Elektro- und Hybridmotoren summen Zukunftsmusik
Elektroautos sollen die deutsche Verkehrswende möglich machen. Was genau verbirgt sich hinter der Technologie und was sind die Vor- bzw. Nachteile von E-Autos? Diese Woche in unserer Themenreihe: Elektro- und Hybridmotoren.
Unsere Themenreihe “Alternative Antriebe”:
1. Alternative Antriebe – Wege in die Zukunft der Mobilität
2. Elektro- und Hybridmotoren summen die Zukunftsmusik
3. Zukunft voller Abgase? Nicht mit Erd- und Autogas
4. Hightech-Antrieb Brennstoffzelle
5. Alternativ Fahren – aber wie? Unser Fazit
Die E-Autos, die uns elektrisieren
Wie bereits im ersten Beitrag unserer Reihe ‘Alternative Antriebe’ beschrieben, gilt der Elektromotor als Paradebeispiel der Alternativen zu klassischen Verbrennungsmotoren. Insbesondere in den letzten Jahren wurde von politischer Seite mit monetären Anreizen dafür gesorgt, dass sich Elektromotoren momentan außerordentlicher Beliebtheit erfreuen, in den Medien sowie in gesellschaftlichen Diskussionen.
Hybridmotoren, vor allem Plug-in-Hybride, haben sich in den letzten Jahren ausgesprochen gut durchgesetzt und erhalten großen Zuspruch, da sie Nachteile reiner Elektromotoren, insbesondere die der geringen Reichweiten, mit dem kombinierten Antrieb aus Elektro und Verbrenner umgehen.
Eine Million Elektrofahrzeuge bis 2020?
Die Idee zum ersten Elektromotor ist bereits älter als der Verbrennungsmotor. Um das Jahr 1900 gab es weitaus mehr batteriebetriebene Fahrzeuge als die uns bekannten Verbrennungsmotoren. Diese wurden dann jedoch mit der Entwicklung des elektrischen Anlassers vom Markt verdrängt. Jetzt erleben wir eine Trendwende: Elektroautos gelten als sauberer, sparsamer und leiser als die konventionellen Motoren.
Die Bundesregierung hatte sich das ehrgeizige Ziel gesetzt, über den Anstoß einer Markthochlaufphase von 2015 – 2017 den Massenmarkt für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle, EV) einzuleiten und bis zum Jahre 2020 eine Millionen EVs auf die deutschen Straßen zu bringen.
Nach Betrachtung heutiger Zahlen, ist das Ziel von einer Million Fahrzeuge bis 2020 nicht erreicht wurden. Trotz des Verfehlens dieses Maßstabs ist positiv anzumerken, dass die Zahl der E-Fahrzeuge stark anstieg und bis heute auf immer mehr Interesse stößt.
Dass die Transformation der Mobilität hin zur E-Mobilität nichtsdestotrotz stockt, hat verschiedene Gründe. Diese basieren größtenteils auf technischen Aspekten bzw. Unzulänglichkeiten, die Unsicherheiten bei potenziellen Käufer*innen schüren.
EVs sind essentiell diejenigen Fahrzeuge, die von einem Elektromotor angetrieben werden. Dieser Motor bezieht seine Energie überwiegend aus einer Batterie, die wiederum ihren Strom aus dem Stromnetz bezieht, d.h. die Batterie wird extern aufgeladen. Reine Elektrofahrzeuge sind ausschließlich mit einem Elektromotor ausgestattet. Die Batterie kann zusätzlich die Bremsenergie zur Aufladung durch das Verfahren der Rekuperation nutzen. Die „Rekuperation“ beschreibt hierbei das technische Verfahren zur Rückgewinnung von Energie: Dabei wird die kinetische Energie wie bei einem Dynamo am Fahrrad, in elektrische umgewandelt. Einfach gesagt: Jedes Mal, wenn man bremst oder den Fuß vom Gaspedal nimmt, wandelt das regenerative Bremssystem die freigesetzte Bremsenergie in elektrische Energie um und lädt so die Batterie auf
Die Batterien der Elektroautos sind überwiegend wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkumulatoren: eine elektrochemische Spannungsquelle auf der Basis von Lithium. Li-Ionen-Akkus finden aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte in der Elektromobilität verbreitet Anwendung. Die Akkumulatoren vertragen eine Vielzahl an Ladezyklen und weisen daher eine hohe Lebensdauer auf.
