Arten von Elektrofahrzeugen

Was zeichnet ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor aus?

Die Technik von Autos mit Verbrennungsmotoren besteht aus Motor, Turbo, Abgasanlage, Getriebe (Wandler-Automatik bis zu 9 Gänge, Dopplekupplungsgetriebe), Abgasreinigung (Kat, Partikelfilter, AGR) und Thermomanagement. Ein komplettes Fahrzeug mit Verbrenner besteht aus etwa 8.000 bis 10.000 Teilen. Der Verbrenner ist für Stickoxid, Benzol, Kohlenmonoxid und auch für einen Teil des Feinstaubs verantwortlich.

Was zeichnet ein Fahrzeug mit Elektromotor aus?

Beim Auto mit elektrischem Antrieb besteht die Technik aus Akku (400 Volt), Elektromotor, einstufigem Getriebe, Steuergerät und Regelelektronik. Ein komplettes Elektrofahrzeug besteht durch diese Antriebstechnologie aus wesentlich weniger Bauteilen und möglichen schadhaften Teilen.

Elektromotor vs. Verbrennungsmotor und Mischformen haben einen unterschiedlichen technischen Aufbau. Sie bieten je nach eingesetzter Technik Vorteile, aber auch Nachteile. Strukturiert lassen sich die unterschiedlichen Arten in Kategorien einteilen:

Reines Elektrofahrzeug

Bei einem reinen Elektroauto, bezeichnet als Battery Electric Vehicle, (BEV) muss der Akku Energie für 350(?) bis 500 Kilometer speichern können. Er benötigt heute viel Platz und ist schwer. Für die Unterbringung gibt es unterschiedliche Technikkonzepte für E-Autos. Die Energiedichte eines Akkus wird sich voraussichtlich in den nächsten Jahren erhöhen.

Vorteile

• Ein großer Vorteil kann sich ergeben, wenn die elektrische Reichweite hoch ist und der Akku eben nicht mehr jeden Tag aufgeladen werden muss
• Keine Erzeugung von Abgasen während des Fahrens
• Beim Bremsen kann Energie zurück gewonnen werden (Rekuperation)
• 4000 Euro Elektroauto Kaufprämie in Deutschland

Nachteile

• Mangel heute noch an flächendeckender Anzahl Ladestationen bzw. Ladesäulen
• Je nach Leistung des Akku und Lader sehr lange Ladezeiten
• Lange Zeiten zur Aufladung der Akkus je nach verwendeter Ladestation

Elektrofahrzeug mit Range-Extender (Reichweitenverlängerer)

Es handelt sich um ein reines Elektrofahrzeug mit kleinem Verbrenner zum Nachladen des Akkus, zum Beispiel BMW i3.

Vorteile

• Der Akku kann ohne externe Ladestation beim Fahren nachgeladen werden
• Über einen Ladestecker kann der Akku im Stand geladen werden
• 4.000 Euro Elektroauto Kaufprämie in Deutschland

Nachteile

• Die Reichweite und Dauerhöchstgeschwindigkeit wird auf Strecke bei leerer Batterie durch die begrenzte Leistung des Reichweitenverlängerers limitiert

Hybridfahrzeuge

Das Substantiv Hybrid und das Adjektiv hybrid beziehen sich auf etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Vermischtes. Dieser Begriff hat den Weg in die englische und deutsche Sprache gefunden und ergibt beim Fahrzeug eine Verbindung zwischen Verbrennermotor und Elektromotor in unterschiedlicher Ausprägung.

Serieller Hybridantrieb

Der serielle Hybridantrieb funktioniert seit Jahrzehnten bei Dieselloks und bei Dumper-LKW, jedoch ohne Speicherung der Energie in einem Akku. Ein Benzinmotor arbeitet als Stromaggregat und lädt Batterien auf, deren elektrische Energie dann einen Elektromotor antreibt. Bei den Anwendungsfällen nicht unbedingt um weniger Energieverbrauch, sondern um die Übertragung großer Drehmomente bei ständig wechselnden Geschwindigkeiten. Ein Beispiel ist der Nissan Note e-Power in Japan.

