Volker Voegele, Gastautor / 28.08.2017 / 06:10 / Foto: Gostens / 30 / Seite ausdrucken

Erst lesen, dann schlucken: Beipackzettel Elektromobilität

Von Volker Voegele.

2017 ist der mit Verbrennungsmotoren ausgestattete Fahrzeugbestand in Deutschland bei 63 Millionen: Personenautos, Lastwagen, Busse, Zweiräder, Baustellen-/Landwirtschafts-Fahrzeuge et cetera. Würden die auf elektrischen Antrieb umgestellt, ergäbe dies zahlreiche Risiken und Nebenwirkungen. Hier also die Packungsbeilage. Elektromobilität als vorgeblich vorteilhafteres Antriebskonzept im Vergleich zu Verbrennungsmotoren müsste zunächst  einmal folgende Kriterien erfüllen:

  • Geringerer Energieaufwand
  • Geringerer Ressourcenaufwand
  • Geringere Schadstoffemissionen und Umweltbeeinträchtigung
  • Technisch gute Funktionsfähigkeit und ökonomische Betriebsweise

Die Stromverluste der Leitungen vom Kraftwerk zum Fahrzeug-Akku (minimal ca. 5  Prozent), bei der Akku-Aufladung (minimal ca. 5 Prozent) und der Akku-Entladung während den Fahrzeugstillstandszeiten (minimal ca. 1 Prozent innerhalb einiger Tage) addieren sich zu etwa 10 Prozent. Das ist minimal gerechnet, je nach Konzept der Akkus und den aktuellen  Umgebungsbedingungen können insgesamt (permanent/temporär) höhere Verluste bis über 20 Prozent entstehen. Das ist unvorteilhaft, aber für die weiteren Betrachtungen stellt dies überraschenderweise nicht einmal das eigentliche Hindernis für die Elektromobilität dar.

Im Prinzip sind sowohl Elektro-Fahrzeuge als auch stromerzeugende Kraftwerke gut funktionsfähig; beide Technologien profitieren von Entwicklungen neueren Datums. Kritisch ist einzig die Akku-Technologie, leider ist das Entwicklungspotential unklar. Bei einigen tausend Fahrzeug-Akkus wie zur Zeit, die täglich aufgeladen werden, sind die zusätzlich notwendige Kraftwerkskapazität und die dem Bedarf anzupassende Kraftwerksregelung samt der zu installierenden Stromladeinfrastruktur kein Problem.

Wie sähe es aber aus bei Millionen von Akkus, die täglich aufgeladen werden müssten? Anschaulich und recht „sparsam“ gerechnet, kann man im Überschlag annehmen, dass im Tagesdurchschnitt ein Drittel des oben genannten Gesamt-Fahrzeugbestandes mit 20 kW Durchschnitts-Leistung eine Stunde unterwegs ist („Sparsam“ gerechnet deshalb, da die über drei Millionen Lkw und Busse ein Vielfaches an Leistung brauchen und täglich mehrere Stunden fahren). Die bereitzustellende Gesamtenergie pro Jahr wäre ca.170 TWh (1 T = 1 Tera = 10E12 = 1012); errechnet wie folgt: 21 Millionen x 20 kW x 1 h (Stunde pro Tag) x 365 (Jahrestage) x 1,1 (Ladeverlustaufwand).

Bis zu 60 Kernkraftwerke für 435.000 Schnell-Ladestellen

Ein 1000 MW  (1 M=1 Mega=10E6) Kernkraftwerk (KKW) erzeugt pro Jahr ca. 7,5 TWh; errechnet wie folgt: 1000 MW x 8760 h (Jahresstunden) x 0,85 (durchschnittliche Jahresverfügbarkeit eines KKW). Rechnerisch würde man also über 20 Kernkraftwerke benötigen, um den gesamten Fahrzeug-Akku-Bestand mit Strom aufzuladen. Zweifelsohne machbar, aber folgendes Problem wäre noch zu lösen: „Getankt“ wird nicht gleichmässig über den Tag, sondern vielleicht mit einem Stundendurchschnittsdrittel zwischen 22-7 Uhr, dagegen zwischen 11-12 und 17-19 Uhr mit dem dreifachen Stundendurchschnittswert. Entsprechend würde der Kraftwerksbedarf im Tagesverlauf zwischen 7 und über 60 Kernkraftwerken schwanken.

