1. Allgemeines über Elektromobile

Erster Oberleitungsbus der Welt von Siemens 1882 (Bild: Wikipedia; Stand: 11.09)

Elektromobile existieren bereits seit dem Ende des 19. Jahrhunderts und werden ständig weiterentwickelt. Die anfänglichen Modelle waren nicht mehr als einzelne Prototypen , da die Batterietechnik zu teuer war. Beachtlich ist aber, dass das erste Fahrzeug, welches schneller als 100 km/h fahren konnte, ein mit Batterien angetriebenes Fahrzeug war.

Allerdings haben Motorfahrzeuge sich durchgesetzt. In den Vergangen Jahrzehnten waren aus Erdöl gewonnene Brennstoffe günstig verfügbar. Weil diese in absehbarer Zeit knapp werden, wird man sich einen neuen Energieträger suchen müssen. Elektrische Energie kann man auf vielen Wegen erzeugen. Das ist besonders interessant für den Klimaschutz, da man auch regenerative Energien nutzen kann. Elektrische Fahrzeuge machen eine umweltfreundliche Massenmobilität möglich, weil man nicht mehr auf fossile Brennstoffe angewiesen ist, bei deren Verbrennung CO2 entsteht.

Der Beitrag zum Klimaschutz durch Elektromobile ist schon längst ein Thema in der Politik. Denn Umweltschutz ist elementar für den Menschen. Die Politik will Deutschland zum wichtigsten Industriestandort für Elektromobile machen.

Dank der Fortschritte in der Akkumulatorentechnik gibt es heute schon alltagstaugliche Fahrzeuge, die wir in diesem Artikel vorstellen möchten.

Wir stellen auch noch andere Techniken vor, die das Energiespeicherproblem entschärfen (Hybridtechnik, Brennstoffzellen) oder auch umgehen (Oberleitung)

2. Antriebstechniken

Da zu Elektromobilen immer ein Elektromotor gehört, gibt es sie ebensolange, wie die Elektromobile.

Die Elektromotoren sind das einzige, was an Elektromobilen bereits ausgereizt ist und lediglich durch neue Techniken stark verbessert werden kann. Bis heute gibt es Radnabenmotoren, welche bereits 1900 erfunden waren und auf der Weltausstellung in Paris von Ferdinand Porsche vorgeführt wurde.

Allerdings Kann auch ein zentraler Elektromotor eingesetzt, bei dem die Kraftübertragung wie bei einem Verbrennungsmotor erfolgt. Der Vorteil hier liegt darin, dass der Motor keinen Kontakt zur Umwelt hat, wie der Radnabenmotor. Allerdings ist diese art des Antriebes nicht so effizient wie der Radnabenantrieb.

3. Energieversorgung

Die Energieversorgung ist das bis heute noch nicht gelöste Problem der Wissenschaft. 

Akkumulatoren haben noch nicht die benötigte Energiedichte, damit sich das Elektroauto erfolgreich auf dem Markt durchsetzten kann. Akkumulatoren sind teuer, schwer und es dauert um sie wieder aufzuladen. Brennstoffzellen sind schwer und der Antreib erreicht noch keine vergleichbaren Reichweiten wie Verbrennungsmotoren.

Doch der elektrische Antreib hat einen immensen Vorteil: 

Sehr hohe Effizienz bei 0% CO2 Emission!

3.1 Akkumulatoren

Lithium-Ionen Akkumulator mit 40Ah (Bild: Wikipedia; Stand: 11.09)

Es gibt heutzutage mehr als 20 verschiedene Typen von Akkumulatoren, von denen einige gut und andere weniger gut dazu geeignet sind, Elektromobile wirtschaftlich und effizient mit Energie zu versorgen. Der Vorteil eines Akkumulators in Bezug auf eine herkömliche Batterie, liegt darin, dass der Akkumulator wieder aufladbar ist.

  • Ladevorgang: Die zugeführte elektrische Energie wird im Akkumulator umgewandelt in chemische Energie.


  • Entladevorgang: Die gespeicherte chemische Energie wird zurück in elektrische Energie gewandelt.

 

 

 

3.1.1 Grundlegende Funktion eines Akkumulators

Funktionsskizze eines Akkumulators (Bild: Wikipedia; Stand: 11.09)

Eine galvanische Zelle oder galvanisches Element ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Sie besteht aus zwei Elektroden, die in einen Elektrolyt getaucht sind. Damit sind die Bedingungen gegeben, dass zwischen den beiden Elektroden eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann. Der Name geht auf den italienischen Arzt Luigi Galvani zurück, der sich als erster mit diesem Thema beschäftigt hat.

Beispiel: Kupferstab und Eisenstab als Elektroden, die in eine Kochsalz-Lösung getaucht sind.

An der negativen Elektrode werden Elektronen abgegeben und das Material wird oxidiert; an der positiven Elektrode werden Elektronen aufgenommen und das Material wird reduziert. Wenn nun der positive Pol und der negative Pol elektrisch leitend verbunden werden, dann fließen Elektronen (ein Strom, physikalische Stromrichtung) von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Im Elektrolyt findet der Ladungstransport mit Ionen statt.

3.1.2 Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen

Lithium-Polymer Akkumulator mit einer maximalen Strombelastbarkeit von: 5,350Ah * 16C = 85,6A

Es gibt zur Zeit mehr als 20 verschiedene Typen von Akkumulatoren, jedoch eignet sich nur ein kleine Gruppe von Akkumulatoren dazu, ein Auto effizient mit elektrischer Energie zu versorgen. Diese sind:

  • Lithium-Mangan
  • Lithium-Ferrit
  • Lithium-Titanat   

                                                                                                                                                                                                                             Diese Typen haben größtmögliche Kapazität auf kleinstem Raum, sie können auch sehr große Ströme bereit stellen, die vom Elektromotor gefordert werden, um aus dem Stand zu beschleunigen. Die Strombelastbarkeit wird angegeben in "C". Zum Beispiel: Ein Lithium-Mangan Akkumulator hat eine Kapazität von 80 Amperestunden und ist belastbar mit 7 "C". Das bedeuted, dass der Akkumulator maximal 7 x 80Ah = 560 Ampere liefern kann, ohne Schaden zu nehmen.

