Allgemeine Informationen zu Ladeinfrastruktur, zur Technik, zu den Fahrzeugen.

Das Thema e-Mobility ist in aller Munde, es ist allerdings häufig auch ein Reizthema, eines, das mit sehr viel Emotionen geführt wird, auf der Seite der Befürworter wie der der Gegner. Über den Sinn oder Unsinn, die politischen Aspekte des Privatverkehrs, der Verlagerung auf den ÖV und solche Dinge soll hier nicht diskutiert werden, das ist Sache der öffentlichen Diskussion und Politik. Hier erst einmal ein kleiner Überblick zum Stand der Dinge, der Grundlagen und Begriffe.

Fahrzeuge

Aktuell ist die Anzahl der Fahrzeuge, die man erwerben kann, noch sehr übersichtlich. Das wird sich in den kommenden 2-3 Jahren jedoch massiv ändern: praktisch jede namhafte Firma hat für den Zeitraum 2018 bis 2021 eine Flut von Elektromodellen angekündigt, neben den teuren Top-Modellen auch und vor allem den Mittelklasse-Bereich, der stückzahlmässig durch die Verwendung als Firmenfahrzeug die grösste Auswirkung haben wird.

Eine Übersicht zum aktuellen Stand der Elektrofahrzeuge ist auf dieser Seite von Wikipedia zu finden.

Prinzip

Technisch sind Elektrofahrzeuge wesentlich einfacher aufgebaut als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor: ein Elektromotor hat gerade einmal 20% der Teile, die ein Verbrennungsmotor hat, dazu unterliegen diese auch noch nur einem minimalen Verschleiss. Ein Getriebe gibt es erst gar nicht, und da die Motoren wesentlich kleiner und leichter sind, lassen sich einer oder mehrere davon besser im Fahrzeug verteilen. Direkte mechanische Übertragungen entfallen weitgehend, es gibt keine Schmier- oder Kühlmittel mehr, die regelmässig vom Nutzer kontrolliert und von der Werkstatt gewechselt werden müssen. Und dazu funktionieren Heizung und Klimaanlage rein elektrisch, das Fahrzeug muss also nicht warmgefahren werden, zudem lassen sich selbst die günstigsten Fahrzeuge über das Smartphone oder einen Zeitschalter gesteuert vorheizen oder vorkühlen, Eigenschaften, die früher einmal teuren Luxuslimousinen vorbehalten waren.

Das einzige komplexe Element ist die Batterie sowie die Steuerung derselben. Und was beim Verbrennungsmotor der Hubraum und die Zylinder sind, das sind beim Elektrofahrzeug die Akkuleistung. Denn reine Motorenleistung und Drehmoment sind mehr oder weniger frei skalierbar, Mehrkosten höherer Leistung liegen hauptsächlich in den entsprechenden Folgen für die Stromübertragung, Fahrwerk, Bremsen, Reifen etc. begründet.

Durch welche Kriterien unterscheiden sich die verschiedenen Elektrofahrzeuge, von offensichtlichen Dingen wie Front-/Heck-/Allradantrieb, Reichweite oder Form einmal abgesehen?

Elektro – Hybrid – Range Extender – Brennstoffzelle

Das reine Elektro-Auto fährt ausschliesslich per Elektro-Motor, die aus einer Batterie gespeist wird. Entsprechend beschränken die Kapazität der Batterie und die Ladegeschwindigkeit die Einsatzmöglichkeiten für z.B. Handelsvertreter oder Servicetechniker. Klassische Beispiele für ein reine Elektroautos sind der Renault ZOE, Nissan Leaf, e-Golf, Mercedes B250e oder natürlich die Tesla-Modelle.

