So viel bleibt netto vom Strom im Akku

Davon hängt der Verbrauch bei Elektroautos ab

Große Akkus sind ein Weg zu mehr Reichweite beim Elektroauto. Doch mit Effizienz kommen kleine Batterien ebenfalls weit. Wovon sie abhängt, liest Du hier.

  • Heiko Dilk
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  • Veröffentlicht am 08/08/2019, 12:00 AM
  • Aktualisiert am 10/24/2019, 12:08 PM
Ein Techniker prüft die Endmontage von Batteriezellen
Quelle: Audi Ein Techniker prüft die Endmontage von Batteriezellen - je nach Ausführung der Kontakte und Leitungen kann es zu Verlusten kommen

Man nehme einen großen Akku, ein bis zwei Elektromotoren, vier Räder und eine Fahrzeugkarosserie. Fertig ist das E-Auto mit großer Reichweite. So hört sich das zuweilen an, wenn man die klassischen Autohersteller nach Elektroautos fragt, bei denen Reichweitenangst kein Thema ist. Warum sie diese Autos trotzdem nicht gebaut haben? Weil man nun mal Gewinn machen müsse. Anders als etwa Tesla. Und das gehe schwer, mit großen und teuren Akkus.

Inzwischen sind sie da, die ersten E-Mobile der großen Hersteller. Autos wie der Audi E-Tron, der Mercedes EQC oder der Jaguar I-Pace haben große Akkus. Ihre Reichweite lässt trotzdem zu wünschen übrig. Auf dem Papier und erst recht in der Praxis. Es scheint also nicht ganz so einfach, effiziente Elektromodelle auf die Räder zu stellen. Dabei gibt es andere Beispiele. Von Autos mit kleineren Akkus und trotzdem ordentlicher Reichweite.

Ob ein Auto sparsam ist, hängt, anders als beim Verbrenner nicht primär vom Motor ab. Das Gesamtsystem muss effizient sein. Verluste kann es an vielen Stellen geben.

Ladeverluste beim Elektroauto

Das Problem beginnt schon beim Laden. Während Diesel und Benzin weitgehend ohne Verlust von der Zapfpistole in den Tank fließen, stellt sich das beim Laden komplizierter dar. Durch den elektrischen Widerstand in Kabeln und Kontakten geht ein Teil der Energie als Wärme verloren. Hochwertige Leitungen mit möglichst geringem Innenwiederstand sind daher im gesamten Fahrzeug von großer Bedeutung.

Die Verluste lassen sich minimieren, aber nicht ganz vermeiden. Durchmesser, Länge und Qualität der Kabel spielen eine Rolle, genau wie die Auslegung der Kontakte. Solides Handwerk vorausgesetzt, sollten die seriösen Hersteller im Prinzip auf einem Niveau sein.

Komplizierter ist das Temperaturmanagement. Der Akku arbeitet nur in einem bestimmten Bereich optimal. Wird er zu warm oder zu kalt, reduziert die Elektronik die Ladeleistung, um den Akku zu schonen. Zudem lädt ein fast voller Akku ineffizienter als einer, der nur zu 20 Prozent geladen ist.

Gleichstrom-Laden am Wechselstrom-Netz

Ein weiteres Problem liegt im deutschen Stromnetz. Durch das fließt Wechselstrom, die Batterie im Elektroauto speichert jedoch Gleichstrom. Die Spannung muss also umgewandelt werden, bevor sie in den Akku kommt. Schnellladesäulen, die Gleichstrom (DC) ins Auto pumpen, machen das selbst. Hängt das Auto an der Haushaltssteckdose, muss der Onboard-Lader im Auto den Job übernehmen. Soll trotzdem mit höherer Geschwindigkeit geladen werden, können die Ladeverluste sehr hoch ausfallen. Wallboxen, die viele Hersteller fürs Laden zuhause anbieten, arbeiten mit geringeren Verlusten, schaffen trotzdem höhere Geschwindigkeiten. Bis zu 22 kW Ladeleistung sind möglich.

