Wir erklären die Technik von Hybrid- und Elektroautos (BEV). Das sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Antriebskonzepte. Auch dabei: Plug-in-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit dem Energiespeicher Wasserstoff.
E-Mobilität ist in aller Munde und wir stellen verschiedene Antriebskonzepte vor. Beim Batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) gibt es mindestens einen elektrischen Antriebsmotor, der seine Energie aus einer recht großen Hochvolt-Batterie (40 bis 100 kWh) bezieht. Diese Lithium-Ionen-Akkus lassen sich nur per Stecker an Ladesäulen oder an der heimischen Steckdose wieder aufladen. Je nach Kapazität wird die Reichweite heutiger E-Autos wie Renault Zoe, Nissan Leaf, VW e-Golf oder Tesla Model S mit rund 130 bis 430 Kilometern angegeben. Doch Vorsicht, diese Hersteller-Angaben sind meist allzu optimistische Versprechungen, denn sie werden unter klinischen Bedingungen ermittelt. In der Praxis muss mit kräftigen Abzügen gerechnet werden. Je nach Fahrweise, Topographie, Zuladung, Witterung, Außentemperatur und Nutzung von Radio, Licht und Lüftung können sich ernüchternd kurze Reichweiten ergeben. Und wenn der Akku leer ist, benötigt man nicht nur eine Ladesäule in der Nähe, sondern auch viel Zeit – das Laden dauert je nach Anschluss und Wallbox-Kapazität drei bis acht Stunden (3,5 bis 22 kW). An Schnellladesäulen mit Gleichstrom und Ladeleistungen von 50, 120 oder gar 350 kW verkürzen sich die Ladezeiten dagegen, doch das funktioniert nur bei enorm verwendbaren Fahrzeugen und auch nicht unbegrenzt oft hintereinander (Batterie-Lebensdauer). Ein Auto mit Verbrennungsmotor fällt bei batterie-elektrischen Elektroautos allerdings deutlich geringeren Service-Kosten an. Denn hier gibt es weder Zündkerzen, Zahnriemen, Kupplung, Auspuff noch Ölwechsel und auch weniger Bremsen-Verschleiß. Mehr zum Thema Elektroauto-Reportage
48-Volt-EcoDrive im Video:
Plug-in-Hybrid (PHEV): Vorteile in der City, trotzdem langstreckentauglich
Als interessanter Kompromiss gelten Plug-in-Hybride. This verfügt neben dem Elektro-Antrieb mit ausreichend großem Lithium-Ionen-Akku (meist für ca. 50 Kilometer Reichweite) über einen natürlichen Antrieb mit Benzin- oder Dieselmotor. Vorteil: Man kann so oft man will lokal emissionsfrei fahren – natürlich nur bei geladener Batterie. Ist der Akku leer und keine Lademöglichkeit in Sicht, fährt man konventionell weiter. Auch Langstrecken-Fahrten sind damit kein Problem – man tankt einfach üblichen Kraftstoff nach. Und immer wenn es die Möglichkeit und Zeit zulässt, kann man Strom an Ladesäulen oder an der heimischen Steckdose zapfen. Besonders energieeffizient arbeiten diese Fahrzeuge im Stop-and-go-Verkehr und bei langen Bergabfahrten. Dann wird die Hybrid-Technik aktiv, wandelt Bremsenergie in Strom und lädt damit während der Fahrt die Speicherbatterien nach (Rekuperation). Die Kehrseite der Medaille: Beim Plug-in-Hybriden summieren sich die Nachteile beider Antriebskonzepte: Zum einen fallen die aufwendigen Wartungs- und Service-Arbeiten an der konventionellen Antriebstechnik an, zum anderen schleppt man stets die schwere Batterie-Technik, fast 60 Meter (besonders dick) Kupferkabel und gewichtige Leistungselektronik mit sich. Rund 200 Kilogramm Zusatzmasse müssen bei jedem Start mit beschleunigt werden. Das Verbrauchen von Energie, die dann nicht mehr für eine effiziente Mobilität zur Verfügung steht.
