B
ATTERIEELEKTRISCHE
F
AHRZEUGE IM
GEWERBLICHEN
F
LOTTENBETRIEB
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Alexandra Schulz
geb. in Berlin
von der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing. –
genehmigte Dissertation
P
ROMOTIONSAUSSCHUSS:Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Dietmar Göhlich Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Volker Schindler Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Ralph Pütz
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 26.03.2015
III
Zusammenfassung
Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht vor, die Treibhausgasemissionen bis 2020 um 40 % zu senken. Der Endenergieverbrauch im Verkehrsbereich soll zeitgleich um bis zu 10 % zurückgehen. Energieeffiziente Fahrzeuge wurden hierfür als Schlüsselelement identifiziert und im Nationalen
Entwicklungsplan Mobilität (NEP) genauer spezifiziert. Hiernach sollen bis 2020 eine Million
E-Fahrzeuge auf deutschen Straßen fahren, ein Teil davon rein batterieelektrische E-Fahrzeuge. Diese haben im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen den Vorteil lokaler Emissionsfreiheit und können bei Nutzung von Strom aus regenerativen Energiequellen zur Unabhängigkeit von Erdölimporten beitragen. Dem gegenüber stehen derzeit vor allem Nachteile hinsichtlich der begrenzten Reichweite durch die Batterie, welche sich einerseits noch auf hohem Kostenniveau befindet und andererseits in Hinblick auf Zuverlässigkeit und Alterungsverhalten noch Gegenstand aktueller Forschung ist.
Gewerbliche Fahrzeuge, die bis zu 60 % aller Neuzulassungen ausmachen, scheinen aus mehreren Gründen für den Einsatz von E-Fahrzeugen besonders geeignet. Vor allem die bessere Planbarkeit der Routen, die Möglichkeit auf betriebseigenem Gelände die erforderliche Infrastruktur zu schaffen und für längere Fahrten auf konventionell angetriebene Flottenfahrzeuge zurückzugreifen, tragen dazu bei. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob und wie E-Fahrzeuge im gewerblichen Verkehr eingesetzt werden können. Dabei wird untersucht, welche Konfiguration (v.a. in Hinblick auf die Batteriedimensionierung) ein solches Fahrzeug haben muss, um bei Erfüllung des definierten Einsatzzweckes eine praktikable und ökonomisch sinnvolle Lösung darzustellen. Grundlage für die Untersuchung ist ein Total-Cost-of-Ownership-Modell (TCO), das auf Basis relevanter Parameter die Gesamtkosten eines E-Fahrzeugs sowie die eines konventionellen Vergleichsfahrzeugs bestimmt. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt dabei den Einfluss der Prognose von Batterie- und Kraftstoffpreisentwicklung sowie der Annahmen über die Restwertentwicklung.
Angewandt wird das Modell auf drei Fallbeispiele aus dem gewerblichen Verkehrssektor. Für die Flotten aus den Bereichen Kurier-, Express- und Paketdienste (KEP), Pharmalogistik und Taxibetrieb liegen von Datenloggern aufgezeichnete Fahrprofile vor, die Geschwindigkeiten und GPS-Koordinaten enthalten. Diese werden hinsichtlich des Reichweitenbedarfs und limitierender Randbedingungen ausgewertet. Die daraus abgeleiteten, individuellen Fahrzeugkonfigurationen werden mit Hilfe des TCO-Modells und der Bewertung relevanter Einsatzparameter wie z.B. der erforderlichen Fahrzeug-klassen, Lademöglichkeiten, Routenplanung und Auslastung auf ihre Eignung für den Einsatz in der konkreten Flotte untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von E-Fahrzeugen nur in wenigen Fällen eine ökonomisch sinnvolle Lösung darstellt. Grundsätzlich wirken sich eine lange Haltedauer und hohe Fahrleistungen bei Ausschöpfung der zur Verfügung stehenden Reichweite positiv auf die Bilanz aus. Eine Modularisierung der Fahrzeuge, die individuelle Batteriekapazitäten zur optimalen Ausnutzung derselben ermöglicht, erhöht die Anzahl passender Alternativen. Die Nutzung von Schnellladestationen erwies sich in den betrachteten Fällen nur dann als effektiv, wenn regelmäßig Pausen unter zehn Minuten zum Nachladen genutzt werden können. Der Rückgriff auf konventionelle Fahrzeuge für lange Einzel- oder Tagesfahrstrecken war in allen betrachteten Fällen notwendig, so dass die Integration von E-Fahrzeugen eine Umstrukturierung der bisherigen Abläufe erfordert.
V
Abstract
The German government's energy concept proposes to lower greenhouse gas emissions by 40% until 2020. Within the same time span, consumption of final energy is to decrease by 10%.
Energy efficient vehicles have been identified as key elements for achieving this target. Those vehicles have been specified in more detail in the '(German) National Plan for Mobility Development' (NEP – Nationaler Entwicklungsplan Mobilität). According to this plan, one million electric vehicles are supposed to be driving on German roads in 2020; a part of them purely battery electric vehicles. These have the advantage of a complete absence of local emissions when compared to conventional vehicles and can contribute to independence from oil imports when charged with electricity from renewable energy sources. Disadvantages mainly consist of limited range due to the battery, which is still very expensive and also subject of current research with regard to reliability and ageing behaviour.
Commercial vehicles (which account for up to 60% of registration of new vehicles) seem especially well suited to the use of electric vehicles for several reasons. Above all, better predictability of itineraries, the possiblity of creating necessary infrastructure on company premises and the ability to fall back on conventionally powered fleet vehicles when driving longer routes contribute to those reasons. This paper concerns itself with the question whether and in which way electric vehicles may be used in commercial traffic. To this end, it examines which configuration (especially with regard to battery dimensioning) such a vehicle should have to present a practical and economically reasonable solution while fulfilling its defined purpose. The basis of this examination is a 'total cost of ownership' model (TCO), which on the basis of relevant parameters determines the total costs of an electric vehicle as well as those of a conventional comparison vehicle. A sensitivity analysis shows the influence of predicted price development of batteries and fuel as well as assumptions regarding development of residual value.
This model is applied to three sample cases from commercial traffic. Driving profiles recorded by data loggers containing velocity and GPS coordinates for fleets from the areas of courier, express and parcel (CEP) services, pharmaceutical logistics and taxi services are available. Those are analysed with regard to range demands and limiting conditions. Individual vehicle configurations resulting from this are examined for their suitability for use within a specific fleet using the TCO model and evaluation of relevant operation parameters as for example necessary vehicle size classes, loading facilities, itineraries and utilization.
The results show that the use of electric vehicles only in a few cases presents an economically valid solution. Basically, long ownership and high driving performance while exhausting available range has positive effects on the balance. Modularization of vehicles allowing individual battery capacities for ideal utilization of those capacities increases the number of suitable alternatives.
The use of fast-charge stations showed itself to be efficient in the analysed cases only when breaks under ten minutes duration could regularly be used for charging. In all analysed cases, recourse to conventional vehicles for long drives (either single drives or longer day itineraries) was necessary, so that the inclusion of electric vehicles requires restructuring of former processes.
VII
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Kraftfahrzeuge der TU Berlin.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Volker Schindler, dessen Denkanstöße und kritische Anmerkungen diese Arbeit sehr bereichert und mich immer wieder auf wertvolle neue Ideen gebracht haben. Sein Vertrauen in meine Fähigkeiten und seine stets für mich „offene Tür“ bei allen Fragen und Problemen haben ebenfalls sehr zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen.
Bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Ralph Pütz möchte ich mich dafür bedanken, dass er sich bereit erklärt hat, das Zweitgutachten für diese Arbeit zu erstellen. Herrn Prof. Dietmar Göhlich danke ich für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes.
Weiterhin danke ich allen meinen Kolleginnen und Kollegen aus dem Fachgebiet für ihre Unterstützung, ganz besonders Dr. Gerd Müller, mit dem ich jahrelang das Büro und viele Motivationshochs und -tiefs dieser Arbeit geteilt habe. Ebenfalls danken möchte ich Prof. Dr. Stefanie Marker, Fabian Schüppel und Paul Waldowski, mit denen ich im Projekt NET-ELAN zusammengearbeitet habe, das für diese Arbeit zahlreiche wichtige Erkenntnisse und Impulse geliefert hat.
Meinem Mann Dr. Alexander Eisenach danke ich sehr für seine uneingeschränkte Unterstützung, seine uhrzeitunabhängige Bereitschaft zu fachlichen Diskussionen und dafür, dass er es geschafft hat, mich immer wieder neu zu motivieren.
