Bachelorarbeit, 2020
43 Seiten, Note: 1,7
Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Vorwort
Abstract
1 Einleitung
1.1 Elektromobilität- Problemstellungen, Stand und Erwartungen
1.2 Ziel der wissenschaftlichen Arbeit
1.3 Definition und Abgrenzung des Elektromobilitätskonzepts
2 Stand der Technik
2.1 Die Funktionsweise von Verbrennungsmotoren
2.2 Die Batterie als Schlüsseltechnologie
2.2.1 Primär- und Sekundärzellen
2.2.2 Das Batteriesystem
3 Die Ladeinfrastruktur
3.1 Verschiedene Ladetechnologien
3.1.1 Der konduktive Ladevorgang
3.1.2 Der induktive Ladevorgang
3.1.3 Der Batteriewechsel
3.2 Anforderungen an die Stromnetze
4 Das theoretische Szenario: Vollständige Einführung des Elektromobilitätskonzepts in Deutschland in einem Jahr
4.1 Energieverbrauch und Rohstoffbezug
4.1.1 Energieverbrauch und Rohstoffbezug von konventionellen Fahrzeugen
4.1.2 Energieverbrauch und Rohstoffbezug von alternativen Fahrzeugen
4.1.3 Die Überführung der konventionellen Fahrzeuge in Elektrofahrzeuge
4.2 Erforderliche Anpassung der Ladeinfrastruktur
5 Zusammenfassung
6 Quellenverzeichnis
Tabelle 1 Entwicklung des Kraftfahrzeugbestandes in Millionen
Tabelle 2 Kraftstoffverbrauch von Pkw und Kombi in Millionen Litern*
Tabelle 3 Stromverbrauch von aktuellen Elektrofahrzeugen
Tabelle 4 Anzahl der Windenergieanlagen in Deutschland in den Jahren 2000 bis 2018
Abbildung 1 Definition und Abgrenzung verschiedener Technologien
Abbildung 2 Übersicht über verschiedene Ladekonzepte
Abbildung 3 Durchschnittlicher Kraftstoffverbrauch von Pkw und Kombi*
Abbildung 4 Kraftstoffverbrauch Deutschland 2018
Abbildung 5 Gesamtfahrleistungen nach Kraftfahrzeugarten
Abbildung 6 Emissionen ausgewählter Luftschadstoffe und Treibhausgase aus dem Verkehrssektor
Abbildung 7 Entwicklung des Stromverbrauchs nach Sektoren
Abbildung 8 Stromerzeugung in Deutschland nach Energieträgern
Abbildung 9 Energiebereitstellung aus erneuerbaren Energieträgern (2018*)
Die vorliegende Studienarbeit entstand im Rahmen meines Studiums des Wirtschaftsingenieruwesens (B.Sc.) an der Hochschule Mannheim.
Der Begriff Mobilität stammt vom lateinischen Wort „mobilis", was so viel bedeutet wie Beweglichkeit. Im vorliegenden Kontext ist unter „Mobilität" das menschliche Grundbedürfnis nach Ortsveränderung zu verstehen. Um diesem Bedürfnis nachzukommen, bedarf es verschiedener Verkehrsmittel.
Die Idee zu dem Thema „Kritische Betrachtung des Elektromobilitätskonzepts bezüglich tatsächlicher Umweltfreundlichkeit und Infrastruktur“ entwickelte sich während meines Pflichtpraktikums.
An dieser Stelle möchte ich mich für all die Denkanstöße recht herzlich beim ganzen Team bedanken.
Ein besonders herzlicher Dank gilt selbstverständlich Herrn Prof. Dr. rer. Nat. Frank-Thomas Nürnberg für die Betreuung dieser Arbeit. Ich widme diese Studienarbeit meinen Eltern, die mir während des Studiums jederzeit zur Seite standen. Mannheim, den 11.11.2019
Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist es zu bestimmen welche Auswirkungen die Ausführung der Elektromobilität auf die Umwelt und Infrastruktur in Deutschland hat. Dazu wird folgendes theoretische Szenario aufgestellt: „Die vollständige Einführung des Elektromobilitätskonzepts in Deutschland innerhalb eines Jahres“.
Um diese Idee zu entwickeln wurde zunächst eine ordentliche Informationsbasis zum aktuellen Stand der Technik bezüglich Antrieb und Ladeinfrastruktur mithilfe von Fachliteratur erstellt. Anschließend konnte mit Hilfe von „Was-Wäre-Wenn“- Analysen und Statistiken des deutschen Umweltamtes errechnet werden, welche Konsequenzen eine vollständige Elektrifizierung auf den deutschen Straßen innerhalb eines Jahres hätte.
