Elektroantriebe

Elektrofahrzeuge sind Fahrzeuge, die vollständig oder zum Teil mit einem Elektromotor betrieben und extern aufgeladen werden müssen. Bei Fahrzeugen mit Elektroantrieben werden zwischen Pkw mit batterieelektrischem Antrieb (battery electric vehicle – BEV), Plug-In-Hybriden (PHEV) und Pkw mit brennstoffzellenbasiertem Antrieb (fuel cell electric vehicle – FCEV) unterschieden.

Ein batterieelektrischer Pkw wird von einem Elektromotor angetrieben. Die Energieversorgung erfolgt meist durch eine Lithium-Ionen (Li-ion) oder Lithium-Eisenphosphat-Batterie (Li-FO). Wenn diese durch erneuerbare Energien wie Windkraft- oder Solaranlagen beladen werden, lassen sich Fahrzeuge nahezu klimaneutral betreiben.  

Die Größe der Batterie beeinflusst die Reichweite eines BEVs erheblich. In den vergangenen Jahren hat die Batterietechnologie große Entwicklungssprünge gemacht, so dass sich auch die Reichweite der Elektrofahrzeuge deutlich gesteigert hat. Dabei hat sich vor allem die Energiedichte erhöht. BEV haben im Pkw-Bereich heute Batteriekapazitäten bis zu 100 kWh. Der VW ID.3 kommt 2024 mit einer 82 kWh Batterie ausgestattet werden, im Vergleich dazu hatte VW e-Golf 2014 eine Kapazität von 20 kWh. Das entspricht einer Vervierfachung innerhalb von 10 Jahren.   

Dies ermöglicht Reichweiten beim Fahren zwischen 145 und 650 km mit einer Ladung. Neben der Batteriegröße ist die Reichweite eines Elektrofahrzeugs auch vom Energieverbrauch, dem Fahrprofil und den Umgebungstemperaturen sowie den Witterungsbedingungen abhängig. Während die optimale Außentemperatur bei 20-25°C liegt, nimmt die Reichweite der Fahrzeuge bei besonders hohen oder niedrigen Temperaturen ab. Zudem können interne Verbraucher wie eine Klimaanlage, Heizung oder Radio weitere Einflussfaktoren sein.  

Darüber hinaus haben auch die Topographie (Beschreibung der örtlichen Gegebenheiten, z.B. Hügel oder Schluchten) und Routenprofile (z.B. Innerstadt- oder Überlandbetrieb) und die Höhe der Geschwindigkeit einen Einfluss auf den Verbrauch.  

Neben einer ausreichend hohen Kapazität sind auch das Gewicht und die Lebensdauer der Batterie entscheidend. Diverse Hersteller garantieren im Pkw-Bereich bis zu 8 Jahre Nutzungsdauer bzw. 160.000 km Laufleistung der Batterie. Das bedeutet, dass die Kapazität der Batterie innerhalb dieses Zeitraumes nicht unterhalb von 70 % der Ausgangskapazität fallen darf. Im April 2024 stimmte der Europäische Rat zudem dem Vorschlag der Kommission zur Abgasnorm „Euro-7“ zu. Diese soll ab 2026 gelten. Die Euro-7-Norm sieht auch Vorgaben zur Haltbarkeit von E-Auto-Batterien vor: Nach fünf Jahren oder 100.000 Fahrkilometern darf die Speicherkapazität der Batterie nicht unter 80 % des ursprünglichen Werts fallen. 

Die Kosten für die Haltung und Nutzung von Fahrzeugen mit batterieelektrischen Antrieben setzen sich vorrangig aus den Anschaffungskosten für das Fahrzeug sowie den Betriebskosten zusammen. Zu letzteren gehören die Energiekosten („Ladekosten“), Wartungs- und Reparaturkosten sowie die Versicherung und Kfz-Steuer. 

Anschaffungskosten

Die Anschaffungspreise von batterieelektrischen Fahrzeugen liegen über denen von vergleichbaren Modellen mit konventionellen Verbrenner-Antrieben. Ein wesentlicher Anteil der Kosten ist derzeit auf die Batterie zurückzuführen. Obwohl der Preis von Fahrzeugbatterien im Laufe des letzten Jahrzehnts rapide gesunken ist, bleibt die Batterie das kostspieligste Bauteil eines E-Autos. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Fahrzeugpreise in den nächsten Jahren aufgrund fortschreitender Batterietechnologieentwicklung und verbesserter Prozesse in der Produktion weiter sinken und Parität mit Verbrennern erreichen werden. So ist die Kilowattstunde von 2013 732 US-Dollar auf 152 US-Dollar im Jahr 2023 gesunken. Das entspricht einem Fünftel des Preises von 2013. 

