Hat das Elektrofahrzeug eine Chance?

Eine Frage, auf die drei Doktoranden der TU-München eine Antwort suchen
In einem drei Jahre währenden Projekt am Institute For Advanced Study (IAS) der TU-München wurden zur Beantwortung der Frage wesentliche Grundlagen für einen ganzheitlichen Ansatz zur breitflächigen Einführung der Elektromobilität betrachtet. Mögliche Lösungen sollten hierbei an den Herausforderungen der globalen Megatrends Umweltbewusstsein, Urbanisierung und demografischer Wandel orientiert sein. Eine Präsentation des holistischen Konzepts mündet in dem Aufbau des InnoTrucks der TU München.
Was ist die Ausgangssituation?
Auf die Mobilität der Erdbevölkerung wird ein Wandel zukommen. Zunehmender Wohlstand und ansteigende Bevölkerungszahlen in den asiatischen Ländern, speziell China und Indien, erfordern einen Umschwung in der Verwendung der Ressourcen der Erde. Der damit verbundene Anstieg des Mobilitätsbedürfnisses würde bei beibehaltener Verhaltensweise nicht nur die notwendige Reduktion des CO2-Ausstoßes behindern, sondern auch die begrenzte Menge der zur Verfügung stehenden Rohstoffe weiter vermindern. Deren Verbrennung mit verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgraden wie in einem Pkw-Verbrennungsmotor erscheint mittelfristig eher unsinnig, werden sie doch zur Veredelung in andere Materialien wie z.B. Kunststoff durch die Chemieindustrie eher benötigt.
Hier steht aus wirtschaftlichen Gründen zunächst eine Frage im Vordergrund: Wie hoch ist der Absatzmarkt für Elektrofahrzeuge theoretisch anzusetzen? Hierzu ist nicht notwendigerweise erforderlich, den anwachsenden Bedarf an Mobilität in Asien zu betrachten. Ein großer Absatzmarkt von heutigen Fahrzeugkonzepten liegt in Europa – und hier natürlich auch in Deutschland – selbst.
Eine einfache Überlegung: Die sehr grob betrachtete Anzahl von Fahrzeugen in Deutschland liegt bei mehr als 40 Millionen. Davon sind ca. 30 % (12 Millionen) Zweitfahrzeuge. Von diesen werden 80 % ausschließlich zu Fahrten stets unter 50 km verwendet, also ca. 9 bis 10 Millionen. Würden hiervon auch nur 50 % als Käufer eines Elektrofahrzeuges gewonnen, so läge der mögliche Absatzmarkt bei annähernd dem Fünffachen des für das Jahr 2020 angestrebten Bestands. Hierin sind noch nicht die Verteiler- und Flottenfahrzeuge als mögliches zusätzliches Potenzial enthalten.
Dennoch scheint es für die Kunden – bis auf wenige Ausnahmen der Early Adopters – gute Gründe zu geben, diese Nachfrage nicht zu erzeugen. Hier ist zu vermuten, dass eine breite Kundschaft nur dann für einen neuen Artikel zu gewinnen ist, wenn dieser entweder günstiger als bisher vergleichbare, interessanter gestaltet oder mit erweiterter Funktionalität versehen ist. Die meisten heute angebotenen eFahrzeug-Konzepte widersprechen aber diesen Kriterien. Eine Steigerung der Nachfrage könnte also in der Befriedigung folgender Punkte liegen: Das eFahrzeug muss mindestens die gleichen Betriebskosten und bestenfalls bereits die gleichen Anschaffungskosten zu einem vergleichbaren Verbrennungsfahrzeug aufweisen. Außerdem sollte die Akquise zunächst nur an den potentiellen Kundenkreis adressiert werden, der einen täglichen Mobilitätsbedarf mit dem Pkw von unter 100 km aufweist.
