Kaum jemand bezweifelt noch, dass elektrisch angetriebenen Fahrzeugen die Zukunft gehören wird. Die geringeren Lärm- und Schadstoffemissionen und die Hoffnung, den für den Antrieb benötigten Strom aus erneuerbaren Energieträgern erzeugen zu können, lassen Skeptiker verstummen und verhindern ein Nachdenken über die mit einer Forcierung der Elektromobilität einhergehenden Probleme.

Noch Wunschdenken oder schon Realität?

In den Medien wird nicht selten der Eindruck erweckt, dass es nur eine Frage der Zeit sei, bis elektrische Antriebe in allen Strassenfahrzeugen die Verbrennungsmotoren ersetzen können. Auch viele Politiker gehen – nicht zuletzt aufgrund strenger werdender Emissions-vorschriften – davon aus, dass Elektrofahrzeuge in wenigen Jahren hohe Anteile an den Neuzulassungen erreichen werden. Vereinzelt wird sogar gefordert, künftig keine neuen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mehr zuzulassen.

Aber noch sind nicht alle technischen und wirtschaftlichen Fragen geklärt. Auf einen ersten Blick scheint der Wirkungsgrad eines Elektromotors deutlich besser zu sein als der eines Verbrennungsmotors. Durch die Abwärme geht bei Verbrennungsmotoren mehr Energie verloren als bei elektrischen Antrieben. In einem Elektrofahrzeug kann ein erheblich grösserer Teil der im Fahrzeug gespeicherten Energie für den Vortrieb genutzt werden. Allerdings bleibt dabei unberücksichtigt, dass die aus primären Energieträgern stammende Energie zunächst einmal in elektrischen Strom umgewandelt werden muss. Aufgrund der unvermeidlichen Umwandlungsverluste bei der Stromerzeugung und Speicherung ist – gesamthaft betrachtet – der Wirkungsgrad von Elektrofahrzeugen eher schlechter als der von Fahrzeugen mit Benzin-, Diesel- oder Gasmotoren.

Elektrische Energie aus dem Stromnetz oder von Brennstoffzellen?

Der für den Antrieb eines Elektrofahrzeugs benötigte Strom kann von am Stromnetz aufgeladenen Batterien geliefert oder von einer Brennstoffzelle erzeugt werden. Gegenwärtig werden jedoch vor allem Elektrofahrzeuge propagiert, die den Strom aus Batterien beziehen. Auch die Fahrzeugindustrie scheint sich – wegen der einfacheren Technik und in Erwartung rasch sinkender Batteriekosten – in erster Linie auf diese Antriebslösung zu konzentrieren. Die Frage, welche Lösung in der Zukunft den Markt für Elektrofahrzeuge dominieren wird, lässt sich aber heute noch nicht definitiv beantworten.

Subventionen sind keine Garantie für einen Markterfolg

Obwohl in vielen Ländern die Anschaffung eines Elektrofahrzeuges direkt – oder zumindest indirekt – subventioniert wird, entspricht die Nachfrage nach mit Strom aus Batterien angetriebenen Personen- und Lastkraftwagen noch nicht den von Politik und Medien gehegten Erwartungen. Die Gründe für diese Kaufzurückhaltung sind – neben den vergleichsweise hohen Anschaffungspreisen – die. insbesondere bei niedrigen Temperaturen in den Wintermonaten für viele Mobilitätsbedürfnisse oft nicht ausreichenden und durch den nicht vernachlässigbaren Strombedarf der Nebenaggregate (Heizung, Klimatisierung, Infotainment usw.) zusätzlich eingeschränkten Reichweiten, eine unzulängliche Ladeinfrastruktur und die für eine Wiederaufladung der Batterien benötigte Zeit.

Die gegenwärtig verfügbaren Batterien sind teuer und schwer. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Preise für Batterien in den kommenden Jahren deutlich sinken werden. Auch die – im Vergleich mit Treibstoffen – recht geringe Energiedichte der Batterien dürfte sich im Laufe der Zeit verbessern und dadurch etwas zur Entschärfung der Reichweiten- und Gewichtsprobleme beitragen. Im Falle von Lastkraftwagen wird – aufgrund der durch die Strasseninfrastruktur bestimmten Begrenzungen für das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs – mit Sicherheit ein gravierender Zielkonflikt zwischen Reichweite und Nutzlast bestehen bleiben. Es fehlen zudem noch Erfahrungswerte über die Lebensdauer von Batterien unter den für Lastkraftwagen üblichen Einsatzbedingungen.

Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge mit Batterien

Um der Elektromobilität einen Durchbruch zu ermöglichen, soll möglichst rasch ein kompatibles Netz von öffentlich zugänglichen und aus dem Stromnetz gespeisten Schnellladestationen aufgebaut werden. Dabei wird angenommen, dass das künftige Netz von Ladestationen so dicht sein wird, dass alle Fahrzeuge ohne längere Wartezeiten ihre Batterien wieder aufladen können. Je grösser die Kapazität einer Batterie ist, desto mehr Zeit wird aber für eine Aufladung benötigt. Aus physikalischen Gründen kann der Strom niemals so schnell aus einer Ladestation fliessen, dass eine Aufladung nicht wesentlich mehr Zeit beansprucht, als eine Betankung der durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen mit flüssigen oder gasförmigen Treibstoffen. (Auch nach einer denkbaren Einführung der – von einzelnen Herstellern mit Blick auf den Zeitbedarf für eine Aufladung vorgeschlagenen – 800-Volt Technik für die Ladestationen, wird dieser prinzipielle Nachteil bestehen bleiben.) Und je mehr Elektrofahrzeuge in Betrieb sein werden, desto mehr Zeit wird in der Regel das Warten auf eine frei werdende Ladestation beanspruchen.

Für eine Aufladung der Batterien von Personenwagen in privaten Garagen von Ein- und Mehrfamilienhäusern dürften in den meisten Fällen zwar die üblichen Anschlüsse an das Stromnetz ein normales Aufladen ermöglichen, sofern für jedes Fahrzeug eine für den Ladevorgang geeignete Steckdose vorhanden ist. Das lokale Netz könnte jedoch Belastungsspitzen nicht mehr standhalten, falls die Batterien einer grösseren Anzahl von Fahrzeugen gleichzeitig aufgeladen werden müssen. Sollten entlang einer Strasse bereits mehrere Schnellladestationen installiert sein, könnten neu hinzukommende Installationen, die Kapazität der vorhandenen Stromleitungen überschreiten und ein entsprechender Ausbau notwendig werden. Soll dann ein Stromversorger die Installation weiterer privater Schnellladestationen verweigern dürfen oder die Kosten für den Ausbau übernehmen müssen, obwohl eventuell in der Nähe eine öffentlich zugängliche Schnellladestation vorhanden ist?

Auch die Frage einer Aufladung der – mangels Garagen oder Abstellmöglichkeiten auf privaten Flächen – auf den Strassen parkenden Fahrzeuge ist noch keinesfalls geklärt. Der Gesetzgeber und die Stromversorger sind einer Beantwortung dieser Fragen bislang meist ausgewichen. Daher sollte – bevor die öffentliche Hand mit Steuermitteln einen weiteren Ausbau der Ladeinfrastrukturen finanziert – zumindest solange abgewartet werden, bis die noch offenen Fragen geklärt sind und sich eine effiziente Lösung für die Stromversorgung von Elektrofahrzeugen abzeichnet.

Schadstoffemissionen von Elektrofahrzeugen

Im Fahrbetrieb verursachen Elektrofahrzeuge geringe Lärm- und Schadstoffemissionen. Vor allem die – im Vergleich mit konventionell angetriebenen – geringeren Schadstoffemissionen dienen als Argument für einen zu forcierenden Umbau des Fahrzeugparks. Dabei wird meist übersehen, dass in einem solchen Vergleich nicht nur der Fahrbetrieb, sondern auch die Produktion der Fahrzeuge Berücksichtigung finden muss. Beim heutigen Stand der Technik – und weitgehend unabhängig von der Antriebsvariante (Batterien oder Brennstoffzelle) – benötigt die Herstellung von Elektrofahrzeugen mehr Energie und versursacht deutlich mehr Schadstoffemissionen als die Produktion von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren.

Kommt der Strom für den Betrieb der Fahrzeuge aus dem Stromnetz, müssen auch die aus der Stromerzeugung resultierenden Emissionen in die Schadstoffbilanz mit eingerechnet werden. Solange in der Schweiz der Strom praktisch vollständig von Wasserkraft- und Kernkraftwerken erzeugt wird und – über das Jahr gesehen – nur ein kleiner Teil der Stromnachfrage durch Importe gedeckt werden muss, spricht wenig gegen einen weitgehenden Verzicht auf den Einsatz kohlenstoffhaltiger fossiler Energieträger als Basis für die von Verbrennungsmotoren benötigten Treibstoffe.

Die Batterien von Elektrofahrzeugen können im Prinzip mit Strom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen aufgeladen werden. Aber nur dann, wenn sich die Fahrzeuge gerade zu der Zeit an einer Ladestation befinden, in der diese Anlagen auch Strom erzeugen können. Es ist jedoch keinesfalls sicher, dass nach Stilllegung der noch in Betrieb befindlichen inländischen Kernkraftwerke, die fehlendenStrommengen mit neuen erneuerbaren Energieträgern – Windkraft, Sonneneinstrahlung, Erdwärme und Biomasse – erzeugt werden können. Die Stromerzeugung mit Erdwärme (Hydro- und/oder Petrothermalesysteme) sowie mit Biomasse dürfte auch künftig nur eine vernachlässigbare Grössenordnung erreichen. Photovoltaik- und Windkraftanlagen werden aufgrund der Tageszeit und Witterungs-bedingungen aber immer nur zeitlich begrenzt Strom liefern können.

