Elektromotoren waren schon vor 120 Jahren die besten Fahrzeugantriebe.
Heute fragen sich viele, ob sie ein Elektroauto kaufen sollen. Im Jahre 1902 hatte sich US-Präsident Theodore Roosevelt bereits entschieden: Bei einer großen Parade am 22. August 1902 fuhr er in einem „Columbia Electric Victoria Phaeton“ vor. [1] Gegenüber Verbrennungsmotoren wurden zur Zeit von Kaiser Wilhelm II. elektrische Antriebe bevorzugt, weil sie zuverlässig starten, kein Schaltgetriebe benötigen und aus dem Stand heraus bis in höchste Drehzahlen ein gleichmäßiges Drehmoment an die Antriebsräder liefern, also bei jeder Geschwindigkeit einen gleichmäßigen Vortrieb sichern. Elektromotoren wandeln wenigstens 90 und bis zu 97 Prozent der Energie des zugeführten Stroms in mechanisches Drehmoment um. [2]
Deshalb hatten Elektroautos damals auf dem Automobilmarkt einen viel größeren Marktanteil als heute: Um 1900 waren in den USA 38 % der Automobile „Elektrowagen“. In New York waren es 1901 sogar 50 %. [3]
Die Stromversorgung über Batterien war und ist der größte Nachteil von Elektroautos.
Am Gesamtgewicht von Roosevelts „Electric Phaeton“ hatten die Batterien einen Anteil von 40%. [1] Eine weitere Einschränkung waren (und sind) die langen Ladezeiten und die mangelnde Reichweite der E-Autos. Die meisten 1899 in Berlin vorgestellten E-Modelle mussten nach 60 bis 100, bestenfalls 130 Kilometern wieder aufgeladen werden – kaum weniger als ein gutes Jahrhundert später. [4]
Trotz der Nachteile der Batterien versorgten sie schon 1889 elektrische Omnibusse und O-Busse.
Eine Batterieladung reichte für kurze Strecken zwischen den Ladestationen im Stadtverkehr. 1889 verkehrte der Omnibus der Firma Ward Electrical Car Company in London mit einer Höchstgeschwindigkeit von 11,2 km/h. [5]
Von 1898 bis 1900 betrieb die Allgemeine Berliner Omnibus AG, ABOAG mit Antrieben von Siemens & Halske den „Elektrischen Straßenbahn-Omnibus“: Es war ein Zweiwegefahrzeug, das mit zusätzlichen Leiträdern und einem Stromabnehmer auf Straßenbahngleisen fahren konnte. Dabei wurde eine Batterie aufgeladen, um anschließend von der Schienenstrecke abzuzweigen und mit angehobenen Leiträdern und gesenktem Stromabnehmer im Batteriebetrieb sechs Kilometer auf der Straße weiterzufahren. [6]
Im 20.Jahrhundert verkehrten zahlreiche Elektrofahrzeuge auf den Straßen des Globus, die meisten jedoch als O-Busse oder Trolley-Busse.
Wegen der begrenzten Kapazität der Batterien gab es im 20. Jahrhundert elektrisch angetriebene und frei lenkbare Fahrzeuge auf Straßen in nennenswerter Stückzahl nur mit Stromversorgung durch Oberleitung als sogenannte O-Busse oder Trolley-Busse zum Personentransport. In Großbritannien fuhren Ende der 1930er Jahre 2600 Trolley-Busse. 1934 verkehrten in den USA 458 O-Busse auf 335 km elektrifizierten Straßen. Bis 1950 stieg die Anzahl in den USA auf 6500 Fahrzeuge. [7] In den Ländern des Ostblocks wurden O-Busse in den 30er Jahren eingeführt und stützen dort noch heute den Nahverkehr in vielen Städten, sogar bis in deren Randbereiche.
Warum sollte die Stromversorgung durch Oberleitung nicht auch von Lastwagen und Pkws genutzt werden?
Für das Eingliedern in den Fahrbetrieb der O-Busse müssen sich die Stromabnehmer sehr häufig, schnell und sicher an die Oberleitung anlegen und wieder zurückziehen. Zum Passieren der Haltestellen und für Fahrten auf Nebenstrecken muss eine Batterie den Fahrmotor speisen.
