Die totale Elektromobilität – Was dies bedeutet...

[Zephyroth]

Angeregt von einer Diskussion in einem anderen Forum, möchte ich hier mal meine Gedanken dazu niederschreiben...

Vorwort
Als das Automobil erfunden war, hatte man auf lange Zeit mehr als genug "Treibstoff", sprich Erdöl. Man konnte also guten Gewissens auf diesen Energieträger für die nächsten 100 Jahre setzen, ohne sich genaue Pläne zurecht zu legen, wie denn die Infrastruktur (Raffinerien, Tankstellen etc.) wachsen müssen um eine ganze Autoflotte damit zu betreiben...

Vorraussetzungen für ein funktionierendes Konzept
Bei allen nachfolgenden Gedanken ziele ich auf eine komplette Elektromobilität ab. Keine Erdöl mehr, keine Hybride oder andere Antriebsarten. Es soll funktionieren und nur minimale Einschränkungen an Komfort bieten. Denn anders sehe ich keine Möglichkeit die Menschen zum Umstieg zu motivieren.
Ebensowichtig ist Nachhaltigkeit. Das System darf nicht mit Nischenlösungen starten und darauf hoffen, von selbst wie damals die Erdölinfrastruktur zu wachsen. Des weiteren blende ich Brennstoffzellen mal aus, da der Gesamtwirkungsgrad über den Umweg Wasserstoff gegenüber dem Akkubetrieb zu schlecht ist als Alternative.

Zusätzlicher Stromverbrauch
In Deutschland gib's derzeit 46 Millionen PKW. Die durchschnittliche Jahresleistung liegt bei ca. 15.000km. Derzeit braucht ein E-Auto für 400km etwa 60kWh (Tesla Roadster, unterscheidet sich aber nicht wesentlich bei anderen Modellen). Somit braucht ein durchschnittliches E-Auto im Jahr etwa 2250kWh an Strom. Mit dem Ladewirkungsgrad für Lithium-Akkus von 90% braucht man aus der Dose etwa 2500kWh. Das ist Teilweise mehr Strom, als der gesamte Haushalt zu dem das Auto gehört braucht. Man sollte bei kompletter Elektromobilität also mit etwa dem doppelten Stromverbrauch für einen Haushalt als aktuell rechnen...

Insgesamt wär's nicht so tragisch, in Deutschland sind derzeit 170GW an elektrischer Leistung installiert, die 13GW mehr sind weniger als 10%...

Problem der Betankung
Jeder weis, das das Laden eines Handy-Akkus etwa 3h braucht. Das ist der beste Kompromiß aus Ladezyklen und kurzer Ladezeit. Allein das wäre schon sehr unkomfortabel, ist aber handlebar wenn man im Haus eine Ladestation hat. Aber was tut man unterwegs? Mal eben eine Pause einlegen für zig Stunden (nicht überall steht ein Kraftstromanschluß) oder gar ein Wechselakku...

Betrachtet man die Tankfrequenz an der Tankstelle, so befüllt eine Säule etwa 20 Autos pro Stunde. Eine typische Tankstelle hat 6 Säulen, macht 120 Autos pro Stunde. Jedes braucht nun etwa 70kWh an Energie, macht in einer Stunde 8400kWh, oder bedeutet eine Anschlußleistung von 8.4MW. BTW meine Heimatstadt mit 8500 Einwohnern hat eine Anschlußleistung von 10MW. Wir reden hier von nur einer mittelgroßen Tankstelle. Sicher das ist nur zu Stoßzeiten, aber auch dafür muß das Netz gerüstet sein. Beispielsweise hat ein normaler Hausanschluß 25kW, obwohl im Schnitt kaum mehr als 3kW benötigt werden...

