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Strahlenschutz bei der Elektromobilität

  • Bei Elektrofahrzeugen entstehen elektrische und magnetische Felder vor allem im Betrieb und beim Laden der Fahrzeuge.
  • Unter Strahlenschutzgesichtspunkten sind vor allem die magnetischen Felder relevant.
  • In Bezug auf Elektrofahrzeuge zeigen bislang vorliegende Untersuchungen, dass die Magnetfelder weniger von der elektrischen Leistung der Elektromotoren als vom Betriebszustand und vom technischen Design (Position der Batterie, Kabel, Leistungselektronik etc.) eines Fahrzeugs abhängen.
  • Das Bundesamt für Strahlenschutz setzt sich prinzipiell dafür ein, dass bei der Entwicklung von Geräten und in diesem Fall Fahrzeugen mögliche Expositionen für die Nutzerinnen und Nutzer so gering wie möglich gehalten werden.

Elektroauto, der hintere Teil des Autos ist transparent. Die Batterie ist zu sehen. ElektroautoElektroauto mit Batterie im hinteren Teil des Wagens Quelle: Firstsignal/Getty Images

Wie überall, wo Elektrizität genutzt wird, treten bei der Elektromobilität elektrische und magnetische Felder auf. Beim Betrieb von Elektrofahrzeugen sind Batterie, Motor und Kabel umgeben von solchen Feldern. Die stärksten Felder befinden sich in vielen Fällen im Fußraum vor den Vordersitzen. Je nach Bauart des Fahrzeugs und zum Beispiel der Lage der Batterie kann es aber auch vorkommen, dass die höchsten Werte im Fond verzeichnet werden – also dort, wo oft auch Kinder sitzen. Auch beim Laden der Fahrzeuge entstehen elektrische und magnetische Felder.

Mit dem Begriff Elektrokraftfahrzeuge werden rein batterieelektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge und Hybridelektrofahrzeuge bezeichnet. Die bei der Elektromobilität entstehenden Felder liegen bei Frequenzen zwischen null Hertz (statische Felder) bis zu mehreren zehn oder hundert Kilohertz (niederfrequente Felder und Felder im sogenannten Zwischenfrequenzbereich). Unter Strahlenschutzgesichtspunkten sind vor allem die magnetischen Felder relevant.

In den nächsten Jahren ist mit einer steigenden Anzahl von Elektrofahrzeugen zu rechnen. Das BfS empfiehlt daher, auch bei der Elektromobilität Strahlenschutzaspekte angemessen zu berücksichtigen.

Gesundheitliche Wirkungen

Insgesamt sind die gesundheitlichen Wirkungen zwischenfrequenter Felder weniger gut untersucht als Wirkungen von Niederfrequenz oder Hochfrequenz. Dies war das Ergebnis eines systematischen Reviews, den das BfS in Auftrag gegeben hatte. Neben den möglichen gesundheitlichen Wirkungen wurde auch die Exposition der Bevölkerung durch zwischenfrequente Felder untersucht. Außer Elektrokraftfahrzeugen erzeugen auch andere technische Quellen Magnetfelder mit diesen Frequenzen.

Nach derzeitigem Kenntnisstand gehen von den zwischenfrequenten Feldern keine gesundheitlichen Wirkungen aus, solange die Empfehlungen der Internationalen Kommission zum Schutz vor Nichtionisierender Strahlung (ICNIRP) eingehalten werden. Für Kraftfahrzeuge gibt es in Deutschland keine gesetzlich festgelegten Grenzwerte.

In Bezug auf Elektrofahrzeuge zeigen bislang vorliegende Untersuchungen, dass die Magnetfelder weniger von der elektrischen Leistung der Elektromotoren als vom Betriebszustand und vom technischen Design (Position der Batterie, Kabel, Leistungselektronik etc.) eines Fahrzeugs abhängen.

Elektromobilität: Untersuchungen zu Quellen möglicher elektrischer und magnetischer Felder

Bei Elektrofahrzeugen entstehen elektrische und magnetische Felder vor allem im Betrieb und beim Laden der Fahrzeuge. Im Auftrag des BfS untersuchte ein Forschungsvorhaben Magnetfelder in Elektrokraftfahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen.

Wo kommen elektrische und magnetische Felder im Fahrzeug vor?

Unabhängig vom Antriebssystem verfügen moderne Fahrzeuge über eine Vielzahl von Quellen magnetischer Wechselfelder: Klimaanlagen, Lüfter, Sitzheizungen sowie Assistenz-, Komfort- und Unterhaltungssysteme, die hochfrequente elektromagnetische Felder für die drahtlose Informationsübertragung per Funk nutzen. Diese Quellen, die auch in Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb vorhanden sind, können ähnlich hohe Felder hervorrufen wie die Antriebsstränge von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen.