Aber selbst wenn diese beiden Punkte erfüllt würden, bliebe immer noch eine Skepsis dem Neuen gegenüber und würde den Kauf des bereits Bewährten weiter unterstützen. Es erscheint daher erforderlich, einen weiteren Mehrwert in die Waagschale der Kaufentscheidung zu legen. Das eFahrzeug sollte im geplanten Einsatzbereich einen funktionalen Mehrwert ohne Mehrkosten gegenüber dem Verbrennungsfahrzeug aufweisen. Kurzum: Ein Hightech-Produkt mit mehr Funktionalität zum gleichen Angebotspreis.
Wie können diese drei Kriterien erfüllt werden?
Kriterium 1: Preisparität
Auch wenn die Herstellkosten eines rein elektrischen Fahrzeugs ohne die Kosten für Batterie aufgrund seiner niedrigeren Komplexität gegenüber einem Verbrennungsfahrzeug – mit mechanisch aufwändigem Motor, seiner Vergaser oder Einspritzanlage, Kupplung, Getriebe- und Abgasnachbehandlung – in der Fertigung niedriger sein könnten, dürften diese aufgrund der zunächst deutlich kleineren Stückzahlen eher auf gleichem Niveau liegen. Hinzu kommen aktuell die Mehrkosten für die Batterie. Hier muss kurz- bis mittelfristig noch mit Preisen von ca. 300 Euro pro kWh gerechnet werden, was bei einer Batterie für ein eAuto im Zweitfahrzeug-Bereich mit einer Reichweite von annähernd 150 km zu einer Kapazität von 25 kWh und damit Mehrkosten von zusätzlich 7.500 Euro führen würde. Es gilt also, ein passendes Geschäftsmodell für die Amortisation der Kosten des Energiespeichers zu finden.
Dieses könnte darin bestehen, dass sich der Energiespeicher unter Berücksichtigung der Leistungsanforderung und der Alterungsprozesse an einem zusätzlichen Wertschöpfungsprozess beteiligt. Denkbar wäre hier die Verbindung mit dem notwendigen Stromnetz- und Energiespeicher-Ausbau bei fortschreitendem Energiewandel.
Ein rein zentral gesteuertes Laden der Elektrofahrzeuge stellt zwar für das Energienetz einen Vorteil dar, hilft aber nur bedingt in der Refinanzierung der Batterie des Autos. Für deren Amortisierung sind zwei Möglichkeiten denkbar – beide erfordern jedoch einen bidirektionalen Anschluss der Fahrzeuge an die Ladeinfrastruktur. Bidirektional heißt in diesem Fall, dass sowohl die Batterie geladen, als auch Strom zum Zweck des Energietransfers oder zur Abdeckung von Leistungsspitzen ins Netz zurückfließen kann. Beide Möglichkeiten wären auch bedingt miteinander kombinierbar.
Bei der Amortisation der Batteriekosten mittels Energietransfer wird davon ausgegangen, dass das Elektrofahrzeug auch als Energiespeicher für das Netz fungieren kann und bei Bedarf Energie an diese zurück transferiert. Hierzu wäre für die Ladeintelligenz des Fahrzeugs hilfreich, den momentan gehandelten Strompreis in Abhängigkeit von Angebot und Nachfrage möglichst zeitnah vom Netzbetreiber oder Energieerzeuger zur Verfügung gestellt zu bekommen. Mit Hilfe innovativer Ladeintelligenz ließe sich über den Gewinn aus der positiven Preisdifferenz von Einkaufs- und Verkaufspreis ein Teil der Batteriekosten refinanzieren.
Selbstverständlich ist darauf zu achten, dass das Fahrzeug hierbei die Energieabgabe nur soweit zulassen darf, dass die gewünschte Reichweite des Besitzers nicht gefährdet wird. Auch darf eine zusätzliche Schädigung der Batterie durch diesen Betrieb zu keinen Mehrkosten führen, was aber in dem zugrundeliegenden Nutzungsverhalten aufgrund mittlerweile kommunizierter Zyklenfestigkeiten von 3.000 bis 5.000 Lade-/Entladevorgängen nicht mehr der Fall sein wird. Die Batterie wird sich ohne diesen Energieaustausch vielmehr kalendarisch »kaputtstehen« und daher Wertschöpfung verschenken.