IX
Inhalt
1. Einleitung ... 1
1.1. Ausgangslage und Motivation ... 1
1.2. Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit ... 4
2. Stand der Technik ... 7
2.1. Batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) ... 9
2.2. Batterietechnologie ... 14
2.3. Ladekonzepte ... 19
2.4. Potentielle Nutzer ... 22
3. Analyse gewerblicher Fahrzeugflotten ... 27
3.1. Motivation für die Anschaffung von E-Fahrzeugen ... 28
3.2. Aktivitäten zur Effizienzsteigerung ... 32
3.3. Bisherige Flottenversuche und Erfahrungen ... 34
3.3.1. Kurier-, Express- und Paketdienste ... 37
3.3.2. Taxi ... 40
3.3.3. Carsharing ... 42
3.4. Aspekte zur Akzeptanz von BEV ... 47
4. Methode zur Bewertung des Elektrifizierungspotentials ... 51
4.1. Ermittlung der Flottenprofile ... 52
4.1.1. Relevante Eigenschaften von Flottenfahrzeugen und -management... 52
4.1.2. Untersuchung der Einsatzprofile auf Grundlage realer Fahrdaten ... 59
4.2. Wirtschaftlichkeitsanalyse auf Grundlage der Total Cost of Ownership ... 62
4.2.1. Statistische TCO-Berechnungen ... 62 4.2.2. Individuelle TCO-Berechnungen ... 66 4.2.3. Berechnungsmodell ... 68 4.2.4. Sensitivitätsanalysen ... 77 4.3. Fehlerabschätzung ... 83 5. Ergebnisse ... 85
5.1. TCO in Abhängigkeit von Reichweite, Haltedauer und Jahresfahrleistung ... 85
5.2. Fallbeispiele ... 87
5.2.1. Paketdienst ... 88
5.2.2. Pharmalogistik ... 96
5.2.3. Taxi ... 104
5.3. Zusammenfassung ... 112
6. Handlungsempfehlungen und Ausblick ... 115
6.1. Handlungsempfehlungen für den erfolgreichen Einsatz von BEV ... 115
X
8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ... 133 9. Anhang... 139
XI
Abkürzungsverzeichnis
AC / DC alternating current / direct current [engl.], Wechselstrom / Gleichstrom BEV Battery Electric Vehicle [engl.], Batterieelektrisches Fahrzeug
DOD Depth of Discharge [engl.], Entladungstiefe (der Batterie) KEP Kurier-, Express- und Paketdienste
KiD Kraftfahrzeugverkehr in Deutschland (bundesweite Verkehrsbefragung) NEP Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität
NPE Nationale Plattform Elektromobilität
PHEV Plug-In Hybrid Vehicle [engl.], Hybridfahrzeug mit direkt aufladbarer Batterie REEV Range Extended Electric Vehicle [engl.], Elektrofahrzeug mit zusätzlicher
Verbrennungskraftmaschine zur Reichweitenverlängerung SOC State of Charge [engl.], Ladezustand (der Batterie)
SOH State of Health [engl.], „Gesundheitszustand“ (der Batterie); gibt Auskunft über die Fähigkeit einer gebrauchten Batterie die (Leistungs-)Spezifikationen im Vergleich zu einer neuen Batterie zu erreichen
TCO Total Cost of Ownership [engl.], Gesamtkosten (hier: eines Fahrzeugs) über die gesamte Nutzungsdauer
1. Einleitung
1.1. Ausgangslage und Motivation
130 Jahre nachdem das erste Elektrofahrzeug durch die Hallen der Elektrizitätsmesse in Paris rollte1,
wird der strombetriebene Pkw nach vielen Jahrzehnten wieder zu einer Alternative im Bestreben um eine ökologisch vertretbare, nachhaltige und erdölunabhängige Mobilität. Trotz naheliegender Vorteile wie (lokal) emissionsfreiem und leisem Fahren, hoher Stromverfügbarkeit und angenehmem Fahrverhalten, wurde das Elektrofahrzeug nach einem Boom um 1900 vom verbrennungsmotorisch angetriebenen Fahrzeug verdrängt. Nach dem großen Durchbruch der Benziner um 1930 fristeten die E-Fahrzeuge spätestens seit Ende des Zweiten Weltkriegs nur noch ein Nischendasein.
Zu Zeiten der Ölkrise in den 70er Jahren gab es in Form von umgebauten Serienfahrzeugen und Konzeptwagen diverse Versuche an die frühen Erfolge des E-Fahrzeugs anzuknüpfen. So wurde beispielsweise in Amsterdam das erste Car-Sharing-Projekt der Welt „Witkar“ mit 35 Elektroautos erprobt (BENDIXSON und RICHARDS 1976). Die E-Mobile waren verteilt auf etliche Ladestationen in der Stadt. Mitglieder konnten sich jederzeit ein Auto ausleihen und es an irgendeiner der Ladestationen wieder abgeben. Mit den wieder deutlich fallenden Ölpreisen wurde das Projekt 1986 mangels Erfolg eingestellt.
Heute sind die begrenzte Verfügbarkeit von Erdöl und die Produktion hoher CO2-Mengen aus der
Nutzung fossiler Energierohstoffe wieder Treiber für den verstärkten Einsatz von E-Fahrzeugen. Politisch verankert wurden diese Absichten durch die Aufnahme der Elektromobilität in das Integrierte
Energie- und Klimaprogramm der Bundesregierung (IKEP) von 2007. Genauer spezifiziert werden die
konkreten Maßnahmen in dem im August 2009 verabschiedeten Nationalen Entwicklungsplan Mobilität (NEP). Hierin hat sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge im deutschen Straßenverkehr zu haben, bis 2030 sollen es fünf Millionen sein (NEE 2009). In Form umfangreicher Förderpakete sollen die Weichen für die Weiterentwicklung der E-Fahrzeuge gestellt werden.
Auf Seiten der Automobilhersteller ergibt sich zusätzlich aus den von der EU angestrebten Senkungen der Flottenemissionen auf 95 gCO2/km2 in 2020 die Notwendigkeit einer systematischen Integration
von Elektrofahrzeugen in ihre Flotten, um diese Ziele zu erreichen und hohe Strafzahlungen zu vermeiden. Für leichte Nutzfahrzeuge soll 2020 ein Grenzwert von 147 gCO2/km gelten3.
Dabei gibt es derzeit noch einige Faktoren, die den Einsatz von E-Fahrzeugen einschränken. Eines der größten Hemmnisse stellt die Reichweitenbegrenzung dar. Auch wenn die Batterietechnologie in den
1 Fünf Jahre, bevor Carl Benz seinen „Motorwagen“ zum Patent anmeldete, präsentierte der Franzose Gustave Trouvé 1881 auf der Elektrizitätsmesse in Paris ein Fahrzeug mit Elektromotor und Blei-Akku. Dieses gilt heute als erstes Elektroauto der Welt. Die dreirädrige Konstruktion erreichte eine Geschwindigkeit von bis zu 12 km/h. 2 lt. Verordnung (EU) Nr. 443/2009. Es handelt sich hierbei um den Sockelbetrag, der sich um einen Zusatzbetrag erhöht oder verringert, dessen Höhe vom Gewicht der hergestellten Pkw abhängt.
letzten Jahren vor allem durch die Weiterentwicklung der Li-Ionen-Technologie große Fortschritte gemacht hat, lassen sich mit reinen Elektrofahrzeugen aufgrund des Batteriegewichts und der hohen Kosten nur vergleichsweise geringe Reichweiten realisieren. Während bei konventionellen Antrieben Fahrstrecken bis zu 600 km problemlos ohne Tanken möglich sind, müssen heutige E-Fahrzeuge nach bereits nach ca. 150 km4 wieder aufgeladen werden.
Aufgrund der hohen Batteriepreise von derzeit ca. 650 €/kWh5 übersteigen die Kosten für den
Energiespeicher z.T. die gesamten restlichen Fahrzeugkosten, was wiederum zu hohen Anschaffungskosten führt. Ob sich diese Investition im Laufe eines Fahrzeuglebens durch die deutlich geringeren Betriebskosten amortisiert, hängt wesentlich von dem Nutzungsmuster und der Auslastung der Batterie ab. Gleichzeitig wird die Lebensdauer des Fahrzeugs von der Batterie beschränkt. Diese altert sowohl in Abhängigkeit des Be- und Entladeverhaltens6 als auch rein kalendarisch. Dafür
verantwortlich ist der irreversible Kapazitätsverlust, wodurch die Batterie im Fahrzeug nur begrenzte Zeit nutzbar sein wird. Auch wenn sie anschließend möglicherweise in stationären Anwendungen weiter verwendet werden kann, bleibt ein gealtertes Fahrzeug zurück, dessen Neubestückung mit einer Batterie aufgrund der hohen Investition unwahrscheinlich ist. Mit der Batteriegröße geht i.d.R. auch eine Einschränkung des Ladevolumens einher. Bei Einsatzzwecken, bei denen die maximale Zuladung eine Rolle spielt, muss auch das hohe Gewicht der Batterie berücksichtigt werden, die diese Kapazität möglicherweise einschränkt.
Diese Einschränkungen in Kauf genommen, setzt der Betrieb von E-Fahrzeugen eine ausreichend große Ladeinfrastrukur voraus. Im Vergleich zu anderen alternativen Antriebskonzepten wie dem Wasserstofffahrzeug steht elektrische Energie durch das Stromnetz bereits flächendeckend zur Verfügung. Aus Sicht der Energieversorger stellt der Betrieb von E-Fahrzeugen keine Belastung dar, die eine Erweiterung des Netzes zwingend nötig macht; lediglich bei großer Verbreitung könnte es an einzelnen Knoten zu Engpässen kommen (MISCHINGER 2012). Dennoch muss im Sinne einer akzeptablen Ladezeit ein entsprechend leistungsfähiger Anschluss vorhanden sein: dies kann durch spezielle Hausanschlüsse oder öffentliche Ladestationen an Parkplätzen oder Tiefgaragen realisiert werden. Das vollständige Aufladen einer Kleinwagenbatterie dauert am erweiterten Hausanschluss je nach Batteriegröße ca. vier bis sechs Stunden, was die ständige Verfügbarkeit des Fahrzeugs herabsetzt. Um diesem Problem zu entgegnen, werden Schnellladeverfahren erprobt, wobei berücksichtigt werden muss, dass diese die Batterielebensdauer verkürzen können.
