Elektromobilität 2020: Die Rechnung geht auf
Geht es nach den Plänen der Bundesregierung, befahren bald Millionen E-Autos Deutschlands Straßen. Kann das Stromnetz diesen Bedarf abfangen? Und wie steht es um die Pläne einer Zweitnutzung der Akkus als Puffer? Jan Philipp Bornebusch hat einmal nachgerechnet.
© pixabay / uveX / Elektroautos / CC0 CC0 (Ausschnitt)
Mehr Elektroautos auf Deutschlands Straßen wollen längst nicht mehr nur die Grünen. Jüngst bekräftigte auch Bundeskanzlerin Angela Merkel ihre Forderung, die zurzeit knapp 50 Millionen Kraftfahrzeuge nach und nach zu ersetzen. Und nicht nur das: Die Erfolgsaussichten dieses Plans sind noch keineswegs gewiss, da verplanen schon Wissenschaftler die Akkus der Elektroflotte als Puffer für die schwankende Stromeinspeisung regenerativer Energiequellen. Ist das überhaupt realistisch?
Das Ziel der Bundesregierung, bis 2020 eine Million Elektroautos auf die deutschen Straßen zu schicken – und bis 2030 vielleicht sogar sechs Millionen –, ist ambitioniert, doch nachvollziehbar: Elektroautos sind lokal emissionsfrei, sparen also CO2, und der Wirkungsgrad elektrischer Antriebe von etwa 90 Prozent übertrifft die Wirkungsgrade von Benzinmotoren (maximal 35 Prozent) und Dieselmotoren (maximal 45 Prozent) erheblich.
Doch "lokal emissionsfrei" bedeutet nicht, dass Elektromobilität ohne Emission von Treibhausgasen und andere negative Auswirkungen zu haben wäre. Zwar entstehen bei der Fahrt keine Abgase. Aber welche Emissionen bei der Stromproduktion für das Aufladen der Pkw-Batterien entstehen, hängt vom Kraftwerk ab, das den Strom erzeugt. Nur wenn die verwendete Energie vollständig aus regenerativen Quellen stammt, kann die Fahrt als CO2-neutral gelten. Doch selbst dann spart die Fahrt mit dem Elektroauto noch lange keine Energie. Denn die Effizienz der Antriebe kann durch mangelnde Effektivität bei der Stromproduktion zunichte gemacht werden.
Verbrenner versus E-Motor
Überdies lässt sich der Stromverbrauch eines Elektroautos nicht direkt mit dem Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors vergleichen. Der Vergleich muss stattdessen über den Primärenergiebedarf erfolgen. Auf diese Weise fließen dann auch alle Verluste bei der Bereitstellung und dem Transport der benötigten Energie in die Rechnung ein.
Die Verluste auf dem Weg in die Pkw-Batterie liegen abhängig vom Kraftwerk, das die elektrische Energie produziert, zwischen 40 Prozent und 70 Prozent. Nach der Energieeinsparverordnung wird in Deutschland aktuell mit einem mittleren Verlustfaktor von 2,6 gerechnet: Für jede Wattstunde elektrische Energie, die erzeugt wird, geht im Gesamtenergieverbrauch das Äquivalent von 2,6 Wattstunden verloren. Berücksichtigt man diesen Faktor, fällt der Wirkungsgrad des Elektroautos deutlich geringer aus. Er sinkt auf etwa 35 Prozent und damit auf das Niveau eines Verbrennungsmotors.
Allerdings gibt es Hoffnung, diesen Verlustfaktor zu verringern und dadurch elektrische Energie umweltfreundlicher zu gestalten. Dank neuer, effizienterer Kraftwerke wurde der Primärenergiefaktor in den letzten Jahren bereits von 3,0 über 2,7 auf 2,6 angepasst – eine Entwicklung zu Gunsten der Elektroantriebe.
Beim Gesamtenergieverbrauch liegen Elektromotoren und Verbrenner also aktuell gleich auf, aber mit absehbaren Vorteilen für die Elektroantriebe der Zukunft. Auf Elektroautos umzusteigen, bedeutet aber, dass Energie, die bisher als Kraftstoff an Tankstellen zur Verfügung gestellt wurde, plötzlich dem Stromnetz entnommen wird. Ist die bestehende Infrastruktur dieser Belastung gewachsen?
Woher kommt der Strom?
Um das abschätzen zu können, braucht man ein Gefühl für die beteiligten Größenordnungen: 2010 wurden laut Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft in Deutschland etwa 621 Terawattstunden (TWh) elektrische Energie erzeugt und 608 TWh verbraucht. Der restliche Strom wurde exportiert.
