Warum die Elektroautos so viel Energie verbrauchen

Ein Kleinwagen mit etwa 1200 Kilogramm Gewicht verbraucht in etwa 9 bis 10 Kilowattstunden an Antriebsenergie, um 100 Kilometer Strecke des Fahrzyklusses für die Messung des Norm-Verbrauchs nach ECE-101 zu fahren. Das ist gerade mal so viel Energie, wie in lediglich einem einzigen Liter Dieselkraftstoff chemisch gebunden ist. Trotzdem verbrennt ein Auto mit Dieselmotor eher 3 bis 3,5 Liter Kraftstoff für diese Fahrt. Es würde also nicht mal ein Drittel der verbrannten Energie in Vortrieb verwandelt, was einem Wirkungsgrad von etwa 30% entspräche.

Elektroautos benötigen für die gleiche Messfahrt aber nur 13 bis 15 Kilowattstunden an Strom, obwohl ihr Gewicht auch noch höher ist. Auf den ersten Blick deuten diese Werte auf einen weit höheren Wirkungsgrad von etwa 80% für die Elektroautos. So mag die Theorie auf den ersten Blick aussehen. Die Realität ist weit komplexer und lässt das elektrische Fahren in einem ganz anderen Licht erscheinen.

Vergleicht man lediglich den Energieverbrauch nach ECE-101, erhält man für die Elektroautos viel zu niedrige Werte für den Energieverbrauch. Im praktischen Betrieb – vor allem auf der Autobahn und im Winter – bewegt sich ihr Verbrauch nämlich gut und gerne auch mal auf dem doppelten Niveau, siehe den Abschnitt „Wie viel Energie verbrauchen die Elektroautos“.

 

Drei Umstände sind dafür verantwortlich, dass das elektrische Fahren im realen Betrieb weit mehr Energie kostet, als weithin angenommen:
1) Die Bedeutung der Energierückgewinnung beim Bremsen (=Rekuperation) wird überschätzt.
2) Die Effizienz des Elektroantriebs – und der Stromspeicher – erreicht in der Praxis bei weitem nicht die angenommenen Werte.
3) Die Innenraumheizung wird im Winter zum Energiefresser im Elektroauto wohingegen der Verbrennungsmotor dann über die Kraft-Wärme-Kopplung seine Effizienz kräftig steigern kann.

 

Drei Gründe, weshalb das elektrische Fahren unvergleichlich teurer kommt, als weithin angenommen:
1) Der Energieverbrauch des Elektroautos liegt weit höher, als die NEFZ-Verbrauchswerte suggerieren
2) Die Energie in Form von Strom kostet bei uns rund das Doppelte wie die selbe Energiemenge in Form chemisch gebundener Energie im Dieselkraftstoff
3) Die enormen Kosten der Speicherung des Stroms im Akku (Akkuverschleiß) wird übersehen

 

1) Nur das Elektroauto kann Bremsenergie zurück gewinnen – aber nicht viel

Der Elektromotor unterscheidet sich insbesondere dadurch vom Verbrennungsmotor, dass er beim Bremsen als Generator fungieren und somit Energie zurückgewinnen kann. In der Praxis kann damit allerdings nur ein ziemlich kleiner Teil der Bremsenergie wirklich zurück gewonnen werden1). Effektiv ist die Rekuperation nur im Stadtverkehr. Bei Bremsvorgängen aus höheren Geschwindigkeiten wird auch beim Elektroauto die meiste Energie über die Bremsanlage vernichtet. Fährt man vorausschauend, wird aber auch im Stadtverkehr nicht mehr viel Energie kaputt gebremst.

Demgegenüber steht, dass das Elektroauto aufgrund der schweren Akkus deutlich mehr als die PKWs mit Verbrennungsmotor wiegen, was ihren Energieverbrauch erhöht. Bei vernünftiger Fahrweise kann die Rekuperation außerhalb des Stadtverkehrs in der Praxis nicht mal den Mehrverbrauch aufgrund des höheren Fahrzeuggewichtes mehr kompensieren.

Wofür wird die Energie beim Fahren verbraucht?

