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Elektroautos
Ein Elektroauto (auch E-Auto, E-Mobil oder Elektromobil) ist ein mehrspuriges Kraftfahrzeug zur Personen- und Güterbeförderung. Der Begriff beschreibt im Allgemeinen einen Pkw, kann jedoch auch für die gesamte Bandbreite mehrspuriger Kraftfahrzeuge verstanden werden.
Nach amtlicher Definition ist ein Elektroauto ein Kraftfahrzeug zur Personenbeförderung mit mindestens vier Rädern (Pkw) der EG-Fahrzeugklasse M, das von einem Elektromotor angetrieben wird (Elektroantrieb) und die zu seiner Fortbewegung nötige elektrische Energie in einer Traktionsbatterie speichert. Davon zu unterscheiden sind die Leichtelektromobile der EG-Fahrzeugklasse L (vierrädriges Leichtkraftfahrzeug). Sie machen mit über einer halben Million Fahrzeugen den größten Anteil an Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb aus.[1] Da das Elektroauto im Betrieb selbst keine relevanten Schadstoffe emittiert, wird es als emissionsfreies Fahrzeug eingestuft.
Zu Beginn der Entwicklung des Automobils spielten elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge eine wichtige Rolle. Ab etwa 1912 wurden sie fast vollständig von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor verdrängt und besetzten nur noch Nischen, vor allem außerhalb des öffentlichen Straßenverkehrs. Erst in den 1990er Jahren wurde die Entwicklung und Produktion von Elektrokraftfahrzeugen wieder in Angriff genommen.
Hinweise zu den Ladezeiten und Ladeverfahren
Da die Ladezeiten nicht nur von der Größe (Kapazität) der Traktionsbatterie abhängen, sondern auch von der Ladetechnik und der Leistungsfähigkeit des Stromanschlusses, wurden die entsprechenden Angaben in drei verschiedene Spalten eingeteilt:
- Standardladung: Derzeit unterstützen alle Elektroautos in Europa mit ihren eingebauten Bordladegeräten das Laden an einer herkömmlichen Schuko-Steckdose mit 230 V (Haushaltssspannung). Da diese Steckdosen allerdings nur kurzzeitig mit dem Maximalstrom 16 A belastet werden dürfen, ist die Ladeleistung an diesem Anschluss auf 2,3 kW (230 V und 10 A) begrenzt. Bei modernen Elektroautos wird dabei ein ICCB-Ladekabel eingesetzt, das neben der Begrenzung der Stromstärke auch zusätzliche Sicherheitsfunktionen realisiert. Die Ladezeiten sind bei dieser geringen Ladeleistung dementsprechend lang. Für die Ladung mit bis zu 3,6 kW kann ein „Camping-“ oder „Caravanstecker“ oder ein Ladekabel mit Mennekes Typ-2-Stecker (einphasig) genutzt werden. Aufgrund der für die internationale Verwendung meist eingesetzten Multispannungsbordlader (vor allem für den amerikanischen Markt) sind Abweichungen möglich. So unterstützt der BMW i3 in Europa einphasiges Laden an 230 V mit bis zu 20 A (4,6 kW), was allerdings in der Vorinstallation eine Wandladestation mit 400 V/20 A (i.d.R. 32 A) voraussetzt, die dann nur einphasig belastet wird.
- Laden mit Drehstrom: Zum Übertragen größerer Leistungen, und damit zum Erzielen kürzerer Ladezeiten, steht in Europa das 400-Volt-Netz mit Dreiphasenwechselstrom (Kraft- oder Drehstrom) zur Verfügung. Für die verschiedenen Ströme (16 A, 32 A, 63 A, 125 A) und Leistungen (11 kW, 22 kW, 43 kW, 85 kW) hat sich der fünfpolige CEE-Stecker durchgesetzt. Viele ältere Stromtankstellen bieten Anschlüsse nach dieser Norm. Viele ältere oder zum Elektroauto umgebaute Fahrzeuge nutzen (optionale) Zusatzladegeräte zum beschleunigten Aufladen. Da aber die Stecker je nach Stromstärke eine unterschiedliche Größe besitzen (Unverwechselbarkeit) und relativ unhandlich sind, wurde zur Ladung von Elektroautos von der Firma Mennekes ein neuer Einheitsstecker „Typ 2“ entworfen, der elektronisch kodiert die zulässige Ladeleistung von einphasig 3,6 kW bis dreiphasig 43 kW freigibt. Mit diesem 2013 von der EU zur Norm erklärten Steckersystem werden derzeit alle kommerziellen neuen Stromtankstellen (z.B. von RWE oder E.ON) ausgerüstet. Alle Elektroautos in Europa können mit einem Typ-2-Ladekabel (teilweise über Adapter) aufgeladen werden, da er letztlich nur ein elektrisch anpassbarer Einheitsstecker für die verschiedenen Netze ist. Um die Vorteile der leistungsstarken Drehstromanschlüsse nutzen zu können, muss allerdings im Fahrzeug auch ein entsprechend leistungsstarkes Ladegerät eingebaut sein. Um die beschleunigte Ladung auch in der Privatgarage nutzen zu können, wird oft eine sogenannteWandladestation mit Typ-2-Anschluss angeboten. Diese Boxen gibt es derzeit (2013) in einfachen Versionen für 400 V 16 A (11 kW), sowie 32 A (22 kW) und 63 A (44 kW). Sie sind Adapter zwischen dem 400-V-Drehstromanschluss (IEC 60309) und Mennekes Typ-2-Ladestecker (IEC 62196) und ermöglichen neben zusätzlichen Sicherheitsfunktionen auch die Kommunikation mit der Fahrzeugelektronik moderner Elektroautos. Bei diesen Wandladestationen ist so (ebenso wie bei Stromtankstellen) während des Ladens eine stetige Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladeanschluss möglich. Dies ermöglicht beispielsweise eine stetige Anpassung der Ladeleistung bei stark ausgelasteten Stromtankstellen oder die geregelte Ladung von eigenerzeugtem Solarstrom.
- Gleichstrom-Schnellladung mittels Combined Charging System (CCS) oder CHAdeMO kann vom Hersteller im Fahrzeug implementiert werden und wird mit 80 % Aufladung in 20 bis 30 Minuten beworben. Die Voraussetzung dafür ist ein entsprechender Ladeanschluss und der Datenaustausch zwischen Fahrzeug und Stromtankstelle. Deutsche Elektroautos setzen auf CCS, der EU-weit – in Deutschland über die Ladesäulenverordnung – eingeführt wird, einen Kombinationsanschluss vom Stecker Typ 2 und zusätzlicher Option auf Gleichstromladung. Die in Japan entwickelte CHAdeMO-Technik ist als zusätzlicher Ladeanschluss beispielsweise im iMiEV (und den baugleichen Citroën C-ZERO und Peugeot iOn) und beim Nissan Leaf integriert. Die Gleichstromladetechnik bietet den Vorteil einer Schnellladung, ohne in jedes Fahrzeug teure Ladetechnik integrieren zu müssen. Außerdem ist kein zusätzliches Ladekabel notwendig, da die aufgrund der Leistungen schwereren und dickeren Anschlusskabel fest an den Ladesäulen montiert sind. Da sich CHAdeMo und CCS-Gleichstromladung nur geringfügig unterscheiden, wird es kombinierte Ladesäulen geben.[1]
Generell wird bei allen Ladetechniken für moderne Lithium-Ionen-Akkumulatoren ab etwa 80 % Ladezustand der Ladestrom abgesenkt. Daher geben die Hersteller oft die Ladedauer bis zur 80-prozentigen Aufladung an. Die Ladung der restlichen 20 % dauert auf Grund der geringeren Ladeströme entsprechend länger.
Entwicklungen seit 2003
2006 wurde der Sportwagen Tesla Roadster vorgestellt, der mit ca. 350 km Reichweite und seinen Fahrleistungen die aktuellen technischen Möglichkeiten aufzeigte. Ab 2007 kündigten viele etablierte Hersteller Neuentwicklungen an (siehe auch Liste von Elektroauto-Prototypen). 2009 startete der Mitsubishi i-MiEV als erstes Elektroauto in Großserie.
2009 geriet General Motors wie auch andere Autohersteller in finanzielle Probleme und kündigte an, ab 2010 Plug-in-Hybridautos zu fertigen.[16] Als Ergebnis dieser Entwicklung wurde das Hybridauto[17][18][19] Chevrolet Volt ab Dezember 2010 auf dem US-amerikanischen Markt erhältlich;[20] dessen Deutschland-Variante Opel Ampera erregte erhebliche Medienresonanz. Ebenfalls 2010 kam der Nissan Leaf auf den Markt, der bis heute das weltweit meistverkaufte Elektroauto ist (Stand: 04/2015).
Mitte 2012 kam der Tesla Model S als erstes Oberklassen-Elektroauto auf den Markt. Die Reichweite beträgt je nach Modell bis zu 500 km (NEFZ) und stellte mit Abstand einen neuen Rekord bei Elektroserienfahrzeugen dar. Sie liegt im Bereich der Reichweite von Autos mit Verbrennungsmotor. Der Tesla Model S ist das sicherste Auto, das bis 2013 von der National Highway Traffic Safety Administration getestet wurde.[21] Das Aufladen der Akkus auf 80 % kann innerhalb von 30 Minuten erfolgen.[22]
Ab Herbst 2012 wurde der seit Jahren bekannte Stadtwagen Smart Fortwo auch in der Elektroversion Smart ED verkauft. Das ursprüngliche Smart-Konzept von Hayek hatte bereits einen Elektroantrieb vorgesehen. Seine Zulassungszahl lag im Jahr 2014 in Deutschland an zweiter Stelle bei den E-Autos. Dennoch wurde seine Fertigung 2015 mit dem Ende der Smart Baureihe 451 eingestellt.[23]
Ende 2012 kam der Renault ZOE als erstes Kleinwagen-Serienfahrzeug mit Lithiumbatterien eines großen europäischen Herstellers auf den Markt. Ein Jahr zuvor hatte Renault mit dem Twizy ein Mietakkusystem eingeführt, dass auch beim ZOE zur Anwendung kommt.
Mit dem Kia Soul EV (2013) und dem Ford Focus Electric (2013) nahmen zwei weitere große Automobilhersteller Elektrofahrzeuge in ihr Angebot auf. Seit November 2013 sind auch der VW E-up! und der BMW i3 im Verkauf, womit diese beiden Konzerne in den Markt einstiegen.
Bis Januar 2014 waren weltweit bereits mehr als 100.000 Nissan Leaf verkauft.[24] Im gleichen Jahr veröffentlichte Google seine Ambitionen, in den Automobilmarkt einzusteigen. Ziel ist es elektrisch angetriebene fahrerlose Fahrzeuge (Google Driverless Car) zu entwickeln. Ein Prototyp wurde ebenfalls 2014 vorgestellt.[25][26]
Seit 2014 ist auch der VW e-Golf als Elektroversion eines der meistverkauften Automodelle verfügbar. Die Mercedes-Benz B-Klasse ist seit November 2014 als Elektroversion verfügbar und stellt nach der Einstellung der Produktion des Smart ED das einzige in größeren Stückzahlen produzierte Elektroauto des Konzernes dar.[27]
Bis Januar 2016 waren weltweit mehr als 200.000 Nissan Leaf verkauft.[28] Am Abend des 31. März 2016 wurde das Tesla Model 3 vorgestellt. Während der Präsentation des Autos wurde bekannt, dass seit dem Morgen bereits über 115.000 kostenpflichtige Vormerkungen für eine Reservierungen eingegangen waren.[29] Diese Zahl stieg zwei Tage nach der Vorstellung auf ca. 276.000 Fahrzeuge.[30]
Umweltbilanz
Die Umweltbilanz von Automobilen wird oft nur auf deren direkten Energie- bzw. Kraftstoffverbrauch (Tank-to-Wheel = vom Tank zum Rad) und Emissionen von Schadstoffen oder klimaschädigenden Gasen bezogen. Etwas weiter greift bereits eine Well-to-Wheel-Anlayse (von der Quelle zum Rad), die auch Wirkungsgrade und Emissionen für die Bereitstellung der Energie betrachtet. Umfassendere Vergleiche setzen hingegen auf eineLebenszyklusanalyse (life cycle assessment, „LCA“). Teil dieser Bilanz sind u. a. auch der Herstellungs- und Entsorgungsaufwand für das Fahrzeug, die Bereitstellung der Antriebsenergie und Lärmemissionen.
Elektroautos inkl. Batterie schneiden bei einer Betrachtung des gesamten Produktlebenszyklus sowohl beim Energieverbrauch als auch beim Treibhausgasausstoß besser ab als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Nur unter der Annahme, dass ausschließlich Strom aus Kohlekraftwerken zum Betreiben des Elektrofahrzeuges verwendet wird und die Batterien zugleich in einer technologisch wenig fortschrittlichen Fabrik hergestellt werden, liegt die Treibhausgasbilanz von Elektroautos höher als bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor.[31] Bei Nutzung des durchschnittlichen europäischen Strommix stoßen batterieelektrische Fahrzeuge je nach verwendetem Ansatz (vereinfachte Well-to-Wheel-Betrachtung oder vollständige Produktlebenszyklusanalyse) 44 bis 56 % bzw. 31 bis 46 % weniger CO2 aus als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.[32] Die Herstellung eines Elektroautos ist hingegen energieaufwändiger als die eines Autos mit Verbrennungsmotor. Im Vergleich zu diesen fallen vor allem durch die Akkumulatoren und der häufig verwendeten Aluminiumkarosserie 60 Prozent mehr CO₂-Emissionen an.[33]
Die Beratungsgesellschaft Automotive Science Group (ASG) aus Santa Rosa (Kalifornien) bewertet jährlich mittels 45 Kennzahlen, wie umweltfreundlich, sozialverträglich und kostengünstig die in den USA angebotenen Automodelle sind. Dabei werden Herstellung, Nutzung und Entsorgung berücksichtigt. In der Gruppe der Kompaktwagen war 2014 die Elektroversion des Ford Focus am kostengünstigsten, am umweltfreundlichsten und am sozialverträglichsten und damit Gesamtsieger. In der Gruppe der mittelgroßen Fahrzeuge war der Nissan Leaf der Gesamtsieger und zugleich das umweltfreundlichste Auto. In der Gruppe der oberen Mittelklasse war das Tesla Model S das umweltfreundlichste Auto.[34] Gesamtsieger über alle Gruppen war der Toyota Prius+. Bei Kleinwagen und Geländewagen gewannen, nicht zuletzt aufgrund des begrenzten Fahrzeugangebotes Hybridfahrzeuge.