C x Ah = Strombelastbarkeit in A 

Nachteile eines Akkumulators:

  • Akkus, inbesondere Lithium-Typen, können bei Überlast, Tiefentladung oder Überladung Feuer fangen.                                                                                                                               
  • Auch der Umweltaspekt ist nicht zu vernachlässigen. Akkus sind nur schwer recyclebar und enthalten viele Stoffe, die fachgerecht entsorgt werden müssen.                                                                                                                                                                                                                 
  • Akkus verlieren je nach Alter und wie Sie belastet wurden, schnell oder weniger schnell an Kapazität.                                                                                                                                                                                            
  • Nach einer gewissen Zeit muss ein Akku auch wieder aufgeladen werden, was unter Umständen länger als eine Stunde dauern kann.                                                                                                                                                                                                                                                                
    • Die Langzeitlagerung von Akkumulatoren ist kompliziert, da deren Leerlaufspannung regelmäßig überwacht werden muss, um Beschädigungen vorzubeugen.

    3.2 Brennstoffzelle

    Funktionsskizze einer Brennstoffzelle (Bild: Wikipedia; Stand: 11.09)

    An Brennstoffzellen wird momentan von vielen Automobilkonzernen geforscht, als Alternative zu den zunehmend knapper werdenden fossilen Brennstoffen, wie Erdöl, allerdings hauptsächlich unter dem Aspekt eines umweltfreundlichen Autos unter anderem aufgrund des Kyoto-Protokolls. 

    Eine Brennstoffzelle wird dazu verwendet um aus (regenerativ gewonnenem) Wasserstoff Strom zu erzeugen. Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine besondere Art eines galvanischen Elements.

    Vom Prinzip sind alle Zellen gleich aufgebaut. Zwischen zwei Elektroden (der Anode und der Kathode) befindet sich ein Elektrolyt der den Ionen- (meist Protonen-) Austausch ermöglicht. Die Elektroden sind über einen äußeren Stromkreis verbunden.

    3.2.1 Wer erfand die Brennstoffzelle?

    Im Jahre 1839 wurde die Brennstoffzelle "erfunden". Der in Swansea, Wales, geborene Jurist und Physiker Sir William Robert Grove (1811-1896) experimentierte zu dieser Zeit mit der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff und stellte fest, dass sich dieser Prozess auch umkehren ließ.

    Schon bald stellte er eine "galvanische Gasbatterie" vor, die durch sogenannte kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugen konnte. Diese erste Brennstoffzelle bestand aus zwei Platinelektroden, die in Schwefelsäure getaucht wurden. Um diese wurden Wasserstoff und Sauerstoff gespült.

    Da aber die messbare Spannung und der Stromfluss der Brennstoffzelle zu gering waren, konnte sich die Brennstoffzelle nicht gegen Erfindungen wie den Elektrodynamo oder den Verbrennungsmotor durchsetzen.

    3.2.2 Allgemeine Funktion einer Brennstoffzelle

    An der Anode wird Wasserstoff zugeführt; an der Kathode normale Luft (wobei der Sauerstoff benötigt wird, aber dieser muss für eine PEMFC nicht rein sein). Diese Elektroden sind über einen Stromkreis miteinander verbunden. Der Wasserstoff gibt im Kontakt mit dem Katalysator Platin an der Anode seine Elektronen ab, die in Richtung der Kathode im Stromkreis fließen. Die Protonen des Wasserstoffs passieren die Membran zur Kathode. Dort reagiert der Sauerstoff mit den Wasserstoffprotonen und -elektronen; es entsteht reines Wasser.

    Es gibt sechs verschiedene Arten von Brennstofzellenn, jedoch nur eine kommt dafür in Frage ein PKW mit Energie zu versorgen, die PEMFC. Die PEMFC besitzt eine Betriebstemperatur von weit unter 100°C, was die Sicherheit in einem mit alternativ angetriebenem Auto enorm steigert. Da Brennstoffzellen auch leichter sind als Akkus gleicher Leistung, entfallen auch kostspielige und schwere Vorrichtungen, die nötig sind, um Akkus sicher in Autos zu befestigen.

    3.2.3 Funktion der PEMFC

    PEMFC (Bild: H-TEC; Stand: 11.09 )

    PEMFC ist die englische Abkürzung für "proton-exchange-membrane-fuel-cell", zu deutsch Protonenaustausch-membran-Brennstoffzelle. Dieser Brennstoffzellen-Typ wird oft auch mit PEFC (polymer electrolyte fuel cell) abgekürzt, und PEM kann auch für Polymerelektrolytmembran stehen.

    Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird ein edelmetallhaltiger Katalysator eingesetzt, meistens handelt es sich hierbei um Platin. Ohne das Platin würden Wasserstoff und Sauerstoff nicht miteinander reagieren. Erst die Zufuhr der Aktivierungsenergie, z.B. durch einen Funken, würde die Reaktion explosionsartig ablaufen lassen. Das Elektrolyt ist eine Polymermembran, die nur Protonen durchlässt.

    Die Protonen und Elektronen entstehen an der Anode durch Oxidation von Wasserstoff. Hierbei entsteht an der Anode ein Gleichgewicht zwischen adsorbierten Wasserstoff-Molekülen und hydratisierten Wasserstoff-Ionen. Die Protonen, also die H+ Ionen, wandern durch die Membran zur Kathode, an der die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser stattfindet.

    Die für die Reduktion nötigen Elektronen fließen durch einen äußeren Stromkreis zur Kathode. Die hierbei stattfindende Aufladung der Elektroden bezeichnet man als Elektrodenpotential. Die bei der Reaktion zwischen den beiden Elektroden erzeugte Potentialdifferenz ist die treibende Kraft der Brennstoffzellenreaktion und lässt sich im äußeren Stromkreis in elektrische Arbeit umwandeln.

    Theoretisch lässt sich an einer PEM-Brennstoffzelle eine Ruhespannung von 1,23V messen. Diese ergibt sich aus den Standard-Elektrodenpotentialen.

