives Umfeld mit stetiger Weiterentwicklung der Technologie
• Geringere laufende Kosten durch weniger reparaturanfällige Teile und Verschleiß

Nachteile 

• Verhältnismäßig hoher Anschaffungspreis
• Hohes Gewicht der Batterien
• Hoher Ressourcenaufwand zur Herstellung der Batterien
• Verlagerung der Emissionen in die Herstellung und zu Kraftwerken
• Aktuell noch geringere Reichweite als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor
• Steigender Strombedarf durch Elektromobilität
• Längere Dauer der Ladevorgänge

Im Vergleich zu Autos mit Verbrennungsmotor erfordert die Anschaffung eines Elektroautos derzeit noch eine verhältnismäßig hohe Investition. Die Listenpreise für E-Autos liegen nach wie vor deutlich über denen vergleichbarer Autos mit konventionellem Antrieb. Allerdings sinkt der Preisunterschied mit steigenden Fortschritten in der Batterietechnologie und dem zunehmenden Bau großer Fabriken für die Batterien.

Um den Kauf von Elektroautos anzuregen, gewähren Staat und Hersteller eine finanzielle Unterstützung, den Umweltbonus. Für den Kauf von reinen Elektroautos gibt es noch bis Ende 2022 eine Förderung von 9.000 Euro (entscheidend ist der Tag der Zulassung), davon übernimmt der Staat 6.000 Euro. Ab 2023 beträgt der staatliche Anteil nur noch 4.000 Euro. Bis 2025 soll die staatliche Förderung schrittweise reduziert und dann beendet werden.

Eine weitere Art der Förderung ist die befristete Befreiung von der KfZ-Steuer bis 2030 für rein elektrisch angetriebene Autos, die bis 2025 zugelassen werden. Anschließend beträgt die Steuer 50 Prozent der regulären KfZ-Steuer entsprechend dem Gewicht des Fahrzeugs.

Weitere Einsparungen ergeben sich für Besitzer von Elektroautos im Unterhalt der Fahrzeuge, denn ihre Betriebskosten sind in der Regel niedriger. Bei der Betrachtung der Gesamtkosten und in Abhängigkeit von Fahrleistung und Kosten für Ladestrom, sind Elektroautos somit häufig günstiger als vergleichbare Autos mit Verbrennungsmotor.

Im Zuge des Hochlaufs der Elektromobilität wird oftmals übersehen, dass es auch andere Fahrzeuge mit Elektroantrieb gibt. So ist in den letzten Jahren die Zahl der E-Bikes deutlich angestiegen. Positiv dabei: E-Bikes ersetzen zunehmend kurze Autofahrten, insbesondere bei Strecken zwischen 5 und 10 Kilometern. Allein das verbessert die CO2-Bilanz im Verkehr. 

Die Vorteile liegen auf der Hand: Die E-Mobilität mit Fahrrad oder Scooter ist viel günstiger und oftmals spart sie auch noch Zeit. Denn anders als beim E-Auto entfällt bei den zweirädrigen Fahrzeugen häufig die aufwändige Parkplatzsuche. Nicht zu vergessen: Für E-Bike und Co. wird keine Ladestation benötigt, die Fahrzeuge lassen sich in der Regel gefahrlos an der heimischen Steckdose laden.