Elektromobilität –
mit Energie in die mobile Zukunft

Siemens bündelt seine langjährigen Erfahrungen in den Bereichen Energie, Mobilität und IT, um in ein neues Zeitalter der Elektromobilität zu starten.

Bereits im 19. Jahrhundert war Siemens Pionier in Sachen Elektromobilität. 1881 rollte die erste elektrische Straßenbahn der Welt durch Berlin, 1899 die erste elektrische Straßenbahn Chinas durch Peking. Wenig später, im Jahr 1905, wurde – ebenfalls in Berlin – die „Elektrische Viktoria“ gebaut, eines der ersten Elektroautos, das auf den Straßen Berlins als elegantes Hoteltaxi oder Lieferwagen zum Einsatz kam.

Im 20. Jahrhundert entwickelte Siemens sich zum führenden Anbieter von Elektroantrieben für die Schiene und nutzt heute seine große Expertise für die kontinuierliche Weiterentwicklung des Elektroautos. Im November 2010 startete hierzu ein groß angelegter Flottenversuch. 100 Mitarbeiter in Deutschland werden bis April 2013 die Elektroautos im Alltagseinsatz testen und das Zusammenspiel von Auto und Stromnetz optimieren helfen.

Denn Elektrofahrzeuge fahren nicht nur emissionsarm, sie lassen sich auch perfekt in ein intelligentes Stromnetz, ein sogenanntes Smart Grid, einbinden. Hier sind sie nicht nur Verbraucher, sondern in Zeiten hoher Stromerzeugung durch erneuerbare Energien – zum Beispiel bei hohen Windstärken – auch mobiler Stromspeicher. Ist der Stromverbrauch dagegen hoch (Spitzenlasten), können Elektroautos den Strom später ins Netz zurückspeisen. So entfalten Elektromobilitätslösungen im Zusammenspiel mit erneuerbaren Energien ihr ganzes Potenzial für den Klimaschutz.

Das alles ist keine Zukunftsmusik, sondern wird bereits unter realen Bedingungen getestet. Siemens bietet heute schon das gesamte Spektrum an Produkten und Lösungen für die elektromobile Zukunft – beginnend bei einem intelligenten Stromnetz und der Infrastruktur zum Stromtanken, über Komponenten für das Elektroauto bis zu einem umfassenden und aufeinander abgestimmten Software-Portfolio.

Siemens ist außerdem Mitglied der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE). Das Beratungsgremium der Bundesregierung hat das Ziel Deutschland bis 2020 zum Leitanbieter für Elektromobilität zu entwickeln. Der zweite Bericht der NPE bietet Empfehlungen, wie dieses Ziel erreicht werden kann.

Intelligente Infrastrukturen für effiziente Elektromobilität

Elektroautos: Fahren mit Strom

Hunderttausende von Elektroautos auf Europas Straßen – noch vor fünf Jahren schien dies wie Zukunftsmusik. Nun erobern Elektrofahrzeuge auch die letzte größere Bastion konventioneller Antriebe: den Individualverkehr auf unseren Straßen. Der steigende weltweite Energiebedarf, begrenzte Ölressourcen und strengere Umwelt- und Klimaschutzauflagen erfordern ein Umdenken zu mehr Nachhaltigkeit und Energieeffizienz. Elektrofahrzeuge, deren Strom in großem Stil auch aus erneuerbaren Energien gewonnen werden kann, erfüllen diese Anforderungen in besonderem Maße. Die Investmentbank HSBC erwartet laut einer Studie von 2010 weltweit fast 18 Millionen Elektrofahrzeuge bis zum Jahr 2020 – aufgeteilt auf 8,7 Millionen reine Elektroautos und 9,2 Millionen sogenannte Plug-in-Hybride mit einer Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor. Die deutsche Regierung will bis 2020 eine Million, bis 2030 sogar fünf Millionen Elektroautos einschließlich Plug-in-Hybride auf die Straße bringen.

Elektrofahrzeuge im städtischen Nahverkehr

Besonders in Städten ist Elektromobilität mit leisen und emissionsfreien Elektrofahrzeugen ideal. Das gilt nicht nur für den öffentlichen Nahverkehr, wo uns Straßenbahnen und Oberleitungsbusse schon seit vielen Jahrzehnten geläufig sind. Ein Elektrofahrzeug ermöglicht als einziges Verkehrsmittel auch eine saubere Lösung im Bereich der individuellen Mobilität. Elektroautos, Elektrofahrräder und Elektroroller erfreuen sich deshalb im Nahverkehr zunehmender Beliebtheit. Um aber Elektroautos zum Durchbruch zu verhelfen, müssen Automobil- und Elektroindustrie weiter zusammenwachsen und gemeinsam die notwendigen Infrastrukturen für Elektromobilität schaffen.

