Elektromobilität

Um den vollständigen geschichtlichen Verlauf der Elektromobilität und seine Ursachen zu erläutern, wurde die folgende historisch basierte Analyse in fünf Teilaspekte gegliedert. Im ersten Schritt wird die Ausgangssituation der Analyse in Abschn. 1.1 dargestellt. Sie ist durch die Fragestellung nach der Ursache des Aufstiegs und der langjährigen Dominanz des Verbrennungsmotors gekennzeichnet, der ursprünglich in Konkurrenz zum elektrischen Antrieb stand. Dieser Vorrang mündete in einem Paradigma zugunsten des Verbrennungsmotors. Die Erklärung jener Paradigmenbildung erfolgt in Abschn. 1.2 – mit Blick auf die zeitgeschichtlichen Umstände. Die Technologie elektrischer Antriebe hatte trotz des Verbrennungsmotoren-Paradigmas kontinuierlich in Spezialanwendungen Bestand, wodurch das Know-how rund um diese Technologie erhalten geblieben ist. Die Gründe dafür und der Einfluss dieses Aspekts sind in Abschn. 1.3 beschrieben. Der in den 1990er-Jahren aufkommende Aufschwung der elektrischen Antriebstechnologie in mobilen Anwendungen und deren Etablierung als Zieltechnologie für künftige Mobilität ist Inhalt des Abschn. 1.4. Die bei dieser Entwicklung relevanten Aspekte und Erscheinungsformen werden schrittweise erläutert. Die Tragweite und die Umstände, welche die Elektromobilität zum aktuellen Zeitpunkt und in der prognostizierbaren Zukunft kennzeichnen, sind Gegenstand von Abschn. 1.5. Es stellt den Abschluss der Analyse dar und verdeutlicht, weshalb Elektromobilität als Schlüssel zu einer nachhaltigen Mobilität gelten darf.

Anders als bei der generellen Skepsis, ob Elektromobilität jemals eine Rolle im (inter-)nationalen Automarkt spielen wird, sind aktuelle Herausforderungen für die E-Mobilität immer konkreter Natur. Die wichtigen Treiber – Kosten, technologische Hürden sowie produktionstechnische Fragestellungen – werden folglich nicht mehr als potenzielle Ausschlusskriterien betrachtet, sondern als Stellhebel für eine Verbesserung der Marktpenetration im klassischen Zielkorridor „Qualität, Zeit und Kosten“. Technologische Hindernisse und unsichere Technologieentwicklungen spiegeln nach wie vor die Komplexität der Elektromobilität wider und sind sowohl auf Komponenten- als auch auf Gesamtfahrzeugebene äußerst vielschichtig. Vor allem im produktionstechnischen Kontext trägt dies potenziell zu einem Wandel der OEM- und Zuliefererindustrie bei – beziehungsweise zu einer Veränderung der Wertschöpfungsstruktur, die sich im Markt der Verbrennungsmotor-Fahrzeuge etabliert hat. Auf der Kostenseite wird eine Pareto-Situation zwischen den konventionellen und den elektrifizierten Antriebstopologien angestrebt – und teilweise schon erreicht. Auf der Reduktion der Kosten – insbesondere im Bereich des Hochvoltspeichers – liegt immer noch das Hauptaugenmerk der branchenübergreifenden Bemühungen zur nachhaltigen Festigung der Elektromobilität auf dem Weltmarkt.

Elektromobilität besitzt das Potenzial, den Verkehr vollständig CO2-frei, abgasfrei und ressourceneffizient zu gestalten. Da der Verkehrssektor im Jahr 2019 nach der Energiewirtschaft und der Industrie noch für ein Fünftel der deutschen Treibhausgasemissionen verantwortlich war, ist schnelles Handeln unabdingbar. Die Vorteile der Elektromobilität wurden nach einigem Zögern der Industrie und der Politik in den 2010er-Jahren nun gemeinhin erkannt. Die E-Mobilität ist längst keine Zukunftstechnologie mehr, sondern hat mittlerweile den Weg aus der Grundlagenforschung hinein in die Großserie gefunden. Ausgehend von der aktuellen Marktsituation erörtert das folgende Kapitel die Perspektiven und die aktuellen Bestrebungen der unterschiedlichen Akteure – Verbraucher, Politik, Automobilindustrie und Energiewirtschaft.

Elektromobilität ist mehr als ein mittels Batterie angetriebenes Fahrzeug. Elektromobilität bedeutet im engeren Sinne zunächst eine elektrisch angetriebene Fortbewegung, unabhängig von der konkreten Wahl eines Verkehrsmittels und der gewählten Form der Energiespeicherung. Dementsprechend wird mit diesem Begriff die gesamte Bandbreite von „Last-Mile“-Unterstützungen im Individualverkehr etwa mit Elektrorollern (Scooter) bis hin zu großen Transportsystemen für Personen und Güter wie Lastkraftwagen oder Züge abgedeckt.

Um sowohl Treibhausgas-Emissionen zu verringern als auch Kraftstoffressourcen zu schonen, wird zunehmend an einer Transformation konventionell angetriebener Kraftfahrzeuge hin zu elektrifizierten Antriebskonzepten gearbeitet. Basierend auf herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wurde eine Vielzahl neuer Antriebssysteme mit verschiedenem Elektrifizierungsgrad entwickelt. Mitte der 1990er-Jahre kamen erste Fahrzeuge mit einem Hybridantrieb auf den Markt. Die Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor erlaubt eine Verbrauchsreduktion und Bremsenergierückgewinnung sowie lokal emissionsfreies Fahren.

