Antriebstechnologien von Automobilen. Bewertung konventioneller und alternativer Antriebe und Energiequellen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1. Einführung
1.2. Zielsetzung
1.3. Aufbau der Arbeit und methodisches Vorgehen

2 Antriebstechnologien
2.1. Ottomotor
2.1.1 Emissionen von Otto-Motoren
2.2. Dieselmotor
2.2.1 Emissionen von Diesel-Motoren
2.3. Elektromotor
2.3.1 Elektromotor mit einer Lithium-Ionen-Batterie
2.3.2 Elektromotor mit einer Brennstoffzelle
2.4. Hybrid
2.4.1 Micro-Hybrid
2.4.2 Mild-Hybrid
2.4.3 Voll-Hybrid
2.4.4 Plug-In-Hybrid

3 Kraftstoffe und Energiequellen
3.1. Erdölbasierte Kraftstoffe
3.1.1 Herstellung erdölbasierter Kraftstoffe – Autogas (LPG), Benzin, Diesel
3.1.2 Bepreisung der Kraftstoffe
3.2. Erdgas - CNG
3.3. Biokraftstoffe am Beispiel von Bioerdgas
3.4. Elektrische Energie
3.4.1 Bepreisung des elektrischen Stromes
3.5. Wasserstoff
3.6. Wasserstoffspeicherung in LOHC
3.7. Synthetische Kraftstoffe

4 Nutzwertanalyse unter Berücksichtigung technischer, ökologischer und ökonomischer Kriterien am Beispiel von Mittelklassewagen
4.1. Grundlagen der Nutzwertanalyse
4.2. Formulierung des Zieles
4.3. Bildung und Gewichtung der Bewertungskriterien
4.4. Durchführung der Nutzwertanalyse
4.5. Erläuterung der Nutzwertanalyse

5 Interpretation der Nutzwertanalyse und TCO-Berechnung in Bezug auf verschiedene Zielgruppen
5.1. Der Wenigfahrer (<5000 km p.a.)
5.2. Der Durchschnittsfahrer (ca. 5.000-20.000km p.a.)
5.3. Der Vielfahrer (>20.000 km p.a.)

6 Fazit

Anhang

Literaturverzeichnis

Internetquellen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Das Viertakt-Prinzip des Ottomotors

Abbildung 2: Das Viertakt-Prinzip des Dieselmotors

Abbildung 3: Detroit Electric Modell C

Abbildung 4: Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle und Funktionsprinzip einer PEMFC

Abbildung 5: Übersicht der Elektrifizierungsgrade von Hybridantrieben und deren Merkmale

Abbildung 6: Aufbau eines Mild-Hybrids

Abbildung 7: Architekturvarianten eines Hybrids

Abbildung 8: Prinzipielle elektrische Komponente eines HEV (grün) und PHEV (gelb)

Abbildung 9: Destillation von Erdöl in einer Raffinerie

Abbildung 10: Zusammensetzung der Kraftstoffpreise

Abbildung 11: Entwicklung des Rohölpreises

Abbildung 12: Prinzip von Power-to-Gas

Abbildung 13: Der Strommix in Deutschland 2019 (Netto)

Abbildung 14: Strompreisentwicklung 2010-2019

Abbildung 15: Antriebssystem einer Brennstoffzelle mit LOHC.

Abbildung 16: Kraftstoffkosten nach Fahrleistung unter Annahme des Verbrauchs der Referenzfahrzeuge und der derzeitigen Kraftstoffkosten

Abbildung 17: TCO der Referenzfahrzeuge bei 5.000 km p.a. für 5 Jahre

Abbildung 18: Fahrtkosten (Kraftstoff, Steuer, Wartung) mit 5.000 km p.a. für 5 Jahre

Abbildung 19: TCO der Referenzfahrzeuge bei 20.000 km p.a. für 5 Jahre

Abbildung 20: Fahrtkosten (Kraftstoff, Steuer, Wartung) mit 20.000 km p.a. für 5 Jahre

Abbildung 21: TCO der Referenzfahrzeuge bei 40.000 km p.a. für 5 Jahre

Abbildung 22: Fahrtkosten (Kraftstoff, Steuer, Wartung) mit 40.000 km p.a. für 5 Jahre

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Leistung und Dauer der Ladestationen

Tabelle 2: Übersicht der Referenzfahrzeuge zur Nutzwertanalyse

Tabelle 3: Bewertungskriterien und Gewichtung

Tabelle 4: Nutzwertanalyse

Tabelle 5: Total Cost of Ownership - Betrachtung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Seit dem Pariser Klimaabkommen von 2015 verpflichtet sich Deutschland die CO2-Emissionen deutlich zu reduzieren. Hierzu hat der Automobilsektor auch einen Beitrag zu leisten.¹ Jedoch stellt sich die Frage, mit welchen Antrieben das Ziel bestmöglich erreicht werden kann. Dennoch gilt es den Kunden schlussendlich zum Kauf des „bestgeeignetsten“ Antriebs zu überzeugen. Die folgende Bachelorarbeit soll hierzu als Entscheidungshilfe für unterschiedliche Zielgruppen dienen.

