Elektromobilität - Elektrostraßenfahrzeuge

Elektrische Straßen- und Hybridfahrzeuge haben in der letzten Zeit enorm an Bedeutung gewonnen. Der Artikel gibt Auskunft über den heutigen Stand der Speichertechnologien und Energiewandler, der Wärmebedarfsdeckung des Fahrzeugs und der verschiedenen Typen von elektrischen Antriebsmaschinen.

Erich Rummich für den Science-Blog

In den letzten Jahren beschäftigen die Menschheit Themen wie das steigende Wachstum der Erdbevölkerung, der damit verbundene Klimawandel, die Erschöpfung der verschiedenen Ressourcen und die stets ansteigende Mobilität der Menschen.

Ein neues Thema ist die so genannte Elektromobilität.

Elektromobilität bezeichnet den Einsatz von elektrischer Energie zum Betreiben von individuellen Fahrzeugen oder elektrische Hybridantriebe (Elektro- und Verbrennungsmotor) für die Erfüllung der unterschiedlichen individuellen Mobilitätsanforderungen. In jüngster Zeit wird der Begriff Elektromobilität auch in Verbindung mit Programmen der unterschiedlichsten Institutionen zur Förderung des Einsatzes von Elektrofahrzeugen verwendet.

Elektrischer Strom, erzeugt aus erneuerbaren Energieträgern, bietet die Vorteile einer abgas- und feinstaubfreien sowie geräuscharmen Verkehrsbewältigung.

Ein erstes österreichisches Elektromobil

Dabei sollte nicht vergessen werden, dass auch in Österreich Pionierleistungen auf diesem Gebiet der Elektromobilität erbracht wurden. Bereits zur Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert konstruierte Ferdinand Porsche in den Lohner-Werken ein für die damalige Zeit richtungweisendes Elektromobil. Dieses wurde von zwei Gleichstrom- Radnabenmotoren, die in den beiden Vorderrädern integriert waren, angetrieben (Abbildung 1).

Abbildung 1 Lohner-Porsche-Elektromobil. „Semper Vivus“ 1900
Akkumulator: Bleiakku mit 44 Zellen und ca. 80 V Gleichspannung (410 kg). Betriebsdauer ca. 3 Stunden, Höchstgeschwindigkeit 50 km/h. (Technisches Museum Wien; Quelle: Wikpedia)

Als Energiequelle diente damals sowie auch heute vereinzelt noch eine Bleibatterie. Nachteil dieser Batterien waren und sind ihre geringe Energiedichte von damals 10Wh/kg bis 20Wh/kg bzw. heute 35Wh/kg bis 50Wh/kg, damit verbundene hohe Masse und gleichzeitig geringe Reichweite des Fahrzeuges.

Das in den Lohner-Werken gebaute Emobil wurde im Jahre 1900 auf der Pariser Weltausstellung gezeigt. Erwähnt sei auch, dass in diesen Jahren das weltweit erste allradgetriebene Elektrofahrzeug gebaut wurde.

Energiespeicher

Das Problem des Energiespeichers in reinen Elektrofahrzeugen ist bis heute nicht befriedigend gelöst.

Bedenkt man, dass ein Kilogramm eines herkömmlichen Kraftstoffes (Benzin, Diesel) einen Energieinhalt von etwa 11kWh [d.s. 11000 Wh/kg, Anm.] besitzt, erkennt man rasch den Nachteil von heutigen Batteriesystemen mit 80Wh/kg bis 150 Wh/kg (Abbildung 2).0

Abbildung 2.  Energieunhalte von Kraftstoffen und aktuellen Batteriesystemen (Quelle: Wikipedia „Gewicht- und Volumenvergleich von Dieselkraftstoff+Tank gegenüber Traktionsbatterie - ohne Betrachtung der Gesamtsysteme mit Motor, Kühlung, Getriebe, Ansaug- und Abgasanlage u. ä“)
Ein weiteres Problem ist das rasche Laden einer Traktionsbatterie (Traktionsbatterie:

Ein weiteres Problem ist das rasche Laden einer Traktionsbatterie (Traktionsbatterie:  Zusammenschaltung von einzelnen Akkumulatorenzellen oder Blöcken als Energiespeicher) Zusammenschaltung von einzelnen Akkumulatorenzellen oder Blöcken als Energiespeicher). Wenn an einer normalen Tankstelle Kraftstoff mit etwa 40 l/min bis 60 l/min in den Tank gefördert wird, entspricht dies einer Leistung von etwa 40 MW bis 60 MW. Eine derart hohe elektrische Ladeleistung wäre nie ausführbar. Es muß ferner erwähnt werden, daß es heute noch an der Infrastruktur von geeigneten Stromtankstellen mangelt.