Angenommen, die  Fahrzeug-Akkus hätten im Schnitt eine Ladekapazität von 60 kWh und eine 'Schnell-Aufladung' würde eine halbe Stunde dauern. Gemäß der hier verwendeten Annahmen wird im Tagesschnitt für 7 Millionen Akkus eine Komplettladung notwendig (ein 60 kWh Akku erlaubt einen 3-stündigen Fahrbetrieb bei 20 kW). Es ergeben sich also 145.000 Schnell-Ladestellen = 7 Millionen / (24 x 2) bei über den Tagesverlauf optimierten Ladeintervallen. Berücksichtigt man aber ein unkoordiniertes Tankverhalten der Fahrzeugfahrer  läge man bei  ca. 435.000 Schnell-Ladestellen. Wäre das nicht ein wenig überambitioniert? Zum Vergleich: Gegenwärtig gibt es ca. 15.000 Tankstellen für Benzin, Diesel und Gas in Deutschland.

Der Jahresverbrauch von Otto- und Diesel-Kraftstoffen ist gegenwärtig bei 50 Millionen Tonnen. Mit dem Heizwert dieser Kraftstoffe bei ca. 12 kWh/kg ergibt sich ein Primärenergieverbrauch von etwa 600 TWh pro Jahr. Der Verbrennungsmotor-Wirkungsgrad in realer Fahrweise dürfte bei 30 Prozent liegen, also ist das vergleichbar mit den oben gerechneten 170 TWh.

In diesen Betrachtungen stecken aber einige nicht geklärte weitere Annahmen und so ist die Übereinstimmung nur als grobe Orientierung zu verstehen. Klar ist, der Verbrennungsmotor-Fahrbetrieb hat insgesamt eine ziemlich schlechte energietechnische Bilanz/Effizienz. Dies liegt aber nicht nur an diesem Motortyp selbst, denn Beschleunigung, Geschwindigkeit, Roll- und Luftwiderstand, Verkehrsverhältnisse, Umweltbedingungen, Wartungszustand und nicht zuletzt die individuelle Fahrweise haben darauf einen merklichen Einfluss.

Wind und Sonne passen leider nicht in den Tank

Wird für den Elektroantrieb die Verbrennungstechnologie vom Fahrzeugmotor in das stromerzeugende Kraftwerk (Öl, Gas, Kohle) verlagert, erreicht man dort zwar höhere Wirkungsgrade und tiefere Emissionen, aber das ist sozusagen nur die „halbe Wahrheit“. Vergleichen müsste man genaugenommen „Äpfel mit Äpfeln“, also zum Beispiel Dieselmotorbetrieb versus Elektro-Antrieb versorgt durch ein Dieselkraftwerk bei sonst gleichen Leistungsdaten des Fahrzeugs. Natürlich unter Berücksichtigung der Stromübertragung vom Kraftwerk zum Fahrzeug-Akku.

Der mit ziemlich hohen Energieaufwand/Emissionen behaftete Verbrennungsmotor-Fahrbetrieb sollte eigentlich Herausforderung sein, alternative Antriebsarten zu entwickeln. Diese Möglichkeit bestand übrigens schon seit dem Beginn des Autoverkehrs Ende des 19. Jahrhunderts. Die Forderungen nach einem Verbot für Verbrennungsmotoren sind schlicht anmaßendes Getöse.

Es wäre im übrigen eine Schnapsidee, stark variierende Stromverbraucher mit Kernkraftwerken zu versorgen; eignen würden sich Kombi-Kraftwerke mit Gas- und Dampfturbinen. Es ist aber anschaulicher mit den Standarddaten heutiger Kernkraftwerke  zu rechnen. Eine Schnapsidee wäre es auch, mit dem Strom von Windturbinen oder der Solarvoltaik die Fahrzeug-Akkus aufzuladen. Bezogen auf die mögliche Stromnennleistung hat der gegenwärtig installierte Windturbinenbestand eine Jahresverfügbarkeit von knapp 20 Prozent mit einem grossen Nord-Süd-Gefälle zwischen Nordsee bei 40  Prozent und Bayern bei gut 10 Prozent.

