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Dezember 2020

Technologiestudie: Rückkehr der Elektromobilität? – Ein Überblick der aktuellen Entwicklung

Amela Ajanovic, Marlene Sayer und Reinhard Haas (EEG, TU Wien) geben einen Überblick der aktuellen Entwicklung.

 

Ungefähr ein Drittel der gesamten Treibhausgasemissionen der EU werden durch den Verkehrssektor verursacht. Der Großteil davon kann dem Straßenverkehr und weiterführend dem Individualverkehr in Autos zugerechnet werden. Während die Emissionen in den meisten anderen Sektoren laufend zurückgehen, sind diese im Verkehr seit den 1990er Jahren gestiegen.

Abbildung 1: Treibhausgasemissionen in der EU 28 im Jahr 2017 (i) nach Sektor, (ii) von Verkehrsträgern, und (iii) von Straßenverkehr nach Transportmitteln (Quelle: Darstellung TU Wien, nach EU-Statistik)

Aus diesem Grund wurden auf EU-Ebene weitreichende Maßnahmen beschlossen. Bereits ab 2021 soll die Neuwagenflotte in der EU im Schnitt nur noch höchstens 95 g CO2 pro Kilometer verursachen, mit noch geringeren Werten für die Jahre 2025 bzw. 2030. Ohne alternative Fahrzeugtechnologien wird es nicht möglich sein, diese Durchschnittswerte zu erreichen.

Hier kommen Elektrofahrzeuge ins Spiel, deren Zahl im Vergleich zum gesamten Fahrzeugbestand noch sehr gering, in den letzten Jahren aber kontinuierlich gestiegen ist. In Österreich sind mit Stand 1. Oktober 2020 39.643 Elektrofahrzeuge zugelassen. Der gesamte Fahrzeugbestand beläuft sich jedoch auf eine Anzahl von 5,085 Mio.

Abbildung 2: Anzahl von Batterie-Elektrofahrzeugen in Österreich, Stand 1.10.2020 (Quelle: Darstellung TU Wien, nach Statistik Austria)

Die Haupthindernisse für eine breitere Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen sind (i) ihre immer noch sehr hohen Investitionskosten im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen, (ii) die begrenzte Reichweite von Elektrofahrzeugen und (iii) die begrenzte Verfügbarkeit der Ladeinfrastruktur.

Dieser Beitrag soll einen Überblick über die historische Entwicklung, die Typen von Elektroautos, ihre Wirtschaftlichkeit und Umweltaspekte geben.

 

Die historische Entwicklung

In den 1830er Jahren wurden die ersten leichten Elektrofahrzeuge in den USA, Großbritannien und den Niederlanden gebaut, nachdem 10 Jahre davor der Elektromotor erstmals demonstriert wurde. Im „goldenen Zeitalter“ von 1880-1920 erfuhren sie zunehmende Popularität, vor allem in den USA. Im Jahr 1900 waren in den USA insgesamt 1.681 dampfbetriebene Fahrzeuge, 936 Verbrennungsmotor-Fahrzeuge mit Benzinantrieb und 1.575 Elektrofahrzeuge zugelassen – ohne Indikation, welcher Fahrzeugtyp sich durchsetzen würde, da alle drei Typen gewisse Vor- und Nachteile aufwiesen. Der Vorteil des Elektroautos bestand ganz klar darin, dass sie sauber und leise waren und keine Vibration verursachten, sie waren jedoch langsam und teuer. Das Problem der Reichweite war zu der Zeit nicht relevant, da es gute Straßen ohnehin nur innerhalb der Städte gab. Mit dem Ausbau des Straßennetzes sowie der Optimierung der Verbrennungsmotor-Fahrzeugen und dem rasanten Preisrückgang durch das erste seriengefertigte Fahrzeug – das Ford Modell T – erfolgte jedoch ein Rückgang der Elektrofahrzeuge. Diese hatten sich technisch nicht weiterentwickelt, während der Strompreis stieg und der Erdölpreis sank (Entdeckung Erdöl in Texas).

Abbildung 3: Historische Entwicklung von Elektrofahrzeugen (Quelle: Ajanovic, Glatt 2020)

 

Typen von Elektrofahrzeugen

Es werden vier Arten von Elektrofahrzeugen mit unterschiedlichen lokalen Emissionen unterschieden:

Abbildung 4: Verschiede Typen von Elektrofahrzeugen (Quelle: Ajanovic, Glatt 2020)

Hybrid-Elektrofahrzeuge sind die wettbewerbsfähigsten auf dem Markt und verwenden eine Kombination aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor. Die Batterie des Elektromotors wird ausschließlich mit rückgewonnener Bremsenergie geladen. Plug-in-Hybrid Elektrofahrzeuge sind wie Hybrid-Elektrofahrzeuge aufgebaut, haben jedoch eine deutlich größere Batterie, die auch am Stromnetz aufgeladen werden kann. Die rein elektrische Reichweite liegt zwischen 30 und 60 km. Range Extender Elektrofahrzeuge haben einen kleinen Verbrennungsmotor, um die Batterie während der Fahrt zu laden und somit die Reichweite zu erhöhen. Batterie-Elektrofahrzeuge werden vollständig von Elektromotoren angetrieben, somit hängt die Reichweite (150-300 km) hauptsächlich von der Batteriekapazität ab.

