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Ausblick

Elektroauto

Elektrofahrzeuge sind keine Erfindung unserer Zeit, sie gibt es etwa genauso lange, wie Fahrzeuge mit Benzinmotoren. Als 1885 Carl Benz seine dreirädrige Motorkutsche vorstellte und Gottlieb Daimler unabhängig davon 1886 seine vierrädrige, waren in Paris schon seit 1881 elektrisch betriebene Wagen unterwegs. Es waren die ersten Fahrzeuge zu dieser Zeit, die schneller als 100 km/h fahren konnten. Um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert bildeten in den USA die Benzinautos mit 22% die Minderheit - Elektromobile hatten 38% und Dampfmaschinen 40% Anteil an den Straßenfahrzeugen. Inzwischen haben sich die Verhältnisse zu Gunsten des Otto-Motors radikal verändert. So betrug im Jahre 1995 in der BRD beispielsweise der Bestand an elektrisch betriebenen Straßenfahrzeugen lediglich noch 0,01% des Gesamtbestands zugelassener Kraftfahrzeuge.

Seit die Umweltbelastungen (Lärm und Abgase) durch den Straßenverkehr in den Ballungszentren stark zugenommen haben, denkt man wieder intensiver über die Entwicklung von Elektrofahrzeugen nach. Dabei zeichnen sich drei Entwicklungslinien ab:

Hybridfahrzeuge, die einen elektrisch gespeisten Antrieb (Batterie) und einen Verbrennungsmotor besitzen. Sie können für weite Strecken die Vorteile des Verbrennungsmotors und die gute Infrastruktur der Tankstellen nutzen und in der Stadt auf den emissionslosen und geräuscharmen Elektroantrieb umschalten.

Batteriegetriebene Elektrofahrzeuge

Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen

Im Weiteren soll nur etwas näher auf die batteriegetriebenen Elektrofahrzeuge eingegangen werden.

Emissionen

Gegenüber den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben sie den Vorteil der geringeren Lärmentwicklung, aber nur auf den ersten Blick den Riesenvorteil geringerer Emissionswerte bei den Abgasen. Der Strom für die Aufladung der Batterien muss ja irgendwo erzeugt werden und dabei entstehen natürlich auch Abgase. Allerdings entstehen die Abgase meist an einem Ort, wo eine nicht so hohe Menschenkonzentration ist und somit evtl. weniger Schaden angerichtet wird. Für besonders Interessierte zeigen wir hier eine Gegenüberstellung der Emissionswerte für einen Golf, der mit Benzin, Diesel bzw. elektrischer Energie (Golf CityStromer) betrieben wird. Hier zeigt sich, dass die Emissionswerte des Elektroautos nicht immer günstiger sind als diejenigen der Benzin- und Dieselfahrzeuge.

Energiebedarf (zitiert z.T. aus der Seite des Instituts für Kraftfahrwesen, Aachen)

Der Energieverbrauch eines Elektrofahrzeugs ist stark abhängig von der verwendeten Technologie d.h. Motor, Batterie, Ladeverfahren und Konstruktionsprinzip. Während heutige im "Conversion Design" konstruierten Elektroautos (d.h. konventionelle Autos, die auf Elektroantrieb umgerüstet wurden) im Stadtverkehr zwischen 20 und 30 kWh/100km Strom benötigen, sind bei einer Konstruktion im "Purpose Design" (spezielle Leichtbaufahrzeuge) Endenergieverbräuche im Bereich von 15 bis 20 kWh/100 km realisierbar.

Der Vergleich der benötigten Energie zwischen einem Elektrofahrzeug und einem konventionell angetriebenen Fahrzeug (mit Benzin oder Diesel) kann nur über den Primärenergiebedarf geschehen, da zwei unterschiedliche, direkt nicht vergleichbare Endenergieträger (Strom, Kraftstoff) vorliegen.

Als Basis dient der im "Conversion Design" konstruierte Golf CityStromer, der auf Grund seines Mehrgewichts, bedingt durch die schwere Batterie, den höchsten Energiebedarf am Rad hat. Der Endenergiebedarf ist jedoch im Vergleich zu den beiden konventionell betriebenen Fahrzeugen infolge der guten Wirkungsgrade des elektrischen Antriebstrangs deutlich geringer.

