Elektromobilität

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Elektromobilität beschreibt die Beförderung von Personen und Gütern durch ein Elektrofahrzeug, also mithilfe elektrischer Antriebe. Die zum Antrieb benötigte elektrischer Energie wird von außen zugeführt (z. B. per Stromschiene) oder in einer Antriebsbatterie im Fahrzeug mitgeführt. Die Stromversorgung über Kabel, insbesondere über Oberleitungen bei Zügen, ist seit ca. 100 Jahren etabliert. Fahrzeuge, die das „Kraftwerk“ an Bord haben, wie dieselelektrische Lokomotiven oder Hybridelektrokraftfahrzeuge, werden aufgrund der lokalen Emissionen nicht als vollwertig elektromobil betrachtet. Als möglichst lautlose und abgasfreie Energiespeicher wurden Bleibatterien auf Bleibasis, Druckluftspeicher, Schwungradspeicher u. ä. ausprobiert, aber erst der Lithium-Ionen-Akkumulator konnte zunächst Unterhaltungselektronik (1990er Jahre) und dann auch PKW kommerziell erfolgreich rein elektrisch antreiben.

Die Elektromobilität gilt als zentraler Baustein eines nachhaltigen und klimaschonenden Verkehrssystems auf Basis erneuerbarer Energien,Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin / Heidelberg 2014, S. 151. wie es mit der Verkehrswende angestrebt wird. Gemäß Weltklimarat IPCC besitzen Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb, die mit Strom aus emissionsarmen Quellen angetrieben werden, über ihren gesamten Lebenszyklus das größte Klimaschutzpotential aller landgebundenen Transporttechnologien.Jim Skea et al.: (PDF; 5,1 MB) Sechster Sachstandsbericht des IPCC, 2022; abgerufen am 21. April 2022.

Der Elektromotor war nach der Dampfmaschine die zweite maschinelle Antriebsart für Fahrzeuge. Erst später kam als dritte Antriebsart noch der Verbrennungsmotor hinzu. In den 1830er Jahren soll Robert Anderson bereits einen „Elektrokarren“ gebaut haben. Erste Elektrofahrzeuge für den Schienenverkehr wurden 1842 von Robert Davidson (1804–1894) auf der Strecke Edinburgh–Glasgow, 1851 von Charles Grafton Page (1812–1868) bei Washington, D.C. und 1879 von Werner Siemens in Berlin erprobt bzw. betrieben.

Das erste dreirädrige Elektrofahrzeug für die Straße, das Trouvé Tricycle, wurde von Gustave Trouvé in Paris im Jahr 1881 gebaut. Es wird oft mit dem wenig später gebauten Ayrton & Perry Electric Tricycle verwechselt.2007–2011 Achmed A. W. Khammas In: Buch der Synergie. Während das Trouvé Tricycle noch den Pedalantrieb besaß (und somit im engen Sinn ein Moped darstellt), konnte das Ayrton & Perry Electric Tricycle nur rein elektrisch betrieben werden.

Als erstes vierrädriges Elektrofahrzeug gilt der Flocken Elektrowagen, der 1888 von dem Coburger Fabrikanten Andreas Flocken entwickelt wurde. Dieses erste „echte“ Elektroauto entstand durch Integration eines Elektroantriebs in einen Kutschwagen. Die Kutschenräder wurden rund ein Jahrzehnt später durch Räder mit Gummibereifung ersetzt, was bis heute bei Elektroautos die übliche Bereifung geblieben ist.

Unterscheidung nach Energiequelle

Elektrischer Energie von außen zugeführt Stromschiene und Oberleitung

Elektrische Schienenfahrzeuge und Oberleitungsbusse werden während der Fahrt über eine Infrastruktur von Stromschienen bzw. Oberleitungen mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz versorgt. Zudem wurden von 2019 bis 2024 Oberleitungen über einem Abschnitt der A 5 für Oberleitungslastkraftwagen erprobthttps://www.autobahn.de/planen-bauen/projekt/e-highway. Der Vorteil dieser Energieversorgung ist, dass keine bzw. nur eine geringe Menge Energie im Fahrzeug gespeichert werden muss.

Batterieelektrisches Fahrzeug

Batterieelektrische Fahrzeuge (, kurz BEV) nutzen als alleinige Energiequelle eine Antriebsbatterie, die per Stecker oder Stromabnehmer mit elektrischer Energie aus dem Stromnetz aufgeladen wird. Dazu gehören u. a. Elektroautos, Elektrolastkraftwagen, Batteriebusse, Elektrische Baumaschinen, Elektrotraktoren und Akkumulatortriebwagen.