Probleme bei der Reichweite und hohe Preise
Die größten Nachteile, die der Automobilbranche derzeit Schwierigkeiten bereiten, sind zum einen die hohen Kosten der Batterien sowie deren hohes Gewicht und geringe Ladekapazitäten, welche sich wiederum auf die Reichweiten auswirken.
Die Kosten für eine Batterie werden durch den Preis pro Kilowattstunde kWh errechnet. Batterien des heutigen Standes weisen einen Preis von 300 – 500€/kWh auf, was bei einem 60-kWh-Akku, bestehend aus mehreren Batteriemodulen, einen Gesamtpreis von 18.000€ – 30.000€ bedeutet.
Das Gewicht der Batterien wird durch die Energiedichte bestimmt: diese definiert sich durch das Verhältnis von Speichervermögen der Energiemenge zur Masse in Kilogramm. Die durchschnittliche Energiedichte von Elektroautos des heutigen Standes beträgt ca. 100 – 150Wh pro Kilogramm, was lediglich ca. einem Prozent der Energiedichte von konventionellen Verbrennungsmotoren entspricht. So ergeben sich trotz hohen Gewichts bei EV-Batterien nur geringe Reichweiten.
Des Weiteren ist für die Reichweite der Elektroautos die Batterie- bzw. Ladekapazität ausschlaggebend. Diese ist zum heutigen Zeitpunkt relativ gering; sie liegt durchschnittlich bei 15-30 kWh. Das Ziel ist, bis 2020 Batterien zu entwickeln, die eine doppelte Kapazität (50kWh) bei 75% geringerem Gewicht aufweisen. Diese würden dann eine Reichweite von etwa 400km (bei optimalen Bedingungen) erreichen. Derzeit rangieren die durchschnittlichen, tatsächlichen Reichweiten von Elektroautos im Durchschnitt bei 300 bis 350km. Autohäuser geben immer optimale Labor-Reichweiten an, die im eigentlichen Betrieb auf der Straße so gut gar nicht erreicht werden können aufgrund verschiedenster Faktoren, wie beispielsweise Fahrstil oder eingeschaltete Stromverbraucher (=Klimaanlage).
Trotzdem können mit dieser Durchschnittsreichweite nach mehreren Studien ca. 80% der täglichen Fahrleistungen rein elektrisch angetrieben und ohne Zwischenladung zurückgelegt werden. Die jedoch vergleichsweise geringen Reichweiten schrecken Autofahrer*innen weiterhin ab, sich ein EV zuzulegen: Viele schätzen letztendlich die Freiheit, jederzeit und ohne Kompromisse auch längere Distanzen mit ihrem Fahrzeug zurücklegen zu können.
Vorteile von Elektroautos
Nachteile von Elektroautos
Mit der Reichweite eines durchschnittlichen Elektroautos können ca. 80% der täglichen Fahrleistungen rein elektrisch angetrieben und ohne Zwischenladung zurückgelegt werden.
Hybridmotoren auf dem Vormarsch
Das Hybridauto leitet seinen Namen von seiner Kombination zweier Antriebe in einem Fahrzeug ab. Ein Verbrennungs- und ein Elektromotor sorgen für den Antrieb. Die jeweiligen Vor- und Nachteile der anderen Antriebsart sollen durch deren Kombination kompensiert werden. Auf der Kurzstrecke, beispielsweise im urbanen Verkehr, kommt der Elektroantrieb zum Einsatz aufgrund seiner Sparsamkeit und Sauberkeit sowie geringen Lärmbelästigung. Auf Langstrecken wird dann auf Benzinantrieb gewechselt. Eine neue beliebte Entwicklungsstufe der Antriebsalternative ist der Plug-in-Hybrid, bei dem die Batterien extern über die Steckdose aufgeladen werden können. Mittlerweile kann der Akkumulator außerdem vom Verbrennungsmotor aufgeladen werden.