1.1 Einführung

Der Verkehrssektor besitzt einen Anteil von 30% am Primärenergieverbrauch in Deutschland.² Da die Energie hauptsächlich durch fossile Energie erzeugt wird, emittiert der Sektor einen maßgeblichen Anteil an CO2- und Schadstoffemissionen. Im Interesse einer nachhaltigen Umwelt, dem Gesundheitsschutz der Menschen sowie der begrenzten Verfügbarkeit der fossilen Ressourcen arbeiten die Hersteller stetig daran die Emissionen zu reduzieren.³ Mary Barra, CEO von General Motors, betonte 2016 auf dem Weltwirtschaftsforum in Davos:

„ We are moving from an industry that, for 100 years, has relied on vehicles that are stand-alone, mechanically controlled and petroleum-fueled to ones that will soon be interconnected, electronically controlled and fueled by a range of energy sources. I believe the auto industry will change more in the next five to 10 years than it has in the last 50.“ ⁴

Ihre Aussage zielt auf starke Veränderungen in der Automobilindustrie ab. Zum einen auf die voranschreitende Interkonnektivität von Fahrzeugen und das autonome Fahren, welche neue Möglichkeiten von Mobilitätskonzepten wie erweitertem Car Sharing eröffnen. Zum anderen beinhaltet die Aussage, dass General Motors fossile Energieträger nicht mehr als alternativlos erachtet, sondern nun eine Bandbreite von Antrieben und Energiequellen die Lösungen sein könnten. Diese Veränderungen innerhalb der nächsten 10 Jahre beschreibt Barra als so stark, dass diese Sämtliche der letzten 100 Jahren im Automobilsektor übertreffen werden . Dennoch gibt es bereits eine existierende Bandbreite von Antriebskonzepten wie Hybride oder Gas-Fahrzeuge.

Auch die Europäische Union hat reglementierende Maßnahmen verabschiedet, um die Hersteller zum Verkauf emissionsarmer Autos zu verpflichten. Ab 2020 greift ein neues CO2-Ziel bei dem das Flottenverbrauchziel lediglich 95 g/km aufweisen darf. Übertragen hat dies zur Folge, dass die Ottomotoren im Jahr 2020 nur durchschnittlich 4,11 Liter und Dieselmotoren 3,6 Liter auf 100 km verbrauchen können. Dieses Flottenverbrauchsziel wird stetig bis auf 59,4 g/km bis 2030 gesenkt werden. Aufgrund der hohen Strafzahlungen beim Verfehlen der Werte sollten die Hersteller daher bestrebt sein, emissionsarme oder -freie Fahrzeuge zu verkaufen.⁵ Als technische Maßnahme bleibt den Herstellern nichts anderes übrig, als die konventionellen Antriebe stetig weiter zu optimieren sowie komplett neue alternative Antriebsstränge zu entwickeln und anzubieten.

Neben einer sauberen, vorhandenen Technologie ist es abschließend entscheidend den Kunden dafür zu begeistern. Laut Kampker sind nach wie vor der Anschaffungspreis und die Betriebskosten für den Erwerb eines PKWs entscheidend. Letztendlich wird man einen Großteil der Kunden erst dazu bewegen können, wenn es sich für sie finanziell lohnt.⁶ Daher ist es umso wichtiger den Zielgruppen einen transparenten Überblick über die verfügbare Alternativen zu bieten, um sie bei der Entscheidungsfindung zur Fahrzeugwahl zu unterstützen, sodass ein Wandel hinsichtlich einer saubereren Mobilität gelingen kann.

1.2 Zielsetzung

Die Ausarbeitung bietet einen Überblick über konventionelle und alternative Antriebstechnologien sowie Kraftstoffe oder Energiequellen von Personenkraftwagen. Hierbei werden diese auf ökologische und ökonomische Faktoren bewertet und auf verschiedene Zielgruppen, welche sich hauptsächlich in der Fahrleistung unterscheiden, interpretiert. Die Arbeit soll schlussendlich als eine Art Orientierungshilfe für potenzielle Käufer dienen, die sich zunächst vor einer Kaufentscheidung über die bestehenden Antriebe und Kraftstoffe einen Überblick verschaffen wollen. Die Forschungsfrage könnte in diesem Sinne wie folgt lauten: Welche derzeitig verfügbaren Antriebe und Kraftstoffe beziehungsweise Energiequellen eignen sich unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten für die vordefinierten Zielgruppen?

1.3 Aufbau der Arbeit und methodisches Vorgehen

Der Einstieg der Arbeit ist durch die weitreichend funktionale Darstellung konventioneller wie auch alternativer Antriebstechnologien, unter Berücksichtigung deren Vor- und Nachteile, geprägt. Hierbei liegt der Fokus auf die technische Funktionalität sowie den erzeugten Emissionen.