Die zweite Variante für die Amortisation der Batteriekosten könnte der Leistungsspitzenhandel darstellen. Um eventuell auftretende Leistungsspitzen abfangen zu können, kann der Energiespeicher des Fahrzeugs mit 25kWh Kapazität und einer Transferleistung von 22kW an das Netz angeschlossen werden. Dabei kann eine Vergütung der Netzanschlusszeiten des Energiespeichers vorgenommen werden. Bei einem hypothetischen Kalkulationsansatz von 100 Euro, die als Kosten in der Vorhaltung von einem Kilowatt Regelleistung dem Energieanbieter jährlich entstehen, könnte ein mit 22 kW über 100%-Dauer angeschlossenes Fahrzeug jährlich 2.200 Euro erwirtschaften.
Da die eigentliche Aufgabe des Fahrzeugs jedoch die Fortbewegung ist und es außerdem nicht zu jedem Stillstand ans Netz angeschlossen sein wird, erscheint eine Anschlusszeit an das Stromnetz von max. 50 % eher realistisch. Zusätzlich sollte das Angebot an den Leistungsempfänger unterhalb seiner Eigenkosten einen Geschäftsanreiz erzeugen. Aber auch dann ergäbe sich damit die Möglichkeit, die Batteriekosten über 8 bis 9 Jahre Lebensdauer auszugleichen.
Eine Kostenparität des Elektrofahrzeugs zum Verbrennungsfahrzeug könnte somit bei entsprechender Kooperation der verschiedenen Spieler durchaus als erreichbar betrachtet werden und über die Kombination Erneuerbarer Energien und Stabilisierung des Energienetzes einen großen Beitrag zum Umweltbewusstsein liefern.
Kriterium 2: Reichweite
Die Gesellschaft setzt aufgrund gelernter Verhaltensweisen hohe Erwartungen in die Höhe des Aktionsradius eines Pkw. Ganz im Gegensatz zu den tatsächlichen täglichen Mobilitätsbedürfnissen vieler. Wie eingangs erwähnt, ist für rund 10 Millionen Fahrzeuge in Deutschland die Reichweite heutiger Elektrofahrzeuge mit unter 150 km Reichweite vollkommen ausreichend. So ist bei deren täglicher Bewältigung von Kurzstrecken die Energieaufnahme des eFahrzeugs ohne Probleme an der Ladeinfrastruktur am Arbeitsplatz oder im Parkhaus des Einkaufszentrums möglich, statt bislang während notwendiger Zwischenstopps an der Tankstelle. Und zuhause? Mit der Steckdose in der eigenen Garage oder dem Carport mit Solaranlage kann man eine »Tankstelle« sein Eigen nennen.
Erste Veränderungen lassen sich jedoch bereits erkennen. So zeigt das Mobilitätsverhalten junger Menschen in den Metropolen der Welt, dass das Angebot des ÖPNV zunehmender wahrgenommen wird – steht man doch weniger im Stau und hat keine Notwendigkeit der Parkplatzsuche.
Das Fahrzeug als Prestigeobjekt scheint gegenüber anderen Produkten häufiger in den Hintergrund zu treten und wird zu einem reinen Werkzeug der Mobilität. Speziell im urbanen Bereich wird es sich künftig zu einem Teil der Mobilitätskette entwickeln, um den Zielort im kombinierten Verkehr zu erreichen.
Mobilität als ein Servicegeschäft, in dem die einzelnen Transportkonzepte in einer optimierten Reihenfolge nahtlos dem Kunden zur Verfügung gestellt und optimal seinen momentanen Bedürfnissen angepasst werden? Ansätze hierzu werden aktuell nicht nur bei der Bahn, Fluggesellschaften oder Autovermietungen, sondern vor allem in Reisebüros betrieben, die den gesamten Service von zuhause bis zum Reiseziel mit Mietwagen vor Ort aus einer Hand organisieren.
