Die Vorteile und Herausforderungen von Elektrofahrzeugen

Während die Welt versucht, die Umweltverschmutzung einzudämmen und zu nachhaltigeren Verkehrsmitteln überzugehen, setzen viele Menschen ihre Hoffnungen auf den Erfolg von Elektrofahrzeugen (EVs).

Im Hinblick auf einen umweltfreundlicheren Verkehr bieten sie sicherlich eine Reihe von Vorteilen gegenüber den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (ICEs). Der wichtigste Pluspunkt ist die Vermeidung der Verwendung von kohlenwasserstoffbasierten fossilen Brennstoffen, die Quelle für einen Großteil der menschengemachten Erzeugung von Treibhausgasen auf der Welt, sowie andere schwerwiegende Schadstoffe wie Kohlenmonoxid, Distickstoffmonoxid und luftübertragener Feinstaub.

Im Jahr 2020 haben Autos rund 7,3 Milliarden Tonnen CO₂ erzeugt, was etwa 41 % des gesamten Verkehrssektors ausgemacht hat. Im Gegensatz dazu hat der Luftverkehr dank des Fokus vieler Menschen auf die Emissionsreduktion nur acht Prozent der gesamten CO₂-Emissionen im Verkehrssektor ausgemacht. [1]

Da viele Städte und lokale Behörden versuchen, durch die Schaffung von Niedrigemissionszonen die Nutzung von ICE-Fahrzeugen zu vermeiden, haben Elektrofahrzeuge für die Nutzer den zusätzlichen Vorteil, dass keine Gebühren für die Zufahrt zu diesen Zonen erhoben wird. Weitere Anreize für EV-Fahrer sind die niedrigeren Betriebskosten. Im Durchschnitt kostet ein Elektroauto weniger als 1,48 € auf 160 Kilometern, verglichen mit 12,58 € bei einem benzinbetriebenen Auto. [2]

Ein weiterer Vorteil für umweltbewusste Autofahrer sind die Tarife für erneuerbare Energien, die von einigen Stromversorgern angeboten werden. Elektrofahrzeuge können auch ein besseres Fahrerlebnis bieten, mit einer reaktionsschnelleren Beschleunigung und Motoren, die von der regenerativen Bremsung profitieren können, um Energie beim Abbremsen zurückzugewinnen. Elektrofahrzeuge haben auch einen niedrigeren Schwerpunkt, da sich die schweren Batteriepacks tief in der Fahrzeugkarosserie befinden, was das Fahrverhalten, den Komfort und die Sicherheit verbessert. Sie sind auch leiser als ICE-Fahrzeuge und verringern die Lärmbelastung in den Städten.

Auch aus mechanischer Sicht sind Elektrofahrzeuge wesentlich einfacher aufgebaut, insbesondere rein batteriebetriebene Fahrzeuge mit einem vollständig elektrischen Antriebsstrang. Mit viel weniger beweglichen Teilen kann weniger falsch laufen.

Da die Behörden versuchen, die weitere Verbreitung von Elektrofahrzeugen zu fördern, kann man mit EVs auch häufig von staatlichen Zuschüssen profitieren. In einigen Städten gibt es zudem oft kostenlose oder spezielle Parkplätze für Elektrofahrzeuge, da die Stadtverwaltungen Fahrer davon abhalten möchten, mit ICE-Fahrzeugen in die Stadtzentren zu fahren.

Neben dem Zuckerbrot in der Form der monetären Anreize gibt es auch die Peitsche der Verbote – der Verkauf von neuen ICE-Fahrzeugen wird zunehmend eingeschränkt oder verboten. Doch selbst hier gibt es einen Vorteil für Fahrer, die frühzeitig umsteigen – mit einem vollständigen Verbot in Großbritannien ab 2030 werden Elektrofahrzeuge einen besseren Weiterverkaufswert behalten, da mehr Fahrer versuchen werden, bei einem Mangel anderer Optionen Zugriff darauf zu erhalten.

Herausforderungen bei der Einführung von Elektrofahrzeugen

Neben den Vorteilen, welche die Einführung von Elektrofahrzeugen fördern, gibt es auch einige Hindernisse für ihre breitere Nutzung. Vier der wichtigsten sind die Ladeinfrastruktur, die Leistung von Elektrofahrzeugen, die Verfügbarkeit und die Erschwinglichkeit.

