Elektroautos auf der Langstrecke
Um vollständig im Alltag anzukommen müssen Elektroautos von heute (und morgen) nicht nur in der Innenstadt punkten, sondern auch auf dem Weg zum Geschäftstermin oder in den Urlaub. In diesem Artikel beleuchtete ich, welche Faktoren dabei eine entscheidende Rolle spielen und wie die verfügbaren Modelle sich im Vergleich schlagen.
Die Teststrecke
Um einen aussagekräftigen Vergleich zu ermöglichen ist die Langstrecke zwischen Hamburg und München ein guter Testkandidat. Sie führt über ca. 800 km fast einmal komplett durch Deutschland und ermöglicht die praxisrelevante Gegenüberstellung der aufgestellten Ladetechnologie. Die Technologie (selbstfahrendes) E-Auto muss sich auf dieser Distanz ebenfalls mit der Bahn, dem Flugzeug sowie dem Fernbus messen.
Der Verbrauch
Wie effizient ist der Elektromotor? Zum Vergleich sind moderne Diesel selten in der Lage im Schnitt mehr als 20 Prozent der Energie, welche sich im Tank befindet, auf die Straße zu bringen. Zwar ist ein Wirkungsgrad von über 40 Prozent in bestimmten Kennfeldern möglich, jedoch tritt dies nur bei unter 2.000 Umdrehungen – beim Beschleunigen in einem kurzen Zeitfenster – auf. Vgl. Diesel-Motorkennfeld.
Im Gegensatz dazu ist je nach Typ der Elektromotor-Art ein Wirkungsgrad zwischen 92 bis 97 Prozent möglich (bezüglich der Energie im Akku). Hinzu kommt die Option, beim Entschleunigen Energie mittels Rekuperation in den Akku zurückzuspeisen. Enthalten sind die Verluste der Leistungselektronik, welche aus dem Gleichstrom der Batterie Wechselstrom für den AC Motor generiert. Ebenso das Getriebe, welches die Räder meist nur mit einem Gang mit dem Motor der Größe einer Melone verbindet.
Die Physik
Für ein Elektroauto spricht der hervorragende Wirkungsgrad von der Erzeugung bis zur Umwandlung in Bewegungsenergie. Dieser ist rund 2,5 mal besser als bei einem Dieselfahrzeug. Aber wofür genau wird die Energie benötigt?
Der Verbrauch setzt sich zu großen Teilen aus dem Luftwiderstand plus dem Rollwiderstand der Reifen zusammen. Beide hängen mit der Geschwindigkeit zusammen. Jedoch geht der Luftwiderstand mit der Geschwindigkeit quadratisch ein, wohingegen das Abwalken der Reifen nur linear ansteigt. Das Gewicht spielt, falls nicht gebremst wird, nur in den Rollwiderstand hinein.
Luftwiderstand: A * cw
Um jedes Auto zu bewegen, müssen Luftmoleküle um die Karosserie „herumströmen“. Je schneller diese ausweichen müssen, desto mehr Energie muss dafür aufgebracht werden. Der genaue Wert ergibt sich aus der Querschnittsfläche A multipliziert mit dem Luftwiderstandsbeiwert cw. Klingt kompliziert, ist es aber nicht. Die Querschnittsfläche entspricht quasi dem Schatten, den das Fahrzeug auf eine Wand wirft, wenn es von vorne mit einem Scheinwerfer angeleuchtet wird. Beispielsweise hat das Tesla Model X eine Querschnittsfläche von 2,82 m². Der CW oder Strömungswiderstandskoeffizient wird im Windtunnel bestimmt und sagt aus, wie windschnittig die Karosserie ist. Hier spielt vor allem eine Rolle wie gut die Luft herumgeleitet wird. Hierbei sind Attrappen-Kühlergrill und harte Kanten hinderlich. Um die Größenordnung einzuschätzen: Dieser Wert sollte möglichst gering sein und liegt zwischen 0,23 (Tesla Model 3) und 0,31 beim VW Polo (Verbrenner) – Wobei hier gern mal geschummelt wird (abgenommene Außenspiegel, abgeklebte Fugen).
Fazit: Schnelleres Fahren kostet mehr Energie. Hier macht jedoch die Aerodynamik einen entscheidenden Unterschied.
