Vergleich unterschiedlicher Mobilitäts- und Fahrzeugkonzepte im Bereich der Elektromobilität

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Kurzfassung

Abstract

1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Methodik

2 Stand der Technik
2.1 Funktionsweise
2.1.1 Gleichstrommotor
2.1.2 Drehstrommotor
2.1.3 Reluktanzmotor
2.1.4 Hybridsynchronmotor
2.2 Energiespeicher
2.2.1 Batterie
2.2.1.1 Blei-Batterien (Pb/Pb02)
2.2.1.2 Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd)
2.2.1.3 Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH)
2.2.1 4 Natrium-Nickelchlorid-Batterien (Na/NiCI2) - Zebra-Batterien
2.2.1.5 Li-Ionen-Batterien
2.2.2 Wasserstoffspeicher
2.2.2.1 Druckwasserstofftank..
2.2.2.2 Flüssigwasserstofftank
2.2.2.3 Metallhydridspeicher
2.2.2.4 Brennstoffzelle
2.2.3 Sicherheit
2.2.31 Batterie
2.2.3.2 Wasserstoff
2.3 Antriebsarten
2.3.1 Elektrofahrzeuge
2.3.1.1 Brennstoffzellenbetriebene Elektrofahrzeuge (FCEV)
2.3.1.2 Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV)
2.3.2 Hybridfahrzeuge
2.3.2.1 Mikrohybrid
2.3.2.2 Mildhybrid
2.3.2.3 Vollhybrid (HEV)
2.3.2.4 Plug-In Hybrid (PHEV)
2.4 Infrastruktur
2.4.1 Ladevarianten
2.4.1.1 Konduktiv
2.4.1.2 Induktiv (stationär)
2.4.1.3 Induktiv (mobil)
2.4.1.4 Batteriewechselsystem
2.4.2 Ladestandorte
2.4.2.1 Ladestationen in privaten Haushalten
2.4.2.2 Ladestationen im halböffentlichen Raum
2.4.2.3 Ladestationen im öffentlichen Raum

3 Herausforderungen
3.1 Energiespeicher
3.1.1 Spezifische Energiedichte
3.1.2 Spezifische Leistungsdichte
3.1.3 Lebensdauer
3.1.4 Kosten
3.2 Infrastruktur
3.2.1 Ladestrategien
3.2.1.1 Ungesteuert
3.2.1.2 Preisvariabler Stromtarif
3.2.1.3 Ausgeglichene Ladeleistung im Netzabschnitt
3.2.2 Kommunikationsfähigkeit
3.2.2.1 Kommunikation zwischen Benutzer und Ladestation
3.2.2.2 Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladestation
3.2.2.3 Kommunikation zwischen Ladestation und Energieversorger
3.2.3 Ladestecker
3.2.4 Verfügbarkeit
3.2.5 Wirtschaftlichkeit von Ladestationen
3.2.5.1 Bezahlung pro geladener kWh
3.2.5.2 Pauschale pro Nutzung
3.2.5.3 Pauschale pro Zeitraum
3.2.5.4 Verwendung als Parkscheinautomat
3.3 Politische Rahmenbedingungen
3.3.1 Europa
3.3.2 International
3.3.2.1 Belgien
3.3.2.2 China
3.3.2.3 Dänemark
3.3.2.4 Deutschland
3.3.2.5 Großbritannien
3.3.2.6 Frankreich
3.3.2.7 Irland
3.3.2.8 Japan
3.3.2.9 Luxemburg
3.3.2.10 Norwegen
3.3.2.11 Portugal
3.3.2.12 Spanien
3.3.2.13 USA
3.3.3 National
3.3.3.1 Maßnahmen auf Bundesebene
3.3.3.2 Maßnahmen auf Landesebene
3.4 Auswirkungen auf das Energienetz
3.5 Standards und Normen
3.5.1 Ladestecker
3.5.2 Abrechnung
3.5.3 Kommunikation
3.5.4 Datensicherheit und Datenschutz
3.6 Umweltauswirkungen verschiedener Fahrzeugkonzepte
3.6.1 Umweltauswirkungen von Elektrofahrzeugen
3.6.2 Umweltauswirkungen von Wasserstofffahrzeugen
3.6.3 Umweltauswirkungen konventioneller Fahrzeugen
3.6.4 Vergleich der verschiedenen Antriebskonzepte

4 Mobilitätskonzepte
4.1 Fahrzeugkauf
4.2 Fahrzeugleasing
4.3 Batterieleasing
4.4 CarSharing
4.5 Ansatz der Firma „Better Place“
4.6 Mobilitätskonzepte bei einer größeren Verbreitung der Elektromobilität
4.6.1 Zweitnutzung der Batterie
4.6.2 Vehicle-to-Grid
4.6.3 Erweiterte Möglichkeiten für Infrastrukturbetreiber

5 Kostenvergleich der Mobilitätskonzepte
5.1 Fahrzeugkauf und Batterieleasing
5.1.1 2012
5.1.1.1 Elektrofahrzeuge
5.1.1.2 Konventionelle Fahrzeuge
5.1.2 2020
5.1.2.1 Elektrofahrzeuge
5.1.2.2 Konventionelle Fahrzeuge
5.1.3 Kostenvergleich der Antriebskonzepte
5.1.3.1 2012
5.1.3.2 2020
5.2 Fahrzeugleasing
5.2.1 Elektrofahrzeuge
5.2.2 Konventionelle Fahrzeuge
5.2.3 Kostenvergleich der Antriebskonzepte
5.3 Car-Sharing

6 Schlussbetrachtungen und Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Formelverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anhang

Danksagung

An dieser Stelle möchte sich der Autor bei all denjenigen bedanken, die ihn bei der Anferti­gung dieser Bachelorarbeit unterstützt haben.

Ein besonderer Dank gilt Dipl.-Ing. Tina Sovec, die die Betreuung dieser Arbeit trotz des da­mit verbundenen hohen Aufwands auf sich genommen hat. Sie ermöglichte durch ihre Be­treuung und ihre Hilfe erst diese Bachelorarbeit und trug durch konstruktive Hilfestellungen zu einer äußerst positiven Motivation bei der Erstellung ebendieser bei.

Der Verfasser dankt auch dem Leiter des Studienganges FH-Prof. Dr. Michael Bobik und allen involvierten Personen an der Fachhochschule Joanneum, die es ermöglichten, ein reichhaltiges Wissen im Zuge des Studiums erlangen zu können.

Nicht zuletzt möchte ich meinen Eltern danken, die mich mein ganzes Leben lang unterstützt haben und ohne die ich es niemals bis hierher geschafft hätte.

Kurzfassung

Die Einführung der Eiektromobilität wird als mögliche Zukunftstechnologie gesehen, um die Treibhausgasemissionen des Verkehrssektors zu reduzieren und die im Kyoto-Protokoll festgelegten Ziele Österreichs zu erreichen. Es ist derzeit jedoch noch umstritten, ob Elektro­fahrzeuge tatsächlich die Umweltauswirkungen des Verkehrssektors positiv beeinflussen können. Zudem wird Elektrofahrzeugen eine geringe Wirtschaftlichkeit und zu hohe Kosten vorgeworfen. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Umweltauswirkungen verschiedener Antrie­be zu vergleichen und eine Wirtschaftlichkeitsberechnung dieser unterschiedlichen Antriebs­arten durchzuführen. Die dazu notwendigen Daten wurden zum größten Teil durch Literatur­recherche in Büchern, wissenschaftlichen Studien, Berichten, Zeitschriften und Internetseiten zusammengetragen.

Es zeigt sich, dass Elektrofahrzeuge eine deutliche Reduzierung der verursachten Treib­hausgase bewirken können. Vorrausetzung dabei ist jedoch die Verwendung umweltfreundli­chen Stroms zur Ladung der Fahrzeugbatterien. Als besonders geeignet sind dabei Erneu­erbare Energieträger wie Wasserkraft, Windkraft und Sonnenenergie. Jedoch wird auch mit dem derzeitigen österreichischen Strommix eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen um etwa 72% gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen mit Ottomotoren erreicht. Bei Betrach­tung der Wirtschaftlichkeit zeigte sich, dass in fast allen Fällen der Kauf und Betrieb eines Elektrofahrzeugs derzeit deutlich teurer als die Anschaffung und Nutzung eines benzin- oder dieselbetriebenen Fahrzeugs ist. Einzig mit Hilfe des Mobilitätskonzepts „Batterieleasing“ ist es bereits günstiger bzw. gleich teuer ein Elektrofahrzeug anstatt eines vergleichbaren kon­ventionellen Fahrzeugs zu erwerben. Die eindeutigen Kostenvorteile des Elektrofahrzeugs liegen in geringen Betriebs- und Wartungskosten sowie steuerlichen Vergünstigungen. Ein großer Nachteil ist, neben dem Reichweitenproblem, der hohe Preis der Batterien. Diese Schwäche wird jedoch mit Hilfe des Batterieleasing-Konzepts umgangen bzw. wird auf Grund von fallenden Batteriepreisen im Jahr 2020 keinen großen Nachteil mehr darstellen. In diesem Jahr wird auch der Kauf eines Elektrofahrzeugs inklusive der Batterie auf die Nut­zungszeit gesehen günstiger sein als der Kauf eines vergleichbaren konventionellen Fahr­zeugs. Auch sollte bis ins Jahr 2020 das Reichweitenproblem auf Grund der Entwicklung neuartiger Batterietechnik beseitigt bzw. zumindest verringert worden sein.