Mercedes-Benz vergleicht in seiner „Life cycle“-Umweltzertifikatsdokumentation[35] sehr umfangreich die B-Klasse in Elektro- und Verbrennungsmotorausführung über den gesamten Lebenszyklus. Auch das deutsche Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg (IFEU) untersuchte die Klimabilanz von Elektrofahrzeugen im UMBReLA-Projekt (Umweltbilanzen Elektromobilität).[36]
Direkte Fahrzeugemissionen
Reine Elektroautos sind emissionsfreie Fahrzeuge. Sie stoßen keine Abgase aus und werden dadurch in der jeweils höchsten aktuell gültigen CO2-Effizienzklasse eingeordnet. Diese Bewertung sagt jedoch nichts über den absoluten CO2-Ausstoß aus, sondern vergleicht die Fahrzeuge abhängig vom Gewicht.[37] Sie dürfen uneingeschränkt in deutschen Umweltzonen verkehren. Sie erfüllen ebenfalls die „zero emission“-Vorschriften, die in Kalifornien seit 1990 zur Luftreinhaltung gelten.[38]
Beim Verkehrslärm lassen sich Lärmminderungen erreichen. Elektromotoren sind zumeist sehr leise, da sie keine lauten explosionsartigen Verbrennungen zur mechanischen Energieerzeugung nutzen und das Aufheulen der Maschinen beim Anlassen sowie Einsatz einer Stopp-Start-Automatik und dem Anfahren nahezu entfällt. Motorlärmreduzierungen machen sich vor allem bei Lastkraftwagen und motorbetriebenen Zweirädern bemerkbar. Die bei höheren Geschwindigkeiten dominierenden Reifen-Fahrbahn-Geräuscheentsprechen dagegen denen üblicher Antriebe. Etwa 50 % der Bevölkerung sind derart durch Verkehrslärm beeinträchtigt, dass gesundheitliche Schäden zu befürchten sind. 15 % sind gefährdet, Herz-Kreislaufprobleme davonzutragen.[39] Da Elektroautos bis etwa 40 km/h vom Lärm anderer Fahrzeuge übertönt werden und daher von Verkehrsteilnehmern wie Kindern, Radfahrern und sehbehinderten Fußgängern schlechter akustisch wahrgenommen werden können, haben Fahrzeughersteller begonnen, serienmäßig Geräte zur geschwindigkeitsabhängigen Abgabe von Warngeräuschen, so genannte AVAS (Acoustic Vehicle Alerting Systeme), einzubauen. Nach Japan und den USA ist auch in der EU der Einbau solcher akustischer Warnsystemene ab dem 1. Juli 2019 gesetzlich für neue Fahrzeugtypen vorgesehen.[40] Hinter dieser Forderung stehen vor allem Verbände, die sehbehinderte Menschen vertreten[41].
Feinstaub-Emissionen entstehen bei Elektroautos nur im geringen Umfang durch Reifenabrieb und Bremsvorgänge. Letztere werden noch zusätzlich durch Energie-Rückgewinnungs-Systeme verringert. Das größte Vermeidungspotenzial bietet sich jedoch durch die fehlenden Abgase der Verbrennungsmotoren, die zu schweren Atemwegserkrankungen führen können.[39]
Elektrofahrzeuge verlagern je nach Primärenergieeinsatz Emissionen für ihren Betrieb vom Fahrzeug weg zu den Orten, an denen der Strom für ihren Betrieb produziert wird. Diese lassen sich reduzieren, wenn emissionsfreie Primärenergien beispielsweise aus dem regenerativen Bereich eingesetzt werden. Bei Verbrennungsmotoren fallen nach einer Shell-Studie 15-20 % der CO2-Emission im Bereich Herstellung und Bereitstellung von Kraftstoffen an.[42]
Energieverbrauch Quelle-Rad (well-to-wheel)
(Eine Betrachtung nur auf die Fahrzeugtechnik bezogen (tank-to-wheel) erfolgt im Abschnitt Verbrauch und Wirkungsgrad.)
Neuere externe Untersuchungen kommen zu dem Schluss, dass sich die Herkunft des Stroms, mit dem die Batterien geladen werden, zu mehr als zwei Dritteln in der Ökorechnung niederschlägt.[43]
Als Basisangabe wird der Energiebedarf in kWh/100 km verwendet, der in einem genormten Fahrzyklus ermittelt wird (in Europa der NEFZ). Er bildet den Energieverbrauch zwischen Steckdose und Rad (Tank-to-Wheel) ab. Um den Wirkungsgrad des Gesamtsystems „Auto“ (Well-to-Wheel) zu ermitteln, müssen auch die vorgelagerten Verluste bei Stromerzeugung, -wandlung und -übertragung betrachtet werden. Die Wirkungsgrade der traditionellen Stromkraftwerke sind in Bezug auf den Primärenergieeinsatz stark verschieden. Sie liegen je nach Kraftwerkstyp zwischen 35 % (Braunkohlekraftwerk) und 60 % (GuD-Kraftwerk). Außerdem zu berücksichtigen sind Transformations- und Leitungsverluste im Stromnetz. Daher liegt der Primärenergieverbrauch eines Elektroautos beim Laden am öffentlichen Stromnetz (Strommix) höher als der Stromverbrauch „ab Steckdose“. Diese Gesamtbetrachtung wird in einem Primärenergiefaktor ausgedrückt, der mit dem reinen Fahrzeugverbrauch multipliziert wird. Die Ermittlung dieses Faktors kann durch verschiedene Betrachtungsgrenzen, Zeiträume, Berechnungsgrundlagen und dynamische Entwicklungen im Energiemarkt sehr unterschiedlich ausfallen, was vor allem beim Vergleich verschiedener Systeme relevant wird.
Seit 1. Januar 2016 wird für die Stromerzeugung in Deutschland gemäß Energieeinsparverordnung (EnEV) ein Primärenergiefaktor von 1,8 angesetzt.[44] Davor war seit 2009 Der Faktor 2,6[45] gültig, der zum 1. Mai 2014 bereits auf 2,4 gesenkt worden war. Durch den Umbau der Stromversorgung im Zuge der Energiewende ändert sich der Primärenergieeinsatz weiterhin. Bei lokalen Betrachtungen, speziellen Stromtarifen und in anderen Ländern gelten entsprechend dem verwendeten Strommix andere Werte.
Berücksichtigt man die Verluste bei Gewinnung, Raffinierung, Erkundung, Bohrung und Transport/Bereitstellung der fossilen Kraftstoffe (Well-to-Tank), so ergibt sich nach einer Schweizer Studie aus 2008[46] die Wirkungsgrade für die Bereitstellung von Benzin 77,5 %, Diesel 82 %, Erdgas 85 % (Primärenergiefaktoren von 1,29/1,22/1,17). Die deutsche Energiesparverordnung gibt den Wert 1,1 an. Zu diesen Bereitstellungsverlusten kommen noch bauartbedingte Verluste im Fahrzeug selbst (Tank-to-Wheel) hinzu. Diese sind bei Verbrennungsmotorantrieben aufgrund des geringen Wirkungsgrades (bei idealem Betrieb des Ottomotors liegt der Motorwirkungsgrad bei 36 %[47]), der ineffizienten Kaltstartphase, sowie des Teillastbetriebs sehr viel höher als bei Elektroantrieben. Rechnet man den direkten Kraftstoffverbrauch in kWh/100 km um, so ergeben sich sehr viel höhere Werte als bei Elektrofahrzeugen.
Auch Brennstoffzellenfahrzeuge besitzen einen geringeren Gesamtwirkungsgrad als reine Elektrofahrzeuge. Diese benötigen Wasserstoffspeicher und eine Pufferbatterie. Sowohl die Gewinnung des Wasserstoffes (derzeit größtenteils aus fossilem Erdgas) als auch die Speicherung (bis 700 bar Kompression oder Verflüssigung bis ca. −253 °C) ist sehr energieaufwendig. Wird der Wasserstoff aus regenerativen Energien wie Windkraft, Wasserkraft oder Solarenergie durch Elektrolyse erzeugt, so betragen die addierten Verluste aus Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse und Kompression auf 700 bar 35 %.[48] Zusammen mit dem Stromerzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle von etwa 60 %[48] ergeben sich Verluste von etwa 61 % auf dem Weg vom Stromerzeuger bis zum Antriebsmotor im Fahrzeug. Für denselben Weg betragen die Lade- und Entladeverluste eines Lithim-Ionen-Akkumulators lediglich 10 bis 20 %[49] Ein Großteil der Lade- und Entladeverluste fällt auch bei einem Brennstoffzellenfahrzeug aufgrund der Notwendigkeit einer Pufferbatterie an. Die Energieverluste eines Brennstoffzellenfahrzeugs sind deshalb höher als die eines rein batteriebetriebenen Elektroautos. Aus diesen Gründen sind die Energiekosten eines reinen Batterie-Elektrofahrzeugs stets deutlich geringer als bei einem Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem die Wasserstofferzeugung über elektrischen Strom (Elektrolyse) erfolgt.
CO2-Bilanz
CO2-Emissionen entstehen beim Elektroauto nicht im Fahrzeug, sondern können je nach Stromerzeugungsart im Kraftwerk anfallen. Bei der Angabe des Kohlendioxidausstoßes muss daher immer der verwendete Strommix berücksichtigt bzw. angegeben werden. Ebenso, wie beim Energieverbrauch sind auch hier, speziell beim Vergleich verschiedener Fahrzeuge, sehr genau die Betrachtungsgrenzen zu beachten. Werden Fahrzeuge mit verschiedenen Antriebsformen verglichen, so erfolgt dies oft in einem Well-to-wheel-Rahmen, was die Einbeziehung von Primärenergiefaktoren notwendig macht. Diese können ja nach Betrachtungsjahr, Ermittlungsverfahren, Stromanbieter, Land und weiteren Faktoren schwanken und ändern sich durch Veränderungen im Strommarkt zum Teil auch sehr dynamisch. Verschiedene Normen und Institutionen arbeiten mit unterschiedlichen Faktoren und nutzen abweichende Berechnungsverfahren. Der Umbau der Infrastruktur bringt ebenfalls CO2-Emissionen mit sich, doch wird die langfristige Nutzung von Elektroautos zur Verminderung des Treibhauseffekts beitragen.[50]
Das Öko-Institut in Freiburg hat im Auftrag des Bundesumweltministeriums in dem mehrjährigen Projekt OPTUM 2011 einen Abschlussbericht erarbeitet.[51][52][53] Anfang 2012 wurden, ausgehend von einem Bericht in der tazunter der Schlagzeile Die Ökolüge vom E-Auto,[54] die Aussagen der Studie zeitgleich in vielen Pressemedien falsch wiedergegeben und der Umweltnutzen der Elektroautos in Frage gestellt.[55][56][57] Gegen das Infragestellen ermittelten der Umweltvorteile der Elektromobilität hat das Öko-Institut eindeutig Stellung bezogen.[58]
In der Schweiz durchgeführte Untersuchungen der gesamten Ökobilanz bestätigen die Aussage, dass lediglich bei Betrieb mit reinem Kohlestrom die Umweltbilanz der Elektroautos schlechter als die von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ausfallen kann. Dabei wird noch mehrmals darauf hingewiesen, dass die Vergleichsrechnung für moderne Lithium-Ionen-Akkumulatoren nicht abschließend betrachtet werden konnte. Vor allem verbesserte Produktionsverfahren verringern den Herstellungsaufwand deutlich und verbessern die Ökobilanz der Elektroautos weiter.[59]
Eine Studie[60], die das Fraunhofer-Institut für Bauphysik im Auftrag des Bundesverkehrsministeriums verfasst hat, kam 2015 zu dem Ergebnis, dass Elektroautos aufgrund ihrer CO2-intensiven Herstellung beim aktuellen Strommix erst ab ca. 100.000 km Fahrleistung anfangen, CO2 einzusparen. Mit Ökostrom ist dieser Punkt bereits bei 30.000 km erreicht.[61]
Herstellungsaufwand und Entsorgung bzw. Recycling
Nach einer Studie des Instituts für Energie- und Umwelttechnik schlägt sich in der Ökobilanz des Elektrofahrzeugs zu knapp einem Drittel der zusätzliche Materialbedarf insbesondere für die Batterien nieder. Zu dessen Gewinnung müssten Materialmengen bewegt werden, deren Abbau ein massiver Eingriff in die Natur wäre. Die Produktion eines Plug-in-Hybrids verschlinge doppelt so viel Wasser, verursache deutlich mehr Feinstaubemissionen und bewirke eine stärkere Versauerung der Böden. Sie habe auf das Klima Auswirkungen, wie sie etwa neun Tonnen Kohlendioxid entspräche – gegenüber etwa sechs Tonnen an Treibhausgasen für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.[43]
Gebrauchte Akkumulatoren aus Elektrofahrzeugen, die noch voll funktionsfähig sind, jedoch nicht mehr ihre volle Leistungsfähigkeit besitzen, werden als kostengünstige Stromspeicher beispielsweise für die Industrie oder Einfamilienhäuser mit Photovoltaikanlagen gesehen.[62] Die Massenproduktionverfahren der Automobilhersteller mit ihrem Kostensenkungsdruck und -potential können so auch andere Bereiche der Energiewirtschaft beeinflussen. Der zunehmende Einsatz von schlecht recyclebaren Kunststoffen und Kunststoffmischungen hingegen ist ein allgemeiner Trend im Fahrzeugbau.