Dem stünde 2020 der Stromverbrauch von einer Million Elektrofahrzeugen gegenüber. Aktuell benötigt ein Elektroauto je nach Modell auf 100 Kilometern etwa 20 bis 30 Kilowattstunden. Im Jahr 2020 könnten 15 Kilowattstunden ein realistischer Wert sein, bedenkt man Fortschritte in der Antriebstechnik und andere Effizienzsteigerungen. Die durchschnittliche jährliche Fahrleistung eines deutschen Autos beläuft sich auf rund 11 000 bis 14 000 Kilometer; oft wird ein Wert von 12 000 Kilometern angesetzt.
Folgt die einfache Rechnung: Bei ungefähr einer Million Elektrofahrzeugen summiert sich der Gesamtenergieverbrauch auf 1,8 TWh elektrische Energie. Das entspricht etwa 0,3 Prozent der aktuellen Stromerzeugung – eine Aufgabe, die trivial erscheint. Zumal im gleichen Zeitraum der Ausbau der Stromversorgung zu einem intelligenteren Stromnetz – einem so genannten Smart Grid – geplant ist.
Auto-Akkus als Puffer?
Die Masse an kleinen Stromspeichern, die sich bald in den Garagen der stolzen E-Mobil-Besitzer befinden könnten, hat bereits Begehrlichkeiten geweckt. Denn regenerative Energiequellen liefern ihren Strom nur in stark schwankenden Mengen: Ohne Sonne versiegt der Solarstrom; ist es windstill, erlahmen die Windräder. Die klassische Antwort darauf sind gewaltige Stromspeicher, etwa in Form von Pumpspeicherkraftwerken, die allerdings nur durch groß angelegte Infrastrukturprojekte zu realisieren sind. Wäre es für die Versorger nicht günstiger, die Millionen Akkus zu mieten und in Phasen des Überangebots Strom dort zwischenzulagern?
Tatsächlich sind für diese schon Mitte der 1990er Jahre von Willett Kempton, einem Forscher der University of Delaware, ersonnene Idee bereits vielfach Pläne ausgearbeitet worden. Fragt sich nur, ob der Speicherplatz angesichts des geringen Anteils an der Gesamtstrommenge überhaupt ins Gewicht fällt. Eine Überschlagsrechnung zeigt, dass dem tatsächlich so ist.
Für Elektroautos ist eine Reichweite von 800 Kilometern pro Batterieladung nötig, um Verbrennungsmotoren Konkurrenz zu machen. Das ist zwar noch weit jenseits dessen, was aktuell in Serie gefertigt wird, scheint aber bis 2020 nicht utopisch zu sein. Beim oben angenommenen Energieverbrauch von 15 kWh pro 100 Kilometer wird eine Batterie künftig wenigstens 120 kWh elektrische Energie speichern müssen. Bei einer Million Elektro-Pkws 2020 bedeutet das insgesamt 120 GWh theoretisch abrufbare Energie, bei 6 Millionen Fahrzeugen 2030 sogar 720 GWh.
Da Privatautos die allermeiste Zeit stillstehen und somit über 90 Prozent der Zeit an das Netz angeschlossen sein können, wäre ein recht hoher Anteil der theoretisch abrufbaren Energie tatsächlich nutzbar – und das ist viel. Zum Vergleich: 120 GWh entsprechen (ohne Berücksichtigung der Umwandlungswirkungsgrade) etwa dem Dreifachen dessen, was alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke, die zur Zeit als Energiepuffer dienen, gemeinsam zur Verfügung stellen. Um 720 GWh in einem einzigen Pumpspeicher zu fassen, müsste man beinahe das Zweifache des Volumens des Steinhuder Meers auf die Zugspitze pumpen.
Auch wenn die Realität mit ihren Widrigkeiten nicht erlauben wird, diese errechneten Zahlen tatsächlich zu erreichen, schlummert in den Autobatterien künftiger Elektroflotten-Generationen ein ernst zu nehmendes Potenzial. Denn nicht der Energieverbrauch während fünf Prozent des Tages, in denen das Auto gefahren wird, ist entscheidend, sondern das nutzbare Speichervermögen der Batterien während der restlichen Zeit.
So oder so alltagstauglich
Aber weg von Zahlenspielereien und zurück in die Wirklichkeit der Zukunft. Es ist Winter 2020 und vor der Tür steht mein Elektroflitzer. Ich stehe früh auf – es ist noch dunkel – und muss zur Arbeit. Das Radio verrät mir beim Frühstück, dass es den ganzen Tag regnen wird, kein nennenswerter Wind.
