Internationales Verkehrswesen (69) 1 | 2017 69 Antriebskonzept TECHNOLOGIE Elektrische und konventionelle Antriebskonzepte Ein ökologischer und ökonomischer Vergleich Elektromobilität, Umweltbelastung, Alternative Antriebe, Antriebsvergleich, Total-Cost-Of-Ownership- Analyse, Verbrauchseinflüsse Der Übergang automobiler Antriebssysteme von konventionellen Verbrennungsmotoren zu elektrischen Motoren erlebt sowohl in der Politik als auch in der Wirtschaft erhebliche Aufmerksamkeit. Die ausschlaggebenden Motive für die Elektrifizierung der Antriebstechnologie sind die Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die Reduzierung von globalen und lokalen Emissionen wie zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Lärm. Aufgrund der zunehmenden Ressourcenknappheit und der steigenden Rohstoffpreise resultiert ein stetiger Innovationsdruck in Richtung verbrauchsärmerer Fahrzeuge. Aus dieser Motivation heraus widmen sich Fahrzeugentwickler heute einem Antriebskonzept, welches zuletzt im Jahre 1912 seinen Höhepunkt feierte, dem Elektroauto. Alexander Petters, Christoph Rusetzki, Sönke Reise B is heute konnte sich das Konzept des Elektrofahrzeuges in Deutschland nicht durchsetzen [1]. Dies zeigen die Zahlen der Neuzulassungen der Personenkraftwagen (PKW) in Deutschland 2015. Von 3,21 Mio. Neuzulassungen waren lediglich 1,7 % Fahrzeuge mit alternativen Antrieben [2]. Trotzdem werden sowohl von den Automobilherstellern als auch kürzlich von der Bundesregierung durch den Beschluss der Förderung von elektrischen PKW, Fahrzeuge mit elektrifizierten Antrieben als das Fortbewegungsmittel der Zukunft präsentiert. Im Mittelpunkt steht das Ziel, bis 2020 eine Million und bis zum Jahr 2030 sechs Millionen Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen zu bringen [3]. Auch wenn dieses Ziel aufgrund der bisher niedrigen Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen wahrscheinlich nicht mehr zu erreichen sein wird, erhöht sich dennoch der Verkauf von elektrifizierten Antriebssystemen seit 2009 stetig [4]. Elektrofahrzeuge sind nur lokal emissionsfrei Um einen Motor anzutreiben, wird immer Energie benötigt. Diese Energie wird in einer entsprechenden Energiespeichereinrichtung im Fahrzeug mitgeführt. Während es im Verbrennungsmotor der Kraftstofftank für den Transport von Energieträgern wie Benzin, Diesel, CNG, LPG oder H 2 ist, befinden sich in Elektrofahrzeugen Verbunde von Batterien, in denen elektrische Energie chemisch gespeichert wird. Lithium-Ionen-Batterien weisen eine der höchsten Energiedichten von Akkumulatoren auf [5] und werden am häufigsten zum Antrieb in Elektrofahrzeugen verwendet. Durch den Betrieb rein elektrischer Fahrzeuge entstehen zwar keine lokalen Luftschadstoffe. Jedoch ist die globale Luftverschmutzung abhängig von der Stromerzeugung. Diese betrug im Jahr 2015 rund 535 g CO 2 pro erzeugter kWh Energie. Demnach sind Elektrofahrzeuge nur emissionsfrei, wenn die Betriebsenergie aus regenerativen Energien, wie Solar- und Windenergie geschöpft wird und der Energieverbrauch des Herstellungsprozesses der Kraftwerke vernachlässigt wird. Zusätzlich entstehen durch den