Plug-In-Hybride sind Fahrzeuge mit zwei vollständigen Antriebseinheiten (die technisch jedoch meist integriert werden, d.h. der Elektromotor wird direkt an das Getriebe angeflanscht): sie können an der Steckdose aufgeladen werden (darum Plug-In, also Einstecken), eine gewisse (aktuell zu kleine) Strecke rein elektrisch fahren, für Langstrecken jedoch auf einen gewöhnlichen Verbrenner zurückgreifen. Der Antrieb erfolgt dann klassisch, sowohl der Verbrennungs- als auch der Elektromotor treiben direkt die Räder an. Beispiele für Plug-In-Hybride sind der Golf GTE oder BMW 225xe.

Klassische Hybridfahrzeuge, oft auch Mild-Hybrid (mhd) genannt, können nicht von extern aufgeladen werden, sie beziehen ihren Strom in erster Linie aus der Rekuperation beim Bremsen und überschüssiger Motorleistung. In der Regel können sie auch keine längeren Strecken rein elektrisch fahren, der Elektroantrieb wird in erster Linie genutzt, um z.B. In Parkhäusern emissionsfrei zu fahren oder beim Losfahren die Drehmomentschwäche des Verbrennungsmotors zu überbrücken. Diese klassischen oder Mildhybride werden hier nicht weiter behandelt, da sie auf keine Ladeinfrastruktur angewiesen sind. Zudem wird die Mildhybrid-Technik vermehrt in klassische Verbrenner integriert, ohne dass dies ausgewiesen wird, so dass man sie eigentlich als Verbrenner mit elektrischer Unterstützung bezeichnen kann. Typische Beispiele für dieses Prinzip sind der originale Toyota Prius oder der Smart mhd.

Elektrofahrzeuge mit Range-Extender (Reichweitenverlängerer) haben zwar auch einen Verbrennungsmotor an Bord, fahren jedoch grundsätzlich rein elektrisch. Der Verbrennungsmotor dient nur als Generator, um zusätzlichen Strom für den Elektromotor zu erzeugen oder die Batterie zu laden, wenn diese leer ist. Ein typisches Fahrzeug mit Range Extender ist der BMW i3 REX, in dem ein Zweizylinder-Verbrennungsmotor für eine zusätzliche Reichweitenreserve von rund 150 km sorgt. Natürlich ist auch bei einem Range Extender die klassische Motorenwartung notwendig: Ölwechsel, Zündkerzen, Kühlwasser.

Eine besondere Form des Range Extenders zeichnet sich im Transportbereich ab: bei ersten Prototypen von Lastwagen, die hohe Reichweiten erzielen müssen, wird eine Gasturbine als Range Extender mit einem mittelgrossen Batteriepaket kombiniert. In diesem Bereich hat der Elektromotor durch sein hohes und gleichmässig anfallendes Drehmoment schon rein technisch enorme Vorteile, die Kombination mit einer Gasturbine als Stromlieferant sorgt für die geforderte hohe Reichweite. Zumal Biogas als regenerativer Brennstoff eingesetzt werden kann.

Die oft zitierten Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind ebenfalls Elektrofahrzeuge mit einer kleineren Batterie als Pufferspeicher, in denen der Strom in einer Brennstoffzelle erzeugt wird. Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff in Wasser um und erzeugen dabei Strom, der Wasserstoff kann entweder rein sein, oder aber in Form von Methan als Gas gebunden vorliegen. Aktuell haben Brennstoffzellen für den Individualverkehr noch diverse Nachteile: effiziente Brennstoffzellen arbeiten bei sehr hohen Temperaturen (auch wenn man von „kalter Verbrennung“ spricht), die Speicherung von Wasserstoff oder Methan im Auto ist aus Gründen des Explosionsschutzes nicht ganz einfach, die Betankung entsprechend nicht unproblematisch, und von einer flächendeckenden Versorgung mit Wasserstoff ist man noch weit entfernt. Dennoch sollte das Thema nicht übersehen werden: vor allem im Transportgewerbe, wo hohe Reichweiten gefragt sind und eine Tank-Infrastruktur an wenigen zentralen Punkten aufgebaut werden kann, ist die Brennstoffzelle auch im mobilen Bereich ein Thema. Speziell Toyota und Mitsubishi bieten jedoch auch heute schon Wasserstoff-Fahrzeuge, die über Brennstoffzellen Strom erzeugen, kommerziell an.

