Elektroauto

29. November 2008

Vor über zehn Jahren nahm ich während meines Studiums an einem Seminar „Elektrische Antriebe für Straßenfahrzeuge“ teil. Man sagt ja immer, Technik entwickele sich sehr schnell. Beim Elektroauto ist davon nichts zu spüren.

Schon damals gab es funktionierende Prototypen für verschiedene Konzepte des Hybridantrieb, und schon damals war klar, dass sie den durchschnittlichen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotor deutlich steigern können. Die serienreifen Hybride kann man zehn Jahre später an einer Hand abzählen.

Beim Wasserstoffantrieb wird immer noch die Art der Erzeugung, Speicherung und Verwendung des Wasserstoffs diskutiert — im wesentlichen mit den gleichen Argumenten und Ergebnissen wie damals. Der große Durchbruch der Brennstoffzelle, der damals angeblich kurz bevor stand, scheint zwischenzeitlich abgesagt worden zu sein.

Nennenswerte Fortschritte gab es lediglich beim Traktionsakkumulator. Befeuert durch Handy- und Notebookboom hat die Entwicklung von der Akkumulatortechnologie deutlich an Fahrt aufgenommen. Es ist mittlerweile klar, dass dabei auch geeignete Systeme für das Elektroauto abfallen. Das war vor zehn Jahren noch nicht abzusehen. Damals sprach man vom Bleiakku, von Nickel-Cadmium und von Nickel-Metallhydrit. Alle drei Technologien haben Schwächen, die ihre Eignung für ein Elektroauto zumindest fraglich erscheinen lassen. Daneben gab es Prototypen für Hochtemperaturakkus, die heute nicht näher an der Marktreife sind wie damals.

Die Verwendung von Lithium als Energieträger scheint hier doch neue Möglichkeiten zu öffnen. Besonders erwähnt sei dabei der Lithium-Eisen-Phosphat-Typ, der zwar noch recht jung und teuer ist, aber für den Elektroantrieb ideale Eigenschaften zu haben scheint.

Schon damals wurden zwei grundlegend verschiedene Konzepte für Elektroautos diskutiert: Einmal der Umbau, bei dem man ein existierendes Serienfahrzeug mehr oder minder stark verändert und mit dem Elektroantrieb ausstattet, und zum anderen das „Full Custom“, eine komplette Neuentwicklung, die ganz auf den Elektroantrieb ausgelegt wird und i. a. nicht als Version mit Verbrennungsmotor gebaut wird. Wir waren uns damals einig, dass Umbauten selbst in Serienproduktion viel zu teuer wären, noch dazu bei verringertem Nutzwert, und deshalb nicht wirtschaftlich erfolgreich sein können. Das Elektroauto kann nur als Full Custom ein Markterfolg werden. Tatsächlich sind die einzigen beiden in Deutschland erhältlichen Elektroautos Full Customs. Sie stammen übrigens nicht von großen Automobilkonzernen, bei denen die Entwicklung eines solchen Fahrzeuge fast schon nebenher laufen könnte, sondern von mutigen und innovativen Start-Up-Firmen. Was das über den unternehmerischen Mut und die Innovationskraft in der gesamten etablierten Automobilindustrie aussagt, brauche ich nicht weiter auszuführen.

Eigentlich passt der Elektroantrieb viel besser zum Anforderungsprofil eines PKW als der Verbrennungsmotor. Er baut sehr kompakt, ist beim Beschleunigen kurzfristig hoch überlastbar und liefert bei niedriger Drehzahl und im Stillstand sein höchstes Drehmoment. Angesichts des riesigen Angebots auf dem Markt ließe er sich fast schon aus dem Katalog bestellen. Ich denke, die großen Hersteller elektrischer Antriebstechnik würden sich darum reißen, Zulieferer für Elektroautos zu werden. Man kann sich kaum eine bessere Werbung vorstellen. Der Erfolg des Elektroautos hängt deshalb ganz entscheidend an der Akkutechnologie. Die zwei Hauptprobleme sind die Kosten und die Ladezeit.

