Elektromobilität, Antriebstechnik

Geht es wirklich rund? Viele Jahre ist mehr über den Einsatz von Elektromotoren gesprochen, als umgesetzt worden. Doch nun gibt es endlich positive Beispiele aus der Praxis. - Bild: Adobe Stock - tvierimaa

Nicht zuletzt die Dieselkrise hat der Elektromobilität Aufwind gebracht, die E-Mobilität werde schon kommen, sollte man meinen. Professor Günther Schuh, geschäftsführender Direktor des WZL an der RWTH Aachen, hat hingegen eine andere Sicht auf die Dinge: „Ich kann die Elektromobilität nicht sehen, wir sind im Ein-Prozentbereich, obwohl wir seit Jahren darüber diskutieren.

Antriebstechnik für elektrische Fahrzeuge

Was aber die Trends und Treiber der Elektrifizierung von Antrieben sind, weiß Michael Wittler, Mana­ger bei der FEV Consulting GmbH anhand einer selbsterstellten Studie mit über 1 000 Befragten zu berichten. Da gelte es, mehrere Punkte zu berücksichtigen, wie „die Regulatorie durch die CO2-Zielvorgabe, was mit höheren Kosten einhergeht.“ Auch die Fahrzeugindustrie und die Zulieferer selbst spielten eine Rolle: „Wie stellen sie sich wegen des Dieselgate auf, welche Rolle möchten sie beim Thema Elektromobilität einnehmen und wie positionieren sie sich dort gegenüber ihren Wettbewerbern“, zeigt Wittler auf.

Ladepunkte für den E-Motor

Der nächste Punkt handele von der Infrastruktur beziehungsweise den Ladepunkten. Auch die technologische Weiterentwicklung an sich spiele eine große Rolle, „insbesondere bei der Batterietechnologie. Während heute die Nickel-Mangan-Kobalt-Technologien im Vordergrund stehen, erwarten wir bei der nächsten Generation Feststoffbatterien, was das Thema Energie-Effizienz und Energiedichte voranbringt“, so Wittler. Last but not least müsse der Verbraucher die Produkte attraktiv finden.
Bezogen auf diese Faktoren habe FEV Consulting den ‚Zero Emission Vehicle Index (ZEV)‘ berechnet. Dieser besagt, wann ein Elektrofahrzeug die gleiche Attraktivität wie ein konventionelles Fahrzeug erreicht. Dazu erläutert Wittler: „Da zeigt sich, dass das Thema Infrastruktur noch den größten Nachholbedarf hat.“

Elektromobilität, Antriebstechnik
Ein tolles, positives Beispiel liefert Volvo: In der Nähe von Göteborg ersetzen mehrere, kleinere Elektro-Muldenkipper einen großen Verbrenner. - Bild: Volvo

Preis für Lithium-Ionen-Akkus

Spannend ist die Aussage zur Entwicklung der Batteriepreise: „Ausgehend von heute, erwarten wir eine Kostenreduktion der Batterien bis 2030 auf etwa 50 Prozent der Kosten von heute. Das macht die Fahrzeuge natürlich preislich wettbewerbsfähig mit konventionellen Fahrzeugen.“ Dies sieht Schuh wiederum ganz anders: „Ich glaube nicht, dass es billiger wird, die Batterie-Pack-Preise steigen.“ Mit Blick auf die fehlende europäische Batterie­zellenfertigung betont Schuh: „Hier hat die OEM-Seite versagt, sie hat nicht erkannt, dass sie das braucht“. Die Hersteller hätten sich auf ihre Marktmacht verlassen und gedacht, dass sie Batte­rien immer in der nötigen Größenordnung zugeliefert bekommen.

Elektrofahrzeug künftig atraktiver

Man könne aber schon jetzt die E-Autos im Katalog nicht bestellen, weil den Herstellern die Batterien fehlten. Unabhängig davon wird auch im Jahr 2024 die Infrastruktur immer noch zurückhängen, wie Wittler darstellt. „Das wird aber von anderen Faktoren aufgewogen wie die Regulative und die Technologie selber sowie auch die Nachfrage und die soziale Ak­zeptanz. Somit gehen wir davon aus, im Jahr 2024 in Europa eine gleiche Attraktivität von Bat­teriefahrzeugen für Pkw wie bei konventionellen Fahrzeugen zu haben.“ Im Jahr 2030 erwarte er letzlich 17 % Marktdurchdringung von reinen Elektrofahrzeugen.