Ladetechnik

Sobald ein Fahrzeug an einer Ladestation eingesteckt werden kann, benötigt es Strom. Da die Batterien moderner Fahrzeuge mit ihren Steuereinheiten hochkomplexe Bauteile sind und die benötigte Leistung weit über das hinausgeht, was Kühlschränke oder Wärmepumpen brauchen, ist es mit einem einfachen Haushaltsstecker nicht getan. Zudem prüft das Fahrzeug, ob das, was ihm an Strom angeboten wird, auch tatsächlich benötigt wird, ob die technischen Voraussetzungen stimmen, und dazu ist eine Steuereinheit auch auf Seite der Steckdose notwendig, die mit dem Fahrzeug kommuniziert. Diese Steuereinheit, der Controller, ist das wichtigste Element in der Ladestation. Aber schauen wir uns zuerst die grundlegenden Begriffe der Ladetechnik an.

AC – DC

Der Akku im Auto benötigt Gleichstrom, in unserem Netz fliesst Wechselstrom. An irgendeiner Stelle muss also der Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom umgewandelt werden.

Jedes Elektrofahrzeug besitzt einen kleineren oder grösseren fest eingebauten Gleichrichter samt Steuerelektronik. Damit kann man von der Haushaltssteckdose oder einer der üblichen Ladestationen Wechselstrom beziehen, das Auto wandelt ihn selber in Gleichstrom um und speist damit die Batterie. Da diese Umwandlung Wärme erzeugt und die Gleichrichter samt Elektronik teuer und schwer sind, sparen die Hersteller hier: oft kann man nur über 1 der 3 Phasen laden (das entspricht der 230 V Haushaltssteckdose), damit können maximal 3.7 kW geladen werden. Beispiele hierfür sind der e-Golf von Volkswagen, der Opel Ampera sowie aktuell noch alle japanischen Fahrzeuge, da es dort sowieso kein 3-phasiges Netz gibt.

Renault Zoe, die Smart-Modelle mit „Schnellader“, die neueren BMW i3 oder Mercedes B250e laden dagegen auf allen 3 Phasen unseres Stromnetzes (400V), so sind zwischen 11 kW (Mercedes, BMW) und 22 kW Ladestrom möglich, einige Zoe-Modelle gehen sogar bis 43 kW.

Schnelladen im heute üblichen Sinn bedeutet im Vergleich zum Wechselstrom-Laden, dass der Gleichrichter samt Steuerelektronik in der Ladestation sitzt, der Stecker der Station liefert also «fertigen» Gleichstrom für die Batterie des Autos. Diese Stationen haben damit jedoch ihren Preis, da nun sowohl der Wechselrichter als auch ein grosser Teil der Steuerung in jeder Ladestation steckt. Das aktuell bekannteste Beispiel dafür sind Teslas Supercharger, sie laden mit bis zu 135 kW (allerdings nur Teslas). Der e-Golf, der bei Wechselstrom nur 3.7 kW Ladestrom schluckt, kann über eine Gleichstrom-Ladestation 40 kW laden. Bei einigen Fahrzeugen wie dem Smart ist DC-Laden überhaupt nicht möglich, andere bieten es serienmässig, ansonsten kann es in einigen Fällen als Option bestellt werden. Und höhere Leistungen sind im Kommen: in Melide TI steht bereits eine Station, die bis 150 kW laden kann, 250 kW sind in der Entwicklung und werden in den nächsten Jahren vor allem entlang der Autobahnen und Hauptverkehrsknotenpunkten aufgestellt.

Steckertypen

Es gibt im Bereich der aktuellen Serienfahrzeuge in unseren Breitengraden genau 4 Steckertypen, genauer 2 + 2. Die beiden „Gruppen“ ergeben sich aus dem Ladestandard, der auf Grund der Unterschiede in den Stromnetzen zwischen Europa, Asien und den USA entstanden ist.