Das entscheidende Differenzierungsmerkmal eines Elektrofahrzeugs gegenüber einem konventionellen Fahrzeug ist der Antriebsstrang. Die folgenden Ausführungen befassen sich mit der elektromobilspezifischen Veränderung des Antriebsstrangs sowie den einzelnen Komponenten. Im Fokus stehen dabei der Hochvoltspeicher, die elektrische Maschine sowie die für den Betrieb notwendige Elektronik. Darüber hinaus werden Anordnungsstrategien der Elektromobilkomponenten im Fahrzeug diskutiert, da sich durch die kompakte Bauweise der Komponenten neue Freiheitsgrade ergeben.

Lithium-Ionen-Batterien sind der Schlüssel für eine weitreichende Hybridisierung und Elektrifizierung von Antrieben in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Um das von der Bundesregierung gesetzte Ziel der Reduktion der CO2-Emissionen im Mobilitätsbereichs bis 2030 um mehr als 40 % gegenüber 2020 zu erreichen, rechnet die „Nationale Plattform Mobilität“ für Deutschland mit einem Anteil von 80 % elektrisch angetriebener Fahrzeuge am Neuwagenmarkt im Jahr 2030. Ein kleinerer Teil der Neuwagen wird dann Plug-in-Hybride und der Großteil batterieelektrische Fahrzeuge sein. Nach aktuellem Kenntnisstand werden Brennstoffzellenfahrzeuge bis 2030 keinen signifikanten Anteil erreichen. Während bis 2030 voraussichtlich der Großteil der Batterien der Lithium-Ionen-Technologie zuzuordnen sind, so gibt es innerhalb der Technologie inzwischen doch ein hohes Maß an Ausdifferenzierung von Eigenschaften, so dass für jede Anwendung eine darauf zugeschnittene Zelltechnologie bereitsteht. In diesem Kapitel wird die Lithium-Ionen-Batterietechnologie mit ihren unterschiedlichen Ausprägungen und deren Leistungseigenschaften vorgestellt und ein Ausblick auf Weiterentwicklungen gegeben, die in den kommenden Jahren eine Rolle spielen könnten. Für verschiedene Anwendungsbereiche werden Belastungsprofile samt Lebensdaueranforderungen diskutiert und darauf aufbauend Fragestellungen des Batteriesystemdesigns inklusive der Batteriemanagementsysteme betrachtet.

Bereits im Jahr 1839 wurde das Prinzip der Brennstoffzelle durch Christian Friedrich Schönbein und Sir William Grove entdeckt. Obwohl diese Form der elektrochemischen Energiewandlung demnach schon länger bekannt ist als beispielsweise der heutige Verbrennungsmotor, konnte die Brennstoffzelle über viele Jahrzehnte hinweg keine wirtschaftliche Relevanz erzielen. Kommerziell kam die Brennstoffzelle erstmals in den 1960er-Jahren im Raumfahrtprogramm der NASA zum Einsatz. In den folgenden Jahrzehnten wurden verschiedene Typen für zahlreiche Anwendungen entwickelt. Diese Typen mit einem Fokus auf mobile Anwendungen werden in Abschn. 8.1 beschrieben. Heute ist die PEM-Brennstoffzelle der für mobile Anwendungen relevanteste Typ, so dass dessen Funktionsprinzip in Abschn. 8.2 erläutert wird. Der Aufbau von vollständigen Brennstoffzellensystemen wird abschließend in Abschn. 8.3 beleuchtet.

Die elektrische Maschine repräsentiert physikalisch einen Energiewandler. Dabei wird zwischen nicht rotierenden elektrischen Maschinen und rotierenden elektrischen Maschinen mit bewegenden Hauptelementen unterschieden. Allen elektrischen Maschinen ist gemeinsam, dass sie in ihrem Aufbau über einen magnetischen Kreis verfügen, der für die Funktionsweise wesentlich ist.

Leistungselektronische Wandler sind die Bindeglieder zwischen den elektrischen Energiequellen, Verbrauchern und Speichern in Elektrofahrzeugen. Unter anderem steuern sie sämtliche Leistungsflüsse, wandeln Gleich- und Wechselspannungen ineinander um, passen Spannungsniveaus an oder treiben Elektromotoren an. Verlustarme und kostengünstige leistungselektronische Wandler spielen daher eine Schlüsselrolle für die Elektromobilität. In diesem Kapitel werden zunächst die Grundzüge der Leistungselektronik im Allgemeinen vorgestellt, gefolgt von den einzelnen leistungselektronischen Komponenten – zum Beispiel des Ladegeräts – in Elektrofahrzeugen.

Das Thermomanagement muss sich einer Vielzahl von Anforderungen stellen, um sowohl den Komfort für Passagiere gewährleisten zu können als auch die maximale Sicherheit bei der Reichweitenoptimierung zu erzielen. Daraus entstehende Herausforderungen im Energie- und Thermomanagement von Elektrofahrzeugen gilt es mit interdisziplinären Thermomanagementsystemen zu lösen. Es geht dabei nicht nur um die Gewährleistung thermischer Behaglichkeit im Innenraum wie im Verbrennungskraftfahrzeug, sondern auch darum, die Systeme des Antriebsstrangs innerhalb der Betriebstemperaturgrenzen zu halten. Durch die unterschiedlichen Anforderungen an die genannten Betriebstemperaturen, die wechselnde Richtung der Wärmeströme, geringe Temperaturgradienten und die Relevanz für die Systemsicherheit kann das Thermomanagementsystem von Elektrofahrzeugen nur mit Hilfe interdisziplinärer Ansätze konsequenter Innovation gemeistert werden.

