Formen der Elektromobilität

Elektrische Zweiräder

Pedelecs Pedal Electric Cycle

Die beliebten "Pedelecs", als Akronym für Pedal Electric Cycles, sind Fahrräder, welche als Unterstützung für die menschliche Muskelkraft einen kleinen Elektromotor besitzen und so den Fahrer bei jedem Tritt in die Pedale unterstützen. Ganz ohne Muskelkraft darf der E-Motor jedoch – im Unterschied zu E-Bikes – nicht für die Fahrt genutzt werden. Der Elektromotor kann dabei direkt in die Radnabe integriert oder an der Tretkurbel befestigt sein. Auch Nachrüstsets für herkömmliche Fahrräder sind erhältlich.

Durch die elektrische Unterstützung können Steigungen leicht überwunden und weite Strecken - ohne dabei ins Schwitzen zu geraten - zurückgelegt werden. Davon kann nicht nur der Postbote, der täglich weite Wege mit größerer Last bewältigen muss, profitieren. Gerade für Menschen in höherem Alter oder für jene, die körperlich keinen hohen Belastungen ausgesetzt werden dürfen, kann die Anschaffung eines Pedelecs neue Möglichkeiten in Sachen Mobilität bieten und somit Freiheit und Flexibilität bedeuten. Auch für Lastenräder, welche sich im innerstädtischen Lieferverkehr immer größerer Beliebtheit erfreuen, ist der elektrische Rückenwind ideal geeignet.

In Deutschland liegt die zugelassene Höchstgeschwindigkeit für Pedelecs bei 25 km/h und die Motorleistung ist auf 250 W begrenzt. Darüber hinaus handelt es sich nach StVO um ein Kleinkraftrad (S-Pedelec) mit Kennzeichenpflicht. Die entnehmbaren Akkus werden in der Regel in einem eigenen Ladegerät zuhause nachgeladen. Da sich hierfür bisher kein Standard durchgesetzt hat, muss das Ladegerät zum Laden an öffentlichen Pedelec-Ladestationen selbst mitgenommen werden und kann dort meist eingeschlossen werden.

E-Bikes

Im Gegensatz zu Pedelecs muss bei E-Bikes nicht mehr selbst in die Pedale getreten werden. Von Größe und Aufbau her ähneln sie Fahrrädern allerdings noch eher als einem Roller, können jedoch wie ein Roller allein mit einem "Gasgriff" beschleunigt werden. Eigene Anstrengung ist nicht mehr erforderlich. Je nach maximaler Geschwindigkeit ist auch kein Helm erforderlich.

Elektrische Roller e-Scooter

E-Roller sind die elektrische Form bekannter Roller (Scooter), wie der beliebten und bekannten Vespa. Für E-Roller gelten die gleichen Rechte und Pflichten wie für konventionelle Roller. Eine Probefahrt vor dem Kauf ist jedoch empfehlenswert, da teilweise bei asiatischen Modellen die Motorleistung nicht ausreicht um mit zwei Personen einen Berg zu erklimmen oder die Akkuleistung lässt schnell zu wünschen übrig. Hochwertige Modelle bieten dagegen einen großen und insbesondere lärmfreien Fahrspaß. Häufig sind die E-Roller mit Akku-Wechselsystemen ausgestattet, sodass nach einer Akkuladung entweder direkt Ersatzakkus verwendet werden können oder der Akku in der Wohnung nachgeladen werden kann, ohne dass eine öffentliche Ladestation benötigt wird. In einigen Städten existieren bereits Leih-Roller-Systeme ähnlich dem FreeFloating-CarSharing mit inklusive Wechselakkusystemen (s. CarSharing-Anbieter).

Segway

Elektroautos

Rein batteriebetriebene Autos Battery Electric Vehicle (BEV)

Bereits 1821 entdeckte Michael Faraday die elektromagnetische Rotation als Grundlage für die Entwicklung von Elektromotoren. Die ersten vierrädrigen Elektroautos, wie der Flocken Elektrowagen von 1888, wurden in Deutschland gegen Ende des 19. Jahrhunderts etwa zeitgleich mit den ersten Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, wie dem Benz-Patent-Motorwagen von 1886, produziert. Aufgrund der bereits damaligen Vorteile der Elektrofahrzeuge (weniger Lärm und Abgase sowie gute Fahreigenschaften) und da Strom zunächst eher verfügbar war als Benzin, hatten Elektrofahrzeuge bis etwa 1912 ihre Hochzeit, bevor aufgrund geringerer Reichweite von etwas 100km und billigem Öl für fast ein Jahrhundert in der Nische verschwanden. Selbst Ferdinand Porsche war zu Beginn allein vom Elektroantrieb überzeugt und entwickelte den Lohner-Porsche mit Radnabenmotoren (Weltausstellung in Paris 1900), um Transmissionsverluste zu vermeiden. Später wurde der Lohner-Porsche zum benzin-elektrischen Hybridfahrzeug weiterentwickelt.