Auf Grund dieser Erkenntnisse wird der Schluss gezogen, dass eine eventuelle Einführung von Elektrofahrzeugen die Treibhausgasemissionen des Verkehrssektors definitiv reduzieren wird und dadurch zum Erreichen der Klimaziele beiträgt. Voraussetzung ist jedoch, dass die­se Elektrofahrzeuge konventionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ersetzen und nicht zusätzlich betrieben werden. Während in Österreich bereits mit dem vorhandenen Strommix eine Reduzierung der Treibhausgase erreicht werden kann, ist in anderen Ländern wie Deutschland, die einen C02-intensiveren Strommix aufweisen, der Ausbau der Erneuerbaren Energien eine Bedingung für den umweltfreundlichen Betrieb der Elektrofahrzeuge. Aber auch in Österreich sollten Erneuerbare Energieträger nicht vernachlässigt werden und eine Erhöhung des Anteils ebendieser angestrebt werden, um die Treibhausgasemissionen der künftigen Elektrofahrzeuge weiter zu reduzieren. Auch zeigt sich, dass neuartiger Ge­schäftsmodelle und Mobilitätskonzepte benötigt werden, um Elektrofahrzeug zum heutigen Zeitpunkt bereits wirtschaftlich betreiben zu können. Dazu zählt vor allem der Ansatz des Batterieleasings, aber auch kommende, noch nicht definierte Modelle können dazu beitra­gen.

Abstract

The implementation of electric cars is seen as one way to reduce the emissions of the traffic sector and to achieve Austria’s goals in the Kyoto-Protocol. But it is controversial if this tech­nology is causing less greenhouse gas emissions than comparable gasoline vehicles. In ad­dition there is the general opinion that electric cars are not cost-effective. Therefore the aim of this thesis is to compare the impacts to the environment and make a cost effective analy­sis of different driving trains. The required data was gathered via literature research in books, scientific studies, reports, journals and websites.

It turned out that electric cars can reduce the emitted greenhouse gases of cars, under the condition that environmental friendly electricity is used to charge them. In particular, electrici­ty produced by renewable energy sources like hydro power, wind power or solar power is the most convenient source for charging electric cars. But also with the Austrian fuel mix the greenhouse gas emission of electric cars are about 72 % lower than those of gasoline cars.

Regarding the cost-effectiveness of electric cars, it turned out that the acquirement of battery electric vehicles (BEV) causes distinct higher costs compared to gasoline or diesel cars. But surprisingly it is nowadays already cheaper to buy a BEV and rent the battery instead of buy­ing a conventional vehicle. The unambiguous advantages of BEV - besides the lower emis­sions - are low operating and maintenance costs as well as fiscal benefits. A big disad­vantage - besides the range problem - is the current high price of the batteries. This draw­back can be avoided by leasing the battery. In addition the battery prices will decrease until the year 2020. In 2020 also the mobility concept of buying the car with the battery should be more cost effective than buying a gasoline or diesel car. Furthermore it is assumed that the range problem will be solved or at least reduced due to novel battery technologies.

Due to the findings it can be concluded that an implementation of electric vehicles (EV) will definitely reduce the greenhouse gas emissions of the traffic sector and therefore will con­tribute to achieving the set goals of the Kyoto-Protocol. Precondition is that the electric cars replace conventional gasoline or diesel cars instead of being used in addition to them. While EV in Austria cause already very low carbon emissions due to Austria's environmental friend­ly fuel mix, the ratio of renewable energy sources in the fuel mix of other countries like Ger­many needs to be increased. Moreover it is evident that there is a need for new business models, in order to reduce the costs of electric cars. One example is the already used model of leasing the battery, but also new, yet unknown models can be applied.

1 Einleitung

ln dem folgendem Kapitel werden die Hintergründe und Ziele dieser Arbeit sowie die Heran­gehensweise bei der Ausarbeitung beschrieben.

1.1 Problemstellung

Im Jahr 2009 betrugen die Treibhausgasemissionen in Österreich ca. 80,1 Mio. t C02- Äquivalent^[1]. Damit liegt Österreich rund 11,3 Mio. t C02 von dem im Kyoto-Protokoll verein­barten Zielwert entfernt. Der Verkehrssektor verursachte 27,1 % der Treibhausgasemissio­nen in Österreich und stellte somit nach dem Industriesektor mit 28,1 % den zweitgrößten Verursacher von Treibhausgasen dar. Auf Abbildung 1.1 sind die Änderungen der Treib­hausgasemissionen in den verschiedenen Sektoren zwischen 1990 und 2009 ersichtlich.

Der Verkehrssektor hatte mit einem Plus von 7,6 Mio. t Cö2-Äquivalent bzw. 54,4 % den größten Zuwachs aller Sektoren im Zeitraum von 1990 - 2009. Gegenüber 2008 konnte zwar ein Rückgang um 4 % verzeichnet werden, der Kyoto-Zielwert im Verkehrssektor wurde dennoch um 2,8 % verfehlt. Größtenteils ist die Minderung gegenüber dem Vorjahr auf die schwache Konjunktur im Inland und Ausland, der verminderten Nachfrage nach Gütertrans­portleistungen und einem gestiegenen Anteil an Biokraftstoffen zurückzuführen. Bei einer Konjunkturerholung werden Gütertransportleistungen wieder zunehmen und damit zu einer Erhöhung der Treibhausgas-Emissionen im Verkehrssektor führen. [Anderl et al., 2011]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1 : Änderung der Emissionen zwischen 1990 und 2009

(Quelle: Umweltbundesamt, 2011)

Diese Entwicklungen stehen im Gegensatz zu relevanten umweltpolitischen Zielsetzungen. Österreich hat sich zum Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen von 2005 bis 2020 um 16% zu reduzieren und den energetischen Endverbrauch bis 2020 auf dem Niveau von 2005 zu stabilisieren. Zusätzlich gibt die EU das Ziel vor, die Erderwärmung auf 2 °C zu begren­zen. Um dieses Ziel zu erreichen werden Absenkungen der Treibhausgasemissionen in den industrialisierten Staaten um 80 bis 95 % als notwendig erachtet.

Das bedeutet jedoch, dass der Verkehrssektor bzw. im Speziellen der Personenverkehr bis 2050 weitgehend emissionsfrei werden muss. [Lichtblau et al., 2010]

Hierbei ist neben dem Ausbau des öffentlichen Verkehrs vor allem der forcierte Einsatz von alternativen Antriebstechnologien bei Personenkraftwagen (PKW) von großer Bedeutung. Die Einführung der Elektromobilität wird als eine der aussichtsreichsten Möglichkeiten ange­sehen, um die Treibhausgasemissionen und den Energieeinsatz in diesem Sektor zu redu­zieren. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass die Anstrengungen, Elektromobilität serienreif und konkurrenzfähig zu machen, verstärkt werden und ökonomische, rechtliche und infra­strukturelle Vorrausetzungen geschaffen werden, um die Technologie wettbewerbsfähig zu machen. Die Geschwindigkeit der Marktdurchdringung hängt im Wesentlichen von der wirt­schaftlichen Konkurrenzfähigkeit bzw. dem Erreichen wettbewerbsfähiger Gesamtkosten ab. Ab diesem Zeitpunkt werden Förderungen zwangsläufig auslaufen oder nur noch punktuell zum Einsatz kommen. Folglich bleiben der Ölpreis wie auch die Besteuerung von Fahrzeu­gen, Strom und Treibstoff substanzielle Einflussfaktoren der weiteren Entwicklung.

Das Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT) hat sich als Ziel gesetzt, den Einsatz alternative Kraftstoffe bis 2020 auf 20 % zu steigern und hält es für rea­listisch, dass bis 2020 etwa 200.000 Elektrofahrzeuge (sogenannte Electric Vehicle oder EV) und Plug-In Hybridfahrzeuge (sogenannte Plug-In Hybrid Electric Vehicle oder PHEV) auf Österreichs Straßen fahren werden, [bmvit, 2009; bmvit, 2010]

Um diesen hohen Marktanteil zu erreichen muss jedoch eine hohe Attraktivität beim End­kunden erreicht werden. Hierzu zählt neben Kosten und Image auch die Erfüllung der Mobili­tätsbedürfnisse. Obwohl rund 90 % aller mit einem PKW zurückgelegten Strecken unter 50 km liegen, bedarf es neben der Bereitstellung von Elektrofahrzeugen auch einem Gesamt­konzept an öffentlichen Verkehrssystemen, Ladestationen und Informationssystemen, [bmvit, 2009]

Die Mobilität ist zu einem zentralen Bedürfnis unserer heutigen Gesellschaft geworden. Eu­ropaweit entstehen derzeit zahlreiche Elektromobilitätsregionen mit unterschiedlichen Ziel­setzungen und Rahmenbedingungen. Eine der größten Herausforderungen aller Modellregi­onen ist die Lösung vom Aufbau der Infrastruktur mit passenden Ladestationen, Abrech­nungssystemen, Geschäftsmodellen für den Verkauf bzw. das Leasing von Elektrofahrzeu­gen und Telekommunikationssystemen.

Im Allgemeinen werden die C02-Emissionen des PKW-Verkehrs bis zum Jahr 2050 um ca. 20 % sinken, bedingt durch Effizienzsteigerung bei konventionellen Antrieben. Durch die Einführung der Elektromobilität und dem prognostiziertem Zuwachs des Anteils am Gesamt­fahrzeugbestand auf 74 % bis 2050 ließen sich die C02-Emissionen um etwa 80 % von der­zeit ca. 10 Mio. t auf 2 Mio. t im Jahr 2050 verringern. [Lichtblau et al., 2010]

Aktuell gibt es keine andere Technologie, mit der eine Einsparung in einem solchen Ausmaß erreicht werden kann. Nur sehr einschränkende Maßnahmen wie flächendeckende Fahrver­bote oder drastische Erhöhungen der Kosten würden zu ähnlichen Ergebnissen führen. Aus diesem Grund ist die Einführung der Elektromobilität von großer Bedeutung.