Werden Elektrofahrzeuge mit dem in das Netz eingespeisten Strom aus Photovoltaik- oder Windkraftanlagen betrieben, dann steht dieser anderen Nachfragern nicht mehr zur Verfügung und muss durch Strom aus konventionellen Anlagen ersetzt werden. Bei einem Verzicht auf Strom aus inländischen Kernkraftwerken ist aber eine zuverlässige Deckung der Stromnachfrage im Tages- und Jahresverlauf, ohne vermehrte Stromimporte aus dem Ausland – d.h. nicht ohne importierten Strom aus Kohle- und Gaskraftwerken – und/oder ohne Strom aus noch zu bauenden inländischen Gaskraftwerken, nicht mehr möglich. Die Folgen sind Opportunitätskosten in Form erhöhter Schadstoffemissionen im In- und Ausland und eine verschlechterte Schadstoffbilanz der Elektrofahrzeuge. (S. auch Kasten “Strom aus der Steckdose: Opportunitätsprinzip”.)

Auch wenn lokal geringere Schadstoffemissionen, die technischen Vorteile im „Stop- und Go-Verkehr” und bei der Rückgewinnung von Bremsenergie für eine rasche Verbreitung batteriegetriebener Fahrzeuge sprechen, darf nicht ausser Acht gelassen werden, dass die Ersetzung von Verbrennungs- durch Elektromotoren zu einer zunehmenden Stromnachnachfrage führen wird. Durch die angestrebte Ablösung fossiler Treibstoffe entsteht eine zusätzliche Stromnachfrage, die deutlich höher sein dürfte als die durch Effizienzverbesserungen möglichen Nachfrageminderungen.

Elektromobilität und Stromspeicher

Eine Substitution des von Kernkraftwerken ganzjährig gelieferten Stroms durch Strom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen setzt den Bau einer grossen Anzahl und entsprechend dimensionierter Speicheranlagen (Pumpspeicherwerke, Grossbatterien) voraus. Die Batterien in den Elektrofahrzeugen werden – auch wenn dies gelegentlich suggeriert wird – für eine Zwischenspeicherung der volatilen Stromerzeugung keinesfalls ausreichen. In den meisten Fällen muss immer auch ein Teil des in den Batterien gespeicherten Stroms als Reserve für den Fahrbetrieb vorgehalten werden.

Um mit Photovoltaik- und Windkraftanlagen eine bestimmte Jahresproduktion an Strom zu erreichen, muss ein Mehrfaches an Leistung installiert werden. Dadurch ergeben sich zwangsläufig temporäre Angebotsüberschüsse, die bei fehlenden Speichermöglichkeiten zu einem drastischen Preisverfall auf dem Strommarkt führen. Ohne Subventionen (Fördermassnahmen) können diese Stromerzeugungsanlagen in der Regel daher nicht wirtschaftlich betrieben werden. Nur durch eine Speicherung des nicht direkt nachgefragten Stroms kann die Rentabilität dieser Anlagen verbessert werden. Allerdings ist eine solche Speicherung nicht gratis. Die erforderlichen Speicher müssen gebaut und instand gehalten werden. Die Kosten für die Speicherung werden zu höheren Strompreisen führen und sich dann auch in den Betriebskosten elektrisch angetriebener Fahrzeuge niederschlagen.

Strom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen für Fahrzeuge

Jede Energieumwandlung – und damit auch die Speicherung von Strom – ist mit Verlusten verbunden. Die Energieverluste sind abhängig von der jeweiligen Speicherform. Eine Möglichkeit zur Speicherung des von Photovoltaik- und Windkraftanlagen produzierten und nicht unmittelbar nachgefragten Stroms bieten „Power to Gas”-Anlagen. Aus überschüssigem Strom kann Methan für und Wasserstoff erzeugt werden. Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung (Ottomotoren) lassen sich mit einem relativ geringen technischen Aufwand auf Gasbetrieb umstellen. Auch die Praktikabilität von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotoren ist mehrfach demonstriert worden. Die Betankung von Fahrzeugen mit Methan oder Wasserstoff ist unproblematisch und weniger zeitraubend als die Aufladung von Batterien. Eine Umrüstung des vorhandenen Tankstellennetzes ist vergleichsweise einfach zu realisieren und es ist kein mit hohen Kosten verbundener Aufbau einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur erforderlich.

Eine zunehmende Verfügbarkeit von Wasserstoff würde Entwicklungs- und Marktchancen für Elektrofahrzeuge, die mit Brennstoffzellen den für den Antrieb und die Nebenaggregate benötigten Strom erzeugen, eröffnen. Eine Umwandlung des von Photovoltaik- und Windkraftanlagen erzeugten Stroms zu Wasserstoff könnte dann auch wirtschaftlich interessant werden. Zumindest gegenwärtig beinträchtigen jedoch die hohen Verluste bei der Umwandlung von Strom aus diesen Anlagen in Wasserstoff und der anschliessenden Speicherung noch einen wirtschaftlichen Betrieb der erforderlichen Anlagen und dadurch auch die Marktchancen für Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen. (Für den Fahrbetrieb benötigen jedoch auch die mit einer Brennstoffzelle ausgerüsteten Fahrzeuge eine – wenn auch wesentlich kleinere – Pufferbatterie, um auftretende Laststösse auffangen zu können.)