Innovative Kommunikationstechnologien »Fahrzeug zu Fahrzeug« und »Fahrzeug zur Umgebung« bieten hier die verschiedensten Möglichkeiten zum Austausch von Informationen. Hierdurch können nicht nur optimale Verkehrssteuerungen erfolgen und Unfälle durch elektronische Beobachtung der Fahrzeuge gegeneinander vermieden werden, sondern auch Reservierungen von Parkplätzen erfolgen sowie die Fahrzeuge in Mobilitätsketten mit komfortablen Abrechnungsverfahren eingebunden werden. Auch derartige Konzepte werden aktuell bereits durch verschiedene Fahrzeughersteller und Dienstleistungsanbieter eingeführt.
Und das ist nur der Anfang: Parkplatzvermietungen selbst privater Plätze über den Tagesverlauf werden flexibel gestaltbar und sogar die angeschlossene Batteriekapazität aller stehenden Fahrzeuge zur Netzstabilisierung prognostizierbar. Mobilität wird über das Smartphone aus der Cloud angefragt und gebucht. Die Welt wird vernetzter, dadurch sicherer und komfortabler.
Kriterium 3: Mehr Funktionalität
Die aktuellen Ansätze für Elektrofahrzeuge verfolgen überwiegend den Ansatz, den Verbrennungsmotor durch einen Elektromotor zu ersetzen und dabei die restlichen Komponenten weitgehend beizubehalten. Hierdurch werden große Chancen für die Elektromobilität außer Acht gelassen, denn mit einem elektromotorischen Antriebsstrang werden ganz andersartig gestaltbare Fahrzeuge möglich.
So kann in einem ersten Schritt der Antriebsmotor in die Antriebsräder integriert werden. Hierdurch entsteht durch den Entfall weiterer Komponenten mehr Innenraum bei kleinerer Abmessung. Allein das leichtere Ein- und Aussteigen wird dadurch einen Vorteil für den demografischen Wandel darstellen können.
Eine unabhängige Ansteuerung jedes angetriebenen Rades macht zusätzlich das Differential überflüssig. Mechanisch erzeugtes Torque Vectoring, also die dynamisch optimale Zuordnung von Drehmomenten bei Kurvenfahrten, wird durch reine Softwaresteuerung mit hoher Präzision und Regelgüte möglich. Die Herstellung des Fahrzeugs wird weniger aufwändig, denn durch das alleinige »Herunterladen« des Steuerungsalgorithmus für die Motorenansteuerung wird das Verhalten des Fahrzeuges bestimmt, ohne die Mechanik modifizieren zu müssen.
Außerdem kann die Reibbremse an der Hinterachse entfallen, wenn die dort verbauten Radnabenmotoren die Bremswirkung durch reine Rekuperation ausreichend stark gewährleisten. Dann wird in 70 % aller Bremsfälle bis zu 80 % Bewegungsenergie des Fahrzeugs elektrisch zurück in die Batterie gespeist und damit besonders bei dynamischer Fahrweise im Stadtbereich oder gebirgigem Gelände hohe Verbrauchsreduktionen erreicht. Ein Fahrzeug mit diesem Konzept wurde bereits von der Siemens AG auf der eCarTec 2012 präsentiert.
Wie weit wird die Veränderung von Fahrzeugkonzepten noch gehen?
Verschiedenste Herstellern haben bereits Konzepte vorgestellt, die nur über zwei in Reihe oder auch parallel angeordnete Räder verfügen. In letzterem entfiel sogar die Lenkungsachse mit Lenkgeometrie, da die Kurvenfahrt durch unterschiedliche Geschwindigkeit der beiden Elektromotoren erreicht werden kann. Eine Stabilitätsregelung ersetzte dabei das dritte oder vierte Rad, das gegen Umkippen des Fahrzeugs ansonsten erforderlich wäre. Ob so das Fahrzeug der Zukunft aussieht, muss sich zeigen. Aber alle Konzepte zeichnen sich durch eine sehr einfache Bedienbarkeit aus, die in Massenproduktion ebenfalls kostengünstig herstellbar sein dürfte.