1.2 Zielsetzung

Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, den aktuellen Stand der Technik der Elektromobilität darzustellen und die Herausforderungen für die großflächige Markteinführung von Elektroau­tos zu klären. Im Speziellen soll auf die verschiedenen Fahrzeugarten, Batteriearten und derzeitige Fördersituation sowie die Probleme und Herausforderungen der Ladeinfrastruktur und der Abrechnung eingegangen werden.

Außerdem werden unterschiedliche Geschäftsmodelle im Bereich der Elektromobilität be­schrieben und Elektrofahrzeugen mit Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren und alternativen Antrieben verglichen. Hierbei soll aufgezeigt werden, ob Elektrofahrzeuge wirklich einen Bei­trag leisten können, um die Klimabilanz des Verkehrssektors in den nächsten Jahren zu ver­bessern, und ob es nicht eine bessere Alternative gibt.

1.3 Methodik

Die angewandten methodischen Werkzeuge sind sowohl primär- als auch sekundärstatis­tisch. Sekundärstatistisch wird an das der Arbeit zu Grunde liegende Thema durch Literatur­recherche in Büchern, Zeitschriften und Internetseiten herangegangen. Aufgrund der Aktuali­tät der Thematik und der fortwährend neu erscheinenden Studien werden vor allem wissen­schaftliche Studien, Berichte und Vorträge an Tagungen als Literatur herangezogen.

Im Anschluss werden mit Hilfe eigenständiger Berechnungen sowohl die Umweltauswirkun­gen als auch die Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Antriebstechnologien berechnet und verglichen.

2 Stand der Technik

Elektromotoren im Allgemeinen haben zahlreiche Vorteile für den Betrieb von Elektrofahr­zeugen:

- Bereits von Beginn an kann das maximale Drehmoment erreicht werden. Die Be­schleunigung von Elektrofahrzeugen ist daher vergleichbar mit derer von konventio­nellen Antrieben wie Ottomotoren oder Dieselmotoren.
- Es sind keine Getriebe und keine Kupplung erforderlich. Der Elektromotor ähnelt in seiner Charakteristik einem konventionellen Antrieb mit aufwändigem Automatikge­triebe. Durch den Wegfall von Getriebe und Kupplung verringert sich auch die Anzahl an Verschleißteilen, wodurch die Wartung eines Elektrofahrzeugs kostengünstiger wird.
- Radnabenantriebe ermöglichen einen Betrieb nach vielfältigen Kriterien: Vier- oder Zweiradantrieb an Vorder- oder Hinterachse, Einschaltung paarweise abhängig von der Leistungsanforderung und elektronisch steuerbare Stabilisierung der Fahrdyna­mik. Zusätzlich führen Radnabenantriebe zu mehr Möglichkeiten in der Designgestal­tung eines Fahrzeugs durch den Wegfall des Motorblocks.

Elektromotoren kommen schon in vielen Situationen zum Einsatz, zum Beispiel bei Hubstap­lern oder Hochgeschwindigkeitszügen. Die weitverbreitete Ansicht, dass die in diesen Situa­tionen zur Anwendung gebrachten Elektromotoren ausreichend für elektrische Automobile sind entspricht nicht dem tatsächlichen Sachverhalt. Die Anforderungen an den elektrischen Motor in Hinsicht auf eine konstante Leistungsabgabe in einem großen Drehzahlbereich sind bei Weitem anspruchsvoller als zum Beispiel bei einem Hochgeschwindigkeitszug, dessen Steigfähigkeit weitaus geringer sein muss als die eines Straßenfahrzeugs.

Die Ansprüche an Elektromotoren als Antriebe ähneln jenen von Wärmekraftmaschinen: Hohe volumen- und massenbezogene Leistung, hoher Wirkungsgrad, geringer technischer Aufwand und niedrige Herstellungskosten.

2.1 Funktionsweise

Alle Arten von Elektromotoren funktionieren auf Grund elektrisch generierter elektromagneti­scher Felder, die durch Induktion magnetische Kräfte verursachen. Das magnetische Feld kann dabei in gleicher Lage bleiben (Gleichstrommotor) oder sich drehen (Drehstrommotor).

Die beeinflussenden Größen der elektrischen Energie sind die Spannung U und der Strom I. In Bezug auf die mechanische Energie sind das Drehmoment M und die Drehzahl wichtig. Nach dem Motorenprinzip wirkt auf einen geraden Leiter mit Länge und Richtung t, durch den ein Strom I in einem homogenen magnetischen Feld В fließt, die Ablenkkraft F.

Beeinflusst durch die Lorentzkraft verschieben sich die Elektronen längs des Leiters, bis das von ihnen verursachte Gegenfeld den Einfluss des Magnetfelds kompensiert. Die induzierte elektrische Ringspannung U berechnet sich für die Leiterschleife im Magnetfeld nach dem faradayschen Induktionsgesetz. [Gerl, 2002]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

A ist ein Vektor, der vertikal zu der Fläche der Leiterschleife steht und dessen Betrag der Größe der Fläche entspricht. Es wird nur eine Spannung induziert, wenn sich der Fluss durch die Leiterschleife in Abhängigkeit von der Zeit ändert. Dies geschieht wenn sich das Magnetfeld periodisch ändert oder sich die Schleife im feststehenden Magnetfeld dreht. Ist der Stromkreis geschlossen, fließt in der Leiterschleife elektrischer Strom, der immer so gerichtet ist, dass sein Magnetfeld der Induktionsursache entgegenwirkt.

Das auf die Leiterschleife wirkende Drehmoment M ist linear zum Magnetfeld B, zur Fläche A und zum durch die Leiterschleife fließenden Strom I. [Gerl, 2002]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anders als Verbrennungkraftmaschinen können Elektromotoren im 4-Quadrantenbetrieb arbeiten. Das bedeutet, dass der Elektromotor in beide Drehrichtungen, wie in Abbildung 2.1 ersichtlich als Antrieb und Bremse betrieben werden kann. Zusätzlich kann er im Bremsbetrieb als Generator verwendet werden, um die Bremsenergie durch Rekupation in einem Energiespeicherzu speichern.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Drehmoment-Drehzahl-Diagramm eines Elektromotors

(Quelle: Wallentowitz et al., 2010)

Zusätzlich können Elektromotoren kurzzeitig oberhalb der Nennleistung im gesamten Über­lastbereich betrieben werden, ohne das der Motor beschädigt wird. Man unterscheidet somit zwischen Nennleistung und Maximalleistung. Vom Stillstand bis zur Nenndrehzahl n bleibt das maximale Drehmoment konstant, wodurch die Leistung mit steigender Drehzahl zu­nimmt. Oberhalb der Nenndrehzahl befindet sich der Feldschwächebereich, in dem die ab­gegebene Leistung des Motors konstant bleibt. Daher fällt das Drehmoment über den Verlauf ab.

Unter der Annahme, dass die zum Antrieb des Elektrofahrzeugs erforderliche Energie aus Batterien stammt, wird noch zusätzliche Hardware im Fahrzeug benötigt, die sogenannte Leistungselektronik. Neben Gleichstromwandlern und Wechselrichtern, die benötigt werden um einen Elektromotor an einer Gleichstromquelle zu betreiben, finden sich Wechselstrom­richter und Gleichrichter. Gleichrichter sind notwendig um den durch Rekuperation gewon­nenen Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, da nur dieser in der Batterie gespeichert werden kann.

Derzeit gibt es eine Vielzahl an Antrieben auf dem Markt, die sich hauptsächlich in der erreichbaren Leistung und Drehzahl und im Wirkungsgrad unterscheiden. Die wesentlichen Unterschiede sind auf Tabelle 2.1 ersichtlich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Vergleich der unterschiedlichen Ausführungen von Elektromotoren

(Quelle: Eigene Darstellung nach Wallentowitz et al., 2010)

Für den Einsatz in einem Straßenfahrzeug stehen folgende Elektromotoren zur Verfügung:

- Gleichstrommotor
- Gleichstromreihenschlussmotor
- Gleichstromnebenschlussmotor
- Drehstrommotor
- Asynchronmotor
- Synchronmotor
- Permanent erregter Synchronmotor
- Fremderregter Synchronmotor
- Spezialmotor
- Bürstenloser Gleichstrommotor
- Transversalflussmotor
- Geschalteter Reluktanzmotor
- Hybridsynchronmotor

Neben dem einfachen Gleichstrommotor kommen auch Synchron- und Asynchronmotor sowie Reluktanzmotoren zur Verwendung im Elektrofahrzeug in Frage. Die Funktionsweisen werden in den folgenden Unterkapiteln erläutert.

2.1.1 Gleichstrommotor

Bei Gleichstrommotoren wird der Ankerleiter mittels Kollektoren geschaltet, um die Strom­richtung an die Feldrichtung anzupassen. Diese haben Kontakt mit dem Ankerleiter über Bürsten. Durch dieses Funktionsprinzip wird die Drehzahl der Gleichstrommotoren auf 7000 min1 reduziert. [Stan, 2005]

Gleichstromnebenschlussmotoren haben den Vorteil, dass sie bei höheren Drehzahlen keine Leistungsabnahme haben wie zum Beispiel Drehstromasynchronmotoren. Ein weiterer Vorteil des Gleichstrommotors ist, dass die Energie der Batterie sofort ohne einen Wechselrichter genutzt werden kann. Es wird lediglich ein Leistungswandler benötigt, der die Spannung steuert. Dieser Vorteil relativiert sich jedoch auf Grund des geringeren Wirkungsgrades verglichen mit einer Synchron- oder Asynchronmaschine und dem höheren Verschleiß beispielsweise bei den Bürsten, die die Spulen des Motors umpolen.