Bei der Elektromobilität ist zu unterscheiden zwischen dem individuellen Nahverkehr, der heute durchaus von Elektrostraßen-fahrzeugen mit den gängigen Batterie-systemen bewältigt werden kann und dem Fernverkehr.

Für den Nahbereich haben sich in den letzten Jahren Nickel-Metallhydrid-Batterien und verschiedene Typen der Lithium-Batterien durchgesetzt.

Für beide Batteriesysteme gilt, daß die Kapazität (Speicherinhalt) mit sinkender Umgebungstemperatur ebenfalls abnimmt und damit auch die erzielbare Reichweite.
Die Lebensdauer der Batterien ist mit wenigen hundert bis tausend Lade-Entladezyklen begrenzt und erfordert in bestimmten Zeitabschnitten eine Neuanschaffung, was mit erheblichen Kosten verbunden ist. Ein Batterie-Leasingsystem kann hier positive Impulse setzen.
Vorteilhaft bei der Elektromobilität ist deren hohe Umweltverträglichkeit, so der elektrische Strom für den Betrieb des Fahrzeuges aus erneuerbaren Energieträgern (Wasser-, Windkraft, Solarenergie, Biomasse) gewonnen wurde.

Ein weiterer Vorteil von Elektrofahrzeugen besteht darin, daß die durch Nutzbremsung gewonnene Energie in den Speicher rückgeführt werden kann, dabei arbeitet der elektrische Antriebsmotor als Generator. Zu erwähnen wäre weiters, daß der Gesamtwirkungsgrad des elektrischen Antriebsstranges wesentlich höher als jener von mit Verbrennungsmotoren betriebenen ist.

Wärmebedarfsdeckung des Elektrofahrzeuges

Ein nicht zu vernachlässigbares Problem stellt die Heizung des Elektrofahrzeuges dar. Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor fällt durch den niedrigen Wirkungsgrad (kleiner 50 %) des Verbrennungsmotors genügend Abwärme an, die bei Bedarf für die Beheizung des Fahrzeuges herangezogen wird. Die Heizung ist nicht nur für den Komfort der Fahrgäste sondern auch für die Sicherheit des Fahrzeuges erforderlich (z.B. Enteisung der Fenster).

Das Problem der Fahrzeugheizung bedarf noch eingehender Forschungs- und Entwicklungsarbeiten.

Ansätze dazu bietet die Wärmespeicherung durch Anwendung der Heterogen-Verdampfung. Dabei wird einer Stoffkombination AB (Salzhydrate, Metallhydride) Wärme zugeführt. Diese bedingt eine Aufspaltung der Verbindung AB in den festen Bestandteil A und in die flüssige oder gasförmige Komponente B, wobei B in einem zweiten Behälter aufgefangen und dadurch vom Stoff A getrennt wird. In diesem Fall ist der thermische Speicher aufgeladen. Theoretisch kann dieser Zustand beliebig lange aufrecht erhalten werden, da sich das Speichersystem auf Umgebungstemperatur befndet. Bei gewünschter Wärmeabgabe aus dem Speicher wird Komponente B wieder in den Behälter von A transportiert und es erfolgt die Verbindung von A und B unter Wärmefreisetzung zu AB.

Weitere thermische Speicher sind Latentwärmespeicher, bei welchen durch eine Phasenumwandlung fest/flüssig eines geeigneten Mediums (je nach gewünschter Schmelztemperatur eignen sich verschiedene Salzverbindungen oder Paraffine) große Wärmemengen gespeichert und diese beim Übergang flüssig/fest wieder abgeben werden können. Nachteilig ist, daß der Speicher im geladenen Zustand immer über der Kristallisationstemperatur (ist gleich der Schmelztemperatur) gehalten werden muss, was eine entsprechend gute thermische Isolation erfordert.

Grundsätzlich können beide thermischen Speichersysteme durch eine elektrische Heizung während des Ladevorganges der Traktionsbatterie aufgeladen werden.

Die Verwendung von herkömmlichen Standheizungen, wo ein fossiler Brennstoff verbrannt wird, stellt keine Lösung dar, da dabei Schadstoffe emittiert werden.