Bei den Akkukosten zeichnet sich ein wichtiger Durchbruch ab. Mit den neuesten Typen wie z. B. dem bereits erwähnten Lithium-Eisen-Phosphat-Akku lassen sich Akkupacks herstellen, deren Lebensdauer groß genug für ein ganzes Autoleben ist. Bisher mussten Akkus meist schon nach einigen 10.000 km getauscht werden. Was nützt schon ein geringer Energieverbrauch, wenn der „Akkuverbrauch“ die Betriebskosten auf unwirtschaftlich hohe Werte treibt?

Das heißt aber nicht, dass der Traktionsakku nicht der größte Kostenfaktor bleibt. Man kann davon ausgehen, dass bei einem gut ausgelegten und praxistauglichen Elektroauto die Akkus etwa so viel kosten wie der ganze Rest des Fahrzeugs. Das führt dazu, dass der Energieverbrauch entscheidenden Einfluss auf die Anschaffungskosten hat.

Das ist beim Auto mit Verbrennungsmotor so nicht der Fall. Die Preisunterschiede zwischen den verschiedenen Fahrzeugklassen entstehen eher durch die Ausstattung als durch die installierte Leistung. Die Mehrkosten für einen Motor mit 100 kW gegenüber einem Motor mit 40 kW sind vergleichsweise gering. Besonders sparsame Antriebe sind meist sogar teuerer in der Anschaffung.

Ein VW Golf wiegt heute in der leichtesten Variante 1142 kg. Das ist für ein Auto dieser Klasse eigentlich ein guter Wert. Für diese Fahrzeugmasse gibt es geeignete, hoch optimierte Verbrennungsmotoren, die jeder Hersteller im Programm hat. Alles beste Voraussetzungen für ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis, zumindest was den Anschaffungspreis betrifft.

Für das Preis-Leistungs-Verhältnis eines Elektroautos wäre schon dieses Gewicht eine Katastrophe. Bei halbwegs brauchbarer Reichweite wäre der Traktionsakku nicht bezahlbar. Dazu kommt, dass das gleiche Fahrzeug als Elektroauto sogar noch deutlich schwerer wäre.

Die Gewichts-Obergrenze für ein bezahlbares Elektroauto dürfte für lange Zeit deutlich unter 1000 kg bleiben, das Optimum würde ich eher bei 500 kg ansetzen. Daran wird auch die Weiterentwicklung der Akkutechnologie auf längere Sicht nichts ändern, weil höhere Kapazitäten viel dringender für größere Reichweiten gebraucht werden als zur Ermöglichung einer höheren Fahrzeugmasse.

Die Problematik hat noch einen Seiteneffekt auf die Höchstgeschwindigkeit. Bei hoher Geschwindigkeit steigt die benötigte Energie stark an und die Reichweite geht zurück. Der Effekt wird bei Autos mit Verbrennungsantrieb dadurch abgeschwächt, dass der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors leistungsabhängig ist. Im Teillastbereich geht die Effizienz deutlich zurück. Deshalb verbraucht ein PKW bei 120 km/h nicht wesentlich mehr als bei 90 km/h. Beim Elektroauto sind die Unterschiede viel deutlicher. Es gilt: Wer weit kommen will, muss langsam fahren. Eine Reisegeschwindigkeit über 100 km/h ist mit dem Elektroauto kaum zu erreichen.

Auch bei der Ladezeit gibt es Fortschritte bei den Akkus. Die Zeiten, in denen sie sich nur über Nacht komplett laden lassen, sind längst vorbei. Ob sich jedoch in der Praxis Zeiten erreichen lassen, die ein mit dem Verbrennungsantrieb vergleichbares Nutzungskonzept ermöglichen, ist noch nicht absehbar.

