Elektromobilitat imSpannungsfeldProf. Dr.-Ing. Ralf SchulerInstitut fur Nachhaltige Energietechnik und Mobilitat (INEM), Hochschule Esslingen

Spatestens wenn bekannt wird, dass ichzum Thema Elektromobilitat lehre, wer-de ich regelmaßig gefragt wann denn

”die Elektromobilitat“ kommt. Meine Ant-

wort lautet stets gleich: Sie ist schon da! Siebefindet sich allerdings im Spannungsfeld zwi-schen Okologie, Technologie und Okonomie.

Aktuelle Situation

Mitte 2016 erfullten 20 verfugbare Fahrzeugmodel-le die Definition des Elektromobilitatsgesetzes. Austechnischer Sicht sind wir also bereits heute in derLage Elektrofahrzeuge zu bauen. Okologisch sinn-voll waren Elektrofahrzeuge aufgrund des hohen An-triebswirkungsgrades allemal. Sie wurden unter derPramisse einer weiteren Zunahme der regenerativenEnergieerzeugung einen signifikanten Beitrag zur Ver-ringerung der verkehrsbedingten CO2-Emissionenleisten. Und dieses Ziel ist im Hinblick auf die fort-schreitende Klimaerwarmung alternativlos!

Die Verbrennungsmotoren haben dazu in den letz-ten Jahren ebenfalls viel beigetragen. Im Hinblickauf deren physikalische Grenze durch den Carnot-Wirkungsgrad haben elektrische Antriebe mittelfris-tig aber einen klaren Vorteil. Letztere konnen auchdurch ein Drehmomentenangebot punkten, welcheskeinem Zielkonflikt durch

”Real Driving Emissions“

unterliegt. Insofern ist es nicht verwunderlich, dasssich nun auch Verfechter konventioneller Antriebe zurAussage hinreißen lassen, dass

”die Elektromobilitat“

kommt. Allein bezuglich des Zeitpunktes gehen dieEinschatzungen derzeit noch weit auseinander.

Ein Blick auf den Fahrzeugbestand bestarkt hierwiederum die Skeptiker. Von 45,8 Mio. zugelassenenPersonenkraftwagen in Deutschland waren zu Beginndes Jahres 2017 nur 34000 Fahrzeuge reine Elektro-fahrzeuge und 21000 Fahrzeuge Plug-In Hybride [1].Weltweit ergibt sich (noch) ein ahnliches Bild. Es wa-ren Anfang 2016 ca. 1,3 Mio. Elektrofahrzeuge undPlug-In Hybride unterwegs, wobei die Zuwachsratenin den letzten beiden Jahren bei uber 70% lagen.

Abbildung 1: Weltweiter Bestand Elektrofahrzeuge.Grafik: ZSW [2]

Der Grund fur diese Diskrepanz zwischen demMoglichen und dem Realen ist darin begrundet, dasses sich bei

”der Elektromobilitat“ um eine Systemin-

novation handelt. Okologische Aspekte spielen einewichtige, aber eben nicht die einzige Rolle.

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Nutzer

GesetzgeberEnergieversorger

Fahrzeugindustrie

Gesellschaft

Mobilitatsdienstleister

Mineralolindustrie

Elekro-

fahr-zeuge

Wissenschaft

Abbildung 2: Systemkontext Elektromobilitat.

Elektromobilitat muss immer im Systemkontextbetrachtet werden. Wesentliche Einflussfaktoren, aufdie im Folgenden naher eingegangen wird, sind dasKonsumverhalten der Gesellschaft und die Strategieder Fahrzeughersteller.

Konsumverhalten

Bei den Konsumenten in den etablierten Marktenbeobachte ich ein sehr zwiespaltiges Verhalten. Aufder einen Seite steigt insbesondere in Folge des

”Ab-

gasskandals“ das Interesse an Elektrofahrzeugen undPlug-In Hybriden [4]. Auf der anderen Seite ist dieSUV-Klasse das Fahrzeugsegment mit den großtenZuwachsen bei den Zulassungszahlen (ca. 20%) [1].Eine Fahrzeugklasse die alleine Aufgrund Ihres Maß-konzeptes einen Mehrbedarf an Energie von ca. 50-60% im NEDC gegenuber einem Fahrzeug der Kom-paktklasse (z.B. VW Golf) verursacht.