Batterieherstellungsprozess rund 125 kg CO 2 pro Kilowattstunde der enthaltenen Batteriekapazität [6]. Ökologischer Vergleich Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts, des Luft- und Rollwiderstands sowie eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Antriebstrangs führen bei Elektrofahrzeugen und konventionellen Fahrzeugen zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs beziehungsweise des CO 2 -Ausstoßes. Im Folgenden werden Elektrofahrzeuge und konventionelle Fahrzeuge hinsichtlich ihrer CO 2 -Emissionen verglichen. Dabei beschränkt sich der Vergleich auf Kompaktwagen des Modells Golf von Volkswagen. Diese bestehen aus dem konventionellen Benziner Golf TSI und dem Diesel Golf TDI sowie dem Plug-In Hybriden Golf GTE und dem batterieelektrischen e-Golf. Für die Berechnung der CO 2 -Emissionen bedarf es vorher der Ermittlung der Wirkungsgrade. Die Auspuffgase von konventionellen Fahrzeugen verursachen den größten Anteil an den Energieverlusten, in ihnen befinden sich rund 35 % der Kraftstoffenergie [7]. Jedoch kann ein Teil der Auspuffgase beispielsweise genutzt werden, um einen Abgasturbolader in Rotation zu versetzen, wodurch ein höherer Volumenstrom der Ansaugluft erzeugt wird, welcher zur Verbesserung der Verbrennung im Motorraum dient. Eine weitere Verlustquelle ist auch der Motor. Dieser muss zur Unterbindung der Überhitzung stetig gekühlt werden. Durch die Erwärmung des Kühlwassers und die Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung des Motorblocks entstehen bereits 75 % Verlustwärme. 25 % der Kraftstoffenergie gelangen zwar an die Kurbelwelle, jedoch noch nicht an die Räder. 5 % der Energie wird von Lichtmaschine, Getriebe, Achsen und Wellen in Anspruch genommen. Es bleiben für den Antrieb nur 20 % der Kraftstoffenergie übrig [8]. Von den 8,77- kWh, also 31 572 kJ Energie, die in einem Liter Benzin enthalten sind [9], kommen somit nur noch 6314,4 kJ an den Antriebsrädern an. Durch entstehende Energieverluste bei Be- und Entladevorgängen, dem Stromrichter, dem Motor selbst und diverser Lager und Dichtungen wird bei einem Elektrofahrzeug von einem Wirkungsgrad von 50 % ausgegangen. Von einer im Kraftwerk er- Internationales Verkehrswesen (69) 1 | 2017 70 TECHNOLOGIE Antriebskonzept zeugten Kilowattstunde, kommt lediglich eine halbe Kilowattstunde Energie an den Traktionsrädern an. Die vier Referenzfahrzeuge benötigen aufgrund ihrer nahezu gleichen Karosserie einen ähnlich großen Energieaufwand, um den Luftwiderstand zu überwinden. Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsgrade und der damit verbunden Erzeugung von Energieträgern entstehen demzufolge unterschiedliche CO 2 -Ausstöße. Demnach entstehen beim rein elektrisch angetriebenen VW e-Golf die wenigsten CO 2 -Emissionen. Die für den Antrieb benötigte Energie wurde mit dem deutschen Kraftwerksmix 1 [11] verrechnet. Bei der Berechnung des Rollwiderstandes der Fahrzeuge wird von dem zulässigen Gesamtgewicht und einem Rollwiderstandskoeffizienten von 0,013 ausgegangen. Die vier Fahrzeuge befahren theoretisch eine fehlerfrei asphaltierte Straße in der Ebene über eine Strecke von 100 km mit einer