Marktentwicklung und politische Rahmenbedingungen
Weltweit
Aktuell am Markt verfügbare Elektrofahrzeuge sind unter Liste von Elektroautos in Serienproduktion zu finden.
Elektroautos führen im allgemeinen Straßenverkehr ein Nischendasein. Im Jahr 2013 fuhren 40 % aller Elektroautos weltweit auf US-amerikanischen Straßen, ein Viertel des Marktes entfiel auf Japan. Einige Staaten wie Frankreich oder die USA subventionieren Elektroautos mit mehreren tausend Euro pro Wagen.[63] Viele Länder haben sich für 2020 eine Zulassungszahl für Elektroautos als Ziel gesetzt (in Millionen): China 11,9, USA 3, Japan 2, Frankreich 2, Kanada 1,4, Deutschland 1, Spanien 0,9, Portugal 0,5, Südkorea 0,2.[64]
Es gab 2015 etwa 550.000 Neuzulassungen von Elektroautos, was einem Zuwachs von 68 Prozent gegenüber 2014 entspricht. Im Vorjahr 2014 waren es etwa 330.000 Neuzulassungen. 2015 fanden in China allein 207.000 Neuzulassungen statt. Ende 2015 waren in den USA 410.000 Elektroautos und in China 307.000 Elektroautos (inkl. Plug-in-Hybrid) angemeldet. An der Spitze der Neuzulassungen weltweit im Jahr 2015 standen die Fahrzeuge Tesla Model S mit 42.730, Mitsubishi Outlander (Plug-in) 41.080, Nissan Leaf40.270, BYD Qin (Plug-in) 31.900.[65][66][67]
In verschiedenen Studien wird eine ähnliche Entwicklung vorausgesehen wie bei Digitalkameras, die Analogkameras ablösten, oder wie bei Flachbildschirmen, die Röhrenmonitore bzw. Röhrenfernseher ablösten usw., ein sog. tipping point.[68][69] Der Vorstandsvorsitzende von VW, Martin Winterkorn, sah 2008 im Elektroauto die Zukunft der Automobilindustrie unter der Voraussetzung, dass genug Strom zur Verfügung stehe.[70] Der prognostizierte Marktanteil bei VW für 2020 wurde auf 2 bis 3 % geschätzt.[71]Auch Daimler-Entwicklungsvorstand Thomas Weber meinte 2008, dass der Elektroantrieb die Zukunftstechnologie sei.[72] In einer Studie von 2011 stellte das Beratungsunternehmen McKinsey grafisch dar, welcher Fahrzeugtyp bei welchem Benzinpreis bzw. Akkupreis jeweils am wirtschaftlichsten ist. Demnach wäre bei einem Kraftstoffpreis von über 1 USD pro Liter und einem Akkupreis unter 300 USD pro kWh das batterieelektrische Auto am wirtschaftlichsten.[73][74] Tatsächlich lag mit Stand November 2013 der Kraftstoffpreis in vielen Ländern über 1 USD pro Liter und der Akkupreis unterhalb von 200 USD pro kWh.[75]
Eine entscheidende Rolle bei der Verbreitung von Elektroautos spielt auch der Autohandel. Laut einem Bericht der New York Times raten Autohändler oft von der Anschaffung eines Elektroautos ab, da sie die neue Technik oft nicht besonders gut kennen, die Beratung der Kunden aufwändiger sei und der Handel auch mehr am Service der Autos mit Verbrennungsmotoren verdiene. Laut der „National Automobile Dealers Association“ würden Autohändler etwa dreimal so viel mit dem Service verdienen wie mit dem Verkauf eines Autos. Elektroautos bedürfen dabei möglicherweise weniger Service. Der Handel sei ein Flaschenhals bei der Verbreitung der Elektromobilität.[76]
Die Europäische Union verschärft die Gesetzgebung für den CO2-Ausstoß von Kraftfahrzeugen[77][78] mit dem Ziel von 95 g/km für 2020. Die Berechnung erfolgt anhand des Flottenverbrauchs der Automobilhersteller.[79] Für Elektroautos wurden so genannte Super Credits, eine Form der Klimakompensation, ausgehandelt.[80] Dabei senkt der Verkauf eines emissionsfreien Elektroautos den gesamten Flottenverbrauch überproportional. Ähnliche Effekte treten auch in der US-Klimapolitik auf, siehe Corporate Average Fuel Economy. Diese Maßnahmen werden von Befürwortern, zu denen vor allem auch die deutsche Regierung und die deutsche Automobilindustrie gehören, als Marktstimulation für die Elektromobilität gesehen, Gegner bezeichnen sie als Subvention für die Automobilindustrie, deren gesetzlich gegebener Druck emissionsarme Fahrzeuge zu entwickeln gelockert wird und sonst fällige Strafzahlungen[81] für die Überschreitung der Grenzwerte vermieden werden.
Deutschland
Deutschland kann auf eine langjährige Tradition im Elektro-Automobilbau zurückblicken. Im letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts gab es in Deutschland ca. 30 Automobilfirmen, die Elektroautos produzierten. Nur zwei Jahre nach „125 Jahre Automobil“ konnte Deutschland 2013 „125 Jahre deutsches Elektroauto“ feiern. Neben einigen großen deutschen Marken haben auch mittelständische Unternehmen wie StreetScooterElektrofahrzeuge entwickelt. Daneben rüsten einige Firmen auch Fahrzeuge um. Bei verschiedenen Verkehrsbetrieben werden Batteriebusse im regulären Betrieb getestet. 2016 haben die deutschen Großserienhersteller BMW, Ford, Mercedes und VW Elektroautos im aktuellen Verkaufsprogramm. Smart hat für Ende 2016, Opel für 2017 ein rein batterieelektrisches Fahrzeug angekündigt.
Die deutsche Bundesregierung stellte bereits 2009 einen nationalen Entwicklungsplan für Elektromobilität auf[82] und gründete eine nationalen Plattform für Elektromobilität mit verschiedenen Fördermaßnahmen, um die Entwicklungsanstrengungen zu Elektrofahrzeugen zu intensivieren. Sie gab das Ziel aus, „dass bis 2020 nicht weniger als eine Million und bis 2030 sogar sechs Millionen Elektrofahrzeuge auf den deutschen Straßen unterwegs“[83] sein sollten. So soll die Abhängigkeit vom Erdöl reduziertund die verkehrsbedingte Kohlendioxidemission gesenkt werden.[82]
Da die Markteinführung nur schleppend verläuft, schuf die Politik das Elektromobilitätsgesetz[84], das es den Gemeinden erlaubt, Elektromobilität u. a. durch privilegierte Parkplätze und Öffnung von Busspuren zu fördern.[85] Der Anteil deutscher Autofahrer, die von freigegebenen Busspuren profitieren können, dürfte jedoch eher gering ausfallen. Außerdem wird damit der Zweck der Busspuren konterkariert, und somit dieses Ansinnen als wenig nachhaltiger politischer Aktionismus kritisiert.[86] Zur Unterscheidung von anderen Fahrzeugen kann seit Oktober 2015 ein E-Kennzeichen beantragt werden[87] Elektrofahrzeuge mit Erstzulassung vor dem 1. Januar 2016 wurden für 10 Jahre von der Kraftfahrzeugsteuer befreit.[88] Seit Jahresbeginn 2016 verkürzt sich dieser Zeitraum auf fünf Jahre, danach gilt ein ermäßigter Steuersatz. Im Mai 2016 wurde bekannt, dass diese Regelung rückwirkend zum 1. Januar 2016 wieder auf 10 Jahre rückgängig gemacht werden soll[89].
Die Lobbyorganisationen der Autohersteller, wie der Verband der Automobilindustrie und der BDI warben 2015/2016 bei deutschen Bundespolitikern offensiv für eine staatliche Subventionierung von Elektroautos und den Aufbau eines Netzes aus Ladestationen.[90][91] Die Lobbyorganisation Nationale Plattform Elektromobilität wünschte sich im April 2016 im Namen der Hersteller und angesichts sinkender Absatzzahlen Klarheit darüber, ob die Politik Kaufprämien für Elektroautos zusichern wird.[92] Ab Mai 2016 führt die Bundesregierung eine Kaufprämie in Höhe von 4.000 € für reine Elektroautos bzw. 3.000 € für Plug-In-Fahrzeuge ein. Die Gesamtfördersumme liegt bei 1,2 Milliarden Euro, davon 600 Millionen Euro vom Bund und 600 Millionen von der Industrie. 100 Millionen Euro plant der Bund für Ladestationen und weitere 200 Millionen Euro für Schnellladesäulen. 20 % des Bundesfuhrparks soll 2017 elektrisch fahren. Gleichzeitig wurde das Ziel von einer Million Elektroautos 2020 auf die Hälfte reduziert.[93]
Das Kraftfahrtbundesamt führt umfangreiche Statistiken über den Fahrzeugbestand in Deutschland. Leichtfahrzeuge und zulassungstechnisch den Motorrädern zugeordnete Fahrzeuge, wie beispielsweise der Renault Twizy, werden in der Gruppe der Elektroautos dabei nicht berücksichtigt. Die 12.156 Elektro-Pkw[94] am 1. Januar 2014 bildeten einen Anteil am Pkw-Bestand von ca. 0,028 %. Im Jahr 2014 wurden 8.522 Elektro-Pkw neu zugelassen.[95] Ihr Anteil an den Pkw-Neuzulassungen betrug somit ca. 0,205 %. Im Jahr 2014 wurden 3.443 Elektro-Pkw außer Betrieb gesetzt.[96] Am 1. Januar 2015 waren 18.948 Elektro-Pkw angemeldet.[97]
Im Jahr 2015 wurden in Deutschland 12.363[98] Elektrofahrzeuge neu zugelassen, davon 1.787 Renault Zoe, 1.582 Tesla Model S, 1.051 BMW i3, 948 Nissan Leaf, 853 VW Up!, 795 e-Golf, 676 Elektro-Smart, 485 elektrifizierte Mercedes B-Klasse.[99][100] Am 1. Januar 2016 waren 25.502[101] Elektro-PKW angemeldet. Dies entspricht einem Anteil von ca. 0,057 % am Pkw-Bestand.
|2013||2014||2015||2016|
|Bestand am 1.1.||7.114[102]||12.156[94]||18.948[97]||25.502[101]|
|neu zugelassene E-Autos||8.522[95]||12.363[98]|
|abgemeldete E-Autos||3.433[96]|
Österreich
Auch die österreichische Bundesregierung gab 2010 das Ziel aus, die Anzahl der Elektroautos auf Österreichs Straßen erhöhen, bis 2020 auf 200.000.[103]
China
In China startete die Regierung im Jahr 2008 eine Kampagne unter dem Motto „Zehn Städte, Eintausend Fahrzeuge“.[105] Mit dem Plan einer Inbetriebnahme von 1000 Fahrzeugen jedes Jahr in mindestens zehn Städten sollen die Menschen zum Kauf von Elektroautos angeregt werden. Am 17. Mai 2010 wurden die ersten 30 Elektroautos vom Typ e6 von BYD als Taxis in Shenzhen in Betrieb genommen. Bis zum Jahresende sollte die Anzahl auf 100 erhöht werden.[106]
Wie die New York Times Anfang 2009 meldete, hat die chinesische Regierung einen Plan angenommen, der China binnen drei Jahren zum Weltmarktführer in der Produktion von teilweise und gänzlich mit Elektroenergie betriebenen Kraftfahrzeugen machen soll.[107] Führend sind in China dabei die Unternehmen BYD (Shenzhen) mit den Modellen e6, F3DM (Dualmodus) und dem Nachfolgemodell Qin sowie Geely(Hangzhou) mit dem Elektro-Modell Panda. In Hongkong wurde 2009 das Elektroauto MyCar vorgestellt, das von der EuAuto Technology Limited zusammen mit der Hongkong Polytec University entwickelt wurde. Das ebenso zur Hongkonger Mei Lun Group gehörende Unternehmen Bente produziert mehrere Elektroautos in der Provinz Anhui.