Die Anschaffungspreise von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen liegen durchschnittlich 30 % über denen von vergleichbaren Benzin-, und Dieselfahrzeugen. Im Kleinwagensegment sind Fahrzeuge ab 23.000 € erhältlich. 

Betriebskosten  

BEVs, die bis zum 31.12.2025 neu zugelassen werden, müssen bis zum 31. Dezember 2030 keine Steuern zahlen. Die Höhe der zu zahlenden Kfz-Steuer ist entsprechend des Gewichts des Autos gestaffelt. Leichte und daher tendenziell kleine Autos, werden weniger stark besteuert als schwere, große Fahrzeuge. Die Wartungskosten bei batterieelektrischen Fahrzeugen sind niedriger als bei vergleichbaren Verbrennungsmotoren u.a. aufgrund der geringeren Anzahl an Verschleißteilen im Antriebsstrang, dem Wegfall von Flüssigkeiten (bspw. Getriebe- oder Motoröl) sowie dem geringeren Bremsenverschleiß durch die Rekuperation. Dabei wird der Elektromotor als Generator benutzt und die Bewegungsenergie des Fahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt. 

Energiekosten und Energieverbrauch  

Der größte Anteil der Betriebskosten für BEVs wird durch die Energie- bzw. Ladekosten verursacht. Die Energiekosten sind allgemein abhängig von den Energieträgerpreisen, der spezifischen Fahrleistung bzw. der Betriebsdauer und dem Stromverbrauch. Bei einem durchschnittlichen Verbrauch von 19,5 kWh/100km in der Kompaktklasse und einem Haushaltsstrompreis von 0,42 €/kWh ergeben sich Kosten von rund 8,2 € pro 100 Kilometer. Vergleicht man dieses Beispiel mit einem Benziner, der einen durchschnittlichen Verbrauch von 7,4 l pro 100 km aufweist, so ergeben sich bei einem Benzinpreis von 1,92 €/l dagegen rund 14 €. Damit wäre eine Fahrt mit einem Benziner 70 % teurer als mit einem batterieelektrischen Fahrzeug (Rechenbeispiel). 

Damit fallen die Energiekosten im Vergleich zu Fahrzeugen mit konventionellen Antrieben meist niedriger aus. Zu berücksichtigen ist, dass die Preise für den Strom abweichen können, je nachdem, wo geladen wird. Das Laden an öffentlichen Ladestationen ist i.d.R. teurer als an einer privaten oder betrieblichen Ladestation. 

Fahrzeuge, die rein batterieelektrisch angetrieben werden, stoßen beim Fahren selbst weder CO2 noch andere Schadstoffe aus und sind bei niedrigeren Geschwindigkeiten (<25 km/h) geräuschärmer als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Es werden lediglich, wie bei jedem anderen Fahrzeug, Feinstaubemissionen durch Reifen- und Bremsabrieb verursacht. Da lediglich die Emissionen im Fahrbetrieb für die Zuordnung der CO2-Klassen berücksichtigt werden, werden rein batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge immer zu der besten CO2-Klasse A zugeordnet und mit 0 g CO2/km ausgewiesen.  

Hier Verlinkung/Verweis auf der Tabelle unter Pkw Label > Pkw-Label im Detail > Zuordnung des Neufahrzeugs zur CO₂-Klasse einfügen  

Treibhausgasemissionen von BEVs entstehen hingegen lediglich bei der Herstellung des Stroms sowie bei der Fahrzeug- und Batterieproduktion. Wird der gesamte Lebenszyklus eines batterieelektrischen Pkw betrachtet, so fahren diese unter Berücksichtigung des deutschen Strommix im Schnitt nach 60.000 Kilometern klimaschonender als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von 20.000 km im Jahr fährt ein Elektroauto somit schon nach 3 Jahren CO2-ärmer als ein Verbrenner. Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien und der damit voranschreitenden Dekarbonisierung des Stromsektors wird sich der Klimavorteil zukünftig noch früher manifestieren.  