Geschwindigkeit von 50 beziehungsweise 100-km/ h. Auch in Kombination mit dem Rollwiderstand ist der e-Golf das umweltschonendere Fahrzeug, gefolgt vom Plug-In Hybriden Golf GTE (Tabelle 1). Dennoch ist durch den derzeitigen Strommix in Deutschland noch mit einem hohen globalen CO 2 -Ausstoß zu rechnen. Demnach ist der elektrische VW e-Golf aus globalökologischen Gesichtspunkten nicht deutlich umweltschonender als die verbrennungsmotorischen Golf TSI und TDI. Trotzdem ist der VW e- Golf im innerstädtischen Verkehr vorzuziehen, da er keine lokalen Treibhausgase emittiert und das größere Potenzial für einen umweltschonenderen Betrieb aufweist. Der Unterschied zum konventionellen Fahrzeug ist die Herstellung des Energieträgers. Nach der Einigung auf die Verordnung (EG) Nr. 443/ 2009 zwischen Europaparlament und EU-Mitgliedsstaaten mussten die durchschnittlichen CO 2 -Emissionen der europäischen PKW-Neuwagenflotte bis zum Jahr 2015 auf 130 g CO 2 / km reduziert werden [12]. Die Verordnung setzt weiterhin eine Reduzierung des CO 2 -Ausstoßes der europäischen PKW-Neuwagenflotte für das Jahr 2020 auf 95 g CO 2 / km voraus. Für den Hersteller ist es einfacher realisierbar, den CO 2 -Ausstoß durch Elektrofahrzeuge zu reduzieren als mit konventionellen Antrieben, da lediglich der lokale CO 2 - Ausstoß für den Flottenverbrauch relevant ist. Die Abhängigkeit des Elektrofahrzeugs vom Wirkungsgrad und dem damit verbundenen umweltbewussteren Transportmittel liegt folglich in der Entwicklung der Energieerzeugung. Der Endkunde des Elektrofahrzeugs zahlt jedoch nicht die erzeugte, sondern die zu verwendende Energie. Durch den hohen Wirkungsgrad des E-Antriebs geht nur wenig Energie verloren. Im Vergleich zu den fossilen Kraftstoffen kann ein E-Fahrzeug durch die niedrigen Energiekosten wesentlich günstiger betrieben werden als ein konventionelles Fahrzeug. Ökonomischer Vergleich Der Elektromotor und die Leistungselektronik bilden den Kern des elektrischen Antriebs. Die Leistungselektronik setzt die Vorgaben der Steuerungselektronik um. Sie verbindet die Batterie mit dem Elektromotor und versorgt in Antriebsphasen den Motor mit Strom. Dabei wird der von der Batterie bereitgestellte Gleichstrom von der Leistungselektronik zum Antrieb des Motors in Wechselstrom gewandelt. In Rekuperationsphasen (beispielsweise beim Abbremsen) arbeitet der Motor als Generator und lädt die Batterien mit Gleichstrom wieder auf. Zusätzlich versorgt die Leistungselektronik das Bordnetz der Fahrzeuge mit Strom und stellt sicher, dass der elektrifizierte Antrieb zu jedem Zeitpunkt funktionsfähig ist. Mit weiterem Voranschreiten in der Forschung, der Großserienfertigung und Abnahme großer Stückzahlen, können sich durch eine fortschreitende Marktdurchdringung die Kosten um zwei Drittel reduzieren [13]. Gerade bei neuen Technologien gestaltet sich die Abschätzung der erzielbaren Herstellungskosten schwierig. Durch eine Steigerung der Nachfrage für Elektromotoren und zugehörige Leistungselektronik lässt sich über Lerneffekte und Größenkostenersparnisse eine fortschreitende Reduzierung der Kosten durch eine Massenfertigung der Antriebskomponenten