Mir schwant Böses: Ohne Wind- und Sonnenenergie arbeitet Deutschlands Energieversorgung unter Soll, und die Regelenergie der Elektroautos muss vermutlich voll in Anspruch genommen werden. Heißt das: Meine Autobatterie ist leer, und ich muss mich mit dem Fahrrad durch Schnee und Eis kämpfen?
Die Antwort ist: Nein. Wenn Elektroautos künftig tatsächlich genutzt werden, um Fluktuationen in der Stromversorgung abzufangen, dürften mit Sicherheit zwei Regelmechanismen implementiert werden. Zum einen wird man absehbare Trips vorprogrammieren können. Wer am Folgetag in den Urlaub startet, stellt heute noch schnell ein, dass die Batterie ab 6 Uhr früh voll geladen bereitstehen soll. Zum anderen wird der Besitzer eines Elektrofahrzeugs eine Schwelle definieren können, die die maximale Entladung seiner Batterie durch das Stromnetz festlegt. Ist dieser Wert erreicht, wird keine weitere Energie mehr zu Pufferungszwecken entnommen. Wer also weiß, dass er für die 40 Kilometer zum Arbeitsplatz werktags etwa 5 Prozent der Batterieladung nutzt, könnte die Mindestladungsgrenze großzügig auf 10 Prozent festlegen, um keine bösen Überraschungen zu erleben.
Besonders zuversichtliche Wissenschaftler halten nicht einmal solche Sicherheitsvorkehrungen für nötig. Denn weltweit tüfteln Forscher an verschiedenen Methoden zur Schnellaufladung von Akkumulatoren, die deren Ladezeiten von Stunden auf Minuten oder sogar Sekunden reduzieren sollen. Dann würde es genügen, beim Verlassen des Hauses per Fernsteuerung den Ladevorgang zu starten. Bis der Weg zur Garage zurückgelegt ist, würde die Energieanzeige grün leuchten: Ladestand 100 Prozent! Und das Schönste: Dafür, dass der Fahrzeughalter die Batterie seines Wagens als Puffer zur Verfügung stellt, würde er von den Stromkonzernen auch noch entlohnt.
Die Pläne der Bundesregierung erscheinen also realistisch. Was noch fehlt, sind Elektroautos mit konkurrenzfähigen Reichweiten und Ladezeiten. In Zeiten steigender Rohölpreise verspüren die großen Automobilkonzerne aber zunehmenden Druck, ihre Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet zu verstärken. Es steht also zu hoffen, dass nach und nach das Brummen der Verbrennungsmotoren dem Surren der Elektroantriebe weichen wird.
Das Ziel der Bundesregierung, bis 2020 eine Million Elektroautos auf die deutschen Straßen zu schicken – und bis 2030 vielleicht sogar sechs Millionen –, ist ambitioniert, doch nachvollziehbar: Elektroautos sind lokal emissionsfrei, sparen also CO2, und der Wirkungsgrad elektrischer Antriebe von etwa 90 Prozent übertrifft die Wirkungsgrade von Benzinmotoren (maximal 35 Prozent) und Dieselmotoren (maximal 45 Prozent) erheblich.
Doch "lokal emissionsfrei" bedeutet nicht, dass Elektromobilität ohne Emission von Treibhausgasen und andere negative Auswirkungen zu haben wäre. Zwar entstehen bei der Fahrt keine Abgase. Aber welche Emissionen bei der Stromproduktion für das Aufladen der Pkw-Batterien entstehen, hängt vom Kraftwerk ab, das den Strom erzeugt. Nur wenn die verwendete Energie vollständig aus regenerativen Quellen stammt, kann die Fahrt als CO2-neutral gelten. Doch selbst dann spart die Fahrt mit dem Elektroauto noch lange keine Energie. Denn die Effizienz der Antriebe kann durch mangelnde Effektivität bei der Stromproduktion zunichte gemacht werden.
Verbrenner versus E-Motor
Überdies lässt sich der Stromverbrauch eines Elektroautos nicht direkt mit dem Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors vergleichen. Der Vergleich muss stattdessen über den Primärenergiebedarf erfolgen. Auf diese Weise fließen dann auch alle Verluste bei der Bereitstellung und dem Transport der benötigten Energie in die Rechnung ein.