Untersuchungen zum potentiellen Nutzerkreis von E-Fahrzeugen zeigten, dass die genannten Eigenschaften diesen deutlich einschränken: im privaten Sektor wurden vor allem Vollzeitbeschäftigte aus eher ländlichen Bereichen, die hohe Fahrleistungen erbringen und mindestens zwei Fahrzeuge in der Familie besitzen, als mögliche Nutzer identifiziert (BIERE et al. 2009, FRAUNHOFER ISI 2013a).
4 Abhängig von Nebenverbrauch, Fahrverhalten, Rekuperationsanteilen und Topographie kann die Reichweite auch deutlich geringer sein. Ausnahmen bilden einige Fahrzeuge der Oberklasse wie der Tesla, hier werden durch entsprechend große Akkumulatoren Reichweiten von bis zu 500 km realisiert.
5 siehe auch Abschnitt 4.2.3
6 Abhängig von der Zahl der Ladezyklen, dem Batteriehub, der Lager- und Betriebstemperatur, dem Ladezustand bei Nichtnutzung etc., siehe auch Abschnitt 2.2
3
1. Einleitung
Diese machen weniger als 5 % aller Fahrzeugnutzer in Deutschland aus.
Daher steht neben dem privaten Fahrzeugmarkt auch der gewerbliche Sektor zunehmend im Fokus der Untersuchungen. Hierin vereinen sich vor allem die Erwartungen, dass eine begrenzte, aber berechenbare Reichweite, ein fester Stellplatz z.B. auf einem Betriebshof und Ausweichmöglichkeiten auf andere Fahrzeuge für längere Fahrten E-Fahrzeuge für ausgewählte Flotten attraktiv machen könnten. Auch eine stärker an den Gesamtkosten über die Fahrzeuglebensdauer gekoppelte Kaufentscheidung kommt gewerblichen Nutzern entgegen, da bei ihnen der Ausgleich höherer Investitionskosten durch geringe Betriebsausgaben gut prognostizierbar ist.
Darüber hinaus gibt es weitere Faktoren, die Kunden aus dem gewerblichen Bereich ggf. motivieren, sich trotz bestehender Einschränkungen im Sektor Elektromobilität zu engagieren. Dazu gehören Faktoren wie Emissionsfreiheit in Innenstadtbereichen, geringe Lärmbelastung und dadurch mögliche zeitliche Verlagerung des Verkehrs und ein positives, „grünes“ Image.
Bislang wurde bereits in mehreren Projekten die Einsatzfähigkeit von E-Fahrzeugen in gewerblichen Fahrzeugflotten untersucht. Vor allem in den vergangenen Jahren förderte die Nationale Plattform
Elektromobilität (NEP) zahlreiche kleine und größere Projekte mit unterschiedlichem
Untersuchungs-ansatz: Zum einen wurde eine Vielzahl von Praxisprojekten gefördert, in denen E-Fahrzeuge in gewerblichen Flotten im regulären Betrieb eingesetzt wurden. Die Fahrzeuge zeigten sich im definierten Einsatz zumeist als zuverlässig und im Handling unkompliziert, weswegen die meisten bislang vorliegenden Ergebnisse eine grundsätzliche Einsatzmöglichkeit bestätigten. Die Kostenbilanz wurde hingegen durchgehend als unattraktiv eingestuft.
Ergänzt wurden die Praxisprojekte in den verschiedenen Regionen durch begleitende Sozialforschung, die mit Hilfe von Befragungen Hemmnisse, Anreizmöglichkeiten, Aufpreisbereitschaft etc. ermittelt hat. Auch hier konnte das grundsätzliche Interesse für den Einsatz von E-Fahrzeugen in Fahrzeugflotten bestätigt werden, wobei dem Kauf bislang vor allem mangelnde Reichweite und zu hohe Anschaffungs-kosten im Weg stehen.
Zum anderen wurden empirische Untersuchungen auf Grundlage von statistischen Daten und Fahrdaten durchgeführt. Diese hatten das Ziel, den Einsatz von E-Fahrzeugen anhand von Fahrprofilen mehrerer Flottenfahrzeuge abzuschätzen. Mit Hilfe von statistischen Auswertungen zu Haltedauern, Einzel- und Tagesfahrstrecken etc. wurde das grundsätzliche Einsatzpotential für E-Fahrzeuge untersucht. Studien mit dem Schwerpunkt Kostenbilanz zeigten bislang, dass sich E-Fahrzeuge gegenüber konventionellen Fahrzeugen nicht amortisieren, wobei vor allem die Auslastung der Batterie bei gegebener Fahrleistung die Differenz beeinflusst.
Bislang wurden in den Studien als Referenz für die Vergleichsrechnungen E-Fahrzeug-Konfigurationen herangezogen, die sich an bereits verfügbaren Fahrzeugen orientieren. Dabei stellt sich vor dem Hintergrund einer guten Auslastung die Frage, ob eine dem konkreten Fahrprofil des Flottenfahrzeugs angepasste Auslegung eine bessere Lösung hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit darstellen kann. Dafür wäre es ggf. erforderlich, dass die Fahrzeuge in Hinblick auf ihre Batterie und die direkt damit verbundenen Bauteile modularisiert und damit passgenau angeboten werden können.
1.2. Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob und wie E-Fahrzeuge im gewerblichen Verkehr eingesetzt werden können. Dabei soll auch untersucht werden, welche Konfiguration (v.a. in Hinblick auf die Batteriedimensionierung) ein solches BEV haben müsste, um bei Erfüllung des definierten Einsatzzweckes eine ökonomisch sinnvolle Lösung darzustellen. Nachdem erste Untersuchungen bereits gezeigt haben, dass sich aktuell verfügbare BEV für die meisten Zwecke noch nicht amortisieren können, soll geprüft werden, ob eine Modularisierung des Antriebs für die unternehmensindividuellen Fahrprofile hierfür eine Lösung darstellt.
Eingeführt wird in die Thematik mit dem Stand der Technik. Hierbei wird dargestellt welche E-Fahrzeuge aktuell bereits verfügbar sind, welche Technik in ihnen zum Einsatz kommt und wie sich deren zukünftige Entwicklung derzeit darstellt. Dabei werden vor allem der Antrieb, die Batterietechnologie sowie mögliche Ladestrategien betrachtet. Weiterhin werden die Ergebnisse bereits durchgeführter Projekte im Bereich der Elektromobilität zusammengefasst, die Aufschluss über deren Einsatz, die zugehörigen Randbedingungen und wichtige Entwicklungsfelder geben.
Das theoretische Potential, das durch den Einsatz der E-Fahrzeuge im gewerblichen Bereich erschlossen werden kann, wird in der anschließenden Analyse des gewerblichen Verkehrs umrissen. Neben der Größe des Marktes werden hierbei auch Kennzahlen wie Jahresfahrleistungen oder die Nutzungsdauer der Fahrzeuge ausgewertet. Dabei wird untersucht, in welchen Bereichen der Einsatz von BEV besonders geeignet zu sein scheint und welche Erkenntnisse aus bereits durchgeführten Projekten vorliegen. Auch Ergebnisse zur Akzeptanz und allgemeine Auswahlkriterien für die Auswahl von Fahrzeugen werden näher betrachtet.
Daran schließt ein Überblick über die ökonomische Analyse des Einsatzes von BEV in unterschiedlichen Szenarien an. Eine Übersicht bereits vorliegender Berechnungen zur Bilanz im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen zeigt die bestehenden Differenzen heute und in naher Zukunft. Grundlegend für diese Berechnungen sind Annahmen z.B. zur Kostenentwicklung der Fahrzeugtechnik (v.a. der Batterie), aber auch vom Restwert des Fahrzeugs und dem Anstieg der Energiekosten. Um den Einfluss dieser variablen Parameter untersuchen zu können, wurde ein eigenes Modell zur Berechnung der Total Cost of Ownership (TCO) erstellt. Damit können sowohl Einflüsse auf abweichende Annahmen quantifiziert als auch weitere Fahrzeugkonfigurationen wie z.B. ein BEV mit nur halb so großer Batterie (im Vergleich zur verfügbaren Standardausstattung) untersucht werden. Auf Grundlage der theoretischen Untersuchungen werden Detailuntersuchungen durchgeführt, die eine genaue Analyse ausgewählter Flotten beinhalten. Dabei handelt es sich um Betriebsprofile eines KEP7
-Dienstleisters, eines Berliner Taxiunternehmens und eines Pharmalogistikunternehmens. An diesen wird im Detail gezeigt, ob und wie E-Fahrzeuge in die jeweiligen Firmen eingebunden werden können. Dabei bildet der Ist-Zustand des aktuellen Fuhrparks die Grundlage für die weiteren Schritte: Die Anzahl der Fahrzeuge und deren genauer Einsatzzweck, branchentypische Besonderheiten (z.B. der Einsatz von Kühltransportern), das grundlegende Routen- und Streckenprofil und die Einsatzzeiten der Fahrzeuge stellen die wichtigsten Randbedingungen dar.
