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Grundlagen der Elektromobilität

Erstellt am: 28.02.2014 | Stand des Wissens: 01.12.2023
Synthesebericht gehört zu:

Seit Mitte der 2000er Jahre sind batteriebetriebene Elektrofahrzeuge als Alternative zu konventionellen Verbrennungsantrieben verstärkt in den Fokus von Politik, Industrie und Wissenschaft gerückt. Das zunehmende Interesse begründet sich aus der wachsenden internationalen Bedeutung übergeordneter und teilweise interdependenter Treiber, wie globaler Klimaschutzziele, einer aufwendigeren Erdölförderung, und steigenden Emissionsbelastungen. Auch in Deutschland beeinflussen diese Treiber die politischen Aktivitäten hinsichtlich der "Energiewende", die unter anderem für den Ausbau erneuerbarer Energien und eine Steigerung der Energieeffizienz steht. Die Diskussion der Substitution von fossilen Kraftstoffen durch elektrische Energie im Mobilitätssektor ist auch mit Blick auf den größeren Zusammenhang des Umbaus des Gesamtenergiesystems Richtung Nachhaltigkeit zu sehen.
Es bleibt zu berücksichtigen, dass neben batteriebetriebenen Fahrzeugen auch Fahrzeuge deren elektrischer Antriebsmotor von einer Brennstoffzelle angetrieben wird zur Elektromobilität zählen. Letztere wurden bereits seit Mitte des letzten Jahrhunderts entwickelt. So stellte General Motors bereits 1966 einen "Electrovan" vor und weitere große Automobilhersteller demonstrieren seitdem immer wieder die Machbarkeit von Brennstoffzellenantrieben [Kurz03, S.105]. Da beide Varianten uber eine elektrische Antriebsmaschine verfügen, ist die Bezeichnung Elektrofahrzeug oder Elektroauto in beiden Fällen gerechtfertigt [Naun06, S.1]. Daneben existieren Hybridsysteme. Dazu werden Fahrzeuge gezählt, welche durch mindestens zwei Energiewandler mit den dazugehörigen Energiespeichersystemen angetrieben werden. Die Elektromotoren (sowohl batterie- als auch brennstoffzellenbetrieben) stellen dabei einen wesentlichen Bestandteil dar.
Die Einsatzbereitschaft der Elektrofahrzeuge ist letztendlich von den darin enthaltenen Technologien abhängig. Die Entwicklungen beiden Technologien unterliegen einer Reihe von Faktoren, die sowohl hemmend als auch fördernd wirken können und deren Rahmenbedingungen darstellen. Zu diesen Rahmenbedingungen zählt insbesondere die Infrastruktur (zum Beispiel Ladesäulen), die zu einem klassischen Henne-Ei-Problem wird. Diverse Forder- und Forschungsprogramme auf Bundes- und auf EU-Ebene unterstützen die Entwicklung der Technologien und stellen finanzielle Mittel bereit, die in Entwicklungsplänen gebündelt werden. Insgesamt haben sich die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf die batteriebetriebenen Elektroautos konzentriert. Aufgrund dessen kam es zu einem schwindenden Reichweitenvorteil der Brennstoffzellenautos. Neben den Entwicklungsplänen existieren flächendeckend Netzwerke um den Technologietransfer zwischen den Beteiligten Akteuren zu beschleunigen und ihm einen strukturellen Rahmen zu geben [Klug23]. Diese Netzwerke erarbeiten Strategien zur technologischen Entwicklung und übernehmen Informationsfunktionen für die Öffentlichkeit und die Politik. Einen Überblick über die verschiedenen bestehenden Netzwerke gibt die NOW GmbH mit Stand März 2023 [Klug23]. Durch Normung gilt es auf der einen Seite internationale Kompatibilität zu schaffen sowie Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen. Die Standardisierungsaktivitäten beschleunigen die Entwicklung der Technologien und dadurch auch die Elektrofahrzeuge.
Bisher haben sich die batteriebetriebenen Elektroautos durchgesetzt. Vorteil hier ist ein hoher Wirkungsgrad sowie das bereits bestehende elektrische Netz. Hier muss nur die Tankinfrastruktur weiter ausgebaut werden. Hindernisse beim Durchsetzen der Brennstoffzellentechnologie für PKWs ist der Ausbau der Infrastruktur. Neben den Tankstellen geht es hier zunächst auch um die Elektrolyseure, welche erneuerbaren Strom in Wasserstoff wandeln [Köll18]. Trotz des bisherigen Vorteils der batteriebetriebenen Elektrofahrzeuge aufgrund der verstärkten Marktdurchdringung wird von manchen Forschenden betont, dass trotzdem beide Antriebsarten in Zukunft von Bedeutung sein könnten, um die Antriebswende im Verkehr zu vollziehen [Sieb21].