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Volvo hat den EC 700 – einen 70-Tonnen-Bagger – elektrisch aufgebaut. Im Vergleich zum Diesel spart er 50 % an Verbrauchskosten. Das entspricht in einem Praxisbeispiel 14 000 Euro Ersparnis pro Jahr. - Bild: Volvo

Weniger Antriebskomponenten in der E-Mobility

Damit gehe natürlich auch eine Veränderung der Wertschöpfung im Maschinen- und Anlagenbau einher, wie Wittler sagt: „Es fallen zwei Drittel der Wertschöpfung weg – im Vergleich Verbrenner zu Elektrofahrzeug. Multipliziert man das mit den Marktszenarien, dann relativiert sich dieser Blick, weil die Elektromobilität nicht von heute auf gleich stattfindet, sondern wir ein Eindringen in den Markt und ein schrittweises Hochfahren des Marktanteils haben.“ Für die Märkte in Kombination gebe es sogar eine jährliche Steigerungsrate von 1,7  % in der Wertschöpfung durch die Produktionsprozesse ohne Batteriezellenfertigung.

Plug-in-Hybride für die E-Mobilität

„Der günstigste Fall aus Sicht der Wertschöpfung ist der Hybrid. Aber das ist auch entsprechend teuer“, verdeutlicht Wittler. Die Fertigung von Elektroautos sei sehr viel einfacher, sie habe einen Fertigungsanteil von 23 Prozent im Vergleich zu 39 Prozent beim sogenannten ‚mild hybrid‘. Schuh sieht im Hybridantrieb auch keine Übergangslösung, sondern eine der Lösungen überhaupt. „Und zwar sowohl der parallele als auch der serielle beziehungsweise Range Extender. Für alle, die nicht dauernd schnell und weit fahren müssen, ist das die Lösung.“ Diejenigen, die dauernd schnell und weit fahren müssten, bräuchten einen Parallelhybrid. Schuh weiter: „Das sind 50 Prozent der Fahrzeugpopulation von morgen. Und den Teil vom Innenstadtverkehr, den wir noch individuell machen wollen, sollten wir gefälligst ohne Verbrenner machen.“

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Volvo ersetzte mit sieben elektrischen, autonomen HX 01-Maschinen zwei 50-Tonnen Muldenkipper mit Verbrennungsmotor. Im Vergleich zu den großen Trucks haben diese ein deutlich besseres Gewichts- zu Zuladungsverhältnis – bei gleicher Produktivität. Zudem können Ausfälle leichter kompensiert werden. - Bild: Volvo

Antriebstechnik der deutschen Industrie liegt vorne

Letztlich ist dies eine sehr gute Nachricht für die deutsche Industrie: „Das Hybridaggregat ist so komplex, das kann keiner so gut wie wir. Die Weltuntergangsstimmung, dass wir den Powertrain gar nicht mehr brauchen, ist sinnlos“, bekräftigt Schuh.
Als ‚ziemlichen Blödsinn‘ sieht Schuh, was die EU gerade mit dem weiteren Drosseln der CO2-Emissionen mache, „denn dann sind wir bei ungefähr 2,6 Litern Verbrauch auf 100 Kilometern pro Pkw. Das geht mit Autos in der heutigen Form nicht mehr. Dann bricht die komplette Annahme der Absatzwelt zusammen, denn es gibt dann keinen normalen Verbrenner mehr als normalen Pkw – eventuell wäre das noch mit einem Kleinstwagen machbar“, warnt Schuh. Beim Auto über die 95 Gramm CO2 – also 60 Gramm oder noch niedriger – gehen zu wollen, sei einfach nicht machbar.