Natürlich ist die Verfügbarkeit auch von den weiteren Details des Standorts (Berggipfel, Ebene) abhängig und schwankt zudem mit dem Wetter leicht über die Jahre. Die gegenwärtige Solarvoltaik hat eine Jahresverfügbarkeit von nur ca. 11 Prozent (!) bezogen auf die installierte Nennleistung. Auch sie schwankt etwas mit dem Wetter über die Jahre.

Gesellschaftlicher Konsens, dass nachts die Sonne nicht scheint

Sowohl der Strom von Windturbinen als auch derjenige der Solarvoltaik kann über mehrere aufeinander folgende Tage fast komplett ausfallen, was erstaunlich viele Leute verkennen. Immerhin herrscht gesellschaftlicher Konsens, dass nachts die Sonne nicht scheint. Und nebenbei bemerkt, eine Stromerzeugungs-Reserve (zur Akku-Aufladung) aus Fliesswasser-Kraftwerken wie in Norwegen steht in Deutschland naturgegeben nicht zur Verfügung.

Gibt es Reserven im schon bestehenden Kraftwerksbestand? Frei nach Radio Eriwan: „Im Prinzip ja“. Das Total der Jahresstromerzeugung über die vergangenen Jahre beträgt etwas mehr als 600 TWh. Die Tagesstromproduktion ist eine Wellenkurve mit aktuell Mittagshöchstwerten um  80/75 GW und Nachttiefstwerten um 60/50 GW, jeweils im Winter/Sommer (1 G = 1 Giga = 10E9). Mit der Abschaltung von bisher 8 Kernkraftwerken und der Neuinstallation von Windturbinen/Solarvoltaik wurden die planbaren Reserven und die Versorgungssicherheit der Stromproduktion reduziert.

Der Ausblick: Ähnlich wie die sogenannte „Energiewende“ ein Konstrukt fachfremder oder gar Lobby-Organisationen, politischer Parteien und Consultants ist, gibt es ähnliche Anzeichen für eine Politik der "Verkehrswende" – übrigens propagiert von denselben Leuten – bei der Antriebstechnik für die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Gemessen an den Ansprüchen (CO2–Reduktion, ökonomischer und sicherer Betrieb) ihrer Befürworter ist die „Energiewende“ gescheitert. Ein Ziel des Grossteils dieser Gruppierungen wurde allerdings erreicht, die Abschaltung der Kernkraftwerke. Die Elektromobilität hat zweifelsohne brauchbares Potential, aber gravierende Fehlentwicklungen sind in den Händen ideologiegetriebener Leute vorprogrammiert.

Dabei ist die Problemlösung doch schon lange bekannt: Förderung und Ausbau des öffentlichen Verkehrs. Nicht zuletzt in der Abstimmung mit Flächennutzungsplanern, sofern eine seriöse Planung auch erkennbarer Wille der Bundes- und der Landesregierungen wäre und zum Beispiel die nachgeordneten Behörden und Ministerien mit ausreichend Fachpersonal ausgestattet würden. Mehr öffentlicher Verkehr sollte den Strassenverkehr nicht abschaffen, aber deutlich reduzieren.

Dieser „Beipackzettel“ enthält keine neuen Erkenntnisse, beleuchtet dagegen die Zusammenhänge im System von Fahrzeug-Akku, Stromladenetz und Kraftwerk, die sonst wenig betrachtet werden.

Volker Voegele ist promovierter Physiker und lebt in der Schweiz. Er hat über 20 Jahre Berufserfahrung in der Leittechnik für Grosskraftwerke und ist seit vergangenem Jahr pensioniert.