Im Zuge des Industrialisierungsprozesses haben methodische Bausteine eine signifikante Bedeutung erlangt. Diese Bausteine liegen entlang des Produktentwicklungszyklus und sind grundsätzlich unabhängig vom betrachteten Produkt. Mit Blick auf die Elektromobilität gilt es jedoch, während der unterschiedlichen Schritte spezifische Herausforderungen zu adressieren. Anlaufmanagement, Anlaufstrategie und Anlauforganisation beispielsweise erhalten einen besonderen Stellenwert, da Produkt und Prozesse im Rahmen der Elektromobilität von unscharfen Interdependenzen und teils unterschiedlichen technischen Reifegraden charakterisiert sind. Ein weiteres Beispiel bildet das Lieferantenmanagement: Es muss die veränderte Wertschöpfungskette innerhalb der Elektromobilität vor allem im Hinblick auf neue Marktteilnehmer – besonders im asiatischen Raum – berücksichtigen. Dieser und weitere methodische Bausteine werden im Folgenden beschrieben.

Heutzutage ist die Flexibilität und Anpassung von Produktionssystemen in Abhängigkeit von der Stückzahl ein zunehmend wichtiger Bestandteil im Herstellungsprozess. Insbesondere der Trend zu neuen Antriebstechnologien und der Wandel weg vom klassischen Verbrennungsmotor zielen auf zunächst kleinserielle oder prototypische Produktionsmengen. Dabei sind niedrige Herstellungskosten seitens der industriellen Produzenten wünschenswert. Herstellungsverfahren gleicher Komponenten können aus wirtschaftlicher Sicht je nach Losgröße stark variieren. Ein Verfahren für Großserien eignet sich keinesfalls für eine Prototypenproduktion. Zudem führen die heutigen Entwicklungen zu produktspezifischen Anforderungen, die mit den Standard-Produktionsverfahren nicht effizient realisierbar sind. In Verbindung mit „Industrie 4.0“-Ansätzen wird eine flexiblere Produktionsplanung mit den entsprechend optimalen Herstellungsverfahren erwartet. Dabei treten als Fertigungsverfahren im Automobilbereich die Kunststoff- und die Metall-Teileproduktionen in den Vordergrund. Die Wahl des richtigen Herstellungsverfahrens erfordert eine effiziente Bewertung der Produktionsmenge. Das Hauptaugenmerk liegt dabei zunächst bei der Produktionsplanung auf der Außenhautkomponente und ihrer Stückzahl, woraufhin die weiterführenden Kostenbilanzierungen für ein bestimmtes Szenario folgen. Daraus ergibt sich eine angepasste Produktionsplanung, die es erlaubt, eine Aussage über ein geeignetes Herstellungsverfahren zu treffen. Im Fokus der Kunststoff-Teileproduktionen stehen in Abhängigkeit von der Stückzahl das Handlaminieren, das Thermoformen, das Spritzgießen und das SMC-Pressen. Die metallischen Verarbeitungswerkstoffe erfordern ebenfalls eine Analyse des Herstellungsszenarios für die Komponentenproduktion, weil hier eine vielfältige Auswahl von Verarbeitungstechniken zur Verfügung steht. Von besonderer Relevanz sind die Baugruppen Vierkant-Hohlprofil, Stirnwand, Space-Frame-Knoten und Federbeinaufnahmen. Neben dem eigentlichen Herstellungsverfahren liegt im Fügen von Außenhaut und Karosserie eine weitere Herausforderung. Die wesentlichen Anforderungen – so wie die Verbindung von Elementen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften – bedürfen verschiedener Lösungen. Automobilhersteller streben dabei unter anderem Gewichtsreduktionen bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit an, was zu weiteren Eingrenzungen führt. Das Fügen von Außenhaut und Karosserie benötigt somit Verfahren, die über die etablierten Methoden wie Laserschweißen und Widerstandsschweißen hinausgehen. Auf ebendiese – beispielsweise Kleben, Löten und mechanische Verfahren – wird im vorliegenden Kapitel ebenfalls näher eingegangen. Ein Fokus liegt dabei auf der Produktion von Elektromobilfahrzeugen und deren Fügemethoden.

Rapide steigende Absatzzahlen auf globalen Märkten, verbunden mit der Forderung nach zunehmender Derivatevielfalt, verleihen der Auslegung der Produktionsprozesse von Elektrofahrzeugen zentrale Bedeutung. Die Produktionsplanung muss die Voraussetzungen dafür schaffen, dass sich die Produktion in den gesetzten Korridoren flexibel an die aktuell gegebene Kundennachfrage anpassen lässt. Die Wandlungsfähigkeit von Produktionssystemen ist ein zentraler Fokus. Neben den Fertigungsprozessen für die Einzelkomponenten selbst bilden dafür vor allem die Montageprozesse der Fahrzeuge wesentliche Stellhebel.