Die Batterie
In zweierlei Hinsicht spielt die Batterie eine entscheidende Rolle: Zum einen wie groß sie ist bestimmt wie weit mit einer Ladung gefahren werden kann, aber auch das Gewicht pro Energieeinheit (Tesla Model 3: 246 Wh/Kg). Zum anderen wie schnell die Batterie geladen werden kann. Aktuell sind bis zu 250 kW, dies entspricht 1.600 km pro Stunde, möglich. Die Ladegeschwindigkeit wird auch durch die Größe der Batterie beeinflusst, da die Leistung idealer verteilt werden kann (Vgl. C-Faktor). Die Brutto 95 kWh große Batterie des Audi e-tron kann mit bis zu 150 kW geladen werden (bis zu 80 Prozent), was ein guter Wert ist. Jedoch muss dies immer mit dem Verbrauch in Relation gesetzt werden muss.
Im Vergleich
Die Zahlen, Daten und Fakten sind aus dem EPA Test in kWh/100km auf dem Highway. Hier gilt je kleiner der Wert, desto besser.
Tesla
| Model 3 Standard Range (SR) | 16,2 |
| Model 3 Long Range (LR) | 17,0 |
| Model 3 Long Range Performance (LR P) | 18,7 |
| Model S Long Range (LR) | 19,6 |
| Model S Long Range Performance (LR P) | 20,1 |
| Model X Long Range (LR) | 22,5 |
| Model X Long Range Performance (LR P) | 27,2 |
HYUNDAI
| IONIQ | 16,8 |
| KONA Elektro | 19,4 |
| Clarity | 20,3 |
KIA
| e-soul | 20,7 |
| e-niro | 20,5 |
BMW
| i3(s) | 20,5 |
Volkswagen
| e-Golf | 18,9 |
Audi
| e-tron 55 quattro | 28,7 |
Jaguar
| I-Pace | 29,1 |
Nissan
| Leaf 40 | 21,1 |
| Leaf e+ 62 | 21,6 |
Die Ladekurve
Bei welchem Akkustand in Prozent (Vorsicht!) können wie viel kW Gleichstrom geladen werden? Bei sehr niedrigen und besonders hohen Ladeständen sinken die Ladegeschwindigkeiten stark. Dies haben alle Batterien aufgrund ihrer Bauart und inneren Zusammensetzung gemeinsam. Als Analogie kann man sich ein Glas Wasser vorstellen, welches befüllt werden soll: Zuerst muss man zielen und wenn es fast voll ist, kann man nur noch langsam nachfüllen, um nichts zu verschütten.
Audi verbirgt hier die unteren Schwächen durch einen Puffer von angeblich 12% – © AUDI AG, 2019
Alleine sagt die die Ladekurve (jene vom Tesla Model 3 hat @privater auf Twitter veröffentlicht) jedoch nicht sehr viel aus. Sie muss mit der Kapazität sowie dem Verbrauch kombiniert werden.
Die Langstrecke
Aktuell ist das Schnellladenetz (außer von Tesla) an deutschen Autobahnen noch recht dünn. Jedoch wird sich dies in Zukunft deutlich verbessern – dank Ladesäulen, wie z.B. jenen von Ionity, welche in der Praxis bereits 190+ kW liefern. Auch die Supercharger v3 werden in Zukunft bis zu 250 kW für Tesla-Fahrer bereitstellen.
Ein e-tron würde, wenn er bei einem zu Beginn 95 Prozent gefülltem Akku 79,42 kWh (errechnet aus 83,6 kWh*0,95) durch 28,7 kWh pro 100 km: 277 km Autobahn fahren können, bis der Akku vollständig entladen wäre. Unter der Annahme, dass dieser immer mit 150 kW laden kann, würde er 522 km pro Stunde laden. Also würde auf den verbleibenden 523 km zwei- bis dreimal geladen werden (jeweils +5 min benötigte Zeit). Pro Ladung könnten optimal 233 km nachgeladen werden (0-80 Prozent).
