Elektrisch + Autonom: Verstehen ohne Diplom - Johannes Walz - E-Book

Elektrisch + Autonom: Verstehen ohne Diplom E-Book

Johannes Walz

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Beschreibung

In den nächsten Jahren wird ein fundamentaler Wandel im Automobilbereich stattfinden. Dieser wird jeden von uns treffen. Dazu gehören vor allem zwei große Themen: Elektroautos und autonomes Fahren. Das Buch "Elektrisch + Autonom: Verstehen ohne Diplom" beantwortet komplexe Fragen mit einfachen Worten und liefert dem Laien somit einen guten Überblick über die Zukunftsthemen Elektroauto und autonomes Fahren.

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Seitenzahl: 105




DANKE

Hendrik Ali Prof. Dr.-Ing. Stiller Valerie Mama Julia Lucia Christian Pepe Dani Papa Juli Marco Chris Rene Ante Shreyes Mingkang W. Dank Rainer Sinan

Vorwort

Von Christoph Stiller, Professor für Mess- und Regelungstechnik mit Forschungsschwerpunkt Automatisches Fahren am Karlsruher Institut für Technologie, KIT.

Unser aller Mobilität wird in den kommenden Jahrzehnten dramatische Veränderungen erfahren, wie es sie seit Erfindung des Automobils durch den in Karlsruhe studierten Ingenieur Carl Benz 1886 bisher nicht wieder gab. Die Ursache hierfür liegt in gleich zwei Innovationen, die das Autofahren und den damit verbundenen Verkehr gleich mit revolutionieren werden. Erstens wird der Antrieb von Autos elektrisch werden und zweitens werden Autos selbst fahren können. In letzter Konsequenz wird dieser technische Fortschritt gleichermaßen einschneidende Auswirkungen auf die für Deutschland wichtige Automobilindustrie wie auf die Mobilität unserer Gesellschaft haben. So wie das Automobil die Dampflokomotive zurückgedrängt hat, wird das elektrische automatische Auto schließlich unseren Verkehr vollkommen neu gestalten.

Obwohl erste elektrische Fahrzeuge bereits auf unseren Straßen präsent sind und erste Fahrerassistenzsysteme bin hin zum Level 3, in dem der Fahrer nicht mehr permanent die Fahrzeugführung überwachen muss, bereits entwickelt und die Markteinführung angekündigt sind, wird die Dynamik dieses Wandels zum elektrischen automatischen Automobil bis hin in die Vorstandsetagen einzelner Industrieunternehmen und in die Politik oftmals unterschätzt oder gar verdrängt. Sicherlich bietet dieser Wandel neben Chancen auf eine nachhaltigere, unfallärmere, bequemere und effizientere Mobilität zunächst auch negative Facetten und Unsicherheiten, wie es am Anfang einer neuen Technologieära nicht selten der Fall ist.

So stellt die Reichweitenbegrenzung verbunden mit langen Ladezeiten und unzureichender Infrastruktur fürs Laden derzeit eine Herausforderung für elektrisches Fahren dar. Die im Vergleich zum Verbrennungsmotor geringere Komplexität eines Elektromotors wird eine Verschiebung von Arbeitsplätzen aus der Automobilkonstruktion hin zu digitalen Mobilitätsangeboten bewirken und die Industrie in diesem Bereich neu anordnen. Eine Beflügelung der Shared-Economy kann den individuellen Fahrzeugbesitz und damit die Verkaufszahlen neuer Autos zurückdrängen. Ebenso darf man von automatischen Fahrzeugen nicht erwarten, dass sie bei heutigen Geschwindigkeiten eine absolute Sicherheit gewährleisten können. Allerdings werden automatische Fahrzeuge deutlich weniger Unfälle verursachen. Bei geschickter Einführung können sie zudem aus kritischen Situationen für die Zukunft lernen – und damit immer sicherer wenngleich nie unfallfrei werden.

Trotz aller heutiger Unzulänglichkeiten konnte in den vergangenen Jahren die Technische Forschung so weit vorangetrieben werden, dass der Übergang zu elektrischen und automatisierten Fahrzeugen unumkehrbar vorgezeichnet ist. Während dies in vielen Ländern, wie den USA, China und Japan ganz überwiegend als Chance wahrgenommen wird, sehe ich in Europa einen noch weniger informierten, eher kritischen bis vorsichtigen Umgang mit diesen Technologien.