Geeignete Stromabnehmer und Batterien präsentierte die Firma Siemens auf dem 26. Electric Vehicle Symposium in Los Angeles im Mai 2012. [8] Heute werden sie weltweit von Lkw der Firma Scania und anderen für zahlreiche Testfahrten genutzt, beispielsweise auf dem Electric-Highway auf der A5 bei Frankfurt. [9]
Aber weil bisher weder Lkw noch Pkw die Oberleitung mitbenutzen konnten, folgt daraus, dass O-Bus-Verkehrsbetriebe ihr Oberleitungsnetz auf eigene Kosten errichten und pflegen müssen. Das ist ein wirtschaftlicher Nachteil gegenüber Dieselfahrzeugen.
Man bevorzugt den Individualverkehr auf der Straße.
Die Wettbewerbsfähigkeit der O-Bus-Unternehmen ist dadurch eingeschränkt, dass sie das nur von ihr benutzte Betriebsmittel Oberleitung in eigenem Risiko finanzieren müssen. Für den Wettbewerber Omnibus mit Verbrennungsmotor sichert jedoch der Staat den Verkehrsweg Straße, weil die Straße allgemein nutzbar ist. Denn immer mehr Menschen wollten und wollen nicht im Bus, sondern individuell von Haus zu Haus fahren.
O-Busse sollten ursprünglich auch auf den Reichsautobahnen verkehren.
Am 6.8.1932 eröffnete Konrad Adenauer die erste deutsche Autobahn („kreuzungsfreie Kraftfahrstraße“) zwischen Köln und Bonn. [10]
Für alle „Reichsautobahnen“ wurde eine Elektrifizierung geplant, damit „diese auch von O-Bussen und elektrisch betriebenen Lastkraftwagen befahren werden konnten“. Der damalige Ministerialdirektor Eduard Schönleben (1897–1985), unter anderem für den Autobahnbau und -betrieb verantwortlich, stellte 1937 jedoch fest, dass „ein autobahngebundener Oberleitungsbetrieb alle Möglichkeiten überstieg“. [11]
Oberleitungs-Lkw fahren seit Mai 2019 auf der A5 bei Frankfurt.
84 Jahre nach Beginn des Autobahnbaus noch ohne Oberleitung machen beachtliche Fortschritte bei Elektromechanik und Elektronik diese Elektrifizierung prinzipiell möglich. [8,9] Im Fernverkehr würden dadurch die Nachteile der noch immer sehr gewichtigen, sehr teuren, relativ kurzlebigen, sowie bei Herstellung und Entsorgung wenig umweltfreundlichen Batterien deutlich gemildert. [12]
Auf den 5 Kilometern des E-Highway zwischen Langen-Mörfelden und Weiterstadt docken Hybrid-Lkw der Firma Scania mit Stromabnehmern (Pantographen) von Fa. Siemens an Oberleitungen an. WÄHREND der Fahrt wird der Elektromotor mit Energie versorgt. Gleichzeitig wird eine relativ sehr kleine Batterie aufgeladen. [13] Während der Fahrt von nur einem Kilometer auf der elektrifizierten Hauptstrecke wird eine Reserve für drei Kilometer Fahrt auf Nebenstrecken ohne stromführende Leitung gespeichert.
80% der Energie von Windrädern gelangen per Leitung zum Fahrzeugantrieb.
Vom Stromkabel an der Autobahn kommen über die Oberleitung und den Stromabnehmer mehr als 90% der elektrischen Energie als Vortriebskraft an die Räder des Fahrzeugs. Wenn die Energie aus elektrischen Generatoren in Windrädern auch über längere Strecken hinweg per Kabel übertragen wird und auf dem Übertragungsweg nur Spannung und Frequenz des Stromes geändert werden, beispielsweise durch Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung HGÜ, können die Verluste durch Wärmeabstrahlung auf 10 % beschränkt werden. [14]
Ein umweltschonendes WASSERSTOFF-Auto benötigt fast DREI mal so viel Strom aus Windrädern wie ein Elektroauto mit Oberleitung, denn die Erzeugung des Wasserstoffes, die Verflüssigung, der Transport und die Rückwandlung in elektrischen Strom in der Brennstoffzelle ist sehr verlustreich. Deshalb ist dieses Prinzip als unwirtschaftlich abzulehnen. [15]
Batterie-elektrische Fahrzeuge sind derzeit nur für kurze Strecken und nur für Eigenheimbesitzer mit einer eigenen Wallbox wirklich gut geeignet.