Vorteile

• Kostengünstige Produktion durch Wegfall des mechanischen Antriebsstrangs
• Die Batterien können wesentlich kleiner ausfallen, Kostenvorteile
• Akku ist ist klein

Nachteile

• Downsizing Verbrenner zum Antrieb des Stromerzeugers notwendig
• Alle Nachteile eines Verbrenners mit notwendiger Ausrüstung
• Kann nicht an der Ladestation aufgeladen werden
• Auto kann nicht rein elektrisch gefahren werden
• Bewegungsenergie wird in Strom und wieder zurück in Bewegungsenergie gewandelt und damit wird der Gesamtwirkungsgrad gesenkt

Mild-Hybrid

Beim Mild-Hybrid unterstützt ein Elektromotor zum Anfahren (Beispiel: KIA Niro Hybrid) bzw. als Booster den Verbrennungsmotor in bestimmten Leistungsbereichen. Das Fahrzeug kann nur ganz kurze Strecken elektrisch fahren. Bei höheren Geschwindigkeiten arbeitet immer der Verbrenner.

Hybrid Electric Vehicle (HEV)

Diese Art von Fahrzeugen werden auch als Hybrid Electric Vehicle (HEV) bezeichnet. Bei einem, Vollhybridfahrzeug, zum Beispiel Toyota Prius, wird in bestimmten Fahrzuständen, betriebswarm, geringe Geschwindigkeit und geringer Leistungsbedarf rein elektrisch, etwa zwei bis fünf Kilometer, gefahren. Der Akku muss zunächst durch den Verbrennungsmotor geladen werden, direkt oder indirekt durch Rekuperation. Ist der Akku weitgehend entladen, wird der elektrische Antrieb von der Steuerung nicht freigegeben.

Vorteile

• Senkung der CO2-Emissionen im Mix mit Verbrenner gerechnet
• Allein mit elektrischer Energie ist ein Fahren ohne Verbrennungsmotor auf sehr kurzer Strecke ohne jeden CO²-Ausstoss möglich

Nachteile

• Einen Vollhybrid-Fahrzeug kann nicht an einer Ladestation geladen werden
• Betrieb mit Verbrennungsmotor, um den Akku für eine spätere Fahrt zu laden
• Technik aufwendig, schwer und teuer
• Auf Langstrecken wirkt sich das Mehrgewicht durch Elektromotor und Akkus negativ aus
• 0 Euro Elektroauto Kaufprämie in Deutschland, da Mindestreichweite in km mit elektrischer Energie nicht erreicht

Plug-In-Hybrid Electric Vehicle (PHEV)

Das Fahrzeug hat sowohl einen Verbrennungsmotor als auch eine Elektroantrieb mit Akku, also zwei Antriebe. Der Akku kann mit Hilfe des Verbrennungsmotors geladen werden als auch über eine Verbindung mit einer Ladesäule. Diese Art von Fahrzeug wird auch als Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV) bezeichnet. Bekanntes Beispiel ist der KIA Plug-In-Hybrid.

Vorteile

• Auf kürzeren Strecken und bei Verkehrseinschränkungen für Verbrennungsmotoren kann das Auto mit dem elektrischen Antrieb leise, ohne Emissionen und sparsam mit Strom aus dem Akku fahren, während durch den Verbrenner das Auto auch dann noch fahren kann, wenn der Akku leer ist, womit eine höhere Reichweite möglich wird. Der elektrische Antrieb ist beim Plug-In-Hybrid-Fahrzeug auf realistische Reichweiten von 30 bis 40 Kilometern ausgelegt
• 3.000 Euro Elektroauto Kaufprämie in Deutschland