Ein Mercedes EQC wird an einer Schnellladesäule geladen
Quelle: Daimler An Schnellladesäulen muss die Spannung von Wechselstrom auf Gleichstrom umgewandelt werden, dabei fallen Verluste an

Je nach Bedingungen können die Ladeverluste bei 20 Prozent liegen, im Optimalfall sollten es weniger als 10 Prozent sein. Strom, der vom Nutzer bezahlt werden muss, aber nie im Akku landet. Die von den Herstellern angegebenen Verbräuche ihrer Elektroautos weichen entsprechend von dem im Bordcomputer angezeigten Verbrauch ab. Hier werden Ladeverluste berücksichtigt. Allerdings ist nicht immer transparent, welche Ladeart zugrunde gelegt wurde. Der Praxis-Verbrauch weicht folglich oft vom Normverbrauch ab.

Die gute Nachricht: Für die maximale Reichweite haben die Ladeverluste keine Relevanz. Am Ende landet schließlich so viel Energie im Akku, wie er aufnehmen kann. Was beim Laden verloren geht, schlägt „nur“ auf die Kosten durch.

Die Batterie ist das Herz des Autos

Viele Hersteller bauen große, schwere Akkupakete in ihre Autos. 90, 95 oder gar 100 Kilowattstunden (kWh) geben sie als Kapazität an. Doch tatsächlich kann kein Akku zu 100 Prozent leer gesaugt werden. Man muss zwischen Brutto- und Nettokapazität unterscheiden, da immer ein Rest Energie im Akku bleibt. Wie viel das ist, verraten die Hersteller nicht unbedingt. 15 bis 20 Prozent sind realistisch.

Beim Audi E-Tron beispielsweise liegt die Brutto-Kapazität bei 95 kWh. Netto nutzbar sind 83,6 kWh. Mercedes verrät nicht, wie groß die Batterie im EQC insgesamt ist, der Netto-Wert liegt bei 80 kWh. Hyundai und Kia geben für Kona Elektro und e-Niro ebenfalls nur den Netto-Wert an. Er liegt bei 64 kWh. Bei Nissan erfährt man, dass der Akku über eine Kapazität von 62 kWh brutto verfügt. BMW nennt im Datenblatt zum i3 beide Werte (33,2 kWh zu 27,2 kWh). Komplett intransparent handhabt es Tesla. Die angegebenen Werte können je nach Modell nah am Brutto liegen oder eher netto sein. Die Akkugröße des Model 3 verrät der Hersteller gar nicht.

Zwei Arbeiter montieren eine Antriebseinheit eines Audi E-Tron
Quelle: Audi Arbeiter im Brüsseler Audi-Werk montieren einen Elektromotor des Audi E-Tron - das SUV verfügt über bis zu 408 PS Leistung

So lässt sich nur erahnen, wie viel ein E-Auto aus der zur Verfügung stehenden Akkukapazität macht, wie effizient es also ist. Genau wie beim Laden und beim Stromfluss im Auto spielt der elektrische Widerstand von Kabeln und Kontakten eine Rolle. Je besser sie sind, desto weniger Energie geht als Wärme verloren. Im Akku selbst spielt die Qualität der Kathoden und des Materialauftrags („Rakeln“) eine große Rolle. So können vier bis zwölf Prozent der Energie verloren gehen.

Elektromotor versus Verbrenner

Der Elektromotor ist dagegen ein relativ simples Bauteil. Ihn effizient zu konstruieren, stellt keine große Herausforderung dar. Ohne viel Aufwand lassen sich Wirkungsgrade von 95 Prozent und mehr erzielen. Will heißen: 95 Prozent der elektrischen Leistung, die den Motor erreicht, werden in Antriebsleistung umgewandelt. Ihren besten Wirkungsgrad erreichen die Motoren jedoch meist bei niedriger Last. Je höher hingegen die Auslastung, desto geringer die Effizienz.

Je nach Auslegung des Motors lässt sich der optimale Effizienzbereich verschieben, doch für die spezielle Anwendung Elektroauto sind Kompromisse notwendig. Ein Motor, der über weite Bereiche einen geringen Verbrauch aufweist, fährt sich nicht unbedingt optimal. Sportliche Modelle brauchen große Motoren mit hohem Drehmoment. Die effizientere Lösung wären jedoch E-Motoren mit geringerem Durchmesser.