Die Bereitstellung der elektrischen Antriebsenergie erfolgt in batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) derzeit überwiegend durch Lithium-Ionen-Batteriesysteme. Diese Systeme bestehen aus Batteriemodulen und Batteriezellen in unterschiedlichen Formaten. Das Batteriesystem ist dabei eine Schlüsselkomponente des Elektrofahrzeugs und beeinflusst maßgeblich die Reichweichte sowie die Performance. Außerdem macht das Batteriesystem einen Großteil der Kosten von heutigen Elektrofahrzeugen aus. Um im internationalen Wettbewerb langfristig erfolgreich zu sein, müssen Hersteller von Elektrofahrzeugen daher bereits in der Entwicklung und Produktion von Batteriesystemen Qualitäts- und Kostenpotenziale ausschöpfen. Darüber hinaus wird eine nachhaltige Produktion von Batteriezellen, -modulen und -systemen besonders in Europa in den kommenden Jahren immer wichtiger.

Die Wertschöpfungskette von Brennstoffzellensystemen kann im Wesentlichen in drei übergeordnete Schritte unterteilt werden. Im ersten Schritt werden die Komponenten der Brennstoffzelle hergestellt, die den Kern des elektrochemischen Systems bilden. Die Produktion dieser Komponenten wird in Abschn. 16.1 erläutert. Im zweiten Schritt erfolgt die Fertigung des Brennstoffzellen-Stacks, innerhalb dessen die Komponenten zu Zellen assembliert und in Reihe verschaltet werden. Dieser Produktionsprozess ist Gegenstand von Abschn. 16.2. Abschließend wird in Abschn. 16.3 der dritte Schritt beschrieben: die Assemblierung des Brennstoffzellensystems.

Unabhängig von der Art der Energiebereitstellung, sei es durch einen Hochvoltspeicher wie einer Lithium-Ionen-Batterie oder durch eine Brennstoffzelle: Im elektrifizierten Fahrzeug sind eine oder mehrere elektrische Maschinen für den Antrieb verantwortlich. Wie in Kap. 9 eingeführt, gibt es unterschiedliche Motortopologien. Aufgrund der besonderen produktbezogenen Bedeutung des Blechpakets der elektrischen Maschine wird im folgenden Kapitel das Herstellungsverfahren thematisiert. Aus produktionstechnischer Sicht ist insbesondere die Rotorproduktion als Differenzierungsmerkmal zwischen diesen Topologien zu beachten. Dabei werden auch unterschiedliche Möglichkeiten betrachtet, Technologien zur Produktion des Stators der elektrischen Maschine miteinander zu kombinieren. Aufgrund ihrer steigenden Bedeutung im Kontext der Traktionsanwendung im elektrischen Fahrzeug wird ein Hauptaugenmerk auf die Flachdraht-Technologie („Hairpin“) gelegt. Abschließend werden die Qualitätssicherung in der Produktion elektrischer Maschinen und unterschiedliche Aspekte der Montage beschrieben.

In diesem Kapitel werden der Aufbau und potenzielle Produktionsausführungen der verschiedenen leistungselektronischen Komponenten erläutert. Dabei wird auf die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) von Leistungshalbleitern, auf die verschiedenen Optionen der Kühlung sowie auf die potenziellen Ausführungen von passiven Bauelementen und Treiberschaltungen eingegangen. Zuletzt werden Maßnahmen zum Schutz vor elektrostatischer Entladung während der Produktion vorgestellt.

Kostensenkungen in der Automobilindustrie werden häufig durch das Generieren von Skaleneffekten oder Produktivitätssteigerungen durch Lerneffekte erzielt. Angesichts bereits hocheffizienter Produktionsprozesse in der Automobilindustrie ist das darin liegende Potenzial heute jedoch für den Durchbruch der Elektromobilität nicht ausreichend. Effizienzsteigerungen sind deshalb auch in den vorgelagerten Bereichen der Entwicklung notwendig, um Elektrofahrzeuge wirtschaftlich herstellen zu können. Dies beginnt mit einem gezielten Kompetenzaufbau, bezogen auf die Komponententechnologie sowie deren Fertigung. Dafür bietet es sich an, Zulieferer mit den entsprechenden Kompetenzen in die Spezifikation und die Gestaltung des Produkts einzubinden und Wertschöpfungsbeiträge entsprechend zu vernetzen. Hinsichtlich der Prozessgestaltung ist für die Elektromobilproduktion von besonderer Bedeutung, dass Skalierungsmöglichkeiten für die Produktionsprozesse vorgehalten werden. Ziel dabei ist es, im Verlauf der Serienfertigung auf Stückzahlsteigerungen reagieren zu können. Damit diese Herausforderungen gelöst werden können, bedarf es Lösungsstrategien in der Produktentstehung der Elektromobilität. Diese werden in den folgenden Kapiteln erläutert. Ziel dabei ist es, durch erhöhte Systemkompetenz, Reaktionsfähigkeit auf Marktentwicklung und flexible Skalierbarkeit auf Technologieebene künftige Elektromobile immer effizienter zu entwickeln (vgl. Abb. 19.1).

Im Produktentwicklungsprozess wird das methodische Vorgehen der Produktenwicklung definiert. Sie wird in der Regel in einem Projektumfang durchgeführt. Dabei bildet der Produktentwicklungsprozess die Grundlage für das Projektmanagement. Im Bereich der Fahrzeugentwicklung können diese Projekte eine neue Baureihe, eine neue Fahrzeuggeneration oder eine Modellpflege sein.

