Warum Elektroautos mehr können als nur fahren

Trotz der staatlichen Förderung von 4000 Euro bei der Anschaffung eines E-Autos: So richtig überzeugt sind die wenigsten. Klar, den Ärger mit der Abgasreinigung, die abschaltet statt zu reinigen, hat man beim E-Auto nicht. Aber der immer noch hohe Preis und die begrenzte Reichweite…

Und wieso mischt sich die Bundesregierung in die Kaufentscheidungen bei Autos ein? PCs und Smartphones haben sich doch auch ohne Förderung verbreitet! Warum sollen wir uns E-Autos aufdrängen lassen, wenn sie noch nicht ausreichend entwickelt sind?

Bundesregierung will bis 2020 eine Million E-Autos auf deutschen Straßen

Nach den Plänen der Bundesregierung sollten bis zum Jahr 2020 in Deutschland eine Million E-Autos den Straßenverkehr aufmischen. Warum ist das so wichtig, dass 1,2 Milliarden Euro (jeweils zur Hälfte vom Bund und den Herstellern) als Kaufanreiz investiert werden?

Tatsächlich gibt es für die Bundesregierung gute Gründe, die verstärkte Einführung von Elektromotoren statt Verbrennungsmotoren im Fahrzeugantrieb zu fördern. Auf der 21. Klimakonferenz in Paris 2015 wurde ein Klimaschutzabkommen geschlossen, in dem sich die Teilnehmerländer – darunter auch Deutschland – das völkerrechtlich verbindliche Ziel setzen, die klimabedingte Erderwärmung auf 2 Grad zu begrenzen und die Treibhausgasbelastung in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts auf Null zu drücken.

Das geht nicht ohne drastische Einschnitte auch bei den Privathaushalten. Der klimaschädigende Energieverbrauch des Straßenverkehrs liegt mit etwa 28% des Gesamtverbrauchs an Endenergie in der gleichen Größenordnung wie der Verbrauch der privaten Haushalte und entsteht vor allem durch die Verbrennungsmotoren. Eine Million Elektroautos, deren Batterien mit abgasfreier regenerativer Energie (Wind, Sonne, Wasserkraft) geladen werden, würden schon eine Menge klimaschädliche Gase einsparen. Der Wegfall der gesundheitsschädlichen Stickoxid-Emissionen, mit denen die Dieselfahrzeuge so große Probleme haben, kommt noch dazu.

Elektroautos als „Schwarm-Kraftwerk?“

Es gibt aber noch einen weiteren Grund, warum die Bundesregierung in den E-Autos einen wichtigen Beitrag innerhalb des Konzeptes der Energiewende sieht: Die Gesamtflotte der E-Autos kann als Pufferspeicher genutzt werden, um tageszeitliche Schwankungen des Stromangebots aus Wind- und Solarkraftwerken auszugleichen. Jede einzelne Batterie kann genutzt werden wie ein kleiner Stausee: Bei Strombedarf lässt man Wasser aus dem Stausee durch eine Turbine abfließen, um Strom zu erzeugen. Bei Überangebot an Strom betreibt man eine Pumpe, um den Stausee wieder aufzufüllen. Bei der Batterie fließt nicht Wasser hin und her, sondern elektrische Ladung. Um zu prüfen, ob es sich hier überhaupt um relevante Größenordnungen handelt, machen wir eine kleine Rechnung:

Nehmen wir mal an, eine halbe Million E-Autos stehen tagsüber auf firmeneigenen oder auch öffentlichen Parkplätzen und werden dort an Ladesäulen aufgeladen. Als verfügbare Batteriekapazität gehen wir von 20 kWh je Fahrzeug aus. Wenn alle Batterien voll aufgeladen sind, können sie zusammen bei starken Netzschwankungen (z.B. durch raschen Wechsel von Sonne und Wolken bei den Solaranlagen) nach Bedarf ins Netz einspeisen oder Strom beziehen. Wenn sie beispielsweise eine Stunde lang ihre volle Leistung ins Netz einspeisen, entspricht das einer Leistung von 500 000 mal 20 kWh geteilt durch eine Stunde, das sind 10 Millionen kW oder 10 Gigawatt, was der Leistung von 10 konventionellen Großkraftwerken entspricht! (Nur zur Klärung: Die Leistung in kW ist gleich der pro Stunde verbrauchten Energie in kWh). Diese Rechnung ist natürlich überspitzt, aber die Aussage ist: Entsprechend eingesetzt, stellen die E-Autos einen sehr großen Batteriespeicher dar, der elektrische Energie aus dem Stromnetz beziehen, aber auch ins Stromnetz abgeben kann. Die gesamte theoretische Speicherkapazität von 1 Million E-Autos mit je 20 kWh wäre 20 Mio. kWh oder 20 GWh – das die Hälfte der Kapazität aller Pumpspeicherkraftwerke in Deutschland!

Smarte Elektroautos könnten von Strompreisschwankungen profitieren

Auch, wenn man nicht gleich an solche Größenordnungen denkt, könnten E-Autos als mobile Energiespeicher nützlich sein, um Tarifschwankungen der Strompreise abzupuffern. Wenn die Ladeeinheit im privaten Haushalt technisch entsprechend eingerichtet ist, könnte das private Auto nicht benötigten Batteriestrom an das Netz verkaufen (ähnlich wie die Solaranlage auf dem Dach). Eine entsprechende Software, die den Lade- und Entladevorgang intelligent steuert, könnte bei niedrigen Energiepreisen die Batterie aufladen und bei hohen Preisen Energie ins Netz zurückspeisen. Fahrgewohnheiten müssen dabei berücksichtigt werden: Es muss immer ausreichend Ladung vorhanden sein, um die vorgesehenen Strecken abzudecken (da kann man sich noch eine Menge schöner Apps ausdenken!).