Verbrenner erreichen eher bei hoher Auslastung einen guten Wirkungsgrad. Dann wird zwar viel verbraucht, aber ein höherer Teil der Energie im Treibstoff in Vortrieb umgewandelt. So effizient wie Elektromotoren sind Verbrenner in keinem Betriebsbereich. Die effizientesten Motoren erreichen Wirkungsgrade von mehr als 40 Prozent. Der Rest wird in erster Linie zu Wärme – die immerhin zum Heizen des Innenraums verwendet werden kann.

Blick unter die Haube des Kia e-Niro auf den Elektromotor
Quelle: Kia Blick unter die Haube des Kia e-Niro auf den Elektromotor

Das geht mit Elektromotoren nicht. Viele Hersteller setzen daher Wärmepumpen ein, um den Innenraum möglichst effizient zu heizen oder zu kühlen. Wird elektrische Energie aus dem Akku in Wärme oder Kälte umgewandelt, frisst die Klimatisierung zu viel Reichweite.

So kommt die Energie wieder in den Akku

Zum Glück hat jedes Elektroauto sein eigenes Kraftwerk an Bord. Der Elektromotor kann nicht nur antreiben, er wird in umgekehrter Drehrichtung zum Generator. Dann wandelt er Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie um. Energie geht nämlich nie verloren, sie wird nur umgewandelt. Was beim Beschleunigen aufgewendet werden muss, lässt sich also beim Abbremsen wiedergewinnen. Üblicherweise wird Bewegungsenergie zu Wärme – glühende Bremsscheiben und qualmende Beläge sind der Beweis.

Bei E-Mobilen füllt der Elektromotor stattdessen als Generator den Akku. Hier hilft sogar hohes Gewicht, sagen jedenfalls die Hersteller schwerer Elektroautos. Das stimmt zum Teil: Die Energie, die zum Beschleunigen eines schweren Autos benötigt wird, hilft bei der Rekuperation.

Doch ein Elektroauto ist kein Perpetuum Mobile. Wegen des nicht perfekten Wirkungsgrads des Motors geht Energie als Wärme in die Umwelt, Luft- und Rollwiderstand sowie Reibung müssen beim Beschleunigen überwunden werden und verringern genauso die Rekuperationsleistung. Und bei großen, schweren Autos mit breiten, schweren Reifen fallen diese Faktoren mit einem höheren Prozentsatz ins Gewicht.

Das Elektroauto als Reisemobil?

Bei höheren Geschwindigkeiten fällt besonders die Aerodynamik negativ auf. Der Luftwiderstand muss überwunden werden, um das Auto überhaupt in Bewegung zu halten. Je größer die Stirnfläche und der cW-Wert eines Autos, desto mehr Energie geht in die Überwindung des Luftwiderstands. Der Autovermieter Nextmove hat das anschaulich in einem Praxistests auf der Autobahn gezeigt. Bei einer Geschwindigkeit von maximal 130 km/h verbrauchte das niedrige, windschlüpfige Model 3 von Tesla 18,5 kWh auf 100 Kilometern. Der vergleichsweise leichte Hyundai Kona kam auf 19,1 kWh.

Ein Audi E-Tron wird an einer Wallbox geladen. Hier fallen die Ladeverluste üblicherweise gering aus
Quelle: Audi Ein Audi E-Tron wird an einer Wallbox geladen. Hier fallen die Ladeverluste üblicherweise gering aus

Spielen hohe Geschwindigkeiten eine kleinere Rolle, ändern sich die Ergebnisse. So testete der italienische Ableger des Online-Mediums Motor1.com mit nur 10 Prozent Autobahnanteil und 45 Prozent Stadtverkehr. Für den Kona ermittelte das Magazin einen Verbrauch von 13,1 kWh auf 100 Kilometern. Ein Tesla Model S verbrauchte hier mit 19,5 kWh deutlich mehr.

Geringes Gewicht ist also im Stadtverkehr von Vorteil – und effiziente Rekuperation drückt den Verbrauch. Aus technischer Sicht ergeben kleinere, leichtere E-Autos, die primär in der Stadt eingesetzt werden folglich am meisten Sinn. Große „Reise-SUVs“ mit Elektromotoren eher weniger.