Zusätzlich hat der benötigte Kommutator einen größeren axialen Platzbedarf, was als größ­ter Nachteil der Gleichstrommotoren gilt.

2.1.2 Drehstrommotor

Für den Betrieb von Drehstrommotoren wird ein Dreiphasenwechselstrom benötigt. Dreh­stromasynchronmotoren sind sehr kostengünstig produzierbar und erlauben auf Grund ihrer Bauart höhere Drehzahlen als Gleichstrommotoren, bis ca. 14 000 min'1. Sie zeigen jedoch bei höheren Drehzahlen einen quadratisch abnehmenden Drehmomentverlauf [Stan, 2005]. Möchte man also sowohl eine Steigfähigkeit von mindestens 25 % und eine Endgeschwin­digkeit über 130 km/h, müssen sie dementsprechend überdimensioniert werden, wodurch Gewichts- und Kostennachteile entstehen. [Schmitz, 2009]

Drehstromsynchronmotoren sind wegen der notwendigen elektrischen Erregung komplexer aufgebaut als Asynchronmotoren, verfügen jedoch auf Grund der synchronen Phase von Strom und Spannung über einen höheren Wirkungsgrad. Besonders der permanent erregte Synchronmotor weißt einen sehr hohen Wirkungsgrad im Nennpunkt und sehr geringe Ro­torverluste auf. Letzteres führt zu kompakteren Abmessungen verglichen mit stromerregten Maschinen mit gleicher Nennleistung. Auf Grund des durch den Magnetgehalt definierten Grenzmoments sind permanent erregte Motoren den stromerregten im Kurzzeitbetrieb unter­legen.

Da im Praxisbetrieb hauptsächlich Fahrzustände im tiefen Teillastbereich des Antriebmotors überwiegen, wirken sich die für permanent erregte Motoren typischen hohen Eisenverluste sehr negativ aus. Auch kann ein permanent erregter Motor bei Ausfall des Umrichters, der zwischen den Phasen umschaltet, ein sehr großes Drehmoment aufbauen und somit zu einem Sicherheitsrisiko werden. Ein weiteres Problem bei Synchron- und Asynchronmotoren ist, dass ein bidirektionaler Hochleistungswechselrichter benötigt wird, der die Batteriespan­nung in eine dreiphasige Spannung umwandelt und umgekehrt. Die dadurch hervorgerufene höhere Effizienz wird durch höhere Kosten geschmälert.

2.1.3 Reluktanzmotor

Reluktanzmotoren beruhen auf dem Prinzip, dass sich ein magnetisierbarer, aber selbst un­magnetischer Körper in der Richtung des äußeren Feldes ausrichtet. Sie zeichnen sich durch eine sehr einfache Bauart und hohe Robustheit aus. Allerdings wird eine hohe Drehmomen­tausbeute nur mit Pulsströmen erreicht, die neben momentbildenden auch pulsierende radia­le Kräfte hervorrufen. Diese lassen den Stator zu einer sehr lauten Körperschallquelle wer­den, wodurch sie zurzeit noch ungeeignet für den öffentlichen Straßenverkehr sind. Gegen­wärtig ist die komplizierte Regelung für ein konstantes Drehmoment und eine konstante Drehzahl wie auch die Geräuschoptimierung noch nicht zufriedenstellend gelöst.

2.1.4 Hybridsynchronmotor

Durch Kombination des Reluktanzprinzips und des Prinzips der permanenten Erregung kön­nen die Vorteile beider Antriebsarten verwendet werden ohne dass die jeweiligen Nachteile zu sehr Einfluss nehmen. Dies beruht auf der Tatsache, dass sich bei linear abnehmenden Grundeigenschaften die Nachteile quadratisch zurückbilden. Tragen zum Beispiel Magnete nur 50% zur Erregung bei, belaufen sich die durch sie verursachten Verluste nur noch 25% eines ausschließlich permanent erregten Motors. Diese trifft auch auf die Nachteile des Re­luktanzprinzips zu. Bisher war es jedoch nicht möglich, solche Motoren zu bauen, da an den in Hybridsynchronmotoren verwendeten Magnetwerkstoff weitaus höhere Anforderungen gestellt werden als in permanent erregten Motoren. Mit diesem Motor lässt sich eine Fahrdy­namik erzielen, die heute von einem Auto erwartet wird.

2.2 Energiespeicher

Energiespeicher sind Systeme, die mechanische, thermische, elektrische oder chemische Energie speichern und bei Bedarf als elektrische oder thermische Energie abgeben können. Bei Fahrzeugen kommen diesbezüglich hauptsächlich chemische Energiespeicher, wie Bat­terie, Wasserstoff oder Kraftstoff, infrage. Fahrzeuge, die mechanische Energiespeicher wie Druckluft nutzen, sind noch nicht marktreif und bilden eher ein Nischenprodukt. Aus diesem Grund werden sie in dieser Arbeit nicht näher behandelt.

Jeder dieser chemischen Energiespeicher hat seine individuellen Vor- und Nachteilen, die in den nächsten Kapiteln näher erörtert werden.

2.2.1 Batterie

Die Speicherung von elektrischer Energie an Bord eines Fahrzeugs mittels Batterien war und ist einer der Gründe, weshalb der Elektroantrieb bisher noch keinen Durchbruch erlebt hat und ein Nischenprodukt darstellt. Reine Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge haben unter­schiedliche Anforderungen an die Batterietechnologie. Rein mit der elektrischen Energie ei­ner Batterie betriebene Fahrzeuge, sogenannte Battery Electric Vehicles (BEV), setzen ein großes Speichervermögen verbunden mit geringem Gewicht, geringem Volumen und niedri­gen Kosten voraus. Bei Hybridfahrzeugen ist dagegen überwiegend die Leistung für Be­schleunigungsvorgänge von Bedeutung. Aus diesem Grund werden wegen ihrer hohen Energiedichte hauptsächlich Nickel-Metallhydrid-Batterien benutzt.

In Tabelle 2.2 wird ein Überblick über die nachfolgenden, gegenwärtig in elektrischen und Hybrid-Fahrzeugen in Verwendung befindlichen, Batteriesysteme gegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2: Übersicht über Batteriespeichersystem (Quelle: Eigene Darstellung)

2.2.1.1 Blei-Batterien (Pb/Pb02)

Blei-Batterien sind sehr kostengünstig zu produzieren und stellen eine lang erprobte Techno­logie dar. Aus den offenen Bleisäurebatterien haben sich die geschlossenen Vlies- und Gel­konzepte entwickelt. Jedoch überwiegen die mit ihnen verbundenen Nachteile der geringen Energiedichte von nur 20 bis 40 Wh/kg (s. Abbildung 2.2), der Umweltschädlichkeit des Stoffs Blei und ihrer geringen Lebensdauer von nur etwa 750 Vollzyklen. Aus diesen Grün­den sind sie nur als Starterbatterien in konventionellen Fahrzeugen im Einsatz. [Pfaffenbich- ler et al., 2009; Wallentowitz et al., 2010]

2.2.12 Nickel-Cadmium-Batterien (NiCd)

Nickel-Cadmium-Batterien stellen ebenfalls eine ausgereifte Technik dar und verfügen über eine Energiedichte von etwa 40 bis 60 Wh/kg und ein gutes Tieftemperaturverhalten. Sie verfügen über eine hohe Lebensdauer und guten Schnellladeeigenschaften bei günstigen Herstellungskosten. Aufgrund der Umweltschädlichkeit des Stoffs Cadmium, einer hohen Selbstentladung von 10 %/Monat und ihres Me mory-Effekts werden sie jedoch nicht als der Energiespeicher für zukünftige Elektrofahrzeuge gesehen. [Pfaffenbichler et al., 2009; Wallentowitz et al., 2010]

2.2.1.3 Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH)

NiMH-Batterien besitzen eine theoretische Energiedichte von 215 Wh/kg, praktisch erreichen sie nur aber annähernd 80 Wh/kg, wie aus Abbildung 2.2 ersichtlich. Der erlaubte Tempera­turbereich liegt zwischen -40 und 50 °C. [Stan, 2005, ] Sie verfügen bei 5 % DOD (Anteil der entzogenen Energie an der vorhandenen Gesamtenergie in Prozent) über eine sehr hohe Zyklusfestigkeit von 160.000 Zyklen. Dieser Wert verringert sich jedoch sehr stark bei einer höheren Entladung und beträgt beispielsweise bei 80 % DOD nur noch 2.500 Zyklen. [Schuster, 2009]

Zusätzlich ist die Selbstentladung dieses Batteriesystems von rund 4-5 %/Tag bzw. ca. 20 - 25 %/Monat sehr groß und der mit den Batterien verbundene Memory-Effekt führt zu einer Verringerung der Spannung. . [Pfaffenbichler et al., 2009]NiMH-Batterien werden derzeit in Elektro- und Hybridfahrzeugen, wie dem Toyota Prius, eingesetzt Ihr Zukunftspotenzial ist jedoch auf Grund fehlender Optimierungsmöglichkeiten bezüglich der Batteriekapazität be­grenzt.

2.2.1.4 Natrium-Nickelchlorid-Batterien (Na/NiCI2) - Zebra-Batterien

Zebra-Batterien zählen zu den sogenannten Hochtemperaturbatterien, da der für sie erlaubte Temperaturbereich zwischen 280 und 350 °C liegt. [Stan, 2005] Aus diesem Grund benöti­gen sie ein externes Heizsystem, das trotz moderner Wärmeisolierung ca. 5 W pro kWh Speichervermögen benötigt. Aufgrund dieser benötigten hohen Heizleistung, die weit über den Selbstentladungswerten einer NiMH-Batterie liegt, verringert sich die Ladung der Batte­rien mit derzeit, obwohl sie von sich aus keine Selbstentladung haben.

