Kernfrage für die Zukunft der Elektromobilität

70 % der Deutschen nutzen das Auto für die Fahrt zum Arbeitsplatz. Der Megatrend „Individuelle Mobilität“ und die Endlichkeit der Ressourcen zwingen die Gesellschaft, neue Lösungen zu finden, die eine umweltschonende und dennoch individuelle Mobilität ermöglichen. Dieser Notwendigkeit hat mittlerweile auch die Bundesregierung Rechnung getragen. Der „Nationale Entwicklungsplan Elektromobilität“ der Bundesregierung sieht vor, dass bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren. Diese ehrgeizige Zielsetzung ist aber nicht nur ein klares Statement der Politiker und Forscher, dass sie daran glauben, dass uns die Elektromobilität aus diesem Dilemma führen könne, sondern bedeutet für die deutsche Wirtschaft, Politik und Wissenschaft eine große Herausforderung. Um diese meistern zu können, rief Bundeskanzlerin Angela Merkel am 3. Mai 2010 die „Nationale Plattform Elektromobilität“ ins Leben. Die NPE beschäftigt sich mit den Schwerpunktthemen:

Besonders die Themen „Ladeinfrastruktur und Netzintegration“ sowie „Normung, Standardisierung und Zertifizierung“ stellen sich hierbei als zentrale Themenstellungen heraus, denn sie sind entscheidend für den Durchbruch der Elektromobilität in Deutschland.

Die Elektromobilität bietet daher gerade in Sachen Ladeinfrastruktur große Chancen für Unternehmen aus unterschiedlichsten Branchen. Hersteller aus den Branchen Elektrotechnik, Maschinenbau, IT, öffentlicher Nahverkehr und Energieversorger drängen in den Markt und versuchen, sich einen möglichst großen Anteil an den zu erwartenden Umsätzen aus dem Aufbau einer Ladeinfrastruktur zu sichern. Dies führt dazu, dass immer mehr Angebote von der einfachen Ladestation über Steckverbinder und Kabel bis zum umfassenden Angebot mit kompletter Nutzerschnittstelle inklusive Überwachung und Steuerung des Ladevorgangs nach Netzauslastung rund um das Thema Infrastruktur wie Pilze aus dem Boden schießen.

Der Aufbau einer passenden Ladeinfrastruktur spielt eine entscheidende Rolle bei der Frage nach der Umsetzung der ehrgeizigen Ziele des „Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität“. Dies liegt vor allem in den großen Nachteilen elektrischer Energiespeicher gegenüber fossilen Energieträgern begründet. Elektroantriebe weisen gegenüber konventionell angetriebenen Fahrzeugen einen deutlich höheren Wirkungsgrad auf. Moderne Ottomotoren erreichen gerade einmal einen maximalen Wirkungsgrad von 35 %, während Elektromotoren einen maximalen Wirkungsgrad von 95 % aufweisen. Das heißt, die beim Bremsen erzeugte Energie wird nicht in Wärme umgesetzt, sondern kann durch Rekuperation zurückgewonnen werden kann. Die Elektromotoren verfügen darüber hinaus über eine deutlich höhere Laufruhe und mehr Drehmoment. Allerdings sind fossile Brennstoffe als Energiespeicher selbst den modernen Akkus für elektrische Energie noch weit überlegen. Zum Vergleich: Ein 1000 kg schwerer Lithium-Ionen-Akku ist erforderlich, um die gleiche Menge Energie zu speichern, die sich in 50 l Diesel befindet. Zur deutlich geringeren Energiedichte des Akkus kommt die noch nicht ausgereifte Ladetechnik, die das „Aufladen“ eines Elektrofahrzeugs extrem zeitaufwendig macht.

Aus diesen Nachteilen ergeben sich abgesehen vom hohen Forschungs- und Entwicklungsbedarf verschiedene Konsequenzen für die Nutzung elektrisch angetriebener Fahrzeuge. Während die genannten Nachteile eine wirtschaftliche Nutzung von Elektrofahrzeugen im Langstreckenbetrieb bei derzeitigem Entwicklungsstand schwierig machen, haben elektrisch angetriebene Fahrzeuge im Kurzstreckenbetrieb jedoch schon heute das Potenzial, konventionell angetriebene Fahrzeuge zu ersetzen, da sie hier ihre Vorteile wie etwa Energierückgewinnung oder Geräuschentwicklung voll ausspielen können. Doch auch hier besteht noch deutlicher Entwicklungsbedarf, um die Elektromobilität genauso angenehm und komfortabel zu gestalten, wie konventionelle Arten der Fortbewegung.

Aufgrund der geringen Reichweite eines Elektrofahrzeugs müssen deren Nutzer für eine alltägliche Nutzung jederzeit in der Lage sein, ihr E-Mobil kostengünstig und schnell zu laden. Denkbar wäre hier etwa ein Aufladen an öffentlichen Plätzen wie Supermarktparkplätzen, Parkhäusern oder dem Parkplatz am Arbeitsplatz. Ein solches Netz aus Ladestationen würde der Elektromobilität zumindest im Nahverkehr endgültig zum Durchbruch verhelfen, ist jedoch noch weit von seiner Fertigstellung entfernt.

