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  • Publizist und Freier Dozent, von Hause aus Ingenieur sowie gelernter Mechaniker und gelernter Maurer, Querdenker, Naturfreund und -nutzer, technisch interessiert aber auch technikkritisch, glaube nicht alles was mir erzählt wird.
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Andreas Quiring  

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Biohof-Gemeinschaft Baum des Lebens

6. Februar 2009 5 06 /02 /Februar /2009 19:19

Wie die künstliche Intelligenz und das automatisch fahrende Auto gehört das alltagstaugliche Elektroauto zu den technischen Errungenschaften, die schon seit Jahrzehnten „demnächst kommen“. Glücklicherweise kann man elektrischen Strom aus praktisch allen Energiequellen gewinnen und daher mit seiner Hilfe auch die erneuerbaren Energieträger problemlos nutzbar machen, so dass der Gedanke eines elektrischen Autos gerade heutzutage sehr nahe liegt.

Elektroautos gibt es eigentlich schon lange: Oma Ducks Elektroauto oder zumindest ein ähnliches Modell von der Detroit Motor Company (Bild: Claus Ableiter, lizensiert nach GNU FDL)

Vorteile des Elektroantriebs 

 In der Tat passen die mechanischen Eigenschaften von Elektromotoren gut zu den Anforderungen eines Fahrzeugantriebes: Sie können unter Last anlaufen und auch bei niedrigen Drehzahlen bereits ein hohes Drehmoment erzeugen. Verbrennungsmotoren können beides nicht und daher benötigt ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mindestens eine Kupplung und für höhere Geschwindigkeiten darüber hinaus ein Getriebe mit veränderbarem Übersetzungsverhältnis.

 Wo bei hohen Leistungen und/oder schnellen Lastwechseln Zahnradgetriebe an ihre Grenzen kommen, hat man, bevor es hydraulische Getriebe und Drehmomentwandler gab, daher schon sehr früh die Elektrizität als Mittel benutzt, die Leistung eines Verbrennungsmotors zu den Antriebsrädern eines Fahrzeuges zu übertragen. Dieselelektrische Lokomotiven wurden durch die später entwickelten Hydrogetriebe, vor allem von dem schwäbischen Maschinenbau-Unternehmen Voith in Heidenheim/Brz., zwar zu einem großen Teil, jedoch bei weitem nicht vollständig verdrängt.

 Zum Beispiel sind bei der AKN Eisenbahn AG, die Hamburg mit den ländlichen Gebieten in seinem Norden verbindet, auch heute noch dieselelektrische Triebwagen im Einsatz. Im Verbundverkehr mit der Hamburger S-Bahn werden Fahrzeuge benutzt, die auf dem Netz der S-Bahn den für die Fahrmotoren notwendigen Strom aus dessen Fahrleitungen entnehmen und ihn auf den nicht elektrifizierten AKN-eigenen Strecken auf dem Land mit Hilfe von Dieselmotoren und Generatoren selbst erzeugen. Innerhalb der Stadt werden so Lärm und Abgase vermieden ohne dass man die ländlichen Strecken elektrifizieren musste.

 Ein weiterer Vorteil des Elektroantriebs besteht darin, dass man die beim Bremsen anfallende Energie nicht nutzlos vollständig in Wärme umwandeln und so quasi „vernichten“ muss, sondern aus ihr wieder elektrische Energie für den Antrieb gewinnen kann. Vor allem bei Bergbahnen lohnt sich eine entsprechende Ausrüstung; hier können zwei bis drei talfahrende Züge den kompletten Strom für einen bergfahrenden erzeugen.

 

Nachteile des Elektroantriebs

 Wer als Kind eifrig Micky-Maus-Hefte gelesen hat, erinnert sich vielleicht an das Auto von Onkel Dagoberts Schwester Dorette, besser bekannt als Oma Duck. Wer genau aufgepasst hat, weiß vielleicht auch noch, dass es sich dabei um ein Elektroauto handelte. Dieses Elektroauto war keineswegs eine futuristische Erfindung Daniel Düsentriebs, sondern gehörte durchaus zum Ambiente des ländlichen Amerikas der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, welches liebevoll und detailgetreu gezeichnet die Kulisse der Geschichten um Oma Duck bildet. 

