Elektromobilität – Antworten auf Spiegel-Leserbriefe

Ist Elektromobilität machbar? Dazu hab ich schon öfters auf diesem Blog kommentiert (u.a. hier und hier). Jetzt möchte ich nicht noch einmal die Grundlagen wiederholen, sondern einfach nur ein paar Einstellungen kommentieren.

Leserbrief #1:

Prototypen von Elektroautos werden als Sportwagen eingeführt [siehe: Tesla (Anm. d. Redakteurs)] und präsentiert, anstatt als Allerweltsauto (Golf/Astra). Gleichzeitig ist Infrastruktur für das Aufladen einer Batterie kein Problem, da Länder wie Kanada (kalt) dies schon getan haben.

Bei der Ladestation ist mir nicht klar, ob er damit eine bestehende Infrastruktur meint, oder eben nur ein paar vereinzelt aufgestellte Stationen? Oder ob es ihm um die Problematik der Temperatur geht, was wiederum weniger die Ladestation als die Batterie im Auto betreffen würde.

Wie jetzt ein E-Auto am besten eingeführt werden kann, darüber lässt sich streiten. Durchaus sind Premiumkunden nämlich eher bereit mal 2-3 k€ mehr zu bezahlen, um eine überlegene Lösung zu kaufen, die mehr Komfort verspricht. Auf dem Kompakt- und MIttelklasse Niveau bis hin zum Kleinwagen werden jedoch ganz andere Maßstäbe gelebt. Subventionen könnten zwar hier den Verkauf beschleunigen, bei Wegfall bricht diese Nachfrage jedoch wieder ein. Gleichfalls würde dies bedeuten, das der Staat sich NOCH weiter verschuldet, was im momentanen Klima nicht möglich ist.

Leserbrief #2:

Um Autofahrten über lange Strecken bei kleinen Batterien zu ermöglichen sollten auf Fernstraßen und Autobahnen Stromschienen verlegt werden, in die man sich bei der Auffahrt einklinkt.

Interessante Idee, es hakt jedoch an zwei Stellen. Erstens wäre es die Zuverlässigkeit einer mechanischen Verbindung zwischen einem stationären Objekt (Straße) und einem sich bewegenden Objekt. Es ist zwar prinzipiell möglich hier eine Lösung zu finden (Seil oder starrer Stab + Magnet oder “Schienenkontakt), aber das Mitfahren in einem variablen Fluss mit Überholvorgängen (der Vorteil des Autos vor einem Schienenfahrzeug) ist schwer bis gar nicht zu realisieren.

Nebenbei wären die Investitionskosten enorm und schon heute werden ja Autobahnen nur noch notdürftig geflickt, Bundesstraßen kaum bis gar nicht. Jetzt stelle man sich dies mit einer Präzisionskupplung vor, die immer auf bestem Stand bleiben muss!

Als Alternative könnte ich jedoch anbieten, dass man statt auf direkte Stromübertragung einen Induktionsübergang konzipiert. Auch hier stellen sich jedoch einige Probleme, die nicht einfach zu lösen sind: Höhe des magnetischen Felds und seine EMV, Transformation der nötigen Spannungen und Ströme und der Energietransport in den straßenseitigen Induktionslinien. Denn je weiter man von der Einspeisestelle entfernt ist, desto schlechter wird die Effizienz und die mögliche Energieabnahme. Gleichfalls reduziert sich mit Anzahl der Teilnehmer die Möglichkeit Strom abzunehmen, d.h. das System würde eventuell stark volatile sein.
Leserbrief #3:

Es werden die Wirkungsgrade von Verbrennungsmotor und Elektromotor verglichen. Das ist aber nicht akzeptabel. Der Verbrennungsmotor ist ein mobiles Kleinkraftwerk, der Elektromotor nur ein Wandler innerhalb der Krafterzeugung (quasi ein Umweg).