Als Vorteil aller Zebra-Systeme gilt ihre fast vollkommene Außentemperaturunabhängigkeit. Weiters verfügen die Batterien über eine außergewöhnlich hohe theoretische Energiedichte von 796 Wh/kg, die in der Praxis jedoch auf 80 bis 120 Wh/kg begrenzt ist (s. Abbildung 2.2). Zusätzlich sind sie beinahe wartungsfrei und die beiden Ausgangsstoffe Nickel und Kochsalz vollkommen recycelbar. Zebra-Batterien haben sich als sehr robust erwiesen und können daher problemlos 5 Jahre oder 1700 Ladezyklen bei 80 % DOD überstehen. [Schuster, 2009] Sie werden hauptsächlich im Think City und in einem Flottenversuch in London mit Smart EV verwendet.

2.2.1.5 Li-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen Batterien sind zurzeit der am intensivsten erforschte Ansatz der Batterietech­nik, vor allem auf Grund ihres Potenzials für eine hohe Energiedichte und hohe Batterieka­pazitäten. Sie erreichen theoretisch bis zu 500 Wh/kg, praktisch liegen sie derzeit bei ca. 90 bis 118 Wh/kg. Zudem sind Li-Ionen-Batterien bei gleicher Kapazität ca. 30 % kleiner und etwa 50 % leichter als verfügbare NiMH-Batterien. Sie bieten schnellere Ladevorgänge, ge­
steigerte Lebensdauer von etwa 2.000 Zyklen bei 80 % DOD und höhere Leistungsdichten von 210 bis 912 W/kg. Der erlaubte Temperaturbereich für Lithium-Ionen-Zellen liegt zwi­schen -40 und 60 °C, wobei ihre Kapazität und Lebensdauer stark temperaturabhängig ist. Unterhalb von 0 °C sinkt die verfügbare Kapazität stark ab und Temperaturen über 30 °C haben negative Einflüsse auf die Lebensdauer. [Schuster, 2009; Kalhammeret al, 2007]

Auch die Selbstentladung der Batterie ist stark temperaturabhängig. Mit steigender Außen­temperatur steigt diese und entspricht bei Raumtemperatur mit ca. 1 - 5 %/Monat in etwa der Menge, die eine NiMH-Batterie pro Tag verliert. [Schuster, 2009] Ihre Nachteile liegen in einer sehr anspruchsvollen Herstellung, einer Alterung auch unabhängig von der Nutzung, wodurch sie eine Lebensdauer von ca. 5 Jahren hat, die negativen Auswirkungen einer voll­ständigen Entladung auf ihre Zyklusfestigkeit und der leichten Brennbarkeit von Lithium. [Pfaffenbichler et al., 2009] Letztere erfordert hohe Sicherheitsmaßnahmen für den Betrieb in einem Straßenfahrzeug.

Lithium-Ionen-Batterien werden mit unterschiedlichen Kathoden- und Anodenmaterialien sowie Elektrolyten gefertigt. Durch diese unterschiedlichen Materialien können die Eigen­schaften der Batterien stark beeinflusst werden. Aktuell wird auf Grund der geringeren Kos­ten, der hohen Leistungsdichte und der kurzen Ladezeiten sowie der hohen Sicherheit Lithi­umeisenphosphat (LiFeP04) als wichtigstes Kathodenmaterial bei einigen Batterieherstellern favorisiert.

2.2.2 Wasserstoffspeicher

Bei einer Temperatur von 20 °C und Umgebungsdruck besitzt Wasserstoff eine Dichte von 0,09 kgH2/m3 und einen Energiegehalt von 120 MJ/kg. Bedingt durch diese geringe volumet­rische Dichte ist es erforderlich den Wasserstoff aufzubereiten. Abhängig von der Aufberei­tung des Wasserstoffs werden unterschiedliche Technologien zur Speicherung verwendet, um den Wasserstoff im Fahrzeug zu speichern, welche nachfolgend näher behandelt wer­den. [Schuster, 2009]

2.2.2.1 Druckwasserstofftank

Ein Druckwasserstofftank speichert den Wasserstoff bei 700 bar, wodurch sich die Dichte des Wasserstoffs auf 40 kgH2/m3 erhöht. Die Betankung kann innerhalb weniger Minuten erfolgen und solange sich das System im erlaubten Bereich befindet treten keine Verluste während der Speicherung auf. In Zukunft ist dieses System zu favorisieren und bildet mit dem nachfolgend beschriebenen Flüssigwasserstofftank das derzeit meist verwendete Spei­chermedium im mobilen Bereich. [Schuster, 2009]

2.2.2 2 Flüssigwasserstofftank

Der Flüssigwasserstofftank speichert den Wasserstoff bei -252,88 °C, wodurch eine Dichte von 50-71 kgH2/m3 erreicht werden kann jedoch der Speicher mit hohem Aufwand wärme­isoliert sein muss. Die Betankung kann ebenfalls innerhalb weniger Minuten erfolgen, bei der Speicherung treten allerdings Verluste von rund 1 - 5 %/Tag auf. Flüssigwasserstofftanks werden auf Grund ihres Gewichts und Platzbedarfs hauptsächlich bei größeren und leis­tungsstärkeren Fahrzeugen, die täglich in Betrieb sind, verwendet. [Schuster, 2009]

2.2.2.3 Metallhydridspeicher

Metallhydridspeicher (MH-Speicher) absorbieren den Wasserstoff bei niedrigen Temperatu­ren und geben ihn bei höheren wieder ab. Auf Grund der sehr exothermen Reaktionen beim Einbinden des Wasserstoffs in den Metallstrukturen dauert die Betankung wesentlich länger als bei den anderen beiden Varianten und es müssen entweder der Wasserstoff oder das Tanksystem vorgekühlt werden. Die volumetrische Dichte ist mit 70 kgH2/m3 grundsätzlich sehr hoch, jedoch ist die gravimetrische Dichte (gespeicherte Energie in Beziehung zur Mas­se des Speichers), bedingt durch das hohe Gewicht des Tanks, geringer als bei den anderen zwei Tanks. Das bedeutet, dass MH-Speicher nur dort eingesetzt werden können, wo das Volumen wichtiger ist als das Gewicht des Tanks, wie beispielsweise in speziellen Anwen­dungen wie Gabelstaplern oder U-Booten. Neben dem hohen Gewicht sind außerdem die Materialkosten hoch und eine aufwendige Tankstelleninfrastruktur notwendig. [Schuster, 2009; O.A., o.J. b]

2.2.2 4 Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, die chemische Energie ohne den Zwischenschritt der Umwandlung in Wärme oder Kraft in elektrische Energie transformieren. Die durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser freigesetzte Energie wird in einer Batterie zwischengespeichert, die den Elektromotor speist. Der benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen, der erforderliche reine Wasserstoff wird entweder in einem Wasserstofftank mitgeführt oder einem Onboard-Reformer^[2] aus Erdgas oder Methanol gewonnen.

Im automobilen Sektor hat sich die Bauweise der PEM (Proton Exchange Membrane) Brennstoffzelle durchgesetzt, da diese sowohl ein gutes Startverhalten, eine hohe Leis­tungsdichte von 1 - 2 kW/kg als auch eine variable Leistungsabgabe von 1 - 100 kW hat. Der erlaube Temperaturbereich liegt zwischen -25 und 45 °C. Eine der größten technischen Probleme stellt das Feuchtigkeitsmanagement der Membran dar, da die polymerischen Foli­en einen gewissen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen müssen um einen optimalen lonenaus- tausch zu gewährleisten. Eine zu hohe Feuchtigkeit beeinträchtigt jedoch die Funktionen der Komponenten der Zelle und reduziert deren Leistungsabgabe und Lebensdauer. Unter opti­malen Bedingungen haben Brennstoffzellen eine Lebensdauer von ca. 5.500 h bzw. 80.000 km. [Wallentowitz et al., 2010; Schuster, 2009]

2.2.3 Sicherheit

Im nachfolgenden Kapitel wird das mit batterie- und wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen verbundene Sicherheitsrisiko erläutert.

2.2.3.1 Batterie

Beim Einsatz von Batterien können zahlreiche Sicherheitsprobleme auftreten. Durch mecha­nische Beschädigung können die Zellen auslaufen und sowohl Überladung und Überentla­dung als auch thermische Belastungen bringen hohe Gefahren mit sich. Als besonders ge­fährlich wird ein unkontrollierter Temperaturanstieg innerhalb der Zelle gesehen, der die Ge­fahr mit sich bringt, dass diese explodiert. Aus diesem Grund sind Zellen häufig mit Sicher­heitsventilen ausgestattet, welche bei Druckanstieg geöffnet werden und somit eine Explosi­on verhindern können.

Batterien benötigen somit eine crashsichere Unterbringung in einem korrosionsbeständigen Behälter, einen Überladeschutz, eine mikroprozessorgesteuerte Zellüberwachung und eine Vorrichtung zur Abblasung der Reaktionsgase in einem Fehlerfall.

Nach einem Bericht der kalifornischen Umweltschutzagentur kann den aktuell am Markt er­hältlichen Lithium-Ionen-Batterien ein hohes Maß an Sicherheit zugesprochen werden. Auch Nickel-Metallhydrid-Batterien stellen bei ordnungsgemäßer Verwendung keine Sicherheits­gefahr dar.