Elektro-Kleinbus für den Stadtverkehr

Der e.GO Mover ist ein Elektrostadtbus, den die e.GO Mobile AG gemeinsam mit dem Kooperationspartner ZF Friedrichshafen AG entwickelt. Das Modell befördert bis zu 15 Personen und ermöglicht ein wirtschaftliches On-Demand-Angebot im Öffentlichen-Personen-Nahverkehr, indem Fahrgäste über mobile Dienstleister, unabhängig von Haltestellen, die E-Busse nutzen können. Der Elektro-Stadtbus fährt innerstädtisch bis zu zehn Stunden emissionsfrei und sehr leise. Er kann ab 2020 zusätzlich mit einem Range Extender ausgerüstet werden. Die Basisversion ist 2,55 Meter hoch und wird von einem Busfahrer gefahren. Bereits ab Sommer 2019 stehen Städten und Mobilitätsanbietern Testfahrzeuge zur Verfügung, die auf ausgewählten Strecken das Verhalten sowie die Akzeptanz der Nutzer herausfinden können. Ab 2020 soll der e.GO Mover in Serie produziert werden.

Elektroauto in den Städten wichtig

Schuh weiter: „Viel wichtiger ist es, dass man verbietet, kalte Verbrenner in Städten zu starten. Denn die Emissionswerte bei kalten Verbrennern sind in den ersten drei Minuten beim Benziner und fünf Minuten beim Diesel um ein Vielfaches höher als im warmen Zustand – weil die stöchimetrische Verbrennung noch nicht funktioniert und die Katalyse auch nicht.“ Deswegen müsse man in den Städten mit der Elektromobilität anfangen und eben deswegen benötige man das bezahlbare Elektroauto. Dieser Durchbruch müsse in den Städten viel schneller kommen.

Lithium-Ionen-Batterien werden nicht günstiger

Schuh ergänzt: „Das Problem dabei: Die Elektrofahrzeuge sind nicht kostendeckend zu den Preisen, zu denen sie verkauft werden. Der Streetscooter hingegen ist das erste Elektroauto überhaupt, das die ‚total cost of ownership‘ des vergleichbaren Verbrenners erreicht oder unterbietet. In so einem Fall muss man für emissionsfreies Fahren nicht mehr missionieren, wenn eben der ‚business case‘ aufgeht. Er tut es aber in der Regel nicht, und zwar, weil alle von Irrglauben ausgehen, die die Markterwartung bisher fundamental verfälschen.“

Elektroauto muss bezahlbar sein

Neben dem Irrglauben, dass die Batterie billiger werde, gebe es noch einen weiteren Fehler, wie Schuh darstellt: „Es ist Unsinn, von batteriebetriebenen Autos zu träumen, die morgen oder übermorgen genauso schnell oder weit zum selben Preis fahren wie Verbrenner.“ Schuh spricht demnach von einer Kompromisslinie, die in den nächsten zehn Jahren folgendermaßen aussehen müsste: „Es gilt, die Fahrzeuge zu selektieren, die den meisten Nutzen für alle bieten und in der Stadt am häufigsten betrieben werden. Und die wir tatsächlich als Elektroautos bezahlbar hinkriegen. Eine Grundvoraussetzung dafür ist, dass wir uns mit einer begrenzten Reichweite zufrieden geben – von 150 oder 180 Kilometern. Und damit unsere Mobilität ausrichten, was dann die Motivation für ein anderes Marktverhalten bedeuten würde.“

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Bereits ab Sommer 2019 stehen Städten und Mobilitätsanbietern Testfahrzeuge zur Verfügung. - Bild: e.GO Mobile

Mobilität wird sich durch E-Autos verändern

Dann müsste das Urbanisierungsthema angegangen werden – mit Elektrofahrzeugen, die genauso groß wie ein normaler Pkw seien, aber 15 Personen befördern könnten, manuell oder autonom fahrend. Das sei eine sinnvolle Lösung, „nicht hingegen mit 200 km/h autonom im eigenen, batteriebetriebenen Pkw von Berlin nach München zu fahren. Alleine die Rechnerleistung, so etwas sicher zu gewährleisten, wäre nur vom Heizwert ein unnützer Energieverbrauch“, verdeutlicht Schuh. Auch die Ökobilanz, weit und schnell elektrisch zu fahren, sei nicht zu leisten. Dazu ergänzt Schuh: „Bei einer guten Batterie hat man einen Öko-Break-even zwischen 60 000 und 80 000 Kilometern. Wenn diese Batterie aber nur eine Lebensdauer von 120 000 km hat, fällt die ökologische Beute viel zu gering aus.“

Antriebssystem der Zukunft

Ein aktuelles Beispiel, das Mut macht, handelt vom Wechsel vom Diesel- zum Elektroantrieb bei mobilen Arbeitsmaschinen, wie Ulrich Faß von der Volvo Construction Equipment Germany GmbH darstellt. So mache die Volvo Gruppe derzeit noch 80 % ihres Umsatzes mit schweren Dieselmotoren. Um den Wandel zu ermöglichen, „bedienen wir uns dreier großer Technologietrends, die wir Exponentiell-Technologien nennen. Exponentiell, weil wir es mit unseren Prozessen nicht abbilden können. Wir sprechen von der Automation, der Elektromobilität und der Vernetzung“, erläutert Faß.