Im Vergleich zu Verbrennungsantrieben sind derzeit bei Batterien das Gewicht und die Kosten viel höher, weshalb möglichst kleine Batterien bevorzugt werden, die dann nur für kurze Strecken reichen. Obwohl die Zeitdauer der „Betankung = Aufladung“ nach Stunden zählt, gibt es keine vollauf ausreichende öffentliche Infrastruktur zum Aufladen. Dem Käufer eines E-Autos bleibt in der Praxis sehr oft nur das Aufladen in seiner privaten Garage.
Der deutsche Bundestag erwartet 11 Mio. E-Autos bis 2030. Für je 10 E-Autos ist eine Ladestation für 20.000 Euro geplant; insgesamt sollen 22 Milliarden Euro investiert werden.
Die nötige Infrastruktur ist im Preis enthalten. [16] Dabei ist unklar, welches der 10 Fahrzeuge zu welcher Uhrzeit und für wie lange die Station nutzen darf. Welcher Fußweg muss bis zur nächsten Station zurückgelegt werden? Wenn es 2030 in Deutschland tatsächlich 11 Mio. E-Autos geben sollte, benötigen diese wenigstens 1,1 Mio. Ladestationen, die 22 Milliarden Euro kosten. In der Summe fehlen die Kosten für eventuell erforderliche, zusätzliche Parkplätze, weil ja nur stehende Fahrzeuge beladen werden können.
Eine Oberleitung kostet 750.000 Euro pro Kilometer.
Die Firma Honda präsentierte einen Stromabnehmer für ein „dynamic charging“ über Stromabnehmer an Stromschienen in den seitlichen Leitplanken. Professor Mats Alaküla, Universität Lund, testete erfolgreich Stromschienen im Straßenbelag, wobei die Stromschienen und deren Zuleitung rund 750.000 Euro pro km kosten sollen.[12,17] Oberleitungen wie beim E-Highway erfordern bei zögerlicher Einführung etwa 1 Mio. Euro pro km oder ebenfalls nur 750.000 Euro pro km, wenn sie mit Nachdruck europaweit installiert werden. [17,18] Der Vergleich zu den Baukosten eines Autobahn-Kilometers im Flachland, also unter einfachsten Bedingungen, von wenigstens 6 Mio. Euro, relativiert diesen Aufpreis von 12,5%.
Für 9 Millionen Euro pro km könnte während der Fahrt elektrische Energie durch Induktionsspulen unter der Fahrbahn berührungslos, aber mit rund 20 % thermischem Verlust, ins Fahrzeug übertragen werden. [18] Dieses Prinzip ist im Vergleich zu Oberleitungen wirtschaftlich unsinnig.
In Zukunft könnten 30.000 Kilometer Straße für 22 Milliarden Euro mit Oberleitung elektrifiziert werden.
Mit einem Budget von 22 Milliarden Euro könnten bei Kilometerkosten von 0,75 Millionen Euro in absehbarer Zukunft rund 30.000 km mit Oberleitungen elektrifiziert werden, also alle Autobahnen und zwei Drittel der Bundesstraßen in Deutschland.
Im Jahr 2030 sollen in Deutschland 11 Mio. Elektroautos verkehren. Wenn alle diese Fahrzeuge reine Batterieautos vom Typ Tesla S wären, dann könnten durch eine kleinere Batterie und durch Aufladen während der Fahrt 62 Milliarden Euro an Investition und 4,48 Gigatonnen an Gewicht eingespart werden.