Je „Gruppe“ bzw. Standard gibt es einen Stecker für AC-Laden (also Wechselstrom) sowie einen für Gleichstrom (DC).

Typ 2 und CCS

Typ 2 (auch Mennekes-Stecker, nach der Firma, die ihn entwickelt hat) ist der europäische Standard für das Wechselstrom-Laden. Jeder Volkswagen, Mercedes, BMW, Audi, Opel oder Renault Zoe besitzt eine passende Steckdose. Über den Stecker vom Typ 2 können alle 3 Phasen übertragen werden, das Auto entscheidet, ob es alle 3, nur 2 oder gar nur eine Phase nutzen kann. Da die meisten europäischen Stromnetze 3-phasig sind, ist absehbar, dass sich der Stecker vom Typ 2 als Standard etabliert. Praktisch alle öffentlichen AC-Ladestationen in der Schweiz, Österreich und Deutschland besitzen auch heute schon ausschliesslich Typ 2 Steckdosen. Zudem sind AC-Ladesäulen günstig in der Herstellung, robust und unproblematisch im Betrieb.

Fahrzeuge, die auf das DC-Schnellladen ausgelegt sind, haben eine CCS-Steckdose. Diese integriert den Typ 2 Anschluss und bietet dazu zwei zusätzliche Kontakte für den Gleichstrom. CCS ist gewissermassen der europäische Schnelllade-Standard. Baulich interessant ist, dass bei CCS die AC-Steckdose integriert ist, also nur ein Anschluss für beide Stecker AC und DC erforderlich ist.

Typ 1 und CHAdeMO

Analog zu Typ 2 und CCS wurden diese beiden Stecker in Japan und den USA vor dem Hintergrund der dortigen 1-phasigen Stromnetze entwickelt: Typ 1 für das Wechselstrom-Laden, CHAdeMO für das Gleichstrom-Laden.  Anders als bei CCS besitzt ein entsprechendes Fahrzeug zwei Steckdosen nebeneinander.

Da in den meisten europäischen Ländern über eine einzelne Phase nur 3.7 kW gezogen werden dürfen (die Phasen dürfen nicht zu einseitig belastet werden, d.h. wenn über die beiden anderen Phasen des 3-Phasen-Netzes kein Strom fliesst, führt das Laden auf nur einer Phase zu einer «Schieflast», die die Netzstabilität beeinträchtigen kann), sind die Ladezeiten mit diesen Fahrzeugen an den normalen öffentlichen AC-Ladestationen sehr lang. Abhilfe schafft DC-Laden: je nach Fahrzeug sind via CHAdeMO bis zu 100 kW möglich, allerdings gibt es von den grossen DC-Ladestationen mit Steckern für jedes System nur sehr wenige in der Schweiz und im angrenzenden Ausland.

Grundsätzlich kann jedoch jedes Fahrzeug, das über Typ 1 laden muss, via Adapter sowohl an eine Typ 2 Steckdose als auch an ein Kabel mit Stecker Typ 2 angeschlossen werden. Zertifizierte und geprüfte Adapter sind im Online-Handel einfach erhältlich.

Sonstige Standards

Die ersten Generationen elektrischer Leichtfahrzeuge wie das Twike waren nicht für die heutigen Ladesäulen-Standards gerüstet, sondern wurden direkt an regulären Steckdosen geladen. Für diese Fahrzeuge, aber auch für e-Bikes, Elektroroller etc., sollte jede gute Ladesäule eine sogenannte T23-Steckdose besitzen, d.h. eine Haushaltssteckdose, die bis 16 A abgesichert ist und so auch diesen Fahrzeugen Strom liefern kann.

Tesla

Eine eierlegende Wollmilchsau sind die Tesla-Modelle: die bisherigen Typen S und X können praktisch an jeder Steckdose laden, entweder direkt (Typ 2), oder via Kabel-Adapter. Sogar an einer roten Industriestreckdose können direkt angeschlossen werden, da notwendige Controller zur Ladesteuerung schon im Fahrzeug vorhanden ist.