2.2.3.2 Wasserstoff

Generell ist die Verwendung von Wasserstoff nicht gefährlicher als die von Benzin. Jedoch ist Wasserstoff, wie auch Benzin, unter gewissen Umständen gefährlich und es müssen ver­schiedenste Sicherheitsaspekte beachtet werden, abhängig von der angewandten Spei­chermethode.

Die Speicherung Wasserstoffs mit 700 bar in Drucktanks gilt als die bedenklichste Form der Mitführung in einem Fahrzeug. Wasserstoff ist ein sehr flüchtiger Stoff, weshalb es im Freien im Falle eines Lecks schnell entweicht und anstatt sich um das Fahrzeug anzusammeln rasch nach oben steigt. In geschlossenem Räumen kann es jedoch zur Bildung eines explo­siven Luft-Gas-Gemisches kommen. Obwohl Automobilhersteller in den Fahrzeugen Was­serstoffsensoren verbauen, um bei einem eventuellen Leck sofort alle Ventile zu verschlie­ßen, werden wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sehr wahrscheinlich den gleichen Sicher­heitsvorlagen wie gasbetriebene Fahrzeuge unterliegen und deshalb nicht in geschlossenen Räumen parken dürfen.

In mehreren von BMW durchgeführten Sicherheitstests wurde die Unfallsicherheit von Flüs­sigwasserstofftanks bei Brand, Ausfall der Sicherheitsventile, Deformierung des Tanks und verschiedensten Unfallarten im Betrieb untersucht. Dabei wurden unter anderem die Flüs­sigwasserstofftanks Brandtests unterzogen, die über eine Stunde dauerten und mit fast 1.000 °C heißen Flammen durchgeführt wurden. Der verdampfte Wasserstoff entwich jedoch nur langsam und kaum wahrnehmbar über die Sicherheitsventile.

Auch bei Zerstörung unter hohem Druck und gleichzeitiger Blockierung der Sicherheitsventile wurde der Wasserstoff auf Grund der vorgesehenen Sollbruchstelle dosiert und sicher abge­blasen. Bei der Deformation der Wasserstofftanks durch massive Gegenstände wurden die Tanks zwar erheblich beschädigt, jedoch kam es auch hierbei zu keiner Explosion.

Neben den Tanktests wurden auch komplette Fahrzeuge getestet und Crashtests nach den allgemeinen Normen durchgeführt. Dabei wurden alle Anforderungen erfüllt und bewiesen, dass Wasserstofftanks bzw. -fahrzeuge im Betrieb ebenso sicher sind wie Benzin- oder Die­selfahrzeuge.

Die Speicherung des Wasserstoffs in Metallhydridtanks bietet sehr hohe Sicherheitsstan­dards. Da der Wasserstoff chemisch an das Metall gebunden ist und nur bei Zuführung von Wärme aus dem Metallhydrid gelöst wird, kann kein Gas aus dem Tank entweichen und an­gesammelt in geschlossenen Räumen ein explosives Wasserstoff-Luft-Gemisch bilden. Im Falle eines Unfalls und der damit verbunden Freisetzung von Wärme durch Feuer, entweicht der Wasserstoff über Sicherheitsventile und brennt kontrolliert ab. Auch bei Bränden im Be­reich der Gasleitung und der Brennstoffzelle ist der Speicher durch Rückschlagventile ge­schützt.

Allgemein hat Wasserstoff die Vorteile, dass es sich auf Grund seiner geringen Dichte schnell verflüchtig und eine sehr hohe Detonationsgrenze aufweist, wodurch es eher ver­brennt als zu explodieren. Erst ab einer Konzentration von 18 % Wasserstoff besteht die Gefahr einer Detonation. Die Zündtemperatur von Wasserstoff liegt mit 585 °C wesentlich höher als jene von Benzin, das sich bereits bei 220 - 280 °C an heißen Oberflächen entzün­den kann. Zudem sind die Flammen von Wasserstoff steil und weisen eine geringere Wär­mestrahlung als Benzin-Flammen auf, weshalb die Verbrennungsgefahr neben Wasserstoff- Flammen kleiner ist als bei Benzin. Auch ist es im Gegensatz zu Benzin nicht toxisch und stellt somit bei Freiwerden keine Gefahr für die Umwelt dar. [Ruff & Szamer, 2003]

Wasserstoff weißt jedoch den Nachteil auf, dass es in einem sehr großen Bereich zündfähig ist und wie bei Benzin ein Funken ausreicht, um es zu entzünden. Auch können sich in ge­schlossenen Räumen gefährliche Gemische bilden.

2.3 Antriebsarten

Folgendes Kapitel beschreibt die möglichen Antriebsvarianten bei vollkommener bzw. teil­weiser Elektrifizierung des Antriebsstranges.

2.3.1 Elektrofahrzeuge

Der Begriff Elektrofahrzeug bezeichnet verschiedene Antriebskonzepte denen gemein ist, dass der Elektromotor als alleiniger Energiewandler dient. Zu diesen zählen Brennstoffzel­len-, Batterie-, Solar und Oberleitungsfahrzeuge, von denen jedoch zurzeit nur Brennstoffzel­len- und Batterieelektrofahrzeuge als zukunftsfähig gelten. Solarfahrzeuge weisen derzeit einen Wirkungsgrad von maximal 24 % auf und Oberleitungsfahrzeuge haben eine schwer­wiegende Beeinträchtigung der Fahrtwege. [Wallentowitz et al., 2010] Aus diesem Grund werden nachfolgend nur die beiden Hauptentwicklungspfade beschrieben.

2.3.1.1 Brennstoffzellenbetriebene Elektrofahrzeuge (FCEV)

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Transportmittel mit Elektroantrieb, bei denen die benötigte elektrische Energie aus den Energieträgern Wasserstoff oder Methanol mittels einer Brenn­stoffzelle gewonnen wird. Verglichen mit anderen Antrieben weisen Brennstoffzellenfahrzeu­ge eine Reihe von Vorteilen auf, zum Beispiel eine hohe Reichweite von bis zu 450 km, ei­nen lokalen emissionsfreien Betrieb, die uneingeschränkte Verfügbarkeit von Wasser zur Wasserstoffproduktion und eine gute Fahrleistung bedingt durch die Verwendung eines Elektromotors.

Sie bergen jedoch noch bedeutende Nachteile, unter anderem die hohen Kosten der benö­tigten Komponenten, eine geringen Lebensdauer von gerade einmal vier bis sechs Jahren, die fehlende und zudem sehr aufwendige Infrastruktur der Wasserstoffversorgung und den zur Herstellung benötigten hohen Energieaufwand.

2.3.1.2 Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV)

Der Antriebsstrang eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs besteht im Wesentlichen aus Energiespeicher (in diesem Fall einer Batterie), Elektromotor und Steuergeräten. Werden die Elektromotoren als Radnabenmotoren ausgeführt, entfällt sogar das Differentialgetriebe. Elektrische Energie als Energieträger hat den großen Vorteil, dass man auf eine größtenteils vorhandene Infrastruktur der elektrischen Energieversorgung zurückgreifen kann. Aus die­sem Grund sind die Kosten zur Infrastrukturschaffung deutlich geringer als zum Beispiel bei Wasserstoff. Zusätzlich können BEV auch im Haushalt aufgeladen werden, womit sich der Ladeaufwand auf ein Minimum reduziert. Weiters weisen BEV keine lokalen Emissionen auf und sind mit Wirkungsgraden über 80 % wesentlich effizienter als Fahrzeuge mit Verbren­nungsmotoren. [Wallentowitz et al., 2010]

Einer der größten mit Elektrofahrzeugen assoziierte Nachteil ist die geringe Reichweite, die derzeit bei den meisten BEV unter 200 km liegt und somit eine deutliche Einschränkung ge­genüber konventionellen Antrieben darstellt. Dieser Nachteil relativiert sich jedoch bei ge­nauerer Betrachtung, da die durchschnittliche Fahrdistanz am Tag zwischen 16 und 26 km liegt. Daher wird dieser Nachteil eher als eine psychologische Hürde als ein technisches Problem gesehen. Da jedoch auch in Zukunft aus Käufersicht kein vollkommen rationales Verhalten erwartet werden kann und große Reichweite ein Grundbedürfnis vieler Kunden ist, sind Fortschritte im Gebiet der Speichertechnik essentiell für einen großflächigen Markterfolg der Elektromobile.

2.3.2 Hybridfahrzeuge

Hybridfahrzeuge bilden den Zwischenschritt von den konventionellen Antrieben zum rein elektrischen Fahren. Ein Hybridfahrzeug ist definiert als ein Fahrzeug, das mindestens zwei Energiewandler und zwei im Fahrzeug implementierte Energiespeicher besitzt, um das Fahr­zeug anzutreiben. Energiewandler sind in diesem Fall Otto-, Diesel- oder Elektromotoren mit ihren jeweiligen Energiespeichern wie z.B. Kraftstofftanks oder Batterien.

Der Gedanke hinter einem Hybridfahrzeug ist, dass zwei unterschiedliche Antriebe gemein­sam verwendet werden, um mit den Vorteilen des einen Systems die Nachteile des anderen auszugleichen. Die Nachteile der Verbrennungsmotoren liegen hauptsächlich in ihrem gerin­gen Wirkungsgrad im Teillastbereich und bei Lastwechselzuständen, sprich beim Antrieb aus dem Stillstand und dem Beschleunigen des Fahrzeugs. Zusätzlich produzieren sie lokal Ab­gase und Lärm und machen ihre Betreiber aus makroökonomischer Sicht abhängig von fos­silen Brennstoffen.

