Die Elektrifizierung des Verkehrs: Chancen und Herausforderungen

Die Elektrifizierung des Verkehrswesens ist eine der wichtigsten technologischen Initiativen dieser Zeit. Im letzten Viertel des 20. Jahrhunderts waren bahnbrechende Innovationen im Verkehrsbereich selten. In den letzten Jahrzehnten hat sich jedoch die Batterie- und Hochleistungshalbleitertechnologie erheblich weiterentwickelt. Heute sind Reichweiten von mehreren hundert Kilometern bei Elektroautos für Endverbraucher üblich. Fortschrittliche Halbleiter wie IGBTs und Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ermöglichen präzise elektronische Antriebe mit Leistungen im Megawattbereich. Darüber hinaus ermöglicht KI eine Situationsanalyse und Steuerung für die Automatisierung in einem bisher undenkbaren Ausmaß.

Elektrifizierung des Verkehrs als gesellschaftlicher Bedarf

Die Notwendigkeit, natürliche Ressourcen und die Umwelt zu schonen, verändert die Transportindustrie dramatisch. Gleichzeitig haben Innovationen in der Halbleiter- und Batteriechemie einen Wendepunkt erreicht, der eine Zukunft voller wirtschaftlicher Chancen und spannender Konstruktionsanforderungen eröffnet. Die Elektrifizierung des Verkehrs geht weit über die Einführung batteriebetriebener Elektrofahrzeuge für den Pkw-Markt hinaus. Auch der Schwerlastverkehr wird zunehmend elektrisch angetrieben, und eine neue Kategorie des Individualverkehrs ist ebenfalls auf dem Vormarsch.

Elektrofahrzeuge im ÖPVN

Die Flotten des öffentlichen Personennahverkehrs bieten sowohl Chancen als auch Herausforderungen für den Übergang von fossilen Brennstoffen zu Elektrofahrzeugen. Auf der einen Seite gibt es jahrzehntelange Investitionen in Infrastruktur, Betriebsausrüstung, Wartung und Besitz von Diesel- und Benzinfahrzeugen. Andererseits bietet das städtische Umfeld verschiedene Möglichkeiten zur Unterstützung von Elektrofahrzeugen.

Fuhrparkmanager haben eine strikte Kontrolle über die meisten Aspekte des Betriebs, einschließlich Kilometerstand, Betriebsstunden und Fahrtrouten. Diese Verhaltensweisen sind häufig gleichförmig, wobei die Fahrzeuge am Ende jeder Schicht an einem bestimmten Ort ankommen. Bei entsprechender Planung können Flottenbetreiber die Fahrzeuge so steuern, dass sie innerhalb der bekannten Reichweite einer Batterie mit einer gemeinsamen Ladeinfrastruktur betrieben werden. Darüber hinaus sind die Strecken so einheitlich, dass sie auch für elektrische Stadtbahnen, elektrische Straßenbahnen und sogar Stadtbusse geeignet sind. Skeptiker brauchen nur nach Seattle, Washington, zu schauen, um ein Beispiel für die Elektrifizierung des Verkehrs zu finden. Bereits seit 1940 fahren dort Elektrobusse, die von Oberleitungen angetrieben werden. Seit 2004 werden in Seattle auch dieselelektrische Hybridbusse eingesetzt und seit kurzem sind auch rein batterieelektrische Busse in der Flotte.

Herkömmliche private Kraftfahrzeuge

Elektrifizierung ist mehr als der Ersatz eines Verbrennungsmotors durch eine Batterie und einen Elektromotor. In den letzten zehn Jahren wurde das gesamte Fahrzeug elektrisch überholt. Elektrische Systeme ersetzen viele traditionelle hydraulische Komponenten wie Servolenkung und andere Steuerungen. Klimaanlagen in Elektro-, Hybrid- und manchmal sogar in Verbrennungsfahrzeugen werden heute von elektrischen Kompressormotoren angetrieben. Magnete und Motoren können fast alles bewegen, was früher mechanisch oder motorisch angetrieben wurde. Darüber hinaus entwickeln sich Sicherheits-, Sensor- und Infotainment-Elektronik von einfachen Add-ons zu komplexen, KI-gesteuerten Systemen. Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) entlasten den Fahrer und machen die Straßen sicherer.