Das bekannte Batterieauto Tesla S mit seinem Gesamt-Leergewicht von 2,1 Tonnen schleppt eine Batterie von 0,6 Tonnen, in der sich 8256 einzelne Batteriezellen im Format „18560“ dicht an dicht drängen. Um eine Reichweite von nominal 600 km zu erreichen, wird diese Batterie mit der enorm großen Energiemenge von 100 Kilowattstunden (kWh) beladen. Also 6 kg für jede kWh und 6 km pro kWh. Das ist nur möglich, wenn die Batterie aktiv gekühlt wird, wodurch sie sehr empfindlich wird. [19]
2020 kostete jede Kilowattstunde in einer Batterie 111 Euro, 2025 sollen es nur noch 83 Euro sein. [20]
Die mittlere Reichweite des Volkswagens ID3 gibt VW für die Praxis mit 6,2 km für jede kWh der eingebauten Batterie an. [21]
Wenn die Batterien künftiger Elektroautos für eine mittlere Reichweite von 200 km dimensioniert werden, so reicht eine Kapazität von 32 kWh aus. Wenn innerhalb dieser Strecke eine Oberleitung zum Wiederaufladen und gleichzeitigem Weiterfahren erreichbar wäre, dann wäre die Reichweite nicht mehr begrenzt. Außerdem spart man bei jedem einzelnen Fahrzeug an Batterieausrüstung 68 kWh für künftige 68 x 83=5.644 Euro und erleichtert das Gewicht um 68 x 6=408 kg. Umgerechnet auf 11 Mio. E-Autos wären dies 62 Milliarden Euro für überflüssige Batterien und 4,48 Gigatonnen nutzlos umher gefahrener Masse.
Fazit: Spätestens unsere Enkel werden fast nur noch Elektroautos fahren. Aber deren Batterien sollten im Interesse von Umwelt und Wirtschaftlichkeit nicht mehr so gigantisch wie beim Tesla S sein, sondern viel kleiner. Diese kleinere Batterie sollte zukünftig über Stromabnehmer WÄHREND der Fahrt aus einer Oberleitung oberhalb der Autobahnen und Hauptstraßen aufgeladen werden.
Die drei Strecken des E-Highway in Hessen, Schleswig Holstein und Baden-Württemberg, in Solingen die O-Busse mit zusätzlichen Batterien [22] und andere, erfolgreiche Großversuche beweisen eindrucksvoll, dass heute die technischen Grundlagen sehr gut bekannt sind. In etlichen Städten werden Fahrzeuge über Oberleitungen mit Strom zum Fahren und weiterem Strom zum Aufladen einer kleinen Batterie versorgt, so dass Kreuzungen, Auffahrten, Abzweigungen und Nebenstraßen nicht elektrifiziert werden müssen, sondern im Batteriebetrieb befahrbar sind.
Anhand dieser Fakten erscheint es widersprüchlich und langfristig nicht verantwortlich, im Namen des Umweltschutzes ein System für den Individualverkehr mit Elektrofahrzeugen und einem gigantischen Netz zum stationären Aufladen von deutlich ÜBER-dimensionierten Fahrzeug-Batterien zu schaffen, wenn die Herstellung der Batterien die Umwelt belastet und der Allgemeinheit ein extremes Entsorgungsproblem aufgezwungen wird, das nach heutiger Perspektive dem hilflosen Umgang mit dem Atommüll wie in Gorleben gleicht.
Die heutige ÜBERgröße der Batterien als mitfahrende Stromspeicher bringt sie vorschnell in Misskredit, obwohl sie in kleinerer Dimension eine hilfreiche und dringend benötigte Ergänzung eines durch elektrische Oberleitungen gestützten Verkehrssystems sind.
Deutschland kann das Klima dieses Globus nicht alleine retten. Erst recht nicht durch den Ankauf von Unmengen asiatischer Batterien für übergroße Straßenfahrzeuge. Aber es würde die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie retten, wenn sie als weltweit erste ein Oberleitungsnetz auf den Hauptstraßen mit exakt und reaktionsschnell aktivierbaren und wieder einziehbaren Stromabnehmern für alle Fahrzeuge präsentieren könnte. [23]
Dr. Detlev Stupperich, 5. August 2021
Quellenhinweise:
1 https://connecticuthistory.org/roosevelt-rides-in-an-electric-car/
2 ZVEI, Lyoner Str.9,60528 Frankfurt, zur Norm EN 60034-2-1:2007
3 Kurt Möser: Geschichte des Autos, Kapitel Dampf, Benzin, Elektrizität: Die
Konkurrenz der Systeme, Seite 52, Campus Verlag, Frankfurt/New York, 2002,
ISBN 3-593-36575-8.