Kapitel 3 umfasst eine Übersicht von Kraftstoffen und Energiequellen, welche in den vorgestellten Antrieben verwendet werden könnten. Hier wird der Fokus auf deren Herstellung und der Bepreisung gelegt, um die gewonnenen Erkenntnisse in der Nutzwertanalyse von Kapitel 4 zu berücksichtigen. Diese umfasst eine Gegenüberstellung verschiedener Antriebe und Kraftstoffe anhand von Referenzfahrzeugen, um diese aus ökologischer und ökonomischer Sicht zu bewerten. Darüber hinaus wird die Nutzwertanalyse durch eine Total Cost of Ownership-Betrachtung ergänzt. Abschließend werden die gewonnenen Ergebnisse in Kapitel 5 auf vordefinierte Zielgruppen angewendet und interpretiert, um die Fragestellung der Arbeit im Fazit zu beantworten.

2 Antriebstechnologien

In Deutschland gab es zum Stichtag 01.01.2020 laut dem Kraftfahrtbundesamt 65,8 Millionen zugelassene Fahrzeuge. Hierbei entfielen 65,9% auf Benzin und 31,7% auf Diesel betriebene Antriebe. Die übrigen 2,4% werden den sogenannten alternativen Antrieben zugesprochen. Hierzu zählen Fahrzeuge, welche mit Erdgas und Autogas betriebenen werden und vor allem neuartige Antriebstechnologien wie der Hybrid- und Elektroantrieb. Diese konnten im Jahr 2019 erhebliche Wachstumssteigerungen verzeichnen. Hybride legten im Vergleich zum Vorjahr um 58% und Elektrofahrzeuge um 64,3% zu.⁷ In den folgenden Abschnitten werden hierzu die beiden konventionellen Antriebe sowie eine Auswahl alternativer Fahrzeugantriebe und deren Schlüsselkomponenten kritisch erläutert.

2.1 Ottomotor

Der Ottomotor erhält seine Namensgebung durch seinen Erfinder Nicolaus August Otto, da ihm das im Jahr 1867 erfundene Viertaktverfahren zugeschrieben wurde.⁸ Unter einem Ottomotor versteht man einen Verbrennungsmotor, welcher chemische Energie in Bewegungsenergie umwandelt. Hierbei wird ein Luft-Kraftstoff (Benzin)-Gemisch verwendet, welches zur Entzündung gebracht wird, um einen Kolben linear zu bewegen. Die erzeugte Bewegung wird durch einen Pleuel in eine Rotatorische umgewandelt, welche letztendlich eine Kurbelwelle antreibt.⁹

Prinzipiell unterscheidet man den Ottomotor in einen Viertakt- und einen Zweitakt-Motor. Diese Ausarbeitung wird den Viertakt-Motor beleuchten, da dieser hauptsächlich in den Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Den Zweitakt-Motor findet man bis auf wenige Ausnahmen nur noch im Zweiradsektor, welcher dort seine Vorteile durch die kompaktere Bauweise bekräftigt. Allerdings ist der Einsatz auch in diesem Sektor auf Grund der steigenden Anforderungen an Abgasemissionen rückläufig.¹⁰

Nachfolgend werden die vier Arbeitstakte des Ottomotors in ihren Grundprinzipien beschrieben und ergänzend mit Abbildung 1 untermauert:

- 1. Takt (ansaugen): Bei geöffnetem Einlassventil saugt der Kolben während der Abwärtsbewegung zum unteren Totpunkt (UT) das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum an. Der Kraftstoff wird durch ein Einspritzventil kontrolliert hinzugefügt.
- 2. Takt (verdichten): Nach Schließen des Einlassventils wird durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens in Richtung des oberen Totpunkts (OT) das Luft-Krafstoff-Gemisch im Brennraum verdichtet.
- 3. Takt (verbrennen): Das Gemisch erreicht durch die Verdichtung eine erhöhte Temperatur sowie einen erhöhten Druck und ist somit entzündlicher. Beim Erreichen des oberen Totpunkts wird das Gemisch durch die Zündkerze entzündet. Chemische Energie wird freigesetzt, sodass der entstehende Druck und die Temperatur die Abwärtsbewegung des Kolbens verursachen.
- 4. Takt (ausschieben): Nun wird das Auslassventil geöffnet und die verbrannten Gase werden durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens nach außen geschoben.¹¹

Abbildung 1: Das Viertakt-Prinzip des Ottomotors

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Reif, 2017, S. 118

Neben dem Kraftstoff Benzin kann ein Ottomotor auch mit Autogas und Erdgas betrieben werden. Hier sind kleine zusätzliche Modifikationen nötig, wie der Einbau eines speziellen Tanks und einer Einspritzdüse. Meist wird für den Kaltstart jedoch Benzin verwendet. Sobald der Motor seine Betriebstemperatur erreicht, schaltet er Auto- oder Erdgas zu.¹²