Also dreimal fünf Minuten plus eine Stunde laden für 523 km ergibt im Idealfall eine Ladedauer von 1:15 Stunde. Hinzu kommt eine Fahrzeit mit einer Höchstgeschwidigkeit von bis zu 120 km/h (Durchschnitt liegt wohl eher bei 100 km/h) von acht Stunden.
Hier spielt der hohe CW (Luftwiderstandsbeiwert) kombiniert mit hohem Gewicht eine entscheidende Rolle. Unter Idealbedingungen kommt der e-tron somit nicht unter neun Stunden. Der Jaguar I-Pace wird diesen Wert nicht unterbieten, da sein Verbrauch höher und Lademöglichkeiten deutlich langsamer sind.
Die amerikanische Konkurrenz
Hier ist es wegen der Nichtlinearität der Ladekurve nicht möglich einen Pauschalwert à la 150 kW anzusetzen. Deshalb ist es sinnvoll den idealen Ladebereich von 10 bis 60 Prozent (evtl. etwas weniger) heranzuziehen. Hierfür werden 15 Minuten benötigt, was 37 kWh entspricht, also 217 km.
Losgefahren wird wieder mit 95 % (70,3 kWh), dies reicht für 413 km, also muss noch zwei mal a (15 und fünf Minuten wie beim Audi) nachgeladen werden, um die 800 km nach München zu überwinden: also insgesamt 40 Minuten laden. Jedoch ergibt es für den Tesla Sinn schneller als 120 km/h zu fahren, da die Ladegeschwindigkeit so hoch und der Verbrauch niedriger ist als beim e-tron. Die ideale Geschwindigkeit wird bei rund 190 km/h liegen. Dies verlängert jedoch auch die Ladezeit um 40 Prozent und somit auch die Zeit, die gestoppt werden muss. Rund 60 Minuten werden dadurch fürs Laden fällig und auf keiner deutschen Autobahn ist es möglich, 190 km/h im Durchschnitt zu fahren. Aber falls doch, würden unterm Strich vier Stunden Fahrzeit plus eine Stunde Laden stehen.
Das Tesla Model S und X können mit ihrer aktuellen Batterie noch nicht bis zu 250 kW laden, sondern „nur“ bis zu ca. 140 kW. Das Tesla Model S Standard Range (SR) verbraucht jedoch fast ein Drittel weniger als ein Audi e-tron.
Praxis
In der Theorie sind Werte von fünf Stunden (bis hin zu neun Stunden) von Hamburg nach München schön und gut, haben jedoch mit der Praxis nur wenig zu tun. Durch Gegenwind, Berge und nicht ideal positionierte Ladesäulen kommen andere Bruttowerte zum Tragen. So gibt das Tool A better Routeplanner unter oben genannten Bedingungen eine Gesamtfahrzeit von acht Stunden an (1:12 Stunde für das Laden auf vier Stops verteilt).
Dies sind in der Praxis sehr realistische und bereits heute mit dem Tesla Model 3 erfahrbare Werte – © A better Routeplanner, 2019
Dagegen steht der e-tron, welcher noch unter einem spärlichen Ladenetz leidet und 86 Prozent seines Akkus zwischen zwei Ladepunkten mit maximal 130 km/h fahren muss.
Jedoch schafft auch er die Strecke in 9:11 Stunden, wovon er 1:45 Stunde laden muss – © A better Routeplanner, 2019
Fazit
Elektromobilität ist auf der Langstrecke heute möglich, sogar mit europäischen SUVs mit etwas erhöhter Ladezeit und verminderter Geschwindigkeit. Weiterhin ist im Hinterkopf zu behalten, dass die meisten Ladevorgänge zu Hause stattfinden – also im Alltag Zeit und Umwege gespart werden. Die Praxis des Reisens der Zukunft auf der Langstrecke ist schon heute möglich und wird kontinuierlich erweitert.
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David Kreidler Durch sein großes Interesse zu Technik und Effizienz stieß er auf Elektroautos, insbesondere Tesla und verfolgt die exponentielle Entwicklung. Als Software-Developer interessiert ihn insbesondere das Zusammenspiel mit der Hardware und somit Themen wie selbstfahrenden Autos, Batterie-Management oder auch Elektromotoren.
Für Rückfragen zum Artikel könnt ihr David direkt per E-Mail kontaktieren.
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