Ladeprobleme waren ein wesentliches Hindernis für die Ausweitung der Popularität von Elektrofahrzeugen, wobei die besonderen Nachteile für die Fahrer die unzureichende Infrastruktur, die langsamen Ladegeschwindigkeiten, die Kosten für Ladegeräte und der Mangel an Ladestandards waren. Fahrer von Elektrofahrzeugen leiden immer noch unter Reichweitenproblemen und der Sorge, dass die Batterie leer ist, bevor sie die nächste Ladestelle erreichen können.

Diese Angst könnte der Grund dafür sein, dass das Interesse an Hybridtechnologie in den meisten Märkten viel größer ist und so die Nachfrage nach batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEVs) deutlich übertrifft.

Laut der Global Automotive Consumer Study 2023 von Deloitte [3] erwarten die meisten potenziellen Käufer von Elektrofahrzeugen, dass sie ihre Elektrofahrzeuge zu Hause aufladen können, und nur 16 % der potenziellen Käufer von Elektrofahrzeugen in den USA gehen davon aus, dass sie öffentliche Ladegeräte als ihre übliche Ladeoption verwenden. EV-Hersteller fordern auch DC/DC-Ladekompatibilität, damit ein 400 V-DC-Ladegerät eine 800 V-Batterie aufladen kann, um die Lücken in der 800 V-Ladenetzverfügbarkeit zu verringern. Dies wird das Marktwachstum unterstützen, indem den Fahrern eine größere Auswahl an Lademöglichkeiten geboten wird.

Die Zeit zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs wurde ebenfalls als Nachteil genannt und es wurde viel Aufmerksamkeit auf Schnellladegeräte gelegt, die das Warten erheblich reduzieren und es auf eine Stufe mit dem Betanken eines ICE-Fahrzeugs stellen. Die Erkenntnisse im Deloitte-Bericht deuten jedoch darauf hin, dass dieser Faktor überbewertet wurde und die Fahrer bereit waren, wesentlich länger als 10 Minuten auf die Aufladung ihrer Batterien zu warten.

Leistung ist eine weitere Herausforderung. Drehzahl und Drehmoment eines Motors sind umgekehrt proportional und werden durch die Gesamtleistung des Motors begrenzt. Dies stellt eine Herausforderung dar, die nur schwer kostengünstig zu lösen ist.

Die Bereitstellung hocheffizienter Leistung von den Batterien für die Lasten des Fahrzeugs wird auch immer wichtiger, da Komfortaspekte wie aktive Federung, beheizte Sitze und Hinterachslenkung weitere Leistungsanforderungen stellen.

Fahrzeughersteller erkennen, dass die 12 V-Architektur bis zum Äußersten entwickelt wurde. Sie sind jetzt eher bereit, innovative Ansätze zu nutzen, um eine bessere Leistung bereitzustellen. Auch heute noch verfügen Elektrofahrzeuge über eine 12 V-Batterie, die nicht antriebsbezogene Funktionen wie Scheibenwischer, Sitzkomfortregler und Infotainment mit Strom versorgt.

Einige Hersteller ersetzen die 12 V-Batterie durch eine 48 V-Batterie für ihre neuesten Modelle. Die Frage dabei ist, warum erstellt man nicht eine virtuelle Batterie aus dem primären 400 V- oder 800 V-Batteriepack des Fahrzeugs, anstatt sich auf eine separate 12 V-Batterie zu verlassen? Dies würde es den Herstellern ermöglichen, das Gewicht in ihren Fahrzeugen wesentlich zu reduzieren und gleichzeitig die Kosten für Technik, Lieferketten und die Lagerung von Ersatzteilen zu rationalisieren.

Weitere Leistungsprobleme sind die Batteriekapazität und die Reichweite, die diese bieten können. Beispielsweise reichen die Batteriekapazitäten aktueller Elektrofahrzeuge von lediglich 17,6 kWh im Smart EQ ForTwo mit einer Reichweite von nur 93 km bis zu 100 kWh im Tesla Model S, das eine maximale Reichweite von 564 km bietet.

Das Batteriedesign erfährt zum Beispiel eine große Innovation in neue Chemie und Konstruktionsmethoden. Obwohl diese Entwicklungen noch in den Kinderschuhen stecken, gibt es bereits vielversprechende Ergebnisse.