Ein zusätzlicher Vorteil des Elektroantriebs tritt zutage, wenn man die präzise Ansteuerung der Bewegungen von elektromotorischen Systemen betrachtet. Mit entsprechenden Funktionen aus Assistenzsystemen lassen sich damit Einpark- und Bewegungsabläufe einfacher, genauer und mit niedrigen Kosten realisieren. Sinnvoll – nicht nur vor dem Hintergrund des demografischen Wandels – wäre doch, wenn das Gepäck nicht zum Fahrzeug getragen werden müsste, sondern sich das Fahrzeug selbst das Gepäck und die Passagiere abholen könnte und damit zum komfortablen Mobilitätspartner wird? Und ist es zu weit gedacht, wenn sich dann das Fahrzeug schon optimal auf die Bedürfnisse des Passagiers bezüglich Entertainment, Routenplanung und Bedienungsoberfläche einstellen würde – in jedem der kombinierten Mobilitätspartner gleich?
Diese Funktionserhöhungen in zukünftigen Fahrzeugkonzepten könnte durch die Integration und Vernetzung von Softwarebausteinen kostengünstig und vereinfacht realisiert werden, würde nicht durch all die neuen Anforderungen die Komplexität dabei extrem ansteigen. Wird nun noch der Bereich des autonomen Fahrens mit eingebunden und die dafür notwendige Einführung von reinem Drive-by-Wire angestrebt, wird die Komplexität der erforderlichen elektronischen Redundanz kaum noch zu bewältigen sein.
In Kooperation von Forschung und Industrie wird daher bereits an neuen Konzepten gearbeitet, um eine derartige Komplexitätsreduktion durch eine Zentralisierung der elektronischen Systemarchitektur erreichen zu können. Hierzu werden viele Funktionen auf einer elektronischen Integrationsplattform vereint und durch Software-Integrationswerkzeuge eingebunden. Ein Plattformmanagement, welches die einzelnen Funktionen gegeneinander abschirmt und nichtfunktionale Anforderungen wie Gewährleistung der Sicherheit erfüllen kann, soll dabei als Integrationsbeschleuniger dienen. Eine zeitintensive Untersuchung des Gesamtsystems nach deren Integration wird weitestgehend vermieden, was zu einer neuen Effizienz und höheren Flexibilität in dessen Gestaltung führen kann.
So kann auf dieser Plattform durch Entwicklung weiterer Softwarebausteine die Fähigkeiten der Fahrzeuge von reinen Assistenzfunktionen über intermittierendes Fahren bis hin zum autonomen Mobilitätspartner zielgerichtet und auch kostengünstig entwickelt werden, um damit mehr Funktionalität zu gleichem Verkaufspreis zum Wohle des Kunden zu realisieren.
Fazit: Die Elektromobilität hat eine Chance!
Mit all den vorgeschlagenen Maßnahmen läge ein weites Feld verschiedenster innovativer Technologien mit großem Potenzial für gewinnbringende Geschäftsmodelle vor. Die Summe der miteinander verbundenen Bausteine zur Berücksichtigung von Ressourcen, funktionalem Mehrwert in Komfort und Sicherheit sowie Kostenreduktion kann die Anforderungen der Zukunft bezüglich Umweltbewusstsein, Urbanisierung und demografischem Wandel sowohl für Junior als auch Senior nachhaltig über die Elektromobilität bedienen. Ein ganzheitlicher Ansatz über gleichzeitige Anwendung verschiedenster Stellhebel wird aber erst durch die Kooperation von Partnern in neuen Geschäftsbeziehungen umsetzbar sein.
Prof. Dr. Gernot Spiegelberg
Leiter Elektromobilität bei Siemens Corporate Technology und Rudolf Diesel Senior Fellow an der TUM/IAS
Dipl.-Ing. Hauke Stähle
(Abschluss in Elektrotechnik)
Doktorand auf dem Gebiet der Systemarchitektur
Lehrstuhl für Robotik und Eingebettete Systeme an der TUM
Ljubo Mercep, M.Sc.
(Abschluss in Informatik)
Doktorand auf dem Gebiet der Mensch-Maschine-Schnittstelle
Lehrstuhl für Robotik und Eingebettete Systeme an der TUM
Dipl.-Ing Claudia Buitkamp
(Abschluss in Maschinenbau)
Doktorandin auf dem Gebiet Antriebsstrangdesign/Energieoptimierung
Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik an der TUM