Der Strompreis
Das ist die Frage was hier passieren wird. Zum einen wird die Nachfrage bei kompletter Elektromobilität steigen, was den Preis treibt. Zum anderen wird sich der Fiskus die Mineralölsteuer sicherlich nicht entgehen lassen. Derweil mag es noch billig sein mit einem E-Auto unterwegs zu sein, bei vollem Umstieg sieht das anders aus. Vor allem, wie halte ich Strom für den Hausgebrauch und Strom für die Mobilität auseinander? Strom hat kein Mascherl und läßt sich auch nicht einfärben wie Heizöl und Diesel.

Des weiteren macht so ein E-Mobilitätskonzept nur Sinn, wenn man auf alternative Energiequellen zurückgreift, die ebenfalls bei der Erzeugung wesentlich teurer sind als konventionelle Kraftwerke...

Das sind nun Fakten, die ich selber zusammengetragen habe. Als Techniker kratze ich mich derzeit etwas am Kopf und frage mich, ob man so ein Konzept überhaupt sinnvoll umsetzen kann. Hab' ich was übersehen? Bin ich zu pessimistisch? Was meint ihr dazu?

Grüße,
Zeph

[Rush]

Ich hoffe auf einen Umstieg, denn dann sinken hoffentlich die Ölpreise und ich kann mir einen 69' Challenger (426 Hemi) in die Garage stellen

[Godmode]

Zitat von Zephyroth

Angeregt von einer Diskussion in einem anderen Forum, möchte ich hier mal meine Gedanken dazu niederschreiben...

Vorwort
Als das Automobil erfunden war, hatte man auf lange Zeit mehr als genug "Treibstoff", sprich Erdöl. Man konnte also guten Gewissens auf diesen Energieträger für die nächsten 100 Jahre setzen, ohne sich genaue Pläne zurecht zu legen, wie denn die Infrastruktur (Raffinerien, Tankstellen etc.) wachsen müssen um eine ganze Autoflotte damit zu betreiben...

Vorraussetzungen für ein funktionierendes Konzept
Bei allen nachfolgenden Gedanken ziele ich auf eine komplette Elektromobilität ab. Keine Erdöl mehr, keine Hybride oder andere Antriebsarten. Es soll funktionieren und nur minimale Einschränkungen an Komfort bieten. Denn anders sehe ich keine Möglichkeit die Menschen zum Umstieg zu motivieren.
Ebensowichtig ist Nachhaltigkeit. Das System darf nicht mit Nischenlösungen starten und darauf hoffen, von selbst wie damals die Erdölinfrastruktur zu wachsen. Des weiteren blende ich Brennstoffzellen mal aus, da der Gesamtwirkungsgrad über den Umweg Wasserstoff gegenüber dem Akkubetrieb zu schlecht ist als Alternative.

Zusätzlicher Stromverbrauch
In Deutschland gib's derzeit 46 Millionen PKW. Die durchschnittliche Jahresleistung liegt bei ca. 15.000km. Derzeit braucht ein E-Auto für 400km etwa 60kWh (Tesla Roadster, unterscheidet sich aber nicht wesentlich bei anderen Modellen). Somit braucht ein durchschnittliches E-Auto im Jahr etwa 2250kWh an Strom. Mit dem Ladewirkungsgrad für Lithium-Akkus von 90% braucht man aus der Dose etwa 2500kWh. Das ist Teilweise mehr Strom, als der gesamte Haushalt zu dem das Auto gehört braucht. Man sollte bei kompletter Elektromobilität also mit etwa dem doppelten Stromverbrauch für einen Haushalt als aktuell rechnen...

Insgesamt wär's nicht so tragisch, in Deutschland sind derzeit 170GW an elektrischer Leistung installiert, die 13GW mehr sind weniger als 10%...

Problem der Betankung
Jeder weis, das das Laden eines Handy-Akkus etwa 3h braucht. Das ist der beste Kompromiß aus Ladezyklen und kurzer Ladezeit. Allein das wäre schon sehr unkomfortabel, ist aber handlebar wenn man im Haus eine Ladestation hat. Aber was tut man unterwegs? Mal eben eine Pause einlegen für zig Stunden (nicht überall steht ein Kraftstromanschluß) oder gar ein Wechselakku...