Für den Kauf eines Elektroautos wird ab September 2014 bis 2017 keine Mehrwertsteuer seitens des chinesischen Staates berechnet. Eine Kaufprämie von bis zu 10.000 Dollar wird gewährt.[108]
Im Jahr 2015 wurden in China 188.000 Elektrofahrzeuge verkauft. Die Anzahl hat sich im Vergleich zum Vorjahr verdreifacht. Die meisten verkauften Fahrzeuge sind chinesische Fabrikate.[110]
In China in den großen Städten gibt es für Autos eine Zulassungsbeschränkung. So dürfen in Peking 2016 nur 150.000 Autos zugelassen werden. Davon sind 60.000 Zulassungen für Elektroautos (sog. neue Energien) reserviert. Die Zulassungen werden über eine Lotterie zugeteilt. So kann nur jeder 665. Bewerber für ein Benzinauto eine Zulassung erhalten. Bei Elektroautos gibt es für 2016 bislang (2/2016) nur 12.214 Bewerber. So erhält bislang jeder Bewerber auch eine Zulassung. Benzinautos müssen zusätzlich an einem Tag der Woche stehen bleiben, was für Elektroautos nicht gilt. Zudem gibt es für Elektroautos eine Kaufprämie (inkl. Steuererleichterungen) von etwa 12.000 Euro. Jedoch gibt es in Peking derzeit (2/2016) noch viel zu wenige Ladesäulen.[111][112]
Frankreich
Frankreich gewährt eine Art Abwrackprämie beim Tausch eines alten Autos mit Verbrennungsmotor gegen ein Neufahrzeug mit Elektromotor von bis zu 10.000 Euro. Ein Plug-in-Hybrid erhält noch 6.500 Euro.[113]
Alle der drei großen französischen Automobilbhersteller, Citroën, Renault, und Peugeot haben Elektroautos im aktuellen Verkaufsprogramm und können teilweise, wenn auch im kleinen Maßstab, auf eine längere Historie von Elektroautos im Angebot zurückschauen.
Niederlande
In den Niederlanden wurden 2015 43.000 Elektrofahrzeuge (inkl. Plug-in-Hybrid) zugelassen.[114] Das entspricht einem Anteil bei den Neuzulassungen im Jahr 2015 von 9,6 Prozent.[115] Das Parlament in den Niederlanden hat im März 2016 beschlossen eine Strategie zu entwickeln, ab 2025 nur noch rein elektrische Neuwagen zu erlauben. Mit einem Aktionsplan soll der Übergang bis dorthin gestaltet werden.[116][117][118]
Norwegen
In Norwegen waren 2013 neun Prozent aller Neuwagen Elektroautos.[121] Die norwegische Regierungen hat eine Reihe von staatlichen Vergünstigungen und finanziellen Anreizen geschaffen, unter anderem deutliche Steuervorteile bei der Anschaffung, so dass Elektroautos zum Teil preiswerter sind, als Verbrennungsmotorfahrzeuge.[122] Im Februar 2015 waren 21 Prozent aller Neuwagen Elektroautos.[123] Im Jahr 2015 wurden in Norwegen 25.000 reine Elektroautos verkauft.[124] Die Elektroautos hatten 2015 einen Anteil bei den Neuzulassungen von 23 Prozent, womit Norwegen weltweit führend ist. Ein Käufer eines Elektroautos erhält Vergünstigungen (keine Mehrwertsteuer, keine Abgassteuer usw.) von etwa 20.000 Euro pro Fahrzeug. Elektroautos sind damit deutlich günstiger als vergleichbare Autos mit Verbrennungsmotor. Elektroautos dürfen auf vielen Busspuren am Stau vorbei gefahren werden. Parken ist kostenlos, ebenso das Benutzen der Fjördfähren, das Auftanken an den 4000 öffentlichen Ladestationen sowie das Benutzen von mautpflichtigen Strecken, von denen es in Norwegen viele gibt.[125]
Die norwegischen Tranportbehörden legen in ihrem nationalen Transportplan 2018–2029 dar, den Verkauf von Neufahrzeugen mit Verbrennungsmotor ab 2025 zu verbieten. Lediglich schwere Fahrzeuge dürfen dann noch Benzin- bzw. Dieselmotoren als Antrieb verwenden. Der Plan ist von den Landesbehörden für Straßen, Eisenbahn, Küsten und Flugplätze erstellt worden und soll im Frühjahr 2017 dem norwegischen Parlament zur Abstimmung und Inkraftsetzung vorgelegt werden.[126]
Vereinigte Staaten
Im Jahr 2015 wurden in den USA 115.000 Elektroautos verkauft.[127] Auch werden in verschiedenen Städten Batteriebusse getestet.
Mit der Firma Tesla Motors ist in Palo Alto, Kalifornien, auch der einzige Hersteller ansässig, der ausschließlich Elektroautos in Großserie herstellt und verkauft. In den USA gibt es abhängig vom Bundesstaat finanzielle Unterstützung/Kaufprämien für Elektroautos.
Fahrzeugtechnik
Elektroautos unterscheiden sich grundsätzlich von herkömmlichen Fahrzeugen, was Antriebsaggregate und Energiespeicher betrifft. Die Unterschiede betreffen jedoch auch andere Komponenten in weitreichendem Maße. Im Unterschied zur Verbrennungskraftmaschine werden die Hilfsaggregate eigenständig elektrisch betrieben und nicht über einen mechanischen Abtrieb vom Hauptmotor. Dieser läuft nur wenn das Fahrzeug bewegt wird und dient ausschließlich dem Vortrieb, bzw. der Rekuperation.
Ein weiterer wesentlicher Punkt betrifft die Anordnung der Komponenten, das so genannte Platznutzungskonzept („Packaging“). Beim Fahrzeugaufbau mit Verbrennungsmotor sind viele Komponenten um den Hauptantrieb herum angeordnet, während beim Elektroauto die Komponenten sehr viel dezentraler montiert werden können. Auch unterscheiden sich wesentliche Komponenten in ihrem Platzbedarf und ihrer Form. Der Motor und die Kühler sind beispielsweise kleiner und das Akkusystem kann abhängig vom Fahrzeugkonzept in verschiedenen Bereichen der Karosserie platziert werden. Dadurch ergeben sich wesentliche Unterschiede für die Fahrzeugtechnik:
- aerodynamischere Frontpartie dank kleinerer Lufteinlässe für Kühler möglich[128]
- Platz für eine Crash-freundliche Ausgestaltung des Vorderwagens (Raum für Verstrebungen und Kontakt-Platten)
- tieferer Schwerpunkt durch schweres Akkusystem im Unterboden[129]
- keine Kardantunnel bei Hinterradantrieb nötig, da der Motor nicht vorne sein muss (allerdings wird der Akku in nicht wenigen Modellen gerade dorthin platziert.[130])
- Die Beheizung und Klimatisierung von Innenraum und Technik steht vor anderen Voraussetzungen als bei einem Fahrzeug mit permanent laufendem Hauptantrieb und überschüssiger Abwärme, siehe Absatz #Klimatisierung
- die Elektrifizierung der Aggregate (Bremsen, Lenkung) erleichtert es, einen automatischen Betrieb bzw. Assistenzlösungen zu verwirklichen, die überdies auch noch schneller reagieren.[131]
- Elektromotoren benötigen keinen Ölwechsel.
Die meisten straßenzugelassenen Elektrofahrzeuge besitzen neben dem großen Traktionsakku noch einen weiteren kleinen Akku, meist einen Bleiakku auf 12-Volt-Basis. Dieser Akku wird über den Traktionsakku geladen. Er versorgt einen Teil der Bordelektronik, vor allem aber die Fahrzeugbeleuchtung, speziell die Warnblinkanlage, mit Energie, auch in dem Fall, wenn der Traktionsakku deaktiviert wurde (Akku entladen, Unfall etc.).
Antrieb inklusive Steuerungs- und Regelungselektronik
Elektromotoren laufen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren selbstständig unter Last mit sehr hohen Drehmomenten an. Die Steuerung erfolgt durch eine Leistungselektronik, den Fahrtregler. Die mechanische Kopplung der Elektromotoren an die Räder kann auf verschiedene Arten erfolgen zumeist über einen oder mehreren Motoren ggf. über Untersetzungsgetriebe und Antriebswellen, im Rad integriert, als Radnabenmotor oder über einSchaltgetriebe mit Kfz-Schaltkupplung (vor allem bei Umrüstungen).
Durch den großen nutzbaren Drehzahlbereich wird bei den vielen E-Fahrzeugen keine Schaltgetriebe oder lösbare Kupplungen benötigt, jedoch sind oft Untersetzungsgetriebe eingebaut. Elektromotoren können in beiden Richtungen laufen und benötigen daher auch keinen gesonderten Rückwärtsgang. Zum Teil werden insbesondere unter Last schaltbare Zwei-Gang-Getriebe für eine optimale Drehmomentübertragung, insbesondere bei Fahrzeugen mittleren und größeren Gewichts (ab etwa 700 Kilogramm aufwärts), in Betracht gezogen.[132] Bei mehreren Antriebsmotoren (z.B. je einer für Vorder- und Hinterachse) können die Motoren auch für verschiedene Geschwindigkeitsbereich optimiert werden. Elektromotoren sind einfacher und mit erheblich weniger beweglichen Teilen aufgebaut als Verbrennungsmotoren. Sie werden meist luft-, gelegentlich auch wassergekühlt.
Als Antrieb für Elektroautos kommen verschiedene Antriebstypen in Frage.
Umrichtergeführter Synchronmotor
Steht ein sparsamer Umgang mit elektrischer Energie und Leistungselektronik-Werkstoffen bei der Fahrzeugkonstruktion im Vordergrund, wird die umrichtergeführte permanentmagneterregte Dreiphasen-Synchronmaschinebevorzugt. Synchronmaschinen als Antriebsaggregat haben gegenüber Gleichstrommaschinen (mittlerer Leistung) den Vorteil, dass sie keine mechanischen Schleifkontakte für die Kommutierung benötigen, wodurch sie erheblich weniger verschleißanfällig sind und weniger Wartung benötigen.[133] Der Umrichter arbeitet bei dieser Antriebsart im motorischen Betrieb als Dreiphasen-Wechselrichter, während er bei der Rekuperation im generatorischen Betrieb als Gleichrichter fungiert. Beim Schnell-Aufladen der Akkuzellen der Traktionsbatterie aus einem leistungsfähigen 400-V-Drehstromnetz kann der Umrichter zur Gleichrichtung eingesetzt werden, was sich bei entsprechend vorhandener Umrichterleistung – im Vergleich zum Aufladen mit haushaltsverträglichen 230-V-Ladegeräten – günstig auf die erreichbare Ladegeschwindigkeit auswirkt. In bestimmten Fällen sind jedoch nur 230V-Wechselstrom-Normalladesysteme, nicht 400-V-Drehstrom-Schnellladesysteme in Elektroautos integriert; Schnellladesysteme werden dann vielmehr extern an das jeweilige Fahrzeug angeschlossen. Das bedeutet, dass dann das Schnellladegerät in einer Ladesäule sitzt, die zum Aufladen mit dem Auto aufgesucht wird. Die Integration eines Schnellladesystems in ein Elektroauto ist jedoch ebenso ohne Weiteres möglich, wenn dies in der Konstruktionsphase einbezogen wird[134] und der Umrichter, der für das zu entwerfende Elektroauto vorgesehen ist, genügend Leistung besitzt. Allerdings kann dies zu einer Erhöhung von Größe und Gewicht des zu entwerfenden Fahrzeugs führen, was angesichts der vorhandenen Reichweitenprobleme eher abträglich ist.[Anmerkung 1] Die Elektromotoren, genauer gesagt, die permanentmagneterregten Synchronmaschinen, gelten als ausgereift.
Gleichstrommotor
Alternativ zum umrichtergeführten Synchronmaschinenantrieb kommen als Antrieb in Kleinfahrzeugen auch bürstenlose Gleichstrommotoren mit Regelung zum Einsatz. Dabei erfolgt die Kommutierung durch eine elektronische Schaltung.
Umrichtergeführter Asynchronmotor
Als weitere Alternative zum umrichtergeführten Synchronmaschinenantrieb kommt auch der umrichtergeführte Asynchronmaschinenantrieb in Frage. Der umrichtergeführte Asynchronmaschinenantrieb mit Kurzschlussläufer, ausgeführt als Doppelstabläufer, kann gegenüber dem umrichtergeführten Synchronmaschinenantrieb Vorteile erzielen, wenn das anzutreibende Fahrzeug ein hohes Losbrech-Drehmoment hat. Dies ist bei herkömmlichen Elektroautos kaum relevant, allenfalls für Elektro-Jeeps bei geforderter hoher Geländetauglichkeit könnte dieser Antriebstyp interessant sein. Im Prinzip lässt sich natürlich jede Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie eines Elektromotors, der für den Antrieb ausgewählt wird, für Servo-Antriebszwecke mit entsprechender Regelungselektronik ausregeln.
Weitere Motorkonzepte
Es werden in jüngerer Zeit auch Antriebskonzepte ins Gespräch gebracht, die darauf abzielen, die Permanentmagneterregung von Synchronmaschinen zu umgehen. Hintergrund ist die Reduzierung des Einsatzes von teuren Seltene-Erden-Legierungen, die zum Teil Stoffe wie etwa Neodym oder Samarium enthalten. So wird als Alternative die fremderregte Synchronmaschine vorgeschlagen.[135] Bei diesem Konzept wird mit höheren Drehzahlen als beim permanentmagneterregten Synchronantrieb gearbeitet und ein Untersetzungsgetriebe nachgeschaltet. Gewisse Einbußen beim elektrisch-mechanischen Wirkungsgrad im Vergleich zum permanentmagneterregten Synchronantrieb werden in Kauf genommen. Als weitere Alternative wird ein hochdrehzahliger Asynchronmaschinenantrieb mit nachgeschaltetem Planetenradgetriebe diskutiert.[136][137][138] Bei letzterem Konzept ist das System leichter als ein Synchronantrieb. Dafür ist der elektrisch-mechanische Wirkungsgrad etwas schlechter. Auch wird die Verwendung bestimmter Reluktanzmotoren vorgeschlagen, die ohne Seltene Erden auskommen. Ein mäßiger Wirkungsgrad im unteren Drehzahlbereich könnte gegebenenfalls durch ein Untersetzungsgetriebe abgemildert werden, doch auch hier werden dann Abstriche beim elektrisch-mechanischen Wirkungsgrad unausweichlich.[139]
Bauform Radnabenmotor
Eine Bauform für den Antrieb ist der Radnabenmotor. Dabei ist der Motor direkt im Rad, in der Regel innerhalb der Felge, untergebracht. Bei dieser Art des Antriebes entfallen die zentrale Motoreinheit sowie dieAntriebsstränge und die Verteilergetriebe hin zu den Rädern, was den Aufbau vereinfacht und Freiheiten für die Gestaltung in der Bodengruppe schafft. Jedoch muss der Bauraum zumeist mit der Bremse geteilt werden und es wird dabei eine höhere ungefederte Masse in Kauf genommen. Die Motoren sind außerdem stärker den Umwelteinflüssen ausgesetzt. Radnabenmotoren werden vor allem bei Fahrzeugen eingesetzt, bei denen diefahrdynamische Aspekte nicht immer ausgereizt werden. Sie sind etwa an Elektrofahrrädern, Elektromotorrollern und Nutzfahrzeugen zu finden. In Serien-Pkw konnten sie sich bisher nicht etablieren, sind jedoch Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsarbeit.