Seit der Vorstellung des Tesla Roadster als elektrischem Sportwagen mit 350 km Reichweite in 2006 und der gleichzeitigt steigenden Relevanz des Klimawandels sowie der Ölpreise erleben Elektrofahrzeuge eine Renaissance. Fast alle großen Automobilherstellern haben mittlerweile rein elektrische Serienfahrzeuge im Angebot, welche dank rasanter Fortschritte in der Akkutechnik in den kommenden Jahren bis 2017/18 Reichweiten von 300-700 km sowie Schnellladesysteme zur Vollladung innerhalb von 15-20 Minuten erhalten sollen. Diese Entwicklung passt ideal zur deutschen Energiewende, da die großen Akkukapazitäten zukünftig zur Stabilisierung eines SmartGrids genutzt werden können und die Stromherkunft die Ökobilanz von Elektrofahrzeugen zu über zwei Dritteln beeinflusst.

Quelle: Audi

Batterie & Reichweiten-Verlängerer Range-Extended EV (E-REV)

Um das große Problem geringer Reichweiten von reinen Elektrofahrzeuge aufgrund der begrenzten Kapazität der Batterien (Kosten- und/oder Gewichtsbegrenzungen) zu umgehen, besteht die Möglichkeit reine BEV's mit einem sogenannten Range-Extender - also einem Reichweiten-Verlängerer - auszustatten. Dieser Range-Extender ist meist ein sehr kleiner konventioneller Verbrennungsmotor mit wenigen Kolben, welcher im Notfall während der Fahrt die Batterie wieder auflädt und so die Reichweite des Elektroautos auf über 500 km verlängert. Aufgrund der meist geringen Leistung der Range-Extender sind bei leerem Akku nur begrenzte Geschwindigkeiten erreichbar.

Hybride mit Stecker Plug-In Hybrid Electric Vehicle (PHEV)

Anders als bei Elektrofahrzeugen mit Range-Extender verfügen Plug-In-Hybride über vollwertige Verbrennungsmotoren und können dennoch an der Steckdose oder an öffentlichen Ladestationen aufgeladen werden, wobei meist eine relativ kleine Batterie verbaut ist. Diese Batterie ist in PHEVs auf die üblichen täglichen Fahrten von ca. 30 bis 60 km ausgelegt, sodass im täglichen Gebrauch ein Großteil der Fahrten rein elektrisch absolviert werden kann. Auf längerer Strecken oder auf der Autobahn kommt der vollwertige Verbrennungsmotor zum Einsatz, welche dann zum Beispiel beim Beschleunigen vom Elektromotor zur Verbrauchsreduktion unterstützt wird. Bei Bremsvorgängen kann der Elektromotor zur Rekuperation genutzt werden und etwas Energie zurückgewinnen, sodass die meisten Anfahrvorgänge leise und vollelektrischen durchgeführt werden können.

Aufgrund der Reichweiten-Bedenken und der hohen Kosten für moderne Akkus, spielen die PHEVs eine entscheidende Rolle beim Übergang zur reinen Elektromobilität. Der Einsatz beider Technologien führt allerdings zu erhöhten Kosten, wobei bei der Elektromotor bei modernen PHEVs kostensparend direkt zwischen Motor und Getriebe eingesetzt wird.

Reine Hybride ohne Stromanschluss Hybrid Electric Vehicle (HEV)

Normale Hybridfahrzeuge verfügen neben ihrem gewöhnlichen Verbrennungsmotor über eine kleine Antriebsbatterie und einen Elektromotor, welcher den Verbrenner z.B. beim Beschleunigen zur Verbrauchsreduktion unterstützt. Der Verbrennungsmotor kann auf diese Weise häufiger in seinem besten Wirkungsgradbereich betrieben werden. Die Batterie kann jedoch nicht wie bei Plug-In-Hybriden über die Steckdose (mit Ökostrom) aufgeladen werden, sondern wird nur durch zurückgewonnene Bremsenergie oder den Verbrennungsmotor geladen. Aufgrund der sehr geringen Größe der Batterien können – wenn überhaupt (nur Vollhybride) – auch nur sehr kurze Strecken rein elektrisch zurückgelegt werden

Bei einem seriellen Hybrid besitzt der Verbrennungsmotor keine mechanische Verbindung mehr zur Antriebsachse, sondern treibt lediglich einen Generator an, welcher den E-Motor mit Strom versorgt. Im parallelen Hybridantrieb können Verbrennungs- und Elektromotor gleichzeitig ihr Drehmoment direkt auf die Antriebsachse bringen, während leistungsverzweigte Mischhybride eine Kombination der beiden Modelle darstellt. Der Verbrennungsmotor kann dabei sowohl einen Generator betreiben als auch direkt mit der Antriebswelle gekoppelt werden.

