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Elektromobilität: Gesamtheitliche Betrachtung erforderlich

Bild 1. Dipl.-Ing. Michael Dams, Director Central Europe bei National Instruments, stellte unter anderem etwas provokant

Bild 2. Fragen rund um die Elektromobilität diskutierten: Dipl.-Ing. Michael Dams, National Instruments; Ronald Heinze, VDE VERLAG; Dr. Martin Arlt, BMW; Prof. Thomas Hamacher, TU München; Dipl.-Ing. Rahman Jamal, ebenfalls National Instruments

Bild 3. Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Thomas Hamacher vom Lehrstuhl für Energie-wirtschaft und Anwendungstechnik der TU München sieht die Elektromobilität auch in der Lehre auf einem gutem Weg

Bild 4. Dr.-Ing. Martin Arlt, Projektleiter von project i bei der BMW AG in München, betonte, dass die Hersteller bei der Entwicklung von Elektroautos auch die bisherigen Produktionsprozesse auf den Prüfstand stellen müssten

Der Technologie- und Anwenderkongress „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ (VIP) von National Instruments rund um Mess-, Automatisierungs- und Embedded-Anwendungen hat sich seit vielen Jahren als Wissensplattform etabliert. Der Kongress bietet Technologie- und Anwendervorträge mit einem breit gefächerten Themenangebot, dazu praxisnahe Workshops sowie eine Fachausstellung mit Produktpartnern und Systemintegratoren. Auf der 16. Veranstaltung VIP 2011 stellte sich eine Diskussionsrunde unter Leitung von Dipl.-Ing. Michael Dams, Director Central Europe bei National Instruments, die Frage nach der Zukunft der Elektromobilität.

Angesichts der aktuellen Fragen des notwendigen Ausbaus der Kraftwerkskapazitäten und eines notwendigen Netzausbaus im Zuge des Umbaus der Energieversorgung weg von der Kernkraft stellte Dipl.-Ing. Michael Dams, Bild 1, als Moderator der Diskussionsrunde, Bild 2, die naheliegende Frage „Gehen wir eigentlich den richtigen Weg, wenn wir den Strombedarf durch die Elektromobilität weiter erhöhen?“
Aus Sicht von Prof. Thomas Hamacher, Bild 3, vom Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der TU München sei das nicht die eigentliche Frage, da wir in den nächsten Jahren sicherlich die notwendige Energie durch Ausbau von zum Beispiel Gaskraftwerken bereitstellen könnten. Er wies aber auf einen anderen wichtigen Aspekt hin: „Die Frage lautet doch eher, ob wir den Strom auch umweltverträglich erzeugen können – und da haben wir mittlerweile erhebliche Probleme.

Zwei Aspekte sind dabei zu beachten: Zum einem, wenn wir in den kommenden Jahren in Deutschland die Kernkraftwerke abschalten werden, muss ein Großteil der Kapazitäten vorerst vor allem durch Gaskraftwerke ersetzt werden – mit voraussichtlich steigenden spezifischen CO 2-Emissionen. Eine einfache Rechnung zeigt das Dilemma: Wenn wir etwa davon ausgehen, dass wir heute in Deutschland eine Emission von 0,5 kg CO 2/kWh bei der Stromerzeugung haben und dass wir etwa 20 kWh/100 km für den Elektroantrieb benötigen, dann führt das zu einer CO 2-Emission von rund 100 mg/km; das schafft heute auch ein konventionelles Auto. Das heißt, die Elektromobilität bringt heute noch nicht viel unter dem Aspekt einer CO 2-Ersparnis, sie ist nur ein weiterer Verbraucher im Stromsystem. Die CO 2-Freiheit beim Verbrauch wird eben nicht durch eine CO 2-Freiheit in der ganzen Lebenszykluskette abgedeckt. Wir werden zwar zukünftig besser werden, aber bei der Einführungsstrategie muss man dies natürlich im Hinterkopf behalten, dass man jetzt schrittweise erst einmal das Stromsystem umbaut und dann, wenn es passt, die Elektromobilität hinzufügt.“