Im Januar 2023 belief sich der Bestand an batteriebetriebenen Elektroautos in Deutschland auf insgesamt 1.877.721 Fahrzeuge (davon 1.013.009 rein elektrisch), das entspricht einem Anteil von etwa 3,9 Prozent am gesamten Pkw-Bestand [KBA23a]. Nach dem Ziel der Bundesregierung aus dem Jahr 2020 sollten bis 2030 sieben bis zehn Millionen batteriebetriebene Elektrofahrzeuge in Deutschland zugelassen werden. Im Koalitionsvertrag der neuen Bundesregierung aus dem Jahr 2021 ist schließlich ein Ziel von 15 Millionen Elektrofahrzeugen bis 2030 verankert worden [BReg21f]. Dies ist laut Experten notwendig, um die Klimavorgaben bis 2030 einzuhalten [BMWK21]. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden verschiedenste Fördermaßnahmen ergriffen. Diese reichen von einem Umweltbonus für die Anschaffung eines Elektroautos über einen Masterplan Ladesäuleninfrastruktur bis hin zu steuerlichen Anreizen für Elektrofahrzeuge, Vergleich [BReg21b]. Im gleichen Zuge kommt der angewandten Forschung, der Entwicklung von realitätsnahen Konzepten zur Einführung von Elektromobilität sowie praktikablen Umsetzungsstrategien eine hohe Bedeutung zu. Derzeit stehen insbesondere Vorhaben zum Ausbau der Ladeinfrastruktur sowie zur Förderung der interoperablen Nutzung (zum Beispiel Netzwerkverfügbarkeit, Bezahlsysteme) im Fokus von Politik, Wirtschaft und Forschung.
In dieser Wissenslandkarte soll ein Überblick über den aktuellen Stand von Forschung und Umsetzung der Elektromobilität in Deutschland gegeben werden. Schwerpunkte der Wissenslandkarte sind folgende Themen, die differenziert dargestellt werden:
  • Elektrische Antriebe / Antriebe im Rahmen der Elektromobilität
  • Merkmale von Fahrzeugen für Elektromobilität
  • Stand der Standardisierung
  • Förderrichtlinie Ladeinfrastruktur für (batteriebetriebene) Elektrofahrzeuge in Deutschland
  • Kostenmerkmale von Elektrofahrzeugen
  • Nutzerpräferenzen und potenzielle Erstnutzer
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Grundlagen der Elektromobilität (Stand des Wissens: 08.12.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?426933
Literatur
[BMWK21] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Hrsg.) Erstmals rollen eine Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Straßen , 2021
[BReg21b] Bundesregierung (Hrsg.) Mehr E-Mobilität, 2021
[BReg21f] Bundesregierung (Hrsg.) Koalitionsvertrag 2021-2025 zwischen SPD, BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN und FDP, 2021
[KBA23a] Kraftfahrtbundesamt (Hrsg.) Umwelt 2023, 2023
[Klug23] Miriam Klugmann Netzwerkatlas der Elektromobilität in Deutschland, 2023/03
[Köll18] Christiane Köllner Brennstoffzelle oder rein batteriebetriebenes Fahrzeug?, 2018/02/14
[Kurz03] Kurzweil, Peter Brennstoffzellentechnik - Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen, 2003
[Naun06] Naunin, Dietrich Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge: Technik, Strukturen und Entwicklungen, Expert Verlag , 2006
[Sieb21] Peter Sieben Experte ist sicher: "In 10 Jahren ist das Wasserstoffauto Normalität", 2021/11/23
Weiterführende Literatur
[Rein14] Justus Reinke Bereitstellung öffentlicher Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge - Eine ökonomische Analyse, 2014
[KBA22] Kraftfahrt-Bundesamt (Hrsg.) Der Fahrzeugbestand am 1. Januar 2022, 2022
Glossar
Elektromobilität
Die Elektrifizierung der Antriebe durch Batterie- und Brennstoffzellentechnologien. Im Kontext des "Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität" wird der Begriff auf den Straßenverkehr begrenzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Personenkraftwagen (Pkw) und leichte Nutzfahrzeuge, ebenso werden aber auch Zweiräder (Elektroroller, Elektrofahrräder) und Leichtfahrzeuge einbezogen.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie bei einer Umwandlung in die gewünschte Energieform umgewandelt wird, und beschreibt damit die Effizienz beispielsweise einer technischen Anlage.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
Energiewende im Verkehr
Mit der Energiewende im Verkehr (auch Antriebswende genannt), soll der Endenergiebedarf des Verkehrssektors mit klimaneutraler Antriebsenergie gedeckt und die verwendeten Energien sparsam genutzt werden. Dementsprechend ist die Energiewende im Verkehr insbesondere eine technische Herausforderung, bei der die Verbrennung fossiler Energieträger im Straßen-, Schienen-, Luft- und Schiffsverkehr durch die Nutzung von erneuerbarem Strom, grünem Wasserstoff, Biokraftstoffen und strombasierten synthetischen Kraftstoffen ersetzt wird.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?426929

Gedruckt am Mittwoch, 19. Juni 2024 09:09:46