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle Fuel-Cell Electric Vehicle (FCEV)

Brennstoffzellen Fahrzeuge werden wie batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) rein elektrische angetrieben. Während der Strom hierfür bei BEVs meist aus eine Lithium-Ionen-Batterie stammt, wird er ein Brennstoffzellenfahrzeugen chemisch aus der "Verbrennung" von Wasserstoff (H2) mit Sauerstoff (O2) gewonnen, wobei lediglich reines Wasser (H2O) als Abfallprodukt entsteht. An Brennstoffzellenfahrzeugen wird bereits seit über 30 Jahren geforscht, wobei die größten Schwierigkeiten unter anderem bei der Speicherung ausreichender Mengen an Wasserstoff für eine passable Reichweite, der Sicherheit, der Tankstelleninfrastruktur, der Effizienz, Haltbarkeit sowie der Kaltstart-Fähigkeit der Brennstoffzelle liegen. Mit dem Toyota Mirai kam 2014 das erste Brennstoffzellenfahrzeug in Großserie mit einer Reichweite von 500 km auf den Markt. Der Wasserstoff wird darin komprimiert in zwei Tanks mit 700 bar gespeichert, welche jeweils 2,5 kg Wasserstoff beinhalten, wovon etwa 1 kg auf 100 km benötigt wird.

Brennstoffzellensystem des Toyota Mirai - Quelle: Toyota

Im Wettrennen zwischen Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEV) und batterieelektrischen Elektrofahrzeugen (BEV) scheinen derzeit die BEVs die Oberhand zu gewinnen, da die Akkutechnik in den vergangen Jahren wesentlich schnellere Fortschritte macht, als die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnik in den letzten Jahrzehnten. Zudem haben die meisten Menschen bei BEVs weniger Sicherheitsbedenken, als bei Wasserstoff, obwohl dieser inzwischen ebenso sicher oder unsicher ist, wie ein Benzintank im Fahrzeug.

Elektrische Nutzfahrzeuge

Städtischer Lieferverkehr

Für das typische Fahrverhalten - Anhalten, ein Paket abliefern und zur nächsten Haustür fahren - sind Verbrennungsmotoren im innerstädtischen Lieferverkehr aber auch auf dem Land auf der sogenannten "letzten Meile" gänzlich ungeeignet. Da die Motoren fast nie die idealen Betriebsparameter erreichen, wird deutlich mehr Kraftstoff als bei einer normalen Fahrweise verbraucht. Elektrische Kleintransporter sind hier aufgrund der Vorteile der Elektromotoren insbesondere im Stop-and-Go-Verkehr hinsichtlich der Betriebskosten und Haltbarkeit weitaus ökonomischer und ökologischer. So sinkt neben deutlich geringeren Betriebskosten gleichzeitig die Schadstoff- und Lärmbelastung. So hat beispielsweise die Deutsche Post DHL speziell für die Paketzustellung den aus der RWTH Aachen hervorgegangenen Hersteller StreetScooter zur Produktion einer eigenen Elektro-Kleintransporter-Serie aufgekauft.

Elektrischer Bahn- und Busverkehr

Mit dem Comeback der Elektroautos werden auch rein elektrische Linienbusse zunehmen beliebt, da insbesondere im ÖPNV im Vergleich zu Dieselbussen das größte Einsparpotential von Feinstaub, Stickoxiden und Lärm zu heben ist. Für die Einsparungen die ein einzelner Elektrobus bringt, wären im Vergleich dutzende Elektroautos nötig. In Deutschland werden rein elektrische BUslinen bereits in Berlin, Hamburg und Köln (18m Gelenkbusse) umgesetzt. In London fahren bereits die ersten typisch roten Doppeldeckerbusse rein elektrisch. Bis 2020 soll der gesamte Busverkehr im Londoner Stadtzentrum elektrifiziert werden.

Aufgrund des hohen Stromverbrauchs und der aus Kostengründen möglichst klein gehaltenen Akkukapazität, werden Elektrobusse meist an den Endhaltestellen per Induktion oder Pantograf mit hoher Leistung zwischengeladen und über Nacht auf dem Betriebshof wieder vollständig aufgeladen und vorklimatisiert.

Sonstiges

Elektrische Flugzeuge

Auch vor der Luftfahrtbranche macht die Elektromobilität nicht Halt. Mitte 2015 überquerte Airbus mit einem elektrischen Prototyp namens E-Fan den Ärmelkanal und das Solar-Experimentalflugzeug "Solar Impulse 2" will die Welt umrunden und hat bereits über 8.000 km von Japan nach Hawaii zurückgelegt. In 20 Jahren könnten Passagierflugzeuge für bis zu 100 Passagieren mit Elektroantrieb zum Einsatz kommen.

Elektrischer Schiffsverkehr