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Michael Jansen / 28.08.2017

Ich finde E-Autos toll und ich weiß gar nicht wo das Problem sein soll, ich habe zu Hause eine Steckdose, da kommt der Strom raus. Der ist immer da und das ist eine total saubere Sache! Deshalb bin ich natürlich gegen Kohle- und Gaskraftwerke, gegen Kernkraft sowieso. Am nächsten Wochenende ist eine Demo gegen diese Riesenmasten für die Stromtrasse nach Süden. Da gehe ich natürlich auch hin, ich bin für die Erdkabel, die sieht man nicht. Mir hat ein zwar Nachbar gesagt, dass dafür der Boden zwanzig Meter breit und drei Meter tief aufgerissen wird, aber dann gehe ich halt wieder demonstrieren, wenn die Bagger kommen. Schließlich habe ich ja meine Steckdose!

Anders Dairie / 28.08.2017

Danke, Herr Volker Voegele für die zusammenhängende, auch für Nichtfachleute nachvollziehbare, Darlegung “des Zukunftsproblems”.  Schließlich leben wir durch die Logistik.  Die fängt bei den Spediteuren an und endet beim Wocheneinkauf.  Selbst wenn alles in den Großlagern vorhanden ist, es muss schließlich in geordneten Bahnen in unsere Bäuche.  Mir reicht es schon, wenn ein Kollege aus dem E-Fach darlegt,  dass aufgrund physikalisch-elektrochemischer Gesetze der Lithium-Akku—und damit das Sortiment des Tagtäglichen—zuende entwickelt ist.  Dass folglich keine weitere Speichermöglichkeit für E-Mobile nach-kommen kann.  Die Katastrofe beginnt wohl dann, wenn ein schwer haltbares politisches Versprechen im Kostenstrudel der Ökologie verschwindet, weil das Gegenteil in der Gesellschaft passiert.  Meineserachtens besteht die Zukunft in Spar-Motoren mit Stick-Oxid-Verringerung auf Dieselbasis oder einem noch höher energetischen, gereinigten Flüssigtreibstoff aus einer technisch verfeinerten Raffinerie.  Da viele Länder über eine riesen Carbon-Basis verfügen, die sie wegen uns nicht negieren würden, fehlt der Grünen-Merkel-Politik die internationale Unterstützung. Deutschland verfällt momentan einem Luxusproblem. Wie das beim Thorium-Reaktor nach Tschernobyl in 1986 war,  der keine kritische Masse—dadurch keine Kernschmelze mit Strahlentod—verursachen konnte.

Bernd Lauert / 28.08.2017

Hallo Herr Voegele, dass nachts die Sonne nicht scheint, scheint (haha) selbstverständlich. Dieser Tatsache nimmt sich eine Flüssigsalzreaktor-Kombination für Solarenergie an, die aktuell Energiespeicherung für bis zu 8 Stunden verspricht - könnte Abhilfe schaffen (wobei die winterliche Ausbeute wieder zur Disposition stünde). Wieso sich aber der Staat wieder nur in der Verbotsrolle sieht, wo gerade in Flächenländern ohne PKW kein angemessenes Leben möglich ist, statt sich den ÖPNV vorzunehmen, erschließt sich mir nicht. Ist wohl typisch linker Zeitgeist, zu plärren bis jemand anderes was ändert.