Der Tesla Roadster, das derzeit wohl modernste Elektroauto (Bildquelle: fogcat5, lizensiert nach CCL)

 Auch beim Auto experimentierte man nämlich bereits sehr früh mit dem Elektroantrieb und gerade auch in den USA hatten Elektroautos längere Zeit eine gewisse Verbreitung. Antriebstechnisch ist ein Elektroauto kein großes Problem. Es gab bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts elektrische Postautos, Droschken, Lieferwagen und sogar PKW. Das Problem liegt nicht in der technischen Machbarkeit des eigentlichen Antriebs, sondern in der Energieversorgung. Schienenfahrzeugen sind sowieso an ihre Schienen gebunden; daher entsteht durch die Fahrleitung für elektrische Triebfahrzeuge keine weitere Einschränkung der Beweglichkeit. Anders bei Straßenfahrzeugen: Oberleitungs- oder Trolley-Busse sind zwar eigentlich genauso lenkbar wie andere Straßenfahrzeuge, können aber den Bereich ihrer Fahrleitungen dennoch nicht verlassen.

 Außerdem ist hier die Konstruktion der Stromabnehmer und der Fahrleitung wesentlich aufwendiger: Ein Eisenbahnfahrzeug benötigt nur einen Fahrdraht, da die zweite Leitung durch die Schienen ersetzt wird und es nimmt auch immer in etwa die selbe Lage zum Fahrdraht ein. Ein Straßenfahrzeug hingegen benötigt zwei Fahrdrähte und eine aufwendige Führung der Stromabnehmer, weil man es nicht so genau unter dem Fahrdraht her lenken kann, wie die Schienen ein Schienenfahrzeug führen und im Straßenverkehr auch des öfteren kleinere Ausweichmanöver notwendig werden.

 Für Straßenfahrzeuge, vor allem für den Individualverkehr braucht man daher eine Stromversorgung, welche ohne Fahrleitung auskommt, nämlich eine mit Akkumulatoren. Diese sind notwendigerweise aber schwer, weil ihre Kapazität an die Masse gebunden ist. In einem Kilogramm Akkumulator kann man ganz einfach weniger Energie unterbringen als in einem Kilogramm Benzin enthalten ist. Ein Elektrofahrzeug schleppt daher außer seiner Nutzlast immer auch eine erhebliche Menge „totes Gewicht“ in Form seiner Batterie mit, was sich wiederum natürlich auch auf seinen Energiebedarf auswirkt. Abhilfe scheinen hier in Zukunft möglicherweise die neuartigen Lithium-Ionen-Akkus zu schaffen, die bei gleichem Gewicht wesentlich mehr elektrische Energie speichern können als herkömmliche Batterien. 

Dieselelektrischer Triebwagen der AKN (Bild: M. Bienick, lizenziert nach CCL

 Ein weiteres Hindernis sind die langen Ladezeiten von Akkumulatoren. Wenn der Tank eines Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor leer gefahren ist, kann man ihn in wenigen Minuten an der Tankstelle wieder auffüllen, das Laden eines Akkus dauert Stunden. Wer schon einmal eine neue Autobatterie gekauft hat, weiß auch, dass Akkumulatoren eine teure Sache sind. Besonders stark würden sich die hohen Anschaffungskosten der Batterien auswirken, wenn man, wie das schon vorgeschlagen würde, die Akkus nicht im Fahrzeug laden, sondern an den Ladestationen einfach austauschen würde. In diesem Falle müsste dann pro Fahrzeug nicht nur mehr als ein Akku vorhanden sein, sondern auch ein genormtes System aus Akkumulatoren, Aufnahmen dafür im Fahrzeug und Vorrichtungen zum Wechseln geschaffen werden

 

Wo Akkumulatoren gut funktionieren

Trotz der genannten Nachteile gibt es einige Anwendungsgebiete, auf denen Akkumulatoren bereits durchaus eingesetzt werden können. Es gab bei der Eisenbahn jahrzehntelang Akkumulator-Triebwagen, die sich gut bewährten. Da die Reibung zwischen Eisenbahnrad und Schiene wesentlich geringer ist als die zwischen Gummireifen und Straße, benötigen Eisenbahnfahrzeuge sehr viel weniger Energie als Straßenfahrzeuge.

 Aus diesem Grund kann bei gleichen Fahrleistungen und gleicher Reichweite der Akkumulator eines Schienenfahrzeugs wesentlich kleiner und leichter ausfallen als der eines vergleichbaren Straßenfahrzeuges. Dadurch verbessert sich das Verhältnis zwischen Fahrzeugmasse und Nutzlast, so dass das tote Gewicht durch den Akku eher verschmerzt werden kann. Außerdem ist das Laden der Akkus bei einem fahrplanmäßigen Betrieb planbar, so dass die Einsatzfähigkeit nicht unter den langen Ladezeiten leiden muss.

 Auch bei Flurförderzeugen lässt sich der Elektroantrieb mit Akku gut einsetzen. Auch hier sind die Fahr- und Ladezeiten anhand der Arbeitszeiten im Betrieb gut planbar. Bei Gabelstaplern und Schleppern stellt das hohe Gewicht der Akkus zudem keinen Nachteil, sondern einen Vorteil dar, da diese aus technischen Gründen nicht nur schwer sein dürfen sondern schwer sein müssen. Das gilt auch für Akku-Lokomotiven, die man früher auf kleinen Werksbahnen einsetzte und auch heute noch im Bergbau verwendet.