Dr.-Ing. Martin Arlt, Bild 4, Projektleiter von Project i bei der BMW AG in München, erläutert den Stellenwert der Elektromobilität für sein Unternehmen und verweist auf eine Vier-Säulen-Strategie: Erstens die klassischen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren und einem stetig optimierten Verbrauch; zweitens setze BMW auf Wasserstoff als Langfriststrategie, denn Wasserstoff sei als Energiespeicher viel geeigneter als Batterien. Allerdings fehle es noch an der geeigneten Infrastruktur (Tankstellen). Die notwendige Technik habe man aber auch in der Serie bereits im Griff.
Bei der Elektromobilität müsse man den Elektroantrieb aufteilen in den eigentlichen Antrieb (Motor) und die Energiespeicherung sowie Stromquelle (sei es als Batterie oder in Form von Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle). „Der Elektromotor ist unter heutigen Gesichtspunkten sicherlich der energieeffizienteste und auch wirtschaftlichste Antrieb; das Thema der Elektromobilität ist für die Autohersteller wie BMW daher heute auch ein essenzielles Thema.“

Aus Sicht von Rahman Jamal, Bild 5, Technical & Marketing Director Europe bei National Instruments, stehe die Elektromobilität im Zentrum und alle Bereiche, die ebenfalls angepackt werden müssen, seien drumherum angeordnet. Für alle Bereiche gelte, dass sie technologisch simuliert, getestet und dann später in die Fertigung überführt werden müssten. „Für alle diese Bereiche stehen die NI-Plattformen zur Verfügung. Das Stichwort lautet ‚Graphical System Design‘; damit können Anwender all diese Konzepte und Möglichkeiten designbegleitend testen und dann entsprechend umsetzen. Das heißt, die technologischen Voraussetzungen sind gegeben. So hat BMW zum Beispiel bereits vor einigen Jahren etwa das Wasserstoffauto mit der 7er-Reihe mit unseren Werkzeugen konzeptionell umgesetzt. Aus unserer Sicht sind also die technologischen Voraussetzungen hinsichtlich der Entwicklungsplattform schon vorhanden; es fehlen teilweise noch die kreativen Ideen und Innovationen, die aus der Praxis kommen. Die Werkzeuge lassen der Kreativität freien Lauf, aber umgesetzt werden müssen die Ideen von den Herstellern.“

Auf Impulse für das Zusammenwachsen von Automatisierungs- und Elektrotechnik bzw. Synergien bei Forschung und Finanzierung von Projekten für die Elektromobilität angesprochen, meinte Ronald Heinze, Chefredakteur der etz Elektrotechnik + Automation, dass die Elektroindustrie durchaus in den Startlöchern stehe und einen riesigen Markt auf sich zukommen sehe. Sie sehe sich als einzige Industrie, die von der Energieerzeugung bis zum Elektroantrieb alle wesentlichen Bestandteile der Wertschöpfungskette beinhalte. Auch der VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. habe ein legitimes Interesse an der Elektromobilität und eröffne beispielsweise ein neues Batterie- und Umwelt-Testzentrum für Elektrofahrzeuge in Offenbach/M. „Es gibt in Deutschland eine Vielzahl von Initiativen und Forschungsgemeinschaften, um Hochschulen, Industrieunternehmen und auch Energieversorger zusammenzubringen, um Grundlagenforschung zu betreiben und Technologiemodelle zu entwickeln.

Bild 5. Für Rahman Jamal, Technical & Marketing Director Europe bei National Instruments, soll Labview Academy beziehungsweise die enge Kooperation von National Instruments mit den Hochschulen das Konzept einer realitätsnahen Ausbildung unterstützen

Auf die Frage nach den Kernkompetenzen der Autohersteller angesprochen, betonte Dr. M. Arlt, dass man sich auch als Hersteller von Autos sehr wohl mit dem Elektromotor selbst für die nächsten zehn bis 15 Jahre intensiv beschäftigen müsse. Dies gelte vor allem für eine ganz neue Thematik, die ganz andere Wertschöpfungsströme aufweise. „Vieles ist zwar physikalisch seit Langem bekannt, aber man muss wissen, wie alle Komponenten, zum Beispiel Batterie, Leistungselektronik und Elektromotor, zusammenwirken, um den Gesamtwirkungsgrad zu optimieren; nur die Batteriezelle, die ‚Chemie‘, wird zugekauft.“