    Allgemein gilt: U = UH0(Kathode) - UH0(Anode).

    Daraus folgt für die PEM-Brennstoffzelle, die mit Sauerstoff und Wasserstoff betrieben wird:
    U = UH0(Sauerstoff) - UH0(Wasserstoff) = 1,23V - 0V = 1,23V.

    Das Elektrodenpotential der Wasserstoffhalbzelle ist definitionsgemäß 0V. Daraus ergibt sich dann die theoretisch mögliche Spannung von 1,23V. In der Praxis wird diese Spannung aber nicht erreicht; man erreicht nur Spannungen zwischen 0,6 bis 0,9V. Dies ist auf Spannungsverluste, die z.B. durch Reaktionshemmungen oder ungenügende Gasdiffusion auftreten können.

    Diese theoretisch frei werdende Spannung entspricht der Spannung, die man theoretisch mindestens bei der Elektrolyse von Wasser aufbringen muss. Aber auch bei einer Elektrolyse ist diese theoretische Spannung nicht ausreichend, da auch hier u.a. der ohmsche Widerstand des Elektrolyten zu überwinden ist und somit die Spannung höher sein muss.

    Die Brennstoffzelle kann je nach Typ und Brennstoff einen theoretischen Wirkungsgrad von 70% bis annähernd 100% erreichen. Da, wie eben schon erklärt, in der Praxis nicht die volle theoretische Spannung erreicht wird, liegt auch der tatsächliche Wirkungsgrad niedriger, zwischen 40% und 70%. Er entspricht dem Quotienten aus erreichter Spannung und theoretischer Spannung. Am Wirkungsgrad kann man das Verhältnis zwischen gewonnener und aufgewandter Energie ablesen.

    3.3 Oberleitung

    Das Konzept der Oberleitungen ermöglichte bereits 1882 das erste Oberleitungs Elektromobil. Heute wird diese Technik für den öffentlichen Nahverkehr eingesetzt, da man für Individualmobilität ein gigantisches Oberleitungsnetz benötigen würde. Da bei Linienbusverkehr Streckenänderungen kaum vorkommen, benötigt man die Oberleitungen nur auf diesen festgelegten Strecken. So hat man eine "Straßenbahn" ohne Schienen. Oft sind in diesen Bussen noch Hilfsmotoren eingebaut, um Kurzstrecken außerhalb des Netzes zurücklegen zu können.

     

     

    3.4 Hybrid-Technik

    Ein Hybridauto hat zwei Motorenarten: einen konventionellen Verbrennungsmotor und einen batteriegetrieben Elektromotor. Der Verbrennungsmotor erzeugt während der Fahrt elektrische Energie, die in einem Akku gespeichert wird. Auf diese Weise kann man den Vorteil beider Motorarten nutzen: das Drehmoment,  eines Elektromotors und die Reichweite und Treibstoffinfrastruktur (Tankstellennetz) des Verbrennungsmotors.

    Ein Nachteil dieser Technik ist allerdings, dass ein zweiter Antrieb auch sein Gewicht hat und dieses auch bei jedem Beschleunigen wieder seine Energie braucht um die erwünschte Geschwindigkeit zu erreichen.

    4. Wartung

    Elektrische Antriebe haben generell einen geringeren Wartungsaufwand als Verbrennungsmotoren, da sie weniger mechanisch reibende Bauteile besitzen. Allerdings treten bei Akkus Alterungserscheinungen auf, welche die Kapazität verringern oder ganz funktionsunfähig werden. Ein Elektromobil hat ansonsten die gleichen Abnutzungserscheinungen wie von Verbrennungsmotoren betriebene Autos. Der Ausschlagende Punkt sind hier die Antriebssysteme.

    Ein Getriebe wird bei einem Radnabenmotorantrieb nicht benötigt, da die Umdrehungszahlen elektronisch geregelt werden. Jedoch kann es passieren, dass durch die Wucht bei der Fahrt es dazu kommen kann, dass sich Motorenelemente lösen und evtl. repariert oder ausgetauscht werden müssen.

    5. Umweltaspekt

    Der Vorteil gegenüber Verbrennungsmotoren ist: Effizienz.

    Ein normaler Benzinmotor eines Mittelklassewagens hat einen Wirkungsgrad von etwa 30%. Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann einen Wirkungsgrad von mehr als 80% erreichen, je nach Wahl der Antriebstechnik und Akkus.

    Die zugeführte elektrische Energie kann jedoch aus den unterschiedlichsten Energiequellen kommen. Am umweltfreundlichsten ist es, wenn man regenerative Energiequellen wie Photovoltaik und Windenergie nutzt. Dies ermöglicht eine CO2-neutrale Individualmobilität, abgesehen von der Herstellung des Fahrzeuges.

    Der Umweltaspekt wird bei Brennstoffzellen, wie bereits angesprochen, vergessen. Der Energieträger, welcher für die Brennstoffzellen benötigt wird, benötigt Energie zur Herstellung und den Transport. Darüber hinaus liegt die Effizienz der Brennstoffzelle im günstigsten Fall bei 50%, die Restenergie geht als Wärme verloren, hinzu kommt noch der Wirkungsgrad des verwendeten Elektroantriebes. Zudem ist ein Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzellen nötig, welcher ebenfalls Energie benötigt. Unterm Strich ist die Brennstoffzelle leider nicht der Durchbruch für die Elektromobilität, wie es in den Medien immer wieder angekündigt wurde und wahrscheinlich auch noch wird.

    5.1 Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben

    Ein Elektromotor benötigt 4-25 kWh pro 100 km im Vergleich zu herkömmlichen Antrieben, wie beispielsweise dem Otto- oder Dieselmotor, welche je nach Fahrzeugtyp 3 bis 12 Liter pro 100 km benötigen.

    Allerdings liegt die Effizienz bei Elektromotoren bei ca. 90 - 94%, während bei Motoren nach dem Ottomotor-Prinzip lediglich ca. 20% und bei Motoren nach dem Dieselmotor-Prinzip 30 bis 35% und Höchstwerte von 42% erzielt wurden.