In jüngster Zeit wurden große Fortschritte in der Akkumulatorentechnik erzielt, insbesondere bei den Kosten der Akkus. Mit einer Verdopplung der Produktion sinken die Akkupreise um ca. 6–9 %. Lagen die Kosten 2007 noch bei mehr als 1000 $/kWh, konnten große Elektroautohersteller im Jahr 2014 ihre Akkus bereits zu Kosten von ca. 300 $/kWh kaufen. Es wird davon ausgegangen, dass Elektroautos ab Akkukosten von ca. 150 $/kWh wirtschaftlich mit herkömmlichen Autos mit Verbrennungsmotor konkurrieren können. Im Juli 2024 lag der Preis für Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren in China bei 53 USD pro kWh. Dadurch sind zu diesem Zeitpunkt 2/3 der Elektroautos in China, dem weltweit größten Automarkt, günstiger als vergleichbare Autos mit Verbrennungsmotor. Ebenso haben Zyklenfestigkeit und Lebensdauer so zugenommen, dass die Akkus heute für ein Autoleben ausreichen. Aufgrund des vorrangig mit der Elektromobilität in Verbindung stehenden Anstiegs der Nachfrage nach Lithium stehen Fortschritten in der Akkumulatorentechnik jedoch zunehmend Preisanstiege bei den Rohstoffen entgegen, so hat sich der Lithium-Preis innerhalb eines Jahres (Stand September 2017) verdoppelt. Gleichzeitig ist die erhebliche Steigerung des Lithiumabbaus im Zuge des erhöhten Bedarfs an Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit negativen Auswirkungen auf die Umwelt in den Ländern der Rohstoffgewinnung verbunden.Lithiumabbau in Chile: Fluch und Segen des "weißen Goldes" Bericht auf der Internetseite des Nachrichtenfernsehsenders n-tv vom 10. November 2018, abgerufen am 8. Dezember 2018 Als Energiespeicher haben sich bis 2024 vor allem Lithium-Ionen-Akkumulatoren der Typen Nickel-Mangan-Cobalt (NMC) und Lithium-Eisenphosphat (LFP) durchgesetzt. Als preisgünstige und umweltfreundliche Alternative werden immer häufiger Natrium-Ionen-Akkumulatoren genutzt.

Elektrischer Generator an Bord

Brennstoffzellenfahrzeug

Brennstoffzellenfahrzeuge (, kurz FCEV) beziehen ihre Energie aus einer mitgeführten Brennstoffzelle, die Wasserstoff in elektrische Energie umwandelt. Durch die mehrfache Energieumwandlung entsteht ein deutlich schlechterer Wirkungsgrad als bei Akkumulatoren, jedoch kann der Wasserstoff in wenigen Minuten nachgetankt werden. Auch Brennstoffzellenfahrzeuge sind wie batterieelektrische Fahrzeuge lokal emissionsfrei.

Toyota hat mit dem Mirai bereits seit 2014 einen Brennstoffzellen-Pkw auf dem Markt. Aktuell hat kein deutscher Hersteller (Stand 2024) ein Brennstoffzellenauto im Angebot.

Dieselelektrischer Antrieb

Beim dieselelektrischen Antrieb wird über elektrische Energie mit Hilfe eines Dieselmotors und eines Generators erzeugt und für den Antrieb durch einen Elektromotor genutzt. Diese Form der Energieübertragung wird z. B. bei Lokomotiven, Schiffen, U-Booten und großen Lastkraftwagen eingesetzt, wo das Getriebe durch einen starken Verbrennungsmotor überlastet wäre.

Hybridelektrokraftfahrzeug

Hybridelektrokraftfahrzeuge (, HEV) nutzen eine Antriebsbatterie zusätzlich zu einer herkömmlichen Energieversorgung per Kraftstoff, Stromschiene oder Oberleitung. Beim seriellen Hybridantrieb wird der Kraftstoff mit Hilfe eines Verbrennungsmotors und eines Generators oder mit Hilfe einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt. Die elektrische Energie wird direkt für den Antrieb oder zum Aufladen der Batterie benutzt. Die Antriebsbatterien von Hybridfahrzeugen haben meist einen relativ geringen Energieinhalt im Vergleich zu batterieelektrischen Fahrzeugen und sind somit günstiger in der Herstellung.

Eine besondere Art von Hybridfahrzeugen sind Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge (, kurz PHEV), die per Stecker aufgeladen werden können. Dadurch ist es möglich, wie bei batterieelektrischen Fahrzeugen die Energie aus dem Stromnetz zu beziehen und zumindest kurze Strecken lokal emissionsfrei zu fahren.