Wirtschaftlichkeit

Die Entwicklung der Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen wird maßgeblich davon abhängen, wie sich die Kosten und Technologien von Batterien entwickeln. Ajanovic und Glatt (2020) konnten feststellen, dass von 2009 bis 2019 eine durchschnittliche Investitionskostensenkung von 40 % erreicht wurde.

Abbildung 5: Entwicklung der Investitionskosten von Elektro- und konventionellen Fahrzeugen über die Zeit bis 2050 unter Berücksichtigung von Lerneffekten (Quelle: TU Wien)

Neben den Anschaffungskosten, die meistens im Vordergrund stehen, müssen aber ebenfalls die Kosten für Kraftstoff versus Strom, sowie Betriebs- und Wartungskosten mitberücksichtigt werden.

Bis 2050 werden voraussichtlich mithilfe von technologischem Lernen die Investitionskosten von Elektrofahrzeugen sinken und die Kraftstoffpreise durch CO2-Steuern steigen. Kombiniert mit politischen Maßnahmen könnte dies zum wirtschaftlichen Erfolg von Elektrofahrzeugen beitragen.

Umweltaspekte

Meistens werden bei Elektrofahrzeugen die fehlenden lokalen Emissionen hervorgehoben. Dies ist ein Vorteil in städtischen Gebieten mit hohen Emissionen. Um jedoch einen Gesamtüberblick zu bekommen, müssen die Tank-to-Wheel Emissionen, die durch den Kraftstoffverbrauch im Auto entstehen und die Well-to-Tank Emissionen, die bei der Produktion und Bereitstellung von Energie (fossile Kraftstoffe oder Strom) entstehen, sowie die Emissionen für die Materialien, die Herstellung und die Entsorgung des Fahrzeugs mitberücksichtigt werden. Der wichtigste Faktor, ob Elektrofahrzeuge Treibhausgasemissionen oder lediglich die lokale Luftverschmutzung reduzieren, ist der Energiemix der Stromerzeugung des jeweiligen Landes. Die Emissionen, die bei der Produktion des Fahrzeuges anfallen, sind ebenfalls abhängig vom Produktionsstandort und nicht zu vernachlässigen.

Ausblick in die Zukunft

Ende 2019 betrug der weltweite Bestand an Elektroautos, die am Stromnetz aufgeladen werden können, ungefähr 7,5 Millionen. Weltweit gesehen sind in China die höchste Anzahl an Elektrofahrzeugen zugelassen, und China weist auch die höchste Dichte an öffentlichen Ladestationen auf. In Europa ist Norwegen der Spitzenreiter. In Österreich stieg die Zahl von neuzugelassenen Batterie-Elektroautos im Jahr 2019 um 36,8 % im Vergleich zum Vorjahr. Interessant ist hier jedoch, dass dieser Anstieg hauptsächlich durch juristische Personen, Unternehmen und regionale Behörden verursacht wurde (80,9 %), während die Privatkäufe sogar marginal rückläufig waren.

Eine zentrale Erkenntnis zu Elektromobilität ist, dass dieser Umstieg eng mit einer Veränderung der Stromerzeugung, hin zu erneuerbaren Energieträgern, verknüpft sein muss. Eine Förderung von Elektromobilität ohne Veränderung des Energiemix wird sicher nicht zu den gewünschten Ergebnissen führen. In China verursachen Elektrofahrzeuge aufgrund der Stromproduktion (Kohlekraftwerke) höhere Emissionen als konventionelle Fahrzeuge. Wenn dieser Punkt im Auge behalten wird, können Elektrofahrzeuge einen Teil zum Erreichen der Klimaschutzziele beitragen.

 

Quellen:

Ajanovic, Amela (2015): The future of electric vehicles: prospects and impediments. In: WIREs Energy Environ 4 (6), S. 521–536. DOI: 10.1002/wene.160.

Ajanovic, Amela; Glatt, Anne (2020): Wirtschaftliche und ökologische Aspekte der Elektromobilität. In: Elektrotech. Inftech. 137 (4-5), S. 136–146. DOI: 10.1007/s00502-020-00812-x.

Ajanovic, Amela; Haas, Reinhard (2018): Electric vehicles: solution or new problem? In: Environ Dev Sustain 20 (S1), S. 7–22. DOI: 10.1007/s10668-018-0190-3.

Ajanovic, Amela; Haas, Reinhard (2019): Economic and Environmental Prospects for Battery Electric‐ and Fuel Cell Vehicles: A Review. In: Fuel Cells 19 (5), S. 515–529. DOI: 10.1002/fuce.201800171.

Ajanovic, Amela; Haas, Reinhard (2019): On the Environmental Benignity of Electric Vehicles. In: J. sustain. dev. energy water environ. syst. DOI: 10.13044/j.sdewes.d6.0252.

EU (2019): Statistical pocketbook 2019 – Mobility and Transport – European Commission. Online verfügbar unter https://ec.europa.eu/transport/facts-fundings/statistics/pocketbook-2019_de, zuletzt aktualisiert am 24.11.2020, zuletzt geprüft am 28.11.2020.

Høyer, Karl Georg (2008): The history of alternative fuels in transportation: The case of electric and hybrid cars. In: Utilities Policy 16 (2), S. 63–71. DOI: 10.1016/j.jup.2007.11.001.

International Energy Agency (IEA) (2020): Global EV Outlook.

International Energy Agency (IEA) (2020): HEV TCP Annual Report.