Neue elektrische Fahrzeugtypen durch Elektrifizierung

Jüngste Fortschritte in der Batterie-, Kleinmotor- und Ladetechnologie haben eine Reihe von Elektrofahrzeugen für den Privatgebrauch hervorgebracht. Herkömmliche Fahrräder mit Elektroantrieb ermöglichen es, sich in der Stadt fortzubewegen, ohne ins Schwitzen zu kommen oder im Stau zu stehen. Elektroroller bieten das gleiche Maß an Mobilität für die etwas mutigeren Fahrer. Darüber hinaus bieten Roller für Menschen mit Behinderungen, die nicht in der Lage sind, lange Strecken zu Fuß zurückzulegen oder mit dem Auto zu fahren, eine viel uneingeschränktere Mobilität.

Technologien für die Elektrifizierung

Die Elektrifizierung des Verkehrs erfordert eine Batterie mit großer Reichweite, die schnell aufladbar und unkompliziert in der Handhabung ist. Die Batterietechnologie ist heute so weit fortgeschritten, dass es möglich ist, ein Elektrofahrzeug (EV) mit einer Reichweite von 400 km oder mehr zu finden und zu kaufen. Während die meisten Verbrenner mit einer Tankfüllung eine Reichweite von 560 bis 800 km haben, bietet ein Elektrofahrzeug mit 400 km eine Reichweite, die für die meisten Zwecke ausreicht. Die größte Herausforderung besteht darin, die Batterie schnell aufzuladen, ohne ihre Lebensdauer zu verkürzen. Das ultimative Ziel ist eine Ladezeit von zehn Minuten – weniger als die Zeit, die ein Verbrenner zum Tanken benötigt.

Hochleistungselektronik wie IGBT- und MOSFET-Schalter ermöglichen eine effiziente Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom und umgekehrt. Materialien wie SiC und GaN ermöglichen einen höheren Leistungsdurchsatz bei geringerer Wärmeentwicklung und kleinerem Platzbedarf. Die Batterieelektrodentechnologie muss jedoch noch weiterentwickelt werden, bevor die schwer vorstellbare 10-Minuten-Ladung Realität wird.

Eine elektrische Zukunft

Den einen geht die Elektrifizierung des Verkehrs nicht schnell genug, den anderen geht sie zu schnell. Eine hundertprozentige Elektrifizierung des Verkehrs wird es vielleicht nie geben. Es wird wahrscheinlich immer einige spezielle Anwendungen geben, die sich nicht für einen reinen Batteriebetrieb eignen. Der Übergang ist jedoch in vollem Gange und unausweichlich.

Die Elektrifizierung hat dem Personenverkehr neue Möglichkeiten eröffnet. Elektrisch betriebene Fahrzeuge für den Privatgebrauch, einschließlich Zweiräder, Fahrräder und Roller, haben den Nahverkehr wesentlich komfortabler gemacht. Menschen mit eingeschränkter Mobilität haben neue Freiheiten.

PKWs und LKWs haben einen Punkt erreicht, an dem die Reichweite machbar ist, benötigen aber noch schnellere Ladevorgänge und mehr Ladeinfrastruktur. Städte wie Seattle zeigen, dass Strom auch für Nutzfahrzeuge geeignet ist. Auch wenn der Verkehr allmählich auf Netzstrom umgestellt wird, sinkt bzw. steigt der Gesamtenergieverbrauch langsamer. Effizientere Elektronik, präzise Computersteuerungen und Sparmaßnahmen in allen Sektoren werden dafür sorgen, dass der Gesamtstrombedarf innerhalb der Netzkapazitäten bleibt.