Betrachtet man die Tankfrequenz an der Tankstelle, so befüllt eine Säule etwa 20 Autos pro Stunde. Eine typische Tankstelle hat 6 Säulen, macht 120 Autos pro Stunde. Jedes braucht nun etwa 70kWh an Energie, macht in einer Stunde 8400kWh, oder bedeutet eine Anschlußleistung von 8.4MW. BTW meine Heimatstadt mit 8500 Einwohnern hat eine Anschlußleistung von 10MW. Wir reden hier von nur einer mittelgroßen Tankstelle. Sicher das ist nur zu Stoßzeiten, aber auch dafür muß das Netz gerüstet sein. Beispielsweise hat ein normaler Hausanschluß 25kW, obwohl im Schnitt kaum mehr als 3kW benötigt werden...

Der Strompreis
Das ist die Frage was hier passieren wird. Zum einen wird die Nachfrage bei kompletter Elektromobilität steigen, was den Preis treibt. Zum anderen wird sich der Fiskus die Mineralölsteuer sicherlich nicht entgehen lassen. Derweil mag es noch billig sein mit einem E-Auto unterwegs zu sein, bei vollem Umstieg sieht das anders aus. Vor allem, wie halte ich Strom für den Hausgebrauch und Strom für die Mobilität auseinander? Strom hat kein Mascherl und läßt sich auch nicht einfärben wie Heizöl und Diesel.

Des weiteren macht so ein E-Mobilitätskonzept nur Sinn, wenn man auf alternative Energiequellen zurückgreift, die ebenfalls bei der Erzeugung wesentlich teurer sind als konventionelle Kraftwerke...

Das sind nun Fakten, die ich selber zusammengetragen habe. Als Techniker kratze ich mich derzeit etwas am Kopf und frage mich, ob man so ein Konzept überhaupt sinnvoll umsetzen kann. Hab' ich was übersehen? Bin ich zu pessimistisch? Was meint ihr dazu?

Grüße,
Zeph

Wie kommst du auf nur 13 GW mehr? 2.500 KWh * 46.000.000 =
115.000.000.000 KWh
115.000.000 MWh
115.000 GWh
115 TWh

Oder denke ich falsch?

lg

[Zephyroth]

Das passt schon. 115TWh/Jahr bedeutet einen Dauerleistung von 13GW über 8760h, als ein Jahr...

Grüße,
Zeph

[uweskw]

Zitat von Zephyroth

Zusätzlicher Stromverbrauch
....

Insgesamt wär's nicht so tragisch, in Deutschland sind derzeit 170GW an elektrischer Leistung installiert, die 13GW mehr sind weniger als 10%...

Nicht mal 10% mehr Stromverbrauch und alles ist auf Elektromobilität umgestellt? - Gekauft!!!!

Sicher dass da nicht irgendwo ein Rechenfehler ist? Wieviele Kfz hast du als Basis genommen? Nutzfahrzeuge berücksichtigt?

[Zephyroth]

Für einen Haushalt mit E-Auto würde bei durchschnittlicher Nutzung sich der jährliche Stromverbrauch verdoppeln.

Ich war selber überrascht das es in Summe dann doch so wenig ist, aber offenbar ist der Stromverbrauch der Privathaushalte nur ein geringer Teil des gesamten...

Ich bin von 46 Mio. PKW ausgegangen, dazu kämen noch 9 Mio. Nutzfahrzeuge, die ich nicht berücksichtigt habe. Dazu kenne ich deren Energiebedarf nicht genau genug. Dazu bräuchte ich durchschnittliche Jahreslaufleistung und durchschnittlichen Verbrauch. Da dies aber kleine und große LKW's umfasst, sind diese Angaben nicht so homogen wie beim PKW...