Die Reichweite eines PKW spielt bei der Kaufentscheidung normalerweise keine nennenswerte Rolle. Es macht einfach keinen großen Unterschied, ob man alle 500 km oder alle 1000 km eine Tankstelle anfahren muss. Das Tanken selbst ist in ein bis zwei Minuten erledigt. Dabei werden große Mengen an Energie übertragen, die Übertragungsleistung einer Zapfsäule beträgt etwa 20 Megawatt. Wenn man den durchschnittlichen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors mit 25 % annimmt, müsste eine elektrische Zapfsäule eine elektrische Leistung vom 5 MW zur Verfügung stellen, um die gleiche Menge an Traktionsenergie zu liefern, also in etwa die Leistung einer Elektrolokomotive. Das ist bei einer von technischen Laien bedienten Anlage wenig realistisch. Zum Vergleich: Eine normale Steckdose liefert etwa 3,7 kW.

Zur Beruhigung: Es gibt noch keine Akkutechnologie, die mit dieser Leistung geladen werden kann. Dennoch wird unmittelbar klar, dass ein leistungsfähiges Elektroauto für eine schnelle „Betankung“ eine Elektroinstallation benötigt, wie sie kaum irgendwo standardmäßig vorhanden ist. Selbst wenn der Akku für eine Schnellstladung im Minutenbereich geeignet ist, wird auf absehbare Zeit keine dazu passende, flächendeckende Infrastruktur entstehen.

Das hat eine entscheidende Konsequenz für den Einsatz von Elektroautos: Langstreckenfahrten über die Reichweite des Fahrzeugs hinaus sind in den meisten Fällen nicht möglich.

Mit den heutigen technischen Möglichkeiten könnte ein Elektroauto eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h haben und eine Reichweite von 150 bis 200 km. Diese Strecke könnte realistischerweise nur wenige Male am Tag zurückgelegt werden, selbst wenn Lademöglichkeiten vorhanden sind. Das Gewicht des Fahrzeugs würde zwischen 500 und 700 kg liegen.

Ein Fahrzeug mit diesen Daten ist für einen kommerziellen Erfolg immer noch deutlich zu teuer. Ich rechne aber schon damit, dass sich das bald ändert. Viel bedeutender ist jedoch, dass ein solches Fahrzeug das übliche Betriebsprogramm eines PKW nicht voll abdecken kann. Es ist nicht in der Lage, fünf Personen zu transportieren. Größere Gepäckmengen sind auch nicht möglich. Und erst recht nicht Langstreckenfahrten am Stück.

Für 95 % aller Fahrten ist dies auch nicht nötig. Die meisten Fahrten mit dem PKW werden mit einem, maximal zwei Insassen und sehr wenig Gepäck durchgeführt und sind kürzer als 100 km. Das kann ein Elektroauto auch heute schon leisten. Mit anderen Worten: Das Elektroauto ist für alle Leute geeignet, denen ein Fahrzeug für 95 % aller Fahrten ausreicht. Das gilt z. B. für Familien, die zwei Autos benötigen; da kann das Zweitauto durchaus eine 95 % Lösung sein. Oder für Singles, die längere Strecken sowieso lieber mit dem Zug zurücklegen. Für den geringen Restbedarf bietet sich hier ein Mietwagen an.

Das bedeutet aber auch ein deutliches Umdenken, was die Anschaffung des eigenen KFZ betrifft. Es ist einfach ungewohnt, bestimmte Nutzungsmöglichkeiten beim Kauf bewusst auszuklammern. Es fühlt sich falsch an, viel Geld für etwas auszugeben, was für die mutmaßlichen Bedürfnisse gar nicht ausreichend ist. Dabei ist es in Wirklichkeit viel unwirtschaftlicher, erheblich mehr Geld auszugeben für einen Mehrwert, den man nur sehr selten braucht und im Bedarfsfall relativ günstig auch so bekommt.

