E-Mobility auf dem Vormarsch: Vorteile, Nachteile und die Zukunft des Akku-Antriebs

Unserem Planeten gehen die Ressourcen aus, das wissen auch die großen Fahrzeughersteller. Im Zuge der Energiekrise wird Treibstoff immer teurer – und unser Planet immer verschmutzter. Fahrzeuge mit Lithium-Ionen-Akkus versprechen umweltfreundliches Fahren mit allen Komforts – und das kommt an: Der Markt für Elektroantriebe boomt. Wir präsentieren die Vor- und Nachteile des Akku-Motors und wagen einen Blick in die Zukunft der E-Mobility.

Vor- und Nachteile des Akku-Antriebs

Ein beinahe 100-prozentiger Anstieg der Verkaufszahlen von Elektroautos zwischen 2012 und 2013 in Deutschland beweist: Akku-Autos liegen im Trend. Das derzeitige Maß aller Dinge in Sachen Elektroantrieb ist dabei der Lithium-Ionen-Akku. In unserem Artikel zum Li-Ionen-Akku haben wir bereits erklärt, wie dieser Antrieb funktioniert.

Der Lithium-Ionen-Akku ist der mit Abstand leichteste und effizienteste Akkumulator auf dem Markt. Seine Energiedichte beträgt etwa 0,65 MJ/kg, je nach individuellen Bestandteilen. Mit dem Treibstoff-Antrieb kann er damit aber derzeit nicht mithalten: Dieselkraftstoff besitzt eine Energiedichte von etwa 43 MJ/kg (Quelle).

Noch immer hat der Li-Ionen-Akku deshalb den Ruf als „Achillesferse“ moderner E-Fahrzeuge: er ist schwer, groß und teuer (Quelle). Vor diesem Hintergrund nun eine ausführliche Zusammenfassung der unserer Meinung nach wichtigsten Vorzüge und Probleme von Li-Ionen-Akkus als Motorantrieb.

Vorteile des Akku-Antriebs

• • Umweltfaktor: E-Motoren sind „lokal emissionsfrei“, das bedeutet, dass sie am Ort der Benutzung keine Schadstoffe abgeben.
  • CO2-Freiheit: Die Akkus bieten die Möglichkeit, sich CO2-frei zu bewegen – man vergleiche dazu die Abgaswerte verschiedener Automarken mit herkömmlichen Motoren. Voraussetzung: Es wird Energie aus regenerativen Quellen „getankt“.
  • Geringe laufende Kosten: Die Verbrauchskosten eines E-Autos sind dank niedriger Strompreise in Deutschland deutlich geringer als für normale Autos.
  • Wartungsvorteile: Die Wartungskosten für Elektromotoren sind extrem gering, da die Akkus leicht zu pflegen sind (Quelle).
  • Leistungsstärke: E-Motoren-Akkus können bei vergleichsweise einfachem Aufbau viel Leistung erzeugen.
  • Steuerersparnis: E-Auto-Besitzer zahlen weniger für ihre Kfz-Steuer und -Versicherung. Letztere beläuft sich je nach Anbieter auf etwa 100 Euro im Jahr.
  • Lärmschutz: Die Akkumulatoren des E-Motors geben kaum Geräusche von sich.
  • Bremsenergie: Beim Bremsen lässt sich Bewegungsenergie zurückgewinnen. Der Motor dient dabei als Generator.
  • Effizienz: Der Wirkungsgrad von E-Motoren – also die Energie, die in Bewegung umgesetzt wird – liegt bei etwa 90 Prozent, die eines Verbrennungsmotors bei etwa 20 bis maximal 38 Prozent (Quelle).
  • Schnellladefunktion: Neuere E-Autos bieten die Möglichkeit, etwa 80 Prozent des Akkus in nur 30 Minuten zu laden.
  • Prämien: E-Autos werden aufgrund ihrer Umweltverträglichkeit oft staatlich gefördert. Deutsche Minister beraten derzeit staatliche Zuschüsse von etwa 5.000 Euro pro Kauf eines Elektroautos (Quelle).