    5.2 Umweltfreundlichkeit vs. Effizienz

    Die Umweltfreundlichkeit wird bei Brennstoffzellen immer in den Vordergrund gestellt, aber wie verhält sich dazu die Effizienz?
    Wie bereits in dem Artikel über Brennstoffzellen beschrieben, benötigen diese mehrere Stufen der Umwandlung, bis das Endprodukt erreicht ist, welches in der Brennstoffzelle verarbeitet werden kann.

    Bei Akkumulatoren, wie beispielsweise Blei-Säure Akkus ist die Umweltfreundlichkeit umstritten, aufgrund der Blei-Säure-Verbindung und der Abnutzung durch Wiederaufladungen, wodurch sie nach zwischen 5000 und 50000 gefahrenen Kilometern gewechselt werden müssen. Zudem können sie weniger Energie als Brennstoffzellen lagern und benötigen zudem längere Zeit zum aufladen.

    Der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz liegt bei Brennstoffzellen bei der Elektrolyse für die Wasserstoffherstellung bei ca. 70% und die Brennstoffzellen stellen lediglich mit 50% als Höchstwert, sonst lediglich mit 40% Effizienz Energie bereit, was einen Gesamtwirkungsgrad von 28% ergibt, wenn keine Wasserstoffverluste eintreten.

    Bei der Energiebereitstellung über Akkumulatoren erreicht man dahingegen als Wirkungsgrad der Netzdurchleitungen 92% und des Ladegerätes 85%. NiMH-Akkumulatorenerreichen anschließend eine 60-prozentige Effizienz der Energiebereitstellung, womit sich eine Gesamteffizienz von 47% ergibt. Mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren jedoch, welche mit 90-prozentiger Effizienz Energie bereitstellen, erreicht man eine Gesamteffizienz von 74%, wobei diese Akkumulatoren wesentlich teurer sind, dafür allerdings 300 bis 450 km mit einer Ladung bewältigen, wohingegen Nickel-Cadmium-Akkumulatoren beispielsweise lediglich 70 bis 80 km erreichten, bei gleichem Gewicht des Akkus.

    Beim Bewerten der Umweltfreundlichkeit ist auch sehr darauf zu achten, dass die verbauten Fahrzeugkomponenten Fachgerecht entsorgt und oder recycelt werden. Auch die Gewinnung der Rohstoffe spielt eine Rolle, denn es ist sinnfrei, Akkus und/oder andere Bauteile zu verwenden, die bei ihrer Herstellung die Umwelt du hohen Energieaufwand oder durch Raubbau der Umwelt mehr schaden als nutzen.

    6. Zukunft der Elektromobile

    In Zukunft werden Elektromobile weiterhin entwickelt und verbessert werden. Die Nachfrage wird aufgrund der Global sich nähernden Knappheit an fossilen Energieträgern steigen.

    7. Infrastruktur

    Für Elektroautos ist die Infrastruktur nicht zu vernachlässigen. Heutzutage muss der Fahrer eines solchen Mobils seine Strecken sorgsam planen mit ausreichend Zeit zum Aufladen einplanen, da erstens die Tankstellen mit Ladekabel für Elektroautos nur selten auffindbar sind und zweitens die Elektromobile eine sehr lange Zeit benötigen, um aufgeladen zu werden.

    Bei der momentanen Entwicklung der Technik und weitere Verknappung der fossilen Brennstoffe, wird diese Art der Fahrzeugtechnik jedoch weiter Verbreitung finden und die Nachfrage nach einer Art "Tankstelle" fördern, wodurch sich die Infrastruktur weiterentwickeln wird.

    8. Einsatz von Elektromobiltechnik

    Elektromobiltechnik findet in vielen Bereichen Möglichkeiten zum Einsatz, im Folgenden sind aktuelle Beispiele ausführlich beschrieben.

    8.1 Obus

    Der Obus bzw. Oberleitungsbus existiert bereits seit 1882.

    Obusse fahren mithilfe von Oberleitungen, wie es der Name schon sagt und bildeten mit die ersten Elektromobile, da damals keine nutzbaren Akkumulatoren existierten, welche selbst heute ein immenses Problem darstellen.

    Es gibt neben dem Obus für Personenverkehr, ebenfalls einen Güter-Obus, welcher ausschließlich dem Güterverkehr dient. Beide Obusse sind vergleichbar mit klassischen Omnibussen, jedoch mit einer Verbindung zu den Oberleitungen. Zudem besitzen sie statt einem Verbrennungsmotor einen oder mehrere Elektromotoren und eine Leiter am Heck für Wartungspersonal, da auf dem Dach elektrische Geräte zur Aufnahme des Stroms montiert sind.

    8.2 Tesla Roadstar

    Mit einer Beschleunigung von 0 - 100 km/h in gut vier Sekunden konnten bisher nur Supersportwagen glänzen. Tesla Motors bietet mit dem Tesla Roadster das erste Elektroauto an, welches mit diesen Supersportwagen mithalten kann. Der Tesla Roadstar hat starke Ähnlichkeit mit dem Lotus Elise. Dies liegt vor allem an der Zusammenarbeit mit Lotus und der gemeinsamen Karosserieplattform mit der Elise.

    Der Elektromotor ist das Herzstück des Tesla Roadster. Das Herz ist in Form einer Asynchronmaschine mit einer maximalen Leistung von 185 kW (248 PS) . Die E-Maschine wiegt dabei ca. 35 kg.

    Ein zweistufiges Getriebe sorgt für ein dynami- sches Zugkraftangebot des Elektroantriebs und resultiert einerseits in einer Höchstgeschwindig- keit von 210 km/h und andererseits einem großem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen.

    Die elektrische Energie wird von einer Lithium- Ionen Batterie bereitgestellt. Diese sind hinter den Sitzplätzen angebracht. Die Batterien wiegen um die 500 kg, dadurch kommt es zu einer Gesamtmasse von ca. 1250 kg . Mit der Nennspannung von 378 V und der Kapazität von ca. 50 Ah lässt sich eine Reichweite von ca. 400 km erzielen. Die Ladezeit beträgt um die 3,5 Stunden.