Da alle Konzepte der Elektromobilität ohne übergeordnete informationstechnische Konzepte nutzlos sind, stellt sich auch die Frage nach der zukünftigen Ausbildung von Elektroingenieuren. So sieht Prof. T. Hamacher die Notwendigkeit, Elektromobilität in die Lehre zu integrieren. „Wir versuchen, das Thema Elektromobilität in die Lehre einzubinden, und haben auch bereits seit vielen Jahren einzelne Vorlesungen zum Thema Elektromobilität. Aber es gibt auch noch viele andere Bereiche, die berührt werden. Die Elektrotechnik beschäftigt sich ja schon seit Langem mit der Regelung von Elektromotoren aller Größenordnungen; dazu gibt es auch entsprechende Lehrstühle und Lehrveranstaltungen, die sich mit der Leistungselektronik beschäftigen – das wird heute bereits ganz gut abgedeckt. Wir versuchen aber an der TU, das Thema Elektromobilität auch Fakultäten-übergreifend zu bearbeiten, und haben beispielsweise zusammen mit den Maschinenbauern, Betriebswirten und Designern ein Elektrofahrzeug gebaut. Wir denken auch darüber nach, wie man diese Entwicklung in Masterprogramme usw. einbinden kann. Man muss dabei allerdings vorsichtig sein: Es scheint eine Mode zu sein, heute gleich einen „Master Elektromobilität“, einen „Master Windenergie“ usw. anzubieten. Uns ist es aber wichtig, zunächst die Grundlagen bei der Leistungselektronik, der Elektrotechnik oder beim Maschinenbau zu vermitteln. Anschließend sind dann Qualifizierungen bei Bachelor- oder Masterarbeiten auch in Zusammenarbeit mit der Industrie möglich und sinnvoll. Über alle diese Dinge diskutieren wir.“

Um die Ausbildung an den Hochschulen zu unterstützen, hat National Instruments die Labview Academy gegründet. Aus Sicht von R. Jamal geht es dabei darum, die Lehre so zu gestalten, dass ein experimentierendes lehrbegleitendes Ausprobieren all dieser Konzepte wie etwa Elektromobilität mit praktischen (also realen, nicht simulierten) Daten optimiert wird: „Im Vordergrund steht das Zusammenspiel der Konzepte und deren Umsetzung. Die Nähe zur realen Welt macht gerade auch das Ingenieurstudium aus, wo reale Daten und damit eine praxisnahe Umsetzung immer wieder beim Erlernen der mathematischen Grundlagen mit berücksichtigt werden müssen. Labview Academy beziehungsweise die enge Kooperation von National Instruments mit den Hochschulen soll dieses Konzept der realitätsnahen Ausbildung unterstützen. Eine der Hochschulen, an denen dies bereits praktiziert wird, ist die TU München. Am Lehrstuhl von Prof. Hamacher wird Labview gelehrt, um genau diese realitätsnahe Ausbildung zu ermöglichen.“

Zum Thema Wettbewerbsfähigkeit stellte M. Dams die provokante Frage: „Ist unsere vorhandene traditionelle Technik eigentlich zu gut, sodass sie grundlegende Wandlungen erst relativ spät erfordert? Beispielsweise war die analoge Telefontechnik bei uns in Deutschland so weit vorangetrieben worden, dass sich erst relativ spät die ISDN-Technik durchsetzen konnte, weil der „Leidensdruck“ nicht so hoch war. Droht uns eine solche Entwicklung auch bei den Kerntechnologien der Elektromobilität, wie Motor, Speicher und Infrastruktur der Elektromobilität?“
Laut R. Heinze wurde weltweit das erste vierrädrige Elektromobil 1888 von einer deutschen Firma vorgestellt. Und Anfang der 1900er-Jahre waren etwa 90 % aller Taxis in New York elektrisch angetrieben. „So gesehen ist die Elektromobilität eigentlich kein neues Thema; sie wurde allerdings aufgrund der Umwelt- und Energiediskussion jetzt neu belebt. Deutschland hat hier gute Voraussetzungen, auf wesentlichen Gebieten bei der Elektromobilität weltweit ganz vorn mitzuspielen. Dies gilt für die Automobilhersteller genauso wie für die elektrische Antriebstechnik oder die Leistungselektronik. Die großen Batteriezellenhersteller sind allerdings alle im asiatischen Raum beheimatet, und auch die Produktionstechnik dafür ist in Deutschland kaum noch vertreten.“