Fit für den Alltagseinsatz

Das Kapitel Elektroauto wurde von Siemens bereits 1905 geöffnet: Die „Elektrische Viktoria“, die in etwa 50 Exemplaren als elegantes Hoteltaxi und Lieferwagen im Alltagseinsatz war, fuhr mit einer Geschwindigkeit von bis zu 30 km/h und konnte mit einer Batterieladung rund 80 km zurücklegen.

Auch heute ist Siemens wieder ein Vorreiter der Elektromobilität. Zwar produziert Siemens keine Elektroautos, hat jedoch eine eigene Geschäftseinheit gegründet, die Schlüsselkomponenten für den Antriebsstrang elektrisch angetriebener Personenkraftfahrzeuge und leichte Nutzfahrzeuge entwickelt. Zum Portfolio gehören Elektromotoren, Leistungselektronik und intelligente On-Board Ladetechnik.

Darüber hinaus treibt Siemens die Entwicklung der Elektromobilität weiter voran. In einem Flottenversuch werden Elektroautos im Alltagseinsatz und im Zusammenspiel mit dem Stromnetz getestet – die ersten 20 Fahrzeuge wurden bereits im November 2010 an Siemens Mitarbeiter der Standorte München und Erlangen übergeben.

Pionier: Die „Elektrische Viktoria“ im Jahr 1905
Elektroantriebe: Elektroantriebe – vielfach bewährt und ausgereift

Seit der Erfindung des Elektromotors vor etwa 175 Jahren haben Elektroantriebe einen Siegeszug durch alle Branchen angetreten. So breit die Anwendungen für Elektromobilität, so verschieden sind auch die Bauarten für Elektroantriebe. Bei einem batteriebetriebenen Elektroauto besteht der Antrieb im Allgemeinen aus Elektromotor, Umrichter, Batterie und Ladegerät. Das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten lässt sich wie folgt beschreiben. Das Fahrzeug wird direkt vom Elektromotor angetrieben. Dafür muss dieser mit Wechselstrom versorgt werden, der vom Umrichter geliefert wird. Der Umrichter wandelt hierzu den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom um. Auch regelt der Umrichter die Geschwindigkeit, indem er die Drehzahl des Motors erhöht, sobald der Fahrer das „Gaspedal“ betätigt.

Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren entfalten Elektroantriebe ihr volles Drehmoment schon bei geringen Drehzahlen, was ein zügiges Anfahren und eine hohe Beschleunigung und damit großen Fahrspaß ermöglicht. Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, dass Elektroantriebe Bremsenergie wieder in elektrische Energie rückverwandeln – anders als bei Verbrennungsmotoren, wo sie in Form heiß gelaufener Bremsen verloren geht. Bei dieser sogenannten Rekuperation arbeitet der Motor ähnlich wie ein Dynamo am Fahrrad als Generator, wirkt so zugleich als elektromotorische Bremse und speist die Energie zurück in die Batterie. Nicht zuletzt zeichnen sich Elektromotoren durch einen hohen Wirkungsgrad aus, d.h. sie setzen die elektrische Energie fast vollständig in Bewegungsenergie um.

Vorteil des Elektromotors

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Arbeitsteilung zwischen Verbrennungs- und Elektromotor

Um größere Reichweiten zu erzielen, verwendet man häufig eine Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor, einen sogenannten Hybridantrieb. Siemens setzt bei Pkw und Nutzfahrzeugen auf die serielle Hybridlösung, bei der – anders als beim parallelen Hybrid – allein der Elektromotor für den Antrieb sorgt. Der Verbrennungsmotor treibt lediglich einen elektrischen Generator an, der die Batterie lädt. Durch diese spezielle Anordnung kommen beim seriellen Hybrid sämtliche Vorteile eines rein elektrisch betriebenen Fahrzeugs voll zum Tragen. So wird vor allem auch bei ihm der Elektromotor bewusst als Bremse eingesetzt. Dieser arbeitet dann als Generator, wandelt die Bewegungsenergie in elektrische Energie um und führt diese in die Batterie zurück.

Gerade für Stadtbusse und Lieferfahrzeuge, die viele Stopps einlegen, ist der serielle Hybrid bestens geeignet. Er ist deshalb auch Kernstück des Siemens-Antriebskonzepts ELFA, das sich bereits 1000-fach bewährt hat. Stadtbusse, die ständig bremsen und beschleunigen, verbrauchen mit ELFA etwa ein Drittel weniger Treibstoff. Das sind bei einer jährlichen Fahrleistung von 60.000 Kilometern je nach Streckenverlauf rund 10.000 Liter Treibstoff. ELFA macht die Busse aber nicht nur sparsamer, sondern auch leise, weil das Hochdrehen des Diesels beim Beschleunigen wegfällt und der Dieselmotor in sparsameren und leiseren Drehzahlniveaus betrieben wird.