Mithilfe statistischer Grundformeln konnte herausgefunden werden, dass es auch deutliche Schattenseiten bezüglich der Umweltfreundlichkeit gibt. Zum einen, weil der Strombedarf um einen ernst zu nehmenden Wert steigen wird und zum anderen, weil in den geographischen Gebieten, in denen der Rohstoff für die Batterien der Elektrofahrzeuge bezogen wird, soziologisch und ökologisch ein hoher Schaden entsteht.
„Wer in der Automobilindustrie jetzt nicht energisch auf Elektromobilität setzt, der wird schon bald nicht mehr wettbewerbsfähig sein!"
Dies waren schon im Jahre 2010 die Worte des damaligen Bundesumweltministers Dr. Norbert Röttgen bei seiner Ansprache auf dem „auto motor und sport- Kongress“ auf der Messe in Stuttgart zum Thema „Nachhaltige Mobilität“. Weltweit haben Regierungen die Notwendigkeit einer zügigen Reduktion der Kohlenstoffdioxidemissionen erkannt, wodurch der politische Wille nach nachhaltigen Mobilitätskonzepten immer stärker aufkam.
Vor mehr als einem Jahrhundert war das Automobil bereits weitverbreitet und hat sich zu einem unverzichtbaren Bestandteil des deutschen Alltags entwickelt. Seither stehen konventionelle Verbrennungsmotoren für einen hohen Grad an Mobilität und prägen die Lebensqualität.
Wegen des hohen Wertschöpfungsanteils der Automobilindustrie, ihrer hohen Exportquote sowie ihrer hohen direkten und indirekten Anzahl an Beschäftigten, gehört die Automobilindustrie außerdem zu den Leitbranchen der deutschen Industrie. Diese Tatsache bestärkt sich aktuell, weil sich die Branche in einer Umbruchphase befindet: Schrumpfende fossile Ressourcen, steigende Energiepreise, erhöhte CO2- Emissionen, Luftverschmutzung und Klimawandel sind nur einige Herausforderungen, die uns in der Gegenwart und sicherlich auch in der zukünftigen Zeit betreffen. Wie sich zeigt, hat die nahezu grenzenlose Mobilität deutliche Schattenseiten, die der konventionellen Mobilität eine endliche Zukunft vorhersagen.1
Andere Herausforderungen sind Fahrverbote für Dieselkraftfahrzeuge in Städten sowie das geplante Ende des Verbrennungsmotors in einigen EU-Ländern. Auch E-Quoten in China oder EU-Bußgelder für erhöhten Kohlendioxidausstoß ab 2020 drängen die Hersteller zu Veränderungen.
Daher erkannte auch die Bundesregierung das Elektrofahrzeug frühzeitig als Hoffnungsträger für die geforderte Energiewende im Verkehr und fördert gegenwärtig vor allem die Entwicklung des batteriebetriebenen (Lithium-Ionen- Batterien) Autos.
Fazit: Die Dringlichkeit eines Paradigmenwechsels und die damit verbundene substantielle Änderung der Motorisierung der Fahrzeuge steht außer Frage. Das Elektrofahrzeug scheint auf den ersten Blick durch seine Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen und seinen hohen Wirkungsgrad eine solche verbesserte Alternative zu sein. Jedoch werden aufgrund einer fehlenden Infrastruktur, der geringen Reichweite der Batterien sowie des noch hohen Kaufpreises die auf Basis des Verbrennungsmotors anfallenden Umsätze in den nächsten Jahren weiterhin dominieren. 2
Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit liegt nun darin, diese Alternative kritisch zu beleuchten: Es stellt sich die Frage, ob mit Strom angetriebene Fahrzeuge ihrem positiven ökologischen Ruf gerecht werden. Zwar verspricht das Elektromobilitätskonzept eine fast vollständige lokale Emissionsfreiheit in Bezug auf Schadstoffe und Lärm, jedoch wird die Konsequenz für die Länder, in denen die Batterien hergestellt werden, völlig außer Acht gelassen. Weitere Punkte sind die Frage des mangelnden Ausbaus der Infrastruktur und die geringe Reichweite der Fahrzeuge, welche ebenfalls erörtert werden.