Ernuchternd muss festgestellt werden, dass sichElektrofahrzeuge bisher nur etablieren konnten, wennein Mehrwert fur den Konsumenten entstanden ist.Diese Strategie verfolgt beispielsweise Tesla konse-quent. Der damalige Tesla Roadster hatte als we-sentliches Merkmal die Eigenschaft, besser als al-le bekannten Sportwagen zu beschleunigen und da-bei weniger Energie zu verbrauchen [7]. Mit dieserStrategie ist es gelungen, einzelne Marktsegmenteerfolgreich zu besetzen. In den USA hat Tesla mitdem Model S mittlerweile den hochsten Marktanteilbei den Luxuslimousinen. Werden hingegen beste-hende Fahrzeugplattformen im

”Conversion Design“

auf elektrische Antriebe erweitert, stellen potentiel-le Kaufer oft eine Total Cost of Ownership (TCO)

Betrachtung an, welche unter den heutigen Randbe-dingungen meist zu Ungunsten des Elektrofahrzeugsausfallt [5].

Tabelle 1: Autokostenvergleich. Quelle: ADAC [5]

Fahrzeuge

Elektro Benzin cent/km

Kia Soul EV 46,9Kia Soul 1,6 GDI 47,5

VW e-Up! 41,3VW Up! 1,0 32,8

Ford Focus E 56,6Ford Focus 1,5 51,0

Mercedes B250e 62,1Mercedes B220 65,7

Gestutzt auf diese Erkenntnis ist es erforderlichweitere Mehrwerte durch Elektrofahrzeuge zu be-trachten. Besonders naheliegend ist das Thema Ver-kaufsforderung. Die eingefuhrte E-Auto Pramie zeigtbisher wenig Wirkung. Bis zum Marz 2017 wurde diePramie fur 8655 Elektrofahrzeuge und 6690 Plug-InHybride beantragt. Von diesen Antragen kam wieder-um ca. die Halfte von Privatpersonen [3]. AnstehendeFahrverbote in Ballungszentren fur verbrennungsmo-torbetriebene Fahrzeuge werden hier voraussichtlichwesentlich mehr bewirken.

Ob es gelingt, dass Elektrofahrzeuge einen emotio-nalen Mehrwert hervorrufen, bleibt abzuwarten. Zubeobachten war dies in Ansatzen bei der Ankundi-gung des Tesla Model 3. Erstmals in der Automobil-geschichte wurde ein Fahrzeug, alleine auf Basis einerProduktprasentation, uber ein Jahr vor Marktein-fuhrung innerhalb von 45 Tagen von 373000 Kundendurch eine Anzahlung von 1000 US$ reserviert. Diesist tatsachlich vergleichbar mit den Schlangen, diesich seinerzeit vor

”Apple Stores“ bei der Marktein-

fuhrung des iPhones gebildet hatten.

Im Sinne einer Systeminnovation sollte der Blickaber noch weiter uber den Tellerrand gerichtet wer-den. Potentielle Abnehmer von Elektrofahrzeugensind nicht nur Endverbraucher. Die Deutsche Postzahlt mittlerweile zum Kreis der Fahrzeugherstellerund baut mangels Verfugbarkeit unter dem LabelStreetScooter eigene Elektroautos fur den Zustell-dienst. Die Zulassungszahlen dieses Fahrzeugs liegenaktuell bei 300 pro Monat [1]. Seit kurzem werdendiese Fahrzeuge an Dritte verkauft.

Auch fur andere Lieferdienste sowie Mobilitats-dienstleister und Sharing-Unternehmen sind Elektro-fahrzeuge aus wirtschaftlichen Grunden interessant.Derartige Anbieter konnen Elektrofahrzeuge besser

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Abbildung 3: Elektrofahrzeuge im Mobilitatsservice.Quelle: StreetScooter / Deutsche PostDHL Group

auslasten, durfen ihren Nutzern begrenzte Reichwei-ten anbieten und der primare Fahrzeugzweck ist einMobilitatsservice von Punkt A nach Punkt B. Inurbanen Metropolen Europas erreichen wir hierbeiDurchschnittsgeschwindigkeiten unter 30km/h (inAsien unter 10km/h). Zusammen mit dem Trendzum autonomen Fahren ergeben sich neuartige Ide-en fur Fahrzeugkonzepte (z.B. Google Car), die zuwirtschaftlichen Bedingungen mit einem elektrischenAntrieb ausgerustet werden konnen. Dieses sind Ent-wicklungen, die heute nur schwer prognostiziert wer-den konnen.