    Ein weiteres wichtiges Entwicklungsziel von Tesla Motors  ist die Betriebssicherheit und die Zuverlässigkeit der Lithium-Ionen Technologie. Es werden Standart Zellen verwendet, die schon millionen Fach im Einsatz sind. Selbst wenn mehrere Zellen ausfallen kann maximale Leistung garantiert werden. Die Traktionsbatterie besteht aus mehr als 6800 Zellen.

    8.3 BMW Active Hybrid

    Durch einen V8-und Elektromotor sorgt das neue Hybridmodell des BMW 7er für eine Leistung von 465 PS. Dabei soll die Limousine nur einen Verbrauch von 9,4 Liter im Durschnitt haben und 219 Gramm CO2 emittieren.

    Der V8-Benziner mit Twinturbo wird von einem 15kW/20 PS starken Drehstromsynchron-Elektromotor unterstützt. Dieser ist im Gehäuse des Automatikgetriebes integriert.

    Das höchstwert in Sachen Drehmoment des BMW ActiveHybrid 7 beträgt 700 Newtonmeter, diese werden über ein Achtgang-Getriebe an die Antriebsachse weitergeleitet. Die Limousine beschleunigt in 4,9 Sekunden von 0-100 km/h. Die Höchstgeschwindigkeit ist BMW-typisch auf 250 km/h begrenzt. Zur Verbrauchsreduzierung sollen zudem optimierte Reifen im Format 245/45 R19 beitragen.

    Die Energie wird im BMW ActiveHybrid 7 in Lithium-Ionen-Akkus gespeichert, welche im Kofferraum untergebracht sind.Trotzdem  bietet er noch bis zu 460 Liter Platz an Gepäck. Beim Bremsen fungiert der Elektromotor als Generator und erzeugt aus der gewonnenen Bremsenergie Strom. Dieser wird sowohl für die Beschleunigung im Fahrbetrieb als auch für den Klimakompressor und das 12V-Bordnetz genutzt. Der Elektromotor hilft besonders beim Beschleunigen dieser Limousine. Zudem kann die Leistung des Benzinmotors dank der Zuschaltung des Elektroantriebs bei konstanter Fahrt deutlich reduziert werden, was wiederum dem Verbrauch des V8 zugute kommt.

    Die Standklimaanlage bekommt ihre Energie auch von den Lithium-Ionen-Akkus. Die Besatzung des BMW ActiveHybrid 7 wird über ein Display im Auto auf Wunsch über Funktionsweise des Hybridantriebs informiert. Dadurch kann man nachvollziehen, wann Energie gewonnen oder verloren wird.

    Mittlerweile wurde von BMW eine Hybrid Autoserie entwickelt, welche im langsamen Stadtverkehr lediglich den Elektromotor nutzt, beim beschleunigen auf der Autobahn ausschließlich Verbrennungsmotorantrieb, welcher bei hohen Geschwindigkeiten neben dem Elektromotor läuft und beim Überholen verstärkt genutzt wird mit dem Elektromotor.

    8.4 eRUF Porsche

    eRUF Greenster

    Vor einem Jahr (2008) präsentierte Alois Ruf den ersten Elektro-Porsche der Welt. Der von einem 150 kW (204 PS) starken Drehstrommotor, der bis zu 650 Nm Drehmoment erzeugt, angetriebene Elektromobil ist mit 96 Metall-Hybrid-Zellen ausgestattet, aus denen sich der Motor die Energie zieht. Das größte Pronlem ist das hohe Gewicht der Metall-Hybrid Zellen, welches das Gesamtgewicht auf 1,9 t anhebt. Ein Jahr später folgt nun das Serienmodell. Der verbaute Elektromotor von Siemens leistet nun 362 PS und wird von modernen Lithium-Ionen Akkumulatoren versorgt, wodurch das Gewichtsproblem jedoch noch lange nicht behoben ist. Diese Antriebskraft wird über ein Zwei-Gang Automatikgetriebe (Vorwärts und Rückwärts) auf die Achsen übertragen. Die Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in unter 5 Sekunden und die elektronisch abgeriegelte Höchstgeschwindigkeit von 250 km/h klingen zwar gut, aber in der Praxis dürften Probleme wie die Versorgung der Innenraumheizung und andere "Energiefresser" dieses Vergnügen recht kurz halten. Die Achillisferse eines jeden Elektroautos ist die Reichweite. Der bidirektionale Anschluss der 400 Volt Akkus sorgt dafür, dass der Greenster ohne Ladeelektronik auskommt und innerhalb einer Stunde die Reichweite von 250km bzw. 320km (mit zusätzlichen Akkus) bereitstellt. Bei Bedarf kann die gespeicherte Energie sogar wieder ins Stromnetz zurück gespeist werden, was in Hinsicht auf die geringe Reichweite und somit das große Problem der Energiedichte in den Akkumulatoren jedoch nur ein kleines Plus ist.

     

    8.5 Mercedes-Benz

    Mercedes E-CELL PLUS
    Mercedes E-CELL, F-CELL und E-CELL PLUS

    [1]

    Mercedes-Benz hat drei verschiedene umweltfreundliche Antriebskonfigurationen entwickelt, die alle im gleichem Auto verbaut werden können.

    Trotz alternativer Antriebe haben die drei Geschwister einiges gemeinsam. Sie werden alle mit einem Frontantrieb versehen und besitzen dazu noch einen Lithium-Ionen-Akku mit 35kWh Energieinhalt, welcher einen 100kW starken Elektromotor mit einer Dauerleistung von 70kw antreibt. Dieser Motor hat einen Drehmoment von 320 Nm, der ab der ersten Umdrehung zu Verfügung steht. Die Leistung dieses Motors übertrifft sogar die eines V6-Benziners bei 2500 Umdrehungen in der Minute. Die BlueZERO Modelle schaffen es von 0 bis 100 km/h unter 11 Sekunden. Doch Aufgrund der unreifen Akkus-Technologie sind die Fahrzeuge bei 150 km/h Höchstgeschwindigkeit elektronisch abgeriegelt.