2.1.1 Emissionen von Otto-Motoren

Während der Verbrennung des Luft-Benzin-Gemischs entstehen verschiedene Emissionen. Bei einer idealen Verbrennung eines perfekten Kraftstoffs werden grundsätzlich nur Wasserdampf (H2O) und Kohlenstoffdioxid (CO2) verbrannt. Allerdings herrschen in einem Motor nie ideale Verbrennungsbedingungen und der Kraftstoff enthält mehrere Nebenprodukte, wie zum Beispiel Schwefel. Dies führt dazu, dass Nebenprodukte und Schadstoffe wie Stickoxide, (NOx) auch bekannt als Feinstaub, entstehen. Grundsätzlich setzen sich die Abgase aus 71% Stickstoff (N2), 14% Kohlenstoffdioxid (CO2), 13% Wasserdampf (H2O), 1% Schadstoffe (z.B. 0,1% Stickoxide, 0,2% Kohlenwasserstoffe (HC), 0,7% Kohlenmonoxid (CO) und 1% weitere sonstige Gase wie Edelgase, Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) zusammen. Der größte Anteil der Rohemissionen besteht aus Stickstoff. Dieser ist mit 78% Hauptbestandteil unserer Luft. Daher ist diese Emission absolut unbedenklich. Kohlenstoffdioxid ist zwar ebenso ein ungiftiges Gas und kommt in geringen Mengen in unserer Luft vor, dennoch ist es ein Mitverursacher des Treibhauseffektes und dem damit zusammenhängenden Klimawandel. Seit Beginn der Industrialisierung ist der CO2-Gehalt in der Atmosphäre um circa 30% angestiegen. Die Schadstoffe, welche in geringen Mengen emittiert werden, sind jedoch schädlich für die menschliche Gesundheit. Die gefährlichsten Nebenbestandteile sind Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Diese führen zu einer geringeren Sauerstoffaufnahmefähigkeit des Menschen, einer Vergiftung des Körpers, gelten teilweise als krebserregend, gelten als Mitverursacher von Schleimhautreizungen sowie Waldschäden durch sauren Regen und sind für die Smog-Bildung in Städten verantwortlich. Moderne Katalysatoren, beziehungsweise Abgasnachbehandlungsanlagen, können heutzutage nahezu 99% der Schadstoffe in unschädliche Stoffe wie Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff umwandeln.¹³

Reduzierte Emissionen von Kohlenstoffdioxid lassen sich hingegen nur durch weniger Kraftstoffverbrauch oder durch einen Kraftstoff mit weniger Kohlenstoff-Anteilen erzielen. Ab 2020 gilt der europäische Grenzwert von 95g CO2 pro 100km, welcher über die nächsten Jahre stetig über weitere Verordnungen gesenkt werden wird. Der heutige Grenzwert würde bei einem PKW einen Benzinverbrauch von 4,11 Liter auf 100 km nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) entsprechen. Der Fahrzyklus wird laut Schreiner dennoch kritisiert, da er nicht realitätsnah sei. Daher wurde er durch den World Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTP) ersetzt, welcher grundsätzlich höhere Kraftstoffverbräuche aufzeigt. Der 95g-Grenzwert ist dennoch als ein durchschnittlicher Flottengrenzwert zu verstehen. Große und schwere Autos müssen zwar einen hohen technischen Aufwand betreiben, um sich dem Grenzwert anzunähern. Allerdings können die Automobilhersteller erhöhte Grenzwerte durch den Verkauf von Elektro- und Hybridfahrzeugen kompensieren und ausgleichen. Mögliche Strafzahlungen würden mit 500 Euro pro Tonne CO2 durch die Europäische Union erhoben werden.¹⁴

2.2 Dieselmotor

Der Dieselmotor ist ein selbstzündender Verbrennungsmotor, welcher 1892 entwickelt und nach dessen Erfinder Rudolf Diesel benannt wurde.¹⁵ Der Dieselmotor etablierte sich zunächst im Nutzfahrzeugbereich und erhielt ab den 1990ern Jahren einen nennenswerten Anteil im PKW-Segment. Die technischen Eigenschaften des Dieselmotors ähneln denen des Ottomotors. Im Dieselmotor wird hingegen nur ein Luft-Diesel-Gemisch verbrannt. Prinzipiell erfolgt der Verbrennungsprozess ebenso im Viertaktprozess (s. Abbildung 3):

- 1. Takt (ansaugen): Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens und dem geöffneten Einlassventil wird Luft in den Brennraum angesaugt.
- 2. Takt (verdichten): Durch den nach oben eilenden Kolben wird die Luft verdichtet. Durch die Verdichtung wird die Luft erwärmt.
- 3. Takt (verbrennen): Sobald der obere Totpunkt des Kolbens erreicht ist, wird die Luft maximal verdichtet. Nun wird mit der Einspritzdüse der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, welcher sich entzündet. Die entstehende Explosion treibt den Kolben wiederum nach unten. Chemische Energie wird in thermische, sowie Bewegungsenergie, umgewandelt.
- 4. Takt (ausschieben): Das Auslassventil ist geöffnet und der Kolben bewegt sich vom unteren zum oberen Totpunkt, wobei er das entstandene Abgas aus dem Brennraum herausschiebt.