erwarten. Die Preise für Gleichspannungswandler und Ladegerät in Tabelle 2 betragen rund 10 beziehungsweise 30 % der Preise des Antriebstranges. Bei Ottomotoren und Dieselmotoren inklusive Getriebe betragen die Kosten pro kW etwa 30 EUR beziehungsweise 52,40-EUR [14]. Durch die komplexere Blue Motion Technologie wird ein Kostenaufwand von 35 EUR beziehungsweise 57,40 EUR pro kW angenommen. Demnach belaufen sich die Kosten für einen 110 kW- Ottomotor des VW Golf TSI Blue Motion sowie des Golf GTE auf 3850 EUR. Für den- Dieselmotor des VW Golf TDI Blue Motion- entstehen Herstellungskosten von 6314-EUR. Demgegenüber stehen bei einem batterieelektrischen Fahrzeug mit einer Motorleistung von 85 kW die Kosten von 11 125 EUR des Antriebsstrangs und die Kosten für den Gleichspannungswandler und des Ladegeräts in Höhe von 4450 EUR. Den größten Einfluss auf den Gesamtkostenunterschied der Elektromotoren gegenüber den Verbrennungsmotoren hat die Traktionsbatterie. Diese macht im VW e-Golf mit 7260 EUR rund 32 % der Kosten des Antriebes aus. Für die Berechnung der Unterhaltskosten für ein Fahrzeug wird von einer gleichbleibenden Besteuerung beider Energieträger ausgegangen. Diese könnte bei einer erhöhten Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen und dem damit verbundenen Rückgang der Mineralölsteuereinnahmen durch neue Besteuerungsformen für elektrische Fahrzeuge ausgeglichen werden. Die angenommene Nutzungsdauer beträgt zehn Jahre, dabei sind die Fahrzeugkosten einschließlich der Antriebskomponenten kons- Modell Golf TSI BlueMotion Golf TDI BlueMotion Golf GTE e-Golf Luftwiderstand 50 km/ h 33,3 g/ km 33,6 g/ km 29,4 g/ km 27,5 g/ km 100 km/ h 132,6 g/ km 134,9 g/ km 117,6 g/ km 109,8 g/ km Rollwiderstand ~84,6 g/ km ~88,5 g/ km ~85,8 g/ km ~37,5 g/ km Gesamt 50 km/ h 117,7 g/ km 122,7 g/ km 115,2 g/ km 65 g/ km 100 km/ h 217,2 g/ km 223,5 g/ km 203,4 g/ km 147,3 g/ km Tabelle 1: Fahrwiderstände und damit verbundener CO 2 -Ausstoß [10] Modell Golf GTE e-Golf Nennleistung Motor [kW] 75 85 Kosten Motor 6375 EUR 7225 EUR Kosten Leistungselektronik 3900 EUR 3900 EUR Kosten Antriebsstrang 10 275 EUR 11 125 EUR Tabelle 2: Zusammensetzung der Gesamtkosten des Antriebsstrangs [10] Internationales Verkehrswesen (69) 1 | 2017 71 Antriebskonzept TECHNOLOGIE tant. Die Verbrauchswerte der beiden Fahrzeuge wurden vom Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) übernommen. Tabelle 4 zeigt die Berechnung der Betriebskosten von zehn Jahren und einer zurückgelegten Strecke von 150 000 km. Für den Endkunden fallen neben dem Anschaffungspreis des Fahrzeuges für die anschließenden zehn Jahre weitere Betriebs- und Unterhaltskosten von rund 23 000 EUR für die konventionell angetriebenen Golf-Modelle, beziehungsweise rund 13 500 EUR für den VW e-Golf an. Der Golf GTE liegt mit 21 000 EUR etwas günstiger als die konventionellen Modelle. Demnach liegen die Betriebskosten eines batterieelektrischen Fahrzeugs (BEV) weit unter denen eines konventionell betriebenen Fahrzeugs. Die hohen Anschaffungskosten der Elektrofahrzeuge können durch die niedrigeren Betriebskosten über einen Zeitraum von zehn Jahren mit