Elektrisierende Zukunft

E-Autos sind klimafreundlich, leise und alltagstauglich. Erste Praxistests zeigen, dass die Herausforderungen der Ladevorgänge für Stromnetze zu bewältigen sind. Durch ihre Batterien haben E-Autos vielleicht sogar das Potenzial, das Stromnetz zu stabilisieren und teuren Netzausbau zu minimieren. Allein der Austausch von Diesel und Benziner durch E-Autos wird Städte aber nicht lebenswerter werden lassen. Dazu braucht es begleitende Verkehrskonzepte. 

Geheimagent 007 wird bei der Verbrecherjagd fortan auf Strom setzen. Im nächsten James-Bond-Film, so meldet es das Magazin „Auto, Motor &Sport“, wird „Q“ seinen Schützling mit einem Aston Martin mit Elektroantrieb ausrüsten. Elektromobilität ist auf der Kinoleinwand angekommen, allerdings noch nicht so recht auf Deutschlands Straßen. Eine Million E-Autos bis 2020 gab Bundeskanzlerin Angela Merkel als Ziel aus. Beim Kraftfahrtbundesamt waren Ende 2018 jedoch erst rund 195.500 Elektroautos und Plugin-Hybride gemeldet.

Der schleppende Verkauf rührt vor allem daher, dass viele Autohersteller bislang kaum Stromer in ihrem Portfolio hatten. Das ändert sich gerade. Im März präsentierten zahlreiche Anbieter auf dem Internationalen Automobil-Salon in Genf jene Modelle, mit denen sie im kommenden Jahrzehnt emissionsfreies Fahren ermöglichen wollen. Insbesondere Volkswagen, bemüht von seiner Rolle als zentraler Akteur des Dieselskandals abzulenken, setzt inzwischen stark auf Elektromobilität.

Die EU macht Druck

Auch wenn die Autobauer sich nun gerne klimafreundlich präsentieren, erfolgt dieser Sinneswandel keineswegs freiwillig. Um die Klimaschutzziele des Pariser Übereinkommens zu erreichen, zwingt die Europäische Union die Industrie zu sparsameren, klimaschonenderen Autos. Das nächste Etappenziel für die Neuwagenflotte der Autobauer von maximal 95 Gramm Kohlendioxid Ausstoß im Schnitt pro Kilometer rückt immer näher. Wer diese Marke 2021 reißt, muss saftige Strafen zahlen.

Dem Klimaschutz käme das zu gute. Bereits heute produziert ein typisches Elektroauto in Europa über seinen gesamten Lebenszyklus hinweg weniger Treibhausgase und Luftschadstoffe als sein Benzin- oder Dieseläquivalent. Zu diesem Schluss kommt der Bericht „Electric Vehicles from life cycle and circular economy perspectives“ der Europäischen Umweltagentur (EEA). In der Regel seien die Emissionen in der Produktionsphase von Elektroautos zwar höher, aber diese werden durch geringere Emissionen in der Nutzungsphase im Laufe der Zeit mehr als ausgeglichen. Je mehr Strom aus Erneuerbaren beim Betrieb, vor allem aber für die Produktion eingesetzt wird, desto positiver wird diese Bilanz. Auch für die lokale Luftqualität bieten Elektrofahrzeuge klare Vorteile, etwa durch den geringeren Lärm, vor allem aber durch die Null-Emissionen auf Straßenniveau. Nichtsdestotrotz tragen auch E-Autos durch Partikel aus dem Straßen-, Reifen- und Bremsverschleiß zur Luftverschmutzung bei.

„Rein von der nötigen Energiemenge betrachtet ist Elektromobilität keine überragend große Herausforderung“, meint Alexander Nollau, Abteilungsleiter Energie, der Deutschen Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (DKE). Der tägliche Bedarf pro Fahrzeug liegt im Durchschnitt bei 7 Kilowattstunden. Geht man rein rechnerisch von 40 Millionen E-Fahrzeugen auf Deutschlands Straßen aus, würde die für ihren Betrieb benötigte elektrische Energie den deutschen Jahresstrombedarf um etwa 16 Prozent erhöhen. Damit E-Autos dem Klimaschutz dienen, muss diese Energie allerdings aus erneuerbaren Energieträgern stammen. Durchaus ein Problem in Anbetracht dessen, dass die Ausbauzahlen bei Wind- und Solarenergie stocken.