Abbildung 2: Das Viertakt-Prinzip des Dieselmotors

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Hilgers, 2016, S. 4

Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Otto- und dem Dieselmotor bestehen darin, dass der Ottomotor ein Luft-Benzin-Gemisch ansaugt und der Dieselmotor lediglich Luft. Inzwischen gibt es aber einige Ottomotoren, welche ebenso den Kraftstoff per Direkteinspritzung hinzufügen. Das Alleinstellungsmerkmal des Dieselmotors ist, dass er keine Zündkerze besitzt, sondern der eingespritzte Diesel sich mit der verdichteten, erhitzten Luft entzündet. Daher wird der Dieselmotor auch als Selbstzünder bezeichnet.¹⁶

2.2.1 Emissionen von Diesel-Motoren

Bei der Verbrennung des Dieselkraftstoffs in einem Verbrennungsmotor entstehen grundsätzlich die gleichen Emissionsarten, wie in Abschnitt 2.1.1 für den Ottomotor herausgearbeitet wurde. Dennoch unterscheiden sich die Anteile der Emissionen signifikant. Der Dieselmotor hat bei der Verbrennung eine deutlich bessere CO2-Bilanz. Zwar besitzt 1 Liter Diesel einen höheren Kohlenstoffgehalt als 1 Liter Benzin und somit würde bei der gleichen Verbrennungsmenge mehr CO2 entstehen. Allerdings besitzt der Dieselmotor einen höheren Wirkungsgrad von circa 15% gegenüber dem Ottomotor. Der Dieselkraftstoff besitzt zugleich eine circa 10 % höhere Energiemenge gegenüber Benzin. Dies führt dazu, dass ein vergleichbarer Dieselantrieb eine bis zu circa 20% niedrigere CO2-Bilanz auf der gleichen Fahrtstrecke aufweist.

Ein Nachteil des Antriebs sind die Schadstoffe, welche in größeren Mengen gegenüber dem Ottomotor auftreten und besonders in Städten schädlich für die menschliche Gesundheit sein könnten. Besonders Ruß- und NOX sind beim Dieselantrieb gegenläufig. Daher werden bei dem Antrieb verschiedene Abgasnachbehandlungssysteme für die Schadstoffe eingesetzt: Zunächst wandelt ein Oxidationskatalysator unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) in CO2 und Wasser um. Ein Dieselpartikelfilter nimmt Ruß und Partikel auf und verbrennt diese. In der dritten Stufe werden die NOx- Teilchen dem Abgas entzogen. Hierfür gibt es zwei Verfahren, welche auch in Kombination angewendet werden können. Ein NOx-Speicherkatalysator nimmt die NOx-Teilchen auf und verbrennt diese. Allerdings funktioniert er nur im Warmbetrieb und hat eine begrenzte Kapazität. Die zweite Technologie ist der SCR-Katalysator (selective catalytic reduction). Hierbei wird eine Harnstofflösung, auch bekannt als AdBlue, in den Abgasstrom eingespritzt und wandelt die NOx-Emissionen in Stickstoff und Wasser um. Sobald der Motor und das Abgassystem die Betriebstemperaturen erreicht haben, lassen sich mit diesem Verfahren 90% der NOx-Teilchen reduzieren.

Eine weitere Form der Emissionsreduzierung ist die Abgasrückführung. Hierbei werden Teilströme des Abgases mit Frischluft vermengt und dem Motor wieder hinzufügt. Dies sorgt für eine niedrigere Sauerstoffkonzentration und Spitzentemperaturen bei der Verbrennung und niedrigere NOX-Emissionen. Nachteilig ist aber, dass durch die geringeren Temperaturen mehr Rußpartikel entstehen – eine gegenläufige Abhängigkeit der beiden Schadstoffe. Diesen Kompromiss müssen die Automobilhersteller derzeit eingehen und forschen daher stetig an der weiteren Optimierung der idealen Menge der Abgasrückführung.