Weshalb der Elektromotor beim Hybriden ja auch unter das Getriebe fällt, da es die Übersetzung von der VKM zum Rad anpassen kann, wenn er seriell betrieben wird (siehe auch Diesel-elektrische Lokomotiven). Die Betrachtung der Wirkungsgrade sollte immer auch die ENTSTEHUNG der Energie mit betrachten (Well to Wheel Performance). Während also elektrische Energie durch Wärmekraftwerke (großteil) hergestellt wird und dann in einer Batterie zwischen gespeichert wird, bevor sie in den E-Motor kommt, muss aus Rohöl raffinierter Diesel oder Benzin hergestellt werden, dass dann über den verlustärmeren (!) Tank in die VKM gepumpt wird, ABER danach noch einmal im Getriebe Verluste enthält.
Welche der beiden Methoden jetzt besser ist, hängt im großen und ganzen von der Art der Stromgenerierung und des Wirkungsgrades der VKM und Getriebes zusammen.
Leserbrief #4:

Kosten-Nutzen-Denken zeigt, dass nur der serielle Hybrid eine veritable Lösung ist. Er bringt die Vorteile des Elektromotors zum tragen. Radnabenmotoren sollten bevorzugt werden, da mit ihnen auch die Bremsfunktion realisiert wird (ESP etc.).

Die Frage stellt sich, warum Toyota einen Leistungsverzweigten Hybriden einem klassischen seriellen (Eisenbahn) Hybriden vorgezogen hat. Nun, hier sind mehrere Bedenken einbezogen worden. Erstens kennt man sich mit mechanischen Produkten besser aus, d.h. sie sind generell zuverlässiger. Zweitens können Verluste bei einem mechanischen Getriebe sehr gering ausfallen, wenn es gut gelöst ist. Die Idee beim Prius war, dass er bei geringen Geschwindigkeiten elektrisch fährt und bei großen Geschwindigkeiten mit der VKM. Der Vorteil hierbei liegt darin, dass der Elektromotor kleiner dimensioniert werden kann, man nur einen braucht und insgesamt Kosten und Gewicht gespart werden, da ein mechanisches Getriebe bei hohen Umdrehungszahlen sehr gute Wirkungsgrade erreicht!
Der Volt wäre ein klassisches Beispiel für einen seriellen Hybriden, da der Verbrennungsmotor nur die Batterie lädt und der große Elektromotor effizient die Energie auf die Straße bringt, damit kann er aber zu weilen auch ineffizienter als ein VKM + mech. Getriebe sein, allerdings nur punktuell. Problem ist hier die relativ hohe Masse, auch wenn man Radnabenmotoren nimmt. Die Regelung der Motoren (mehr Motoren, mehr Regeltechnik) muss wesentlich ausgereifter sein und eventuell redundant bzw. sicherheitsaktiv ausgelegt werden.
Auch ein paralleler Hybrid würde sich (ebenfalls als eine Art Range Extender) anbieten. Hierbei würde der VKM in seinem Bestpunkt fahren und entweder über ein Getriebe direkt auf die Straße speißen, oder bei Überschuss an Leistung teilweise auch in einen Batterie/DSK-Speicher. Der elektrische Speicher wird dann wieder geleert, wenn der Verbrennungsmotor die Beschleunigungsleistung nicht mehr aufbringen kann, das sieht dann wie folgt aus:


Wenn man mal von der fehlerhaften y-Achsenbeschriftung absieht, erläutere ich kurz das Diagramm (Es müsste korrekterweise Leistung in W heißen). Die Leistung ist dabei die vom Auto  benötigte Energie zu diesem Zeitpunkt (man sieht das Beschleunigungsfahrten in kurzer Zeit viel Energie verbrauchen – hohe Leistung). Die Motorleistung wird konstant gehalten, während der Speicher (HS – grün) immer dann einspringt, wenn gebremst wird oder beschleunigt. Beim Beschleunigen ist es dann Leistung = Motorleistung + HS-Leistung und beim Abbremsen ist es HS-Leistung = Leistung – Motorleistung.
Letztlich ist es eine Frage davon, wo man seine Schwerpunkte setzt: mechanisches Getriebe (ja/nein?), Gewicht (hoch/tief?), Anzahl und Größe Motoren (hoch/klein – elektrisch/chemisch?), Komplexität Leistungselektronik (hoch/tief), Art des Energiespeichers (DSK/Batterie?).