5
1. Einleitung
Um die allgemeinen Daten näher untersuchen zu können, begleitet ein Datenlogger ausgewählte Fahrzeuge. Aus den aufgezeichneten Daten können detaillierte Informationen zum Fahrprofil wie Tages- und Einzelstrecken, Pausenzeiten sowie Ort und Geschwindigkeit zu jedem Zeitpunkt mit einer Abtastrate von 1 Hz gewonnen werden. Die daraus erstellten Fahrprofile werden im nächsten Schritt zunächst statistisch aufbereitet, um abzuschätzen, ob und welche BEV die konventionellen Fahrzeuge ganz oder teilweise ersetzen könnten. Genauer untersucht wird diese Fragestellung mit Hilfe eines Skriptes, das es ermöglicht, die aufgezeichneten Routen mit einem simulierten BEV nachzufahren. Dabei können verschiedene Fahrzeugkonfigurationen und Ladestrategien berücksichtigt werden. Im Ergebnis zeigt sich somit z.B. wie viele Fahrzeuge ersetzt werden können, ob dabei nur bestimmte Routen bedient werden können oder ob eine Umstrukturierung der bisherigen Logistik erforderlich ist. Auch der Umgang mit aus der Batteriealterung resultierenden Reichweitenverkürzungen oder die Auswirkungen zusätzlicher Nebenverbraucher sollen hier diskutiert werden. Dabei soll auch die Frage beantwortet werden, ob die Auslegung v.a. hinsichtlich der Batteriegröße aktuell verfügbarer oder zeitnah angekündigter E-Fahrzeuge den Anforderungen im Flotteneinsatz entspricht oder ob ein modularisierter und damit individualisierbarer Aufbau bessere Einsatzchancen verspricht.
Mit Hilfe des bereits erstellten TCO-Modells werden anschließend die als möglich und sinnvoll eingestuften Substitutions- oder Ergänzungsstrategien hinsichtlich ihrer ökonomischen Bilanz eingeschätzt. Dabei steht vor allem der Vergleich zu verfügbaren Fahrzeugen aber auch zu individuell an das ermittelte Fahrprofil ausgelegten BEV im Vordergrund. Hiermit soll eine Entscheidungshilfe geschaffen werden, die den ggf. zusätzlichen monetären Aufwand für den Einsatz von E-Fahrzeugen in der konkreten Flotte quantifiziert. Dabei muss berücksichtigt werden, dass es sowohl unsichere Faktoren in der TCO-Berechnung gibt wie die Prognose von Restwerten oder Umweltdaten als auch allgemein schwer in Zahlen fassbare Effekte wie eine positive Marketingwirkung. Die Detailuntersuchungen schließen ab mit den Erfolgsfaktoren für die Integration von BEV in die untersuchten Flotten. Dafür werden erforderliche Randbedingungen und Einschränkungen beim Einsatz sowie infrastrukturelle Anforderungen zusammengefasst.
Am Ende der Arbeit steht die kritische Begutachtung und Diskussion der Ergebnisse. Im Rückgriff auf die Eingangsfrage wird festgestellt, ob der Einsatz von BEV in Flotten ein erfolgversprechendes und förderwürdiges Modell für die weitere Marktdurchdringung von E-Fahrzeugen darstellt. In Form von Empfehlungen an die einzelnen Beteiligten (Flottenbetreiber, OEMs, Politik) soll aufgezeigt werden, welche Maßnahmen erforderlich sind, um die Verbreitung in gewerblichen Flotten zu fördern.
2. Stand der Technik
Das Energiekonzept der Bundesregierung sieht u.a. vor, die Treibhausgasemissionen bis 2020 um 40 % zu senken. Der Endenergieverbrauch im Verkehrsbereich soll zeitgleich um bis zu 10 % zurückgehen. Im August 2007 wurde dafür das Integrierte Energie- und Klimaprogramm (IEKP) beschlossen, das 29 Maßnahmen zur Erreichung dieser Ziele enthält. Um die Umweltbilanz des Verkehrs zu verbessern und die Abhängigkeit von Energieimporten zu verringern, wurden hierin energieeffiziente Fahrzeuge und Antriebstechnologien als Schlüsselelement identifiziert. Neben wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen werden auch mit Strom versorgte E-Fahrzeuge vor allem im Kurzstreckenbereich zu einem wichtigen Element in dieser Strategie erklärt (BMU 2007).
Genauer spezifiziert werden die konkreten Maßnahmen in dem im August 2009 verabschiedeten
Nationalen Entwicklungsplan Mobilität (NEP). Hierin hat sich die Bundesregierung ein ehrgeiziges Ziel
gesetzt: Bis 2020 sollen eine Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen fahren, bis 2030 fünf Millionen (NEE 2009). Dazu gehören sowohl rein batterieelektrische Fahrzeuge (BEV8) als auch
Fahrzeuge mit Range-Extender (REEV) und Hybridfahrzeuge, die über das Stromnetz mit Energie versorgt werden können (PHEV). Ein weiteres Ziel bestand darin, Deutschland zum Leitmarkt für Elektromobilität zu entwickeln. Für die Umsetzung wurde angeregt eine Nationale Plattform
Elektromobilität (NPE) zu etablieren, „die sich aus Vertretern der Politik, der Industrie und Wissenschaft,
der Kommunen sowie der Verbraucher zusammensetzt und die Einrichtung aufgabenbezogener Arbeitsgruppen ermöglicht“ (BMBF 2009).
Zeitgleich wurde die Elektromobilität auch im Rahmen des Konjunkturpakets II (2009 bis 2011) als Schwerpunkt formuliert. In acht Modellregionen wurden in dieser Zeit verschiedene Projekte gefördert, die die Elektromobilität auch im öffentlichen Raum sichtbar machen sollten. Die Ergebnisse der einzelnen Projekte wurden in zwei umfassenden Berichten der NPE9 zusammengefasst und im aktuellen
Regierungsprogramm Elektromobilität berücksichtigt. Dieses setzt die bisherigen Aktivitäten fort und
fokussiert vor allem die weitere Förderung von Forschung und Entwicklung, um Deutschland nicht nur zum Leitmarkt sondern auch zum Leitanbieter innovativer Konzepte im Bereich der Elektromobilität zu machen. Zur Beschleunigung der Innovationsprozesse werden einzelne Technologie- und Anwendungsbereiche in Leuchtturmprojekten gefördert, die bisherigen Modellregionen werden durch wenige Pilotregionen10 (sog. „Schaufenster“) ersetzt (BMBF 2011).
Es gibt eine Reihe von Stärken und Vorzügen, die das große Engagement hinsichtlich der Umsetzung elektromobiler Alternativen begründen. Mit Hilfe des Einsatzes von batterieelektrischen Fahrzeugen ist unter günstigen Bedingungen die Substitution von fossilen Energieträgern möglich. Dies setzt voraus, dass der „getankte“ Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Darüber hinaus werden Ansätze
8 BEV: battery-electric vehicle, REEV: range-extended electric vehicle, PHEV: plug-in hybrid electric vehicle 9 Auf für diese Arbeit relevanten Ergebnisse wird in den jeweiligen nachfolgenden Abschnitten hingewiesen. 10 Living Lab BW E-Mobil (Baden-Württemberg), Internationales Schaufenster der Elektromobilität (Berlin/ Brandenburg), Unsere Pferdestärken werden elektrisch (Niedersachsen) und Elektromobilität verbindet (Bayern/ Sachsen)
diskutiert, Fahrzeugbatterien als Energiespeicher für fluktuierende Erzeuger, v.a. Wind- und Sonnenenergie, zu nutzen. Weitere Vorteile im Vergleich zu anderen alternativen Kraftstoffen stellen die bereits vorhandene Infrastruktur (elektrisches Verteilnetz) und die vergleichsweise problemlose Ladung dar. Aus technischer Sicht ist der einfache mechanische Aufbau der Elektromotoren von großem Vorteil, zumal der Technologie aus anderen Anwendungen bereits jahrzehntelange Erfahrungen zugutekommen. Durch den günstigen Drehmomentverlauf lassen sich gute Fahrleistungen auch bei vergleichsweise geringer Motorleistung und mit hoher Effizienz erzielen. Einzig die Speichertechnologie weist noch größeren Entwicklungsbedarf auf: Sowohl hinsichtlich der Speicherdichte, die maßgeblich Gewicht, Kosten und Reichweite bestimmt als auch bezüglich einer langen Lebensdauer werden in den kommenden Jahren noch deutliche Fortschritte erwartet. Der eingeschränkte Aktionsradius wird heute noch vielfach als wesentliches Hemmnis für die erfolgreiche Verbreitung von Elektrofahrzeugen gesehen. In der Praxis ist die von aktuell bereits verfügbaren Fahrzeugen geleistete Reichweite für die überwiegende Mehrheit der Einzelfahrten zwar ausreichend, jedoch besteht vor allem in zwei Punkten noch Optimierungsbedarf: Zum einen müssen die übrigen Fahrten abgedeckt werden können, auch wenn diese nur selten absolviert werden. Mobilitätskonzepte in Zusammenarbeit mit dem ÖPNV bzw. der Bahn oder Carsharing-Lösungen stellen hier mögliche und derzeit untersuchte Ergänzungen dar. Zum anderen muss das Problem der nur wenig exakten Reichweitenanzeige gelöst werden. Hintergrund ist die schwierige direkte Messung der noch verfügbaren Batteriekapazität und die Abhängigkeit des Verbrauchs von Fahrweise und Topologie. Ansätze liefert neben Verbesserungen der Batterieperipherie vor allem die Kombination mit Navigationssystemen zur Berechnung des verbleibenden Energiebedarfs bis zum Fahrziel. Abschließend muss auch die Ladeinfrastruktur flächendeckend ausgebaut werden, wobei erste Untersuchungen ergeben, dass eine engmaschige Versorgung im öffentlichen Raum nicht nötig ist, wenn auf privatem bzw. gewerblichem Grund und semi-öffentlich (z.B. in Parkhäusern) Ladesäulen vorgesehen werden. Auch hinsichtlich der Ladezeit besteht in vielen Fällen kein Handlungsbedarf: Auch wenn das Aufladen der Batterie bis zu sieben Stunden in Anspruch nehmen kann, stellt das für z.B. nächtliches Laden an einer privaten Wall-Box oder auf einem Betriebshof keine Nutzungseinschränkung dar. Um die Reichweite der Fahrzeuge zu erhöhen, wird zusätzlich die Schnellladefähigkeit der eingesetzten Akkumulatoren untersucht. Aktuell werden Ladezeiten von 20 bis 30 Minuten für z.B. einen Kleinwagen mit einer 16 kWh-Batterie als realistisch eingestuft (VATTENFALL 2011), wobei eine Batterieschädigung und damit verbundene Alterung vermieden bzw. auf ein akzeptables Niveau gesenkt werden muss.