Bei allen noch verbliebenen technischen Problemen: Die große Herausforderung beim Elektroauto ist die Durchsetzung eines Fahrzeuges am Markt, das nicht das komplette Nutzungsprofil abdeckt. Nicht dass ich das für unmöglich halten würde. Für eine gute Werbeagentur sollte das ein herausfordernder, aber machbarer und auch sehr interessanter Auftrag sein. Ich sehe nur den Auftraggeber nicht. Die kleinen Startups, die hervorragende neue Fahrzeugkonzepte entwickeln, haben nicht das Geld für eine große Kampagne. Und die großen Automobilhersteller haben offensichtlich noch kein Interesse. Dabei könnte ein Elektroauto mit den angegebenen Daten in wenigen Jahren reif für richtig große Stückzahlen sein. Sofern es jemand baut.

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5 Antworten to “Elektroauto”

  1. Bastian Says:

    An kreativen Werbeagenturen mangelt es bestimmt nicht.
    Werbekampagnen, die die deutsche Autoindustrie als besonders klimafreundlich preisen gibt es jedenfalls zur Genüge. Aber was neueste Technik angeht sind VW & Co. ja ganz vorne dabei: Es gibt bspw. bereits erste Prototypen eines Hybrid-Golfs…

    Ich denke, dass man nicht einmal ein Auto bräuchte, das 95% der Fälle abdeckt. Pendelverkehr würde mit einem Elektroauto zwar wunderbar funktionieren, viel sinnvoller wäre hier aber ein Ausbau der öffentlichen Verkehrsmittel. Aber das ist natürlich nicht Aufgabe der Autoindustrie…

    Deinen Angaben über die Leistungsmerkmale heutiger Elektroautos muss ich aber widersprechen: Der Roadster von TeslaMotors hat eine Höchstgeschwindigkeit von 210 km/h und eine Reichweite von etwa 400km. Zugegebenermaßen, sicherlich nicht beides gleichzeitig.

  2. wesenderdinge Says:

    Der Tesla Roadster ist ein schönes Beispiel dafür, was möglich ist, wenn Geld keine Rolle spielt. Das Ergebnis liegt annähernd auf dem Preisniveau eines Porsche 911 und dürfte einen ähnlichen, begrenzten Kundenkreis ansprechen.

    Wenn das Fahrzeug geeignet für den Massenmarkt sein soll, wenn es sich ein eher normal verdienender Mensch leisten können soll, sind die Werte des Tesla Roadster nicht mal annähernd zu erreichen. Leider.

  3. alvanx Says:

    Das klingt ja, als erwägst du selbst den Kauf eines Elektroautos! Zumindest fällst du ja in die Kategorie der Singles, die längere Fahrten auch mit dem Zug erledigen könnten.

  4. Ansgar Says:

    Hallo,

    also das beschriebene Auto gibt es bereits. Nur leider nicht mit der richtigen Akkutechnologie.
    http://www.cree.ch war ein guter Anfang – leider mit Blei-Akkus. http://www.samgroup.ch bringt das Fahrzeug mit einigen Änderungen erneut. Leider jedoch mit Lipo Akkumulatoren. Damit nur ca.70 km Reichweite.

    Wie Du schon geschrieben hast ist die Akkuentwicklung schon weiter… Es fahren bereits Eigenumbauten des SAM mit LiFePo4. 160km Reichweite sind ein Wort. Das ging bis vor Kurzem nur mit der „Zebra“-Batterie. (mit all ihren Nachteilen und ihrer Empfindlichkeit)

    Weiter gibt es natürlich noch das CityEl als Einsitzer für die kürzeren Strecken oder das Twike. Das Cityel ist noch bezahlbar – aber das Twike ist aus finanzieller Sicht keine Alternative zu einem kleinen PKW.

    Ich bin jedenfalls gespannt ob die grossen deutschen Firmen weiter auf Hybrid (damit teuer UND schwer) setzen um den ganzen „Nutzbereich“ des Fahrzeuges abzudecken, oder eben das 95% Auto bauen.

    Es ist so günstig ein Auto zu mieten wenn man es nur wenige male benötigt!!