    

Nachteile des Akku-Antriebs

• • • Geringe Reichweite: Die meisten Elektromotoren haben eine Reichweite von etwa 100-200km. Bisher liegt die maximale Strecke bei etwa 500 km ohne Nachladen beim Tesla Model S. Der Grund: Akkus mit mehr Reichweite wären derzeit noch zu groß und schwer für E-Fahrzeuge.
    • Hohe Ladezeit: Die Ladezeit beträgt je nach Modell standardmäßig etwa 3-11 Stunden, im Gegensatz zu einem 5 Minuten Tankstopp eines herkömmlichen Pkws.
    • Geringe Lebenszeit: Der Akku des Elektromotors muss nach circa vier bis sieben Jahren ausgetauscht werden, denn er baut nach etwa 700-1000 Zyklen Leistung ab (Quelle).
    • Kostenfaktor: Li-Ionen-Akkus in der Größenordnung sind extrem teuer und bei derzeitiger Technik nicht unter 6.000 Euro erhältlich. Durch höhere Nachfrage und Massenproduktion würde dieser Preis allerdings erheblich sinken.
    • Gewicht: Die E-Motoren wiegen aufgrund der deutlich geringeren Energiedichte des Akkus mehr als herkömmliche Verbrennungsmotoren. Die Li-Ionen-Batterie des e-Golf etwa wiegt 318 kg (Quelle), die des Tesla Roadster 408 kg (Quelle).
    • Ladestationen-Mangel: Nicht jede Tankstelle in Deutschland ist mit einer E-Ladestation ausgestattet. Die nächste Station findet man jedoch mühelos per App oder im Internet, beispielsweise mit Hilfe des Anbieters ChargeMap. Hierzulande gibt es derzeit etwa 8300 Lademöglichkeiten – Tendenz rasant steigend (Quelle mit mehr Statistiken zu Ladestationen europaweit).
    • Temperaturanfälligkeit: Temperaturen über 30 Grad und unter 15 Grad können zum Leistungsabbau des Li-Ionen-Akkus führen. Siehe dazu unseren Beitrag zu den Reaktionen des Li-Ionen-Akkus auf Hitze, Kälte und Lagerungsbedingungen.
    • CO2-Neutralität als Illusion: Wird der Akku beispielsweise mit Energie aus Erdöl und anderen nicht regenerativen Quellen aufgeladen, kann die CO2-Bilanz unter Umständen sogar negativer sein als beim normalen Verbrennungsmotor. Vollkommene CO2-Neutralität ist also bisher noch reines Wunschdenken.
    • Elektro-Smog: Je mehr elektronische Geräte im Umlauf sind, desto mehr elektromagnetischen Feldern sind wir ausgesetzt. Viele Menschen reagieren extrem sensibel auf diese Belastung (Quelle). Doch neuste Techniken versprechen Abhilfe.

Elektroautos im Vergleich

Der E-Car-Markt in Deutschland wird trotz Schwächen des Li-Ionen-Akkus immer umkämpfter. Auch Automobil-Giganten wie BMW und Mercedes springen derzeit auf die Elektro-Trendwelle auf. Hier eine Vergleichstabelle der hierzulande wichtigsten E-Autos, sortiert nach der größten Reichweite:

Vergleichstabelle der E-Autos in Deutschland

Wichtige Randnotiz zu diesen Angaben: Alle Elektroauto-Hersteller geben offen zu, dass die Gültigkeit der angegebenen Reichweite ihrer Stromer von den folgenden Faktoren abhängt:

• • • individuelle Benutzung
    • Außentemperatur
    • Witterungsbedingungen
    • Straßenverhältnisse
    • Zuladung

Im Klartext: Die vom Hersteller gemachten Angaben zu Verbrauch und Reichweite sind Idealwerte gemäß der NEFZ-Verbrauchsmessung (NEFZ = Neuer Europäischer Fahrzyklus), die im Alltag erheblich nach unten korrigiert werden müssen.

Außerdem Vorsicht: Der – meist erhebliche! – Batteriepreis (ab 6.000 Euro beim Smart ed) ist oft nicht im Gesamtpreis enthalten.

Derzeitiger Verkaufsschlager ist der e-Smart, mit 3612 verkauften Exemplaren im Jahr 2013, gefolgt von VW mit 2050 Exemplaren (Quelle).

King of the Road: Der Tesla-E-Motor

Das Tesla-Unternehmen ist auf E-Motoren spezialisiert und ist in Sachen E-Mobility derzeit international das Maß aller Dinge. Auch der Smart ed sowie der neue Mercedes B-Klasse Electric Drive profitieren von einem Tesla-Motor (Quelle). Der Akku hängt die gesamte Konkurrenz ab: Mit der höchsten Energiedichte der Industrie und einer maximalen Reichweite von über 500 Kilometern schließt er Stück für Stück die Lücke zu konventionellen Verbrennungsmotoren. Die scheinbar einzige Schwäche: Das leistungsstärkste Tesla-Auto mit einem 85 kWh leistungsstarken Li-Ionen-Akku kostet in Deutschland über 100.000 Euro.

Der Aufbau des Tesla-Motors

Tesla bietet derzeit zwei Modelle an: den Roadster und das Model S, mit einem Model X und Model 3 in Aussicht. Die Maximalgeschwindigkeit von 200 km/h und die maximale Reichweite von 502 km erreicht das Model S durch zwei Batterien: Front- und Heckantrieb.