Regulatorische Vorgaben dienen sowohl der Nutzergruppe als auch dem produzierenden Unternehmen. Da zum Erfolg der Elektromobilität die breite Akzeptanz in der Gesellschaft essenziell ist, schaffen gesetzliche Anforderungen einen Rahmen, um die Funktionalität, die Kompatibilität und die Sicherheit des Produktes zu gewährleisten. Gleichzeitig wird den Unternehmen durch Marktharmonisierung und Konformitätsvorgaben der Rahmen zur erfolgreichen Teilhabe an der Elektromobilität vorgegeben. Diese sind entsprechend verpflichtet, einen Nachweis gegenüber Technischen Prüfstellen und Diensten zu erbringen. Je nach Fahrzeugklasse und Zulassungsart können die Vorgaben variieren. Dabei gilt es, verschiedene Normen und Standards zu erfüllen, die aus dem unabdingbaren, interdisziplinären Austausch zwischen den Domänen Automobiltechnik, Elektro- und Energietechnik sowie Informations- und Kommunikationstechnik hervorgehen. Durch elektromobilitätsspezifische Systemkomponenten und der Hochvolt-Spannungsebene im Fahrzeug legen die Vorschriften ein besonderes Augenmerk auf deren sicherheitstechnische Erfüllung. Bekannte Themenfelder – etwa wie Noise, Vibration und Harshness (NVH) oder die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – stellen die Entwicklungsabteilungen aufgrund der „lautlosen“ Elektromobilität und der hohen Spannungsebene vor Herausforderungen. Neben den Regelungen auf Gesamtfahrzeugebene liegt in der Elektromobilität der Fokus vor allem auf den Einzelkomponenten, beispielsweise der Antriebsbatterie oder den Hochvolt-Steckverbindungen. Insbesondere wegen der hohen Energiedichten gelten für die Antriebsbatterien strenge, länderspezifische Vorgaben, die für die Zulassung notwendig sind. Nur durch eine enge entwicklungsbegleitende Absicherung kann die Antriebsbatterie den gesetzlichen Anforderungen entsprechend auf den Markt gebracht werden.

In Europa und vielen anderen Regionen wird die Elektromobilität nicht in einer Frühphase der Mobilitätsentwicklung eingeführt, so dass sich die Entwicklung der Verkehrsnachfrage von vorneherein an den Gegebenheiten der E-Mobilität ausrichten könnte. Stattdessen löst sie etablierte Strukturen in existierenden Verkehrssystemen ab. Sie wird gewissermaßen in ein bereits existierendes Ökosystem des Verkehrs eingeführt. Es ist nicht zu erwarten, dass sich die Grundstrukturen des Mobilitätssystems in Gesellschaften mit hochentwickelter Mobilitätsnachfrage sehr schnell an die Rahmenbedingungen der Elektromobilität anpassen. So gehört etwa die Möglichkeit der Fernfahrten mit dem Pkw zu einer etablierten Gewohnheit. Wenn Elektrofahrzeuge solche Bedürfnisse infolge von Reichweitenbeschränkungen nicht erfüllen, ist eine Verlagerung auf andere Verkehrsmittel nur bedingt zu erwarten. Stattdessen muss diese Lücke über Ladeinfrastruktur geschlossen werden. In Ländern, denen das Wachstum der Verkehrsnachfrage zu großen Teilen noch bevorsteht und in denen etwa Fernfahrten mit dem Pkw noch nicht etabliert sind, könnte diese Entwicklung in den nächsten Jahren anders verlaufen.

Trotz ihrer bisher weiterhin geringen Marktdurchdringung sind Elektrofahrzeuge bereits heute in vielen verschiedenen Einsatzfeldern vorzufinden. Für die kommenden Jahre ist in allen Bereichen mit einem deutlichen Bedeutungszuwachs der Elektromobilität zu rechen. Die folgenden Unterkapitel widmen sich der Etablierung der Elektromobilität in der Individualmobilität von Privathaushaushalten, im öffentlichen Verkehr, in Mobilitätskonzepten und im Wirtschaftsverkehr.

Je nach Anwendungsfall können bei der Ladung von Elektrofahrzeugen sehr unterschiedliche Technologien zum Einsatz kommen. Abb. 24.1 zeigt eine Übersicht der gängigen Anwendungsszenarien sowie der zugehörigen Technologien. Bei der Ladung zu Hause kommen langsame AC-Ladungen mit typischerweise bis zu 11 kW zum Einsatz, die auf vergleichsweise schlanke Systeme ohne viele IT-Schnittstellen setzen. Im öffentlichen Raum werden an AC-Ladern hingegen mittelgroße Leistungen von 11 kW oder 22 kW abgegeben. Diese Installationen müssen außerdem über verschiedene Kommunikations- und Authentifizierungsmöglichkeiten verfügen. DC-Schnelllader mit Ladeleistungen oberhalb von 50 kW sind aufgrund der hohen Leistungen generell deutlich teurer und erfordern ähnliche IT-Standards wie auch die AC-Lader. Die verschiedenen in Abb. 24.1 dargestellten technischen Komponenten werden in den folgenden Unterkapiteln genauer beleuchtet.

Der heute dominierende, an vergleichsweise wenigen Standorten gebündelte Prozess der Energieaufnahme konventioneller Fahrzeuge in Form des Tankens dürfte durch die Elektromobilität auf vielfältige Weise dezentralisiert werden. Elektrofahrzeuge können an verschiedenen Standorten, an denen Strom verfügbar ist, geladen werden. Allerdings stehen nicht alle Lademöglichkeiten auch allen Fahrzeugen zur Verfügung.