4 Frank Patalong, Spiegel-Geschichte,14.11.2017
5 Polytechnisches Journal, Band 272, 1889, S. 334–335, dingler.culture.
hu-berlin.de)
6 Mattis Schindler, Ludger Kenning (Hrsg.): Obusse in Deutschland. Band 1: Berlin –
Brandenburg – Mecklenburg-Vorpommern, Schleswig-Holstein – Hamburg –
Bremen – Niedersachsen, Sachsen-Anhalt – Thüringen – Sachsen, Frühere
deutsche Ostgebiete. Kenning, Nordhorn 2009, ISBN 978-3-933613-34-9
7 Vukan R. Vuchic: Urban Transit Systems and Technology
8 https://dewiki.de/Lexikon/Oberleitungslastkraftwagen, abgerufen 9.7.2021
9 autozeitung.de; Christina Finke, 17.04.2020: Elektro-Lkw mit Oberleitungen
(A5/A1/B462): eHighway; Corona-Krise bremst Tests auf eHighway aus
10 Pressemitteilung vom 3. August 1932 im Archiv des Landschaftsverbandes
Rheinland, Nachlass Horion, Nr. 226.; und ADAC-Motorwelt, 29. Jg., Nr. 30/31,
29. Juli 1932
11 Eduard Schönleben: Der Betrieb der Reichsautobahnen. In: Die Straße,
4.Jahrgang, Heft 1 (1937), S. 4–13
12 Roadmap für die Einführung eines Oberleitungs-Lkw-Systems in Deutschland,
ifeu Wilckensstraße 3, 69121 Heidelberg Juli 2020, gefördert durch
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit
13 FAZ, Teststrecke bei Frankfurt, Elektro-Highway im Vollbetrieb, Ralf Euler
21.6.2020
14 https://www.mobility.siemens.com/global/de/portfolio/strasse/ehighway.html,
abgerufen 7.7.2021
15 Studie der Boston Consulting Group mit Dietmar Voggenreiter und Frank Klose,
veröffentlicht von Volkswagen AG 7.11.2019, abgerufen am 7.7.2021 unter
https://www.volkswagenag.com/de/news/stories/2019/08/hydrogen-or-battery-
-that-is-the-question.html
16 Deutscher Bundestag 2016 WD5-300-111/19, S.5
17 Nach Mats Alaküla, Professor für industrielle Elektrotechnik und Automatisierung
am Lund Institute of Technology, http://futurebylund.se/post/professorn-vill-ladda-
fem-miljoner-elfordon-i-farten
18 Delft Institute of Technology, Mekelweg 4,Delft 2628 CD; Aditya Shekhar;
Venugopal Prasanth, Pavol Bauer, Economic Viability Study of an On-Road
Wireless Charging System with a Generic Driving Range Estimation Method,
26.1.2016, S.18, letzter Absatz: 1,2 Mio Euro pro km bei 13% Überdeckung durch
Spulen entspricht 9 Mio Euro pro km bei 100% Überdeckung; 0,75 Mio Euro pro
km für Trolley-Bus-Ssystem
19 ecomento UG, Thomas Langenbucher, Leuschnerstr. 40, 70176 Stuttgart,
abgerufen am 7.7.2021 unter https://ecomento.de/2014/06/23/so-viel-wiegen-die
-teile-des-tesla-model-s
20 Statista, abgerufen am 9.7.2021 unter https://de.statista.com/statistik/daten/
/studie/534429/umfrage/weltweite-preise-fuer-lithium-ionen-akkus/
21 https://www.volkswagen.de/de/elektrofahrzeuge/laden-und-reichweite/wie-weit
-kann-ich-fahren.html, abgerufen am 9.7.2021
22 FAZ, 7.11.2018, Eberhard Krummheuer, Oberleitungsbusse, Draht statt Diesel
23 Jack Ewing, New York Times, 3.August 2021
What if Highways Were Electric? Germany Is Testing the Idea.