Interview: Emissionsfreie Mobilität ist möglich

Städte ohne Abgase? Machbar, aber nicht ganz einfach. emobly sprach mit Tobias Melz, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt, das sich intensiv mit Elektromobilität beschäftigt.

Herr Melz, die Elektromobilität ist auf dem Vormarsch, fast alle Automobilhersteller bieten zumindest Hybrid-Modelle, wenn nicht gar voll-elektrische Fahrzeuge an. Dabei gibt es eine ganze Menge von Problemen, die noch gelöst werden müssen.

Tobias Melz: Die wahrscheinlich größte Herausforderung sind die verständlich hohen Ansprüche der Kunden. Das meine ich vor allem in Bezug auf die aktuelle Reichweite batterieelektrischer Fahrzeuge, die Verfügbarkeit öffentlicher Ladeinfrastruktur sowie die Zeitdauer zum Aufladen. In technischer Hinsicht gibt es dafür Lösungsansätze, die aber auch relevante Fragen aufwerfen. Denken Sie beispielsweise an große Hochvolt-Energiespeicher, die dann natürlich schwer sind, was diametral zu den bisherigen Leichtbauanstrengungen in der Automobiltechnik ist. Allein hier entstehen erhebliche technische Herausforderungen, um den Massezuwachs an der einen Stelle durch letztlich radikale Einsparungen mit neuen, nachhaltigen Leichtbaulösungen zu kompensieren.

Stichwort Energiebilanz: Ist das Fahren mit Strom derzeit tatsächlich umweltfreundlicher? Die Akku-Produktion und auch der Aufbau der Ladeinfrastruktur gehen ja schließlich auch in die Energiebilanz mit ein.

Tobias Melz: Die Produktions-Ökobilanz von Lithium-Ionen-basierten Hochvolt-Energiespeichern ist tatsächlich ein großes Problem und wird aktuell kaum thematisiert: Neben dem Einsatz von problematischen Technologiemetallen sind es vor allem die CO2-Emissionen bei der Herstellung der Energiespeicher. Bei Fahrzeugen mit großen Energiespeichern – wie heute bereits dem Tesla und künftig allen batterieelektrischen SUV mit Reichweiten von mehr als 350 Kilometern – verschlechtert sich die Produktionsökobilanz gegenüber gleich großen, konventionellen Fahrzeugen um den Faktor 3 – das heißt, das konventionelle Fahrzeug kann tatsächlich mehr als 100.000 Kilometer mit fossilen Kraftstoffen betrieben werden und erreicht erst dann die Emissionsschwelle des batterieelektrischen Fahrzeugs nach der Produktion.

Das betrifft also die Herstellung. Wie sieht es bei der Laufleistung aus?

Bei Betrachtung der energiebezogenen Emissionen für den Fahrbetrieb erreichen die heute effizientesten batterieelektrischen Fahrzeuge mit elektrischer Energie aus dem deutschen Strommix einen Wert von circa 75 Gramm CO2 pro Kilometer. Das ist unverhältnismäßig geringer als die besten konventionell angetriebenen Fahrzeuge, die liegen bei weniger als 95 Gramm CO2 pro Kilometer. Mit Fahrzeugen, die mit komprimiertem Erdgas, CNG, betrieben werden, ist bereits heute ein Wert von ebenfalls 75 Gramm CO2 pro Kilometer möglich.

Langfristig – bei deutlicher Reduktion der Kohleverstromung im deutschen Strommix – haben batterieelektrische Fahrzeuge natürlich ein großes Potenzial für wirklich emissionsarmes oder gar emissionsfreies Fahren. Das ist aber beispielsweise auch mit der Nutzung von biogenem Methan – also Biogas – in monovalenten Gasmotoren möglich. Daher bin ich der Meinung, dass wir mit weniger Polemik gegenüber der Verbrennungstechnik die richtige Basis schaffen könnten, nachhaltig umweltfreundliche oder gar ökobilanzneutrale Entscheidungen in der Mobilität zu treffen.

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen ist ja immer wieder ein Thema. Dabei spielen drei Aspekte eine Rolle: Die Kapazität der Akkus, das Netz an „Strom-Tankstellen“ und die Ladedauer. Welcher dieser Aspekte ist die größte Herausforderung?

Tobias Melz: Tatsächlich ist es die Ladedauer, denn die bei sehr großen Energiespeichern notwendige Ladeleistung ist nicht beliebig zu steigern. Heutige Konzepte, etwa der Tesla-Supercharger, nutzen Ladeleistungen von mehr als 100 Kilowatt; künftige Konzepte an den Bundesautobahnen werden bis 350 Kilowatt vorsehen. Das sind aber so hohe Ladeleistungen, dass dann umfangreiche Modifikationen der Infrastruktur notwendig werden, die sehr viel Geld kosten. Gleichzeitig gibt es heute und auch absehbar keine Energiespeicher, die ohne vorzeitige Schädigung solch hohe Ladeleistungen dauerhaft ertragen.

Wenn die Reichweite von Elektrofahrzeugen gering ist, eignen sie sich vor allem für den Einsatz in Städten. Da gibt es aber das Problem, dass die Menschen in großen Wohnhäusern wohnen und ihre Autos auf der Straße oder in Tiefgaragen abstellen. Ist es denkbar, dort eine entsprechende Ladeinfrastruktur zu schaffen? Oder ist das ein Problem?