Die Planung neuer Ladeinfrastruktur und die zu erwartende Nutzung basieren derzeit primär auf Simulationsmodellen wie Agenten-Modellen, Verkehrsmodellen und Ähnlichem sowie auf Umfragedaten. Mit fortschreitendem Hochlauf der Elektromobilität stehen als zusätzliche Säule auch reale Nutzungsdaten in immer größerer Zahl zur Verfügung. Diese Daten lassen sich verwenden, um genutzte Modelle zu validieren und Effekte zu entdecken, die in den bisherigen Methoden nicht sichtbar sind. In diesem Kapitel wird der aktuelle Stand der Ladeinfrastrukturnutzung in Deutschland nach Infrastrukturart aufgezeigt. Bei privater Ladeinfrastruktur zeigt sich dabei eine erhöhte Nutzung vor allem am späten Nachmittag und Abend, wobei eine Leistungsverschiebung in die Nacht hinein ohne signifikante Komforteinbußen möglich ist. Öffentliche AC-Ladeinfrastruktur wird insbesondere nach der Ankunft am Arbeitsplatz genutzt. DC-Schnelllader wiederum finden für kürzere Zeiträume über den Tag hinweg Anwendung. Die Ladeprofile elektrischer Fahrzeugflotten sind dabei stark vom Einsatz der Fahrzeuge im jeweiligen Sektor abhängig. Durch eine planmäßige Nutzung der Fahrzeuge lässt sich die Ladung in der Regel gut planen.

Vor allem aufgrund der laufenden Energiewende unterliegt die Energieversorgung in Deutschland seit der Jahrtausendwende einem stetigen Wandel. Konventionelle Kraftwerke werden durch klimafreundlichere Alternativen ersetzt, so dass mittlerweile die installierte Erzeugungsleistung von Windkraft- und Photovoltaikanlagen diejenige von Kohle-, Gas- und Kernkraftwerken deutlich übersteigt. Durch die mit dem Ziel der Dekarbonisierung betriebene Elektrifizierung des Wärme- und Mobilitätssektors beeinflussen neuartige Lasten wie E-Fahrzeuge oder Wärmepumpen zunehmend den elektrischen Energiebedarf.

Dieses Kapitel erläutert bedeutsame rechtliche Grundlagen in Bezug auf den Aufbau von Ladeinfrastruktur im öffentlichen und privaten Bereich. Aufbau und Betrieb von Ladeinfrastruktur werden regulatorisch durch zahlreiche Gesetze, Verordnungen und Satzungen bestimmt.

Die Umstellung des Straßenverkehrs auf Elektroantriebe erfordert die Errichtung von Lademöglichkeiten, die als neue Infrastruktur bereitstehen. Der Aufbau von Ladeinfrastruktur ist mit weiteren Implikationen für die Verkehrsinfrastruktur verbunden.

Der Aufbau von Infrastruktur für die Elektromobilität findet in einem Mobilitätssystem mit bestehenden Strukturen statt. Da nicht zu erwarten ist, dass die Menschen ihre Mobilitätsmuster den Rahmenbedingungen der Elektromobilität anpassen, muss sich umgekehrt das System Elektromobilität an den bestehenden Bedürfnissen der Menschen orientieren. Implikationen für die Infrastruktur für Elektromobilität ergeben sich damit vorrangig aus der Ladenotwendigkeit der Fahrzeuge und damit aus der notwendigen Ladeinfrastruktur. Das gilt sowohl für die Verkehrsinfrastruktur, etwa in Form von Ladepunkten im öffentlichen Straßenraum, als auch für die Stromnetz- und Kommunikationsinfrastruktur.

Ökologische Regulierungen und veränderte Mobilitätsbedürfnisse treiben die Entwicklung alternativer Antriebstechnologien voran. Die globale Flotte der Elektrofahrzeuge wuchs im Jahr 2020 auf drei Millionen und 4,2 % der weltweiten Fahrzeugverkäufe. Dieses Wachstum der Registrierungen von Elektrofahrzeugen um 41 % im Vergleich zum Vorjahr ist auf technologische Entwicklungen, Förderpolitik und eine allmählich zunehmende Kundenakzeptanz zurückzuführen. Für das Jahr 2030 wird der Anteil rein batterieelektrisch betriebener Fahrzeuge (BEV) bei Neuwagenverkäufen auf etwa 35 % geschätzt.

Die für ein Angebot von Elektromobilität notwendige Zusammenführung der fahrzeug- und der energiebezogenen Wertschöpfung löst die klar definierten Grenzen der industriebasierten Geschäftsmodelle zunehmend auf. Während die Produktion der Fahrzeuge sowie die Stromerzeugung und die netzbasierte Verteilung in bekannten oder nur angepassten Wertschöpfungsstrukturen stattfindet, verändern informationstechnologische Innovationen und datenbasierte Geschäftsmodelle die kundenorientierten Upstream-Wertschöpfungsschritte. Etablierte und neue Anbieter der Automobilindustrie, Unternehmen der Energiebranche sowie mobilitäts- und informationstechnologisch orientierte Start-up-Betriebe konkurrieren um einen mobilitätsorientierten Wertschöpfungsanteil, der künftig den wachstumsstärksten Bereich des Wertschöpfungssystems ausmacht (vgl. Abb. 32.1).