Das Battery Swapping, ein gängiges Konzept in China, zielt darauf ab, Ängste in Verbindung mit der Reichweite zu vermeiden. Dabei können Elektroautos ihre Reichweite erhöhen, indem sie an einer Wechselstation eine entladene Batterie gegen eine aufgeladene austauschen.

Elektrofahrzeuge verbrauchen mehr als 50 kW elektrische Leistung, verglichen mit weniger als 3 kW eines ICE-Fahrzeugs. Der fast 20-fache Anstieg der Leistung erfordert kompakte Energielösungen, um Platz und Gewicht zu reduzieren. Die Reduzierung der Größe und des Gewichts des Stromversorgungsnetzes sind wesentliche Faktoren. Zum Beispiel liefert der Vicor BCM6135 2,5 kW Leistung von einem Gerät, das nur 65 Gramm wiegt und in eine Hand passt.

Die begrenzte Verfügbarkeit von Elektrofahrzeugen gehört ebenfalls zu den größten Hindernissen für die Einführung von Elektrofahrzeugen. Heute sind in Nordamerika nur 29 vollelektrische Kfz-Modelle verfügbar. Im Gegensatz dazu gibt es mehr als 400 verschiedene Modelle bei den kraftstoffbasierten Alternativen.

Die Frage der Erschwinglichkeit wird weitgehend von den Kosten des Antriebs bestimmt – durchschnittlich 51 % der Gesamtkosten im Vergleich zu 18 % der Gesamtkosten für Antriebsstränge von Verbrennungsmotoren. Bemühungen, die Größe und das Gewicht des Stromversorgungsnetzes zu reduzieren, werden wesentliche Faktoren für den ultimativen Erfolg von Elektrofahrzeugen sein.

Nachweis der Leistung

Das Vertrauen der Nutzer von Elektrofahrzeugen ist ein wesentlicher Faktor für die weitere Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Die Fahrer müssen wissen, dass Elektrofahrzeuge die geforderte Reichweite, Leistung, Zuverlässigkeit und Fahreigenschaften aufweisen.

Dies erfordert ein strenges Testregime mit Elektronikentwicklern, die für jeden Testanwendungsfall eine spezielle Messtechnik benötigen.

Die vier wichtigsten Teilsysteme, die Hersteller testen müssen, sind:

Laden – Batterie, Ladeüberwachungssysteme und regenerative Bremsung
Antrieb – Leistungswechselrichter-Teilsystem für die Leistungsbereitstellung und zugehörige Steuersignale
Motoren – Dreiphasige bürstenlose DC-Motoren, die in verschiedenen Anwendungen wie Fenstern und Klimaanlagen verwendet werden
Lenkanlagen – Lenkcharakteristik und elektronische Servolenkung

Neben Forschungs- und Entwicklungstests besteht die Notwendigkeit, Elektrofahrzeuge während ihrer Produktion zu testen. Dies erfordert eine neue Generation tragbarerer Messtechnik, welche die Prüfung verschiedener Parameter im Fahrzeug vor Ort ermöglichen und unter verschiedenen Klima- und Straßenbedingungen betrieben werden können.

Autonome Fahrzeuge nutzen außerdem zunehmend Sensoren, die auch gewartet werden müssen, wobei spezielle Sensoren wie LIDAR Geräte optische Spektrumanalysatoren benötigen, um ihre Leistung und Genauigkeit zu beurteilen.

Fazit

Trotz der großen Vorteile, die Elektrofahrzeuge bieten, bleiben Herausforderungen in kritischen Bereichen wie der Ladezeit des Fahrzeugs, der Reichweite und dem Zugang zu effizienten Elektrofahrzeug-Ladestationen bestehen. Die Massenelektrifizierung der Verkehrsmittel ist jedoch in vollem Gange. Entwickler können die Herausforderungen mit den Technologien, die sie haben, bewältigen, aber letztendlich werden die Masseneinführung und der Einsatz nur dann effektiv und profitabel sein, wenn Regierungen und Vorschriften dies unterstützen und wenn EV-Anbieter sicherstellen können, dass die Nutzer das entsprechende Vertrauen in die Fahrzeuge haben, die sie benötigen.