Fahrzeughersteller

Getrieben durch gesetzliche Vorgaben zur Reduk-tion der Flottenverbrauche und einem gestiegenenoffentlichen Interesse an nachhaltiger Mobilitat wirdauf Seiten der Automobilindustrie derzeit viel unter-nommen, um die Elektrifizierung des Antriebsstran-ges zu wirtschaftlichen Bedingungen zu ermoglichen.Im Wesentlichen zielen die Anstrengungen daraufab Wirkungsgrade zu verbessern, Kosten zu senkenund Bauraume zu reduzieren. Dabei werden aktu-ell bei den Leistungselektroniken die Aufbau- undVerbindungstechniken optimiert, alternative Bauele-mente untersucht und die Ansteuerverfahren verbes-sert. Auf Seiten der elektrischen Maschinen werdenzu den etablierten Synchron- und Asynchronmaschi-nen alternative Maschinenkonzepte (wie Reluktanz-oder Transversalflussmaschine) untersucht sowie eineraumliche Integration von Leistungselektronik, elek-trischer Maschine und einstufigem Getriebe (eAchse)vorangetrieben. Die Systemspannung des elektrischenAntriebs steigt bei gleicher Systemleistung zugunsten

geringerer Strome und kleinerer Verluste. Analog da-zu steigen die Maschinendrehzahlen zugunsten kleine-rer Drehmomente und damit kleinerer Baugroße beigleicher Leistung. Bei Batterien werden signifikanteKostenpotentiale aufgrund hoher Stuckzahlen durchdie Massenproduktion der Zellen prognostiziert [8].Weiterhin wird eine Reihe alternativer chemischerZusammensetzungen untersucht, die im Wesentlichendie Leistungs- und Energiedichte der Batterien ver-bessern, sowie die Sicherheit der Zelle erhohen sollen.Mit einem Durchbruch ist in naher Zukunft nicht zurechnen. In Japan wird deshalb nach wie vor intensivdas Thema Brennstoffzelle und Wasserstoffinfrastruk-tur verfolgt.

Trotz all dieser Anstrengungen wird ein disruptiverUbergang zur Elektromobilitat von den etabliertenFahrzeughersteller nicht angestrebt, da sie - andersals die Newcomer wie beispielsweise Tesla - hoheInvestitionen in ihren Produktionsmitteln gebundenhaben und diese erst amortisieren wollen. Der Plug-InHybrid scheint dabei ein attraktiver Kompromiss zusein. Daruber hinaus hilft er aufgrund seiner niedri-gen Verbrauchsangaben den Flottenverbrauch massivzu senken. Auf der anderen Seite sind zwei vollwertigeAntriebe in einem Plug-In Hybrid fur den Endkun-den keine wirtschaftlich sinnvolle Losung. Außerdemweichen die Realverbrauche von den offiziellen, rech-nerisch ermittelten Verbrauchsangaben stark ab undtragen zur Ernuchterung der Endkunden bei [6].

Tabelle 2: Plug-In Hybrid Verbrauche.Quelle: ADAC [6]

Verbrauch l/100km

Fahrzeug Herst.-angabe

ADACEcoTest

Mercedes S500 Plug-In 2,8 5,2Mitsubishi Outlander PHEV 1,9 4,2Toyota Prius PHEV 2,1 3,6VW Golf GTE 1,5 3,3

Ein weiterer Ansatz, welcher in letzter Zeit steigen-de Aufmerksamkeit erfahrt, ist die Herstellung CO2-neutraler synthetischer Kraftstoffe (sog. E-Fuels).Hierbei wird unter Verwendung regenerativer EnergieCO2 aus der Atmosphare entzogen und zusammenmit Wasserstoff zu Kraftstoffen synthetisiert. DerVerbrennungsmotor ware dann nach wie vor die do-minierende Antriebsquelle und auch das bestehendeTankstellennetz kann weiter verwendet werden. Trotzdes schlechten Wirkungsgrades, ist dies fur die Fahr-zeughersteller ebenfalls ein attraktives Szenario.

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Fazit

Elektroautos sind okologisch sinnvoll und leisteneinen signifikanten Beitrag zur Reduzierung der CO2

Emissionen. Technologische Herausforderungen imelektrischen Antrieb werden mittlerweile beherrschtund die Batterieproduktion wird zunehmend effizien-ter. Demzufolge sinken die Batteriekosten und große-re Reichweiten werden bezahlbar. Elektrofahrzeugeneuer Generation sind somit alltagstauglich und wer-den zukunftig starker nachgefragt. Mit der Zahl derElektrofahrzeuge wird auch die Ladeinfrastrukturwachsen.