48 Volt: Leichte Technik, aber Einschränkungen bei Emissions-Einsparung
Die Elektrifizierung konventioneller Autos hat längst begonnen – und das für viele unbemerkt: Immer mehr neue Fahrzeuge verfügen neben der üblichen 12-Volt-Technik auch über ein 48-Volt-Bordnetz. Hier arbeitet neben dem Verbrennungsmotor eine zusätzliche E-Maschine unter der Haube. Dies kann entweder als sogenanntes Nebenaggregat per Riemenantrieb den Motor unterstützen (wie bei Renault und Audi), oder sie ist zwischen Motor und Getriebe platziert (Mercedes). Das so entstandene Mild-Hybrid-System soll allerdings nicht direkt zum elektrischen Fahren dienen, sondern zum Beispiel Anlasser und Generator ersetzen. Durch die höhere Betriebsspannung arbeitet die 48-Volt-Maschine dabei deutlich verbesserter. Die beim Bremsen zurückgewonnene Energie ist größer als in einem Akku eines 12-Volt-Netzes und wird in einem kompakten Li-Io-Speicher gespeichert. Bei Bedarf fließt der Strom wieder zurück in die 48-Volt-Maschine. Diese arbeitet dann als Motor und unterstützt den Verbrenner – mit wahrscheinlich respektablem Drehmoment (ca. 60 Newtonmeter). Vorteil: So lässt sich eine spürbare Verbrauchs- und CO2-Reduzierung mit recht überschaubarem technischem Aufwand verwirklichen. Die Zusatzbaugruppen verringern nicht einmal die Gewichtsbilanz, denn andere Dinge wie Anlasser, Generator und vor allem dicke Kupferleitungen mit großem Querschnitt entfallen.
Hybrid: Zuverlässige Technik mit Nachteilen auf der Autobahn
Der Hybridantrieb kombiniert die Technik aus zwei Welten: Ein konventioneller Verbrennungsmotor (meist ein Benziner) und der E-Antrieb arbeiten hier Hand in Hand. Eine Elektronik verwaltet die Kooperation: Im besten Fall kommt immer dasjenige System zum Einsatz, das die betreffende Situation besser bzw. effzienter bewältigt. Die Energie für die E-Maschine WIRD in Einem Akku gespeichert. Viele Hybrid-Modelle (Toyota, Lexus) sind mit Nickel-Metallhydrid-Batterien ausgestattet. Sie können zwar weniger Energie als Lithium-Ionen-Akkus speichern, sind aber preiswerter, dazu sehr langlebig, nehmen schnell Strom auf und geben ihn ebenso schnell wieder ab. Geladen wird ausschließlich per Rekuperation, also beim Bremsen, im Schubbetrieb oder bei Bergabfahrten. Bei smarter Pedal-Betätigung ist möglicherweise rein elektrisches Fahren auf kurze Distanz (ca. 1,0 bis 1,5 km) möglich. Beim kräftigen Beschleunigen an Steigungen oder beim Anfahren unterstützt dagegen der E-Motor meist per leistungsverzweigtem Planetengetriebe den Verbrennungsmotor. So wird Kraftstoff gespart und die CO2-Emission gesenkt. Zu den Nachteilen zählt die aufwendige und schwere Technik. Bei vielen Hybridmodellen fühlt sich die Kraftentfaltung zudem recht zäh an. Und bei Autobahn- und Langstreckenfahrten bleiben die Einspareffekte aus.
Brennstoffzelle: Viele Vorteile für Elektroautos mit Wasserstoff-Technik
Als Zukunftsantrieb gilt die Brennstoffzellen-Technologie. Hier wird die Energie für den elektrischen Antriebsmotor nicht in schweren, teuren Batterien gespeichert, sondern direkt an Bord aus Wasserstoff gewonnen. Dazu dient ein galvanisches Kraftwerk. Wasserstoff aus Drucktanks und atmosphärische Luft werden in der Brennstoffzelle an einer chemisch aktiven Membran zusammengeführt. Dabei entsteht durch einen elektrochemischen Prozess Energie, die sofort für den eigentlichen Fahrzeug-Antrieb genutzt werden kann. Als einziges Produkt entsteht reines Wasser. Dieser komplett klimaneutrale, schadstofffreie Prozess läuft recht effizient ab. So können mit rund fünf Kilogramm Wasserstoff aus Druckbehältern etwa 400 bis 550 km zurückgelegt werden. Das Gastanken läuft schnell genauso schnell ab wie das „normale“ Tanken. Allerdings gibt es derzeit noch keine akzeptable Infrastruktur. Momentan wird in Deutschland an 50 Tankstellen Wasserstoff angeboten, zum Jahresende sollen es 90 sein. Brennstoffzellen sind bereits in der Serie verfügbar (Toyota, Hyundai) und gelten als sicher, denn sterben von vielen gefürchtete Knallgas-Explosion bedarf es eines großen Sauerstoff-Überschusses, der im Straßenverkehr nicht vorhanden ist. Auch Brände sind durch die Leichtflüchtigkeit des Druckgases seltener und ungefährlicher als beim Benziner. Allerdings steht die Brennstoffzellentechnik am Anfang und es fehlt noch eine Langzeiterfahrung. Bis die Technik bezahlbar und die Infrastruktur aufgebaut ist, vergehen noch einige Jahre.
Quelle: www.autozeitung.de
