Elektro­magne­tische Felder in Elektro­autos

Unabhängig davon, ob ein Personen­wagen nun elektrisch oder fossil angetrieben wird, er verfügt über zahlreiche elektronische und elektrische Komponenten. Nebst den «Klassikern» wie Motor­steuerung und Lichtsystemen kommen heute intelligente Funktionen wie Einpark­hilfen, Fahrer­infor­mations- und Kom­muni­kations­systeme hinzu. Die drahtlose Kom­muni­kation und die Ver­netzung gewinnen an Bedeutung. Im Wageninnern erzeugen diverse Quellen deshalb zwangsläufig elek­trische, magne­tische und elektro­magne­tische Felder, EMF.

Diesen Feldern mit unter­schiedlichen Frequenzen und Intensitäten sind die Fahrzeug­insassen unter Umständen stundenlang ausgesetzt. Zudem wirkt die leitende Fahrzeugkarosserie wie eine abgeschirmte Kabine, in der EMF reflektiert werden können oder es zu Resonanzen kommen kann. Die Frage, ob die EMF-Immissionen als Gesundheitsrisiko betrachtet werden sollen oder ob sie sich in einer harmlosen Grössenordnung bewegen, ist also berechtigt. Mit dieser Frage befassten sich Forscher des ETH-Spin-offs Fields at Work und der Forschungsstiftung Strom und Mobilkommunikation. Ihre finanziell vom Bundesamt für Energie unterstützte Studie ist Ende März 2023 erschienen.

Die Zürcher EMF-Studie

In der Studie wurden EMF-Messungen an vier batterie­betriebenen Elektroautos (zwei Kleinwagen und zwei Mittelklasse-Limousinen mit dualem Elektromotor; Hybrid-Autos wurden nicht berück­sichtigt) und, zum Vergleich, an einem Allrad-SUV mit Dieselmotor durchgeführt, um beurteilen zu können, ob die EMF-Belastung unter den Grenz­werten liegt. Dabei wurden sowohl nieder­frequente als auch hoch­frequente Felder unter realen Betriebs­bedin­gungen gemessen. Die Beurteilung, ob Grenzwerte eingehalten werden, umfasste auch verschiedene Betriebs­zustände sowie durchschnittliche und die schlechtesten Fälle.

In der Studie wurden die Quellen von EMF auf sieben Klassen aufgeteilt:

• Fahrzeug: Reifen, Antriebsstrang ...
• Antrieb: Elektromotor, Batterie, Konverter, Verkabelung ...
• Komfortsysteme: Fensterantriebe, Sitzheizung, Klimaanlage ...
• Assistenz- und Sicherheitssysteme
• Unterhaltungssysteme
• Kommunikationssysteme
• Laden

Die auf drahtlosen Technologien basierenden Klassen werden in der Studie noch weiter unterteilt.

Nicht untersucht wurden Fahrzeuge für die gewerbliche Nutzung. Da sich die Studie auf die Exposition der allgemeinen Bevölkerung beschränkte, wurden nur die allgemeinen Grenzwerte berücksichtigt, keine Grenzwerte für die berufliche Exposition.

Die rechtliche Situation

Für Elektroautos sind die gleichen Nachweise nötig wie für andere Fahrzeug­klassen. Zentral dabei ist die Bestimmung der elektrischen Sicherheit (ES) und der elektro­magne­tischen Verträglichkeit (EMV). Die gemeinsame Position der Bundesämter Astra, Bakom, BFE und ESTI ist in den «Erläuterungen zum Nachweis der elektrischen Sicherheit und elektro­magne­tischen Verträglichkeit von Strassen­fahrzeugen und deren Komponenten» festgehalten.