In diesen Bereichen liegen die Vorteile eines elektrischen Antriebs. Sie haben in einem brei­ten Betriebsbereich denselben Wirkungsgrad, verursachen lokal keine Emissionen und ihre Energiequelle „Elektrizität" kann auf verschiedene Varianten produziert werden. Jedoch be­sitzt der Elektroantrieb derzeit noch Nachteile, die eine gemeinsame Verwendung von Elekt­ro- und Verbrennungsmotor sinnvoll machen. Als Hauptproblem ist hier die Frage der Ener­giespeicherung und der damit verbundenen geringen Reichweite zu nennen. Die verschie­denen Möglichkeiten zur Energiespeicherung bieten zurzeit nicht die Möglichkeit die von Kunden geforderte Reichweite von über 500 km zu gewährleisten. Aus diesem Grund scheint es sinnvoll, zunächst Verbrennungsmotoren zur Reichweitenerhöhung zu verwenden um elektrische Antriebe am Markt einzuführen.

Die verschiedenen Hybridkonzepte unterscheiden sich hauptsächlich im Anteil der elektri­schen Komponenten. Als Indikatoren gelten die Leistung des Elektromotors und die elektrisch realisierten Nebenfunktionen. Beruhend auf dieser Definition haben sich die vier Klassen Mikrohybrid, Mildhybrid, Vollhybrid und Plug-In Hybrid gebildet, wie in Abbildung 2.3 ersichtlich.

2.3.2.1 Mikrohybrid

In Mikrohybriden werden ausschließlich der Anlasser und die Lichtmaschine durch einen leistungsfähigeren Starter-Generator ersetzt. Die Kapazität der Batterie wird minimal vergrö­ßert, um ausreichend Energie für den Startvorgang zu besitzen. Die Leistung der Elektroma- schine liegt für gewöhnlich unter 5 kW, die Bordspannung bleibt gleich bei 12 V. Durch diese Modifikationen lassen sich 5 bis 10 % Kraftstoffeinsparungen realisieren. [Wallentowitz et al., 2010]

2.3.2.2 Mildhybrid

Beim Mildhybriden beträgt die Leistung der Elektromaschine bereits bis zu 15 kW und sie wird als Beschleunigungsunterstützung und zur Bremsenergierückgewinnung genutzt. Zu­sätzlich sind eine fortgeschrittene Batterietechnik oder Ultracap-Kondensatoren^[3] zur Zwi­schenspeicherung der Energie als auch diverse Steuergeräte für das komplexere Batte­riemanagement erforderlich. Die Spannung der Antriebsmaschine macht mit 42 bis 150 V ein Vielfaches der bei konventionellen Lichtmaschinen und Anlasser verwendeten Spannung aus. Mit dieser Variante lassen sich Kraftstoffeinsparungen von 15 bis 20 % erzielen. [Wallentowitz et al., 2010]

2.3.2.3 Vollhybrid (HEV)

In Vollhybriden ermöglichen Elektromotoren mit Leistungen jenseits der 20 kW erstmals rein elektrisches Fahren. Es wird zwischen seriellen, parallelen und leistungsverzweigten Hybri­den unterschieden. Damit längere Strecken rein elektrisch bewältigt werden können, sind verglichen mit Mikro- und Mildhybriden wesentlich größere Batteriekapazitäten erforderlich. Meist liegt die rein elektrische Reichweite unter 10 km. [Wallentowitz et al., 2010]

Bei parallelen und leistungsverzweigten Vollhybriden sind Elektromaschine und Verbren­nungsmotor an den Antriebsstrang gekoppelt. In parallelen Hybriden wirken beide Kompo­nenten zusammen oder unabhängig auf den Antrieb, bei leistungsverzweigten Antrieben sind sie über ein Planetengetriebe gekoppelt. Bezogen auf einen Verbrauchsvorteil ist zwischen beiden Varianten kein signifikanter Unterschied gegeben.

In seriellen Hybriden ist lediglich die Elektromaschine mit dem Antriebsstrang gekoppelt. Der Verbrennungsmotor, oft auch als Range Extender bezeichnet, treibt ausschließlich einen Generator zur Stromproduktion an. Der wesentliche Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass der Verbrennungsmotor stationär in einem verbrauchsgünstigen Betriebspunkt verwen­det werden kann, da die Leistungsspitzen aus der Batterie gedeckt werden. Da der Elektro­motor als einziger Antriebsmotor dient muss er entsprechend ausgelegt werden. Im Gegen­zug dazu kann der Verbrennungsmotor entsprechend kleiner dimensioniert werden.

2.3.2.4 Plug-In Hybrid (PHEV)

Plug-In Hybride sind identisch zu Vollhybriden mit der Ausnahme, dass die Batterie nicht nur durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich auch über ein Ladekabel geladen werden kann. Der Strom kann somit aus dem jeweiligen Strommix entnommen werden, wodurch der elektrische Antrieb abhängig von der Art der lokalen Stromproduktion weniger Emissionen verursachen kann. Die elektrische Reichweite von Plug-In Hybriden beträgt meist die im Durchschnitt täglich zurückgelegte Strecke, die in Europa 50 km beträgt. Vor allem im Stadt­verkehr mit hauptsächlich kurzen Strecken wirken Plug-In Hybride wie reine Elektrofahrzeu­ge.

2.4 Infrastruktur

ln dem folgendem Kapitel werden die unterschiedlichen Ladearten und die Unterscheidung der Ladestandorte beschrieben.

2.4.1 Ladevarianten

Grundsätzlich gilt es verschiedenen Varianten des Ladens zu unterscheiden.

2.4.1.1 Konduktiv

Beim konduktiven Laden wird der Energiespeicher eines Elektrofahrzeugs mittels Ladekabel mit der Ladestation verbunden und am Stromnetz aufgeladen. Für den Aufbau einer Ladeinf­rastruktur wird momentan diese Variante bevorzugt. Dies beruht größtenteils auf der Verfüg­barkeit und der Serienreife der Technik.

Bei der konduktiven Ladung unterscheidet man noch unterschiedliche Ladebetriebsarten.

Bei Ladebetriebsart 1 wird das Elektrofahrzeug mittels einer genormten Steckdose an ein- oder dreiphasige Wechselstromnetze angeschlossen. Die Ladeleistung beträgt bei einphasi­gem Wechselstrom 3,7 kW bei 220 V und 16 A bzw. 11 kW unter Verwendung von dreipha­sigem Wechselstrom. Eine Verwendung von genormten Steckern wie den IEC 60309 Indust­riesteckern ist nicht nötig, es können einfache Stecksysteme wie Schutzkontaktstecker ver­wendet werden. In einigen Ländern ist dieser Modus verboten, da bei dieser Variante nicht immer eine ausreichende Erdung und damit eine ausreichende Sicherheit gewährleistet wer­den kann. Deshalb wurde Betriebsart 2 als Zwischenlösung eingeführt. [Van den Bossche, O.J.; O.A., o.J. d]

Bei Ladebetriebsart 2 wird das Elektrofahrzeug mittels genormter Steckdose an ein- oder dreiphasigen Wechselstrom geladen, wobei sich zwischen Steckdose und Elektrofahrzeug ein Inline-Modul befindet. Dieses enthält zur Schutzpegelerhöhung eine zusätzliche Fehler­stromschutzeinrichtung. [Van den Bossche, o.J.; o.A., o.J. d]

Bei Ladebetriebsart 3 wird ein eigens für das Elektrofahrzeug vorgesehener Stromanschluss verwendet. Bei dieser Betriebsart findet zwischen Elektrofahrzeug und Stromanschluss erstmals eine elektrische Kommunikation statt, wobei überprüft wird, ob die Verbindung kor­rekt hergestellt wurde, ob eine Erdung vorhanden ist und ob die Strombelastbarkeit des La­ders ausreicht. Bei diesem Lademodus ist es erstmals möglich Schnellladung bis zu 250 A zu nutzen. [Van den Bossche, o.J.; o.A., o.J. d]

Bei Ladebetriebsart 4 wird anstatt des Wechselstroms Gleichstrom verwendet. Wesentlicher technischer Unterschied zum Laden mit Wechselstrom ist, dass der Ladeumrichter nicht mehr im Fahrzeug, sondern in der Ladestation untergebracht ist, wodurch wesentlich größe­re Leistungen übertragen werden können. [Hoberg et al., 2010] Diese Betriebsart mit bis zu 50 kW bei maximal 400 A wird daher meist für das Schnellladen und für stationäre Ladesta­tionen verwendet. [Van den Bossche, o.J.; o.A., o.J. d]

2.4.1.2 Induktiv (stationär)

Induktive Ladestationen ermöglichen ein berührungsloses Laden des Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs während der Standzeit. Diese Form der Energieübertragung besitzt jedoch noch einen hohen Effizienzverlust gegenüber der konduktiven Variante. Der Wirkungsgrad sinkt mit größer werdendem Abstand: bei 1 cm beträgt er noch 80 %, bei 12 cm liegt er nur noch bei 60 %. [Hoberg et al., 2010]

Auf Grund dieser Tatsache und der unsicheren Akzeptanz der Nutzer, die möglichenweise nicht gewillt sind, die Kosten der Aufrüstung ihres Standplatzes mit der Ladetechnik zu tra­gen, wird das induktive Laden vermutlich eine Nischentechnik bleiben.

2.4.1.3 Induktiv (mobil)

Diese Abwandlung der stationären induktiven Stromversorgung beabsichtigt, Straßen mit unterirdischen Induktiv-Sendespulen zu versehen, um auf diese Weise Elektrofahrzeuge über eine an der Fahrzeugunterseite angebrachte Induktiv-Empfangsspule mit Strom zu ver­sorgen. In erster Linie ist diese Ladevariante für Autobahnen vorgesehen, da diese über eine hohe Auslastung und einen einfachen, da sehr geradlinigen, Straßenverlauf verfügen. Dieser Variante ist jedoch auch der Nachteil des geringen Wirkungsgrades eigen. Auch sind die Investitionskosten sehr hoch, wodurch sich diese Technik nur sehr langsam etablieren wird können. Zudem befindet sich die Technologie gerade erst im Visionsstadium.