Nachteile

• Plug-in-Hybrid ist technisch aufwändig durch die Komplexität der Technik und verursacht hohe Herstellungskosten. Diese liegen wegen des größeren Akkus über denen eines Hybrid Electric Vehicle
• Die Integration zweier weitgehend vollständiger Antriebssysteme führt außerdem zu einem erhöhten Fahrzeuggewicht
• Pflege und Wartungskosten mindestens wie beim Verbrenner und höher durch Komplexität
• Die Hersteller werben meist mit unrealistisch niedrigen Kraftstoffverbrauch. Sie verschweigen dabei den zusätzlichen elektrischen Energiebedarf und dass der niedrige Verbrauch nur auf die kurze Strecke beschränkt ist unter Nutzung des Akkus und elektrischen Fahrmotors. Bei längeren Fahrten ergibt sich ein weit höherer Verbrauch an Kraftstoff, je nach Fahrweise
• Ausstoß von Stickoxid, Benzol und Kohlenmonoxid beim Betrieb mit Verbrennner
• Viel Raumbedarf für zwei Antriebe notwendig
• Die optimalen Drehzahlbereiche von Verbrennungs- und Elektromotoren unterscheiden sich stark und müssen aufeinander abgestimmt werden. Das gilt besonders für die heutigen Downsizing-Verbrenner Aggregate mit Turbolader
• Mehrere Betriebsmodi sind notwendig:
  – Betrieb mit Verbrennungsmotor, um den Akku für eine spätere Fahrt zu laden,
  – Power- oder Sport-Modus, bei dem Verbrennungs- und Elektromotor zusammenarbeiten,
  – Eco-Modus, bei dem Verbrennungs- und Elektromotor möglichst energiesparend zusammenarbeiten und
  – Elektro-Modus, bei dem der Verbrenner abgeschaltet bleibt
• Aus meiner Sicht eine Übergangstechnologie, siehe Beitrag: Das Elektro-Auto-Journal

Fahrzeug mit Brennstoffzelle (Serielles Hybridfahrzeug)

Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzelle wird elektrische Energie aus den Energieträgern Wasserstoff oder Methanol durch eine Brennstoffzelle mittels Elektrolyse erzeugt und direkt mit dem Elektroantrieb in Bewegung umgewandelt oder zeitweise in einem Akku zwischengespeichert. Wasserstoffgas ist kein Energierohstoff wie etwa Kohle, Erdöl oder Erdgas, sondern lediglich ein Energieträger. Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron. Es ist ein farbloses, geschmacks- und geruchsloses, ungiftiges Gas aus zwei Atomen (H₂). Das Gas Wasserstoff muss allerdings eigens hergestellt, gespeichert und transportiert werden.

Vorteile

• Wasserstoff ist ungiftig und soll die Umwelt nicht schädigen
• Reichweite mit einer Tankfüllung bis zu 500 km
• Der Akku ermöglicht die Rekuperation und entlastet die Brennstoffzelle bei LastwechselnIm Vergleich mit Elektroautos läuft der Tankvorgang schneller ab
• Schwund durch Diffusion des Druckbehälters heute stark verringert
• Aus dem vorhandenen Auspuff fließt Wasser!

Nachteile

• Diese Antriebsform wird bisher meist in Kleinserien gefertigt
• Sehr dünnes Tankstellennetz
• Drucktank aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (350–800 bar)
• Durch die notwendige Energieumwandlung liegt der Wirkungsgrad des Fahrzeugs mit Brennstoffzelle weit unterhalb der eines reinen Elektrofahrzeugs
• Verglichen mit batterieelektrischen Fahrzeugen benötigen Brennstoffzellenfahrzeuge erheblich mehr Energie.
• 0 Euro Elektroauto Kaufprämie in Deutschland, da Nettopreis der Fahrzeuge größer als 60.000 Euro
• Das Antriebskonzept ist heute noch recht aufwändig und teuer