einer Jahresfahrleistung von 15 000 km ausgeglichen werden, wie Tabelle 5 zeigt. Der hybride Golf GTE weist aufgrund der teuren Antriebstechnologie die höchsten Gesamtkosten auf. Elektrofahrzeuge versprechen zurecht einen Kostenvorteil bei den Betriebskosten. BEV und Plug-In-Hybride sind in ihrer Anschaffung jedoch hochpreisiger als konventionelle Fahrzeuge, wodurch die Relevanz von Elektrofahrzeugen für den Endkunden noch nicht in dem Maße gegeben ist, wie es Politik und Wirtschaft vorsehen. Aus diesem Grund trat im Jahr 2016 eine Fördermaßnahme in Kraft, welche den Absatz von Elektrofahrzeugen steigern soll. Der Markt für Elektrofahrzeuge ist durchaus gegeben, dem Kunden stehen viele Hybridisierungskonzepte zur Verfügung. Noch sind reine Elektrofahrzeuge, wie hier in der Total Cost of Ownership Analyse gezeigt werden konnte, im Vergleich mit herkömmlichen Fahrzeugen zu teuer. Außerdem fehlt es zurzeit noch an einer dichten Ladeinfrastruktur, um die geringeren Reichweiten gegenüber konventionellen PKW auszugleichen. ■ 1 Vom Umweltbundesamt geschätzter Anteil der Energieträger an der Bruttostromerzeugung im Deutschen Strommix für das Jahr 2015, Stand 03/ 2016: Braunkohle: 24 %, Steinkohle: 17 %, Erdgas: 9 %, Mineralölprodukte: 1 %, Kernenergie: 14 %, Erneuerbare Energie: 30 %, übrige Energieträger: 5 % QUELLEN  [1] Dudenhöfer K: Akzeptanz von Elektroautos in Deutschland und China: Eine Untersuchung von Nutzungsintentionen im Anfangsstadium der Innovationsdiffusion. Springer Gabler, 2014. S. 12  [2] Kraftfahrt Bundesamt: Jahresbilanz der Neuzulassungen 2015. URL: http: / / www.kba.de/ DE/ Statistik/ Fahrzeuge/ Neuzulassungen/ n_ jahresbilanz.html; jsessionid=BCC06E190532E71055FE06E11AB030A2. live2051? nn=644522, 2016. Aufgerufen: 20.04.2016  [3] Bundesregierung: Mobilität der Zukunft - sauber und kostengünstig. URL: https: / / www.bundesregierung.de/ Webs/ Breg/ DE/ Themen/ Energiewende/ Mobilitaet/ mobilitaet_zukunft/ _node.html, Aufgerufen: 20.06.2016  [4] Kraftfahrtbundesamt, Gesamtfahrzeugbestand jeweils zum 1. Januar des Jahres von 2009 - 2015. URL: http: / / www.kba.de/ DE/ Statistik/ Fahrzeuge/ Bestand/ Umwelt/ umwelt_node.html  [5] Ratgeber für Akkus und Ladegräte: Akkuvergleich: Die Energiedichte verschiedener Akkutypen. URL: http: / / patona.de/ ratgeber/ akkuvergleich-die-energiedichte-verschiedener-akkutypen, 03.06.2014. Aufgerufen: 15.05.2016  [6] Dünnes A: Besser als Benzin oder ökologisches Feigenblatt? So sauber ist ein Elektroauto wirklich. URL: http: / / www.focus.de/ auto/ experten/ duennes/ oekobilanz-von-elektroautos-besser-als-benzinoder-oekologisches-feigenblatt-so-sauber-ist-ein-elektroautowirklich_id_4914399.html, 02.09.2015. Aufgerufen: 03.07.2016  [7] Kfztech: Motorleistung und Arbeitsdruck. URL: http: / / www.kfztech. de/ kfztechnik/ motor/ steuerung/ leistung.htm, Aufgerufen: 04.07.2016  [8] Marx P: Wirkungsgradvergleich zwischen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und Fahrzeugen mit Elektromotor, 2015. URL: http: / / www.mx-electronic.com/ pdf/ Der-Elektrofachmann-Wirkungsgrad-Vergleich-zwischen-Fahrz.pdf, 62. Jahrgang 2015, Nr. 1-2/ 15. Aufgerufen: 