Weitere Umweltbelastungen der Batterieproduktion entstehen durch dessen intensiven Ressourcenverbrauch (Mineralien und Metalle) und toxische Auswirkungen auf Böden in den Abbauregionen. Allerdings ist zukünftig zu erwarten, dass diese dank effizienterer Herstellungsverfahren und Batterien, neuen Batterietypen mit geringerem Bedarf an umweltintensiven Rohstoffen sowie Verbesserungen beim Recycling der Batteriekomponenten, geringer werden.  

Zu den Elektroautos gehören auch die Plug-In-Hybride (PHEV). Sie werden, wie der Name schon sagt, hybrid angetrieben. Für den Antrieb des PHEV sorgt hauptsächlich ein konventioneller Verbrennungsmotor, der von einem Elektromotor unterstützt wird. Der maßgebliche Unterschied zwischen einem Plug-in-Hybrid und einem normalen Hybrid, ist, dass der Plug-in-Hybrid über einen Stecker extern geladen werden kann. Dadurch verringert sich der Kraftstoffverbrauch - Benzin oder Diesel - je Kilometer und macht PHEV zu einer spritsparenden Alternative zum konventionellen Verbrenner. Jedoch kann ein solches Fahrzeug auch ohne Aufladung auskommen und stattdessen ausschließlich als Verbrenner genutzt werden. In diesem Fall, oder auch bei hohen Geschwindigkeiten, spart der PHEV natürlich kein CO2 ein. Daher hängt der Einsparungseffekt der Emissionen maßgeblich vom Nutzungsverhalten der Fahrenden ab.  

Technische Aspekte  

Plug-In-Hybride besitzen sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor, welche das Fahrzeug einzeln oder auch kombiniert, antreiben können. Die Batterie kann an einer externen Ladesäule mit Strom geladen werden, ist jedoch deutlich kleiner als bei BEVs, wodurch die elektrische Reichweite entsprechend geringer ausfällt. Neben der externen Stromquelle gewinnen PHEVs auch aus Bremsenergie (Rekuperation) Energie zurück, indem beim Bremsen oder Bergabfahren der Elektromotor als Stromgenerator dient und die Batterie auflädt. 

Antrieb, Reichweite und Energiebedarf 

Der Elektromotor eines PHEV erbringt eine so hohe Leistung, dass auch längere Strecken vollelektrisch zurückgelegt werden können. Bei der Auswertung realer Fahrdaten im Jahr 2022 wurde allerdings ersichtlich, dass der elektrische Fahranteil in der Praxis lediglich zwischen 13 % (Dienstwagen) und 47 % (Privat) liegt. Im Normzyklus des WLTP wird dagegen ein Anteil von 70 bis 85 % angenommen. Wenn der Betrieb eines Plug-Ins so verläuft, dass der elektrische Fahranteil gering ausfällt, verringert sich dementsprechend auch der Klimavorteil gegenüber Verbrennern. Das hat zur Folge, dass der eigentliche Zweck dieses Antriebs, und zwar die Einsparung von CO2 nicht erfüllt wird. Den jüngsten Erkenntnissen zufolge ist der Realverbrauch eines PHEVs drei- bis fünfmal höher als in der Herstellerangabe ausgewiesen. 

Die Kosten für Plug-In-Fahrzeuge setzen sich vorrangig aus den Anschaffungskosten für das Fahrzeug sowie den Betriebskosten zusammen. Zu letzterem gehören die Energiekosten, Wartungs- und Reparaturkosten sowie die Versicherung und Kfz-Steuer. 

Anschaffungskosten  

Die Anschaffungskosten für einen PHEV sind, ähnlich wie beim BEV, höher als bei konventionellen Verbrennern. Die Förderung für den Erwerb von PHEV ist zum Ende 2022 ausgelaufen. Seit dem 01.01.2023 können keine Förderanträge für Plug-In-Hybride mehr gestellt werden.  

Fahrzeuge mit einem Plug-in-Hybridantrieb werden ab ca. 33.000 € angeboten und Modelle gibt es ab der Kompaktklasse. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Fahrzeugpreise in den nächsten Jahren weiter sinken werden. So ist die Kilowattstunde von 2013 732 US-Dollar auf 152 US-Dollar im Jahr 2023 gesunken. Das entspricht einem Fünftel des Preises von 2013.  