Nutzbremsung bzw. Rekuperation
Elektromotoren eignen sich im Generatorbetrieb zur Rückwandlung der kinetischen Energie (Bewegungsenergie) in elektrische Energie. Diese Funktion als Nutzbremse, auch Rekuperation genannt, erlaubt es beim Abbremsen und Anhalten, sowie beim Bergabfahren Energie in den Akkumulator zurückzuspeichern, die sonst über mechanische Bremsen oder die Motorbremse in Wärme umgewandelt wird. Im Langstreckenverkehr fällt dieser Effekt deutlich geringer aus als im Stadt- und Kurzstreckenverkehr, da im Verhältnis weniger Bremsvorgänge stattfinden.
Im Falle von starken Bremsmanövern fällt die Energie sehr plötzlich an, was eine hohe elektrische Leistung bedeutet. Da die Leistungsfähigkeit der Ladeelektronik und die Aufnahmefähigkeit des Akkumulators begrenzt ist, kann in dieser Situation häufig nur ein Teil der Bremsenergie rückgespeichert werden. Je sanfter der Bremsvorgang, desto größer der Anteil der zurückgespeisten Bremsenergie. Auf diese Weise kann der innerstädtische Energieverbrauch um bis zu 30 % gesenkt werden.[140] Dieser Wert wird auch beiOberleitungsbussen erzielt. In Erprobung sind auch Elektrofahrzeuge mit zusätzlichen Kondensatoren zur Erhöhung der Lebensdauer der Akkumulatoren und der Steigerung des Rückspeisegrades. Im Stadtverkehr sind so Rückspeisegrade von über 40 % erreichbar.[141]
Verbrauch und Wirkungsgrad
Verbrauch und Wirkungsgrad betrachtet den Energieumsatz innerhalb des Fahrzeugs (zum Beispiel ab Tankstelle beziehungsweise Steckdose – Tank-to-Wheel). Weitergehende Betrachtungen über die Stromerzeugung und eingesetzte Primärenergie (Well-to-Wheel) erfolgt unter dem Oberbegriff Umweltbilanz (siehe Absatz Umweltbilanz).
Der Verbrauch, um alle Arten von Pkw zu vergleichen, wird in Europa nach dem NEFZ angegeben. Ein BMW i3 beispielsweise verbraucht danach je nach Ausstattung 12,9, oder 13,5 kWh/100 km.[142] BMW selbst gibt im selben Verkaufsprospekt „kundennahe“ Verbräuche von 14-18 kWh/100 km an. Renault gibt für den ZOE einen Normverbrauch von 14,6 kWh/100 km an. Die Reichweite mit dem 22-kWh-Akku wird dabei zwischen 240 km bei guten Bedingungen und 115 km bei kalten Außenbedingungen beziffert.[143] Der Verbrauch bewegt sich demnach zwischen 9,2 und 19,1 kWh/100 km. Ein e-Golf verbraucht 12,7 kWh/100 km[144] Der ADAC ermittelte in einem eigenen Test für den e-Golf einen Durchschnittsverbrauch von 18,2 kWh/100 km.[145] Tesla gibt für sein Model S einen Durchschnittsverbrauch nach der ECE-Norm R 101-Norm für Hybridfahrzeuge von 18,1 kWh/100 km an.[146] Die Normwerte unterliegen den gleichen Abweichungen gegenüber realen Verbräuchen, wie auch bei Verbrennungskraftfahrzeugen.
Über den Gesamtwirkungsgrad eines Automobils entscheidet die Effizienz der im Fahrzeug erfolgten Energieumwandlungen. Elektromotoren weisen typischerweise Wirkungsgrade von 90 bis 98 % auf. Da auch die zugehörige Elektronik Wirkungsgrade um 95 % aufweist und moderne Akkusysteme Lade-/Entladewirkungsgrade von etwa 90 bis 98 % erreichen, ergibt sich für Elektroantriebe ein viel höherer Wirkungsgrad ab Steckdose als für Antriebe mit Verbrennungsmotor Tank-to-Wheel.
Der Wirkungsgrad von Ottomotoren beträgt maximal 35 %, der von Dieselmotoren maximal 45 %.[147] Im praktischen Betrieb wird dieser optimale Wirkungsgrad jedoch nur selten erreicht und es entstehen weitere Verluste durch mehrstufige Getriebe im Antriebsstrang. Deshalb wird bei einem Verbrennungsfahrzeug im Durchschnitt weniger als 25 % der Energie des Kraftstoffes in Bewegungsenergie umgewandelt.[148] Diese Eigenschaft wirkt sich insbesondere im Teillastbetrieb aus, bei dem der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren stark eingeschränkt ist. Hier ist der Wirkungsgradunterschied im Vergleich zum Verbrennungsmotor besonders hoch. Da Automobile im Stadtverkehr fast immer mit Teillast fahren, ist der Elektroantrieb hier nochmals deutlich effizienter. Auch verbraucht ein Elektromotor während des Fahrzeugstillstands im Gegensatz zum Verbrennungsmotor keine Energie.
Nach Valentin Crastan hat ein Benzinfahrzeug einen durchschnittlichen Tank-to-Wheel-Wirkungsgrad von 20 %, womit bei einem Verbrauch von 6 Litern pro 100 km 52,6 kWh Energie aufgewendet werden müssen; die mechanische Nutzenergie beträgt dabei 10,5 kWh. Ein Elektrofahrzeug weist dagegen einen Wirkungsgrad von ca. 65 % auf, was einen Elektrizitätsverbrauch von 16 kWh/100 km ergibt[149]. Andere Quellen geben etwa 70 bis 80 % an[150][151].
Energiespeicher
Zentraler Punkt in der Entwicklung von Elektroautos ist der Energiespeicher, da ein Automobil, mit Ausnahme von Oberleitungsfahrzeugen, wie O-Bussen, während der Fahrt normalerweise nicht mit dem Stromnetz verbunden ist. Benötigt werden leistungsfähige Energiespeicher mit einer hohen Energiedichte. Elektroautos können Reichweiten erzielen, die denen von verbrennungsmotorisch angetriebenen Autos ebenbürtig sind, jedoch nicht zu konkurrenzfähigem Preis (Stand Anfang 2014). Es gibt Elektroautos mit einer Reichweite bis etwa 500 km mit einer Akkuladung (Ende 2013, zum Beispiel Tesla Model S). Viele Elektroautos können ihre Akkus an Schnellladestationen innerhalb von 30 Minuten zu 80 Prozent aufladen.[152][153][154][155] Nach Angabe des Herstellers BYD ist der Lithium-Eisen-Phosphat-Akku des Elektroautos e6 an einer Schnellladestation innerhalb von 15 Minuten zu 80 % aufgeladen, nach 40 Minuten zu 100 %.[156] An einer weiteren Verkürzung auf 5 bis 10 Minuten wird geforscht.[157]
Die Preise für Akkumulatoren sind einer der Hauptfaktoren für die Fahrzeugkosten. Die in den letzten Jahren stattfindende dynamische Entwicklung der Akkutechnologie bringt auch stetig sinkend Preise mit sich.
In der folgenden Tabelle wird verglichen, welchen Treibstoffvorrat ein Auto bei unterschiedlichen Antriebsarten laden und transportieren muss, um ohne Nachzutanken etwa 400 km weit zu fahren. Dafür benötigt man etwa 50 kWh Antriebsenergie (siehe Kraftstoffverbrauch). Es fließen Schätz- und Mittelwerte ein, daher sind alle Zahlenwerte als nur Richtwerte zu betrachten.
|Treibstoff||Energiedichte

(kWh/kg)
|Antriebskomponente||mittlerer

Wirkungsgrad
tank-to-wheel
|Gesamtmasse des

Energiespeichers in kg
für 50 kWh nutzbare
Energie
|Strom aus Bleiakkumulator||0,03||Elektromotor

mit Nutzbremse
|ca. 65-80 %[149][150][151]||1350|
|Strom aus

Lithium-Ionen-Akkumulator
|0,13||Elektromotor

mit Nutzbremse
|ca. 65-80 %[149][150][151]||311|
|Dieselkraftstoff||11,8||Dieselmotor

mit Getriebe
|25-30 %[150]||18 (+5 Tankbehälter)|
|Superbenzin||11,1||Ottomotor

mit Getriebe
|21-24 %[150]||29 (+5 Tankbehälter)|
|Flüssiger Wasserstoff||33,3||Wasserstoffspeicherung

Brennstoffzelle PAFC
Elektromotor
|40-50 %[151]||4,1 (+Tankbehälter)|
|Druckwasserstoff 700 bar||29,2[Anmerkung 2]||Wasserstoffspeicherung

Brennstoffzelle PEMFC
Elektromotor
|60 %[158]||3 (+125[159] Tankbehälter)|
Anmerkungen:
- Die Energiedichte bei Benzin, Diesel und Wasserstoff ist als unterer Heizwert angegeben.
- Bei Akkus ist die Masse des Behälters im Wert der Energiedichte bereits enthalten, bei Diesel, Benzin und Wasserstoff muss er addiert werden. Durch das geringere Gewicht der Elektromotoren, den Wegfall eines Schaltgetriebes, der Auspuffanlage und der Startbatterie ergeben sich beim Elektrofahrzeug weitere Gewichtseinsparungen, die hier nicht berücksichtigt sind.
Akkumulatoren
In der Vergangenheit nutzten die meisten Elektroautos Akkumulatortypen, wie Blei- oder Nickel-Cadmium-Akkus, die lediglich für einen Betrieb von etwa einer Stunde mit Höchstgeschwindigkeit reichten oder mit denen mit einer Ladung 40 bis 130 Kilometer zurückgelegt werden konnten. Bleiakkumulatoren, auch wenn sie auf hohe Zyklenfestigkeit optimiert sind, besitzen eine geringe Energiedichte – sie sind sehr schwer für den gebotenen Energieinhalt. Auch begrenzt die häufig geringere Zyklenfestigkeit und Lebensdauer ihren Einsatz, so dass sie bei neueren Entwicklungen praktisch nicht mehr eingesetzt werden. Sie haben jedoch nach wie vor ihr Einsatzgebiet in kleineren Elektrofahrzeugen und im industriellen Bereich (Flurförderfahrzeuge).
Reichweiten von 300 km bis 500 km und mehr sind durch den Einsatz von Akkumulatoren auf Lithiumbasis (z. B. Li-Ion, LiFePo4 bzw. LiPo-Akkus) möglich und werden auch schon realisiert (z.B. Tesla). Diese Akkutypen besitzen eine vergleichsweise hohe gewichtsbezogene Energiedichte. Auch Hochtemperaturakkus werden eingesetzt, beispielsweise die Zebra-Batterie. Bei einigen Fahrzeugen, die zuvor Blei- oder Nickel-Cadmium-Akkumulatoren fuhren, wurden diese gegen Lithium-Ionen-Akkumulatoren ausgetauscht. So konnte ein Vielfaches der ursprünglichen Reichweite erzielt werden.
Während es bei NiCd-, NiMH-, und Bleiakkusätzen ausreicht nur Teilblöcke aus mehreren Zellen zu überwachen, kommen bei Lithium-Akkus komplexe elektronische Batteriemanagementsysteme (BMS), Schutzschaltungen und Balancer zum Einsatz. Grund ist die Empfindlichkeit der Lithium-Akkumulatoren gegen Überladung und Tiefentladung. Damit beim Ausfall einer einzelnen Zelle nicht das gesamte Akkusystem erneuert werden muss, kann dieses für den Einzelzellentausch ausgelegt sein.
Die Akkumulatorenkapazität ist eine der wichtigsten bestimmenden Größen für die Nutzbarkeit und Wirtschaftlichkeit von Elektroautos. Es lassen sich zwei gegenläufige Strategien für Akkumulatorengröße ausmachen.
- Steigerung der Akkumulatorengröße: Dadurch wird eine sehr große Reichweite ohne Zwischenaufladung möglich und lebensdauerverlängernde Effekte kommen zum Tragen. Der Akku wird sowohl in seiner Kapazität als auch in der Leistungsentnahme weniger belastet und kann Zyklenzahlen erreichen, die der Lebensdauer des gesamten Fahrzeugs entsprechen. Hingegen steigen Fahrzeuggewicht und Investitionskosten stark an. Vor allem für Letzteres wird eine teilweise Kompensation über Einsparungseffekte aus der Serienfertigung und technischen Weiterentwicklung erwartet.