Betrachtet man jedoch den einzelnen Primärenergiebedarf, so ergeben sich für den direkteinspritzenden Diesel deutliche Vorteile. Der elektrisch angetriebene Golf ist gleichwertig mit der benzinbetriebenen Variante. Mit "Purpose Design"-Fahrzeugen lassen sich jedoch Primärenergiebedarfe von unter 50 kWh/100 km realisieren, so dass hier eine Gleichwertigkeit mit konventionellen Dieselfahrzeugen erreicht werden kann. Besonders Interessierte können die folgende Grafik (Energiebedarf) des Instituts für Kraftfahrwesen, Aachen näher studieren.

Batterien und Reichweite

Unter der Motorhaube befindet sich der Elektromotor und ein Batteriesatz. Ein weiterer Batteriesatz ist hinter der Rückbank verstaut.

Der Aufbau von "Conversion Design"-Autos ist bis auf den Motor und den Tank dem konventioneller Benzin- oder Dieselautos sehr ähnlich. Anstelle des Verbrennungsmotors tritt ein Elektromotor (früher Gleichstrommotor, heute Drehstrommotor), anstelle des Tanks eine große Batterie.

Bei den "Purpos Design"-Autos wird auf leichte Bauweise geachtet. Meist handelt es sich um sehr kleine Wagen, die für den Stadtverkehr besonders geeignet sind (kleiner Wendekreis; wenig Platzbedarf beim Parken). Man versucht durch die Leichtbauweise den großen Nachteil der sehr schweren Batterien zu kompensieren.

Sehr intensiv wird an der Verbesserung der Batterien gearbeitet. Hier strebt man höhere Energie- und Leistungsdichten als bei den herkömmlichen Bleibatterien an, ist jedoch noch weit von den entsprechenden Werten bei Benzin und Diesel entfernt. Die folgende Tabelle zeigt die Daten einiger Batterietypen:

Batterietyp Energiedichte in Wh/kg Leistungsdichte in W/kg Lebensdauer / Aufladezyklen Kosten in €/kWh Reichweite in km heute und ca. 2006
Blei-Gel 30 75 75 - 90 125
Nickel-Metallhydrid 60 175 1000 - 2000 500
Lithium-Ionen 120 150 > 1000 250

Ausblick

Da die Anschaffungskosten des Elektroautos um ca. 40% - 50% höher sind als beim Auto mit normalem Verbrennungsmotor, wird eine breitere Einführung erst dann möglich sein, wenn gesetzliche Vorschriften über die Emissionen dazu zwingen oder staatliche Förderungen locken.

Untersuchungen zeigen, dass der Löwenanteil der Autofahrten nur über sehr kurze Strecken geht, wobei das Auto meist nur mit einer Person besetzt ist. Hier müsste ein Umdenken der Bevölkerung induziert werden, hin zum kleinen wendigen und sparsamen Kleinfahrzeug. Allerdings würde das Kleinauto mit Verbrennungsmotor bei einem Verbrauch mit 2-3 Litern/100 km auch schon wesentlich weniger Abgase produzieren.

Betrachtet man den Bedarf an Primärenergie beim Elektroauto, so ist der Vorteil gegenüber dem Benzinauto nicht besonders hoch. Hier wäre die Wandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie anzustreben. Das nebenstehende Bild zeigt ein Solarmobil, welches wohl eher im Hobby-Bereich eine Rolle spielen wird. Sehr viel größere Chancen für einen breiten Einsatz beim Automobil werden den Brennstoffzellen eingeräumt, bei denen solar erzeugter Wasserstoff zusammen mit dem Luftsauerstoff elektrische Energie erzeugt. Zahlreiche Automobilhersteller widmen sich inzwischen mit großer Intensität dem Problem.

  1. Nenne mindestens drei Vorteile und drei Nachteile, die das Elektroauto gegenüber einem Auto mit Benzinmotor besitzt.

  2. Schätze ab, wie teuer die Fahrt mit einem CityStromer auf 100km wird. Vergleiche diesen Preis mit demjenigen, der bei der Fahrt mit einem Golf Benziner aufzubringen ist. Berechne hierzu mit den Daten aus der Tabelle "Energiebedarf", wie viel Liter Benzin der Golf auf 100 km in etwa braucht. Heizwert von Benzin: 45kJ/g; Dichte von Benzin: 0,80g/cm3.

  3. Überschlage, wie schwer die Nickel-Metallhydrid-Batterien eines City-Stromers sein müssten, damit er die Reichweite von 100km hat.

Ergänzendes Material zum Thema bei Welt der Physik