Grundsätzlich muss allerdings bei der Emissionsreduzierung für den Dieselantrieb deutlich mehr Aufwand als für einen Ottoantrieb betrieben werden, um die derzeitige Abgasvorschrift (Euro 6-Norm) zu erfüllen. Im Vergleich zur Euro 1-Norm von 1992 musste der Antrieb seine Schadstoffe um 98% zur Erfüllung der jetzigen Norm reduzieren.¹⁷

2.3 Elektromotor

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Fotografie, Technik Museum Speyer, 2019

Abbildung 3: Detroit Electric Modell C

Ein Elektromotor wird durch elektrische Energie betrieben und zählt zu den alternativen Antrieben. Im Allgemeinen wird der Antrieb als neuartig wahrgenommen, da die meisten konkurrenzfähigen Elektrofahrzeuge erst seit wenigen Jahren auf dem Automobilmarkt existieren. Dabei geht das Prinzip des Elektromotors auf Michael Faraday von 1821 zurück und das erste batteriegespeiste Elektrofahrzeug wurde circa 50 Jahre vor Carl Benz‘ Motorwagen präsentiert.¹⁸ Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden zahlreiche Fahrzeuge mit elektrischer Energie, gespeichert in schweren Blei-Batterien, betrieben (siehe Abbildung 3). Verbrennungsmotoren spielten aufgrund des geringen Tankstellennetzes und der hohen geltenden Wartungsintensitäten eine untergeordnete Rolle. Stattdessen wurden gerade in den großen Metropolen elektrisch betriebene Fahrzeuge bevorzugt, da sie zu Hause geladen werden konnten. Die Reichweite damaliger Fahrzeuge lag bei 50-100 km. Schlussendlich wurde in den 1910ern- Jahren der elektrische Antrieb sukzessive von Verbrennungsmotoren abgelöst. Hierbei spielten die Entwicklung des öffentlichen Nahverkehrs in Metropolen, die niedrige Reichweite und Gewichtsnachteile eine wesentliche Rolle. Zudem galt der Aufbau eines elektrischen Versorgungskonzeptes als deutlich schwieriger als das eines Tankstellennetzes.¹⁹

2.3.1 Elektromotor mit einer Lithium-Ionen-Batterie

Der Antrieb eines Elektromotors mit einer Lithium-Ionen-Batterie ist derzeit das verbreitetste technische elektrische Antriebskonzept. Der Aufbau ist simpel, denn er besteht prinzipiell neben dem Elektromotor aus Steuergeräten, einem Wechselrichter zur Umwandlung von Wechsel- und Gleichstrom sowie der Lithium-Ionen-Batterie. Die eingebauten Komponenten sind wartungsarm und haben weniger Verschleißteile als dies bei einem Verbrennungsmotor der Fall ist.

Die Topologie und Umsetzung der Komponenten hängen vom Fahrzeugtyp ab. Beispielsweise divergiert die Anzahl der Elektromotoren von eins bis vier. Kleine Stadtfahrzeuge besitzen meistens einen Zentralmotor an der Vorderachse. Größere Mittelklassewagen können einen Twinmotor (zwei Elektromotoren) an der Vorderachse besitzen. Sport- und Allradfahrzeuge würden hingegen einen Zentral-/ oder Twinmotor an der Vorderachse und einen Twinmotor an der Hinterradachse (insgesamt also drei bis vier Elektromotoren) verbaut haben. Der Elektromotor wird auch als elektrische Maschine bezeichnet, da er neben der Umwandlung von elektrische in mechanische Energie dieses Prinzip auch umkehren kann und als Generator agiert. So kann Bremsenergie durch eine elektrische Bremsung (Rekuperation) wieder in elektrische Energie umgewandelt werden und über den Umrichter der Batterie zugefügt werden.

Lithium-Ionen-Batterien sind die derzeit am weitverbreitetsten Energieträger, da sie eine vergleichsweise hohe Energiedichte und einen niedrigen Kapazitätsverlust bieten und sich kaum selbstentladen. Die eigentlichen Materialkombinationen sind vielfältig, sodass es noch weiterer Forschung bedarf. Daher ist in den nächsten Jahren mit einer stetigen Weiterentwicklung und Optimierung zu rechnen.

Die Kapazität eines elektrischen Fahrzeugs hängt davon ab, wie viele Batteriezellen im Verbund genutzt werden. Als Faustformel lässt sich definieren, dass derzeit eine 10 kWh für 50-70 km ausreicht. So ist also die Reichweite stark davon abhängig, wie viele Batteriezellen der Hersteller einsetzt. Hierbei befindet sich die Reichweite in einer Wechselbeziehung mit dem Gewicht. Je mehr Batteriezellen benötigt werden, desto höher ist das Gewicht und der Verbrauch, was wiederum zu einer geringeren Reichweite führt, aber folglich auch die Fahrzeugkosten erhöht.