Grüße,
Zeph

[Monger]

Ich denke, so wie du den industriellen Energieverbrauch unterschätzt hast, unterschätzst du auch den Personennahverkehr der durch die Industrie verursacht wird.
Ich hab keine Zahlen parat, aber selbst wenn, sagen wir mal, LKWs nur ein Fünftel der Fahrzeuge stellen, so ist ihr Energieverbrauch allein schon durch die Masse die sie bewegen dramatisch höher.

Ich glaube, die PKWs umzustellen ist gar nicht so dramatisch, bringt energetisch aber auch nicht so viel.

[Zephyroth]

Grad zu den LKW find ich keine zuverlässigen Angaben der Jahresfahrleistung, wohl aber zum Verbrauch: 30-40l/100km für die großen 40-Tonner...

Gehe ich von einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 40km/h und durchgehend einem 10h Tag, dann komme ich auf etwa 125tkm pro Jahr...

Da aber nicht alle schwere LKW's sind, gehe ich mal von 20l/100km aus. Das ergibt dann pro LKW 25.000l Diesel pro Jahr. Das sind umgerechnet 243MWh im Jahr, wovon aber nur ca. 30% in mechanische Energie umgesetzt werden, also brauchen wir zum Bewegen eines LKW 73MWh Energie. Mit Ladewirkungsgrad also 81MWh pro LKW.

Nun fahren 9 Mio. LKW in D herum, das wäre ein elektrischer Energieverbrauch von ungefähr 729TWh im Jahr für den Betrieb der LKW-Flotte. Das ist tatsächlich um den Faktor 7 höher als für die PKW!

Eine zusätzliche Leistung von 83GW wird dafür benötigt...

Fassen wir zusammen, für die volle Elektromobilität brauchen wir 13GW für die PKW und 83GW für die LKW, macht zusammen 96GW mehr installierte Leistung. Das wäre auf den jetzigen Zustand bezogen ein Plus von 56%. Das ist das Äquivalent von etwa 100 durchschnittlichen AKW-Blöcken...

Grüße,
Zeph

[Trap]

Zitat von Zephyroth

Das ist das Äquivalent von etwa 100 durchschnittlichen AKW-Blöcken...

Oder ungefähr das 5-fache der von den Fahrzeugen benötigten Stellfläche als PV-Module.

[Commander Keen]

Elektromobile my ass. Wasserstoff ftw! Nur damit wäre ein Ausstieg vom Öl ohne Komforteinbussen machbar. Der Wasserstoff müsste natürlich aus erneuerbaren Energien gewonnen werden, damit die Rechnung Sinn macht. Aber da gibt es so viele ungenutzte Möglichkeiten, dass ich aus technischer Sicht überhaupt kein Problem darin sehe. Das Problem ist vielmehr, das es seitens Lobby/Politik gar nicht gewollt ist.

[Chemiker]

Das ist in der Tat schon eine gewaltige Aufgabe. Mal ganz abgesehen von den derzeitigen Begrenzungen was die Akkukapazitäten betrifft. Ein Auto will ja auch geheizt oder gekühlt werden. Das frisst sehr viel Energie. Elektrisch heizen ist eh nicht sonderlich effizient.

Aber die eigentliche Frage ist doch: was ist die Alternative?

Ich denke, dass beim Verbrennungsmotor noch einiges an Effizienzsteigerung machbar ist. Man wird irgendwann normale Autos haben die die 100 km mit 2 Litern Benzin schaffen.

Dennoch wird das Öl, wenn denn nicht wirklich langsam knapp, so doch immer problematischer zu fördern. Das freigesetzte CO2 und, nicht zu vergessen, auch andere Problematische Substanzen die der Autokatalysator eben auch nicht völlig beseitigen kann, will man auch nicht haben.

Dass das viele zusätzliche CO2 zu problematischen Veränderungen was das Klima und den pH-Wert der Meere betrifft führt, ist unstrittig.

Stromerzeugung mittels Windkraft ist mittlerweile sehr günstig geworden. Da sehe ich nicht unbedingt so das ganz große Problem. Zwischenspeicherung wird auch machbar sein.