    Nicht nur die Technologie ist neuartig, sonder das ganze aussehen dieser Autos. Auch die Aerodynamik hat sich um einiges verbessert. Der Grund dafür ist der Elektromotor, da er keine Kühlung braucht wie die Verbrennungsmotoren, somit hat das Auto auch keinen Kühler, sprich auch keine Löcher in der Front, die für Luftverwirbelung sorgen.

    Die drei Geschwister sind zwar schon Produktionsreif und es wurden schon mehr als 60 Fahrzeuge zu Testzwecken in Deutschland verteilt. Dennoch macht es in den nächsten Jahren keinen Sinn, die Fahrzeuge herzustellen, auch wenn sie keine Schwächen mehr besitzen, denn die Infrastruktur ist so gut wie nicht vorhanden.

    8.5.1 Mercedes-Benz E-Cell

    Mercedes-Benz E-Cell

    Anfang dieses Jahres wurde in Detroit der BlueZERO E-Cell mit einem rein batterie-elektrischem Antrieb vorgestellt. Er fährt mit einer Batterieladung emissionfrei bis zu 200 Kilometern weit. Doch dieses Auto war nur der erste Schritt zur neuen Antriebstechnologie.

    Dieses Concept hatte jedoch noch viele Schwachstellen. Die größte Schwachstelle war die kurze Reichweite, wegen den noch zu schlechten Akkus, könnte man noch nicht einmal 200km am Stück fahren. Ein anderes großes Problem ist die lange Ladezeit, bei einer Ladekapazität von 20 kW beträgt die Ladedauer zwei Stunden. Wer will schon zwei Stunden warten, wenn er es gewohnt war sein früheres Auto in weniger als fünf Minuten zu tanken. Dieses Auto wäre vielleicht für Kurzstrecken geeignet, doch wenn der Lithium-Ionen-Akku leer geht, würde man mitten in der Stadt liegen bleiben. Außerdem ist dieses Auto nur für Leute attraktiv, die eine Garage mit Stromanschluss besitzen. Da Leute ohne Garage, wie es in Städten häufig vorkommt, noch nicht einmal die Möglichkeit hätten, ihr Auto zu Hause aufzuladen.

    • Zusätzlich wäre da noch das Problem mit der Heizung. Es stellt sich die Frage, wie man die Scheiben im Winter eisfrei kriegt, sie eisfrei hält und vor allem beschlagsfrei. Man könnte auf den Akku zugreifen, um die Scheiben zu enteisen, was wiederum einen höheren Energieverbrauch bedeuten würde. Dies würde die Reichweite reduzieren.
    • Doch es bleibt die Frage, wie heizt man den Innenraum. Die Ingeneure könnten probieren, die Abwärme beim Bremsen in den Innenraum zu leiten, dafür ist jedoch die Energiequelle nicht konstant genug.
    • Eine bessere Isolierung des Autos könnte die Lösung sein, denn bei den heutigen Auto ist es so, als würde man ein offenes Kabrio beheizen, beziehungsweise klimatisieren wollen. Diese Methode wirkt sich, aufgrund des zusätzlichen Gewichts, wiederum auf die Reichweite aus.
    • Man könnte probieren spezielles Glas, welches einen Glashauseffekt hervorrufen würde, einzusetzen. Allerdings wäre das leider nur für den Winter praktisch, im Sommer würde der Fahrer in einer Sauna sitzen.
    • Die letzte und vernünftigste Lösung wäre eine Art Kühler, der aufgrund von Spiritusverbrennung oder ähnlichem Wärme produziert, die in den Innenraum geleitet wird. Somit wäre das Auto aber nicht mehr emissionsfrei.

    Um diese Schwächen zu beseitigen brachte Mercedes-Benz zwei Nachfolger raus, den F-Cell und den E-Cell Plus.

    8.5.2 Mercedes-Benz F-Cell

    Mercedes-Benz B-Klasse F-Cell ist weltweit das erste Brennstoffzellenautomobil, das unter Serienbedingungen produziert wird. Die ganze Technologie der B-Klasse ist im Zwischenboden untergebracht. Dieses Fahrzeug fährt auch emissionsfrei aufgrund der Funktionsweise der Brennstoffzelle. In ihr verbindet sich in einer kontrollierten chemischen Reaktion Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft. Dabei wird elektrische Energie frei, die das Fahrzeug antreibt. Der mittlere Wirkungsgrad des Antriebssystems im Fahrbetrieb ist mit knapp 40 Prozent etwa doppelt so hoch wie bei einem Benzin- oder Dieselmotors.

    Die Ingeneure von Mercedes-Benz haben die Brennstoffzelle mehreren Tests unterzogen:

    • Sie haben zum Beispiel die Sprinter von Hermes mit Brennstoffzellen ausgestattet und sie somit auf Alltagstauglichkeit getestet. Eines ihrer Vorteile ist, das sie keine schädlichen Abgase entwickeln. Deshalb werden  die Fahrzeuge, die mit dieser Technologie ausgestattet sind als Null-Emissions-Fahrzeuge bezeichnet. Die einzigen Abfallprodukte sind Wasserdampf und Abwärme. Außerdem sind die Autos um einiges leiser, da man nicht mehr das Hämmern von einem Dieselmotor, sondern nur noch ein leichtes Pfeifen, welches von dem Kompressor kommt, hört. Leider gab es auch bei dieser Antriebsart Probleme mit den Tankstellen, da die Infrastruktur noch nicht soweit ist.
    • Im Zweitem Test haben die Ingeneure in Stuttgart 3 Stadtbusse mit Brennstoffzellen ausgestatten um mehr über die Vorteile und Nachteile dieser Technik zu erfahren. Dieser Test ging über 2 Jahre und die Hersteller der Busse waren von der Zuverlässigkeit sehr überrascht. In Zukunft sollen weitere 30 Stück in ganz Europa geprüft werden.  Die Leistung eines Elektromotors, welcher in diesen Bussen verbaut ist, beträgt 200kW. Das ist mit einem modernen Dieselmotor vergleichbar. Die Busse benötigen ca. 23 kg Wasserstoff für 100km. Umgerechnet sind das um die 70 Liter Diesel, die ein ganznormaler Motor verbrauchen würde, somit liegt der Kraftstoffverbrauch von Wasserstofffahrzeugen höher.
    • Vor der serienmäßigen Herstellung der B-Klasse F-Cell wurden über 30 Crashtest gemacht um eine Sicherheit zu gewährleisten, die man von heutigen Autos gewönnt ist. 