Rekuperation kann das höhere Gewicht der Elektroautos in der Praxis kaum kompensieren

Um das Potenzial der Rekuperaton besser beurteilen zu können, sehen wir uns an, welcher Energieanteil beim Fahren wo durch verursacht wird. Neben dem Roll- und Luftwiderstand wird auch durch das Bremsen des Fahrzeugs Energie in der Bremsanlage vernichtet, sofern diese Verzögerungsenergie nicht beispielsweise über den Elektromotor zurück gewonnen werden kann. Nur der Elektromotor kann hier einen Teil dieser Verzögerungsenergie wieder zurück ins Akku speisen. Der Verbrennungsmotor kann diese Energie nicht zurück gewinnen.

Die Grafik unten zeigt für ein Stadtauto, wofür die eingesetzte Energie beim Durchfahren der zwei Fahrzyklen nach NEFZ jeweils aufgewendet werden muss. Der Smart wurde hierfür exemplarisch ausgewählt, weil es ihn mit beiden Antriebsarten so gut wie identisch zu kaufen gibt.

Energieaufwand für den Antrieb

Gegenüberstellung des Energieaufwandes für den Antrieb über 100 Kilometer nach dem NEFZ-Zyklus am Smart mit Diesel- und Elektromotor (Fahrzeugdaten: cw-Wert=0,37, A=2m²; Masse 975kg / 770 kg für Smart-ED / Smart-Diesel).

Hierbei ist natürlich zu berücksichtigen, dass die Effizienz der Energierückgewinnung zweierlei begrenzt ist. Einerseits kann der Elektromotor nur mit einer begrenzten Leistung verzögern („bremsen“). Muss man stärker bremsen, muss auch dort die darüber hinaus gehende Verzögerungsleistung durch die Bremsanlage erbracht werden. So kann der Elektromotor nur in etwa so stark bremsen wie er das Auto auch beschleunigen kann. Bremst man stärker, wird auch hier der Großteil der Verzögerungsenergie in der Bremsanlage vernichtet. Zum zweiten funktioniert auch die Energierückgewinnung nicht verlustfrei. Gerade weil hier hohe Ströme fließen, fallen hier die Wirkungsgrade von Elektromotor und vor allem dem Akku nicht so gut aus.

Nehmen wir dennoch an, dass meist ganz zaghaft gebremst werden kann (was unrealistisch ist) und die Rekuperation mit hoher Effizienz arbeitet. So geht die Grafik davon aus, dass über den Stadtzyklus ganze 69% der Energie effektiv im Akku landen. Obwohl der höheren Leistungen bei schnellerem Fahren sollen auch für den Überland-Zyklus 62% der Energie wieder zur Verfügung stehen (auch dann dürften nur etwa 21% der Energie in der Bremsanlage landen und der Elektromotor inklusive der Leistungsregelung als auch das Akku müssten mit einem Wirkungsgrad von fast 90% arbeiten, was sehr optimistisch ist). In der Realität werden diese Wirkungsgrade für die Rekuperation kaum erreicht.

Sehen wir uns nun die Grafik oben an, sehen wir: nur aufgrund unserer optimistischen Annahmen kann zumindest über den Stadtzyklus durch die Rekuperation etwas mehr Energie zurück gewonnen werden, als das Elektroauto aufgrund des höheren Gewichtes aufwenden muss. Im Stadtverkehr müsste das Elektroauto dann etwas weniger Energie als der Verbrennungsmotor (siehe gestrichelter Pfeil).

Anders auf der Überlandfahrt. Dort bringt die Rekuperation nur unter wenig praxisnahen Bedingungen einen höheren Gewinn als das Mehrgewicht an Mehrverbrauch verursacht. In der Realität fällt der Gewinn aus der Rekuperation eher weit geringer aus, weil – vor allem auf Langstrecken – Verzögerungen, die effektiv rekuperierbar sind, kaum vorkommen (siehe auch Anmerkung 1 ganz unten). Obwohl der Überlandzyklus des NEFZ künstlich günstige Bedingungen für den Verbrauch der Elektroautos darstellt, kann  der Elektroantrieb hier selbst bei eineer Effizienz von 62% für die Rekuperation das Mehrgewicht nicht mehr ganz kompensieren (siehe gepunkteter Pfeil in der Grafik oben).

Auf der Autobahn bringt die Rekuperation daher kaum etwas, schon alleine deshalb, weil dort selten gebremst wird. Und wenn auf der Autobahn gebremst werden muss, ist die Verzögerungsleistung so hoch, dass nur ein minimaler Bruchteil davon überhaupt rekuperiert werden kann. Die dann vorliegenden hohen Ströme in der Akku zurück zu speisen, ist zudem sehr fraglich, weil die Schädigung des Akkus dann weit kostspieliger wird, als der gerettete Strom wert wäre.