Intelligente Steuerung der Ladevorgänge

„Die eigentliche Herausforderung liegt aber darin, die benötigte Energie intelligent zu verteilen“, sagt Nollau. Denn wenn immer mehr Menschen auf Elektroautos umsteigen, könnten viele Niederspannungsnetze an die Grenze ihrer Kapazität geraten, warnt die Strategieberatung Oliver Wyman und die TU München in einer Analyse. Darin gehen die Autoren davon aus, dass insbesondere in den eher gutsituierten Stadtrandlagen bereits in fünf bis zehn Jahren eine E-Auto-Quote von 30 Prozent erreicht werden könne. Je nach Modell ziehen E-Autos bis zu 22 Kilowatt aus dem Netz. Für solche Lasten sind viele örtliche Stromnetze nicht ausgelegt. Wenn in solchen Gegenden nichts unternommen würde, sei ab 2032 mit „flächendeckenden Stromausfällen“ zu rechnen, warnt der Bericht. Gehen also bald die Lichter aus, wenn Millionen an Elektroautos abends um 18 Uhr geladen werden?

„Unser Ansatz ist, das nicht theoretisch zu überlegen, sondern vor Ort in der Praxis zu beobachten und Situationen durchzuspielen und daraus zu lernen bevor es real wird“, sagt Eric Junge, Ingenieur im Bereich Netzintegration Elektromobilität bei Netze BW, einem Tochterunternehmen des Energiekonzerns EnBW. Dazu hat das Unternehmen in Ostfildern, einem Vorort von Stuttgart, zehn Haushalte mit E-Autos und Ladeinfrastruktur ausgestattet. Ein typisches Wohngebiet mit Eigenheimen, wie es häufig in Ballungsräumen vorkommt und wo auch laut Wyman-Studie bald die meisten Elektroautos unterwegs sein werden. Die Bewohner der Belchenstraße sind Familien mit Kindern, junge Paare und Rentner – ein Querschnitt der Bevölkerung. Das Ziel: Das Ladeverhalten der Menschen kennenlernen. Und deren direkte Auswirkungen auf das Stromnetz. 

Straße mit Einfamilienhäusern uns E-Autos.
Anderthalb Jahre wurde in der Belchenstraße in Ostfildern getestet, was Elektromobilität für ein örtliches Stromnetz bedeutet.

„Dieses gefürchtete Szenario, dass alle gleichzeitig mit maximaler Leistung laden, kam gar nicht vor. Wir hatten maximal die Hälfte der Fahrzeuge gleichzeitig an den Ladestationen. In 70 Prozent der Zeit lädt gar kein Fahrzeug, weil sie entweder unterwegs oder voll sind“, benennt Junge ein erstes wichtiges Ergebnis des Versuchs. Ursache hierfür sind unterschiedliche Nutzungen der Fahrzeuge. Manche sind Pendler, manche nutzen das Auto nur als Zweitfahrzeug, um die Kinder nachmittags irgendwo hinzufahren. Alleine dadurch verschieben sich die Ladezeiten. „Und zum anderen sind Menschen verschieden“, lacht Junge. „Der eine steckt den Stecker reflexartig rein, sobald er auch irgendwie ein paar Prozent weniger im Akku sind und der andere fährt den Akku so lange, bis nur noch eine einstellige Prozentzahl dasteht.“

Natürlich hat Netze BW auch ausprobiert, was passieren würde, wenn alle Autos gleichzeitig laden. Dabei stieg erwartungsgemäß die Leistung sehr stark an. Insbesondere, weil im Testgebiet in Ostfildern im Winter auch Stromheizungen genutzt werden, hätte dies bei Gleichzeitigkeit durchaus zu einer Überlastung des Netzes führen können, so Junge.