Es ist machbar, es wird teuer, aber welche Alternativen gibt es denn überhaupt?

Wasserstoff: Herstellung? Speicherung?

[Monger]

Man kann natürlich auch so rechnen: wir können dreimal so viele Kilometer pro LKW für die selbe Energiemenge zurücklegen, wenn wir ihren energetischen Wirkungsgrad von 30% auf 90% heben. Wenn sich die Akku Technologie weiterentwickelt, steigt die Effizienz effektiv sogar weiter, weil sich das Gesamtgewicht des LKWs verringert (Getriebe, Übersetzung etc. ist beim Elektromobil einfacher).

Weil eines Tages werden wir vor der Frage stehen: Elektro oder Biokraftstoff? Und dann muss man sich fragen was effizienter ist.

Logistisch gesehen ist beides ein Alptraum. Das eine mehr in der "Betankung", und das andere mehr in der Herstellung.

[Chemiker]

Ich kann mir einfach nicht vorstellen wie solche Mengen an Biokraftstoffen hergestellt werden sollen. Es wird viel einfacher sein große Mengen elektrischer Energie bereitzustellen als Gigatonnen Biomasse in Treibstoff umzuwandeln.

[Commander Keen]

Zitat von Chemiker

Ich denke, dass beim Verbrennungsmotor noch einiges an Effizienzsteigerung machbar ist. Man wird irgendwann normale Autos haben die die 100 km mit 2 Litern Benzin schaffen.

Das denke ich nicht. Die Technik ist bald 150 Jahre alt, da geht motorenseitig fast nichts mehr. Einsparungen sind nur noch durch Gewichtsreduzierung des kompletten Autos bei gleichzeitigem Motorendownsizing möglich, dann sind 2 Liter machbar. So ein Auto will dann aber niemand kaufen, man will es ja schließlich auch bequem und sicher haben.

[blackbox]

Ich halte Akkus als Energieträger auch für den falschen Weg.
Sie sind einfach zu teuer, und zwar in der Herstellung als auch im Betrieb. Das Aufladen wird immer ein Problem darstellen, denn wer wartet gerne ein paar Stunden, um eine Fahrt fortsetzen zu können?
Insofern ist die Einschränkung in dieser Diskussion, sich nur auf Akkus zu konzentrieren, nicht empfehlenswert.

[Zephyroth]

Zum Wirkungsgrad, weil's gerade mehrfach gefallen ist...

Akkubetrieb:

Ladung des Akkus: 90%
Wechselrichter: 80-90%
Antriebsmotoren: 80-90%
Gesamtwirkungsgrad: 58-73%

Wasserstoff mit Brennstoffzelle:

Herstellung vom Wasserstoff mittels Elektrizität: 60% (mit Kühlung und Speicherung)
Brennstoffzelle: 60%
Wechselrichter: 80-90%
Antriebsmotor: 80-90%
Gesamtwirkungsgrad: 23-29%

Wasserstoff mit Verbrennungsmotor:

Herstellung vom Wasserstoff mittels Elektrizität: 60% (mit Kühlung und Speicherung)
Verbrennungsmotor: 30%
Getriebe: 85%
Gesamtwirkungsgrad: 15%

Ich denke, das zeigt recht deutlich, das Wasserstoff zwar bequemer, aber energetisch bei weitem schlechter ist.

Grüße,
Zeph

[Backbone]

Ein deutlich geringerer Wirkungsgrad wäre natürlich hinnehmbar, weil ja der teure Akku bei einem Wasserstoffauto wegfallen könnte. Das Ding muss ja nicht nur hergestellt werden, es muss im Sommer auch gekühlt und im Winter beheizt werden. (Was den Wirkungsgrad senkt.)

So lange keine dramatisch verbesserte Akkutechnologie in Sicht ist, sehe ich kaum eine andere Chance als über Wasserstoff zu speichern.