Forschungen und Untersuchungen zu Elektromobilität

Forschungsvorhaben zum Betrieb von ElektrofahrzeugenEinklappen / Ausklappen

Ziel des Forschungsvorhabens Bestimmung der Exposition durch Magnetfelder alternativer Antriebskonzepte, das im Auftrag des BfS durchgeführt wurde, war es, Magnetfelder zu messen, die von den Antriebssträngen in Elektrokraftfahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen ausgehen. Gemessen wurde sowohl in Fahrzeugen auf Rollenprüfständen und im Straßenverkehr unter realen Verkehrsbedingungen. Berücksichtigt wurden zudem unterschiedliche konstante Fahrgeschwindigkeiten sowie die Auswirkungen von Beschleunigungs- und Bremsmanövern.

Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass die Magnetfelder in den untersuchten Elektrofahrzeugen sehr ungleichmäßig verteilt waren. Die höchsten Werte traten häufig im Fußraum vor den Vordersitzen auf. An anderen Stellen, zum Beispiel im Kopf- oder Rumpfbereich von Fahrer*innen sowie Passagieren, waren sie deutlich niedriger. Dies eröffnet Minimierungspotenzial, das Hersteller bei der Fahrzeugentwicklung nutzen können. In einem Folgevorhaben werden derzeit aktuelle Elektrofahrzeugmodelle wie auch elektrisch angetriebene Roller und Motorräder vermessen. Zudem sind Messungen an Ladesystemen vorgesehen, um die Feldverteilung bei Ladevorgängen zu ermitteln.

Hohe Feldstärken auch in konventionellen Fahrzeugen

In manchen Fällen wurden im Fond die höchsten Werte gemessen. Dies war insbesondere der Fall bei ungünstiger Positionierung der Batterie beziehungsweise der Verkabelung unmittelbar unter oder hinter der Rücksitzbank. Hinweise darauf, dass in den untersuchten Fahrzeugen die empfohlenen Expositionshöchstwerte überschritten wurden, gab es jedoch nicht. Auch in einer neueren Studie einer internationalen Gruppe von Wissenschaftlern wurden keine Überschreitungen beobachtet. Über weitere Messergebnisse wird im EMF-Portal berichtet.

Bei Vergleichsmessungen in zwei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren wurden im Fußraum der Vordersitze ähnlich hohe Feldstärken ermittelt wie in den Elektrokraftfahrzeugen. Ursächlich hierfür waren der Motor eines Lüftungsgebläses und dessen Verkabelung. Bei höchster Leistungsstufe lagen die Messwerte in einem Fall über den empfohlenen Referenzwerten.

Forschungsvorhaben zum Laden von ElektrokraftfahrzeugenEinklappen / Ausklappen

Die Energiespeicher von batterieelektrischen und Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen werden üblicherweise über Kabel geladen. Wie überall, wo elektrischer Strom fließt, baut sich um den Leiter ein Magnetfeld auf. Die Kabel können aber so hergestellt werden, dass die Feldstärken außerhalb des Kabels niedrig sind.

Eine andere, bisher weniger verbreitete Möglichkeit ist das kontaktlose Laden (Wireless Charging). Dafür ausgerüstete Fahrzeuge werden zum Laden über einer am oder im Boden befindlichen Spule abgestellt, also etwa in der Garage oder auf dem Stellplatz. Das entstehende Magnetfeld erzeugt einen Stromfluss in der Fahrzeugspule, der die Batterie lädt. An der Bodenspule entstehen starke Magnetfelder, die deutlich über den von der EU empfohlenen Referenzwerten liegen. Mit zunehmendem Abstand werden diese aber deutlich geringer.

Die Zahl an Studien zu Wirkungen des Zwischenfrequenzbereiches, die bei Elektrofahrzeugen relevant ist, ist im Vergleich zu nieder- und hochfrequenten Feldern gering. Es ist daher geplant, im Rahmen des BMU-Ressortforschungplans weitere Vorhaben zu initiieren, um im Tiermodell zu überprüfen, welchen Einfluss zwischenfrequente Magnetfelder beim induktiven Laden haben könnten. Eines dieser Vorhaben finden Sie unten aufgeführt. Das BfS hat zusätzliche Messungen an neueren Kfz-Modellen sowie elektrisch betriebenen Rollern/Motorrädern initiiert, um aktuelle Daten zu weiteren Fahrzeugen und zu Expositionen während des Ladevorgangs zu gewinnen.

Einfluss der zwischenfrequenten Magnetfelder der induktiven Leistungsübertragung beim Aufladen von Elektrofahrzeugen auf das Verhalten von Labornagern

Projektleitung: Fraunhofer ITEM, Hannover
Beginn: 01.05.2021
Ende: 28.02.2025

Hintergrund

Zum drahtlosen Laden von Elektrofahrzeugen werden die Frequenzen 20 kHz, 85 kHz und 140 kHz verwendet. Diese Frequenzen gehören zum Zwischenfrequenzbereich, mögliche biologische und gesundheitliche Auswirkungen in diesem Bereich sind noch relativ wenig erforscht.