    Technische Daten Mercedes-Benz B-Klasse F-Cell

    Zwischenboden des F-Cell

    Antrieb                                         Elektromotor mit Brennstoffzelle

    Nennleistung(kW/PS)                      100/136

    Höchstgeschwindigkeit (km/h)         170

    Beschleunigung 0km/h-100km/h       < 11 Sekunden    

    NEFZ-Verbrauch

    (l Dieseläquivalent/100km)               3,3

    CO2 ges. (g/km min.-max.)               0,0

    Reichweite (km) NEFZ                      385

    Kapazität / Leistung Lithium-

    Ionen Batterie (kWh/kW)                  1,4/35

    Kaltstartfähigkeit                              bis - 25 °C

    8.5.3 Mercedes-Benz E-Cell Plus

    Der BlueZero E-Cell Plus erzielt eine Gesamtreichweite von 600km. Im Vergleich zu seinem Vorgägner E-Cell schafft er 400 km mehr. Der Trick dabei ist, ein ins Auto integrierte 3 Zylindriger Turbo Verbrennungsmotor als Stromerzeuger, welcher während der Fahrt nur den Lithium-Ionen-Akku auflädt. Der E-Cell Plus schafft 100km rein elektrisch zu fahren, also lokal emissionsfrei. Die weiteren 500 km schafft er dankt dem ins Fahrzeug integriertem Generator. Diesen Stromerzeuger nennt man Range Extender.

    Dieses Concept ist für die Innenstadt und auch für Langstrecken sehr geeignet. Das Fahrzeug wird wie auch die E-Cell Modelle rein elektronisch angetrieben. Der kompakte, 50 kW starke Verbrennungsmotor, welcher im Bereich der Hinterachse untergebracht ist, erzeugt einen CO2-Ausstoß von lediglich nur 32 Gramm pro Kilometer. Der E-Cell Plus ist somit nicht nur Umweltfreundlich sondern auch Alltagstauglich. Er gibt sogar dem Kunden die Sicherheit, selbst bei entladener Batterie ans Ziel zu kommen. Zumal er sein Auto schnell und einfach an jeder normalen Tankstelle mit Kraftstoff auftanken kann. Man kann aber auch seinen Lithium-Ionen-Akku an jeder Haushaltssteckdose aufladen, somit ist man nicht auf den Range Extender angewiesen. Bei einer Ladekapazität von 20kW benötigt der Akku knapp eine Stunde um seinen vollen Ladungsstand zu erreichen.

    Es werden Lithium-Ionen-Akkus in die Konzeptfahrzeuge eingebaut, da sie eine hohe Leistungsfähigkeit und Energiedichte, großen Ladewirkungsgrad und lange Lebensdauer besitzen.

    Dieses Auto ist zwar schon Serienreif, jedoch ist es kein rein elektrisches Auto. Das Fahrzeug ist mit dem selben Motor ausgestattet wie ein Smart, nur das der E-Cell Plus einen zusätzlichen Lithium-Ionen-Akku besitzt. Die Ingeneure von Mercedes-Benz haben nur eine Übergangslösung gefunden, da sie ein Elektroauto mit einem Verbrennungsmotor kombiniert haben. Somit haben sie zwar für einen kleineren Benzinverbrauch gesorgt, doch ihn nicht komplett beseitigt. Der E-Cell Plus ist zwar nicht auf den Range Extender angewiesen, aber auch nur, wenn man die Möglichkeit besitzt das Auto zu Hause aufzuladen. Dennoch ist dieses Concept meiner Meinung nach am besten, weil man das Auto auf jeder Tankstelle auftanken kann. 

    Mercedes-Benz stellt das Thema Elektromobilität so dar, als ob in den nächsten Jahren es einem gewöhnlichem Arbeiter möglich wäre ein Elektroauto zu besitzen, doch wenn wir es objektiv sehen würden, sind in diesem bereich der Technologie noch sehr viele Lücken offen. Angefangen mit fehlenden Tankstellen bis über lange Ladezeit der Akkus hin zu richtiger Stromerzeugung. Denn nur, wenn der Strom auf umweltfreundlichem Weg produziert wird, ist das Auto emissionsfrei.

    Concept BlueZERO E-Cell Plus

    • E-Cell Plus hat eine Reihweite von 100 km auf rein elektrischer Basis.
    • Der Verbrennungsmotor, welcher wie ein Generator funktioniert, verlängert die Reichweite auf 600 km.
    • Das Fahrzeug kann aber auch an jeder Haushaltssteckdose aufgeladen werden.
    • Bereits eine halbe Stunde Ladezeit reicht für 50 km aus. (Kapazität 20kW)
    • Der in das Auto integrierter flüssigkeitsgekühlter Lithium-Ionen-Akku dient als Energieträger und verfügt über bis zu 17,50 kWh Energieinhalt
    • Der Antrieb erfolgt über die Vorderachse

     

    Elektroantrieb                                                                 Range Extender

    CO2-Emission:                      0g/km                        Zylinder               3

    Reichweite:                           100/600 km                Hubraum              1,0l Turbo

    Batterie:                                Lithium-Ionen            Leistung              50 kW

    Nennleistung:                        100kW/136PS    

    Max. Drehmoment:                 320 Nm

    Höchstgeschwindigkeit:          150 km/h

    Beschleunigung 0-100km/h:   <11,0 Sekunden

    8.6 Quantya E-Bike

    Quantya "Track"

    Der Schwiezer Hersteller Quantya hat mit seinen Elektromotorrädern einen weg gefunden den Lauten und stinkenden Motocross Sport in eine leise und umweltfreundliche Freizeitbeschäftigung zu verwandeln.