Das Elektroauto ist nicht für die Autobahn gebaut

Die Verbrennungsmotoren arbeiten bei geringer Leistungsabgabe ineffizient. So liegt ihr Verbrauch bei niedrigen Geschwindigkeiten sehr hoch. Erst ab einer bestimmten Mindestleistung können sie ihre Leistung entfalten. Ganz anders beim Elektroantrieb: bei niedrigen Geschwindigkeiten arbeitet der Elektroantrieb sehr effizient. Doch je mehr Strom fließt, desto höher wird der ohm’sche Widerstand (durch Materialerwärmung) und desto höher werden die Energieverluste, die im Motor, in der Leistungsregelung und vor allem im Akku als Wärme verloren gehen. Mit zunehmender Antriebsleistung wird das Elektroauto ineffizienter. Nutzt man die Motorleistung beim Elektroauto – auf der Autobahn oder beim Beschleunigen – verlässt man den Bereich der hohen Effizienz. Eine flotte Fahrt auf der Autobahn lässt daher die Reichweite schnell schrumpfen. Weil mit der Leistung entsprechend viel Wärme im Akku entsteht, sind die Elektroautos in ihrer Höchstgeschwindigkeit übrigens so stark gedrosselt.

Der Elektromotor selbst ist nur ein Verlustglied in der Wirkungskette. Auch wenn der Elektromotor selbst (im günstigen Belastungsfall) einen Wirkungsgrad von 90% erreichen, liegt der Wirkungsgrad des gesamten Elektroantriebs trotzdem weit darunter. So geht nämlich bereits in der Leistungsregelung für den Motor und im Akuu beim Laden und vor allem bei der Stromabgabe Energie verloren.

 

Notice

Nimmt man folgende Wirkungsgrade an:

Elektromotor: 90%

Leistungsregelung: 98%

Akku: Laden: 90% und Stromabgabe: 90%

dann ergibt sich für den Gesamtwirkungsgrad: 90% * 90% * 98% * 90% = 71%

(Laden * Stromabgabe * Leistungsregelung * Elektromotor = Gesamtwirkungsgrad)

 

Fährt man auf der Autobahn, fällt der Wirkungsgrad schnell kräftig ab, weil die Energieverluste aufgrund des steigenden ohm’schen Widerstandes (aufgrund von Materialerwärmung) ansteigen. Praktische Messungen des Energieverbrauchs bei konstanter Geschwindigkeit zeigen, dass der Energieverbrauch beim Elektroauto mit zunehmender Geschwindigkeit tendenziell schneller ansteigt als beim Verbrennungsmotor, sobald der Verbrennungsmotor aus dem niedrigen Leistungsfeld heraus ist.

Beim Elektroauto steigt der Energieverbrauch im Bereich höherer Leistungsabgabe (hier über 70km/h) schneller an als beim Verbrennungsmotor. Im sehr niedrigen Leistungsfeld (hier unter 70km/h) arbeitet der Verbrennungsmotor jedoch sehr ineffizient. (Quellenangaben zu den Daten: siehe unten)

Diese Kurven im Bild oben zeigen recht deutlich, dass der Energieverbrauchsvorteil der Elektroautos bei niedrigen Geschwindigkeiten und im Stadtverkehr theoretisch sehr hoch ist. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten – insbesondere auf der Autobahn – schrumpft dieser Vorteil aber schnell zusammen. Liegt der Energieeinsatz des Verbrennungsmotors hier bei unter 50km/h bei rund dem 4-Fachen eines Elektroautos, schrumpft dieses Verhältnis auf der Autobahn auf nur noch etwa 1,5-Fache. Insgesamt steigt der Verbrauch der Elektroautos mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit viel deutlicher an als beim Auto mit Dieselmotor.