Leserbrief #5:

Beschwerde das der Artikelschreiber noch nie einen leisen, kundenfreundlichen, harmonischen, ruckelfreien Prius gefahren ist. Planetengetriebe als Verteilergetriebe (mit 3 Ein-/Ausgängen), Generator, Millermotor und E-Motor sind dauernd im Eingriff. Vorwurf das Deutsche keine Ahnung vom E-Motor haben, weil sie Flachscheibenmotoren verwenden. Diese Motoren sind im Wirkungsgrad abhängig vom Spalt zwischen Rotor und Strator.

Nun bin ich selbst schon mit einem Prius gefahren, und so toll sich die Technik anhört, sie hat in der Praxis im Kleinwagen erhebliche Probleme. Der Platz ist begrenzt durch die beiden Motoren, die Kabine ist zu eng, und bei Autobahnfahrten merkt man dem schwachbrüstigem Motor deutlich an, dass er an der Grenze der Leistungsfähigkeit ist (Boostfähigkeit?!).

Eigentlich ist der Millermotor im Prius auch kein Millermotor sondern ein Miller-Atkinson Motor, aber das ist eine Trivialität. Das ein Planetengetriebe 3 Elemente hat und damit theoretisch 1 Eingang und 2 Ausgänge, oder 2 Eingänge und 1 Ausgang ist auch nur für technisch unbedarfte wichtig (3 Ein-/Ausgänge ist nicht ganz richtig, da es niemals nur 3 Eingänge oder 3 Ausgänge gibt ^^).

Während es in der Tat so ist, das z.Z. das Know-How bei deutschen Autobauern fehlt, stimmt es nicht, dass es in D kein Fachwissen über hochdrehende Motoren gibt. Das Problem ist, dass man ja gerade keine hochdrehenden E-Motoren mag, da man sich das Getriebe sparen möchte (serieller Hybrid). Wenn ein Motor nur dann effizient ist, wenn er bei mehreren Tausend Umdrehungen betrieben wird, dann lohnt sich der Einbau nicht. Die Umdrehungen am Rad sind zwischen –6000 bis +6000 1/min. Es bedeutet, dass der Motor effizient im gesamten Spektrum bleiben muss, da er ja auch bei Fahrten in der Stadt (n ist klein) effizient sein muss. Beim Prius trifft vor allem letzteres zu, jedoch kann hier ja mit dem Planetenrad ein bisschen gefeilt werden.
Vorteilhaft wäre auf alle Fälle ein kontaktfreier, d.h. verschleißarmer, Elektromotor, z.B. Reluktanzmotor, oder ein Drehstrommotor. Diese sind aber entweder noch in der Erprobung (auch international), oder sie sind auch in Deutschland in hoher Qualität verfügbar (ABB, Siemens etc.). Ein gutes Beispiel für kleine, schnelldrehende und effiziente Motoren sind Bohrgeräte und hier ist Deutschland durchaus für Qualität bekannt. Bei Gleichstrom hat die Art des Gleichstrommotors übrigens auch eine Einfluss auf die Verwendungsweise, da Neben- oder Reihenschluss bis hin zur Fremderregung andere Kurven und andere Steuerungsmöglichkeiten ergeben.

Hybrid cars – Range Extender

Während in der Zwischenzeit die Planungen für reine EVs immer weiter fortschreiten, mit Renault und Toyota ganz vorne dabei, versucht Peugeot (PSA) die Marktnische Hybridauto anzugreifen. Hybridautos sind immer noch die am leichtesten einzuführende Kategorie der sparsamen Automobile, da bestehende Infrastruktur genutzt werden kann. Neben Start/Stopp-Automatik (siehe auch BMW), die laut Peugeot in allen kleinen Modellen verbaut werden soll, möchte man vor allem im oberen Klassenbereich mit Luxus-Hybriden kommen. Generell machen hier ein paar Tausend€ und etwas Mehrgewicht wenig aus. Leute, die sich diese Autos kaufen, setzen auf Komfort oder Leistungsfähigkeit und beides kann durch einen Hybridwagen bedient werden.