Die negative Elektrode (Kathode) basiert auf graphitähnlichem Kohlenstoff, die positive Elektrode (Anode) auf Lithium-Kobaltdioxid. Als Elektrolyt dienen wasserfreie Lithiumsalze, die Zellspannungen von etwa 3,6 Volt ermöglichen (Quelle). Antriebsstrang ist ein vierpoliger Dreiphasenwechselstrom-Induktionsmotor mit Kupferläufer (Quelle).

Im Gegensatz zu anderen Automobilherstellern arbeitet Tesla mit Tausenden von kleinen Li-Ionen-Rundzellen, ähnlich denen eines Computers, anstatt auf teure, großformatige Zellen zu setzen. Sie haben einen Durchmesser von circa 18 mm und sind 65 mm lang. Der Tesla Roadster besteht aus 6.831 solcher Li-Ionen-Zellen.

Die kleinen Rundzellen werden simplifiziert, mit Stahl ummantelt und massenproduziert, wodurch die Preise der einfach gewickelten Tesla-Zellen die ihrer Konkurrenz um etwa 40 Euro unterschreiten. Durch eine eigene Kühlungsstrategie und Brandschutzbeschichtung umgeht Tesla die teuren Sicherheitssysteme der einzelnen Zellen (Quelle).

Mit der Gleichstrom-Schnellladebox Tesla Supercharger beträgt die Ladeleistung etwa 120 kW. Diese Schnellladevorrichtung wird allerdings zurzeit nur in den USA verwendet. Gleichzeitig ist Tesla an dem Aufbau einer Li-Ionen-Akku-Fabrik zusammen mit Investitionspartner Panasonic beteiligt, die ihre Akku-Preise weiter senken soll.

Die Akku-Antrieb-Zukunft: 2.000 Kilometer ohne Nachladen?

Immer wieder kündigen Unternehmen E-Mobility-Wunder an. So geschehen im Oktober 2014, als das Forscherteam der NTU-Universität in Singapur ihre große Entdeckung kundtat: die Titandioxid-Technologie soll den Akku-Markt revolutionieren. Die Batterie lade in 2 Minuten zu 70 Prozent und halte zehnmal so lang wie derzeitige Li-Ionen-Akkus (Quelle).

Im November 2014 die nächste große Ankündigung: Neutrino Inc. sprach von einem E-Auto, das 2.000 Kilometer ohne Nachladen schafft. Der scheinbar einzige Haken: Die Batterie wiege fast 600 Kilogramm. Nach Tüfteleien am Gewichtsproblem soll der „revolutionäre“ Akku schon in einigen Jahren auf den Markt kommen.

Herrliche Aussichten für die E-Mobility-Branche! Und höchste Zeit – denn für Zukunftsforscher steht das Ende des Verbrennungsmotors unmittelbar bevor:
https://youtu.be/JHUzfw24oCk

Fazit: Akku-Revolution?

Dass wir längst noch nicht alle in CO2-neutralen Elektrogefährten herumdüsen, dürfte wohl vor allem wirtschaftliche Gründe haben: große Ölförderfirmen und die Automobilindustrie waren lange Zeit und sind noch immer die Giganten der Weltwirtschaft. Manche sprechen sogar von einer systematischen Unterdrückung umweltfreundlicher Fahralternativen seit vielen Jahrzehnten (Quelle). Denn mit einer Effizienz von durchschnittlich etwa 30 Prozent ist der Verbrennungsmotor eine längst veraltete Technik, die im Vergleich zu über 80 Prozent Wirkungsgrad der Li-Ionen-Akku-Motoren verblasst.

Doch der Klimawandel hat einen Bewusstseinswandel mit sich gebracht. Der Übergang zu Akku-Antrieben symbolisiert den Wechsel zu einem bewussteren Umgang mit moderner Technik. Technischer Fortschritt wird dabei im Sinne des Planeten angewendet – und nicht im Sinne der Wirtschaft. Die Akku-Technologie spielt für die Zukunft der Fortbewegung eine essenzielle Rolle und schreitet rasant voran. Sollten es die angekündigten Super-Akkus bald auf den Markt schaffen, könnte das die E-Mobility-Industrie revolutionieren und eine Zukunft sauberer Energie einleiten.

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Wikimedia Commons: Tesla Model S, Tesla-Motor, Tesla Skizze, Tesla-Fabrik
Quellen für Vergleichstabelle: BMW, VW e-Up, e-Golf, Ford Electric, Renault Zoe, Nissan Leaf, Citroen C-Zero, Smart ed, Tesla Model S