Die Verluste auf dem Weg in die Pkw-Batterie liegen abhängig vom Kraftwerk, das die elektrische Energie produziert, zwischen 40 Prozent und 70 Prozent. Nach der Energieeinsparverordnung wird in Deutschland aktuell mit einem mittleren Verlustfaktor von 2,6 gerechnet: Für jede Wattstunde elektrische Energie, die erzeugt wird, geht im Gesamtenergieverbrauch das Äquivalent von 2,6 Wattstunden verloren. Berücksichtigt man diesen Faktor, fällt der Wirkungsgrad des Elektroautos deutlich geringer aus. Er sinkt auf etwa 35 Prozent und damit auf das Niveau eines Verbrennungsmotors.
Allerdings gibt es Hoffnung, diesen Verlustfaktor zu verringern und dadurch elektrische Energie umweltfreundlicher zu gestalten. Dank neuer, effizienterer Kraftwerke wurde der Primärenergiefaktor in den letzten Jahren bereits von 3,0 über 2,7 auf 2,6 angepasst – eine Entwicklung zu Gunsten der Elektroantriebe.
Beim Gesamtenergieverbrauch liegen Elektromotoren und Verbrenner also aktuell gleich auf, aber mit absehbaren Vorteilen für die Elektroantriebe der Zukunft. Auf Elektroautos umzusteigen, bedeutet aber, dass Energie, die bisher als Kraftstoff an Tankstellen zur Verfügung gestellt wurde, plötzlich dem Stromnetz entnommen wird. Ist die bestehende Infrastruktur dieser Belastung gewachsen?
Woher kommt der Strom?
Um das abschätzen zu können, braucht man ein Gefühl für die beteiligten Größenordnungen: 2010 wurden laut Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft in Deutschland etwa 621 Terawattstunden (TWh) elektrische Energie erzeugt und 608 TWh verbraucht. Der restliche Strom wurde exportiert.
Dem stünde 2020 der Stromverbrauch von einer Million Elektrofahrzeugen gegenüber. Aktuell benötigt ein Elektroauto je nach Modell auf 100 Kilometern etwa 20 bis 30 Kilowattstunden. Im Jahr 2020 könnten 15 Kilowattstunden ein realistischer Wert sein, bedenkt man Fortschritte in der Antriebstechnik und andere Effizienzsteigerungen. Die durchschnittliche jährliche Fahrleistung eines deutschen Autos beläuft sich auf rund 11 000 bis 14 000 Kilometer; oft wird ein Wert von 12 000 Kilometern angesetzt.
Folgt die einfache Rechnung: Bei ungefähr einer Million Elektrofahrzeugen summiert sich der Gesamtenergieverbrauch auf 1,8 TWh elektrische Energie. Das entspricht etwa 0,3 Prozent der aktuellen Stromerzeugung – eine Aufgabe, die trivial erscheint. Zumal im gleichen Zeitraum der Ausbau der Stromversorgung zu einem intelligenteren Stromnetz – einem so genannten Smart Grid – geplant ist.
Auto-Akkus als Puffer?
Die Masse an kleinen Stromspeichern, die sich bald in den Garagen der stolzen E-Mobil-Besitzer befinden könnten, hat bereits Begehrlichkeiten geweckt. Denn regenerative Energiequellen liefern ihren Strom nur in stark schwankenden Mengen: Ohne Sonne versiegt der Solarstrom; ist es windstill, erlahmen die Windräder. Die klassische Antwort darauf sind gewaltige Stromspeicher, etwa in Form von Pumpspeicherkraftwerken, die allerdings nur durch groß angelegte Infrastrukturprojekte zu realisieren sind. Wäre es für die Versorger nicht günstiger, die Millionen Akkus zu mieten und in Phasen des Überangebots Strom dort zwischenzulagern?
Tatsächlich sind für diese schon Mitte der 1990er Jahre von Willett Kempton, einem Forscher der University of Delaware, ersonnene Idee bereits vielfach Pläne ausgearbeitet worden. Fragt sich nur, ob der Speicherplatz angesichts des geringen Anteils an der Gesamtstrommenge überhaupt ins Gewicht fällt. Eine Überschlagsrechnung zeigt, dass dem tatsächlich so ist.
Für Elektroautos ist eine Reichweite von 800 Kilometern pro Batterieladung nötig, um Verbrennungsmotoren Konkurrenz zu machen. Das ist zwar noch weit jenseits dessen, was aktuell in Serie gefertigt wird, scheint aber bis 2020 nicht utopisch zu sein. Beim oben angenommenen Energieverbrauch von 15 kWh pro 100 Kilometer wird eine Batterie künftig wenigstens 120 kWh elektrische Energie speichern müssen. Bei einer Million Elektro-Pkws 2020 bedeutet das insgesamt 120 GWh theoretisch abrufbare Energie, bei 6 Millionen Fahrzeugen 2030 sogar 720 GWh.