Das starke Wachstum der Elektromobilität aus der jüngeren Vergangenheit wird sich auch in den kommenden Jahren bis 2030 fortsetzen. Abb. 33.1 gibt einen Überblick zur Entwicklung der Verkaufszahlen von Automobilen, sortiert nach Antriebsart. Zu erkennen ist, dass die Folgen des Corona-Pandemie-Schocks bereits im Jahr 2021 insofern überwunden sind, als dass ein Wachstum in allen Antriebssegmenten zu erwarten war. 2024 soll der gesamte Fahrzeugmarkt – vorbehaltlich anderer weltweit bedeutsamer Entwicklungen – wieder sein Vorkrisenniveau erreichen. Für die Zeit ab dem Jahr 2026 wird prognostiziert, dass die Anzahl der verkauften Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zurückgeht, im Gegenzug jedoch die Verkaufszahlen für BEV und PHEV weiterhin so stark steigen, dass die Zahl der Gesamtverkäufe weiterwächst. Für 2030 wird erwartet, dass insgesamt 31,2 Mio. Elektrofahrzeuge verkauft werden. Bei einem Gesamtmarkt von knapp 100 Mio. Autos entspricht dies einem Marktanteil von rund 35 %. Insgesamt wird für das kommende Jahrzehnt eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 29 % prognostiziert.

Ein Modell ist die abstrakte Darstellung der Wirklichkeit, die sich aus Einzelelementen und deren Verknüpfungen zusammensetzt. Ein Geschäftsmodell ist demnach eine abstrahierte Darstellung der Funktionsweise eines Geschäfts. Grundlage eines Geschäftsmodells ist das Wertschöpfungsmodell. Werden wie im Fall der Elektromobilität integrierte Wertschöpfungsketten dekonstruiert, lösen sich ehemals fest verbundene Elemente der Kette voneinander. An ihren Grenzen wird ein Übergang in neue Geschäftsfelder möglich. Grundsätzlich werden drei Elemente für eine methodische Darstellung des Geschäftsmodells genutzt (Abb. 34.1).

Sowohl die Elektrifizierung des Antriebsstrangs als auch die mit der Vernetzung des Fahrzeugs erweiterten Dienstleistungsangebote eröffnen Automobilproduzenten, Energieversorgern, IT-Unternehmen und Start-up-Betrieben aus verschiedenen Bereichen die Möglichkeit, durch erweiterte und neue Geschäftsmodelle zusätzliche Wertschöpfungspotenziale zu erschließen. Unternehmen der Zulieferindustrie und der Energieversorgung weiten ihr Angebotsportfolio meist im Rahmen bestehender Geschäftsmodelle upstream und downstream aus, um ihren Anteil an Wertschöpfungspotenzialen zu erhöhen. Automobilproduzenten entwickeln parallel zu – und in Verbindung mit – ihren bestehenden Geschäftsmodellen neue Wege zur Bedienung von Kundennutzen, um zusätzliche Wertschöpfungspotenziale des in Transformation befindlichen Mobilitätssektors zu erschließen (Abb. 35.1).

Der Anteil elektrisch betriebener Fahrzeuge an der Gesamtflotte wächst getrieben durch ökologische Regulierungen, politische Anreizstrukturen und zunehmende Käuferakzeptanz rasant. Etablierte und neue Fahrzeugproduzenten passen ihre Strategien dynamisch an und bringen in diesem Jahrzehnt eine Vielzahl neuer Modelle auf den Markt.

Die lebenszyklusbasierte Nachhaltigkeitsbewertung – das „Life Cycle Sustainability Assessment“ (LCSA) – ermöglicht die Bewertung sowohl positiver als auch negativer Auswirkungen von Produkten, beispielsweise Elektro-Autos, und Dienstleistungen über deren Lebenszyklus vom Ressourcenabbau bis hin zum „End of Life“. Die LCSA-Methode ergänzt die eindimensionale Ökobilanz oder ökologische Nachhaltigkeitsbewertung (Life Cycle Assessment – LCA) um die ökonomische Dimension der Lebenszykluskostenrechnung (Life Cycle Costing – LCC) und die Sozialbilanz (Social Life Cycle Assessment – S-LCA). Der Ansatz, anhand Ökologie, Ökonomie und Sozialem alle drei Ebenen der Nachhaltigkeit miteinander zu kombinieren, geht auf die „Produktlinienanalyse“ des deutschen Öko-Instituts zurück. Daraus abgeleitet wurde der weithin akzeptierte „Triple-Bottom-Line“ (TBL)-Ansatz, den Kloepffer und Finkbeiner in den Jahren 2008 bis 2011 in eine erste Definition für „Life Cycle Sustainability Assessment“ übersetzt haben. Das LCSA-Rahmenwerk, das seit 2008/2010 genutzt wird und das auf dem dreidimensionalen Nachhaltigkeitskonzept basiert, wird durch die folgende formale Gl. (37.1) beschrieben:

Zahlreiche Länder haben sich zum Ziel gesetzt, den Anteil von Elektrofahrzeugen zu erhöhen – auch dadurch bedingt, dass eine Verringerung des Verbrauchs fossiler Ressourcen und der Umweltauswirkungen vorhergesagt wird, wenn der Wechsel von Verbrennungsmotoren zu alternativen Antriebstechnologien einschließlich Elektrofahrzeugen (Electric Vehicle – EV) gelingt. Übergeordnet hat auch die Europäische Union das Ziel ausgerufen, den Anteil der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren bis zum Jahr 2030 zu halbieren und bis 2050 gänzlich zu vermeiden. Der Absatz von Elektrofahrzeugen nimmt folglich zu, wobei China und Norwegen die Haupttreiber sind und fortwährend ein enormer Anstieg der Verkäufe prognostiziert wird. Mit steigenden Absatzzahlen bei wachsendem Interesse sowie zunehmender Relevanz von Nachhaltigkeitsthemen und -zielen steigt auch die Zahl von Ökobilanzen zu Elektrofahrzeugen, und die Frage zur Nachhaltigkeitsleistung von EV im Vergleich zu konventionellen Verbrennern wird immer wieder diskutiert.