Es ist allerdings offen, ob die Energiedichten derBatterien in dem Maß gesteigert werden konnen,dass Reichweiten wie bei konventionellen Antriebenmoglich sind. Insofern ist auch offen, welche Rolle dieBrennstoffzelle oder die synthetischen Kraftstoffe furLangstreckenfahrzeuge und andere Verkehrsmittel(Flugverkehr, Schiffsverkehr) spielen werden.

Dies fuhrt dazu, das wir in den nachsten Jahrenmit einer Vielfalt an moglichen Antriebskonzeptenleben mussen. Umso wichtiger ist es, dass Fahrzeu-gentwickler in ihrer taglichen Arbeit den Umgangmit dieser Vielfalt deutlich effizienter bewerkstelligen,dies heute der Fall ist. Dies betrifft neben flexiblenOrganisationsformen auch eine Weiterentwicklungder Produktentstehung. In einem

”Engineering 4.0“

muss die Produktentwicklung weiter digitalisiert wer-den, so dass vollstandige und durchgangige Produkt-und Systemmodelle uber den gesamten Lebenszykluszur Verfugung stehen. Dies ist Voraussetzung, umden Umgang mit Varianten zu optimieren und ei-ne virtuelle Absicherung noch starker als bisher zuermoglichen.

Auf jeden Fall mussen wir uns, wie bei vielen an-deren Themen, beim Thema Elektromobilitat mitOffenheit und Veranderungsbereitschaft der Zukunftstellen. Nur dann sind wir in der Lage die gegensatz-lichen Krafte in einem Spannungsfeld ohne Schadenzu uberwinden.

Literatur

[1] Kraftfahrt-Bundesamt (KBA) - Statistik.http://www.kba.de, 1. Januar 2017

[2] ZSW - Presseinformation 05/2016, Zahlder Elektroautos weltweit auf 1,3 Mil-lionen gestiegen. https://www.zsw-bw.de/nc/presse/presseinformationen.html,25. Februar 2016

[3] Bundesamt fur Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle,Umweltbonus - Zwischenstand. 31. Marz 2017

[4] Elektromonitor 2016, Dr. Grieger und CieMarktforschung. https://www.splendid-research.com/statistiken/item/studie-elektromobilitaet.html, Marz 2016

[5] ADAC-Autokostenvergleich: auch mitKaufpramie nur wenige Elektroautos rentabel. htt-ps://presse.adac.de/, 17. April 2016

[6] ADAC-Eco-Test: Die Welten zwi-schen Wunsch und Wirklichkeit - Rea-le Verbrauchswerte bei Plug-In Hybriden.https://www.adac.de/infotestrat/tests/eco-test/pluginhybride/default.aspx, 9. Oktober2017

[7] Eberhard, M. ; Tarpenning, M.: The 21stCentury Electric Car. Tesla Motors Inc. White-paper, 2006

[8] Nykvist, Bjorn ; Nilsson, Mans: Rapidly fallingcosts of battery packs for electric vehicles. In:Nature Climate Change (2015), Nr. 5, S. 329–332

Autor

Prof. Dr.-Ing. Ralf Schuler hat ander FH Augsburg, der MissouriUniversity of Science and Technolo-gy (USA) und der TU DarmstadtMaschinenbau studiert. Anschlie-ßend hat er am Forschungsinstitutfur Kraftfahrwesen und Fahrzeug-motoren Stuttgart (FKFS) zumThema Fahrerassistenzsysteme furNutzfahrzeuge promoviert. Er war

Stipendiat des Bayerischen Staatsministeriums furWissenschaft und Kunst, des Deutschen Akademi-schen Austauschdienstes und der Friedrich EbertStiftung. Fur die Robert Bosch GmbH war er inEntwicklungs- und Leitungsfunktionen in den Be-reichen Systementwicklung, Konzernforschung undVorausentwicklung fur Antriebsstrangsysteme, Hybri-dantriebe und Elektrofahrzeuge tatig, bevor er 2014an die Hochschule Esslingen als Professor fur Mecha-tronische Antriebssysteme berufen wurde. Dort lehrter

”Elektromobilitat“ und

”Elektrische Antriebe“ im

Bachelor Studiengang sowie”Systems Engineering“

im berufsbegleitenden Master Elektromobilitat. ImRahmen seiner Forschungsaktivitaten arbeitet er an

”Model Based Systems Engineering (MBSE)“ Ansat-zen fur zukunftige Mobilitatslosungen.

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