Fahrzeugarten

Elektrische Schienenfahrzeuge

Bei den spurgeführten Verkehrssystemen konnten sich schon seit Ende des 19. Jahrhunderts zahlreiche elektrische Systeme etablieren, die in den meisten Fällen über eine Infrastruktur von Stromschienen oder Oberleitungen mit elektrischer Energie versorgt werden. Zahlreiche Baureihen von Elektrolokomotiven und elektrischen Triebwagen führten zu einer heute weit fortgeschrittenen Technologie der elektrischen Traktion. Auch unabhängig vom Elektronetz kann mit dieselelektrischen Lokomotiven oder Akkumulatortriebwagen schon vielfach die Effizienz der Hybrid-Technologie genutzt werden. Elektrische Schienenfahrzeuge gibt es z. B. als S-Bahn, U-Bahn, Straßenbahn und Magnetschwebebahn.

Züge mit Brennstoffzellenantrieb werden in Deutschland seit 2018 eingesetzt.

Elektroauto

Elektroautos sind hauptsächlich mit Hybridantrieb (PHEV) oder batterieelektrischem Antrieb (BEV) verbreitet. Weltweit wurden von 2013 bis Ende 2022 über 19 Mio. Elektroautos (BEV) verkauft (71 % von 26,8 Mio. PHEV u. BEV). Bezogen auf den Weltgesamtfahrzeugbestand 2022 von über 1,5 Milliarden Fahrzeugen entspricht das einem Anteil von ungefähr 1,3 Prozent. Brennstoffzellenautos werden in homöopathischen Stückzahlen produziert (z. B. Toyota Mirai).

Elektrolastkraftwagen

Elektrolastwagen gibt es in verschiedenen Gewichtskategorien und mit verschiedenen Arten der Energieversorgung. Die verbreitetste Art ist der batterieelektrische Antrieb, der in Europa zunehmend Verbreitung findet. Oberleitungslastkraftwagen wurden auf Teststrecken erprobt aber haben bisher kaum Verbreitung gefunden.

Elektrobusse

Oberleitungsbusse werden im öffentlichen Personennahverkehr eingesetzt. Die ersten Anlagen wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts eröffnet, weltweit existierten Ende des Jahres 2021 insgesamt 272 Oberleitungsbus-Betriebe in 47 Staaten.Jürgen Lehmann: Knapp 5000 Trolleybusse fahren in der EU in 89 Betrieben auf trolleymotion.eu, Artikel vom 31. Dezember 2021, abgerufen am 18. Februar 2022

Batteriebusse sind mittlerweile in großer Zahl im Einsatz und ersetzen zunehmend Busse mit Dieselmotor insbesondere in Ballungszentren. Auch Reisebusse gibt es rein elektrisch wie beispielsweise den BYD C9 oder vom Hersteller Yutong.

Leichtelektromobil

Elektrische Leichtkraftfahrzeuge sind z. B. der CityEL, Sam sowie das Twike (max. 85 km/h) und der Renault Twizy.

E-Tretroller

Seit den 2010er Jahren haben sich die Elektro-Tretroller, auch E-Scooter genannt, etabliert. Diese haben sich im 21. Jahrhundert fast explosionsartig in vielen Ländern verbreitet. Sie gelten als Bindeglied zwischen Fahrzeugen mit längeren Reichweiten und den Hilfen für die letzte Meile.

E-Bike

E-Bikes (auch Elektrofahrrad oder teilweise Pedelec genannt) sind einspurige Fahrzeuge mit Elektromotor. Sie haben seit Beginn der 2010er Jahre hohe Zuwachsraten.

Elektromotorroller und Elektromotorräder

Auch verschiedene elektrisch angetriebene Kleinkrafträder wie Elektromotorroller oder Elektromotorräder sind erhältlich.

Elektrische Luftfahrzeuge

Mit dem Ultraleichtflugzeug Pipistrel Velis Electro hat 2020 weltweit das erste vollelektrische Flugzeug eine Typzulassung erhalten.

Durch Elektromotoren und moderne Akkus wurden Multicopter (siehe eVTOL) mehr verbreitet. Diese sind beispielsweise als autonome Flugtaxis in der Erprobung oder als Drohnen im Einsatz. Beispiele dafür sind Volocopter, Lilium Jet, EHang, CityAirbus, Boeing Passenger Air Vehicle.

Elektrische Wasserfahrzeuge

Elektromobilität

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