Mit der zunehmenden Marktdurchdringung von Lithium-Ionen-Batterien für verschiedene Anwendungsfelder wächst die Anforderung, den Energie- und Materialeinsatz für diese Schlüsselkomponenten der Elektromobilität so weit wie möglich zu reduzieren. In der Automobilindustrie stellen hohe Kosten für den Energiespeicher heute noch ein wesentliches Hindernis in der weiteren Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen dar, das es zu überwinden gilt. Als Kernkomponente des E-Mobils stellt die Lithium-Ionen-Batterie (kurz: LIB oder Batterie) nicht nur das im Vergleich zu Verbrennungsmotorautos teuerste Einzelbestandteil dar, sie bestimmt außerdem wesentlich die Reichweite sowie die abrufbare Leistung respektive das Ladeverhalten. Nach einer material- und anwendungsabhängigen Zeit beziehungsweise Zyklenzahl erreichen die im Elektrofahrzeug verbauten Batteriezellen einen Zustand, in dem sie den hohen Anforderungen im Auto nicht mehr gerecht werden. Für das Ende der First-Life-Anwendung werden üblicherweise 80 % der Ausgangskapazität der Batterien angenommen. Wie Abb. 39.1 verdeutlicht, wird bei aktuellen LIB mit bis zu 4000 Zyklen (abhängig von der Zellchemie) gerechnet, bevor diese Grenze erreicht wird.

In der Literatur existieren unterschiedliche Begriffserklärungen zur Beschreibung der Wieder- und Weiterverwendungsstrategien für Traktionsbatterien. Die Definitionen des „Refurbishment“ und des „Remanufacturing“ werden teilweise synonym verwendet. Des Weiteren variieren die Prozessgrenzen in der Literatur, so dass die einzelnen Aufbereitungsstrategien mehrere oder wenige Prozessschritte umfassen können. Die Festlegung des Begriffs „Refurbishment“ wird zusätzlich durch das Problem fehlender weltweit akzeptierter rechtlicher Definitionen erschwert.

Die weltweiten Verkaufszahlen für elektrische Fahrzeuge in sämtlichen Segmenten steigen immer weiter an. Während sich die Corona-Pandemie im globalen Vergleich negativ auf die Fahrzeugmärkte ausgewirkt hat, stieg der Absatz von Elektrofahrzeugen vor allem in Europa stark. Auch die für die laufende Dekade prognostizierten Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen spiegeln dieses Bild wider. So werden bereits 2025 jährlich Batterien für rund elf Millionen E-Mobile benötigt. Dieser Wert wird sich bis zum Jahr 2030 auf etwa 30 Millionen jährliche Verkäufe fast verdreifachen. Daraus ergeben sich für Batteriesysteme unweigerlich einige Fragestellungen mit Blick auf das „End of Life“ und eine damit verbundene nachhaltige Verwertung der verbauten Komponenten und Materialien. Um den ökonomischen Kreislauf zu schließen und Batteriesysteme abhängig von ihrem Zustand in die verschiedenen Re-X-Szenarien (Re-Use, Remanufacturing, Refurbishment und Recycling) überführen zu können, gewinnt die Demontage eine immer größere Bedeutung.

Das Remanufacturing von Batterien bezeichnet die aufwendige Zerlegung von Batterien und Bestandsaufnahme des Zustands der einzelnen Komponenten. Hauptsächlich wird darunter die Analyse des „State of Health“ (SoH) der Batteriezellen beziehungsweise der Batteriemodule verstanden, jedoch auch diejenige weiterer Batteriekomponenten. Der Demontage und Analyse schließen sich Austausch, Aufbereitung und Weiternutzung der jeweiligen Bestandteile in einem neu zusammengesetzten System an. Durch die weitgehende Zerlegung und Analyse bis auf die Modulebene sowie durch den konsequenten Austausch und/oder die Aufbereitung von Komponenten, die sich in schlechtem Zustand befinden, erreicht das Batteriesystem nach dem Manufacturing nahezu die Qualität eines neuen Systems. Der Lebenszyklus der weiterverwendeten Komponenten lässt sich auf diese Weise erheblich verlängern und es können bis zu 70 % der Rohstoffe gegenüber einem neuen Produkt eingespart werden.

Die Nutzungsdauer von Batterien wird durch Konzepte zu „Second Life“, Repair, Refurbishment und Remanufacturing verlängert. Diese Ansätze befähigen dazu, die maximale Alterung aus den elektrochemischen Energiespeichern herauszuholen, bevor sie zyklisch oder kalendarisch ihr Lebensende erreichen. Zur Schließung des Batteriekreislaufs folgt die Zuführung der Akkus zum Recycling-Prozess. Die politische Forcierung des Batterie-Recyclings wird im nachstehenden Abschn. 43.1 erörtert. Es folgt ein Überblick zu den unterschiedlichen Batterie-Recycling-Verfahren, bevor der aktuelle Stand der Technik im Detail vorgestellt wird.