- Nutzung einer vergleichsweise geringen Akkugröße: Vorteile sind das reduzierte Fahrzeuggewicht und auch sehr viel geringere Anschaffungskosten. Dieses Konzept setzt jedoch eine engmaschige leistungsfähige Ladeinfrastruktur z. B. auf Parkplätzen voraus, die absehbar flächendeckend kaum aufzubauen ist. Die Akkus selbst werden im Betrieb stark belastet und verschleißen somit schneller.
Temperaturabhängigkeit von Akkusystemen
Allen Akkusystemen ist gemein, dass sich bei tieferen Temperaturen (unterhalb ca. 10 °C) die Leistungsabgabe verringert, da die Beweglichkeit der Ladungsträger abnimmt. Bei einigen Akkumulatorsystemen (NiMh, Lithium-Polymer) besteht unterhalb ca. −20 °C sogar die Gefahr des Einfrierens. Die entnehmbare Kapazität wird davon jedoch kaum beeinflusst, wenn die geringere Strombelastbarkeit technisch berücksichtigt wird, in dem das BMS die Leistungsabgabe und den Motorstrom begrenzt. Durch die inneren Verluste erwärmt sich die Traktionsbatterie im Betrieb. Hohe Temperaturen hingegen (oberhalb ca. 30 °C) begünstigen durch die Beweglichkeit der Ladungsträger zwar die Leistungsabgabe, sind aber ungünstig für die inneren Verluste und die kalendarische Alterung. Um derartige Einschränkungen zu vermeiden temperieren einige Hersteller ihre Akkusysteme. Dies kann eine Heizung für kalte Jahreszeiten beinhalten, aber auch eine Kühlung. Oft kommen elektrische Heizmatten und Luftkühlungen zum Einsatz. Einige Hersteller nutzen auch Flüssigkeiten als Heiz- bzw. Kühlmedium.[160]
Eine Ausnahme stellen Hochtemperatursysteme (z. B. Zebra-Batterie) dar, die zwar von äußeren Temperaturen unabhängig sind, jedoch zusätzlich Energie für ihre Temperaturerhaltung benötigen.
Haltbarkeit der Akkusysteme
Grundsätzlich werden bei der Alterung zwei verschiedene Aspekte unterschieden. Die Kalendarische Alterung beschreibt die Degradation auch ohne Nutzung, beschleunigt oft durch ungünstige Temperaturen. Die Zyklenhaltbarkeit hingegen ist abhängig von der Anzahl der Lade- und Entladezyklen bis zum Eintreten der definierten Kapazitätsverringerung gegenüber der Ausgangskapazität. Auch Ladeverfahren und Ladestromstärken und natürlich der Akkutyp selbst sind Einflussgrößen.
Neue Modelle von Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind schnellladefähig ausgelegt. Dabei ist eine Aufladung mit Ladeleistungen über 1 C gemeint, was Ladezeiten von weniger als einer Stunde erlaubt. Für moderne Akkusysteme ist herstellerseitig meist eine Normalladung von 0,5 C bis 1 C spezifiziert (eine 100-Ah-Zelle[161] kann mit Strömen von 50–100 A normal geladen werden). Im Rahmen von Solarmobil– und Elektroauto-Wettfahrten gab es zu Zeiten der Tour de Sol gegensätzliche Philosophien zwischen langsamer, sanfter und schonender Ladung gegenüber der Schnellladung seinerzeit verwendeter Akkutypen (Bleiakkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren). Auch beim Lithium-Ionen-Akkumulator ist erhöhter Verschleiß der Preis für eine Verkürzung der Ladezeit über die Normalladung hinaus. Belastbare Studien, die diese Werte präzise beziffern liegen bei den relativ jungen Akkutechnologien bisher jedoch kaum vor.
Eine Studie[162][163] von Plug in America unter 126 Fahrern des Tesla Roadsters (entspricht etwa 5 % der verkauften Fahrzeuge) bezüglich der Lebensdauer der verbauten Akkus ergab, dass nach 100.000 Meilen = 160.000 km bei den Akkus noch eine Restkapazität von 80 bis 85 Prozent vorhanden war. Dies war unabhängig davon, in welcher Klimazone das Fahrzeug bewegt wurde.
Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren erreichen nach Herstellerangaben mehr als 5000 Zyklen bei jeweiliger Entladetiefe von 70 %.[164] Bei 300 Ladezyklen pro Jahr, also etwa ein Ladevorgang pro Tag, liegt dies in der Größenordnung, die für ein durchschnittliches Autoleben ausreicht, zumal selten immer die volle Kapazität ausgenutzt wird und flache Ladezyklen allgemein zu einer längeren Lebensdauer führen.
Bezüglich der Akku-Haltbarkeit gibt zum Beispiel Tesla (für das Model S) acht Jahre Garantie mit unbegrenzter Laufleistung für seine 85-kWh-Akkus.[165] Andere Hersteller versuchen über Akkumietsysteme dem Fahrzeughalter das Risiko eines Akkudefekts oder übermäßigen Verschleißes abzunehmen. Citroën (C-Zero)[166], Peugeot (Ion) und BMW (i3 für 70 % Restkapazität)[167] geben acht Jahre bzw. 100.000 km Garantie
Batteriemanagementsysteme (BMS)
Für die Akkumulatoren werden Batteriemanagementsysteme (BMS) verwendet, die die „Lade- und Entladesteuerung, Temperaturüberwachung, Reichweitenabschätzung und Diagnose“[168] übernehmen. Die Haltbarkeit hängt wesentlich von den Einsatzbedingungen und der Einhaltung der Betriebsgrenzen ab. Batteriemanagementsysteme inklusive Temperaturmanagement verhindern die schädliche und eventuell sicherheitskritische Überladung oder Tiefentladung der Akkuzellen und kritische Temperaturzustände. Die Überwachung jeder einzelnen Zelle, erlaubt es zu reagieren, bevor es zu einem Ausfall oder der Schädigung weitere Zellen kommt. Statusinformation können für Wartungszwecke auch abgespeichert und im Fehlerfall entsprechende Meldungen an den Fahrer ausgegeben werden.
Kondensatoren
Es gibt seit einigen Jahren Versuche, Kondensatoren und Akkumulatoren zu kombinieren.[169] Der Kondensator übernimmt hierbei die Spitzenlast und schont damit den Akkumulator. Der MAN Lion’s City wird in einer Hybridversion in einer Kleinserie produziert, bei der Kondensatoren eingesetzt werden. In Shanghai/China fahren hingegen experimentelle Busse, die Superkondensatoren als einzigen Speicher für Antriebsenergie verwenden und an den Haltestellen aufladen.[170][171] Doppelschicht-Kondensatoren sind als Energiespeicher dem Akkumulator zwar insbesondere in der Leistungsdichte und praktisch allen Kennwerten außer der Energiedichte weit überlegen. Sie erreichen nur etwa 5 Wh/kg und sind damit etwa um den Faktor zwanzig schlechter als Akkumulatoren. Kondensatoren haben jedoch kaum eine Beschränkung beim Lade- und Entladestrom. Dies ist vor allem beim Nutzbremsen und Anfahren ein Vorteil. Der Wirkungsgrad eines Kondensators beträgt nahezu einhundert Prozent, da keine chemische Umwandlung stattfindet, jedoch gibt es eine ständige Selbstentladung, die typischerweise höher als die von Akkumulatoren ist. Es gibt keine Beschränkung der Anzahl der Ladezyklen. Wegen des anderen Spannungsverlaufes eines Kondensators (exponentielle Entladung bis 0 V) können Akkumulatoren jedoch nicht einfach gegen Kondensatoren getauscht werden – andere Fahrtregler für stark variable und niedrige elektrische Spannungen sind notwendig, da sonst nur ein kleiner Teil der gespeicherten Energie genutzt werden kann.
Ladestandards
Obwohl alle Ladesysteme auf der Norm IEC 62196 aufbauen, existieren bei Ladesteckern unterschiedliche Typen, die speziell für Elektrofahrzeuge geschaffen wurden. Die zur Verfügung stehenden Ladeoptionen sind hersteller- und modellabhängig, einige Optionen sind nur gegen Aufpreis erhältlich.
- Praktisch alle Fahrzeuge sind teils mit Adapterkabel an normalen 230-Volt-Haushalts-Schuko-Steckdosen aufladbar, was jedoch aufgrund der begrenzten Leistungsfähigkeit mit erheblichen Ladezeiten verbunden sein kann. Daneben sind auch CEE-Drehstromanschlüsse fahrzeugabhängig und teilweise mit Adaptern nutzbar.
- Der Typ-2-Stecker („Mennekes“-Stecker) ist der EU-Standard für den Anschluss an Ladestellen mit Wechsel- oder Drehstrom bis 43 kW.[172] Er ist gemeinsam mit dem Combo-2-Stecker europäischer Standard und bei öffentlichen Ladesäulen in Deutschland über die Ladesäulenverordnung seit 2016 vorgeschrieben. Beim Wechselstromladen steuert ein im Fahrzeug verbautes Lagederät den Ladevorgang. Sofern die Ladestelle genügend Leistung abgeben kann, wird die maximale Leistungsaufnahme und die Möglichkeit des ein- oder mehrphasigen Ladens, sowie die daraus resultierende Ladezeit vom Fahrzeug bestimmt.
- Das Combined Charging System (CCS) erweitert den Typ 2 zum Combo-2-Stecker mit zusätzlichen Kontakten um die Möglichkeit der Gleichstromladung.
- Das CHAdeMO-System für Gleichstromladung bis 50 kW ist ebenfalls genormt und wird vor allem von japanischen Automobilherstellern genutzt. Auch in Europa wurden Ladesäulen errichtet.
- Tesla baut mit seinem Supercharger-System ein proprietäres System mit bis zu 135 kW für seine Fahrzeuge auf.
Weitere Varianten sind im Artikel Stromtankstelle aufgeführt.
Beispiel Tesla: Die Autos von Tesla Motors können an einer herkömmlichen Haushaltssteckdose geladen werden, was jedoch wegen der geringen Stromstärke relativ lange dauert. Außerdem können sie jede normale Typ-2-Ladestation nutzen. Das dreiphasige Ladegerät im Fahrzeug kann dabei bis zu 11 kW (optional 22 kW) umsetzen. Für die öffentliche Gleichtromladung wird ein CHAdeMO-Adapter angeboten. Tesla betreibt daneben ein eigenes nur für seine Fahrzeuge zugängliches Ladenetz. An den sogenannten Supercharger-Stromtankstellen mit modifiziertem Typ-2-Stecker und bis zu 135 kW Leistung,[173] können die Fahrzeuge in ca. 20 Minuten zur Hälfte, in 40 Minuten zu 80 % und in 75 Minuten vollständig aufladen werden. Nach eigenen Angaben arbeitet Tesla an einem Ladesystem mit einer Ladezeit von 5 bis 10 Minuten.[157] Bei allen zur Zeit angebotenen Teslafahrzeugen, ist die Nutzung der Supercharger-Säulen kostenlos. Bei Markteinführung des Model S, war die Nutzung bei Modellen mit kleinem Akku, eine für 2400 € zukaufbare Option. Der Tesla Roadster ist nicht Supercharge fähig.[174] Tesla errichtet sein Netz vor allem entlang der Autobahnen zwischen Ballungszentren für Langstreckenreisende.[175][176] Stationen, in denen der leere Akku in 90 Sekunden durch einen vollen ausgetauscht wird, haben sich mangels Nachfrage nicht duchgesetzt.[177]
Reichweitenvergrößerung
Da die in Elektroautos verbauten Akkus oft noch keine großen Reichweiten erlauben, die Ladezeiten außerhalb von Schnellladestationen teilweise mehrere Stunden betragen und die Stromtankstellendichte noch gering ist, werden mitunter Zusatzgeräte zur Erzeugung von elektrischem Strom im bzw. am Fahrzeug eingesetzt, sogenannte „Reichweitenverlängerer“ (häufig engl.: Range Extender).
- Hybridbetrieb: Im einfachsten Fall wird dabei ein kraftstoffbetriebenes Stromerzeugungsaggregat im Fahrzeug mitgeführt. Mit diesem Prinzip arbeitet auch der serielle Hybridantrieb, jedoch mit fest installiertem und in die Steuertechnik integriertem Stromerzeuger. Wenn der Akkumulator auch direkt am Stromnetz aufgeladen werden kann, wird diese Fahrzeuggattung als Plug-in-Hybrid bezeichnet. Sie wird als Übergangsform zwischen verbrennungsmotorgetriebenem und Elektrofahrzeug gesehen. Die Kombination von Elektroantrieb mit Akkumulator und Verbrennungsmotor mit Generator erlaubt eine große, von Aufladepunkten unabhängige Reichweite. Bei der Betriebsweise mit Kraftstoff kommen jedoch die der Elektromobilität zugrunde liegende Konzepte nicht zum Tragen. Lösungsansätze, um den Verbrennungsmotor nur bei Bedarf mitzuführen, gab es zum Beispiel von Mindset oder AC Propulsion. Sie setzten beide auf Generatoren, die bei Bedarf in oder an das Elektroauto angebaut wurden, konnten sich jedoch nicht durchsetzen. Ein anderes Beispiel ist der BMW i3 mit werksseitig angebotener Zusatzaustattung „Rex“, wobei dort der Akku nicht gezielt aufgeladen, sondern nur erhalten wird und somit die Charakteristik des Elektroautos gewahrt werden soll.