Des Weiteren soll, mit Blick auf Einflussfaktoren einer zunehmenden Elektrifizierung, eine Einschätzung des Zukunftspotenzials aus unterschiedlichen Blickrichtungen abgeleitet werden. Hierfür wird ein theoretisches Szenario aufgezeigt, in welchem durch die Methode verschiedener Datenbanken und Quellen erforscht wird, wie die Gesamtlage in Deutschland aussähe, wenn das Elektromobilitätskonzept in seiner vollständigen Ausprägung innerhalb eines Jahres ausgeführt werden würde. Die Effekte von bestimmten (ökonomischen, technologischen, sozialen) Entwicklungen werden üblicherweise mittels „Was- wäre-wenn“-Analysen untersucht, um die Implikationen von divergierenden Annahmen zu berechnen.3
Vor diesem Hintergrund soll der State of Art und die zukünftige Entwicklung, sowie die Bedeutung der Elektromobilität für Deutschland und den Rest der Welt, ausgeführt werden. Dabei dienen die Beispiele aus dem Ausland eher zur Vollständigkeit, denn der Schwerpunkt der Untersuchung liegt in Deutschland.3
Das Ergebnis dieser Studienarbeit eignet sich für die weiterführende Analyse der Umweltfreundlichkeit des Elektromobilitätskonzepts, um Verbesserungsmöglichkeiten zu generieren und dockt an die Diskussion um Wasserstofftechnologien an.
Die vorliegende Arbeit ist folgendermaßen aufgebaut: Das zweite und dritte Kapitel bilden den theoretischen Rahmen und überprüfen die aktuelle Literatur, um so den gegenwärtigen Stand der Technik darzustellen. Dies ist die Grundlage für die Erörterung des bereits oben erwähnten theoretischen Szenarios, welches das vierte Kapitel bildet. Anschließend folgt eine Analyse der grundlegenden Literatur zum Thema Infrastruktur bezüglich der Elektromobilität.
Damit ein umfassendes Verständnis für den Begriff der Elektromobilität entwickelt werden kann, folgt in diesem Unterkapitel eine genaue Definition. Im Zuge dessen wird auch der Unterschied zwischen den unterschiedlichen Technologien gekennzeichnet.
Bei dem Begriff „Elektromobilität“ oder auch „E-Mobility“ handelt es sich in Anbetracht der Entwicklungen mehr um einen dynamischen Prozess und weniger um ein statisches Konzept, was derweil noch eine dauerhaft gültige Definition erschwert. Generell bezeichnet Elektromobilität das Konzept einer Elektrifizierung von Fahrzeugen. Dazu zählen genauso Elektroautos wie elektrische Bahnen, Elektromotorräder und -roller, Batteriebusse, elektronische LKW, Elektrofahrräder aber auch Elektrodreiräder.4
Zu Elektrofahrzeugen gehören Brennstoffzellenfahrzeuge, batterieelektrische sowie Hybrid-Fahrzeuge. Auf dem Weg vom konventionellen Fahrzeug zum rein elektrisch betriebenen Fahrzeug existieren einige Abstufungen, die schrittweise zur vollständigen Elektrifizierung des Antriebsstranges führen.
In Abbildung 1 sind die verschiedenen Antriebstechnologien, die bislang existieren, voneinander abgegrenzt. Im Folgenden wird jedoch ausschließlich auf das batteriebetriebene Fahrzeug eingegangen, wobei jedoch wiederkehrend zuvor ein kurzer Vergleich zum Verbrennungsmotor vorgenommen wird.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 Definition und Abgrenzung verschiedener Technologien5
Der umfassende Begriff „Elektromobilität“ umfasst viel mehr als den Ersatz eines herkömmlichen Verbrennungsmotors durch einen Elektromotor. Es findet eher eine Revolution entlang der Wertschöpfungskette statt. In diesem Kapitel wird systematisch auf technischer Ebene erst einmal die Funktionsweise von konventionellen Fahrzeugen und anschließend von alternativen Fahrzeugen erläutert. Der Batteriezelle kommt eine Schlüsselrolle bei der technologischen Entwicklung zu, zum einen, weil sie einen großen Bestandteil der Gesamtkosten am Fahrzeug ausmacht und zum anderen werden die Reichweiten von Elektrofahrzeugen durch die mit den jeweiligen Batterietechnologien erreichbare Energiedichte bestimmt.