Eine andere Möglichkeit zur Wärmebedarfsdeckung wäre die Verwendung von Hochtemperaturbatterien. Dies sind Batteriesysteme, die bei Temperaturen von 300 °C bis 350 °C betrieben werden. Eines dieser Batteriesysteme war die Natrium-Schwefel-Batterie, die aber seit einigen Jahren nach einem thermischen Unfall (Natriumbrand) aus dem Verkehr gezogen wurde und die Natrium-Nickelchlorid-Batterie. Bei letzterer wäre es möglich, beim Betrieb durch Kühlung von 350 °C auf etwa 300 °C genügend Wärme für die Beheizung des Fahrzeuges zu gewinnen.

Brennstoffzellen

Eine Alternative bestünde im Einsatz von Brennstoffzellen. Brennstoffzellen sind keine Energiespeicher sondern Energiewandler, welche die chemische Energie eines Brennstoffes (z.B. Wasserstoff H2 oder Methanol CH3OH aus Biomasse) unter Anwesenheit eines Oxidationsmittels (z.B. Sauerstoff der Luft) direkt in elektrische Energie und Wärme umsetzen.

Mit H2 betriebene Brennstoffzellen besitzen seit vielen Jahrzehnten eine ausgereifte Technologie. Ein Problem ist hierbei die Speicherung von Wasserstoff im Fahrzeug. Auch hier existieren einige Möglichkeiten wie z.B. in Druckflaschen bis 300 bar, in fester Form als Metallhydrid, in flüssiger Form allerdings bei 20K [-253 °C, Anm.] oder in modernen Speichern mit Nanostrukturen.

Neu in Entwicklung ist die Bindung von Wasserstoff an Carbazol, C12H9N, einem flüssigen Kohlenwasserstoff, der als Wasserstoffträger fungiert. Bei diesem Konzept wird an der Tankstelle mit Wasserstoff angereichertes Carbazol getankt. Im Fahrzeug erfolgt die Wasserstofffreisetzung und an der Tankstelle die Rückgabe von H2-armem Carbazol. Dieses wird durch geeignete chemische Verfahren wieder in eigenen ortsfesten Hydrieranlagen mit H2 angereichert. Die Erzeugung des Wasserstoffs müßte durch Wasserelektrolyse [Aufspaltung von Wasser 2xH2O in seine chemischen Bestandteile: 2xH2 + O2 durch elektrischen Strom, Anm.] erfolgen. Wenngleich die Wasserstoffwirtschaft als mögliches zukünftiges Energieszenario gesehen wird, stellt derzeit die Wasserstoffspeicherung einen erheblichen Aufwand an Speichervolumen und -masse dar.

Der Einsatz der "Direkten Methanolbrennstoffzelle" (derzeit noch in Entwicklung) wäre eine günstige Lösung, bei der das Problem der geringen Reichweite von Elektrofahrzeugen nicht mehr vorhanden ist, da der Energieträger Methanol ein flüssiger Energieträger ist, der mit der bestehenden Infrastruktur der heutigen Tankstellen in Tanks, wie sie heute für konventionelle Kraftstoffe üblich sind, verwendet werden könnte.

Die "Direkte Methanolbrennstoffzelle" wandelt den Energieträger Methanol auf direktem Wege in elektrische Energie, Wärme, Kohlendioxid und Wasser um. Diese Variante wäre nicht abgasfrei (CO2 wird emittiert), aber durch die Herstellung von Methanol aus Biomasse CO2-neutral. Die bei der Energieumsetzung in der Brennstoffzelle entstehende Wärme könnte für die Beheizung des Elektrofahrzeuges verwendet werden.

Da sich Brennstoffzellen nicht für die Aufnahme von elektrischer Energie eignen (keine Nutzbremsmöglichkeit), muß ein elektrischer Energiespeicher parallel zur Brennstoffzelle geschaltet werden. Dies kann eine herkömmliche Batterie sein oder die seit wenigen Jahren verfügbaren Superkondensatoren, die sich durch extrem hohe Leistungsdichte (heute bis 3000W/kg) auszeichnen, allerdings nur geringe Energiedichte (bis etwa 5Wh/kg) aufweisen. Sie eignen sich daher für die Aufnahme großer elektrischer Leistungen und ebenso für deren Abgabe, was das Beschleunigungsverhalten des Elektrofahrzeuges positiv beeinflußt.

Maßnahmen zur Steigerung der Elektromobilität

Öffentlicher Verkehr.