Dieses Buch bietet verständliche und fachlich versierte Informationen über wesentliche Aspekte dieser neuen Mobilitätsära und gibt Antworten auf viele drängende Fragen. Damit leistet es einen wichtigen Beitrag für die notwendige übergreifende gesellschaftliche Diskussion zu diesem Thema. Deshalb unterstütze ich den Autor gern durch dieses Vorwort. Naturgemäß beschreibt er dabei den heutigen Stand einer dynamischen Technologie, deren künftige Entwicklung rasant voranschreiten wird. Ich wünsche dem Leser eine informative und interessante Lektüre und die Phantasie, dabei ein wenig von der Zukunft unserer Mobilität und deren Perspektiven für die Menschheit ohne Abgas-produzierende und blinde Autos zu erahnen.

Karlsruhe, den 12. Nov. 2019

gez. Prof. Dr.-Ing. Christoph Stiller

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Autonomes Fahren

2.1 Ausführliche Fragen und Antworten

2.1.1 Was bedeutet autonomes Fahren überhaupt?

2.1.2 Wie funktioniert ein autonomes Fahrzeug?

2.1.3 Welche Vor- und Nachteile hat das autonome Fahren?

2.1.4 Wann wird es autonome Fahrzeuge geben?

2.1.5 Was werden autonome Fahrzeuge kosten?

2.1.6 Wie sicher ist autonomes Fahren?

2.1.7 Wie wird im kritischen Extremfall entschieden?

2.1.8 Wer haftet bei einem Unfall?

2.1.9 Was sind die Herausforderungen für autonome Fahrzeuge?

2.1.10 Was können heutige automatisierte Fahrzeuge bereits?

2.2 Kurze Fragen und Antworten

2.3 Moralische Dilemmata – wie entscheiden Sie sich?

E-Auto

3.1 Ausführliche Fragen und Antworten

3.1.1 Was haben E-Autos mit Carsharing und autonomem Fahren zu tun?

3.1.2 Was ist ein E-Auto und wie funktioniert es?

3.1.3 Warum gibt es einen Wandel von Verbrennern zu E-Autos? Anders gefragt: Sind E-Autos tatsächlich nachhaltiger?

3.1.4 Was sind die Pros und Contras von E-Autos?

3.1.5 Wie viel kostet ein E-Auto?

3.1.6 Welche Reichweite hat ein E-Auto?

3.1.7 Wie (lange) und wo kann man E-Autos laden?

3.1.8 Akku oder Brennstoffzelle: Was ist besser?

3.1.9 Was für Alternativen zu E-Autos gibt es?

3.1.10 Wie sieht die Gegenwart und Zukunft der E-Autos aus?

3.2 Kurze Fragen und Antworten

Schluss

Fachbegriffe erläutert

Weiterführende Literatur

Quellenverzeichnis

1 Einleitung

Es ist Wochenende und Sie besuchen gute Freunde, um gemeinsam mit ihnen zu essen. Nach einem langen Abend mit dem einen oder anderen Glas Wein stellen Sie fest, dass Sie nicht mehr fahrtauglich sind. Umso besser, dass ihr Auto direkt vor der Haustür steht. Mit etwas Mühe öffnen Sie die Türe Ihres Autos und lassen sich auf den Sitz nieder. Sie nuscheln „nach Hause“ und spüren daraufhin ein ruhiges, fast schon lautloses hochdrehen des Elektromotors, der das Fahrzeug sanft beschleunigt. Sie freuen sich, dass Sie sich beim letzten Autokauf für ein autonomes Elektroauto entschieden haben und sinken langsam in einen tiefen Schlaf.

Plötzlich werden Sie von einer lauten Hupe aufgeweckt. Sie versuchen sich zu orientieren und stellen fest, dass Sie anscheinend nicht wie gewünscht nach Hause gefahren sind, sondern an einer Stromtankstelle stehen. Auf der Anzeige Ihres Elektroautos steht „Bitte laden Sie ihr Auto“. Erst jetzt realisieren Sie, dass ihr Fahrzeug die Ladestation blockiert, an dem der nachfolgende Fahrer sein Elektroauto laden möchte.

Auch wenn die beschriebene Situation noch sehr surreal wirkt, gibt es aktuell einen großen Wandel im Bereich Mobilität. Die Themen „Autonomes Fahren“ und vor allem „Elektroautos“ lassen sich nicht mehr ignorieren - nicht zuletzt aufgrund von etlichen Meldungen in den Nachrichten. Der bereits vor Jahren bekannt gewordene Diesel-Skandal fördert die Diskussion weiterhin. Aber auch die Politik übt Druck auf die Autohersteller aus, indem die Volksvertreter hohe CO2-Ziele festlegen und den Herstellern mit Strafzahlungen in Milliardenhöhe drohen. Dabei arbeitet nicht nur die deutsche Industrie an modernen Automobilen. Dass die ausländische Konkurrenz nicht schläft, ist spätestens seit Teslas Medienpräzens offensichtlich.