Betriebskosten  

Die Betriebskosten bei einem PHEV sind minimal niedriger als bei einem konventionellen Verbrenner. Je nach Fahrzeugsegment und Größe variieren die Kosten monatlich zwischen 200 und 400 Euro.  

Energiekosten und Energieverbrauch 

Den größten Anteil an den Betriebskosten haben die Energiekosten. Die Energiekosten sind abhängig von den Energiepreisen, der spezifischen Fahrleistung bzw. der Betriebsdauer und dem Strom- und Kraftstoffverbrauch. Ein PHEV verbraucht durch den kombinierten Betrieb von Elektro- und Verbrennungsmotor rund 4 Liter bzw. 8 bis 10 kWh auf 100 Kilometern. Allgemein gilt, je höher der elektrisch gefahrene Anteil, desto geringer die Energiekosten.  Da die Energiepreise insbesondere von den Kraftstoffanbietern festgelegt werden, unterliegen diese stärker den marktwirtschaftlichen Schwankungen als die Strompreise. 

Für die Umweltauswirkungen und insbesondere die Treibhausgasemissionen ist bei Plug-In-Hybriden der reale elektrische Fahranteil entscheidend. Insbesondere neue PHEV mit höheren elektrischen Reichweiten und einer verbesserten Ladeleistung bieten die Chance, den elektrischen Fahranteil wesentlich zu steigern und damit einen positiven Beitrag zur Emissionseinsparung zu leisten. Trotzdem liegt der reale elektrische Anteil bei privat genutzten PHEV bei gerade einmal bei 45 bis 49 % und bei Dienstwagen nur bei 11 bis 15 %. Das entspricht somit nicht den angenommenen Werten von 60 bis 80 % elektrischer Fahrleistung. Dies führt dazu, dass der auf dem Pkw-Label angegebene, kombinierte CO2-Ausstoß beim Autoverkauf meist bei rund 30 g CO2/km liegt und PHEVs folglich unter die zweitbeste CO2-Klasse B fallen.  

Hier Verlinkung/Verweis auf der Tabelle unter Pkw Label > Pkw-Label im Detail > Zuordnung des Neufahrzeugs zur CO₂-Klasse einfügen? 

Die Umweltauswirkungen lassen sich mit denen von konventionellen Verbrennern vergleichen, sobald ein PHEV nicht mehr elektrisch, sondern mit Sprit betrieben wird. Durch die schwere Batterie kommt es zudem zu vermehrtem Reifenabrieb und Feinstaubbelastungen. Wird ein PHEV ausschließlich elektrisch betrieben, verursacht das Fahrzeug weniger Lärm und rekuperiert, anstatt die Bremsen zu benutzen. Beim Wechsel hin zum Verbrennerbetrieb stellt sich wieder eine ähnliche Belastung wie bei Benzinern und Dieselfahrzeugen ein. So tritt der Vorteil einer geringeren Lärmemission nur beim elektrischen Betrieb ein. 

Brennstoffzellenfahrzeuge (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) werden über einen Elektromotor angetrieben und zählen damit ebenfalls zu den Elektrofahrzeugen. Die verwendete Technik und der Aufbau der Fahrzeuge sind prinzipiell ähnlich zu den batterieelektrischen Fahrzeugen. Der entscheidende Unterschied ist, dass Brennstoffzellenfahrzeuge ihre elektrische Energie durch eine chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in einer Brennstoffzelle beziehen und mit Wasserstoff betankt werden. 

Die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen liegt unterhalb dessen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Allerdings – und im Gegensatz zu batterieelektrischen Fahrzeugen – können sie mit einer vergleichbaren Geschwindigkeit zu Benzinern oder Dieselautos betankt werden. Grundsätzlich ist die Reichweite der Brennstoffzellenfahrzeuge abhängig von der Größe des Energiespeichers (Wasserstofftank) und den Einsatzbedingungen. Im Gegensatz zu BEVs ist die Reichweite von Brennstoffzellenfahrzeugen unabhängig von der Umgebungstemperatur. Die Reichweite unterscheidet sich ebenfalls in Abhängigkeit des verwendeten Tankdrucks: 350 bar oder 700 bar. Tanks mit 700 bar verfügen über eine etwa 30 % höhere Energiedichte. Eine Tankfüllung unter Verwendung von 700 bar reicht bei einem Pkw mit einem Tankinhalt von 5 - 6 Kilogramm für ca. 650 km. 

