Was ist Elektromobilität?
Als Elektromobilität oder E-Mobility wird die Fortbewegung mit elektronisch betriebenen Fahrzeugen, wie Elektroautos, aber auch Bahnen bis hin zum E-Bike bezeichnet. Für den Ausstieg aus den endlichen fossilen Brennstoffen muss der weitere Ausbau von Ladeinfrastukturen erfolgen und Energiespeichertechnologien weiterentwickelt werden.
Definition
Unter dem Begriff Elektromobilität wird die Fortbewegung mit Fahrzeugen verstanden, deren Antrieb teilweise oder vollständig mittels elektrischer Energie, das heißt durch Elektromotoren erfolgt. Solche Fahrzeuge müssen entweder über ein Streckensystem, etwa ein Oberleitungssystem, mit Energie versorgt werden oder mit einem elektrischen Energiespeicher ausgestattet sein. Erstere Variante macht sich vor allem der öffentliche Verkehr, speziell bei Eisen-, Straßen- oder auch Schwebebahnen zunutze. Letztere Variante wird vor allem für den gewerblichen Einsatz im Bereich der Kraftfahrzeuge sowie den Individualverkehr eingesetzt.
Entwicklung der E-Mobilität
Die Entwicklung der Elektromobilität ist kein reines Gegenwartsthema. Auch wenn es gegenwärtig scheint, geht die Erfindung bis in das 19. Jahrhundert zurück, genauer gesagt in das Jahr 1867. In diesem Jahr stellte Werner von Siemens im Rahmen der Pariser Weltausstellung einen elektrischen Generator vor, der das dynamoelektrische Prinzip nutzt. Es ist die Basis für den Elektromotor und wurde auch zum Ende des 19. Jahrhunderts bereits für den Antrieb von Fahrzeugen genutzt. Zu damaligen Zeiten gab es bereits eine Vielzahl von Elektroautos, die auf amerikanischen Straßen neben Verbrennern und dampfbetriebenen Fahrzeugen unterwegs waren und die Mobilität der Menschen gewährleisteten. Einzig die Erfindung des elektrischen Anlassers machte Benziner praktikabler und führte in Zukunft zur Verdrängung der Elektrofahrzeuge von den Straßen. Erst Ende der 90er Jahre rückten Hybridmodelle und Elektroautos wieder vermehrt in den Fokus.
Hybridfahrzeuge als Mischform
Hybridfahrzeuge sind Elektrofahrzeuge, die zwei Antriebstechniken miteinander kombinieren. Kürzere Strecken bewältigen sie rein elektrisch und fahren mit Strom, auf Langstrecken schalten sie einen Verbrennungsmotor dazu. Hybridfahrzeuge können beim Ausrollen und aus Bremsvorgängen Energie zurückgewinnen und in Strom umwandeln, um die Batterie zu laden. Darüber hinaus gibt es auch Plug-in-Hybride, die an Ladestationen geladen werden können.
Die Notwendigkeit von E-Mobilität
Da Verbrennungsmotoren auf fossile Energieträger zurückgreifen und diese Ressource endlich ist, werden Verbrenner in Zukunft seltener auf den Straßen werden. Die Entwicklung und der Ausbau von Elektrofahrzeugen bzw. E-Mobilität und deren Ladeinfrastruktur ist damit unausweichlich. Hinzu kommt, dass durch die Verbrennung von Treibstoffen erhebliche Emissionen entstehen, die Klima und Umwelt belasten. Hier können Elektrofahrzeuge Abhilfe schaffen und die Mobilität revolutionieren, indem sie für eine höhere Luftqualität und den Schutz der Atmosphäre durch weniger CO2-Emissionen sorgen. Außer Acht gelassen sollte allerdings nicht, dass auch in der Herstellung der Batterien und des Stroms für E-Autos auf erneuerbare Energien zurückgegriffen werden muss, um die Klimabilanz und den ökologischen Schaden durch die Förderung seltener Erden zu verringern.
Funktionsweise von Elektroautos
Elektronische Antriebe, wie sie in E-Autos verwendet werden, speichern elektrische Energie in wiederaufladbaren Batterien. Die Batterie gibt Gleichstrom ab. Dieser wird mithilfe eines Inverters in Wechselstrom umgewandelt und dient als Antrieb für den elektrischen Motor. Im Motor wird der Strom in mechanische Energie umgewandelt, indem Magnetfelder erzeugt werden. Diese erzeugen gegensätzliche Kräfte mit deren Hilfe eine Drehbewegung erreicht wird. Die hohe Spannung der Batterie wird durch einen Umrichter in eine niedrigere Spannung umgewandelt, da sie sonst zu hoch für andere elektronische Bauteile ist.
Ladevorgang
Um die Batterie der E-Autos zu laden, sind Ladestationen erforderlich. Um die Ladevorgänge zu beschleunigen, werden Wallboxen eingesetzt. Sie dienen außerdem als Verbindung des Fahrzeugs mit dem Stromnetz und der Kommunikation mit dem Bordladegerät.
Im öffentlichen Raum gibt es Wechselstrom-Ladestationen (Alternating Current, AC) und Gleichstrom-Schnellladestationen (Direct Current, DC), die die Ladezeit noch einmal wesentlich reduzieren. Das liegt daran, dass die Akkus in E-Autos mit Gleichstrom versorgt werden müssen, der Strom aus dem Versorgungsnetz jedoch Wechselstrom ist. Die Umwandlung kostet Zeit. Bei DC Ladestationen wird der Strom bereits vorher in Gleichstrom umgewandelt und direkt in die Batterie des Elektrofahrzeugs eingespeist.
