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.

Mobilität auf der Schiene – Vergleich USA vs Europa

Immer wieder weißen Intellektuelle in den USA auf das tolle europäische Schienen Netz hin und immer wieder bezeichnen Europäer die USA als unterentwickelt, da sie mehr Autos besitzen als Bahnfahrten planen.

Man muss jedoch hier ergänzen, dass die Europäer einfach ineffizienter sind. Wir haben uns hier dafür entschieden den verlustreichen Weg über die Personenbeförderung auf der Schiene zu gehen. Das sind natürlich Prestigepojekte, wie der Bau der Keops-Pyramide im alten Ägypten. Sie sind sichtbar, man kann mit Ihnen angeben und sie sind sehr sehr teuer. Die Folge ist, dass Frachtverkehr in Deutschland fast ausschließlich Nachts und selbst dort zu hohem Preis getätigt wird. Gleichzeitig bevorzugen unsere ach-so-tollen umweltschützenden Politiker (und Bürger), dass die Fracht von stinkenden Diesel-LKWs transportiert wird, anstatt von E-Zügen. Ich dachte das elektrisches Fahren als neuer grüner Trendsport gilt? Warum dann also nicht das hohe Verkehrsaufkommen auf die Schiene verlegen, immerhin sind NFZ eine große Blockade auf Autobahnen in D.

Die Amerikaner haben sich hier für einen anderen, wesentlich sinnvolleren Weg entschieden. Sie transportieren einen Großteil ihrer Fracht mit der Bahn. Das sieht keiner, weil sie mit ungefähr 25 km/h (etwa so schnell wie ein Schiff) von der West- zur Ostküste bzw. umgekehrt fahren. Sie sind langsam, sie sind häßlich und sie sind unsichtbar, wenn man sich nicht gerade für Frachtverkehr interessiert. Sie sind kein Prestigeprojekt, mit dem man groß angeben kann. Aber man kann als Ami darauf stolz sein.

Es wäre schön so viel Realismus und Rationalismus auch bei uns in Europa zu sehen.

Die Bahn – Eine Mobilitätsalternative?

Oftmals wird nach Alternativen zum Automobile im Zusammenhang mit privater Mobilität die Eisenbahn genannt. Dazu muss ich jedoch einige wichtige Sachen klarstellen. Dies sind 3 verschiedene Ansätze, die jeweils ein Themengebiet abdecken:

1. Verbindungen und Infrastrukturproblematik
2. Kapazitätsgrenzen und Kosten
3. Energieeffizienz

Das Netz der DB in Deutschland ist eines der großflächigsten und am Besten ausgebauten(zusammen mit dem Schweizer und dem französischen Netz). Fast jede Ecke Deutschlands wird über Regionalzüge verbunden, die wiederum an großen Hubs andocken, von welchen die Schnellzüge den Rest Deutschlands verbinden. Dennoch haben Bahnen einen sehr großen Nachteil, sie fahren auf Schienen. Eine Schiene ist teuer zu bauen und teuer zu warten, dazu kommt das Steigungen Bahnen vor große Probleme stellen. Deshalb musste für die Verbindung Köln-Frankfurt auch das Mittelgebirge überbrückt und untertunnelt werden. Kostenpunkt für nur 200 km waren hier über 5 Milliarden €. Ein Kilometer Schienenstrecke kostete hier unglaubliche 30 Millionen Euro! Die Wartung ist in diesem Betrag noch nicht einmal drinnen.

Doch selbst wenn wir jedes noch so kleines Kaff an die Bahn anschließen würden, so müsste man 4 oder 6-fache Schienenstränge nebeneinander legen, um Überholvorgänge und hohe Kapazitäten zu erlauben, die kosten würden sich nicht versechsfachen, sondern wohl eher das 12-fache kosten. Gleichzeitig müsste ein neues Hochleistungsregelzentrum gebaut und entwickelt werden, um den Verkehr zu regeln. Im Gegensatz zum Auto ist der Schienenverkehr kein chaotisches System, dass auf individuelle Akteure und deren Intelligenz setzt, sondern ein System das von oben geregelt und geplant werden muss.