Die Kosten für Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellenantrieb setzen sich vorrangig aus den Anschaffungskosten für das Fahrzeug, sowie den Betriebskosten zusammen. Zu Letzterem gehören die Betankungskosten, Wartungs- und Reparaturkosten sowie die Versicherung und Kfz-Steuer. 

Anschaffungskosten  

Die Anschaffungskosten für einen FCEV liegen momentan deutlich über dem Niveau vergleichbarer Fahrzeuge aller anderen Antriebsarten und stellen somit die kostenintensivste alternative Antriebsart dar. Dies liegt auch an den geringen Stückzahlen in den verfügbaren Fahrzeugsegmenten. Aufgrund der geringen Marktverfügbarkeit von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb sind kaum Vergleichswerte vorhanden.  

Betriebskosten  

Im Bereich der Pkw sind FCEV in der Wartung kostengünstiger als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren. Im Vergleich zu rein batterieelektrischen Antrieben müssen allerdings zusätzlich die Wartung des Brennstoffzellensystems, Reinigungsarbeiten im Luftsystem des Wasserstofftanks sowie insgesamt eine höhere Systemkomplexität berücksichtigt werden, wodurch die Kosten höher liegen

Energiekosten und Energieverbrauch

Aktuell gibt es nur einen Betreiber von Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland. Der Preis pro kg konventionellem Wasserstoff lag im November 2023 im Durschnitt bei 14,55 € bei 700 bar und 13,30 € bei 350 bar. Der Preis für grünen Wasserstoff soll in Zukunft zwar niedriger ausfallen, jedoch ist dieser aktuell noch sehr selten an deutschen Wasserstoff-Tankstellen erhältlich. Bei einem Referenzverbrauch von ca. 1 kg Wasserstoff pro 100 km sind Brennstoffzellenfahrzeuge im Pkw-Bereich derzeit teurer als BEV oder Gasfahrzeuge. 

Die Zusammensetzung für den Wasserstoffpreis ist maßgeblich von der Entwicklung des Strompreises abhängig. Wasserstoff kann dabei auf unterschiedliche Arten gewonnen werden. Die umweltfreundlichste Methode sieht vor, Wasser mit Hilfe von erneuerbarem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen (grüner Wasserstoff). Dieser Prozess findet in einem Elektrolyseur statt. Die unterschiedlichen Arten von Wasserstoff spiegeln die verwendete Methode wider: rot (Atomenergie), grün (erneuerbare Energien), türkis (Methan), grau (Kohle, Erdgas, Öl) und blau (CO2-neutrale Produktion, durch Kompensation). Demnach sind die Energiekosten von der Art der Produktion des Wasserstoffs abhängig. 

Brennstoffzellenfahrzeuge besitzen im Hinblick auf CO2-Emissionen und Schadstoffe im Fahrbetrieb dieselben Eigenschaften wie batterieelektrische Fahrzeuge und sind bei niedrigeren Geschwindigkeiten (<25km/h) geräuschärmer als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Auf dem Pkw-Label werden sie folglich ebenso der höchsten CO2-Klasse „A“ zugeordnet. Im Fahrbetrieb werden lediglich Feinstaubemissionen durch Reifen- und Bremsabrieb verursacht, wobei der Bremsabrieb durch die Rekuperation niedriger ausfällt als bei Verbrennern.  

Zu berücksichtigen sind jedoch entstehende THG-Emissionen bei der Bereitstellung des Energieträgers Wasserstoff sowie bei der Fahrzeugproduktion. Eine wesentliche THG-Minderung kann unter Nutzung von grünem Wasserstoff erreicht werden. Bei Verwendung von grünem Wasserstoff im Pkw-Bereich liegen die Emissionen rund 76 % unter denen von Benzinern. Bei Verwendung von grauem Wasserstoff (Produktion durch Dampfreformierung) sind lediglich geringe Einsparungen gegenüber Fahrzeugen mit Benzin- und Dieselmotoren festzustellen. Um eine Reduktion von Treibhausgasen durch Brennstoffzellenfahrzeuge zu erreichen, ist demzufolge die Art der Wasserstoff-Erzeugung entscheidend.