Verbrauch und Reichweite von Elektroautos
Der Verbrauch von Elektroautos wird in Kilowattstunden pro 100 Kilometer angegeben. Natürlich variiert er je nach Größe des Fahrzeugs und Effizienz der Batterie. Als Richtlinie kann hier von 10 kWh bis zu 30 kWh ausgegangen werden. Durch die schnell voranschreitende Entwicklung ist die Reichweitenproblematik zusehends weniger problematisch. Im Schnitt liegen die Reichweiten der aktuellen Elektroautos zwischen 200 und 400 Kilometer mit einer Batterieladung. Sie sind daher in urbanen Ballungsräumen oder ländlichen Regionen nützlich. Reichweiten von 600 Kilometern pro Batterieladung erreichen derzeit nur die Topmodelle namhafter Hersteller im oberen Preissegment. Das wird aber angesichts der schnellen Weiterentwicklung im rasant wachsenden Markt der E-Mobilität voraussichtlich nicht mehr lange so bleiben.
Vor- und Nachteile der Elektromobilität
Elektromotoren sind im Vergleich zu Verbrennungsmotoren wesentlich energieeffizienter und haben einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Im Stillstand benötigen elektrische Antriebe beispielsweise gar keine Energie. Verbrennungsmotoren verbrauchen hingegen selbst im Leerlauf eine erhebliche Menge an Kraftstoff. In manchen Fällen ist zudem eine Rückgewinnung von Bremsenergie möglich, was die Energieeffizienz zusätzlich erhöht. Dieser Effekt wird als Rekuperation bezeichnet. Hinzu kommt, dass sich Elektrofahrzeuge vollkommen emissionsfrei und sehr leise fortbewegen. Ihre Kompaktheit und ihr relativ geringes Gewicht sind ebenfalls positiv zu bewerten. Außerdem ist die Lebensdauer von Elektromotoren aufgrund des geringeren Verschleißes in der Regel größer als bei ihren kraftstoffverbrauchenden Pendants. Die hohen Anschaffungskosten für Elektrofahrzeuge ergeben sich vor allem aus der teuer produzierten Batterie. In den letzten Jahren sind allerdings die Kosten deutlich gefallen. Hinzu kommt, dass weniger laufende Kosten für Strom, Wartung und Reparaturen anfallen, schon allein, weil Elektroautos bzw. deren Motoren aus weniger Bauteilen bestehen als Verbrennungsmotoren.
Doch E-Mobilität bringt nicht nur Vorteile, sondern auch Herausforderungen mit sich. Der Tatsache geschuldet, dass elektrische Energie nicht besonders gut gespeichert werden kann, ergeben sich auch einige Nachteile gegenüber Verbrennungsmotoren: So ist die Produktion von Elektrofahrzeugen verhältnismäßig kostspielig, ihre Reichweite (bisher noch) deutlich geringer als bei kraftstoffverbrauchenden Autos und das Wiederaufladen an Ladestationen nimmt relativ viel Zeit in Anspruch. Um in einem ganzheitlichen Sinne CO2-frei zu sein, müssen Elektrofahrzeuge Strom aus rein erneuerbaren Energien beziehen. Auch die Herstellung der Batterie muss CO2-neutral erfolgen und ökologische Schäden, die sich beispielsweise aus der Förderung des Siliziums und anderer seltener Erden ergeben, gänzlich vermieden werden. Ein weiterer Nachteil ist die bis dato vergleichsweise schlecht ausgebaute Ladeinfrastruktur in Deutschland.
Smart Grids
Smart Grids sind intelligente Stromnetze, die durch die Speicherleistung der Batterien in Elektroautos stabilisiert werden können. Zukünftig sollen sie genutzt werden, um überschüssige Energie, die sich beispielsweise aus dem Missverhältnis zwischen Stromangebot und -nachfrage ergibt, auszugleichen. In der Praxis würde das vereinfacht gesagt so funktionieren: In Zeiten, zu denen erneuerbare Energiequellen wie Wind und Sonne mehr Strom produzieren, als vom Stromnetz aufgenommen werden kann, wird dieser über intelligente Ladetechnologie in den Batterien der Elektrofahrzeuge gespeichert. Umgekehrt kann überschüssiger Strom auch ins Netz zurückgespeist werden, wenn er nicht vom Fahrzeug gebraucht wird. So ließe sich einerseits das Versorgungsnetz stabilisieren und andererseits eine höhere Effizienz bei der Nutzung erneuerbarer Energien erreichen.
Die Zukunft der Elektromobilität
Elektromobilität wird seit geraumer Zeit von der deutschen Bundesregierung gefördert. Das Elektromobilitätsgesetz, das Anfang 2015 in Kraft trat, erlaubt es Kommunen gar, Veränderungen an der Straßenverkehrsordnung vorzunehmen. So können etwa Parkplätze an Ladesäulen für Elektroautos reserviert oder Busspuren für gekennzeichnete Fahrzeuge geöffnet werden. Ohnehin ist die Weiterentwicklung der Elektromobilität ein ganz zentrales, zukunftsweisendes Thema der deutschen Industrie, birgt sie doch erhebliche wirtschaftliche, umweltpolitische und gesellschaftliche Chancen. Die Bundesregierung hat sich sogar zum Ziel gesetzt, sich als Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität zu etablieren. Bis dahin ist es noch ein weiter Weg, auch wenn die Branche derzeit einen immensen Aufschwung erlebt.
Damit sich Elektromobilität als führende Fortbewegungsform etabliert, müssen die Anschaffungskosten sinken, die Ladeinfrastruktur ausgebaut und die Reichweiten der E-Autos erhöht werden.