Aber auch die Leser, die nicht an dem Wettkampf der Autounternehmen interessiert sind, bekommen beim Lesen dieses Buches einen guten technischen Überblick zu einem extrem breiten Themengebiet. Nachdem Sie dieses Werk gelesen haben, können Sie Stammtischaussagen mit Fakten kontern.

Dazu müssen Sie weder Atomphysiker sein, noch technische Vorkenntnisse haben. Fragen und Antworten zu Streitthemen wie Reichweite oder Ökologie von Elektroautos werden erörtert, aber auch kritisch hinterfragt. Insgesamt werden 40 Fragen zu den Zukunftsthemen „Autonomes Fahren“ und „Elektroauto“ mit einfachen Worten beantwortet. Falls kein Wissen zu den genannten Themen vorliegt, empfiehlt es sich, mit den ersten Kapiteln im jeweiligen Bereich zu beginnen. Wenn Grundkenntnisse vorhanden sind, können Fragen auch beliebig übersprungen werden.

Die meisten Pkw-Nutzer möchten nur von A nach B kommen. Allerdings muss dazu erst ein Auto vorhanden sein. Beim Kauf ist deshalb in Zukunft etwas technisches Grundlagenwissen sinnvoll, da Sie keine versteckten Überraschungen erleben möchten. Ebenfalls wichtig für den Käufer sind der Preis und die laufenden Kosten der neuen Elektroautos. Häufiges Gegenargument sind die hohen Anschaffungskosten. Dabei wissen die wenigsten, dass es dank Kaufprämie, Steuerbefreiung und niedrigen Unterhaltungskosten in einigen Fällen bereits schon jetzt günstiger ist, auf ein Elektroauto zu setzen.

Wenn der Schlüssel vom Auto übergeben wurde, kann es losgehen - vorausgesetzt der Akku ist voll. Deswegen müssen Sie früher oder später Strom tanken. Bei E-Autos stellt sich die Frage, wo und wie lange man das Auto laden muss. Im Extremfall kann der Ladevorgang nämlich länger als einen vollen Tag benötigen. An der richtigen Ladestation kann dies jedoch theoretisch über 100 Mal schneller erfolgen.

Dieses Buch geht aber nicht nur auf die technischen Details zukünftiger Automobile ein, sondern thematisiert auch gesetzliche Regelungen. Nicht jeder weiß, was beim autonomen Fahren laut deutschem Gesetz zulässig ist und wer bei Unfällen aktuell und zukünftig haften wird. Neben technischen und gesetzlichen Inhalten werden auch moralische Fragen diskutiert. Bis heute sind philosophische Problemstellungen und Dilemmata vorhanden. Viele von ihnen werden zwar in den Medien übertrieben dargestellt, dennoch sollten Nutzer eines autonomen Autos wissen, wie es in Notsituationen reagiert. Bei einem selbstfahrenden Fahrzeug hat er nämlich keinerlei Einfluss auf das Fahrverhalten und wird deswegen zum passiven Passagier.

2 Autonomes Fahren

2.1 Ausführliche Fragen und Antworten

2.1.1 Was bedeutet autonomes Fahren überhaupt?

Der Begriff „Autonomes Fahren“ ist in den letzten Jahren in aller Munde, nicht zuletzt aufgrund der Schlagzeilen des Autoherstellers Tesla und dessen Geschäftsführer Elon Musk. Dabei wissen die wenigsten, was autonomes Fahren ist und wie man es definiert.

Das Wort „autonom“ stammt aus dem Griechischen und bedeutet „selbstständig“, weshalb autonome Fahrzeuge auch als selbstfahrende Autos bezeichnet werden. Damit das Fahrzeug eigenständig fahren kann, werden Systeme benötigt, welche die Aufgaben des Fahrers übernehmen.

Sogenannte Fahrerassistenzsysteme unterstützen den Fahrer bereits seit Jahrzehnten beim Fahren und Parken. Sie erhöhen den Komfort oder steigern die Sicherheit im Fahrbetrieb. In kritischen Situationen stabilisieren sie das Fahrzeug wie zum Beispiel bei einer Vollbremsung (ABS) oder beim Ausbrechen des Fahrzeugs (ESP).

Fahrerassistenzsysteme werden stetig weiterentwickelt, weshalb sie immer komplexere Aufgaben übernehmen können. Ein gutes Beispiel ist ein „Tempomat“, der das Fahrzeug ohne Beihilfe des Menschen auf eine konstante Geschwindigkeit regelt. Die Weiterentwicklung ist ein Abstandsregeltempomat. Er ermöglicht ebenfalls eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit und hält einen definierten Mindestabstand zu dem vorausfahrenden Fahrzeug. Autobahnfahrten können dadurch deutlich angenehmer werden, da monotone Aufgaben (teil-)automatisiert werden.