Aus Sicht des Umweltschutzes werden vor allem das lokal emissionsfreie Fahren und die geringen Geräuschemissionen positiv bewertet. Unter optimistischen Annahmen ist es längerfristig möglich, auch über die gesamte Herstellungs- und Betriebskette eine sehr gute CO2-Bilanz zu erreichen. Das Problem
zunehmenden Flächenverbrauchs vor allem in Innenstädten können Elektrofahrzeuge direkt nicht adressieren, als Teil attraktiver intermodaler Verkehrsmodelle können sie jedoch vor allem mit ihrem „grünen Image“ u.U. einen wertvollen Beitrag leisten.
Nachfolgend werden der aktuelle Stand der Technik sowie die Randbedingungen batterieelektrischer Fahrzeuge beschrieben. Ausgehend vom Fahrzeug wird dabei vor allem der Batterie besondere Aufmerksamkeit gewidmet, da sie aufgrund ihrer Eigenschaften und Limitierungen maßgeblich an der Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge beteiligt ist. Auch die nötige Infrastruktur und ihre Ausgestaltungsmöglichkeiten sowie mögliche Nutzer der BEV werden beschrieben.
9
2. Stand der Technik
2.1. Batterieelektrisches Fahrzeug (BEV)
Im Gegensatz zu konventionellen Fahrzeugen, die die zum Fahren erforderliche Energie chemisch gebunden in Form von Kraftstoff mitführen, wird die nötige Energie beim Elektrofahrzeug in einer Batterie gespeichert. Diese versorgt eine elektrische Maschine und alle benötigten Nebenverbraucher. Sie muss dabei sowohl ausreichend Leistung für alle auftretenden Fahrsituationen (Antrieb und regeneratives Bremsen) bereitstellen als auch eine angemessene Reichweite ermöglichen. Aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichten haben sich Lithium-Ionen-Batterien als geeignete Energiespeicher für Fahrzeuge mit elektrifiziertem Antriebstrang durchgesetzt. Neben den Batterien stellen vor allem die Leistungselektronik und die elektrischen Maschinen, aber auch neue Leichtbaukonzepte und angepasste Antriebsstränge die wichtigsten Schlüsseltechnologien dar.
Im einfachsten Fall ist ein batterieelektrisches Fahrzeug aufgebaut wie in Abbildung 01 dargestellt. Die von der Batterie auf Grundlage elektrochemischer Prozesse zur Verfügung gestellte elektrische Energie kann vom Elektromotor in Vortrieb umgewandelt werden. Ein schaltbares Getriebe ist aufgrund der günstigen Motorkennlinie von Elektromotoren nicht zwingend erforderlich, kann aber bei z.B. bei leichten Nutzfahrzeugen, bei denen eine hohe Zuladung erwartet wird, sinnvoll sein. Analog zum konventionellen Fahrzeug wird das Moment mit Hilfe eines Differentials an die Räder weitergegeben. Alternativ ist der Einsatz von Einzelradantrieben z.B. in der Form von Radnabenmotoren denkbar. Diese haben den Vorteil, dass der konventionelle Antriebsstrang wegfällt und so eine Wirkungs-gradverbesserung erzielt werden kann. Im Gegenzug sind sie im Laufe des Fahrzeuglebens vergleichsweise starken Erschütterungen ausgesetzt und erhöhen die ungefederten Massen, was zu einer Erhöhung der Radlastschwankungen und somit zu einer Verringerung von Sicherheit und Komfort führt.
Abbildung 01: Aufbau eines einfachen batterieelektrischen Fahrzeugs
LG Ladegerät
NV Nebenverbraucher EM Elektromotor
DC/DC Gleichspannungswandler DC/AC Gleichrichter
Einer der größten Vorteile des Antriebs liegt in seinem hohen Wirkungsgrad. Beim Elektromotor liegt er je nach Ausführung bei ca. 95 %. Auch ein Li-Ionen-Akkumulator hat einen Lade-Entlade-Wirkungsgrad von rund 95 %, was in einem Gesamtwirkungsgrad von bis zu 85 % resultiert, wenn auch Lade- und Entladeverluste berücksichtigt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch rekuperierendes Bremsen einen Teil der Antriebsenergie zurückzugewinnen.
Nachfolgend werden kurz die wichtigsten Komponenten des Elektrofahrzeugs mit Fokus auf den aktuellen Stand der Technik und wichtige Diskussionspunkte erläutert. Abbildung 02 zeigt neben den einzelnen Komponenten des BEV auch die Bewertung ihrer technologischen Reife (NAUNHEIMER 2010).
Abbildung 02: Technische Reife der Komponenten eines E-Fahrzeugs (NAUNHEIMER 2010)
Die Elemente, bei denen noch Entwicklungsbedarf gesehen wird, sind der Energiespeicher und die Kühlung dieser Komponenten. Die Antriebskomponenten werden in unterschiedlichen Anwendungen bereits seit vielen Jahrzehnten eingesetzt und sind dementsprechend weit entwickelt. Beim Motor handelt sich dabei in der Regel um Drehstrommotoren, die als Synchron- oder Asynchronmaschine ausgeführt sein können. Die Vorteile des Asynchronmotors (ASM) liegen in seinem einfachen Aufbau und der einfachen Regelbarkeit, nachteilig wirkt sich sein geringer Wirkungsgrad bei geringen Drehzahlen aus. Im Gegensatz dazu hat der permanenterregte Synchronmotor (PSM) nicht nur einen höheren Wirkungsgrad sondern auch eine höhere Leistungsdichte. Nachteilig sind hier jedoch höhere Schleppverluste bei hohen Drehzahlen und auch der Einsatz von Magneten, deren Kosten und langfristige Materialverfügbarkeiten11 berücksichtigt werden müssen. Der fremderregte Synchronmotor (SM)
vermeidet diese Nachteile, ist aber in der Bauweise weniger kompakt.
In derzeit verfügbaren E-Fahrzeugen werden alle drei Motorvarianten eingesetzt: So werden der Mitsubishi i-MiEV (jetzt: Electric Car) und der Nissan Leaf von permanenterregten Synchronmotoren angetrieben, in den Modellen von Renault werden fremderregte Synchronmaschinen eingesetzt. Asynchronmaschinen sind z.B. im Mini E oder Tesla S verbaut.
Da der Motor Drehstrom benötigt, die Batterie jedoch Gleichstrom liefert, ist ein Frequenzumrichter fester Bestandteil der Motorperipherie. Damit der Motor bei der Bremsenergierückgewinnung als Generator fungieren kann, muss diese Umwandlung in beide Richtungen möglich sein. Darüber hinaus versorgt die Hochvoltbatterie auch die Nebenverbraucher im 12V-Stromnetz mit Energie, was einen zusätzlichen Gleichspannungswandler erforderlich macht.
Die Elemente der Heizung und Klimatisierung von E-Fahrzeugen sind im Einzelnen ebenfalls schon auf einem hohen Entwicklungsniveau, jedoch ist die Optimierung des Energiebedarfs für die Heizung und Klimatisierung ein wichtiger Baustein: Da die gesamte Energie hierfür der Traktionsbatterie entnommen
11 Dies betrifft vor allem die Seltenen Erden, die in Magneten eingesetzt werden. Um den Bedarf auch längerfristig zu decken sind eine bessere Ausschöpfung der natürlichen Ressourcen und die Wiederaufbereitung der Metalle notwendig (BUCHERT et al. 2011)
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2. Stand der Technik
wird, wirken sich diese Verbräuche direkt auf die Reichweite des Fahrzeugs aus. Lösungsansätze fokussieren dabei derzeit vor allem die Verringerung der nötigen Heizleistung (Dämmung, andere Fenstermaterialien, Aufheizen von Kontaktflächen wie Sitz und Lenkrad etc.), die Reduktion des Luftaustauschs mit der Umgebung (Umluft), die Nutzung effizienterer Heizungen (Wärmepumpe, etc.) und die Umsetzung ergänzender Maßnahmen (Vorheizen wenn noch am Netz, "Thermoskanne"-Prinzip, etc.).
Die Verringerung der Reichweite durch leistungsintensive Nebenverbraucher ist dabei ebenfalls von hoher Relevanz: Abbildung 03 zeigt die Abhängigkeit des Verbrauchs von der Außentemperatur eines Mini E in der ersten Testphase in Berlin. Die vom Datenlogger aufgezeichneten Daten weisen bereits bei moderaten winterlichen Temperaturen um den Gefrierpunkt einen signifikanten Verbrauchsanstieg um über 50 % aus, was die Reichweite entsprechend verringert (BMW 2011).