Durch E-Autos droht kein flächiger Stromausfall

Muss sich Deutschland also tatsächlich vor einem Blackout durch E-Mobilität fürchten? „Da kann ich wirklich Entwarnung geben. Sowas wird durch Elektromobilität nicht passieren. Wenn mal tatsächlich ein Straßenzug lokal ausfallen sollte, merkt man das im gesamten Stromnetz nicht, “ sagt Eric Junge. Im schlimmsten Falle, so Junge, hätte die Überlastung in der Belchenstraße die Sicherung der Ortsnetzstation auslösen können, um das Netz zu schützen. Das heißt, ohne Vorkehrung wäre der Straßenzug für kurze Zeit dunkel gewesen.

Doch wie kann man vermeiden, dass es zu solchen Lastspitzen überhaupt kommt? Dazu hat das Unternehmen den Einsatz von Batteriespeichern getestet. Sie können Hochlasten erkennen und bei Bedarf Energie für die komplette Straße bereitstellen. „Das hat sehr gut funktioniert. Allerdings nehmen Batteriespeicher relativ viel Fläche in Anspruch. Wo kein Platz für sowas ist, kann man mit Lademanagement viel machen,“ sagt Junge.

Eine der getesteten Strategien funktioniert über Fahrpläne. Die Teilnehmer konnten über eine App angeben, bis wann der Akku ihres Autos voll sein sollte. Aus diesen Informationen erstellt eine Software für alle Autos einen Ladefahrplan, der das Netz möglichst wenig belastet. Netzbetreiber wissen, wann es typischerweise eine sehr hohe Belastung gibt. Zum Beispiel gehen in der Belchenstraße im Winter ab 20:30 Uhr die Stromheizungen an. Zu diesem Zeitpunkt wäre es gut, wenn die Fahrzeuge nicht alle mit voller Leistung laden. „Das heißt, wir können den Kunden einen Zeitplan geben, wann sie mit welcher Maximalleistung laden können. So ein Vorgehen wird gut akzeptiert, weil es planbar ist“, sagt Junge.

Roter Knopf für dringende Fälle

Wer es ganz eilig hatte, konnte in der App einen roten Knopf betätigen, der im Notfall die Ladebegrenzung aufhob. Er wurde oft gedrückt – allerdings nur in der ersten Woche des Tests. „Die Bewohner wollten einfach mal ausprobieren, ob das funktioniert. Später wurde der Knopf fast gar nicht mehr genutzt, weil die Kunden gemerkt haben, dass es ihnen egal sein kann, ob das Auto um 23:00 Uhr oder weit nach Mitternacht vollgeladen ist“, sagt Junge. Nach wenigen Tagen gab es anscheinend ein sehr großes Vertrauen in das Lademanagement.

E-Tankstellen in der Belchenstraße, nahe Stuttgart.
Wer es im Pilotversuch ganz eilig hatte konnte in der App einen roten Knopf betätigen, der im Notfall die Ladebegrenzung aufhob.

Für die zweite Variante hat das Unternehmen eine Netzüberwachung installiert, mit der sie dynamisch und in Echtzeit auf den Netzzustand reagieren konnte. Dadurch wussten die Ingenieure zu jedem Zeitpunkt, wie die akute Belastung im Stromnetz ist. „Das ist vergleichbar mit der Verkehrsführung, bei der man guckt, wie viele Autos gerade auf eine Straße fahren. Wenn es zu viele werden, wird die Geschwindigkeit begrenzt. Beim Stromnetz wird die Leistung begrenzt. Die Kunden werden per App darüber informiert und wenn dann die Ersten mit Laden fertig waren und die Belastung gesunken war, konnten andere wieder mit mehr Leistung laden“, erklärt Junge. Dieses Vorgehen habe den ganz großen Vorteil, dass der Netzbetreiber die Leistung wirklich nur dann begrenzt, wenn es zu problematischen Lastspitzen kommt. 