Erfindergeist gepaart mit Erfahrung

Siemens ist seit 1879 Vorreiter für Elektroantriebe und hat elektrischen Maschinen mit zum Durchbruch verholfen. Auch heute noch ist es eine Kunst, Strom gezielt in Bewegung umzusetzen. Siemens-Entwickler machen moderne Motoren leistungsfähiger, energiesparender und flexibler einsetzbar, indem sie die einzelnen Komponenten zu einem harmonischen Antrieb zusammenfügen. Mehr als 1,5 Millionen Elektromotoren jährlich verlassen die Siemens-Produktionsstätten. Ob auf Schienen, Straßen, im Wasser oder sogar in den Bergen: Siemens-Elektroantriebe befördern jeden Tag Millionen von Menschen.
Stromtankstellen: Stromtankstellen in einer flächendeckenden Ladeinfrastruktur

Elektromobilität und Elektroautos werden sich nur Hand in Hand mit einer entsprechenden Ladeinfrastruktur für die Fahrzeuge weiter entwickeln und behaupten können. Ein engmaschiges Netz von „Stromtankstellen“ ist somit Grundvoraussetzung. Diese können öffentlich, halb-öffentlich (beispielsweise Einkaufszentren) oder nicht-öffentlich zugänglich sein. Siemens entwickelt Ladesäulen für verschiedene Einsatzzwecke und forscht auch an weiteren Möglichkeiten des Ladens, insbesondere des schnelleren Aufladens. Ziel ist eine flächendeckende und modulare Ladeinfrastruktur, die einfaches und sicheres Stromtanken überall möglich macht.

Erkunden Sie die Möglichkeiten, Strom zu laden

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Öffentliche und halb-öffentliche Ladestationen

Für Stromtanken auf öffentlichen Parkplätzen und in Parkhäusern von Einkaufszentren oder Firmen bietet Siemens die modulare Ladesäule „Charge CP700A“ an, die Elektroautos mit gängiger Batteriekapazität binnen einer Stunde laden kann. Ein Display führt den Benutzer sicher durch den Ladevorgang und macht das Aufladen so einfach wie normales Tanken. Außerdem erlaubt es der modulare Aufbau dieser Ladesäule, das System genau auf die jeweilige Aufgabe zuzuschneiden. Dabei verbinden sich hohe Bedienfreundlichkeit mit einem hohen Grad an Sicherheit. Soll gleichzeitig eine größere Anzahl von Elektrofahrzeugen geladen werden, ist das Satellitensystem Sitraffic Epos die richtige Wahl. Es kombiniert die Funktionen von Ladesäulen und Parkscheinautomaten. Eine Station kann mehrere Satelliten enthalten.

Zukünftige Lösungen für schnelles "Stromtanken"

Wo bevorzugt kurz geparkt wird, spielen DC-(Gleichstrom-)Schnellladestationen ihre Stärken aus. Ein Autofahrer kann hier zeitgleich zu seinem Einkauf oder Restaurantbesuch seine Fahrzeugbatterien laden. Für Betreiber von Kurzzeitparkzonen sind DC-Ladesysteme deshalb genauso die erste Wahl wie für Unternehmen mit Servicefahrzeugen. Eine Alternative zum Schnellladen ist der Austausch leerer Batterien gegen geladene in sogenannten „Swapping Stations“. Da hierbei alle elektrischen Elemente innerhalb eines geschlossenen Prozesses oder Systems gehalten werden, erfolgt der Austausch sicher, schnell und komfortabel – und erlaubt hohe Reichweiten ohne lange Wartezeiten.

Komfortabel zu Hause laden

Für das Laden im privaten Umfeld – etwa über Nacht in der Garage – ist die Wallbox konzipiert. Sie lässt sich Platz sparend, einfach und schnell installieren. Die Wallbox ist optional mit Kommunikationsmodulen verfügbar, damit kann sie in das erweiterte Dienstleistungsangebot im Smart Grid eingebunden werden. Generell verwendet Siemens bei allen Ladeoptionen normgerechte Komponenten, die bei Überlast oder Kurzschluss Personen und hochwertige Elektrofahrzeuge schützen und bei Berühren vor gefährlichen Körperströmen bewahren.