Weniger Motor und Getriebe

Zum Thema Elektromobilität sagt Faß, dass gerade bei den Nutzfahrzeugen alles an den Dieselmotoren hänge. „Um eine Maschine elektrisch machen zu können, müssen wir alle Nebenabtriebe entkoppeln. Das haben wir gemacht und dann macht es Sinn, dieses mit einem Speicher zu betreiben.“ So habe Volvo den EC 700 – einen 70-Tonnen-Bagger – elektrisch aufgebaut. „Von der Kilowattstunde Diesel zur Kilowattstunde Elektrizität sind wir weit, weit besser – und zwar 50 Prozent“, berichtet Faß. Ein EC 700 verbrauche pro Stunde 45 Liter Diesel. Im Vergleich dazu verbrauche die elektrische Version 180 kW-Stunden Elektrizität – da habe Volvo bei einem französischen Kunden 14 000 Euro pro Jahr sparen können.

Simpleres Antriebselement

„Das ist es aber nicht“, überrascht Faß, „denn den größten Vorteil, den wir bei Produktionsmaschinen sehen, ist die Simplizität.“ Sehe man den 16-Liter-Ver­brennungsmotor neben dem gleichgearteten Elektromotor – erübrige sich alles Weitere. Faß weiter: „Es sind Wartung und Instandhaltung wesentlich einfacher, die Maschine hat eine größere Verfügbarkeit. Da sehen wir einen Paradigmenwechsel, denn der Antriebsstrang wird verflucht einfach, mit allen Resultaten, die wir haben.“ Der EC 700 laufe übrigens problemlos in einem Steinbruch bei einem Kunden in der Nähe von Göteborg – der Fahrer sei begeistert.

Start für die Elektromobilität

„Wir beschränken uns aber nicht nur auf die großen Maschinen, denn gerade in den urbanen Anwendungen, im Kompaktbereich, da sehen wir den Start für die Elek­tromobilität“, fährt Faß fort. Da sei weniger die Up­time, sondern vielmehr die Emis­sionsfreiheit gefragt – und zwar nicht nur abgasfrei, sondern auch geräuschfrei. „Das ist gerade in bewohnten Gebieten ein großer Vorteil, der gesehen und auch gefragt wird“, betont Faß.

Elektromotor für die Automation

Eng verbunden mit der Elektrifizierung sei auch die Automation. „Alles was Routine ist, wird irgendwann automatisiert. Wir haben heute die Anwendungsfälle, bei denen ein Fahrer acht Stunden lang in einem Steinbruch von Punkt A zu Punkt B und zurück fährt und einen Brecher beschickt. Das Automatisieren macht dies zwar nicht deutlich billiger, aber wir haben einen Zugewinn bei der Sicherheit“, verspricht Faß. Im aktuellen Fall ersetze Volvo zwei 50-Tonnen-Muldenkipper durch sieben wesentlich kleinere, autonome HX-01-Maschinen.

Weniger Energie für das Antriebssystem

„Diese haben ein deutlich besseres Gewichts- zu Zuladungsverhältnis im Vergleich zu den großen Trucks  – und das bei gleicher Produktivität.“ Bisher sei ‚groß‘ in dieser Branche gleich ‚Produktivität‘ gewesen. Das werde so in Zukunft  nicht mehr sein. „Der Paradigmenwechsel findet somit ‚von Elefanten zu Ameisen hin‘ statt. Mit einem weiteren klaren Vorteil: Fiel beispielsweise ein 50-Tonner aus, so war die Produktivität gleich um die Hälfte reduziert. Zieh ich einen der HX 01 aus dem Betrieb raus, fällt das fast gar nicht auf“, rechnet Faß begeistert vor.

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