Deutlicher wird dieser Zusammenhang, wenn man den gemessenen Energieverbrauch relativ zu den Verbrauchsangaben nach NEFZ darstellt:

Relative Darstellung des gemessenen Energieverbrauchs im Verhältnis zum gemittelten Verbrauchswert nach NEFZ (Mittelwert dreier Elektroautos gegenüber einem Diesel-PKW; Datenquellen siehe unten)

Relative Darstellung des gemessenen Energieverbrauchs im Verhältnis zum gemittelten Verbrauchswert nach NEFZ (Mittelwert dreier Elektroautos gegenüber einem Diesel-PKW; Datenquellen siehe unten)

Nach der Graifk können die Elektorautos bei Konstantfahrt mit niedriger Geschwindigkeit (hier unter 70km/h) den Normverbrauch über den Messzyklus nach NEFZ sogar unterbieten. Bei schneller Fahrt dreht sich das Bild jedoch um: dort übertreffen sie den Normverbrauchswert sogar deutlicher als der PKW mit Dieselmotor. So beträgt der Energieverbrauch der drei vermessenen Elektroautos bei konstant 120 km/h im Mittel rund das 2-fache der Verbrauchsangabe nach NEFZ. Der Diesel-PKW im Versuch übertrifft den Normwert aber nur um etwa 40%. Der Diesel-PKW kann den Normverbrauch nach NEFZ allerdings nur im Bereich von 70-80 km/h unterbieten.

Die Grafik verdeutlicht die Charakteristik der Effizienz der beiden Antriebe, insbesondere wenn man einfach den Bereich niedrigen Energieaufwands (Konstantfahrt unter 50km/h) mit dem hohen Energieaufwands (über 100km/h) vergleicht: so verbraucht der Diesel-PKW bei 30 km/h etwa genauso viel Sprit wie bei rund 120km/h. Die Elektroautos können dagegen die Schleichfahrt mit 30 km/h mit nur etwa einem Drittel des Strom absolvieren, den sie bei 120km/h konsumieren. Wohingegen der Elektroantrieb zwar im Bereich niedriger Leistung sehr effizient arbeiet, verliert er seinen Effizienz-Vorteil mit steigender Fahrgeschwindigkeit gegenüber dem Verbrennungsmotor allerdings sehr schnell.

Verluste der Energiebereitstellung

Die Grafiken oben zeigen nur die Effizienz des Antriebs selbst. Die Verluste für die Bereitstellung des Stroms fehlen. Die Bereitstellung der Energie spielt nämlich dann eine Rolle, wenn auch der Strom aus fossilen Energieträgern gewonnen wird. Während die Bereitstellungsverluste bereits im Verbrennungsmotor anfallen, entstehen diese sie beim elektrischen Fahren in der Stromerzeugung. Betrachtet man also nur die Effizienz der Antriebe selbst, fällt der Verbrennungsmotor auf den ersten Blick deutlich schlechter aus. Berücksichtigt man die Bereitstellungsverluste, sieht das Bild ganz anders aus: Da unsere Stromgewinnung aus fossilen Energieträgern einen Wirkungsgrad von kaum 40% hat (inkl. Übertraguingsverluste), darf ein Auto mit Verbrennungsmotor nämlich die 2,5-fache Energiemenge des Elektroautos verbrauchen, um am Ende den gleichen Energieverbrauch zu haben.

Die Heizung: der Energievernichter im Elektroauto

Eine gerne übersehene Rolle spielt auch die Innenraum-Heizung beim Elektroauto. Während der Verbrennungsmotor die Innenraum-Wärme weitgehend aus der Motorabwärme bedienen kann muss das Elektroauto hierfür zusätzlichen Strom aus dem Akku verheizen.

Wie viel Energie die Heizung verbraucht, wird dabei nicht nur von der Außentemperatur beeinflusst. Da wir den Energieverbrauch eines Auto in Abhängigkeit von der Fahrstrecke messen, bestimmt die Fahrgeschwindigkeit darüber, wie lange die Heizung im Auto läuft2). Die führt dazu, dass der Energieverbrauch der Heizung vor allem in der Stadt sehr hoch ist, weil für die Fahrstrecke von 100 Kilometern in der Stadt viele Stunden vergehen. Im Winter verbraucht daher die Heizung im Stadtverkehr locker mehr Energie als für den Antrieb nötig ist. Nicht ohne Grund gibt es reichlich Berichte darüber, dass die Reichweite der Elektroautos im Winter sogar halbieren kann, weil sich der Energieverbrauch durch die Heizung verdoppelt.

Anmerkungen:

1) Die bei einer richtigen Bremsung entstehende Bremsleistung übersteigt schnell die maximale Bremsleistung, die der Elektromotor als Generator aufnehmen kann. Die überschüssige Leistung muss über die herkömmliche Bremsanlage vernichtet werden. Wird nicht ganz vorsichtig gebremst, hat man es auch sonst mit sehr hohen Strömen zu tun, sodass hiervon ein entsprechend großer Anteil über den ohmschen Widerstand als Wärme verloren geht.