Ein weiteres negatives Merkmal eines batteriebetriebenen Fahrzeugs (BEV) ist die Ladedauer der Batterie. Diese ist abhängig von der elektrischen Leistung der Ladestation.²⁰. So würde eine Haushaltssteckdose mit 3,5 kW sechs bis acht Stunden zum Aufladen einer Batterie benötigen. Installierte Wallboxen mit 11 kW können die Ladezeit wesentlich verringern. Zudem finden sich inzwischen einige Schnellladestationen an den Autobahnen. Tabelle 1 bietet hierzu eine Übersicht aller der Möglichkeiten zur Ladung des Fahrzeugs.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: eigene Tabelle nach https://www.eon.de/de/eonerleben/laden-von-elektroautos.html , Abruf: 19.04.2020 – 17:26h

Tabelle 1: Leistung und Dauer der Ladestationen

2.3.2 Elektromotor mit einer Brennstoffzelle

Bei der sogenannten Brennstoffzellentechnik wird ein Elektromotor durch elektrische Energie versorgt. Hierbei dient die Brennstoffzelle als ein Energiewandler, der gespeicherte Energie (Wasserstoff) in Elektrische umwandelt. Eine weitere Komponente im Antrieb ist eine kleine, ergänzende Traktionsbatterie, welche überschüssige elektrische Energie beispielsweise durch Rekuperation aufnehmen kann und bei Bedarf dem Elektromotor wieder zugeführt werden kann (s. Abbildung 4). Es gibt eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche sich von den Bauformen und Brennstoffen unterscheiden. Die etablierteste in der Automobilindustrie ist die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle und Funktionsprinzip einer PEMFC (PEMFC).

Quelle: Tschöke, Gutzmer, & Pfund, 2019, S. 102-103

Grundsätzlich arbeitet die Brennstoffzelle nicht anders als nach dem Prinzip der umgekehrten Elektrolyse, wobei während der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie freigesetzt wird. Bei der PEMFC wird der negativ geladenen Anode Wasserstoff und der positiv geladenen Kathode Sauerstoff hinzugefügt. Mittels einer Protonenaustauschmembran wandern die positiv geladenen H+-Ionen zur Kathode. Bei diesem Vorgang entsteht elektrische Energie für den Antrieb sowie Wasser und Wärme als Nebenprodukt, welche abgeführt wird.

Die Brennstoffzellentechnik ist eine relativ junge Technologie, welche erstmals in den 1980ern in der Automobilindustrie aufkam. Zwar brachten einige Hersteller Fahrzeuge in Kleinserie in den letzten Jahren auf die Straße, dennoch steckt die Technologie in ihren Kinderschuhen und wurde nie wirklich wettbewerbsfähig auf den Markt gebracht. Weitere Gründe sind die derzeit hohen Herstellkosten der Brennstoffzelle und des Wasserstofftanks, das hohe Leistungsgewicht sowie der große Bauraumbedarf und die fehlende Infrastruktur. Derzeit würde es ohnehin an verfügbaren Wasserstoffkapazitäten und der Tankstelleninfrastruktur fehlen. Ein Betankungsvorgang würde ähnlich zu dem von konventionellen Betriebsstoffen funktionieren. Allerdings erfordern Wasserstofftankstellen einen hohen technischen Aufwand, da der Kraftstoff auf -40 Grad Celsius heruntergekühlt werden muss und die Fahrzeuge zunächst vorkondensioniert werden, da ein Druck von 700 Bar auf dem Tank herrscht. Dennoch bietet die Technologie einige Vorteile, welche die Technologie interessant machen. Die Brennstoffzelle bietet einen hohen Wirkungsgrad, es entstehen keine lokalen Emissionen, die Fahrzeuge verfügen über eine hohe Reichweite und haben geringe Wartungskosten. Darüber hinaus kann Wasserstoff aus jeder Primärenergie gewonnen und ist faktisch unbegrenzt verfügbar.²¹

2.4 Hybrid

Nach Kreyenberg kommt das Wort Hybrid aus dem Griechischen und bedeutet „gemischt“ oder auch „von zweierlei Herkunft“. Der Hybridantrieb ist eine Brückentechnologie zur Elektromobilität. Hierbei wird ein elektrischer Antrieb mit einem Otto- oder Dieselmotor kombiniert. Somit besitzt der Antrieb mindestens zwei Energiespeicher und zwei Energiewandler. Ziel eines Hybrids ist es, den hohen Wirkungsgrad des Elektromotors zu nutzen und als technische Unterstützung den Verbrennungsmotor in einem möglichst optimalen Bereich zu betreiben. Folglich wird ein möglichst geringer Verbrauch erreicht.

Hybride können nach ihrer Bauform in Parallel-, Serielle- und Misch-Hybride unterteilt werden. Diese Fahrzeugarchitekturen beschreiben lediglich die verschiedenen technischen Umsetzungen und Bauformen. Eine weitere Unterteilung kann durch die verschiedenen Hybridkonzepte und Elektrifizierungsgrade erfolgen. Hierbei wird in Mikro-, Mild-, Voll- und Plug-In-Hybrid unterschieden (s. Abbildung 5).²² Letztere Unterscheidungen werde ich in den folgenden Abschnitten näher beleuchten, da diese Konzepte, im Gegensatz zu den Hybrid-Bauformen, für den Endkunden entscheidend sind.