Doch hier hören die Probleme nicht auf, denn auch die Kapazitätsgrenzen des Netzes sind heute schon sichtbar. Frachtladungen sind in direkter Konkurrenz zu Passagiertransporten, was Frachtsendungen extrem teuer macht (Nachttransporte). Fracht auf der Schiene wird nur bei Entfernungen über 500 km überhaupt lukrativ für Sender und Sendenden. Heute schon stößt das Netz an seine Grenzen, was sich zeigt, wenn wieder einmal ein Zug sich verspätet, dann verspäten sich die nachfolgenden Züge gleichfalls, da Überholmöglichkeiten selten sind. Gleichfalls kann auf einer Autobahnspur etwa 3600 Fahrzeuge pro h durchlassen (Brilon et. al)

Zu Kosten sei zu sagen, dass ein mehr an Zügen noch lange nicht einem mehr an Einnahmen entspricht. Denn, während die Autos nur dann fahren, wenn die Fahrer sie wirklich benötigen, müssen Züge immer fahren, um eventuelle Fahrgastaufkommen abzupassen und erfüllen zu können. Dies führt zu Teillastzügen, die nur halbgefüllt sind und somit immer einen negativen Cashflow darstellen. Es ist leider nicht möglich Züge kurzfristig auf Kapazitätsnachfragen einzustellen, in dem Wagons zugeführt oder abgeführt werden (in Europa sind immer noch manuelle Kupplungen an der Tagesordnung!).

Selbst mit den in Deutschland sehr hohen Preisen macht die DB jährlich Millionen-Verluste, die nur durch Subventionen aufgefangen werden können. Nehmen wir den französischen Nachbarn, dessen Preise niedriger sind, dessen Verluste interessanterweise jedoch auch niedriger sind (trotzdem noch rote Zahlen!). Der Grund hierfür lässt sich am ehesten auf die kostenpflichtigen Autobahnen zurückführen. Dadurch werden die niedrigen Preise für viele Franzosen interessanter, weil schon 500 km Autobahn allein 25 € Gebühren kosten können (Wertverlust Automobil und Tankfüllung kommen noch hinzu!!!). Es zeigt sich hier, dass sich durch ökonomische Preisbildung auch die Wahl der Transportmodi verändern kann, wenn man sie nur lässt.

Letztlich wird die Bahn gerne als Green Transportation verkauft, was natürlich nicht stimmt. Erstens wird vorausgesetzt, dass aller Strom aus Solarzellen und anderen regenerativen Energiequellen kommt. Zweitens wird behauptet das die Züge im Normalfall gefüllt sind. Wenn dies zutrifft, dann ist die S-Bahn oder der Zug einem mit nur 2 Personen gefülltem Auto überlegen, was die Energieeffizienz betrifft.

Wenn jedoch realistischere Annahmen gemacht werden, dass nämlich er Strom der DB nicht aus regenerativen Quellen, sondern meist auch aus Kohle- und Kernkraftwerken kommt. Die DB bekommt sogar einige Kraftwerke, die direkt in Ihr Netz speisen:

• 12 Wasserkraftwerke
• 1 AKW
• 7 thermische Kraftwerke

Jetzt muss noch bekennen, dass Züge außer in Stoßzeiten normalerweise nur halbvoll oder teilweise leer sind. Dies gilt ins besondere für Straßenbahnen und Regiozüge. Die Folge hiervon ist, dass selbst ein Automobil ohne Beifahrer energieeffizienter und ökologischer ist als ein Zug.

Es zeigt sich also, dass weder aus wirtschaftlichen, noch aus kapazitativen, noch aus ökologischen Gründen die Bahn das Automobil ersetzen kann. Dies soll nicht bedeuten, dass die Bahn vollkommen chancenlos ist, jedoch muss man sehen worin ihre Chancen liegen. Es muss das Gesamtkonzept aus Hub-Spoke-Vernetzung für den Personenverkehr überdacht werden. Eventuell sollten Fernzüge gegenüber Regionalverbindungen bevorzugt und stattdessen der Busverkehr ausgebaut werden.

 

Quelle:

• Prof. Dr.-Ing. W. Brilon – Zufallscharakter der Kapazität von Autobahnen und praktische Konsequenzen
• Energieausnutzung: http://www.coyoteblog.com/photos/uncategorized/2008/08/04/transenergy.png
• Energieausnutzung S-Bahnen: http://coyote-blog.com/wordpress/wp-content/uploads/2009/08/light-rail-energy.gif
• Kosten von Schnellzugstrecken:http://www.mdr.de/fakt/aktuell/1174638.html