Um den Übergang von nicht automatisierten Fahrzeugen zu autonomen Fahrzeugen zu beschreiben, können Pkws in sechs unterschiedliche Stufen der Autonomie eingeteiltwerden.

Besierend auf SAE 3016

Je nach Art und Umfang der Unterstützung lässt sich bereits von „Teilautomatisierung“ (Stufe 2) oder „bedingter Automatisierung“ (Stufe 3) sprechen, wie zum Beispiel beim „automatischen Einparken“. Dort werden verschiedene komplexe Aufgaben, wie Lenken und Beschleunigen vom Fahrzeug übernommen, sodass der Fahrer das Auto für eine gewisse Zeit nicht steuern muss.

Durch die Weiterentwicklung und Kombination von Fahrerassistenzsystemen ist es möglich, dass Fahrzeuge mehr und mehr Kontrolle über den Fahrvorgang übernehmen. Wenn das Auto komplett eigenständig fährt, wird es als „hochautomatisiert“ (Stufe 4) oder „vollautomatisiert“ (Stufe 5) bezeichnet. Der Unterschied zwischen den letzten beiden Begriffen liegt darin, dass beim hochautomatisierten Fahren weiterhin ein Fahrer vorhanden sein muss. Vollautomatisierte Fahrzeuge hingegen sind fahrerlos.

Die Einteilung erfolgt basierend auf den Aufgaben, die vom Fahrzeug übernommen werden und in Abhängigkeit von der Überwachung dieser automatisierten Vorgänge. Das bedeutet konkret, der Automatisierungsgrad schreitet voran, je weniger der Fahrer machen muss. Die Stufen 1 bis 5 können stark vereinfacht mit „Füße weg, Hände weg, Augen weg, Kopf weg, Fahrer weg“ beschrieben werden.

Wenn der Fahrer aufgrund eines Abstandsregeltempomaten weder Gas geben noch Bremsen muss, handelt es sich um die Automatisierungsstufe

1. Falls dank eines Spurhalteassistenten die Hände vom Lenkrad genommen werden können, geht man mindestens von einer „Teilautomatisierung“ (Stufe 2) aus.

Aktuelle Fahrzeuge (Stand: Anfang 2020), die in den Städten und auf den Autobahnen zu sehen sind, besitzen die Automatisierungsstufe 2 oder niedriger.

Ab Stufe 3 muss der Fahrer die Umgebung (zeitweise) nicht mehr überwachen. In Stufe 4 wäre es möglich, dass der Fahrer bereits hinter dem Steuer schläft. Wohingegen in der höchsten Stufe 5 kein Lenkrad und Gaspedal vorhanden ist.

Fazit: Autonomes Fahren fängt bei einfachen Fahrerassistenzsystemen an und endet bei vollautomatisierten Fahrzeugen, die ohne Fahrer an ihr Ziel gelangen. Um zu unterscheiden, von welchem Grad der Automatisierung die Rede ist, gibt es sechs fest definierte Autonomiestufen von 0 (keine Automation) bis 5 (vollautomatisiert). Wenn in den Medien von autonomen Fahrzeugen berichtet wird, ist meistens Stufe 4 und 5 gemeint.

2.1.2 Wie funktioniert ein autonomes Fahrzeug?

Autonome Fahrzeuge müssen, genauso wie der Mensch, die Umgebung wahrnehmen, interpretieren und auf sie reagieren.

Beim Ausparken wirft der menschliche Fahrer einen Blick nach hinten, vorne und zur Seite. Er schaut also, was sich um ihn herum befindet. Autonome Fahrzeuge machen genau dasselbe mit Sensoren. Sie erfassen die gesamte Umgebung des Fahrzeugs mehrere Male in der Sekunde. Verwendet werden dafür unter anderem Kamerasysteme, die am ehesten mit dem menschlichen Auge vergleichbar sind.

Neben Kameras werden weitere Sensoren verwendet, um die Abstände zu Objekten zu bestimmen und deren Geschwindigkeit zu berechnen (Radar, Lidar, Ultraschall). In diesem Bereich sind sie bereits jetzt schon besser als der Mensch. Sensoren können die Entfernungen auf wenige Zentimeter genau ermitteln, wohingegen der Mensch häufig mehrere Meter daneben liegt.

Ebenso fällt es dem Fahrer schwer, Geschwindigkeiten vorausfahrender Fahrzeuge auf der Autobahn einzuschätzen, wobei Sensoren auch hier hochgenaue Ergebnisse abliefern können.