 

Ist Wasserstoff die Lösung?

 Aufgrund der beschriebenen Unzulänglichkeiten der derzeit technisch möglichen Akkumulatoren gibt es auch nach weit mehr als einem Jahrhundert des Experimentierens kein Elektroauto, welches den herkömmlichen PKW mit Benzin-, Diesel- oder auch Gasmotor vollwertig ersetzen kann. Eine Möglichkeit, Fahrzeuge mit elektrischen Strom zu betreiben und dabei auf den unhandlichen Akku verzichten zu können, könnte der Einsatz von Wasserstoff zum Speichern elektrischer Energie sein. 

Brennstoffzelle im Laborversuch (Bildquelle: NASA)

 Wasserstoff ist ein brennbares Gas und kann daher, wie z.B. auch Methan (Erd- und Biogas), Kohlenmonoxid (Stadtgas) oder Ethin (Azetylen), als Brennstoff verwendet werden. Der Einsatz von Gasen als Treibstoff für Verbrennungsmotoren ist eine Sache, die schon lange einwandfrei funktioniert und so könnte man daher prinzipiell auch Autos mit Gasmotoren ausrüsten, die mit Wasserstoff betrieben werden.

 Eine andere Möglichkeit, Wasserstoff zum Antrieb von Fahrzeugen zu nutzen, ist die so genannte Brennstoffzelle. Bei dieser Technik werden Wasserstoff und Sauerstoff derartig zu Wasser verbunden, dass dabei, anders als bei der Verbrennung von Knallgas, nicht Wärme, sondern elektrische Energie entsteht, die dann für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs sorgt.

 

Ein einfaches Prinzip

Aber woher bekommt man den Wasserstoff? Das Prinzip ist im Grunde einfach: Jeder kennt Knallgas, eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff, die bei der geringsten Funkenbildung explosionsartig zu Wasser verbrennt. Umgekehrt kann man Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten und zwar unter anderem mit Hilfe von elektrischem Strom. Der so mit Hilfe von elektrischer Energie erzeugte Wasserstoff (und, falls man zur Verbrennung nicht Luftsauerstoff einsetzen will, auch den zugehörigen Sauerstoff) könnte in Fahrzeugen in Tanks mitgeführt werden und zum Antrieb eines Verbrennungsmotors dienen. Bei der Oxydation des Wasserstoffs zu Wasser wird nämlich rechnerisch genau die Energie wieder frei, die hineingesteckt wurde, als man ihn vom Wasser getrennt hat.

 

Der Wirkungsgrad

 In der Praxis bekommt man nun nicht die ganze zur Spaltung des Wassers aufgewendete Energie wieder zurück, weil bei der Elektrolyse Verluste in Form von Abwärme entstehen. Das ist aber bei allen Energieübertragungen und -umwandlungen der Fall, ganz egal ob es sich um chemische, elektrische oder mechanische Energie handelt, um Verbrennungsmotoren, elektrische Leitungen, Transformatoren, Zahnradgetriebe, ketten- oder Riementriebe oder was auch immer: stets bekommt man weniger Energie heraus als man hineinsteckt weil es Verluste, vor allem in Form von Wärme, gibt. 

In der Natur werden unglaubliche Energiemengen umgesetzt. Die Elektrizität von Blitzen wird man wohl kaum jemals nutzen können, dafür aber die nicht weniger gewaltigen und nie versiegenden Energien von Sonne und Wind (Bild: Andre Karwath, lizensiert nach CCL)

 Das Verhältnis zwischen der hinein gesteckten und der heraus bekommenen Energie oder Leistung bezeichnet man als Wirkungsgrad und drückt ihn in Prozenten oder einer Zahl zwischen 0 und 1 aus. Daraus ergibt sich rechnerisch etwas, was auch dem gesunden Menschenverstand einleuchtet: Je öfter bzw. weiter wir Energie auf dem Weg von der Quelle zum Verbraucher umwandeln und/oder übertragen müssen, um so weniger bleibt für die eigentliche Nutzung übrig.

 Aus diesem Grund wäre es zum Beispiel auch unsinnig, Strom aus Biogas zum Antrieb von Fahrzeugen zu verwenden: Die Wärmeverluste bei der Umwandlung der chemischen Energie des Biogases in mechanische Energie mit einem Gasmotor sind aufgrund thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten unvermeidlich. Will man nun mit der Energie aus dem Biogas ein Elektroauto betreiben, kommen die Verluste im Generator, beim Laden und Entladen des Akkus, sowie beim Antriebsmotor des Autos hinzu. Baut man dagegen den Gasmotor direkt in das Auto ein, treten lediglich lediglich dessen Wärmeverluste, sowie die des dann notwendigen Schaltgetriebes auf.