Eine Untersuchung des DLR mit unterschiedlich konfigurierten Fahrzeugmodellen zeigte starke Reichweiteneinbußen durch die Nutzung der Nebenaggregate. Abbildung 04 zeigt die Ergebnisse für ein Mittelklassefahrzeug, das bei einem Gesamtgewicht von 1750 kg seine Energie aus einer 46 kWh-Batterie bezieht. Bei einer mittleren Leistung von 2 kW sinkt die Reichweite im Stadtfahrzyklus (Artemis Urban) um nahezu 50 % (BMWI 2012). Die eigentlich aufgrund der Rekuperationsmöglichkeit günstigen Stadtfahrverhältnisse mit häufigen Bremsphasen können die geringe Durchschnittsgeschwindigkeit nicht kompensieren.
Abbildung 03: Abhängigkeit des Verbrauchs von der Außentemperatur - Ergebnisse des Mini E Tests (BMW 2011)
Abbildung 04: Einfluss der Nebenaggregate auf die Reichweite eines BEV (BMWI 2012)
Dieses Problem kann zum Teil durch die fortschreitende Batterieentwicklung aufgefangen werden: Eine Verbesserung der Energiedichte (siehe auch Abschnitt 2.2) kann zur Gewichtsreduktion (und auch Kostenreduktion) genutzt werden, aber auch in verlängerte Reichweiten „investiert“ werden.
Aktuell sind BEV vor allem Fahrzeuge aus dem Kleinst- und Kleinwagensegment. Die Ausnahmen bilden hier der Tesla S, ein Pionier der aktuellen Elektromobilwelle12, und die Modelle von Renault und Fiat. Diese bieten auch im Kleintransportersegment mit dem Fiat Fiorino und dem Renault Kangoo eine rein elektrische Alternative an. In Zukunft ist mit einem Mix aus Fahrzeugen zu rechnen, die lediglich als
12 Der erste Tesla Roadster kam bereits 2008 auf den Markt, ca. 2250 wurden weltweit bis heute verkauft (TESLA 2012). 2013 folgte der Tesla Model S.
elektrische Variante zusätzlich angeboten werden (Conversion-Design) und Leichtbaumodellen, die extra an die neuen Erfordernisse, aber auch Freiheiten der BEV angepasst wurden (Purpose-Design). Tabelle 1 zeigt eine Übersicht über ausgewählte, verfügbare BEV und deren Batteriekapazität sowie angegebene Reichweite. Letztere wurden wie bei konventionellen Fahrzeugen durch Testzyklen ermittelt und können in der Realität durch andere äußere Bedingungen wie z.B. häufigere Anfahrvorgänge, niedrige Temperaturen oder anspruchsvolle Topographien deutlich höher sein.
Tabelle 1: Übersicht über ausgewählte, aktuell verfügbare BEV
Hersteller Modell Preis in € Batterie Kapazität in kWh Reichweite in km Markteinführung
Kleinstwagen
Citroen C-Zero 29.393 Li-Ionen 16 150 12/2010
Karabag New 500E 34.999 Li-Ionen 11 100
Mia Electric 24.504 Li-Ionen 8-12 80-125 03/2013
Mitsubishi i-MiEV (jetzt:
Electric Vehicle) 29.300 Li-Ionen 16 150 12/2010
Peugeot iOn 29.939 Li-Ionen 16 150 12/2010
smart fortwo ED 23.680 Li-Ionen 17,6 145 2012
VW E-Up 26.900 Li-Ionen 18,4 160 2013
Kleinwagen
Renault Zoe 20.600 (+ 96
Batteriemiete1) Li-Ionen 22 210 03/2013
Kompakt- und Mittelklasse
BMW i3 34.950 Li-Ionen 21,6 145 11/2013
Nissan Leaf 27.500 Li-Ionen 24 160 04/2012
VW e-Golf 34.900 Li-Ionen 26,5 150 02/2014
Ford Focus electric 39.990 Li-Ionen 23 160 09/2013
Oberklasse
Tesla Model S 71.400 Li-Ionen 60/85 390/500 08/2013
1
bei 15.000 km Fahrleistung und Vetragslaufzeit von 24 Monaten
Deutlich sichtbar ist die Dominanz der Li-Ionen-Technologie, die erste E-Fahrzeuge z.B. mit NiMH- und ZEBRA-Batterien nahezu komplett abgelöst hat. Die Gründe dafür werden in Abschnitt 2.2 näher erläutert. Obgleich schon bald eine Vielzahl unterschiedlicher Modelle verfügbar sein wird, sind die kurzfristigen Prognosen zur Marktdurchdringung eher verhalten.
Die European School of Management and Technology (ESMT) kam mit Hilfe eines umfassenden Simulationsmodells zur ökonomischen Langfristbetrachtung der Elektromobilität in Deutschland zu dem Ergebnis, dass BEV auch langfristig nur eine untergeordnete Rolle im Mobilitätsmix haben werden. Abbildung 05 zeigt die erwarteten Fahrzeugkäufe (1000 Fahrzeuge/Monat) bis 2050. Das Modell berücksichtigt jeweils mittlere Szenarien für die Ölpreis- und Batteriekostenentwicklung. Zu erkennen ist, dass BEV erst ab 2020 sichtbar werden (ESMT 2011). Brennstoffzellenfahrzeuge liegen im Jahr 2050 noch unter den Erwartungen an die E-Fahrzeuge. Hybridfahrzeuge und REEV (hier: RE) dominieren mittelfristig den Markt.
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2. Stand der Technik
Abbildung 05: Prognose der Fahrzeugkäufe (1000 Fahrzeuge / Monat) bis 2050 (ESMT 2011)
Eine umfangreiche Studie des CE Delft13 im Auftrag der Europäischen Kommission kam bei der
Auswertung zahlreicher Untersuchungen zur Marktentwicklung von E-Fahrzeugen zu dem Ergebnis, dass sich die Zahlenwerte zwischen sehr pessimistischen Prognosen von 1% (PHEV und EV) auf dem globalen Markt bis zu optimistischen Annahmen bis 10% bewegen. Dabei spielen vor allem die Prognosen zur Batterieentwicklung, Zuverlässigkeit, zu den Kosten und der Gesamtentwicklung des Marktes eine große Rolle (GOPALAKRISHNAN et al. 2011).
Die Boston Consulting Group (BCG) sagt unter günstigen Entwicklungen voraus, dass 1,5 Millionen der in 2020 in den großen Märkten (China, Japan, USA, Westeuropa) verkauften Fahrzeuge einen rein elektrischen Antrieb haben werden (BCG 2010). Die Deutsche Bank Research prognostiziert einen Marktanteil an den Pkw-Neuzulassungen von 3 %, wenn BEV nicht subventioniert werden. Zwischen 6 % bis 8 % liegt der Erwartungshorizont, wenn eine „hohe staatliche Förderung“ den Kaufanreiz verstärkt (DEUTSCHE BANK RESEARCH 2011). Die Studie „Elektromobilität 2025“ des Beratungsunternehmens Oliver Wyman ermittelte hingegen, dass in 2025 nur 3,25 Mio. rein elektrisch angetriebener Fahrzeuge verkauft werden. Insgesamt wären damit ca. 15 Mio. BEV weltweit auf den Straßen, was ca. 1,5 % des dann vorhandenen Fahrzeugbestands entspricht (WYMAN 2009).
Eine Studie zur Marktentwicklung in Megastädten stellte McKinsey 2010 vor: Auf Grundlage von breit angelegten Verbraucherbefragungen wurden die Potentiale in mehreren Großstädten untersucht. Demzufolge könnten in New York bereits 2015 bis zu 6 % aller Neuwagen BEV14 sein, in Paris hingegen
werden maximal 2 % als realistisch eingestuft. In Shanghai sind 2015 noch keine E-Fahrzeuge zu erwarten und auch 2020 bleiben diese weit hinter den Ergebnissen für New York zurück (MCKINSEY 2010). Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass „Anreizprogramme zur Marktaktivierung in Megastädten kulturspezifisch zugeschnitten werden müssen“. Während in New York eine mögliche Benutzung der Busspur als kaufentscheidender Vorteil gewertet wurde, rangieren in Shanghai vor allem geldwerte
13 CE Delft ist ein auf Umweltfragen spezialisiertes, unabhängiges Forschungs- und Beratungsunternehmen.
14 dabei wird es sich lt. McKinsey vor allem um sogenannte „Electric City Cars (ECC)“ handeln, Kleinstfahrzeuge, die für den Stadtverkehr optimiert sind
Anreize auf den ersten Plätzen.
In den Berichten der NPE wird der Weg zum Massenmarkt in drei Stufen unterteilt (NPE 2011):
1. Marktvorbereitung bis 2014 (Aufbau der ersten öffentlichen Ladeinfrastruktur für 100.000 Fahrzeuge, Forschung und Entwicklung in Form der Schaufensterprojekte, Steigerung der Kundenakzeptanz durch Sichtbarkeit)
2. Markthochlaufphase bis 2017 (Aufbau eines intelligenten Netzes, Weiterführung bedarfsgerechter Forschung und Entwicklung, Erfahrungen mit ersten Fahrzeuggenerationen) 3. Beginnender Massenmarkt bis 2020 (nächste Fahrzeuggeneration und weiter ausgebaute
Infrastruktur, selbsttragende Nachfrage)
Im ersten Fortschrittsbericht 2012 wird die Gültigkeit des entwickelten Marktentwicklungsmodells bestätigt (NPE 2012).