Backbone

[Spasstiger]

Zitat von Zephyroth

Fassen wir zusammen, für die volle Elektromobilität brauchen wir 13GW für die PKW und 83GW für die LKW, macht zusammen 96GW mehr installierte Leistung. Das wäre auf den jetzigen Zustand bezogen ein Plus von 56%. Das ist das Äquivalent von etwa 100 durchschnittlichen AKW-Blöcken...

Von 2000 bis 2010 ist die installierte Leistung um 45 GW gestiegen: http://de.wikipedia.org/wiki/Install...in_Deutschland.
Und in der Zeit wurden keine neuen AKWs gebaut, allerdings wurden sie auch nicht reihenweise abgeschaltet wie es für die Zeit ab 2020 geplant ist. Trotzdem erscheint mir ein Zuwachs von 100 GW installierter Leistung in den nächsten 30 Jahren machbar.

Elektromobilität erfordert imo nach heutigem Stand der Technik ein Wechselsystem für die Akkus an den Tankstellen und/oder ein riesiges Netz aus Ladestationen. Es müsste auch für die Leute in Städten, die keinen eigenen Stellplatz haben, eine Möglichkeit geben, ihr Fahrzeug zu laden. Wechselakkus sind der geringere Eingriff in die Infrastruktur, es müssten "nur" die Tankstellen mit höherer Anschlussleistung versehen werden. Vorteil von Wechselakkus ist auch, dass Tag und Nacht geladen werden kann und es somit nicht zu bisher unbekannten Leistungsspitzen in der Nacht kommt. Auch Unternehmen könnten für ihre Firmenfahrzeuge/Nutzfahrzeuge solche Akkuladesysteme und Akkuwechseleinrichtungen installieren, um nicht an Flexibiltät einzubüßen.

Ein Durchbruch in der Akkutechnik könnte für die Infrastruktur nochmal ganz andere Herausforderungen bringen, weil durch die Akkutechnik letztlich sinnvolle Ladekonzepte vorgegeben sind.

[blackbox]

Nunja, das Problem ist ja, du müsstest das europaweit einführen, also eine komplette neue Infrastruktur. Das ist illusorisch.
Zumal: Wie viele Akkus müsste man bereit halten? Bei 42 Mio Fahrzeugen in Deutschland müsste man wie viele Akkus bereit halten? Die 10-fache Anzahl?
Es gab ja in der Hinsicht schon Ideen. Aber diese Idee halte ich für nicht durchführbar.

[Monger]

Zitat von Chemiker

Ich kann mir einfach nicht vorstellen wie solche Mengen an Biokraftstoffen hergestellt werden sollen. Es wird viel einfacher sein große Mengen elektrischer Energie bereitzustellen als Gigatonnen Biomasse in Treibstoff umzuwandeln.

Schwer zu sagen. Ich vermute, dass das Elektromobil über viele Dekaden mit dem Biodiesel konkurrieren wird. Wenn da ein Durchbruch beim Biodiesel dritter oder vierter Generation kommen sollte, wird der gleich auf einen Schlag deutlich attraktiver.

Biomüll fällt überall in der Welt irgendwie an. Auf den Äckern, in den Wäldern... ist nur die Frage wie man den geschickt nutzt. Und ob die dazu nötige Weltformel rechtzeitig in den nächsten Jahrzehnten vom Himmel fällt.

Akkus haben halt das Problem der Energiedichte. Ob die zu vertretbaren Preisen relevant steigerbar ist, wird sich zeigen.

Gas halte ich für eine Sackgasse. Relativ geringe Energiedichte, aufwändig (und gefährlich) zu transportieren und abzufüllen. Öl ist nicht zuletzt deshalb so beliebt, weil man es in Eimer gießen kann.

Schwierig, schwierig. Zumindest mittelfristig sehe ich beim Individualverkehr da einen echten Engpass. Würde mich nicht wundern, wenn wir in den nächsten zehn Jahren wieder Auto-freie Sonntage erleben.