Bezüglich der Begrenzung von elektro­magne­tischen Feldern in Elektroautos zum Schutz der Fahrzeug­insassen gibt es aktuell in der Schweiz keine spezifischen Vorschriften. Grundsätzlich können aber die Vorgaben zur elektro­magne­tischen Verträglichkeit, EMV, als ausreichend streng betrachtet werden, dass auch dem Gesundheits­schutz Rechnung getragen wird. Marco Zahner, F&E-Leiter bei Fields at Work sowie Co-Autor der Studie präzisiert: «Die strengen EMV-Vorgaben limitieren die entstehenden Feldstärken meist auf ein Niveau, das weit unter dem der NISV liegt, damit beispielsweise sensible Funk­über­tragungen nicht gestört werden, wenn der Zündschlüssel gedreht wird. Es ist relativ einfach, Elektronik zu stören.» Bei der NISV hingegen gehe es im Hoch­frequenz­bereich um die Gewebs­erwärmung und im Nieder­frequenz­bereich um mögliche Nerven-Stimulation durch im Gewebe induzierte Spannungen, bevor die Erwärmung zum Problem wird. Dies sei aber bei geringen Leistungen weniger kritisch. Was heute fehle, sei eine Anleitung zur Beurteilung der Ko-Exposition von nieder- und hoch­frequenten elektro­magne­tischen Feldern.

Der Antriebsstrang ist unproblematisch

Eigentlich wäre zu erwarten, dass der elektrische Antrieb mit seinen grossen Strömen für hohe EMF-Pegel sorgen würde. Die Realität sieht gemäss Marco Zahner anders aus, denn Hersteller von Fahrzeugen müssen die EMV beachten, um die nötigen Zertifikate ausstellen zu können. Da gehört die Abschirmung von Anfang an zum Entwick­lungs­konzept, denn EMV-Grenzwerte werden tendenziell strenger. Die Leistungselektronik befindet sich zur Abschirmung oft in einem Aluminium-Spritz­guss­gehäuse, also einem Faraday’schen Käfig. Dadurch wird nebenbei auch sichergestellt, dass äussere Einflüsse minimiert werden, denn die Immunität ist ebenfalls wichtig.

Marco Zahner weist auf einen weiteren Vorteil von Antriebs­strängen bei Autos hin: «Im elektrischen Antrieb fliessen zwar Hunderte von Ampere, aber da die Spannungen relativ klein sind, lassen sich die Leiter nahe beieinander platzieren und abschirmen. Durch eine gute Kabelführung kompensieren sich die Magnetfelder des Leiters und des Rückleiters. Da der Abstand zwischen den Kabeln gering ist, fällt das Magnetfeld rasch ab.» Im Gegensatz dazu sind die Abstände bei Hochspannungs-Freileitungen gross, entsprechend gross sind die Magnetfelder auch auf Distanz.

Messungen auf Probefahrten

Für die Messungen wurden zwei Routen um den Zürichsee festgelegt. Die normale Route wurde für Lang­zeit­messungen genutzt, die kürzere für Validierungen. Ein guter Mix aus Steigungen, Landstrassen, Strassen innerorts sowie der Autobahn konnte dabei gefunden werden. In verschiedenen Messphasen wurden gewisse Kom­muni­kations­aktivitäten ausgeführt. Dazu gehörte ein Streaming von Spotify via Bluetooth, das Herunterladen einer 10-GB-Testdatei auf dem Land und in einem urbanen Gebiet sowie das Telefonieren.

Die Messungen wurden mit tragbaren ExpoM-RF- und ExpoM-ELF-Exposi­tions­mess­geräten durchgeführt, die Fields at Work selbst entwickelt hat. Die Konfiguration des ExpoM-RF für hoch­fre­quente Felder umfasste 35 Frequenzbänder der wichtigen Schweizer Tele­kommuni­kations- und Rund­funk­dienste. Dieselbe Konfiguration wurde auch für die Messungen im Rahmen des vom Bafu im Jahr 2022 in Auftrag gegebenen Monitoring der nicht­ionisie­renden Strahlung verwendet.

Die Messgeräte wurden im Testfahrzeug jeweils auf den Fussraum vorne links und vorne rechts, hinten links und hinten rechts, in der Mitte der Rückbank sowie vorne unter der Frontscheibe links und rechts (Einstiegsbild) platziert. Ein Messgerät wurde für Messungen während des Ladevorgangs verwendet.

Das Einschalten gewisser Verbraucher im Fahrzeug (Sitzheizung, Scheibenwischer, Klimaanlage, Streaming usw.) wurde zusammen mit der Uhrzeit protokolliert.