22.04.2016  [9] Energie Südbayern ESB, Erdgas: Kraftsoff mit vielen Vorteilen. URL: https: / / www.esb.de/ fileadmin/ user_upload/ download/ energieeffizienz/ ESB_Flyer_Erdgas_tanken_2013.pdf , S. 3. Aufgerufen; 13.10.2016 [10] Eigene Berechnungen basierend auf Werten des Neuen Europäischen Fahrzyklus und Datenblättern der einzelnen Modelle [11] Umweltbundesamt: Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid- Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 bis 2015. URL: https: / / www.umweltbundesamt.de/ sites/ default/ files/ medien/ 378/ publikationen/ climate_change_26_2016_entwicklung_ der_spezifischen_kohlendioxid-emissionen_des_deutschen_ strommix.pdf, S. 9. Aufgerufen: 19.10.2016 [12] Verordnung des europäischen Parlaments vom 05.06.2009. Verordnung zur Festsetzung von Emissionsnormen für neue Personenkraftwagen im Rahmen des Gesamtkonzepts der Gemeinschaft zur Verringerung der CO 2 -Emissionen von Personenkraftwagen und leichten Nutzfahrzeugen, (EG) Nr. 443/ 2009 [13] Wallentowitz H, Freialdenhoven A: Strategien zur Elektrifizierung des Antriebsstranges: Technologien, Märkte und Implikationen. Springer Vieweg+Teubner, Wiesbaden, 2011. S. 43, 143 [14] Blesl M, Bruchof D, Hartmann N, Özdemir D, Fahl U, Eltrop L, Voß A: Entwicklungsstand und Perspektiven der Elektromobilität. Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, 12.2009. URL: http: / / www.zfes.uni-stuttgart.de/ deutsch/ downloads/ Elektromobilit%C3%A4t_Endbericht_IER.pdf, Aufgerufen: 05.06.2016 Modell Golf GTE e-Golf Antriebsstrang 10 275 EUR 11 125 EUR Ladegerät 3080 EUR 3340 EUR Gleichspannungswandler 1030 EUR 1110 EUR Batteriekosten 2610 EUR 7260 EUR Gesamtkosten 16 995 EUR 22 835 EUR Tabelle 3: Gesamtkosten des elektrifizierten Antriebes in Kompaktwagen [10] Modell VW Golf TSI Blue Motion VW Golf TDI Blue Motion VW Golf GTE e-Golf Kraftfahrzeug- Steuern 740 EUR 2380 EUR 310 EUR 280 EUR Wartung 6120 EUR 6720 EUR 7440 EUR 4920 EUR Energiekosten 9631 EUR 7169 EUR 8353 EUR 5162 EUR Versicherung 4170 EUR 4900 EUR 5150 EUR 5070 EUR Betriebs- und Unterhaltskosten 23 096 EUR 23 004 EUR 21 253 EUR 13 506 EUR Tabelle 4: Betriebskostenvergleich der Golf-Modelle [10] Modell VW Golf TSI Blue Motion VW Golf TDI Blue Motion VW Golf GTE e-Golf Antrieb Verbrenner 3.960 EUR 6.917 EUR 3.960 EUR --- Antrieb Elektro --- --- 16.995 EUR 22.835 EUR Restliche Kosten des Fahrzeugs 22.015 EUR 21.683 EUR 15.945 EUR 13.895 EUR Betriebskosten 23.096 EUR 23.004 EUR 21.253 EUR 13.506 EUR Gesamtkosten 49.071 EUR 51.604 EUR 58.153 EUR 50.236 EUR Tabelle 5: Gesamtkostenvergleich der Golf-Modelle [10] Christoph Rusetzki, M.Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Lehrstuhl für Seetransporttechnologie/ Verkehrslogistik, Bereich Seefahrt, Hochschule Wismar christoph.rusetzki@hs-wismar.de Sönke Reise, Prof. Dr. rer. pol. Lehrstuhlinhaber, Seetransporttechnologie/ Verkehrslogistik, Bereich Seefahrt, Hochschule Wismar soenke.reise@hs-wismar.de Alexander Petters, B.Sc. Masterstudent im Studiengang „Umweltingenieurwissenschaften“, Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät, Universität Rostock alexander.petters@googlemail.com