Neben der Unübersichtlichkeit des Marktes resultiert aus der Vielfalt der angebotenen Lösungen noch ein weiteres gravierendes Problem, mit welchem sich vor allem die Arbeitsgruppe 3 „Normung, Standardisierung und Zertifizierung“ der „Nationalen Plattform Elektromobilität“ auseinandersetzt. Gelingt es nicht, zügig einheitliche Standards für Steckverbinder zu schaffen, droht vor allem den Nutzern der Ladeinfrastruktur großer Komfortverlust und eine deutliche Anhebung der Einstiegsschwelle, um diese Infrastruktur zu nutzen. Regional oder national unterschiedliche Steckerformen erschweren den Zugang zur Ladeinfrastruktur durch den zwingenden Einsatz und das Mitführen von Adaptern zusätzlich. Doch auch die Hersteller von Ladeinfrastrukturkomponenten können von einer gemeinsamen Norm für Steckverbinder und Ladeverfahren nur profitieren. Die Entwicklung und Herstellung von Ladesäulen wird deutlich kostengünstiger. Einheitliche Ladeverfahren gewährleisten darüber hinaus eine sichere und schnelle Aufladung der Fahrzeuge sowie eine einheitliche Bedienung der Ladesäulen.

Bisher werden durch europäische Normen bereits vier unterschiedliche Lademodi und drei verschiedene Arten von Steckverbindern für das Laden von Elektrofahrzeugen einheitlich geregelt. In IEC 61851-1 werden vier Lademodi einheitlich hinsichtlich Stromart und Ladeleistungen festgelegt. Während IEC 62196-1 die generellen Anforderungen an Steckverbindungen abdeckt, sind in IEC 62196-2 drei verschiedene Typen (Typ 1-3) von Steckverbindern festgelegt, die jeweils für die in IEC 61851-1 geregelten Lademodi 1-3 verwendet werden können. Die in der Entwicklung befindliche IEC 62196-3 regelt die Anforderungen an das Steckerbild für die Schnellladung mit Gleichstrom gemäß IEC 61851-1. Während das Anschlussbild für die Ladung mit Gleichstrom nach IEC 62196-3 oder Wechselstrom nach IEC 62196-2 bei den Steckertypen 1 und 2 jeweils gleich bleibt und diese sich nur intern hinsichtlich Anschlussbelegung unterscheiden, verfügen Typ-3-Stecker je nach Ladeleistung über unterschiedliche Geometrien. Als Alternative gibt es noch die so genannten Combo-Stecker, die sowohl für die Ladung mit Gleichstrom als auch für die Ladung mit Wechselstrom verwendet werden können. Diese Combo-Stecker sind jedoch nur für die Steckertypen 1 und 2 verfügbar.

Alle auf dem Markt bisher vertretenen Hersteller richten sich schon heute nach den europäischen Normen. Das bedeutet aber nach wie vor, dass es für die Ladung von Elektrofahrzeugen allein in Europa drei verschiedene Steckergeometrien gibt. Weltweit gibt es für die Länder China und Japan jeweils eigene Standards, wobei der japanische CHAdeMO-Standard nur das Schnellladen von Elektrofahrzeugen mit Gleichstrom unterstützt, während sich auf dem chinesischen Markt neben dem GB-Standard Part 3 für die Ladung von Elektrofahrzeugen mit Gleichstrom noch ein an den deutschen Stecker-Typ 2 angelehntes Anschlussbild für die Ladung mit Wechselstrom etabliert hat.

Prof. Dr.-Ing. Herbert Dreher, David Elsdörfer Mitarbeiter an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Ravensburg, Campus Friedrichshafen

Neben einheitlichen Steckern sind für eine funktionierende Infrastruktur, die bei einem breiten Kundenkreis Akzeptanz findet, die Ladestationen von elementarer Bedeutung. Dabei genügt es keineswegs, die Ladestation als eine Art „öffentliche Steckdose“ zu sehen, an der Elektrofahrzeuge aufgeladen werden können. Die Anforderungen an Ladestationen gehen weit über die einer reinen Schnittstelle zur Übertragung von Energie hinaus. Die Ladestation muss alle regional vertretenen unterschiedlichen Arten von Steckverbindungen unterstützen, Sicherheit gegen Vandalismus bieten, in der Lage sein, den Ladevorgang unter Berücksichtigung der Netzauslastung zu steuern und einfach zu bedienen sein. Die Übersicht im Online-Magazin des Industrieanzeigers zeigt auf, welche Firmen aktuell Ladestationen und Infrastrukturlösungen anbieten und welche Lademodi und Steckervarianten unterstützt werden.