Eine Studie des Fraunhofer ISI untersuchte den Markthochlauf auf Grundlage der Total Cost of Ownership (TCO) unter Berücksichtigung sowohl privater als auch gewerblicher Fahrprofile. Auf Grundlage der reinen TCO-Berechnung konnte für 2020 ein Bestand von 300.000 Elektrofahrzeugen (BEV, REEV, PHEV) ermittelt werden. Dabei wird auf die hohe Unsicherheit bei der Berücksichtigung externer Rahmenbedingungen wie der Batterie-, Rohöl- und Strompreisentwicklung hingewiesen. Die große Streuung (hier unter Berücksichtigung einer Mehrpreisbereitschaft der potentiellen Käufer) in drei verschiedenen Szenarien zeigt Abbildung 06 (FRAUNHOFER ISI 2013a).
Abbildung 06: Markthochlauf nach TCO-Entscheidung in 3 Szenarien (FRAUNHOFER ISI 2013a)
Eine in den Studien mehrfach erwähnte Schwierigkeit liegt in der Einbindung erwarteter Veränderungen im Kaufverhalten der Kunden. Während die pessimistischen Annahmen zumeist auf stark ökonomisch bewertenden Käufern basieren, werden in den optimistischen mögliche, aber in der Definition weiterhin schwammige, Anreizmechanismen eingerechnet. So werden beispielsweise z.T. Förderprogramme unterstellt, deren konkrete Ausgestaltung aber offen gelassen oder eine Aufpreisbereitschaft einkalkuliert, die i.d.R. durch Kundenumfragen ermittelt wurde.
2.2. Batterietechnologie
15
2. Stand der Technik
chemischer Zusammensetzung an: die ersten Fahrzeuge wie der EV115 oder einige der im umfangreichen
Rügenversuch getesteten BEV hatten einen Bleisäure-Akku, der jedoch den Nachteil einer geringen Energiedichte bei hohem Gewicht mit sich bringt. Die nächsten Generationen verfügten häufig über Nickel-Metallhydrid-Akkus. Einer langfristigen Perspektive im E-Fahrzeug stehen ihre Temperatur-empfindlichkeit und ihre Neigung zur Selbstentladung entgegen. Die ebenfalls in einigen E-Fahrzeugen eingesetzte Natrium-Nickelchlorid-Batterie, die auch unter dem Namen „Zebra-Batterie“ bekannt ist, hat den Nachteil, dass sie stets auf einer Temperatur von ca. 300° C gehalten werden muss und über eher geringe Leistungsdichten verfügt. Diese wirken sich negativ auf die Beschleunigungsfähigkeit der Fahrzeuge aus.
Aktueller Stand der Technik ist der Einsatz von Li-Ionen-Batterien, die je nach konkreter chemischer Zusammensetzung etwas unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie verfügen über eine hohe Energiedichte, was sich aus ihrem hohen elektrochemischen Potential und dem geringen spezifischen Gewicht von Lithium ergibt. Sie bestehen aus einer Kohlenstoff-Anode, in die Lithium-Atome eingelagert sind und einer Kathode aus einer Lithium-Verbindung (z.B. LiBiO2 oder LiMn2O4).
Dazwischen sorgt ein flüssiger, organischer Elektrolyt für den Ladungstransport. Li-Ionen-Batterien sind empfindlich gegenüber elektrischen und thermischen Extrembedingungen, d.h. ein Über- oder Tiefentladen sowie Temperaturen außerhalb des Bereichs von ca. -10 bis 60 °C können die Zellen nachhaltig schädigen. Ein entsprechendes Batteriemanagement ist daher nötig, um die Ladung zu steuern und ein Tiefentladen zu verhindern. Die thermischen Begrenzungen stellen dabei für den Alltagsbetrieb in Mitteleuropa keine Einschränkungen dar, wobei besonders tiefe Temperaturen die Leistung aufgrund der verzögerten elektrochemischen Prozesse herabsetzen. Darüber hinaus unterliegen Li-Ionen-Akkus keinem Memory-Effekt16. Die nachfolgende Tabelle 2 gibt einen Überblick über die Eigenschaften der genannten Akkumulatoren.
Tabelle 2: Eigenschaften unterschiedlicher Batterietypen für BEV (nach OERTEL 2008)
Batterie Blei-Säure Ni-Cd Ni-MH Li+ NaNiCl
Energiedichte [Wh / kg] 20–50 25–80 55–120 90–160 80-100
Leistungsdichte [W / kg] 100 600 600–750 1350* 90-170
Zyklenzahl (80 % Nennkapazität) 200–300 1000–4000 100–800 300–1200 600-3700
Selbstentladung pro Monat 5 % 5 %–30 % 30 % 5 %–10 % bei 20°C k.A.
Nennspannung [V] 2 1,2 1,25 3,6 2,58
Überladetoleranz hoch mäßig schwach sehr schwach k.A.
Ladefaktor 80 %–90 % 57 %–70 % ca. 70 % 90 %–95 % 91%
Arbeitstemperatur 40°C–60°C −20°C–60°C 0°C–50°C < 45°C 280°C-330°C
* Hochleistungsvariante
Aufgrund des großen Marktes für Li-Ionen-Akkus auch in anderen Bereichen (z.B. für Mobiltelefone oder Notebooks) sind sie in ihrer Entwicklung teilweise weit fortgeschritten, wobei für die kommenden Jahre noch weitere Steigerungen hinsichtlich der Energie- und Leistungsdichte erwartet werden. Die
15 Ein von General Motors in Serie gebautes E-Fahrzeug (Kompaktklasse); es kam 1996 auf den Markt.
16 Der Memory-Effekt ist ein bei Teilentladungen auftretender Kapazitätsverlust, der bewirkt, dass dem Akku nach gewisser Zeit nur noch die Energiemenge entnommen werden kann, die bei den Teilentladungen gefordert war. Li-Ionen-Akkus sind hingegen sowohl teillade- als auch teilentladefähig, was für den Einsatz im Fahrzeug von besonderer Bedeutung ist.
nachfolgende Abbildung 07 gibt eine Übersicht über die prognostizierten Verbesserungen bis 2050 unter-schiedlicher Technologieroadmaps. Der Grafik lassen sich spezifische Energie, kalendarische und zyklische Lebensdauer sowie die Kosten pro kWh für die Li-Ionen-Batterien bis 2025 entnehmen (gestrichelte Kästen). Im weiteren Verlauf bis 2050 werden nur noch die spezifische Energie und die Kosten dargestellt, da über die zu erwartende Lebensdauer noch keine Aussagen getroffen werden können. Die Entwicklung der spezifischen Energie wird zusätzlich ausgehend vom Stand 2010 durch Kreise visualisiert, die dem Skalierungsfaktor entsprechen. Insgesamt wird langfristig eine sieben- bis zehnfache Verbesserung heutiger Systeme bei 1/20 der derzeitigen Kosten angestrebt (GÜNTHER 2012).
Abbildung 07: Aggregierte Technologieroadmap für Li-Ionen-Batterien unterschiedlicher Studien (GÜNTHER 2012)
Der prognostizierte Entwicklungssprung um 2030 setzt die Verwendung einer neuen Batteriechemie voraus, wobei sich nach aktuellen Forschungen dafür vor allem Metall-Luft oder Metall-Schwefel-Systeme eignen. Das grundsätzliche Verständnis der Abläufe dieser sogenannten „Post-Lithium-Ionen“-Technologien besteht bereits, die Umsetzung in großen Prototypen steht jedoch noch aus17.
Nachfolgend werden die wichtigsten Kriterien für den erfolgreichen Einsatz von Li-Ionen-Batterien in Fahrzeugen beleuchtet.
Batteriegewicht. Das Batteriegewicht wirkt sich direkt auf den Verbrauch und damit die Betriebskosten
für das Fahrzeug aus. Eine Verbesserung der Energiedichte und damit des spezifischen Gewichts hat
17 IBM hat im Rahmen des Projekts „Battery 500“ die Funktionsfähigkeit und Wiederaufladbarkeit einer Lithium-Luft-Batterie bereits nachgewiesen, es bestehen jedoch noch zahlreiche Probleme wie eine zu geringe Leistungs-dichte, lange Ladezeiten, fehlende Stabilität und Empfindlichkeit gegenüber hoher Luftfeuchte (IBM 2012).
17
2. Stand der Technik
somit direkte Auswirkungen auf die Kostenbilanz von E-Fahrzeugen. Derzeit liegt die Energiedichte bei Li-Ionen-Batterien bei ca. 120 Wh/kg (siehe auch Tabelle 2). Für einen Kleinstwagen mit 120 km Reichweite bedeutet das bei einem Verbrauch von ca. 14 kWh/100 km ein zusätzliches Gewicht in der Größenordnung von 150 kg. Abbildung 08 zeigt die aus unterschiedlichen Untersuchungen zusammengefasste, prognostizierte Entwicklung der Energiedichte. Eine Erhöhung auf bis zu 160 Wh/kg führt zu einer Gewichtsreduktion im o.g. Beispiel um ca. 30 %. Auch hier wird deutlich, dass große Einsparungen erst mit der Aussicht auf stabile Post-Li-Ionen-Technologien möglich werden. Je nach Entwicklung der Akzeptanz der limitierten Reichweite lassen sich Verbesserungen hinsichtlich der Energiedichte auch in höhere Reichweiten bei gleichbleibendem Gewicht umsetzen.