Laden ganz ohne Kabel

Durch das sogenannte induktive Laden können Elektrofahrzeuge sogar gänzlich ohne Ladekabel und Ladesäule geladen werden. Eine vollständig im Boden versenkte Spule, die Primärspule, bildet hierbei die Verbindung zum öffentlichen Energienetz. Startet der Fahrer das Laden, fließt Strom durch diese Primärspule. Als Folge baut sich ein Magnetfeld auf, das in der im Fahrzeug eingebauten Sekundärspule einen elektrischen Strom anregt. Dieser induzierte Strom lädt die Batterie des Elektrofahrzeugs auf. Die Ladestationen können nahezu unsichtbar in jede Umgebung integriert werden. Das kontaktlose Ladeverfahren ist verschleißfrei, sicher vor Vandalismus und bietet sich als komfortable Alternative für Elektrofahrzeugflotten (beispielsweise Taxis) oder für zu Hause an.
Elektromobilitätslösungen: Zusammenspiel aller Beteiligten

Gestützt von der langjährigen Erfahrung in den Bereichen Energieversorgung, Netzinfrastruktur, IT und Elektroantriebe, beschäftigt sich Siemens seit langem mit den Herausforderungen der Mobilität von morgen. Entsprechend umfangreich ist bereits heute das Spektrum von ausgereiften und kompatiblen Systemkomponenten und Dienstleistungen für die Elektromobilität, sowohl bei der Infrastruktur als auch im Fahrzeug selbst. Siemens bietet dabei nicht nur Einzellösungen an, sondern kann sämtliche Teillösungen zu einem sinnvollen Ganzen miteinander verknüpfen.

Smart Grid und Elektromobilität sind wesentliche Bestandteile zukünftiger Entwicklungen

Komponenten im Fahrzeug selbst

Bei den „Inside-car-Komponenten“ sind neben den Siemens-Lösungspaketen für Antrieb und Steuerung besonders die effizienten LED-(Leuchtdioden-)Scheinwerfer zu nennen. Die voll standardisierte LED-Autobeleuchtung JOULE JFL 2 von Osram verbraucht nicht nur extrem wenig Energie, sondern ist auch äußerst leistungsfähig und flexibel und damit bestens geeignet für den Einsatz in Elektroautos.

Komponenten für die Ladeinfrastruktur

Die Infrastruktureinrichtungen von Siemens überdecken unterschiedlichste Ladeszenarien. Der Einsatz bewährter Schalt- und Schutzgeräte gewährleistet hier sichere Abläufe und eine automatisierte Kommunikation. Schnell- und Gleichstromladestationen, Batteriewechseleinrichtungen und die erforderliche Messtechnik gehören ebenso zum Angebot wie Netzplanungsdienstleistungen. Die spezifisch auf die Elektromobilität zugeschnittenen Komponenten gewährleisten die Einhaltung neuer Normen wie IEC/EN/DIN 61851. All dies sorgt dafür, dass die erforderliche Infrastruktur hinter den Ladestationen intelligent ausgebaut werden kann. Lösungen für das Energiemanagement regeln dabei unter anderem Ladevorgänge oder die Verfügbarkeit der Ladestationen im Smart Grid.

Software-Lösungen für die Elektromobilität

Darüber hinaus bietet Siemens ein umfassendes Software-Portfolio – von Infrastrukturlösungen zum Energie- und Flottenmanagement über Businesspakete bis hin zu Mehrwertapplikationen in der Benutzerführung. Die Software hilft beispielsweise Energieverbrauchsdaten zu erfassen oder Bezahltransaktionen sowie Sicherheits- und Autorisierungsprozesse zu verarbeiten. Die Software-Lösungen sind untereinander abgestimmt und lassen sich flexibel zu Leistungspaketen kombinieren.

Vision der „Kooperativen Systeme“

Auch das Zusammenspiel der bisher getrennten Subsysteme in Fahrzeugen, Straßeninfrastruktur und Verkehrszentralen kann bald Realität sein. Intelligente Elektroauto-Software kann zusammen mit dem kommunikationstechnischen Ausbau der Elektromobilitätsinfrastruktur die sogenannte Car2X-Kommunikation erweitern. Dabei verständigen sich Autos entweder mit anderen Fahrzeugen (Car2Car) oder mit der Verkehrsinfrastruktur (Car2Infrastructure). Car2X macht Autos zu mobilen Sensoren für Verkehrsleitsysteme. Das heißt, das Leitsystem schließt aus Standort und Geschwindigkeit der vernetzten Autos auf Vorhandensein und Länge von Staus. So können etwa bessere Umleitungsempfehlungen gegeben werden. Und der Verkehr wird sicherer und flüssiger, indem Daten über Verkehrsdichte, Straßenzustand oder Ampelschaltzeiten ausgetauscht werden.

Das Zukunftsszenario: Autos kommunizieren mit ihrer Infrastruktur und mit anderen Autos