Für die Auswertung des nieder­frequenten Magnetfelds wurden die Messresultate der Autos mit den frequenzabhängigen «General Public»-ICNIRP-Referenz­werten im Frequenz­bereich verglichen. Die hoch­fre­quenten elektro­magne­tischen Felder wurden mit den NISV-Immis­sions­grenz­werten für hoch­fre­quente EMF verglichen.

Fazit

Bei allen untersuchten Fahrzeugen lagen die Mess­ergeb­nisse für nieder­fre­quente Magnet­felder meist deutlich unter den in der Studie verwendeten ICNIRP-Grenz­wert­empfeh­lungen. Es wurden nur rund 5% der Grenzwerte ausgeschöpft. Kurzzeitig wurden Werte in der Nähe der Grenzwerte festgestellt, die kaum durch den elektrischen Antrieb verursacht wurden, sondern einen anderen Ursprung hatten. Beispielsweise wurden solche Ausreisser durch die Sitzheizung verursacht, die starke geschaltete Magnetfelder erzeugt. Die ent­spre­chende Feldstärke fällt aber schnell mit grösserem Abstand ab.

Die in den Hoch­frequenz­messungen gemessenen totalen E-Feldstärken (RMS-Werte) bewegen sich meist bis 3 V/m, mit einzelnen Werten bis 7 V/m. Die NISV-Grenz­wert­aus­schöpfung bewegt sich im Bereich bis 12%. Die Messwerte verlaufen bei allen Messfahrten ähnlich.

Die Aussen­messungen des Magnet­feldes während des Schnell­ladens der Batterie mit bis zu 150 kW ergaben Werte des 50-Hz-Anteils um rund 1 mT, also weit unter dem in der Schweiz gültigen Immis­sions­grenz­wert der NISV von 100 mT. Auch die höchsten gemessenen DC-Anteile lagen beim Laden zwischen 100 und 800 mT und somit deutlich unter dem Grenzwert von 40 mT. Bei den Messungen wurde nur eine Ladestation verwendet, ein Vergleich unter­schied­licher Lade­stationen fand nicht statt.

Grundsätzlich ist der elektrische Antrieb bezüglich EMF-Immis­sionen unproble­matisch, denn die Kompo­nenten sind einerseits gut abgeschirmt und andererseits sind sie von den Personen im Fahrzeug entfernt. Der Abstand zur magnetischen Feldquelle ist dabei entschei­dend. Deshalb ist der EMF-Anteil von Kompo­nenten wie Sitz­heizungen deutlich grösser als von Antriebs­kompo­nenten. Bezüglich EMF unter­scheiden sich Elektroautos deshalb kaum von Autos mit Verbren­nungs­motoren.

Bei beiden Fahrzeugarten werden im Innenraum keine Grenzwerte überschritten. Zurecht, könnte man sagen, steht die Gesellschaft den elektro­magne­tischen Feldern in Elektro­fahr­zeugen nicht kritisch gegenüber. Und wenn in Fahrzeugen EMF-Quellen proble­matisch werden könnten, sind sie dort zu finden, wo grosse Ströme in der Nähe von Körperteilen fliessen, wie bei der Sitz­heizung, oder in ICT-Geräten, die zu Komfort- oder Steuerungs­zwecken mit der Aussen­welt kommu­nizieren. In Kompo­nenten also, die auch in fossil betriebenen Autos vorhanden sind.

Obwohl die Studien­resultate meist deutlich unter den Grenz­werten lagen, raten die Autoren der Studie abschliessend dazu, die in Elektro­autos auftretenden elektro­magne­tischen Felder auch künftig zu beobachten, damit der Schutz der Gesundheit stets gewähr­leistet ist. Dabei sollte besonders auf neu in Personen­wagen integrierte EMF-Quellen geachtet werden, wie beispielsweise neuartige drahtlose Kommuni­kations­mittel.

Literatur

Jürg Eberhard, Jürg Fröhlich, Marco Zahner, Elektro­magne­tische Felder (EMF) in Elektrofahrzeugen, Bundesamt für Energie, Schlussbericht vom 31.3.2023.