Da Privatautos die allermeiste Zeit stillstehen und somit über 90 Prozent der Zeit an das Netz angeschlossen sein können, wäre ein recht hoher Anteil der theoretisch abrufbaren Energie tatsächlich nutzbar – und das ist viel. Zum Vergleich: 120 GWh entsprechen (ohne Berücksichtigung der Umwandlungswirkungsgrade) etwa dem Dreifachen dessen, was alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke, die zur Zeit als Energiepuffer dienen, gemeinsam zur Verfügung stellen. Um 720 GWh in einem einzigen Pumpspeicher zu fassen, müsste man beinahe das Zweifache des Volumens des Steinhuder Meers auf die Zugspitze pumpen.
Auch wenn die Realität mit ihren Widrigkeiten nicht erlauben wird, diese errechneten Zahlen tatsächlich zu erreichen, schlummert in den Autobatterien künftiger Elektroflotten-Generationen ein ernst zu nehmendes Potenzial. Denn nicht der Energieverbrauch während fünf Prozent des Tages, in denen das Auto gefahren wird, ist entscheidend, sondern das nutzbare Speichervermögen der Batterien während der restlichen Zeit.
So oder so alltagstauglich
Aber weg von Zahlenspielereien und zurück in die Wirklichkeit der Zukunft. Es ist Winter 2020 und vor der Tür steht mein Elektroflitzer. Ich stehe früh auf – es ist noch dunkel – und muss zur Arbeit. Das Radio verrät mir beim Frühstück, dass es den ganzen Tag regnen wird, kein nennenswerter Wind.
Mir schwant Böses: Ohne Wind- und Sonnenenergie arbeitet Deutschlands Energieversorgung unter Soll, und die Regelenergie der Elektroautos muss vermutlich voll in Anspruch genommen werden. Heißt das: Meine Autobatterie ist leer, und ich muss mich mit dem Fahrrad durch Schnee und Eis kämpfen?
Die Antwort ist: Nein. Wenn Elektroautos künftig tatsächlich genutzt werden, um Fluktuationen in der Stromversorgung abzufangen, dürften mit Sicherheit zwei Regelmechanismen implementiert werden. Zum einen wird man absehbare Trips vorprogrammieren können. Wer am Folgetag in den Urlaub startet, stellt heute noch schnell ein, dass die Batterie ab 6 Uhr früh voll geladen bereitstehen soll. Zum anderen wird der Besitzer eines Elektrofahrzeugs eine Schwelle definieren können, die die maximale Entladung seiner Batterie durch das Stromnetz festlegt. Ist dieser Wert erreicht, wird keine weitere Energie mehr zu Pufferungszwecken entnommen. Wer also weiß, dass er für die 40 Kilometer zum Arbeitsplatz werktags etwa 5 Prozent der Batterieladung nutzt, könnte die Mindestladungsgrenze großzügig auf 10 Prozent festlegen, um keine bösen Überraschungen zu erleben.
Besonders zuversichtliche Wissenschaftler halten nicht einmal solche Sicherheitsvorkehrungen für nötig. Denn weltweit tüfteln Forscher an verschiedenen Methoden zur Schnellaufladung von Akkumulatoren, die deren Ladezeiten von Stunden auf Minuten oder sogar Sekunden reduzieren sollen. Dann würde es genügen, beim Verlassen des Hauses per Fernsteuerung den Ladevorgang zu starten. Bis der Weg zur Garage zurückgelegt ist, würde die Energieanzeige grün leuchten: Ladestand 100 Prozent! Und das Schönste: Dafür, dass der Fahrzeughalter die Batterie seines Wagens als Puffer zur Verfügung stellt, würde er von den Stromkonzernen auch noch entlohnt.
Die Pläne der Bundesregierung erscheinen also realistisch. Was noch fehlt, sind Elektroautos mit konkurrenzfähigen Reichweiten und Ladezeiten. In Zeiten steigender Rohölpreise verspüren die großen Automobilkonzerne aber zunehmenden Druck, ihre Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet zu verstärken. Es steht also zu hoffen, dass nach und nach das Brummen der Verbrennungsmotoren dem Surren der Elektroantriebe weichen wird.
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