Tobias Melz: Die städtische, öffentliche Ladeinfrastruktur ist hinsichtlich Anzahl, Verteilung und Parkraumbelegung definitiv eine große Herausforderung. Neuartige Konzepte – wie etwa die Nutzung von Lichtmasten als Ladepunkt – haben eine ganze Reihe von Problemen, unter anderem Kosten, Netzstabilität und Vandalismus. Es müssten also auch in den Städten in großer Anzahl Ladepunkte entstehen, die das beschleunigte Laden oder aber sogar das echte Schnellladen erlauben – dann sind wir aber wieder bei dem oben skizzierten Problem der Kosten und Haltbarkeit der Energiespeicher …

So wie die ersten Autos ausgesehen haben wie Kutschen ohne Pferde, sehen die derzeitigen Elektroautos aus wie Verbrennungsmotor-Autos, in die ein großer Akku eingebaut wurde. Werden sich die Konstruktions- und Design-Konzepte der Elektro-Autos nicht auch ändern müssen?

Tobias Melz: Die nächste Generation batterieelektrischer Fahrzeuge sind überwiegend SUV – heute bereits von Tesla und Jaguar, demnächst unter anderem von Daimler und Audi. Dieser Fahrzeugtyp hat package-seitig günstige Voraussetzungen für die Unterbringung der großen Energiespeicher in der Bodengruppe und ist gleichzeitig ungeheuer populär bei den Kunden. Insofern weisen die neueren Elektrofahrzeuge durchaus Konstruktions- und Designkonzepte auf, die vor 15 Jahren bei uns noch annähernd unbekannt waren. Tatsächlich könnten Kühlergrill und Vorderwagen im Vergleich zu konventionellen SUV sicherlich etwas stärker differenziert werden, aber diese neueren Elektrofahrzeuge sind durchaus sehr spezifische Designs. 

Interessant sind aus technischer Sicht natürlich auch Fahrzeuge wie der BMW i3, der konsequent und mutig auf Leichtbau ausgerichtet ist, um die Gewichtsnachteile durch den Energiespeicher wenigstens teilweise zu kompensieren. Das alternative Design wird aber durch die Kunden nicht im gewünschten Umfang goutiert. Insofern sehen wir auch bei den Elektrofahrzeugen eine herstellerseitig sehr verständliche Ausrichtung auf das, was sich – wahrscheinlich – verkaufen lässt. 

Es gibt aber auch Exoten, die ihre Sonderstellung regelrecht zelebrieren – mit Erfolg.

Durchaus. Spannend wird es, wenn es sich ein Hersteller leisten kann, das markeneigene Statement so zu positionieren wie es Toyota mit den neueren Fahrzeugmodellen „Prius“ und „Mirai“ macht: Diese Fahrzeuge transportieren ihre Botschaft auch mit einem progressiven, in jedem Fall „anderen“ Design und unterscheiden sich damit deutlich von anderen Toyota-Modellen. Das schafft aber noch nicht jeder Autohersteller – übrigens auch Tesla nicht.

Konstruktions- und Design-Konzepte sind also immer noch und in den meisten Fällen abhängig vom Kunden und vom Markt – das wird auch bei Elektrofahrzeugen zunächst so bleiben und verhindert damit eine schnelle Anpassung an die grundsätzlichen Möglichkeiten. In der Forschung beschäftigen wir uns aber mit vielen technisch motivierten Merkmalen – wie etwa neuen Vorbaukonzepten bei Nutzung von radintegrierten elektrischen Antrieben – die sich künftig auch in der einen oder anderen Form in Serienfahrzeugen wiederfinden werden.

Wie sehen Sie die Veränderungen durch die Elektromobilität generell?

Tobias Melz: Ich sehe den Wandel zur Future Mobility sehr positiv. Wir haben große Handlungsbedarfe und erhebliche Chancen. Klar ist, dass die Mobilität der Zukunft deutlich komplexer und integrativer als unsere heutige Individualmobilität aussehen wird. Ich stelle mir exemplarisch in absehbarer Zukunft eine Kombination von hybrid-elektrisch fahrenden Mobilitätsträgern vor, die urbane und ländliche Regionen verbinden und damit die sich zuspitzende Wohnraumsituation entspannen und gleichzeitig die Emissionsbelastung in den Städten reduzieren. 

Wenn die Bedeutung des eigenen Fahrzeugs bei jungen Menschen weiter abnimmt, wenn Car-Sharing und autonomes Fahren mit moderat kleinen elektrischen Hochvolt-Speichern hinzukommen, wenn Sammelladeplätze am Stadtrand mit umweltfreundlicher Energie bereitgestellt werden, um den Individualverkehr in den Ballungsräumen zu entlasten, dann wird es meiner Meinung richtig spannend.

Die Elektromobilität ist meiner Meinung unbedingter Teil der Lösung, jedoch eben als Element eines zukünftigen Mobilitätssystems. Und ich glaube, dass die kommenden 10 bis 15 Jahren unsere Mobilität und unsere Zukunft deutlich verändern werden. Bei mir persönlich löst das Aufbruchstimmung und Begeisterung aus.

Interview: Andreas Schümchen / Foto: lbf.fraunhofer.de

Prof. Dr.-Ing. Tobias Melz 

Tobias Melz hat an der TU Braunschweig Maschinenbau studiert und wurde an der TU Darmstadt promoviert. Nach einer Tätigkeit beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist Melz seit 2001 beim Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit in Darmstadt tätig, das er seit 2016 leitet.