Das BfS hat eine Literaturstudie in Auftrag gegeben, um den aktuellen Kenntnisstand zu erfassen [1]. Es wurden die aktuell genutzten Technologien, die zwischenfrequente Felder aussenden, erfasst und die Fachliteratur zu biologischen Wirkungen recherchiert. Einer zunehmenden Anzahl entsprechender Geräte, wie Induktionskochherde oder drahtlose Ladesysteme, steht eine relativ geringe Anzahl von Studien zu biologischen Wirkungen entgegen [2].

Die meisten davon fokussierten auf Fortpflanzung und Entwicklung, u.a. auch einige qualitativ hochwertige Studien aus Japan, die keine negativen Auswirkungen fanden. Weitere Studien konzentrierten sich auf Gehirn, Kognition und Verhalten und kamen zu keiner einheitlichen Aussage. Einige wenige in vitro Studien fanden keine Anhaltspunkte für eine genotoxische Wirkung. Eine Studie an Mäusen bei einer Frequenz von 20 kHz fand keine Hinweise auf eine krebserregende Wirkung [3]. Eine weitere Studie an weiblichen Mäusen bei 20 KHz fand keinen Einfluss auf die Entwicklung und die Tumorinzidenz. In derselben Studie zeigten sich in zwei von drei durchgeführten Verhaltenstests Effekte, die auf verbesserte Beweglichkeit und Wachsamkeit hindeuten [4].

Zielsetzung

Die Verhaltenstests, die in der o.g. Studie [4] Wirkungen bei einer Exposition mit 20 kHz gezeigt haben, sollen bei 85 kHz und 140 kHz wiederholt werden. Zusätzlich soll eine mögliche toxikologische oder krebserregende Wirkung bei diesen beiden Frequenzen untersucht werden.

Durchführung

Die Studie wird an Mäusen des Stammes C57BL/6J durchgeführt. Dies ist ein etabliertes Mausmodell zur Untersuchung verschiedener Endpunkte. Es werden jeweils 80 Tiere bei 80 kHz und bei 140 kHz und einer magnetischen Flussdichte vom 200 µT über 300 Tage dauerhaft exponiert. Zwei gleich große scheinexponierte Gruppen werden parallel mitgeführt. Die Studie wird verblindet durchgeführt, das bedeutet, dass das Personal, welches die Experimente durchführt und die Ergebnisse auswertet, nicht darüber informiert ist, welche Tiere exponiert bzw. scheinexponiert sind.

Nach 200 Tagen werden an 20 Tieren pro Expositionsgruppe drei Verhaltenstests durchgeführt, die Rückschlüsse auf das motorische Verhalten (Rota-Rod), das Gedächtnis und räumliche Orientierung (8-Arm-Labyrinth), und exploratives Verhalten bzw. Ängstlichkeit (open field test) erlauben.

Nach 300 Tagen werden bei allen Tieren entsprechend der OECD Richtlinie 39 Organe histopathologisch untersucht und die Tumorinzidenz bestimmt.

Referenzen

[1] Hirtl R et al. (2018) Exposition und Wirkungen der elektromagnetischen Felder neuartiger Technologien im Zwischenfrequenzbereich – systematischer Review - Vorhaben 3616S82437
[2] Bodewein et al. (2019). Systematic review on the biological effects of electric, magnetic and electromagnetic fields in the intermediate frequency range (300Hz to 1MHz). Environ Res 171: 247-259.
[3] Nishimura I et al. (2019). Carcinogenicity of intermediate frequency magnetic field in Tg.rasH2 mice. Bioelectromagnetics 40: 160-169.
[4] Lerchl A et al. (2021) Effects of long‐term exposure of intermediate frequency magnetic fields (20 kHz, 360 μT) on the development, pathological findings, and behavior of female mice. Bioelectromagnetics 42: 309-316.

Empfehlungen

Das Bundesamt für Strahlenschutz setzt sich prinzipiell dafür ein, dass bei der Entwicklung von Geräten und in diesem Fall Fahrzeugen mögliche Expositionen für die Nutzerinnen und Nutzer so gering wie möglich gehalten werden. Bei der Entwicklung neuer Fahrzeugmodelle sollte von vornherein darauf geachtet werden, dass Fahrzeuginsassen möglichst niedrigen Feldstärken ausgesetzt sind.

Beim kontaktlosen Laden weist das BfS darauf hin, dass insbesondere an der Bodenspule starke Magnetfelder auftreten können, die sich mit zunehmendem Abstand aber schnell verringern. Es müssen deshalb Vorkehrungen getroffen werden, dass der Bereich zwischen den Spulen frei bleibt und dass dort, wo Personen sich aufhalten können, nur geringe Feldstärken auftreten.

Personen mit aktiven Körperhilfsmitteln (Herzschrittmacher, Neurostimulatoren etc.) sollten zudem ihren behandelnden Arzt oder ihre behandelnde Ärztin fragen, ob die Funktion des bei ihnen verwendeten Medizinprodukts durch Magnetfelder beeinflusst werden kann.

Stand: 14.11.2023

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