Zur Steigerung der Elektromobilität im öffentlichen Verkehr sollte der weitere Ausbau von Straßenbahnen, Oberleitungsbussen und Elektrobussen mit Energiespeichern gefördert werden.

Für den Fernverkehr ist der Ausbau und die Elektrifizierung von Bahnlinien erforderlich, wobei auf neu zu errichtende Park-&Charge-Anlagen bei den Bahnhöfen geachtet werden müsste. In diesen könnten Elektrofahrzeuge während der Abwesenheit der FahrzeugbetreiberInnen aufgeladen werden, wodurch eine Anbindung an das öffentliche Netz attraktiver wäre.

Bauweise.

Da der Energiebedarf eines Elektrofahrzeuges wie auch eines konventionellen Fahrzeuges von dessen Masse abhängt, ist es wichtig, dass zukünftige Elektrofahrzeuge möglichst in Leichtbauweise hergestellt werden. Hier wären Anleihen aus dem Gebiet der Bionik zu nehmen.
Batteriemanagement, Gesamtregelungskonzept. Große Bedeutung kommt dem Batteriemanagement und dem Gesamtregelungskonzept des Elektrofahrzeuges zu. Durch verschiedene neu zu etablierende Verkehrsleitsysteme, wo im voraus das Fahrstreckenprofil mit Steigungen und Gefällen, Behinderungen, Baustellen, Staus oder Witterungseinflüssen und Geschwindigkeitsbeschränkungen bekannt gemacht werden, würden dabei den Einsatz der gespeicherten elektrischen Energie optimieren.

Die erforderlichen leistungselektronischen Systeme wie Frequenzumrichter und Stellglieder für die Drehzahländerung der Antriebsmotoren sowie für diverse Hilfseinrichtungen sind weitgehend ausgereift und weisen hohe Wirkungsgrade auf (über 90 %).

Elektrische Antriebsmaschinen.

Ähnliches gilt für den Einsatz von elektrischen Maschinen. War in den letzten Jahren ein Trend zur permanentmagneterregten Synchronmaschine (PSM) zu beobachten, so wird heute wieder den Asynchronmaschinen (ASM) oder den elektrisch erregten Synchronmaschinen mehr Bedeutung zugemessen. Dies deshalb, weil zwar bei PSM das Verhältnis von erzeugtem Drehmoment zu Motorvolumen die besten Werte aufweist, benötigen sie aber für die Herstellung der modernen Seltenerdenmagnete (Neodym-Eisen-Bor-, Samarium-Kobalt-Magnete) die eben angesprochenen Seltenen Erdenelemente Neodym und Samarium. Diese chemischen Elemente sind Ressourcen, die leider relativ rasch zur Neige gehen dürften und deren Lagerstätten vorwiegend in China liegen, in einem Land, das selbst erhöhten Bedarf an diesen Rohstoffen und ein hohes Wachstum auf diesem Sektor aufweist.

Bei ASM kommt praktisch nur die Kurzschlussläufermaschine zum Einsatz, bei der Kupfer für die Statorwicklung und meist Aluminium für die Rotorkurzschlußwicklung verwendet wird. Bei elektrisch erregten Synchronmaschinen kommt nur Kupfer für die Stator- und Rotorwicklung zum Einsatz. Weitere Synchronmaschinen stellen so genannte Reluktanzmaschinen dar. Diese besitzen einen unbewickelten Rotor, der relativ einfach ausgeführt werden kann, allerdings weisen diese Maschinen einen niedrigeren Wirkungsgrad auf.

Vorteilhaft bei modernen kleineren PSM (bis etwa 100kW) ist die Ausführung von Zahnspulenwicklungen. Bei diesen handelt es sich um Drehfeld-Wicklungen, die durch das Aufschieben von Spulen auf die Statorzähne entstehen, was einfach und billig ist.

Erhöhung der Reichweite.

Ist die mit heutigen Batteriesystemen erreichbare Fahrstrecke zu gering, besteht die Möglichkeit des Einsatzes von Hybridfahrzeugen. Auch dieses System ist nicht neu und wurde bereits von Lohner-Porsche um die Jahrhundertwende 1900 vorgestellt. Hiebei besitzt das Fahrzeug neben dem elektrischen Antriebsstrang einen Verbrennungsmotor, der die Fortbewegung des Fahrzeuges unterstützt. Hybridfahrzeuge sind bereits in vielen Varianten im Handel erhältlich.