 Außerdem existieren bereits alltagstaugliche Autos für Biogasbetrieb: Biogas ist nämlich genau das gleiche wie Erdgas; daher können für den Erdgasbetrieb umgerüstete Autos ohne weiteres auch mit Biogas betrieben werden, genauso, wie die bereits vorhandene Betankungs-Technik für Erdgas auch mit Biogas funktioniert.

 

Der Haken dabei...

 Sehr populär war der Gedanke des Wasserstoffantriebs zu der Zeit, als man noch glaubte, mit Hilfe der Atomenergie elektrischen Strom in riesigen Mengen fast umsonst herstellen zu können. Allerdings wäre er auch eine Möglichkeit, indirekt Wasser-, aber vor allen Dingen auch Windenergie zum Antrieb von Fahrzeugen zu nutzen und ist daher nach wie vor aktuell. Auch zum Speichern von Strom aus Sonnen- oder Windenergie, welche ja nicht immer dann anfällt, wenn man sie braucht, wäre der Wasserstoff auf den ersten Blick gut geeignet.

 So bestechend die Idee auch klingt, Wasserstoff zum Speichern von elektrischer Energie zu verwenden, so ist sie dennoch derzeit noch nicht wirklich praktikabel. Das liegt an der unangenehmen Eigenschaft des Wasserstoffs, sich praktisch durch jedes Material einschließlich Stahl und Glas hindurch zu schleichen. Der Fachmann nennt diese Erscheinung Diffusion und erklärt sie mit der Tatsache, dass das Wasserstoff-Molekül so klein ist, dass es quasi durch das Gefüge selbst sehr dichter Werkstoffe gewissermaßen hindurchsickern kann. Daher wäre der Betrieb eines Fahrzeugs mit Wasserstofftantrieb eine im wahrsten Sinne des Wortes brandgefährliche Sache und das Wasserstoff-Automobil rückt in diejenige Zukunft, in der ein Weg gefunden wird, den Wasserstoff nicht nur zuverlässig sondern auch kostengünstig in einem Tank einzusperren.

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Kommentare

elektroauto 09/12/2011 17:53


Mittlerweile gibt es sehr Leistingsstarke Akkus für Elektroautos. Obwohl es immer noch das größte Problem ist.


Das Elektroauto 10/06/2010 16:16


Die Zukunft des Elektroautos steht und fällt mit der Weiterentwicklung der Speichermöglichkeiten. In den nächsten Jahren dürfte es eh nur einen Markt für Elektroautos in einigen Ballungszentren mit
der entsprechenden Infrastruktur geben...


Fokko 10/06/2010 17:03



So in etwa sieht es aus. Was Gewicht, Kosten, Ladegeschwindigkeit angeht, hat der Akku heutzutage gegen den einfachen Benzintank einfach noch keine Chance. Ob und wann sich da etwas ändern wird,
steht in den Sternen. Es ist halt einfach mal so, dass die Speicherung elektrischer Energie auf chemischem Wege an die Masse gebunden und eine gewisse Zeit für die chemischen Prozesse in einem
Akku erforderlich ist.



Car-HiFi Testberichte 07/11/2010 11:42


Die Kernkompetenz beim Autobau wird in Zukunft vermutlich nicht mehr beim Motor, sondern eher bei den Akkus liegen. Das könnte demnächst einige ganz neue Player auf den Automobilmarkt bringen und
die Branche ganz schön durcheinanderwirbeln.

Ich bin mal gespannt wie das weitergeht.


Elektroautos 04/02/2010 16:00


Klar, die Batterien sind das Nadelöhr. Deshalb sind bei größeren Autos Elektroantriebe mit Range Extender (kleiner Benzinmotor, der als Generator während der Fahrt die Batterie laden kann) bis auf
absehbare Zeit erste Wahl!


Elektrofahrrad 12/30/2009 23:56


Ich könnte mir gut vorstellen, dass die Elektromobilitäts-Revolution nicht von "oben" kommt, also von den Autokonzernen, sondern von "unten", also von neuen Elektroleichtfahrzeugen. Dort gibt es
nämlich schon ein paar ganz gute funktionierende Ansätze, wie z.B. Elektroroller, Elektrofahrräder und Pedelecs. Diese Konzepte entwicklen sich auch weiter, treiben die Akku-Technik vorran und
können irgendwann mal wachsen, also auf größere Fahrzeuge überspringen.

Ich denke schon, dass die elektrische Mobilität tatsächlich in den nächsten Jahren den Durchbruch schafft, nur würde ich mich hier nicht auf die trägen Autokonzerne verlassen wollen.


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