Smart Charging, also intelligentes Laden, zu diesem Schluss kommen die Autoren der Wyman-Studie, könnte sehr viel teuren Netzausbau verhindern. Insbesondere das Lademanagement in Privathäusern hat aus Sicht des Projektingenieurs Eric durchaus Potenzial, Netzausbau in den Verteilnetzen zu verringern. Denn in der Regel steckten die Bewohner der Testhaushalte ihre Fahrzeuge zwischen sieben bis acht Stunden pro Nacht an die Ladesteckdose. Geladen wurde aber nur knapp zwei bis drei Stunden. „Das bietet ein technisches Potenzial, Ladevorgänge über die Nacht hinweg zu optimieren und zu verschieben, im Gegensatz zu Schnellladestationen im öffentlichen Bereich, bei denen der Kunde in der Regel nur kurz aufladen und nach einer gewissen Zeit auch schnell wieder weg möchte“, sagt Junge.

Keine pauschalen Aussagen

Elektromobilität erhöht grundsätzlich die Belastung des Stromnetzes, das zeigte der Versuch eindeutig. Aber: Jedes Netz ist anders. Ob Netzausbau nötig werde, lasse sich pauschal nicht sagen, sondern hänge jeweils von der Situation vor Ort ab. „Es gibt sicher Gegenden, wo wir noch sehr viele Fahrzeuge aufnehmen können, weil das Netz stark ist. In anderen Fällen müssen wir ausbauen,“ sagt Junge. Um weitere Erkenntnisse zu gewinnen, plant das Unternehmen weitere Netzlabore. Beispielsweise einen Versuch im ländlichen Raum, wo die Netzstruktur eine andere ist als in Wohngebieten wie der Belchenstraße. Auch ein Feldversuch in einem Mehrparteienhaus, in dem rund 60 Fahrzeuge geladen werden, ist in Vorbereitung.

Ende Oktober müssen die Bewohner die E-Autos, fünf e-Golf, zwei MBW i3, drei Renault Zoe und einen Tesla S75D wieder abgeben – schweren Herzens. Für viele der Tester war es der allererste Kontakt zu E-Autos. Die Rückmeldungen seien durchweg positiv gewesen. „Die Leute fahren sehr konstant und nutzen ihre Fahrzeuge sehr viel; im Monat über tausend Kilometer im Schnitt. Täglich 50 bis 100 Kilometer waren kein Problem. Wir haben auch Postkarten von Leuten bekommen, die damit in den Urlaub gefahren sind.“ 

Auch aus Sicht von Marcus Fendt, Geschäftsführer des Münchner Unternehmens The Mobility House (TMH), haben E-Autos durchaus das Potenzial, Netzausbau zu vermeiden. Das Münchner Unternehmen entwickelte die Software und Steuerungstechnologie für ein Pilotprojekt mit dem Hagener Energieversorger ENERVIE, bei dem getestet wurde, ob Elektrofahrzeuge als mobile Stromspeicher das Stromnetz stützen können. Zum Einsatz kommt dabei ein Nissan Leaf, der serienmäßig mit einer Schnellladetechnik ausgestattet ist, die Strom in beide Richtungen fließen lassen kann.

Das E-Auto nimmt innerhalb von Sekunden überschüssige Energie aus dem Stromnetz auf oder speist sie ein, je nach Bedarf. Netzbetreiber können auf diese Weise die Fahrzeugbatterie nutzen, um Frequenzschwankungen auszugleichen. Sie entstehen, wenn Stromerzeugung und -verbrauch nicht exakt im Gleichgewicht sind. Auf diese Weise, so die Hoffnung, könnten E-Autos dazu beitragen die ungleichmäßige Stromerzeugung durch Solar- und Windkraftanlagen auszugleichen.

E-Autos als mobile Speicherkraftwerke

Momentan werden oft Windräder im Norden Deutschlands zwangsabgeschaltet, weil die vorhandenen Stromleitungen den Transport nicht schaffen. Mit der "Fahrzeug-zum-Netz"-Verbindung könnte in solchen Momenten der überschüssige Strom aufgefangen und Energie dann wieder eingespeist werden, wenn sie benötigt wird. Auf diese Weise können E-Autos eine wertvolle Komponente auf dem Weg zu einer Vollversorgung durch erneuerbare Energien sein. Die Speicherkapazität wächst mit der Zahl von Elektroautos, die in den Schwarm eingebunden sind. „Wir haben gezeigt, dass man E-Autos wie ein Kraftwerk in die Energielandschaft integrieren kann“, sagt Fendt. Die Politik sei nun gefordert, marktwirtschaftliche Rahmenbedingungen zu schaffen, in der sich eine solche Anwendung lohne. 