    A.

  5. Alrik Says:

    Das 95% Auto gibt es bereits, kommt von einem großen deutschen Automobilkonzern und nennt sich Smart. 😉
    Das Konzept wurde also schon mit Verbrennungsmotot erprobt, eine Übertragung auf andere Antriebstechnologien dürfte kein Problem sein.

    Smart hat übrigens bei der Markteinführung durchaus ausserhalb des gewöhnlichen Rahmens gedacht.
    So sollten Smarts als Leihwagen an jeden Bahnhof zur Verfügung stehen. Dies scheiterte am Protest der Taxifahrer.
    AFIAK hatte man zumindestens in den ersten Jahren als Smartfahrer auch Sonderkonditionen bei bestimmten Autovermietern, wenn man einmal ein Auto für die 5% der nutzung brauchte die der Smart nicht abdeckte (Transport, Langstreckenreise, ect…)

    Was die Akkumulatortechnologie angeht liegen einige Probleme hier im Bereich der Elektrochemie.
    Interessante Redoxsystem gibt es, allerdings sind diese deutlich aufwendiger und arbeiten mit deutlich giftigeren Chemikalien als die Lithium-Ionen Technologie oder der gute, alte elektrochemisch „elegante“ Bleiakkumulator.

    Wie bei allen elektrochemischen System liegt auch bei modernen Akkumulatoren der Schlüßel zur Effizienz innerhalb der Elektrochemische Doppelschicht die sich an den Grenzflächen des Elektrolyten und der Elektroden ausbildet.
    Der Verbrennungsprozeß im Verbrennungsmotor ist schon höhere Chemie, die Prozeße in der Elektrochemischen Doppelschicht sind wesentlcih komplexer und werden deswegen scherzhaft auch als höhere Alchemie bezeichnet 😉
    Oder um ein altes Chemikersprichwort zu zitiern: „Elektrochemie wäre so einfach, wenn der sch… Strom nicht wär !“
    Kurz und Gut – Elektrochemie, speziell Grundlagenforschung, ist eher das Stiefkind der Chemie. Hoffentlich gibt hier der Boom der Lithium-Ionen Technologie auch einen Wachstumsschub der zu mehr Forschung führt.

    Moderne Akkumulatoren arbeiten häufig mit Ionenselektiven Membranen welche den Elektrolyt in Anolyt und Katolyt teilen.
    Solche Membranen stehen zwar seit circa 1969 zur Verfügung (z.B. NAFION von du Pont), allerdings gibt es auch hier Bestrebungen bessere Ergebisse mit nanotechnologisch hergestellten Werkstoffen zu erzielen.
    Solche stehen aber erst seit kurzen zur Verfügung.

    Was immer ein Problem sein wird ist das Laden des Akkumulators per Kabel.
    Wesentlich sinnvoller wäre es z.B. an der Tankstellte alten Elektrolyten abzugeben und dafür neuen zu Tanken.
    Das KFZ würde dazu 2 Tanks benötigen, einen für den neuen, einen für den alten. Innerhalb des KFZ wird der Elektrolyt über eine Pumpe durch eine Zelle geführt in der die elektochemische Reaktion an den Elektroden statt findet.
    In der Tankstelle könnte der verbrauchte Elektrolyt durch elektrochemische Prozeße unter optimalen Bedingungen (Temperatur, Einsatz von gasförmigen Reaktionspartnern) wieder recycelt werden.
    Denkbar wäre z.B. ein Elektrolyt der für Oxidation / Reduktion verschiedene Ionen verwendet, oder die Verwendung eines Elektrolyten auf Basis von Ionischen Flüssigkeiten bzw nichtwässrigen Lösungsmitteln.
    Nichtwässrige Lösungmittel wurden schon zur Abscheidung von Aluminium im industrieellen Maßstab verwendet. Zwar ist dieses System brennbar gewesen, im Automobil ist dies aber keinen unbekannte Gefahr.


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