In einem Verbrennungsmotor wird ein Teil der chemischen Energie des Treibstoffs in mechanische Energie über die Bestandteile Kolben, Pleuel und Kurbelwelle umgewandelt. Diese wird einem in einem begrenzten Raum eingeschlossenen gasförmigen Arbeitsmedium zugeführt und in potentieller Form (Druck) ausgenutzt.6 Für die meisten Pkw-Antriebe haben sich als Verbrennungsmotoren der Ottomotor und der Dieselmotor durchgesetzt. Substanzielles Unterscheidungsmerkmal dieser zwei Motoren ist der Vorgang der Zündung, da im Dieselmotor die Luft so stark zusammengedrückt wird, dass sie mehrere hundert Grad heiß wird. Wenn dann der Treibstoff dazu gespritzt wird, kommt es zur spontanen Entzündung. Bei Ottomotoren hingegen ist das Verdichtungsverhältnis durch die Klopffestigkeit des Benzins limitiert. Daher ist eine Fremdzündung notwendig, die von den Zündkerzen übernommen wird. Gebräuchlichster Treibstoff für den Ottomotor ist Benzin, jedoch sind Erdgas, Ethanol oder Wasserstoff ebenfalls möglich. Vergaser oder Benzineinspritzung produzieren das Treibstoff-Luft-Gemisch und bringen dieses in die Verbrennungskammer7 Die Größe der Kammer kennzeichnet den Hubraum (Volumenangabe).
Der Verbrennungsvorgang läuft in Zyklen ab und jeder Zyklus kann in zwei oder vier Stufen aufgeteilt werden (Zwei- oder Viertaktmotor). Der wesentliche Unterschied der beiden Ausführungen liegt beim Wirkungsgrad, welcher beim Viertaktmotor wesentlich höher ist. Dahingegen weist dieser im Normalfall ein größeres Gewicht auf.8
Stufen des Viertaktmotors:
1. Ansaugen: Luft oder das Treibstoff-Luft-Gemisch wird in die Kammer gesaugt
2. Verdichten: Inhalt der Kammer wird verdichtet
3. Verbrennen: Aus chemischer Energie wird mechanische Energie und Wärme
4. Ausstößen: Das verbrannte Gemisch gelangt als Abgas aus der Kammer.
Das folgende Unterkapitel gibt einen Überblick über den grundlegenden Aufbau und die Funktion von Lithium-Ionen-Zellen.
Batterien sind elektrochemische Energiespeicher und werden in Primär- und Sekundärzellen unterschieden.
Primärzellen sind elektrochemische Stromquellen, bei denen chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird, während die ablaufende Redoxreaktion irreversibel (Zelle ist nach Energieentnahme nicht mehr nutzbar, sodass eine Entsorgung über ein Rücknahmesystem erfolgen muss) bleibt.9
Sekundärzellen, auch Akkumulatoren genannt, sind dagegen wieder aufladbare elektrochemische Energiespeicher, bei denen die ablaufende chemische Reaktion umkehrbar ist, sodass eine mehrfache Nutzung möglich ist. Elektrische Energie wird beim Laden in chemische Energie umgewandelt, während der Entladevorgang den Vorgang wieder rückgängig macht. Ein vollständiger Lade- und Entladevorgang wird als Zyklus bezeichnet. Mit der Anzahl der Zyklen wird in den meisten Fällen die Lebensdauer einer Zelle angegeben. Je nach Art, Anwendung und Handhabung erreichen wieder aufladbare Batterien eine ZyklenLebensdauer von 100 bis mehrere 1.000 Zyklen.10
Die Lithium-Ionen-Batterie gehört zur Gruppe der Sekundärzellen. Die folgenden Kapitel befassen sich ausschließlich mit diesem Batterietyp, da sie aus der Sicht vieler Experten mit ihren Vorteilen gegenüber anderen Zellarten die zukunftweisende Technologie im mobilen Einsatz darstellt.
Derzeit ist Lithium das ideale Aktivmaterial, da Lithium
- das leichteste Element in Feststoffform (Atommasse M = 6,941 g/mol; Dichte 0,53 g/cm3) ist und
- das größte negative Standardpotential6 (E0) in der elektrochemischen Spannungsreihe (Li+ + e- # Li; E0 = -3,04 V vs. StandardWasserstoffelektrode) besitzt. Daraus ergibt sich eine im Vergleich mit anderen Feststoffelementen sehr hohe spezifische Ladungsdichte (3.860 Ah/kg).11
Das Batteriesystem, welches auch in Elektrofahrzeugen zu finden ist, besteht neben verschalteten elektrochemischen-Zellen aus einer Anzahl von mechanischen und elektronischen Bestandteilen, die eng aufeinander abgestimmt sein müssen. Zu den wichtigsten mechanischen Bestandteilen gehören vor allem das Gehäuse mit Isolierung und gegebenenfalls eine Kühlung sowie Befestigungssystemen.12
Eine flächendeckende Ladeinfrastruktur ist Voraussetzung für eine Marktdurchdringung von Elektroautos.13 Die Ladung der Batterie kann über verschiedene Ladetechnologien erfolgen. Welche technischen Möglichkeiten im Einzelnen bestehen und technisch zu bewerten sind, wird im vorliegenden Kapitel nach einer allgemeinen Vorstellung der Möglichkeiten anhand der folgenden Faktoren diskutiert:14
- Ort und Zugang zu Lademöglichkeiten: Wo ist die Ladeinfrastruktur aufzubauen?