- Brennstoffzelle: Als Alternative zu Benzin- oder Dieselgeneratoren werden auch Brennstoffzellen gesehen. Bei ihrem Einsatz wird zusätzliche Energie in Form von Wasserstoff oder niedermolekularen Alkoholen (Methanol,Ethanol) mitgeführt und im Fahrzeug in Elektrizität umgewandelt. Dem Einsatz dieser Technik stehen gegenwärtig aber die Nachteile der Brennstoffzelle wie geringe Lebensdauer, hohe Kosten, fehlendes Tankstellennetzwerk und geringer Wirkungsgrad bei der Krafstoffherstellung und Wandlung im Fahrzeug entgegen (siehe auch Brennstoffzellenfahrzeug).
- Batterieanhänger: Die deutsche Firma Nomadic Power will 2016 einen Anhänger auf den Markt bringen, der einen Akku mit 85 kWh enthält und ihn unter anderem an Autobahnen zur Miete anbieten. Der Zusatzakku wird an das Elektrofahrzeug angeschlossen und verleiht dem Fahrzeug so zusätzliche Reichweite. Um während der Fahrt zu laden sind zusätzliche Stromanschlüsse und Steuerungstechnik am Zugfahrzeug notwendig. Das System soll für Elektroautos auf Langstrecken zum Einsatz kommen. Der Anhänger kann aber auch eingesetzt werden um ein liegengebliebenes Elektrofahrzeug mit leerem Akku zu laden.[178][179][180] In Deutschland darf so ein Gespann 100 km/h fahren. Für die meisten derzeit angebotenen Elektroautos gibt es keine Option auf eine Anhängerkupplung oder deren Nachrüstung.
- Solarzellen und Tretantrieb: Bei Niedrigenergiefahrzeugen kann auch über Solarzellen die Reichweite vergrößert werden. Ein zusätzlicher Pedalantrieb bei Leichtfahrzeugen kann einen reinen Elektroantrieb ebenfalls unterstützen, dies wurde beispielsweise beim Twike umgesetzt. Bei schwereren Fahrzeugen können Solarzellen auf dem Fahrzeug nur einen minimalen Anteil der benötigten Energie liefern. Sie konnten sich deswegen und wegen geringem Ertrag gegenüber einer stationären Anlage, sowie dem hohen Aufwand zur Integration bisher nicht nennenswert etablieren.
Wechselakkusysteme
Wechselakkusysteme wurden nur in seltenen Fällen eingerichtet, meistens für lokal gebundene Flottenfahrzeuge, beispielsweise Gabelstapler oder Elektrokarren. Dieses Verfahren setzt standardisierte Bauformen, Anschlüsse und eine entsprechend genormte Aufnahme an den Fahrzeugen voraus. Es gibt und gab in Ländern wie Israel und Dänemark Projekte für ein allgemein zugängliches Netz von Ladestationen und Akkuwechselstationen, beispielsweise das der Firma Better Place mit Fahrzeugen von Renault. Die Akkus gehören hier nicht dem Fahrzeugbesitzer, sondern werden auf Basis eines Pfandsystems ausgetauscht.[181] Auch Tesla kann die Akkus seiner Fahrzeuge automatisiert wechseln.
Klimatisierung
Elektroantriebe geben wegen ihres hohen Wirkungsgrades im Betrieb nur wenig und im Stand gar keine Verlustwärme an die Umgebung ab. Um das Auto bei kalten Außentemperaturen beheizen oder die Scheiben entfrosten zu können, sind daher Zusatzheizungen notwendig. Durch den geringen Energieverbrauch des Antriebs fallen zusätzliche Energieverbraucher jedoch sehr viel stärker ins Gewicht und beanspruchen einen Teil der im Akku gespeicherten Energie, was sich speziell im Winter gemeinsam mit weiteren jahreszeitlich bedingten Effekten stark auf die Reichweite auswirkt. Eine einfache, aber sehr energieintensive Form sind elektrische Heizregister, die in die Lüftung eingebaut werden können. Mittlerweile werden daher teilweise die energieffizienteren Wärmepumpen[182] eingesetzt. Sie lassen sich im Umkehrbetrieb im Sommer auch als Klimaanlage zur Kühlung nutzen.Sitzheizungen und beheizte Scheiben bringen die Wärme direkt an die zu wärmenden Stellen und reduzieren so ebenfalls den Heizwärmebedarf für den Innenraum. Elektroautos verbringen die Standzeiten oft an Ladestationen. Dort kann das Fahrzeug vor Fahrtbeginn vortemperiert werden ohne den Akku zu belasten, wie bei einer elektrischen Standheizung. Unterwegs wird dann deutlich weniger Energie für das Heizen oder Kühlen benötigt. Mittlerweile werden auch Smartphone-Apps angeboten, mit denen sich die Heizung fernsteuern lässt.
Umrüstung von Verbrennungsmotor-Serienfahrzeugen
Einige Umrüster bieten den Umbau von Verbrennungsmotorantrieben zu Elektroantrieben an. Häufig wird nur der Verbrennungsmotor gegen einen Elektromotor getauscht und das Schaltgetriebe im Fahrzeug belassen. Dies ist weniger technisch unbedingt notwendig, sondern hat zumeist zulassungsrechtliche Gründe. Wird das Getriebe ebenfalls getauscht, so muss das gesamte Fahrzeug neu zugelassen werden, was erheblichen Aufwand nach sich zieht und für geringe Stückzahlen nicht wirtschaftlich ist. In Deutschland beschäftigen sich beispielsweise Citysax und die German E-Cars mit Umrüstungen oder der Nutzung von Serienfahrzeugen als Basismodell.
Angesichts der vorangehend angedeuteten konstruktiven Randbedingungen ist die Umrüstung eines herkömmlichen Automobils zum Elektroauto jedoch im Hinblick Wirtschaftlichkeit (Umbaukosten) nur bedingt abhängig von weiteren Umständen (Ladeinfrastruktur, Fahrzeugverfügbarkeit etc.) sinnvoll. Die Nutzung von Gebrauchtfahrzeugen kann die Kosten deutlich senken.
Internationale Normierung und Fahrzeugstandards
Durch einheitliche Vorschriften soll die internationale Wettbewerbsfähigkeit und damit auch die Wirtschaftlichkeit und Verbreitung von Elektrofahrzeugen erhöht werden. Die EU, die USA und Japan haben daher ihre Pläne für eine internationale Übereinkunft am 17. November 2011 in Brüssel vorgestellt und wollen nun auch andere Länder für das Projekt gewinnen. Konkret sollen zwei informelle Arbeitsgruppen für Elektrofahrzeuge im Rahmen des Übereinkommens über globale technische Regelungen von 1998 eingerichtet werden, die sich jeweils mit Sicherheits- und Umweltaspekten der Fahrzeuge befassen und internationale Regelungsansätze austauschen und ausarbeiten sollen.[183][184]
Wirtschaftlichkeit
Elektrofahrzeuge weisen durch den um mehr als Faktor drei energieeffizienteren Antriebsstrang einen deutlich niedrigeren Energieverbrauch auf als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Bei einem Treibstoffverbrauch von 6 Litern und einem Benzinpreis von 1,40 €/Liter betragen die Energiekosten eines Mittelklassewagens mit Verbrennungsmotor etwa 8,4 €/100 km. Ein vergleichbares Elektrofahrzeug benötigt für die gleiche Fahrleistung etwa 16 kWh, womit bei diesem Benzinpreis die Energiekosten eines Elektrofahrzeug bis zu einem Strompreis von etwa 50 ct/kWh günstiger sind als bei einem Benzinfahrzeug.[186] Dem stehen deutlich höhere Anschaffungskosten von Elektrofahrzeugen gegenüber, an denen, sowohl die geringen gefertigten Stückzahlen, als auch die Akkumulatoren ihren Anteil haben. Renault und Smart bieten für die Akkus Mietmodelle an. Damit soll den Kunden das Risiko und vor allem die Angst vor frühzeitig verschleißenden Energiespeichern genommen werden. Außerdem wird der Kaufpreis des Fahrzeugs reduziert, jedoch bewegen sich bei höheren Grundinvestitionen die kilometerabhängigen Mietpreise oft in den gleichen Größenordnungen, wie die Kraftstoffkosten vergleichbarer Modelle.
Die Reparatur- und Wartungskosten von Elektroautos liegen deutlich unter den entsprechenden Kosten bei Autos mit Verbrennungsmotor, weil Elektroautos wesentlich einfacher aufgebaut sind und beispielsweise keinen Auspuff- oder Motorölwechsel benötigen.[190][191] Auch die Abgasuntersuchung entfällt. Es gibt Bestrebungen für Elektro- und Hybridfahrzeuge angepasste Hauptuntersuchungen anzubieten, die auch die elektrischen Antriebssysteme abdeckt.[192]
In einer Studie von 2011 stellte das Beratungsunternehmen McKinsey grafisch dar, welcher Fahrzeugtyp bei welchem Benzinpreis bzw. Akkupreis jeweils am wirtschaftlichsten ist. Demnach wäre bei einem Kraftstoffpreis von über 1 USD pro Liter und einem Akkupreis unter 300 USD pro kWh das batterieelektrische Auto am wirtschaftlichsten.[73][74] Tatsächlich lag zum Stand November 2013 der Kraftstoffpreis in vielen Ländern über 1 USD pro Liter, und der Akkupreis lag unterhalb von 200 USD pro kWh.[193]
Die Wirtschaftlichkeit des Elektroautos hängt auch von der Haltbarkeit der Traktionsbatterie ab. Sie wird in der Regel von den Akkuherstellern so definiert, dass sie als verschlissen gilt, wenn sie nur noch 80 % ihrer Nennkapazität bietet. Oft geben die Hersteller auch individuelle Grenzen an, teils deutlich geringere (z. B. 60 %).
Energiewirtschaftliche Aspekte und Elektromobilität
Elektromobilität ist ein politisches Schlagwort, das vor dem Hintergrund der Nutzung von Elektrofahrzeugen für den Personen- und Güterverkehr sowie der Bereitstellung der zum Aufladen am Stromnetz benötigten Infrastruktur genutzt wird. Das Wort Elektromobilität ist auch ein Sammelbegriff für die Besonderheiten sowie alternative Fahrzeug- und Verkehrskonzepte, aber auch Einschränkungen, die bei Elektrofahrzeugen im Alltag auftreten.
Weltweit gibt es einige Orte, in denen Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren nicht zugelassen sind und die oft als autofrei bezeichnet werden. Dazu zählen beispielsweise verschiedene schweizerische Orte. Zugelassen sind dort häufig nur Elektrofahrzeuge. Von diesen zumeist kleinen und schmalen Elektrofahrzeugen sind jedoch viele unterwegs, für Handwerker, als Lieferfahrzeuge, als Taxis oder Hotelzubringer. Auch auf den deutschen Nordsee-Inseln Helgoland, Juist und Wangerooge besteht gemäß StVO ein grundsätzliches Fahrzeugverbot. Die wenigen Fahrzeuge, die auf den Inseln verkehren dürfen, sind überwiegend Elektrofahrzeuge.
Energiebedarf: Anteil am Gesamtstromverbrauch
2006 verbrauchte der gesamte deutsche Personenverkehr auf der Straße 488 TWh Primärenergie.[194] Wegen der Wirkungsgradverluste beim Verbrennungsmotor entspricht dies etwa einer Elektroenergiemenge von rund 163 TWh für eine vollständige Elektrifizierung des Pkw-Parks. Im Vergleich dazu betrug die gesamte Bruttostromerzeugung 2009 in Deutschland 597 TWh.[195] Ohne Leitungs- und weitere Verteilverluste zu berücksichtigen, müsste die Stromerzeugung um etwa 27 % gesteigert werden. Dabei wird aber noch nicht berücksichtigt, dass der Stromverbrauch in den deutschen Raffinerien zur Diesel~ und Benzinproduktion deutlich sinken wird.