Einen gesetzlichen Rahmen braucht nicht nur die Einbindung der E-Autos in den Energiemarkt, sondern auch in die Verkehrslandschaft. Durch eine geschickte Kombination von Automatisierung und Elektrifizierung lassen sich die CO2-Emissionen im Verkehrssektor um bis zu 80 Prozent senken. Zu diesem Schluss kommt die Studie „Three Revolutions in Urban Transportation“ des amerikanischen ThinkTanks „The Institute for Transportation and Development Policy“. Die wichtigste Voraussetzung um Städte zu entlasten, sei jedoch die Bündelung von Fahrten durch private Fahrgemeinschaften oder Ridesharing-Angebote.

Das ist kein Selbstläufer. Robin Chase, Gründerin des CarSarhing-Anbieters Zipcar warnt in ihrem Beitrag „The Future of Self Driving Cars in Cities“ eindringlich davor, dass ohne Regulierung insbesondere autonomes Fahren ein Schritt in die, wie sie es nennt, „Verkehrshölle“ sein kann. Das autonome Fahren habe ein großes Potenzial enorme Mengen sinnlosen Verkehrs zu erzeugen. Etwa, weil Besitzer das Auto selbstständig um den Block fahren lassen, um Parkgebühren zu sparen.

„E-Mobilität wird in Deutschland vor allem unter technischen Aspekten diskutiert und unter dem Gesichtspunkt, wie man möglichst schnell möglichst viele Fahrzeuge auf die Straße bekommt“, kritisiert Alexander Jung, Projektleiter Neue Mobilität bei der Berliner Denkfabrik Agora Verkehrswende. Werbefilmchen zeichnen die Zukunft des Fahrens als klimafreundlichen Elektro-SUV, der sanft und sicher dahingleitet, während man im verlängerten Wohnzimmer mit bequemem Sitz und Bildschirm wahlweise arbeitet oder mit den Kindern spielt. „Wenn Fahrzeuge intelligenter und smarter werden, birgt das die Gefahr die Begierde nach Besitz noch mal zu steigern“, sagt Jung. 

Privater Autobesitz muss unattraktiver werden

Jung plädiert dafür, den ÖPNV und insbesondere schienengebundene Verkehrsträger, die große Kapazitäten abwickeln können, massiv zu fördern. Zudem müssten Geschäftsmodelle und neue Mobilitätsdienstleister zum Ride-Sharing etabliert werden, die den Privatbesitz eines Fahrzeugs unnötig werden lassen. Dazu brauche es deutliche Veränderungen an den aktuellen verkehrspolitischen Rahmenbedingungen. „Im Vergleich zu umweltverträglicheren Mobilitätsangeboten muss das eigene Auto zur schlechteren Alternative werden“, sagt Jung. Diese Diskussion werde in Deutschland politisch bislang nicht geführt. Aber ohne eine Regulierung drohen E-Autos das Verkehrschaos auf Deutschlands Straßen weiter zu verschlimmern. Statt Verbrecher zu jagen, stünde James Bond mit seinem schicken E-Flitzer dann einfach nur im Stau.

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Quellen:

  1. Über das Netzlabor von Netze BW: https://www.netze-bw.de/unsernetz/innovationen/netzlabor-elektroflotten
  2. Zum Projekt von Mobility House https://www.mobilityhouse.com/de_de/vehicle-to-grid
  3. Studie "Three Revolutions in Urban Transportation" https://www.itdp.org/2017/05/03/3rs-in-urban-transport/
  4. Bericht „Electric Vehicles from life cycle and circular economy perspectives“ der Europäischen Umweltagentur (EEA) https://www.eea.europa.eu/publications/electric-vehicles-from-life-cycle
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