Abbildung 08: Energiedichte unterschiedlicher Batterietechnologien für Fahrzeuganwendungen (NPE 2011)
Schnellladefähigkeit. Die Schnellladefähigkeit der Fahrzeugbatterie bestimmt, ob eine
Reichweiten-verlängerung durch eine kurzfristige, praktikable Nachladung möglich ist. Ähnlich wie auch andere Batterieeigenschaften hängt die Schnellladefähigkeit von der verwendeten Batteriechemie ab. Grundsätzlich sind bei Verwendung geeigneter Materialien Ladezeiten von unter einer Minute pro kWh möglich. Damit einhergehen jedoch deutlich höhere Kosten (bis Faktor vier), die Notwendigkeit eines aufwändigen Kühlsystems und eine geringere spezifische Energie der Batterie (JOSSEN und GUENTHER 2010). Hohe Temperaturgradienten verringern darüber hinaus die Lebensdauer der Batterie.
Lebensdauer. Per Definition erreicht eine Batterie ihr Lebensende, wenn sie nur noch über 80% ihrer
ursprünglichen Kapazität verfügt. Danach kann sie mit entsprechenden Einbußen hinsichtlich der speicherbaren Energie weiter genutzt werden, wobei es noch keine konkreten Anwendungsbeispiele gibt, für die diese Zweitverwendung eine optimale Lösung darstellt. Die Lebensdauer aktuell verfügbarer Batterien wird durch zahlreiche Faktoren bestimmt. Hierbei sind Anteile der kalendarischen und der zyklenbedingten Lebensdauer zu unterscheiden. Die kalendarische Batteriealterung beruht vor allem auf irreversiblen chemischen Prozessen, die die Leitfähigkeit reduzieren. Sie wird durch verschiedene Effekte beeinflusst, wobei nicht alle der Nutzung im Fahrzeug ideal entsprechen. Dies betrifft vor allem die Zeit, in der das Fahrzeug nicht bewegt und die Batterie im Fahrzeug gelagert wird: Ideale Bedingungen sind hier erreicht, wenn der Ladestand der Batterie (auch SOC, State of Charge) bei 50-60 % und die Umgebungstemperatur zwischen ca. 10° und 30 °C liegt.
Unter zyklenbedingter Alterung werden mehrere Effekte zusammengefasst: Die Anzahl der Lade- und Entladezyklen ist begrenzt. Bei derzeit verfügbaren Batterien für den Einsatz in E-Fahrzeugen liegt die
Zyklenfestigkeit bei ca. 3.500 bis 4.000 Zyklen18. Dabei handelt es sich um so genannte Vollzyklen, d.h.
eine komplette Ladung vom niedrigsten auf den höchsten SOC19. Dabei gilt: Je kleiner der Lade- bzw.
Entladehub, desto mehr Zyklen können erreicht werden. Die nachfolgende Abbildung 09 stellt die Zyklenfestigkeit in Abhängigkeit von Temperatur und Entladetiefe dar. Eine tägliche, bedarfsgerechte Ladung führt zu einer längeren Lebensdauer, widerspricht jedoch dem klassischen „Tankverhalten“ und lässt keinen Spielraum für die Reichweitenreserve. Die Auswertung eines Flottenversuchs mit dem Mini E in Berlin hat gezeigt, dass die Nutzer durchschnittlich nur alle 2-3 Tage laden (BMW 2011). Eine Studie der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg auf Grundlage einer Befragung zum Ladeverhalten kam zu dem Ergebnis, dass vor allem die Aufenthaltsdauer an einem Ort darüber entscheidet, ob das Fahrzeug geladen wird oder nicht. Ab einer Parkzeit von über einer Stunde gibt der Großteil der Befragten an, eine tägliche Ladung zu favorisieren. Ergebnisse aus früheren Studien zu Mobiltelefonen legen jedoch nahe, dass sich dieses Verhalten mit zunehmender Sicherheit bezüglich der täglich benötigten Energie zu längeren Intervallen verschieben wird (PAPENDICK et al. 2011).
Abbildung 09: Zyklenfestigkeit einer Li-Ionen-Batterie in Abhängigkeit der Entladetiefe (SAUER 2009)
Die Alterungseffekte sind jedoch von der jeweiligen Batteriechemie abhängig und führen z.T. zu unterschiedlichen Handhabungsempfehlungen. Dies erschwert pauschal gültige Regeln für die optimale Nutzung der Batterie und erfordert ggf. eine fahrzeugspezifische Einweisung der Kunden. So hat eine Untersuchung des ZSW mit den im Mini E verbauten Li-Ionenbatterien des taiwanesischen Herstellers
Molicel ergeben, dass eine längere Standzeit bei niedrigem SOC günstiger ist als häufiges Nachladen
(GÜNTHER 2012).
Sicherheit. Mögliche Risiken im Umgang mit und beim Einsatz von Li-Ionen-Akkus ergeben sich durch
Gefahren durch elektrische Spannung, elektrischen Strom, austretende Inhaltsstoffe oder Feuer. In Fahrzeugen verwendete Batterien haben Nennspannungen von ca. 100V bis zu 800V und fallen somit in den Bereich der Hochvoltsysteme. Diese Spannungen sind nötig, um die erforderliche Leistung mit
18 siehe z.B. (WOHLFAHRT-MEHRENS 2011; KÖHLER 2013)
19 Häufig auch angegeben in Bezug auf den Entladungsgrad (engl.: Depth of Discharge, DOD). Er ist das Gegenteil vom Ladezustand und beschreibt (meist angegeben in %) das Verhältnis der entnommenen Menge von elektrischer Ladung zur Gesamtkapazität.
19
2. Stand der Technik
praktikabler Stromstärke20 übertragen zu können, führen jedoch bei Berühren zu einem (u.U. tödlichen)
elektrischen Schlag. Sicherheitsmaßnahmen wie Berührschutz und die Einhaltung eines Isolationswiderstandes beugen dem vor (GROISS und JOSSEN 2010).
Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen können dabei unterschiedlich getestet werden. Neben realen Crashtests der Fahrzeuge finden auch Kompressionen des Batteriemoduls, Nageltests oder das gezielte Beschießen mit Stoßkörpern Anwendung (VDE o.J., ZSW 2014). Problematisch bleibt jedoch eine theoretisch brennbare Chemie(kombination) innerhalb der Batterie: Auch wenn diese vorgegebenen Tests standhält, so können hierdurch nur ausgewählte Szenarien geprüft werden. Dass es in ungünstigen Fällen dennoch zu Bränden kommen kann, zeigen mehrere Unfälle. Im chinesischen Shenzen zog der Anprall eines BYD e621 gegen einen Baum einen Brand durch mehrere Kurzschlüsse im Hochvoltsystem nach sich (GREEN CAR 2012). Bei einem von der NHTSA durchgeführten Seiten- und Überschlagstest eines Chevrolet Volt kam es 21 Tage nach dem Abstellen des gecrashten Fahrzeugs in einer Garage zu einem Brand. Bei den Versuchen wurde der Akku und insbesondere sein Kühlsystem beschädigt; darüber hinaus versäumten die Verantwortlichen entgegen der Empfehlung des Herstellers das Entladen der Batterie nach dem Crash. In einer umfangreichen Untersuchung mit weiteren Seitenaufprallversuchen ließ sich der Brand nicht reproduzieren. In sechs an die Crashsituation angelehnten Einzelversuchen mit den verwendeten Akkus, fingen zwei Batterien Feuer; bei zwei weiteren konnte eine deutliche Erhitzung z.T. mit Funkenbildung festgestellt werden. Im abschließenden Untersuchungsbericht kommt die NHTSA insgesamt jedoch zu dem Ergebnis, dass die von E-Fahrzeugen ausgehende Brandgefahr nicht größer ist als bei konventionellen Fahrzeugen, da bei allen schweren Unfällen eine Feuerentwicklung möglich sei (NHTSA 2012).
2.3. Ladekonzepte
Im Vergleich zu anderen alternativen Fahrzeugkonzepten bringt die Elektromobilität den großen Vorteil eines bereits bestehenden Versorgungsnetzes mit sich, das grundsätzlich auch für das Laden eines Fahrzeugs geeignet ist. Dabei sind drei verschiedene Konzepte zu unterscheiden:
Kabelgebundenes Laden. Hierunter fällt das ein- oder mehrphasige Laden mit einer Leistung von 3 bis
44 kW. Es kann sowohl auf privaten und gewerblichen Stellplätzen als auch im öffentlichen Parkraum eingesetzt werden, wobei der Anschluss bei ersteren oft durch eine sogenannte Wallbox ermöglicht wird. Im öffentlichen Raum hingegen werden zumeist Ladesäulen eingesetzt, die jedoch Herausforderungen hinsichtlich geeigneter, reservierbarer Stellplätze, Abrechnung und Vandalismusschutz mit sich bringen. Gewerbliche Fahrzeuge, die auf betriebseigenem Gelände geladen werden können, sind hier im Vorteil. Die Stecker sind hingegen bei allen Anschlussvarianten ähnlich, die Normung ist teilweise erfolgt. Sie verfügen neben den elektrischen Kontakten über eine Kommunikationsleitung für Abrechnungs- und Steuerungsdaten. Je nach Batteriegröße dauert eine Aufladung mit 3 kW für einen Kleinstwagen rund sechs Stunden.
20 Die Stromstärke hat direkten Einfluss auf den Kabelquerschnitt, der aus Kostengründen und zur Vermeidung von Übertragungsverlusten möglichst klein gehalten werden sollte.