2) Mit der Fahrgeschwindigkeit nimmt zwar auch die nötige Heizleistung zu. Dieser Einfluss ist aber weit geringer als der zeitliche Einfluss.

 

Quellen:

Messwerte des ADAC aus den einzelnen Ecotest-Berichten:

Österreichischer Verein für Kraftfahrzeugtechnik: Batterieelektrische Fahrzeuge in der Praxis, Wien, 2012. Im Internet: http://www.övk.at/aktuelles/2012/bev_data2.pdf

2 Kommentare

  1. Joe

    Wieder eine „unverzerrte“ Darstellung, über die der Laie staunt und sich der Fachmann wundert. Elektroautos verbrauchen also sehr viel Energie? Im Vergleich zu was – zum Verbrennerauto sicher nicht. Sonst könnten E-Autos mit 15-20kWh nicht 100km weit in der Praxis fahren. Denn dies entspricht dem Energiegehalt von lediglich etwa 1,5-2l Dieselkraftstoff …

    Habe ich mich verlesen, oder hat ihrem Diagramm „Energieverbrauch für den Antrieb über den NEFZ-Zyklus“ tatsächlich eine Skalierung von 0kWh – 12kWh ? Schon den NEFZ als Praxis darzustellen, ist recht abenteuerlich!
    Für den E-Smart mögen die Verbrauchswerte ja noch hinkommen. Aber dass ein Diesel-Smart mit etwa 6-9kWh/100km unterwegs ist, also etwa 0,6 – 0,9 Litern Diesel/100km – das wäre absoluter Rekord!!!

    Schauen Sie doch einmal bei „Spritmonitor“ – dort posten vor allem sparsame Fahrer ihre Verbräuche. Zwei Smart liegen derzeit unter 3l Verbrauch, der Durchschnitt bei 4,24l Diesel /100km. Wenn man also sparsam fährt, benötigt man zwischen 29,2kWh und 42,4kWh/100km. Das Maximum lag bei >8l/100km, also >80kWh/100km …

    Beim Diagramm „Energieverbrauch über die Geschwindigkeit“ haben Sie zumindest zweierlei skaliert. Der E-Smart verbraucht also unglaublich hohe >30kWh (Energiegehalt von etwa 3l Diesel) bei etwa 130km/h. Der sparsame Diesel-Smart verbraucht zwischen knapp3l Diesel und 5Litern bei 130km/h. Das sind aber trotzdem beim Dieselauto 50kWh gegenüber 30kWh beim E-Smart …

    Was Sie bei Ihrer unverzerrten Darstellung ebenso vergessen haben, ist dass beim E-Antrieb der sehr hohe Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich erreicht wird. Beim Verbrennungsmotor gibt es ein Kennfeld mit einem (gern angegebenen) Bestpunkt – der aber in der Praxis nur sehr, sehr selten erreicht /genutzt wird.

    1. Heinz Donhauser

      Das Diagramm, auf das Sie sich beziehen, stellt den reinen Energieaufwand für den Antrieb (=Vortrieb) des Autos dar. Nicht den Energieeinsatz.
      MIt dem angeblich so hohen Wirkungsgrad des Elektroantriebs ist es nicht so weit her, wie die Praxis beweist. Beim Elektroantrieb enstehen die Verluste nicht nur im Motor, sondern auch in Leistungsregelung und vor allem im Akku. Der von Ihnen erwähnte „hohe Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich“ ist auch eher Throrie. Wird von den Elektroautos nämlich hohe Leistung abgefordert, fällt der Wirkungsgrad des Elektroantriebs schnell ab, weil mit steigendem Stromfluss der ohm’sche Widerstand seinen Tribut fordert. So steigt der Energieverbrauch bei den E-Autos mit der Fahrgeschwindigkeit ungleich schneller an als beim Verbrennungsmotor. Daher der hohe Stromverbrauch auf der Autobahn.
      Zuletzt findet der größte Energieverlust bei der Stromerzeugung statt, wo dann die Wärme meist ungenutzt verloren geht. Auch diese Verluste sind Folge des Fahren mit Strom und gehören eigentlich mit berücksichtigt.

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