M. Arlt weist hier darauf hin, dass man „Batterie“ und „Zelle“ unterscheiden müsse: „Die Batterie umfasst neben den Zellen auch noch ein intelligentes Batteriemanagement. Und an das Thema Batterie trauen sich sehr wohl die Kfz-Hersteller heran, lediglich mit der Zelle selbst beschäftigt sich in Deutschland nur noch ein Unternehmen; da sind die Koreaner und Japaner tatsächlich deutlich einen Schritt voraus, weil sie sich schon viel früher mit dieser Thematik befasst haben.“

R. Heinze weist außerdem darauf hin, dass es wichtig sei, die Elektromobilitätsstrategie in einen größeren Zusammenhang mit Energieerzeugung, Smart Grids und intelligenten Netzen zu sehen. „Wenn alle ihre Elektroautos abends an die Steckdose hängen, könnten die Netze überfordert sein. Es muss also dafür gesorgt werden, dass die Belastung der Stromnetze entsprechend gesteuert wird. So spricht man ja schon heute vom zweiten Informationszeitalter der Elektrizität, das nicht mehr auf Kupfer beruht, sondern auf Daten und Informationen. Dies alles in einem Gesamtzusammenhang zu sehen, dafür sind die Voraussetzungen in Deutschland sehr gut.“
Das Aufladen der Batterien ist eines der zentralen Themen der Elektromobilität. Ein Modell sieht dafür sogenannte Batteriewechselstationen vor, wo die Autobatterien schnell ausgetauscht und anschließend aus Sicht der Netze „intelligent“ geladen werden können. Doch diese Technik stellt sehr hohe logistische Anforderungen. So sieht Dr. M. Arlt unter anderem Probleme bei der Standardisierung. Wie lange würde es wohl dauern, bis solche Batterien und ihre Position im Fahrzeug standardisiert seien? Auch betriebswirtschaftliche Fragen (sehr hohe Anfangsinvestitionen für die Batterien, flächendeckendes Netz usw.) seien nicht geklärt. So sei es eigentlich Konsens bei deutschen OEM, dass dieses Konzept hier nicht trage. Es funktioniere nur dann gut, wenn die Fahrstrecken und „Wechselketten“ sehr stationär seien, beispielsweise bei Flottenbetreibern, wie der Post oder bei Fuhrparks usw., mit kalkulierbaren Strecken in der Stadt; für eine flächendeckende Mobilität im Individualverkehr sei es aus heutiger Sicht nicht möglich.

Findet die Beschäftigung mit Elektromobilität zurzeit noch auf einer „technologischen Spielwiese“ statt? Laut Dr. M. Arlt sei dies keineswegs der Fall: „Automobilhersteller haben immer das Ziel, in allen Bereichen, mit denen sie sich beschäftigen, Geld zu verdienen; die Elektromobilität ist sicherlich mit einem sehr hohen Investitionsaufwand verbunden. Es sei aber für die Automobilhersteller wichtig, sich einmal die Frage zu stellen: Wie mache ich Autos unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz, der Umweltbelastung und der Nachhaltigkeit anders und besser? Es geht nicht nur darum, Autos elektrisch anzutreiben (das können wir ja bereits seit vielen Jahren); es geht darum, was sonst noch alles beachtet werden muss: So muss man einen forcierten Leichtbau gegen die Kosten der Batterie abwägen; Fragen der Klimatisierung sind zu lösen, aber auch das Markenbewusstsein muss beachtet werden. Auch die etablierten Produktionsprozesse sind generell infrage zu stellen. Es geht also um Ganzheitlichkeitsbetrachtungen, auch um Vertriebsstrategien für Mobilität als Ganzes und nicht nur für Autos – wie wird sich Mobilität in 30, 50 oder 100 Jahren darstellen, wie kann ich dann noch damit Geld verdienen?“