Sind Plug-in-Hybride eine Alternative?
Rund 470.000 E- und 362.000 Hybrid-Fahrzeuge mit den zwei Antrieben konnten 2022 zugelassen werden.
Ein Auto mit Vollhybridantrieb fährt sich wie jedes andere konventionell angetriebene Fahrzeug mit Automatikgetriebe. Nach dem Start erfolgt die ausgesprochen zügige Beschleunigung mit Hilfe des hohen Drehmoments des Elektroantriebes, mittlerweile oft auch ausschließlich elektrisch. Bei höheren Geschwindigkeiten oder höherem Leistungsabruf wird der Verbrennungsmotor vom Hybridsystem automatisch dazugeschaltet. Der Elektromotor unterstützt weiterhin parallel den Antrieb. So lassen sich die Hybride im Bedarfsfall auch sportlich fahren.
Die Energie für den Elektromotor stammt aus der Hybridbatterie, die gewöhnlich eine Kapazität von ca. 4 – 8 kWh aufweist. Sie ist, wie beim reinen Elektroauto, ein Lithium-Ionen-Akkumulator, der sich über eine hohe Anzahl an Ladezyklen auszeichnet. Sie kann zusätzlich zum Laden an der Steckdose während der Fahrt ebenfalls automatisch über die Rekuperation aufgeladen werden.
Plug-in-Hybride gelten häufig als technisch aufwendige Brückentechnologie in die Zukunft der E-Mobilität. Sie sind umstritten, da sie den konventionellen Antrieb um einen zwar starken Elektromotor, aber eine lediglich mittlere Batterie ergänzen. Kritische Stimmen erwähnen, dass sie lediglich Mehrkosten und rund 200 Kilogramm zusätzliches Gewicht addierten, der resultierende Mehrwert jedoch zu gering ausfalle.
Vorteile von Hybridmotoren
Nachteile von Hybridmotoren
Großbaustelle Verkehrswende
Bisher sind Plug-in-Hybride und reine Elektrofahrzeuge eine eher teure Alternative zu konventionellen Antrieben und aufgrund komplexer Herstellung und nicht vollständig ausgereifter Batterietechnologien noch nicht ausreichend beliebt. Zusätzlich gelten sie zwar lokal als THG-neutral, sind jedoch meist durch Kohlestrom betrieben und außerdem vorbelastet durch ressourcenaufwendige und eine in Sachen Nachhaltigkeit fragliche Herstellung.
Jedoch sind sie ein wichtiger Schritt in eine THG-freie Mobilitätszukunft, der konsequent weiterentwickelt werden sollte. Reichweitenprobleme und das Thema umweltverträglicherer Energie für Batterien müssen schnellstmöglich adressiert werden und auch die Herstellung gilt es umweltfreundlicher, sowie insbesondere sozialverträglicher und ethisch vertretbar zu gestalten.
Des Weiteren muss die Deutsche Infrastruktur angepasst werden, sprich Strombeförderung von Orten mit hohem Anteil regenerativer Energiequellen (Stichwort: Windenergie) zu Orten der Nachfrage, Ladestellennetze bundesweit, also auch Speichermöglichkeiten für regenerativ erzeugten Strom müssen weiter vorangetrieben werden.
All dies sind Baustellen, die wohl noch einige Zeit in Anspruch nehmen, sodass sich die Markthochlaufphase für diese Autos aller Voraussicht nach in die Länge ziehen wird. Bis dahin gilt es, andere Möglichkeiten zu finden, die in ihrem Verbrauch sowie in ihren THG-Emissionswerten wesentlich unter denen der konventionellen Antriebe Diesel und Benzin liegen.
Nähere Zukunftsaussichten
Im nächsten Blogartikel unserer Reihe “Alternative Antriebe” wird es sich um die Antriebe Autogas (=LPG) und Erdgas (=CNG) drehen und welche Vor- bzw. Nachteile diese Alternativen mit sich bringen.
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