Im Falle der von der Bundesregierung für 2020 angestrebten Zahl von einer Million Elektroautos, was einem Anteil von etwa 2 % aller Fahrzeuge entspricht, sind rund 3 TWh an elektrischer Energie aufzubringen, was einem halben Prozent des derzeitigen deutschen Strombedarfs entspricht. Der gesamte, deutschlandweite elektrobetriebene öffentliche Nah- und Fernverkehr benötigt rund 15 TWh Strom pro Jahr, entsprechend knapp 3 % des Bruttostromverbrauchs.[196]
Positive Effekte im Stromnetz würden auch entstehen, wenn Elektroautos ihre Batterien in einem intelligenten Stromnetz gezielt nicht zu Zeiten laden, an denen der Strombedarf hoch ist und durch das Zuschalten von Spitzenlastkraftwerken (meist Kohle oder Gas) gedeckt werden muss, sondern zu Zeiten, in denen ein Überschuss an regenerativ erzeugtem Strom vorhanden ist. Dazu muss berücksichtigt werden, dass durch den bestehenden CO2-Handel in der Stromerzeugung die Nachfrage der Antriebsenergie als neuer Stromnachfrager im Stromnetz auftritt – ohne dass dafür mehr Zertifikate zugeteilt werden würden. Mit steigender Zahl der E-Fahrzeuge wird so zukünftig der Druck im Strommarkt erhöht. Jedoch ist das erst bei größeren Fahrzeugzahlen überhaupt relevant. DasÖko-Institut in Freiburg hat dazu im Auftrag des Bundesumweltministeriums im mehrjährigen Projekt OPTUM 2011 einen Abschlussbericht erarbeitet.[51][52][53]
Das Konzept „Vehicle to Grid“ (dt: „Fahrzeug ins Netz“) sieht vor, die Energiespeicher in Elektro- und Hybridautos für das öffentliche Stromnetz als Pufferspeicher nutzbar zu machen. Da auch Elektroautos mehr parken als fahren und die meiste Zeit mit einer Ladestation verbunden sein können, wäre es so möglich die Schwankungen bei der Erzeugung von Elektrizität aus erneuerbaren Energien zu puffern, oder Spitzenlasten auszugleichen. Nissan mit Nissan mit Leaf-to-Home in Japan und die Firma e8energy mit ihrem System DIVA in Deutschland[197][198] bieten bereits derartige Systeme für die Integration in einen Haus-Batteriespeicher an. Diese Betriebsweise erhöht allerdings den Akkumulatorenverschleiß, was bei einer weitergehenden externen Steuerung durch einen Energiedienstleister oder Netzbetreiber mit einem entsprechenden Abrechnungsmodell ausgeglichen werden müsste. Um damit die gesamte Pufferkapazität aller deutschen Pumpspeicherkraftwerke (etwa 37,7 GWh) zu erreichen, müssten sich etwa 3,77 Mio. Elektrofahrzeuge gleichzeitig mit je 10 kWh ihrer Batteriekapazität beteiligen.[Anmerkung 3] Bei oben angegebenen 15 kWh/100 km entspricht das ca. 65 km Reichweite. Eine Umstellung des kompletten deutschen Pkw-Bestands von ca. 42 Mio. Autos[199] auf Elektroautos würde diese Pufferkapazität schon ergeben, wenn im Schnitt jedes Fahrzeug nur 1 kWh (entsprechend 6,5 km Reichweite) als Puffer im Netz zur Verfügung stellt.[Anmerkung 4]
Ladestationen und Infrastruktur
Nahezu alle Elektroautos können an jeder normalen Haushaltssteckdose aufgeladen werden. Dabei dauert der Ladevorgang jedoch durch die begrenzte Leistungsfähigkeit mehrere Stunden. Da viele Fahrzeuge bei Nichtnutzung in Garagen oder fest auf zugewiesenen Stellplätzen untergebracht sind und Firmenfahrzeuge auf Firmenparkplätzen abgestellt werden, bieten sich diese Orte grundlegend auch als Ladeplatz an. Zudem ist dort oft zumindest eine Steckdose für das Niederspannungsnetz vorhanden. Die Fahrzeughersteller bieten mittlerweile auch Wandladestationenan. Damit lassen sich durch eigens zu installierende stärkere Anschlüsse, ähnlich einem Herdanschluss, auch deutlich kürzere Ladezeiten erzielen.
Eine im Haushaltsbereich übliche einphasige Steckverbindung mit einer Absicherung von 10 A erlaubt maximal die Übertragung von etwa 2,3 kW. Beim Laden an der Haushaltssteckdose muss beachtet werden, dass an diesen Stromkreis eventuell bereits andere Verbraucher im Haushalt angeschlossen sind. Dauerhaft über 6 Stunden mit 16 A belastbar ist der einphasige blaue CEE-Cara „Campingstecker“. Die im gewerblichen Bereich weit verbreiteten 3phasigen CEE-Drehstromsteckverbinder können bei einer Absicherung von 16 A etwa 11 kW übertragen, bei 32 A etwa 22 kW. Vereinzelt sind auch 63-A-Anschlüsse für eine Maximalleistung von etwa 43,5 kW vorhanden. Für die Ausnutzung dreiphasiger Anschlüsse ist im Fahrzeug dreiphasige Ladetechnik mit entsprechender Leistungsfähigkeit notwendig oder es sind Mehrfachladeanschlüsse realisierbar.
Für all diese Anschlüsse werden Adapaterkabel mit integrierter In-Kabel Kontrollbox (ICCB) angeboten. Bei regelmäßiger Nutzung kann auch auf mobile bzw. fest installierte Wandladestationen zurückgegriffen werden.
Öffentlich zugängliche Ladestellen
Im März 2015 standen in Deutschland über 4000[200] öffentliche Stromtankstellen zur Verfügung. Sie befinden sich jedoch überwiegend in Ballungsgebieten und größeren Städten.[201] Private Ladepunkte in Garagen und auf Grundstücken sind in diesen Zahlen nicht enthalten. Das Netz von öffentlich zugänglichen Aufladepunkten wird ausgebaut, erfordert jedoch bei längeren Reisen eine vorbereitende Ladeplanung. Viele Ladestellen fordern eine vorherigen Anmeldung beim Ladestellenbetreiber mit den verschiedensten vorher zu recherchierenden Identifizierungsverfahren. Nicht alle Ladestellen sind täglich rund um die Uhr zugänglich. Auch die verfügbaren Anschlüsse/Steckersysteme vor Ort gilt es zu berücksichtigen. Zudem schlägt sich Leistungsfähigkeit der Ladesäule und der im Fahrzeug verbauten Ladetechnik direkt in der Ladezeit nieder, was vor allem auf längeren Fahrten mit Lade-Zwischenstopps sehr stark zum Tragen kommt.
In Europa wird mit der Richtlinie 2014/94/EU der Ladestandard CCS (Combined Charging System), der verschiedene Wechselstrom- und Gleichstromladeverfahren mit seinen Steckertypen Typ 2 und Combo 2 ermöglicht, eingeführt. Er wird von den europäischen Automobilherstellern unterstützt. Während die Wechselstromladung mit dem Typ 2 bereits etabliert war, wurde im Juni 2013 eine erste öffentliche 50-kW-Gleichstrom-Ladestation in Wolfsburg eingeweiht.[202] Auch erste Fahrzeuge mit aufpreispflichtiger Gleichstrom-CCS-Zusatzaustattung sind verfügbar, jedoch bietet (Stand April 2016) kein Hersteller das CCS-Gleichstromladen fahrzeugseitig serienmäßig an.
Seit dem 17. März 2016 gilt in Deutschland die Verordnung über technische Mindestanforderungen an den sicheren und interoperablen Aufbau und Betrieb von öffentlich zugänglichen Ladepunkten für Elektromobile (Ladesäulenverordnung – LSV). Sie setzt die EU-Vorgaben in deutsches Recht um und trifft zusätzliche Festlegungen. Die eingeführten Regelungen für die Errichtung und den Betrieb von Ladesäulen waren zuvor in der Entwurfsphase kontrovers diskutiert worden.[203][204]
Es gibt auch Überlegungen den europäischen CCS- und den japanischen CHAdeMO-Standard an kombinierten Ladesäulen anzubieten.[205]
Einige Arbeitgeber, Restaurants, Parkhausbetreiber, Einkaufszentren und Einzelhändler bieten bereits heute Lademöglichkeiten an, die entweder kostenloses Laden ermöglichen oder ein standardisiertes Abrechnungsverfahren über Ladeverbünde nutzen. Seit vielen Jahren gibt es in Deutschland auch das ursprünglich in der Schweiz entstandene Park & Charge-System der öffentlichen Stromtankstellen für E-Mobile. Die Tankstellen sind über einen europaweit einheitlichen Schlüssel zugänglich und liefern je nach Ausführung und Absicherung standardmäßig 3,5 kW oder 10 kW. Eine Authentifizierung über weit verbreitete Bankomatkarten ist jedoch auch eine mögliche Lösung. Auch das nichtkommerzielle Drehstromnetz.de[206] als Ladenetz auf Gegenseitigkeit ermöglicht das Nachladen von Elektrofahrzeugen ohne vorherige Anmeldung. Die Ladepunkte verfügen über mindestens 10 kW starke Drehstromanschlüsse mit den genormten roten CEE-Steckverbindungen.
Induktives Laden und Oberleitungen
Ein berührungsloses (ohne offene Kontakte) jedoch kabelgebundenes induktives Ladesteckersystem war bereits in den 1990er Jahren beim General Motors EV1 realisiert worden.
Eine Vision ist, das Ladesystem für Elektroautos in die Fahrbahn einzubauen. Während der Fahrt oder beim Parken kann dann mittels Induktion Energie berührungslos übertragen werden. Diese Systeme werden bisher nur im geschlossenen industriellen Bereich[209] und bei Buslinien realisiert. Das induktive Aufladen an Haltestellen wird beispielsweise seit 2002 in Genua und Turin praktiziert[210][211] und seit März 2014 bei Braunschweiger Verkehrsbetrieben an einer Batteriebuslinie mit Fahrzeugen von Solaris in der Praxis erprobt.[212] Auch die US-Firma Proterra testet Batteriebusse mit Aufladestationen an den Haltstellen.[213][214]
Bei Versuchen mit Kondensatorspeichern in Shanghai wurden kurze Oberleitungsstücke an den Haltstellen installiert, die vom Bus mit ausfahrbaren Bügeln erreicht werden. Ein ganz ähnliches Prinzip gab es in den 1950ern bereits mit den Gyrobussen, jedoch wurde dort die Energie in Schwungrädern gespeichert. Gerade beim ÖPNV mit festen Haltestellen bietet dieses Verfahren der kurzen Zwischenlandungen gut planbar die Möglichkeit, die notwendige Akkukapazität und damit die Fahrzeugkosten deutlich zu verringern, ohne die Autonomie der Fahrzeuge zu stark zu beschränken.
Auch Oberleitungsnetze sind im städtischen Personennahverkehr nicht unbekannt. Einige Verkehrsunternehmen können auf eine lange Geschichte beim Einsatz von Oberleitungsbussen zurückblicken. In neuerer Zeit gibt es Vorschläge derartige Systeme z.B. für Lastkraftwagen auf den Lastspuren auf Autobahnen einzusetzen.[215]
Verkehrsfinanzierung und Steuern
Mit einem zunehmenden Anteil von Elektrofahrzeugen am Straßenverkehr wird es zu einem Umbau der Straßenfinanzierung kommen. Derzeit werden in Deutschland auf Kraftstoffe Energiesteuern (früher: Mineralölsteuer) erhoben. Aufgrund des geltendenGesamtdeckungsprinzips können diese abgeführten Steuern nicht zweckgebunden mit den Aufwendungen für die Erhaltung und/oder Modernisierung von Straßen und Infrastruktur gegengerechnet werden. Die Energiesteuern betragen bei Benzin derzeit 7,3 Ct/kWh, bei Diesel 4,7 Ct/kWh, Autogas mit 1,29 Ct/kWh. Strom ist in Deutschland heute zu etwa 40 % mit Steuern und Abgaben belastet. Bei einem durchschnittlichen Strompreis von 29,14 Ct/kWh (Stand 2014) entfallen 3,84 Ct/kWh auf allgemeine Steuern (Stromsteuer und Konzessionsabgabe). Daneben enthält der Strompreis auch noch verschiedene Abgaben[Anmerkung 5] in Höhe von 6,77 Ct/kWh für die Energiewende, an der sich der fossil betriebene Fahrzeugpark nicht beteiligt. Bei allen Energieformen fällt außerdem noch die Umsatzsteuer an.
Aufgrund des geringeren Energiebedarfs des Elektrofahrzeugs ergeben sich deutlich geringere Steuereinnahmen pro gefahrenem Kilometer. Bei steigendem Bestand an Elektrofahrzeugen ergeben sich mit den derzeitigen Steuersätzen also geringere Einnahmen für den allgemeinen Staatshaushalt durch das Fahren mit dem Auto. Berücksichtigt man allerdings, dass Elektroautos bis in absehbare Zeit in der Anschaffung deutlich teurer sein werden als Benziner, so nimmt die Staatskasse beim Kauf eines Elektroautos mehr Umsatzsteuer ein als beim Kauf eines Benziners. Auch arbeitet die Bundesregierung mit der Pkw-Maut bereits an neuen Einnahmemodellen.
Energieautarkie
Autos mit Verbrennungsmotoren benötigen Benzin oder Dieselöl, ein Elektroauto benötigt elektrischen Strom. Elektrische Energie wird in den meisten Staaten in geringerem Maße importiert beziehungsweise durch einen geringeren Anteil an importierten Energieträgern erzeugt, als dies für die Herstellung von Benzin oder Dieseltreibstoff nötig ist. Einige Staaten, wie z. B. Norwegen mit hohem Wind- und Wasserkraftpotenzial, haben die Möglichkeit, theoretisch ohne den Import von Energieträgern auszukommen.[216]
Elektrizität kann aber auch lokal und dezentral z. B. durch erneuerbare Energien erzeugt werden. So kann beispielsweise ein Grundstücks- oder Hausbesitzer mit den entsprechenden Gegebenheiten seinen Strombedarf selbst zu einem großen Teil decken (s. a.Energieautarkie).[217]
Motorsport
Peugeot und Toyota stellten die Tauglichkeit von rein elektrisch angetriebenen Rennwagen bei Rekordfahrten auf dem Nürburgring unter Beweis. Am 27. April 2011 umrundete der Peugeot EX1 die 20,8 km lange Nürburgring Nordschleife in 9:01,338 min, der Toyota TMG EV P001 verbesserte diesen Wert am 29. August 2011 auf 7:47,794 min.[218]
Beim Bergrennen Pikes Peak war 2013 erstmals ein Elektromotorrad (Lightning Electric Superbike) mit einer Zeit von 10:00,694 Minuten Sieger in der Gruppe aller Motorräder. Am 28. Juni 2015 konnte am Pikes Peak erstmals ein Elektroauto das Rennen über alle Klassen gewinnen. Auch der zweite Platz wurde von einem Elektroauto errungen. Bereits im Jahr 2014 hatten Elektroautos die Plätze 2 und 3 erreicht.[219][220]
Daneben gibt es viele Wettbewerbe für elektrische Fahrzeuge, bei denen Alltagstauglichkeit und Reichweite im Vordergrund stehen, weniger das Geschwindigkeitserlebnis an sich.