Robert Orosz / 28.08.2017

Als Ingenieur der Werkstofftechnik erlaube ich mir eine überschlägige Milchmädchenrechnung angesichts des staatlich verordneten Wahnsinns. 2016 haben deutsche Fahrzeuge 626 Mrd. PKW-Kilometer absolviert (Quelle KBA). Nehmen wir großzügig an, daß 99% davon mit Verbrennungsmotoren bzw. fossilbetriebene Energieträger (Erdgas) unterwegs sind, dann dürften sich die “Fossil”-km, welche nun durch “E”-Kilometer ersetzt werden sollen auf 620 Mrd. PKW-Kilometer belaufen. Ein Tesla wird lt. (wohlwolenden?) Werksangaben 0.25 kWh und KM verbrauchen. Zugegebener Maßen stellt ein Tesla die obere Leistungsskale innerhalb seines Segments dar, so daß wir mit fairen 0.2 kWh pro PKW und KM weiter rechen wollen. Wollten wir also unsere 620 Mrd. “fossil”-km durch “E”-Kilometer substituieren, so hätten wir für zusätzliche 124 Mrd. kWh Stromaufkommen zu sorgen. Nach den Angaben der AGEB e.V. sind in Deutschland 2016 648 Mrd. KWH Bruttostrom erzeugt worden. Die “Erneuerbaren aus Bimasse, Wasserkraft, Photovoltaik und Windkraft” hatten dabei einen Anteil von 29,5% bzw. 191 Mrd. kWH. Der, ich nenne es mal “stochastischer Stromanteil” aus Photovoltaik und Windkraft, stellte lediglich einen Anteil von 18,2% bzw. 118 Mr. KWH. D.h., die Stromerzeugung für die E-Mobilität (nur der PKW wohlgemerkt) müsste nochmals mindestens um das bestehende Volumen des “stochastischen Stromanteils” gesteigert werden. Regelungstechnisch heute schon kaum (Grundkenntnisse E-Technik vorhanden) bzw. durch irrsinnige Speichertechnologien (wahnwitzig überdimensionierte Speicherkraftwerke) realisierbar. EIne andere Primärenergieform existiert scheinbar in den grünen Köpfen ja leider nicht, welch den Atomausstieg besser gester als heute umgesetzt haben möchten und die angesichts der “anything but coal”-Strategie nur die “Erneuerbaren” umgesetzt sehen möchten. Aber vielleicht kann eine eigens hierfür eingesetzte Ethik kommision die Physik außer Kraft setzen. Oder, um es mit Mark Twain Aphorismus zu halten “Kaum verloren wir das Ziel aus den Augen, verdoppelten wir unsere Anstrengungen.”

Norbert Dorau / 28.08.2017

Problemlösung über den Ausbau des öffentlichen Nahverkehrs? Ha ha! Dann müssen Sie den Leuten aber auch offenbaren, daß die tägliche Fahrzeit vom Heim zur Arbeit dann doppelt und dreifach so lang sein wird! Nicht jeder wohnt und hat seine Arbeitsstätte direkt an einer Haltestelle. Umsteige- und Taktzeiten summieren sich dann ganz erheblich. Grüße

Bernd Ufen / 28.08.2017

Interessante Rechnung, auch wenn ich nicht alle Zahlen nachvollziehen kann. Insbesondere muß ich ein Augenmerk auf die erforderliche Leistung für die Akkuladung halten.  Wer soll da etwas koordinieren? Entweder ich bekomme Leistung und damit Energie oder nicht, eine Wahl habe ich nicht, wenn ich fahren muß. Wenn ich mal das Beispiel mit den 21 Millionen Akkus und den 60 KWh Energieinhalt übernehme (sparsam gerechnet) und davon ausgehe, dass überwiegend in der Nacht über einen Zeitraum von ca. 8 Std. geladen wird, benötige ich eine Leistung von 7,5 KW. Bei 21 Millionen Akkus also zarte 157.500 MW nur für die Ladung von Fahrzeugen plus der 60.000 MW übrige erforderliche Leistung. Tatsächlich haben wir gerade im Winter nur ca. 90.000 MW gesicherte Leistung zur Verfügung, der 24. Januar 2017 läßt grüßen! So gesehen und gerechnet läßt einen der Beipackzettel ganz tief schlucken und mit einem trockenen Gefühl im Hals zurück.

Matthias Bues / 28.08.2017

Lieber Herr Vögele, danke für diese kompakte Darstellung der nüchternen Zahlen zu diesem Thema, die in D leider ebenso schwierig ins öffentliche Bewußtsein zu bringen sind wie diejenigen zur “Energiewende”. Ich sehe ebenfalls das Potential der E-Mobilität, die hierzulande leider schon wieder von grünen Ideologen gekapert wurde. Ich zweifle allerdings daran, daß der öffentliche Verkehr die Lösung darstellt. Ich fände einen Folgebeitrag mit Zahlen dazu sehr gut.

S.Schleitzer / 28.08.2017

Wer braucht schon so viele Zahlen, wenn er doch eh das Richtige tut. Menschen, die im Supermarkt eine halbe Stunde vor dem Kühlregal stehen, um auch ja die umweltfreundlichste und ökologischste Milch aus dem Angebot herauszusuchen, haben schließlich auch nur einen 24-Stunden-Tag.

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