Wie heute schon von einigen Elektromobilherstellern propagiert, kann ein so genannter Range-Extender vorgesehen werden. Bei diesem handelt es sich um einen kleinen Verbrennungsmotor verbunden mit einem Generator, dieser liefert die elektrische Energie für den Antrieb. Es ist klar, daß in diesem Falle wieder die üblichen Emissionen von Verbrennungsmotoren auftreten.

Vorteilhaft ist hier die Tatsache, daß dieser Range-Extender mit konstanter Drehzahl und Leistung betrieben werden kann und damit auch der spezifische Kraftstoffverbrauch und die Emissionen minimiert werden können. Benötigt der elektrische Antrieb eine kleinere Leistung als der Generator erzeugt, so wird die Überschußleistung in der Batterie gespeichert. (Abbildung 3).

Abbildung 3.  Range Extender (Serieller Hybridantrieb). Der Verbrennungsmotor treibt lediglich einen elektrischen Generator an, der die Elektromaschinen mit Strom versorgt oder die Traktionsakkus lädt. (Quelle: Wikipedia)

Einspurige Elektrostraßenfahrzeuge.

Für den individuellen elektrischen Nahverkehr stehen auch die verschiedenen Typen von einspurigen Elektrostraßenfahrzeugen zur Verfügung. Mit steigender Antriebsleistung sind dies E-Fahrräder, Pedelecs, E-Scooter, E-Roller und E-Motorräader. Pedelecs (Pedal Electric Cycle) sind besondere Elektrofahrräder, bei denen der Elektromotor aufgrund von Kraftsensoren bei Betätigen der Tretkurbel mit unterschiedlicher Leistung zugeschaltet wird. Damit erreicht man eine für den/die AnwenderIn leichtere Fortbewegungsmöglichkeit.

Das Laden der Batteriesysteme stellt bei den Fahrzeugen mit kleiner Leistung kaum größere Probleme dar, da deren Energiespeicher meist abnehmbar und damit an jeder Steckdose aufladbar sind.

Für die verkehrstechnischen Bestimmungen (Mindestpersonenalter, Höchstgeschwindigkeit, Führerscheinpflicht etc.) sind die Straßenverkehrsordnungen der einzelnen Länder zuständig.
Eine Sonderform eines zweirädrigen Fortbewegungsmittels stellt der so genannte Segway-Personentransporter (nach der US-Erzeugerfirma benannt) dar. Bei diesem sind zwei elektromotorgetriebene Räder auf gemeinsamer Achse für die Fortbewegung des Fahrzeuges verantwortlich. Der/die FahrerIn selbst steht zwischen den Rädern auf einem Trittbrett und steuert das Fahrzeug über eine Lenkstange. FahrerIn und Fahrzeug bilden ein "inverses Pendel"(ein starres Pendel mit unten angeordnetem Drehpunkt stellt ein instabiles System dar), das durch entsprechende Regelsysteme bei jeder Fahrbewegung im Gleichgewicht gehalten wird. Dieses Fahrzeug ist eher für sportliche Personen geeignet.


Glossar

Energiespeicher - Begriffe

Energiespeicher: energietechnische Einrichtung, deren Energieinhalt durch Zufuhr von Energie bzw. eines Energieträgers steigt (Ladevorgang, Ladung), dann diesen Energieinhalt möglichst verlustfrei über eine bestimmte, vorgebbare Zeit speichert und bei Bedarf Energie bzw. den Energieträger wieder kontrolliert abgibt, wobei der Energieinhalt abnimmt (Entladevorgang).

Kenngrößen:

Energiemenge: Nutzbarer Energieinhalt [Wh]

Energiedichte: Nutzbare Energiemenge je Massen – oder Volumseinheit [Wh/kg oder Wh/m3]

Leistungsdichte: Nutzbare Leistung je Massen – oder Volumseinheit [W/kg oder W/m3]

Lade-/Entladezeit: Zeitdauer zur Voll/Entladung mit Nennleistung [s, min, h]

Speicherdauer: Zeitdauer während der der vollgeladene Speicher die Energie ohne nennenswerte Verluste speichert [s, min, h, d]

Lebensdauer: kalendarische oder durch Anzahl von Arbeitszyklen (1 Arbeitszyklus =  Laden – Speichern – Entladen)

 

Anmerkungen der Redaktion

Der Autor

Erich Rummich wird hier vorgestellt