Abbildung 5: Übersicht der Elektrifizierungsgrade von Hybridantrieben und deren Merkmale

Quelle: Tschöke, Gutzmer, & Pfund, 2019, S. 154

2.4.1 Micro-Hybrid

Der Micro-Hybrid ist eine modifizierte Variante gängiger Start-Stopp-Systeme, welche sich größtenteils in den neuen Automobilen befinden. Das Start-Stopp-System stellt den Motor beim Ampelstopp automatisch ab. Der Micro-Hybrid erreicht dies früher und schaltet vorher ab. Dabei wird der Motorstillstand bereits während dem langsamen Ausrollen des Fahrzeugs erreicht. Bei diesem Vorgang wird Verzögerungsenergie über einen Riemenantrieb rekuperiert. So wird durch ein intelligentes Generatormanagement während des Ausrollens oder Bremsens Bewegungsenergie zurückgewonnen und in eine 12 V Batterie eingespeist. Bei Bedarf kann diese Energie wieder abgerufen werden. Zum Beispiel können hier Verbraucher (wie zum Beispiel die Klimaanlage) während des Ampelstopps betrieben werden oder die Energie bei manchen Fahrzeugmodellen in sehr geringer Form in den Antrieb zurückführen. Der Startergenerator wirkt also als unterstützendes System für den Verbrennungsmotor während des Anfahrprozesses. Dies führt dazu, dass der Kraftstoffverbrauch sich je nach Strecke um 3-5% reduzieren lässt.²³

2.4.2 Mild-Hybrid

Bei einem Mild-Hybrid verfügt der Antriebsstrang neben einem Verbrennungsmotor auch über eine elektrische Maschine von 8 bis 20kW und eine zusätzliche 48V-Traktionsbatterie zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie. Die elektrische Maschine übernimmt hier verschiedene Funktionalitäten. Die Start-Stopp-Funktion dient ähnlich wie beim Mikro-Hybrid als Anfahr- und Beschleunigungsunterstützung sowie der Rekuperation der Bremsenergie. Die elektrische Maschine ist über einen Kurbelwellen-Starter-Generator direkt mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Dies führt dazu, dass insbesondere im unteren Drehzahlbereich das Antriebsmoment und die Dynamik deutlich erhöht werden. Prinzipiell könnte die elektrische Maschine den gesamten Antrieb ohne Betrieb des Verbrennungsmotor bewegen. Allerdings ist das System über die Kurbelwelle in den Gesamtantrieb integriert und müsste daher den Schleppmoment des inaktiven Verbrennungsmotors überwinden. Dies ist wenig effizient.

Grundsätzlich führt die elektrische Maschine zu einer Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors, sodass dieser in ineffizienten Bereichen zusätzlich unterstützt. Gegenüber einem konventionellen Antrieb führt dies zu einer Kraftstoffeinsparung von bis zu 15%.²⁴

[...]

---

¹ Vgl. Schabbach und Wesselak, Energie, 2012, 2020, S.196.

² Vgl. Umweltbundesamt, Energieverbrauch, 2020.

³ Vgl. Strom-Report, Strommix 2020.

⁴ Candelo, Automotive Industry, Mary Barra, 2016, S.156.

⁵ Vgl. Maus, Zukünftige Kraftstoffe, 2019, S.19-20.

⁶ Vgl. Kampker, Vallee und Schnettler, Elektromobilität, 2013, 2018, S.68.

⁷ Vgl. Kraftfahrt-Bundesamt, Fahrzeugbestand, 2020.

⁸ Vgl. Portal Rheinische Geschichte, Otto, 2020.

⁹ Vgl. Reif, Motortechnik, 2017, S.118.

¹⁰ Vgl. Pischinger, Kraftfahrzeugtechnik, 2016, S.257-258.

¹¹ Vgl. Pischinger, Kraftfahrzeugtechnik, 2016, S. 254-257.

¹² Vgl. Merker und Teichmann, Verbrennungsmotor, 2018, S.555-556.

¹³ Vgl. Reif, Motortechnik, 2017, S.205-207.

¹⁴ Vgl. Schreiner, Verbrennungsmotor, 2017, S.34-38.

¹⁵ Vgl. Diesel, Patent, 1892.

¹⁶ Vgl. Hilgers, Dieselmotor, 2016, S.3-4.

¹⁷ Vgl. Reif, Motortechnik, 2017, S.106-115.

¹⁸ Vgl. Kampker, Vallee und Schnettler, Elektromobilität, 2013, 2018, S.309.

¹⁹ Vgl. Tschöke, Gutzmer und Pfund, Antriebsstrang, 2019, S.191-192.

²⁰ Vgl. Kampker, Vallee und Schnettler, Elektromobilität, 2013, 2018, S.310-316, 327, 345, 351.

²¹ Vgl. Tschöke, Gutzmer und Pfund, Antriebsstrang, 2019, S.99-105, 111-113.

²² Vgl. Kreyenberg, Elektromobilität, 2016, S.40.

²³ Vgl. Hofmann, Hybridfahrzeuge, 2010, 2014, S.50-54.

²⁴ Vgl. Tschöke, Gutzmer und Pfund, Antriebsstrang 2019, S.19-20.