- Anschlussleistung: Wie schnell lässt sich laden?
- Anwendungsszenarien: Welche Ausprägungsformen sind in der Praxis sinnvoll?
In den meisten Konzepten für die Ladung von Elektrofahrzeugen wird die Batterie direkt im Fahrzeug geladen, indem das Fahrzeug entweder durch eine kabelgebundene Verbindung oder kabellos an eine äußere Ladeeinheit angeschlossen wird. Voraussetzung hierfür ist, dass im Fahrzeug eine dazu ergänzende Ladetechnik bereitsteht. 15 Im Folgenden werden die drei Hauptkonzepte kurz hinsichtlich ihres technischen Funktionsprinzips näher betrachtet. Abbildung 2 gibt einen Überblick über die verschiedenen Ladetechnologien.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2 Übersicht über verschiedene Ladekonzepte
Quelle: (Eigene Darstellung)
Konduktive Ladeverfahren haben einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad bei der Übertragung der Energie und ermöglichen durch hohe Übertragungsleistungen eine schnelle Aufladung der Fahrzeugbatterie. Hierfür müssen Fahrzeug und Netzanschluss kabelgebunden über elektrische Kontakte verbunden sein. Abgesehen von der Anbindung des Kabels müssen im Gegensatz zur induktiven Aufladetechnik bei der Positionierung des Fahrzeugs keine weiteren Einschränkungen bedacht werden.15 Nachteilhaft ist die öffentliche Zugänglichkeit des Ladekabels sowie weiterer Komponenten, was die Ladeinfrastruktur anfällig für Vandalismus und Witterungseinflüsse macht. Zudem sind die verkehrlichen Auswirkungen von offen hängenden Kabeln zu bedenken.
Innerhalb der konduktiven Ladeverfahren wird ferner unterschieden zwischen Wechselstromladen und Gleichstromladen.
[...]
1 Vgl. Grote et al. (2018), S.21
2 vgl. ebd.
3 Vgl. Peters et al. (2012), S.13
4 Vgl. ENBW online (2019): So fährt man heute. Online im Internet: https://www.enbw.com/elektromobilitaet (Stand: 30.11.2019)
5 Verband der Automobilindustrie (2018), Online im Internet: https://www.vda.de/.imaging/stk/vda/lightboxImage/dam/vda/Medien/DE/Themen/Innovation-und- Technik/Elektromobilitaet/StartseiteElektromobilitaet/Antriebstechnologien/jcr:content/Antriebstechnolog ien.2019-04-29-11-45-06.png (Stand: 30.11.2019)
6 Vgl. Grote et al. (2018), S.13
7 Vgl. Simply Science (2013): Der Verbrennungsmotor. Online im Internet: https://m.simplyscience.ch/teens-liesnach-archiv/articles/der-verbrennungsmotor.html (Stand:06.12.2019)
8 vgl. ebd.
9 IKT für Elektromobilität (2015): Kompendium: Li-Ionen-Batterien. Grundlagen, Bewertungskriterien, Gesetze und Normen. 2.Kapitel, S.2.Online im Internet: https://www.dke.de/resource/blob/933404/fa7a24099c84ef613d8e7afd2c860a39/kompendium-li-ionen- batterien-data.pdf (Stand:10.12.2019)
10 vgl. ebd.
11 Vgl. Leuthner (2013), S. 14-15
12 IKT für Elektromobilität (2015): Kompendium: Li-Ionen-Batterien. Grundlagen, Bewertungskriterien, Gesetze und Normen. 2.Kapitel, S.6. Online im Internet: https://www.dke.de/resource/blob/933404/fa7a24099c84ef613d8e7afd2c860a39/kompendium-li-ionen- batterien-data.pdf (Stand:10.12.2019)
13 Mönning et al. (2018), S.21
14 Vgl. Peters et al. (2012), S.42
15 Vgl. Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (2018): Konduktive Ladevorgänge: Online im Internet: https://www.forschungsinformationssystem.de/servlet/is/426895/ (Stand: 17.12.2019)
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