Generell kann man die traditionelle Hybridversion als Nischenprodukt beschreiben (vor allem im low-cost Sektor), denn hier fallen drei Problempunkte zusammen:

• Gewicht UND Kosten spielen eine sehr große Rolle (schon 1-2 Tausend€ für ein Automatikgetriebe sind hier Luxus)
• Bauraum ist generell beschränkt, wer einmal in moderne Peugeots oder Golfs schaut, der sieht nur wenig freien Platz für einen zweiten Motor + Energiespeicher (Lösungsmöglichkeit: Radmotoren)
• Batterien sind teuer, umweltschädlich und immer noch leistungsschwach

Der letzte Knackpunkt ist wohl neben den Kosten das Hauptproblem für die Vermarktung eines Hybridautos. Batteriehersteller, die sich auf Leistungsbatterien speziallisiert haben, sind selten. Die Herstellung dieser Batteriepakete ist teuer und aufwendig. Selbst wenn der Verkauf ordentlich gesteigert wird, kann man nicht sicher sein, wie viel economies-of-scale beitragen werden. Es wird noch Jahre dauern, bis billige Lithium-Ionen Batterien auf dem Automarkt verfügbar sind. Und dann sind da noch die anderen Probleme, die Batterien haben. Nicht nur müssen die Batterien viele Lade-/Entladezyklen durchhalten, um ihre Mehrkasten auch rechnerisch auszugleichen und dabei darf die Qualität der Batterie nicht stark nachlassen. Sicher sind Lithium-Batterien hier den recht wartungsintensiven Bleibatterien überlegen, jedoch zeigt sich bei Toyota, dass dies nicht so einfach ist, wie geglaubt. Ich bin leider kein experte auf dem Gebiet der Leistungsbatterien, aber wenn Toyota mit Panasonic zusammen entscheidet, dass Li-Ion noch nicht reif ist, dann sollte dies als ein Expertenurteil gelten (immerhin müssen sie Ihr Geld dort investieren, wo ihre Versprechen sind). Neben diesen Problemen, gibt es noch ein ganz anderes umwelttechnisches Problem, Batterien sind Umweltschweine. Die Herstellung und Entsorgung ist nicht nur extrem teuer, sie ist auch aus ökologischen (und ich meine hier ECHTEN ökologischen) Gesichtspunkten nicht ganz kosher.

Bedeutet dies, dass aus für den Hybridantriebsstrang in den unteren Klassen? Mit Nichten. Eine andere Möglichkeit ist die Kombination in einem Antriebsstrang, der dem Betriebskonzept des Chevy Volt gleicht. Der elektrische Energiespeicher wird nur als Range-Extender genutzt, d.h. er rekuperiert und unterstützt einen verbrauchsoptimierten Dieselmotor/Benzinmotor. Das Ziel hierbei ist eine generelle Konstantfahrt bei z.B. 160 km/h zu erlauben und den Range-extender die Leistungsspitzen bei Beschleunigung und Bremsen abfangen zu lassen. Es würde den Energiespeicher von einem Speicher mit hoher Energiedichte, zu einem Speicher mit hoher Leistungsdichte verschieben. Elektrische Speicher mit hoher Leistungsdichte findet man nicht in der Elektrochemie, jedoch in den elektro-statischen Speichern: Kondensatoren. Und um hier einie geeignete Energiedichte zu erhalten, müssten Doppelschichtkondensatoren genutzt werden. Ein passender Antriebsstrang wäre auf der Abbildung oben zu sehen.

Ich werde ein etwas ausführlicheres Konzept vielleicht demnächst einmal vorstellen. Das Problem ist natürlich die richtig gesteuerte Einbindung eines Energiespeichers in den Zwischenkreis. Die Frage, warum kein leistungsverzweigter Antriebsstrang gewählt wurde, liegt in der Tatsache, dass ein mechanisches Getriebe zwar in einem Punkt pro Schaltung einen optimalen Wirkungsgrad hat, aber diesen schnell verliert, wenn er davon abweicht und dadurch den Motor in einen ungünstigen Betriebspunkt bringt. Eine Generator-Motor Getriebekonstruktion hat den Vorteil, dass man die Geschwindigkeitskontrolle vom Verbrennungsmotor abkoppelt und gleichzeitig bei hohem Wirkungsgrad und einer maximalen Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute eine ungefähre maximale Geschwindigkeit von 225 km/h erreichen kann. Dies sollte ausreichen für alle gewöhnlichen Autobahnfahrten in Deutschland.