R. Jamal weist darauf hin, dass zwar Elektromobilität bei uns fast immer nur mit elektrisch betriebenen Autos verbunden wird. In Asien sei das anders; dort würden auch Zweiräder mit einbezogen; auch sei die Entwicklung dort möglicherweise schneller, weil nicht alles perfekt fertig entwickelt würde, sondern es auch einfachere Lösungen gäbe – und ohne großen Druck durch einen Paradigmenwechsel. Dr. M. Arlt ergänzt: „Der Wertewandel kommt in Europa sicherlich nur durch äußeren Einfluss und Druck zustande. Das Beispiel Fukushima zeigt aber auch, dass Deutschland eher eine ‚Risiko-bewusste‘ Nation ist, die auf Ereignisse in aller Welt reagiert und auch einen Energiewandel rasch beschließt.“
Wenn man ein weltweiter Autohersteller sei, so M. Arlt weiter, müsse man alle Märkte weltweit betrachten, nicht nur Deutschland. „Wir stecken richtigerweise viel Geld in Forschung und Entwicklung, das ist gut für den Export. So haben wir hier viel technologisches Know-how aufgebaut; die Chinesen setzen die Technik allerdings wesentlich schneller in die Praxis um – während wir noch über die beste und möglichst perfekte Umsetzung diskutieren.“

Mit der Frage des kumulierten Energieverbrauchs und der Bilanz über die gesamte Kette und damit der Frage, ob es nachhaltig sei, Strom für Mobilität zu verwenden, hat sich Prof. T. Hamacher beschäftigt. In verschiedenen Studien hat er festgestellt, dass die Elektromobilität per se noch keinen Vorteil biete, wenn man die gesamte Fertigungskette mit einbeziehe. „Was man im Betrieb einspart, wird zumindest heute noch für die aufwendigere Produktion benötigt. So steht das Elektroauto nicht besser da als andere Lösungen bezüglich der benötigten Ressourcen. Wir müssen lernen, alle Ressourcenströme in der Produktion und die Nutzung mit einzubeziehen. Wir müssen lernen, dass Ressourcen endlich sind; das haben wir bei den Seltenen Erden gesehen, die knapp wurden; das gilt auch für Kupfer, das wir für Windturbinen, aber auch für Elektromotoren in der Elektromobilität benötigen. Diese Ressourcenbetrachtungen müssen auch in die Ingenieurausbildung Einzug halten. Das betrifft aber nicht nur die Elektromobilität, sondern alle neuen Themenfelder.“

Neben den Herstellern der zukünftigen Elektroautos spielen auch die Energieversorger bei der Elektromobilität eine große Rolle. Nach Ansicht von R. Heinze denkt die Energiewirtschaft in diesem Zusammenhang bereits über ganz neue Geschäftsmodelle nach. Prof. T. Hamacher unterstützt diese Sichtweise. So gäbe es kaum noch ein Stadtwerk, welches sich nicht mit dem Thema Elektromobilität beschäftige; die Frage sei aber, wann sie denn solche Fahrzeuge kaufen könnten, um sie anschließend an ihre Kunden zu verleasen. All diese Fragen hätten heute bereits einen sehr hohen Stellenwert bekommen: Nicht nur erneuerbare Energien zu liefern, sondern sich auch mit solchen erweiterten Geschäftsmodellen rund um die Elektromobilität zu profilieren und die Kundenbindung zu stärken.
Die Technik, resümiert M. Dams zum Schluss der Diskussionsrunde, könne zur Elektromobilität und Nachhaltigkeit sicherlich einen gewissen Beitrag leisten; aber mindestens ebenso groß müsse der Anreiz für den Verbraucher sein, selbst die Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit – und dazu gehöre auch die Frage der Mobilität – zu beeinflussen und zu gestalten.

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Autor: Walter A. Ströver

Autor: Ronald Heinze