Diese Möglichkeiten bieten Alternativantriebe wie Brennstoffzellen oder Flüssiggas nicht. Beim Hybridauto ist die Batterie nicht groß genug.

Angesichts der bisher nur sehr schleppenden Verbreitung von reinen E-Autos (zur Zeit etwa 20 000) ist der Aspekt des „Schwarm-Kraftwerks“ jetzt erst einmal in den Hintergrund getreten: Der Schwarm ist zu klein. Damit wir, die Autofahrer, in größeren Mengen mitspielen, müssen die E-Autos technisch und wirtschaftlich auf dem Fahrzeugmarkt konkurrenzfähig werden.

Was den Elektroautos zum Durchbruch fehlt

Recht gut schlagen sie sich bei der Antriebsleistung. Die heutigen Elektromotoren können mit traditionellen Sportwagenmotoren in der Beschleunigung problemlos mithalten und überzeugen vor allem mit dem enormen Drehmoment aus dem Stand heraus bis zur Endgeschwindigkeit. Die Fortschritte bei den Elektromotoren und Generatoren (das gilt z.B. auch für die Windkraftanlagen) beruhen vor allem auf den Seltenerde-Magneten, meist Neodom-Eisen-Bor Magnete. Das sind Permantmagnete mit einem enorm starken Magnetfeld. Bei gleicher Magnetfeldstärke sind sie erheblich kleiner und leichter als ein herkömmlicher Elektromagnet mit Kupferwicklung und Eisenkern. Das hat den Bau von Elektromotoren jeder Größe enorm gefördert.

Diese Magnete ermöglichen z.B. auch den Bau der kompakten Radnabenmotoren für Elektrofahrräder mit bis zu 400 Watt. Auch für die E-Autos sind hocheffiziente Nabenmotoren in der Entwicklung: Die “Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität” präsentiert bereits Nabenmotoren von 50 kW (75 PS) pro Rad, wobei in der Radnabe nicht nur der Antriebsmotor, sondern auch die gesamte Leistungselektronik einschließlich Bremsenergierückgewinnung enthalten ist. Jedes Rad ist eine autonome Antriebseinheit, die nur noch die Stromversorgung durch Batterien benötigt. Damit lässt sich z.B. bei Kurvenfahrt jedes Rad so steuern, dass Schlupf bei unterschiedlichen Kurvenradien und wechselnder Straßenoberfläche vermieden wird. Die hohe Effizienz der Radnabenmotoren erhöht die Reichweite. Ein Nachteil des Radnabenmotors ist in erster Linie das hohe Gewicht des Rades und die dadurch schwierige Schwingungsdämpfung. In den heutigen Serienfahrzeugen werden Radnabenmotoren noch selten eingebaut.

Das grundsätzliche technische Problem bei den E-Autos ist nicht die Antriebsleistung, sondern die unzureichende Batteriekapazität. Die Batterien des BMWi speichern zur Zeit 22 bzw. 33 kWh, die des Tesla 90 kWh. Durch die größere Batteriekapazität hat der Tesla eine größere Reichweite als die Konkurrenten. Dabei sind die Lithium-Ionen Batterien des Tesla nicht wesentlich leistungsfähiger als die Batterien z.B. des BMWi, bei Tesla sind nur durch geschickte Raumnutzung mehr Batterien eingebaut.

Schick ist er schon, der neue Tesla S P90D, und die Fahreigenschaften sind beeindruckend. Die vier angetriebenen Räder (je ein Elektromotor vorne und hinten, mechanische Kraftübertragung auf die Räder) beschleunigen mit maximal 762 PS in nur 3 Sekunden von Null auf 100 km/h. Wenn man nicht dauernd so heftig beschleunigt, liegt die Reichweite bei etwa 500 km. Das Aufladen (in nur 30 Minuten auf 80% der Batteriekapazität) erfolgt kostenfrei an den Supercharger-Stationen von Tesla, die es auch im deutschen Autobahnnetz schon in beachtlicher Anzahl gibt.

Tesla ist gegenwärtig der einzige Elektrofahrzeughersteller, dessen Fahrzeuge mit einer maximalen Leistung von 120 kW geladen werden können. Dies entspricht einer Laderate von etwa 270 km Reichweite in gerade einmal 30 Minuten. Solch hohe Ladeleistungen bedeuten aber Hochspannung von 400 Volt und Strom von über 200 Ampère – wie lange halten die Batterien das aus? Und was passiert, wenn die Batterien überhitzen und sich entzünden? Starkstromtechnik ist eigentlich nichts für den „normalen“ Autofahrer.

Wesentlich praktischer als die Ladung per Kabel wäre die berührungsfreie induktive Ladung, die bei Ladeleistungen von einigen kW schon gut funktioniert.

Der Elektromobilität gehört die Zukunft!

Wir können wohl davon ausgehen, dass den Elektroautos die Zukunft gehört. Die Elektrotechnik (Elektromotoren, Steuerungselektronik) einschließlich der Digitalisierung verdrängt die klassische Thermodynamik (Dampfmaschine, Verbrennungsmotoren, Analogtechnik). Woran noch gearbeitet werden muss, ist vor allem die Batterietechnik einschließlich der Ladeeinheit. Und die „smarte“ Vernetzung innerhalb der Energieversorgung. Und das autonome Fahren…

Und dann muss das Ganze auch noch finanziell für den Normalverbraucher erschwinglich sein.