    Das Topmodell "Track" ist mit seinen 83kg ziemlich leicht und wird von dem 16kw (21ps) Elektromotor passend angetrieben. Durch dieses geringe Gewicht hat es einen bedeutenden Vorteil gegenüber seinen großen Automobil Geschwistern. Die 38 Nm Drehmoment liegen wie bei jedem Elektroantrieb durchgehend an. Der Schuhkarton große Lithium-Polymer-Akku benötigt 2,5 Stunden um vollständig geladen zu werden und hält anschliessend für rund zwei Stunden.

    Mit der "Strada" hat der Hersteller nun auch ein Strassenzugelassenes Modell, welches man schon ab 16 Jahren mit einem Führerschein der Klasse A1 im bereich der StvO bewegen darf, im Programm. Mittels eines kleinen Schalters am Lenker lässt sich die maximale Geschwindigkeit von 80km/h auf 50km/h drosseln, sollte sich die Ladeanzeige mal dem roten Bereich nähern. Dies finde ich eine gute Idee da man so der, trotz des niedrigen Gewichts präsenten, Problematik der geringen Reichweite zumindest ein wenig entgegenwirken kann. Der Erfinder, Hans Eder meint :"Einmal Volltanken kostet rund 18cent, was dann je nach Fahrstil für 160km Reichweite genügt."

    Das größte Problem ist der Neupreis der aufgrund der kostspieligen Akkus nicht gerade günstig ausfällt. Die momentane Stückzahl liegt bei 1500 E-Bikes pro Jahr. Der wachsenden Markt für Elektrofahrzeuge und die somit steigende Nachfrage wird aber für größere Stückzahlen sorgen und lässt somit auf fortschritte in der Energie-Speicher Technik hoffen um die kosten der Akkus zu senken.

    8.7 Renault Fluence Z.E. Concept 2009

     

    Renault will jedem Kunden ein sauberes, emissionsfreies Fahrzeug an bieten, das seine Erwartungen entspricht, deswegen darf auch der Fluence Z.E. Concept nicht fehlen. Diese Modell ist ein klassisches Familienfahrzeug und zudem noch vollständig umweltschonend. Es schafft eine Reichweite von 160 km und das nur mit Strom.Der Renault verfügt über eine Maximalleistung von 95 PS und einem Drehmoment von 226 Nm/min.

     

    Ein Vorteil man kann das Auto mit drei verschiedenen Modellen nachladen.

    • Standartladung: innerhalb von 4 bis 8 Stunden
    • Schellladesystem: in 20 Minuten
    • Wechsel der Batterie: binnen 3 Minuten

     

    Durch den Elektromotor ist viel Platz für die ganze Familie, das verkörpert der Fluence Z.E. Concept auch. Mit der Reichweite von 160 km und der Lösungen zum Aufladen können mit dem Auto gelassene Fahrten auf allen Strecken zurück gelegt werden.

    Der Fluence Z.E. Concept ist sehr umweltbewusst, weil er mit Strom fährt. Jedoch otimiert das gesamte Fahrzeug zudem noch die Energienutzung.

    - Auf dem Dach befinden sich photovoltaische Zellen, die einen Teil des laufenden Energiebedarfs wiederherstellen.

    - Leuchtdioden dienen als Scheinwerfer dadurch wird der Energiebedarf verkleinert.

    - Die Klimaanlage ist optimiert und verbessert worden. Das Fahrzeug ist in 3 Zonen aufgeteilt worden somit kann man bestimmt an welchem Ort es wie warm sein soll.

    - Durch eine verbesserte Aerodynamik ist, dass Auto nicht mehr einen so hohen Luftwiederstand ausgesetzt.

    - Auch die Reifen wurden verbessert und rollen leichter über den Asphalt.

    Der Fluence Z.E. Concept ist mit seinem Elektroantrieb auf der Vorderachse und der Lithium-Ionen-batterie zwischen Rückbank und Kofferraum ein rein elektrisch betriebenes Fahrzeug.

     

    9. Quellen

    1. www.dges.de/no_cache/service-der-dges/forum/forum/beitrag/technik/hybridfahrzeuge/kritische-anmerkung-zu-hybridfahrzeuge.html
    2. www.rp-online.de/public/article/moenchengladbach/588837/Einkaufsmeile-mit-Elektrobus.html
    3. de.wikipedia.org/wiki/Obus
    4. www.rundschau-online.de/html/artikel/1222154725983.shtml
    5. www.teslamotors.com
    6. www.bmw.de/de/de/insights/technology/efficient_dynamics/phase_2/active_hybrid/effect.html
    7. www.auto-motor-und-sport.de/news/auto_-_produkte/hxcms_article_515652_13987.hbs
    8. www.paperboy.de/tag,Elektroauto,0.html
    9. www.initiative-brennstoffzelle.de/live/show.php3
    10. www.focus.de/auto/videos/auto-vw-erklaert-die-neue-brennstoffzelle_vid_763.html
    11. http://de.wikipedia.org/wiki/Brennstoffzelle
    12. http://www.innovations-report.de/html/berichte/energie_elektrotechnik/bericht-73229.html
    13. http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:TeslaRoadster-front.jpg&filetimestamp=20070209173005
    14. http://www.diebrennstoffzelle.de/
    15. http://www.heise.de/tp/r4/artikel/18/18767/1.html
    16. http://home.arcor.de/kabza/pemfcde/pemfc.html
    17. infofrosch.info/g/ga/galvanische_zelle.html
    18. http://www.heise.de/newsticker/Australien-Infrastruktur-fuer-Elektrofahrzeuge-geplant--/meldung/117839
    19. www.heise.de/newsticker/Unternehmen-will-weltweit-Infrastruktur-fuer-Elektrofahrzeuge-bereitstellen--/meldung/98129
    20. www.wattgehtab.com/index.php/content/view/2236/25/

    10. Fußnoten

    [1] Mercedes-Benz Filiale Darmstadt