2.4.1.4 Batteriewechselsystem

Ein grundverschiedener Ansatz ist jener, die Batterie bei Bedarf an speziellen Batteriewech­selstationen auszutauschen. Diese Variante bietet die schnellste Ladezeit, jedoch sind die mit ihr verbundenen Investitionskosten auch am höchsten. Zudem setzt das System einen hohen Grad an Standardisierung der Batteriespeicher und der Unterbringung im Fahrzeug voraus. Automobilhersteller stehen diesem Konzept eher zurückhaltend gegenüber, haupt­sächlich auf Grund der erforderlichen Standardisierung und dem damit verbundenen Wegfall der Möglichkeit, sich mit der Batterie ein Alleinstellungsmerkmal im Wettbewerb zu sichern. Daher wird in den folgenden Seiten diese Möglichkeit nicht behandelt und alleinig das Kon­zept des konduktiven Ladens betrachtet.

2.4.2 Ladestandorte

Hinsichtlich des Ortes des Ladens unterscheidet man Ladestationen bei privaten Haushal­ten, halböffentliche Ladestationen wie z.B. auf Firmenparkplätzen, Parkhäusern oder Ein­kaufszentren und Ladestationen auf öffentlichem Grund, die jedem zur Verfügung stehen.

2.4.2.1 Ladestationen in privaten Haushalten

Laut Schätzungen ist die private Ladestation die am häufigsten genutzte und damit wichtigs­te Art zur Ladung eines Elektrofahrzeugs. Dem VLOTTE - Begleitforschungsbericht entspre­chend wurden von 1.816 Stunden Ladezeit 1.774 Stunden zu Hause geladen. Daraus folgt, dass der Fokus zu Beginn auf den Ladestationen in privaten Haushalten liegen sollte. [Klima- und Energiefonds, 2010] Diese Möglichkeit scheint vor allem für Nutzer mit Wohnort in länd­lichen Gegenden oder Vororten interessant. In städtischen Siedlungsgebieten jedoch werden Fahrzeuge meist am Straßenrand abgestellt, da nur 43 % der Nutzer in Städten über eine Garage verfügen. [Hoberg et al., 2010]

2.4.2.2 Ladestationen im halböffentlichen Raum

Halböffentliche Stationen sind nur in definierten Personenkreis zugänglich, z.B. Angestellten einer Firma mit der Erlaubnis einen Firmenparkplatz zu benutzen. Es bieten sich vor allem Firmen- oder Kundenparkplätze als auch Parkhäuser und P+R-Parkplätze an. Oft sind in der Parkinfrastruktur bereits Stromanschlüsse vorhanden, wodurch die Parkplätze vergleichs­weise günstig mit Ladestationen ausgerüstet werden können. Dem Betreiber steht es frei, ein für ihn passendes Geschäftsmodell zu wählen, wobei natürlich gesetzliche Rahmenbedin­gungen und Normen eingehalten werden müssen.

2.4.2.3 Ladestationen im öffentlichen Raum

Ladestationen im öffentlichen Raum sind besonders wichtig, um Elektromobilität sichtbar zu mache und den Nutzern zu kommunizieren, dass eine ausreichende Infrastruktur vorhanden ist. Jedoch werden sie nur einen kleinen Anteil der gesamten Ladeinfrastruktur bilden, vo­raussichtlich zwischen 1 % und 5 %. [Klima- und Energiefonds, 2010]

Bedeutend ist hier vor allem die Standardisierung, um den Zugang zu den Ladestationen überregional zu ermöglichen. Auch erfordern sie eigene Geschäftsmodelle und Technolo­gien, die den Nutzern ermöglichen sich bei den verschiedenen Ladesäulen zu autorisieren.

3 Herausforderungen

Im Rahmen der Forcierung der Elektromobilität gilt es zahlreiche Anforderungen zu berück­sichtigen. Darunter fallen die Lösung des Energiespeicherproblems, das Bereitstellen einer angemessenen Infrastruktur, das Schaffen neuer und wettbewerbsfähiger Geschäftsmodelle und das zur Verfügung stellen vorteilhafter politischer Rahmenbedingungen.

3.1 Energiespeicher

Neben neuen Ansätzen im Bereich der Infrastruktur ist vor allem auch ein zuverlässiges, effizientes, langlebiges und kostengünstiges Speichersystem eine Bedingung, um Elektro­mobilität zukunftsfähig zu machen. Lithiumbatterien stellen hierbei auf Grund der hohen Energie- und Leistungsdichten als auch der erreichbaren Lebensdauer eine mögliche Grund­lage dar.

Um eine möglichst breite Kundenakzeptanz für Elektromobile zu ermöglichen, ist es in erster Linie notwendig, bei den derzeitigen Problembereichen Reichweite, Kosten und Lebensdau­er anzusetzen und Innovationen voranzutreiben. Diese erforderlichen Verbesserungen wer­den in den nachfolgenden Unterkapiteln näher erläutert.

3.1.1 Spezifische Energiedichte

Die spezifische Energiedichte von Batterien unterscheidet sich zurzeit noch deutlich von dem bei herkömmlichen Treibstofftanks üblichen Energieinhalt. Während Lithium-Ionen-Batterien derzeit maximal ungefähr 90 - 120 Wh/kg erreichen können, speichert Benzin mit ca. 13.000 Wh/kg mehr als die 100fache Menge an Energie. [Kalhammer et al, 2007; Dinger, 2010]

Die spezifische Energiedichte ist insofern wichtig, da sie das Gewicht einer späteren Batterie festlegt. Je geringer das Gewicht für eine Batterie mit ausreichendem Energieinhalt, desto höher wird auch die Reichweite des Elektrofahrzeugs, da ein geringeres Gewicht in einem geringeren Energieverbrauch resultiert.

In den letzten Jahren wurde die Batterietechnik kontinuierlich weiterentwickelt. So weisen Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien eine 5-fach höhere Energiedichte als Bleibat­terien auf. Während eine Bleibatterie mit einem Energieinhalt von 20 kWh ca. 800 kg wiegen würde, beträgt das Gewicht einer Lithium-Ionen-Batterie mit demselben Energieinhalt nur noch 180 kg. [Mathoy, 2008]

Das zeigt, dass bereits in der Vergangenheit Innovationen in diesem Bereich stattgefunden haben. Es sind jedoch weitere Verbesserungen in diesem Gebiet nötig, um Elektrofahrzeuge attraktiv für den Endkunden zu machen. Für mittelgroße rein elektrische Fahrzeuge ist es erforderlich, dass die Energiedichte bei mindestens 160 Wh/kg liegt, um entsprechende Reichweiten zu garantieren. [Kalhammer et al., 2007]

Signifikante Steigerungen bei der Energiedichte werden jedoch erst durch nachfolgende Technologien, sogenannte Post-Lithium-Ionen-Technologien, erreicht. Diese sind aus derzei­tigem Standpunkt Lithium-Schwefel (Li-S) und Lithium-Luft, wie auf Abbildung 3.1 zu sehen ist. Mit Hilfe der Li-S-Technologie sollen Energiedichten von bis zu 400 Wh/kg möglich sein. [NPE, 2011] Die Lithium-Luft-Technologie hat das vielversprechendste Potenzial. Ihre theo­retische Energiedichte von 10 kWh/kg ist fast ebenso groß wie die von Diesel mit 12 kWh/kg. Da dies jedoch das theoretische Maximum ist, wird bei einer industriellen Produktion nur von etwa 1 kWh/kg ausgegangen. [Visco et al., 2009]

Jedoch sind vor allem in der Grundlagenforschung noch einige Probleme zu lösen, wie etwa die Verbesserung der Leistungsdichte und des energetischen Wirkungsgrades. Zudem sind noch keine Daten bezüglich der Zyklenfestigkeit und der langfristigen Haltbarkeit der Batterie vorhanden. Daher wird eine Markteinführung nicht vor dem Jahre 2025 erwartet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Übersicht über derzeitige und zukünftige Batterietechnologien

(Quelle: NPE, 2011)

3.1.2 Spezifische Leistungsdichte

Ebenso wichtig wie die spezifische Energiedichte ist auch die spezifische Leistungsdichte. Diese liegt bei derzeitigen Lithium-Ionen-Batterien etwa bei 210 bis 490 W/kg, einzelne An­bieter schaffen auch schon Werte um die 912 W/kg. Damit mit einem Fahrzeug die Möglich­keit geboten werden kann, sowohl Steigungen von 15 % zu bewältigen und Geschwindigkei­ten von 150 km/h zu erreichen, ist ein Antrieb erforderlich, der 40 kW Dauerleistung bzw. 100 kW Spitzenleistung bieten kann. Bei einer etwa 200 kg schweren Batterie entspricht dies etwa 500 W/kg. . [Kalhammer et al., 2007]

Dies zeigt, dass schon heute Batterien angeboten werden, die die Voraussetzungen erfüllen, jedoch muss sichergestellt werden, dass die spezifische Leistungsdichte nicht zu Gunsten einer höheren Energiedichte verringert wird. Batterien müssen sowohl hohe spezifische Energiedichten als auch hohe spezifische Leistungsdichten besitzen, um Elektromobilität attraktiv zu machen.

3.1.3 Lebensdauer

Um Elektrofahrzeuge attraktiv für den Konsumenten zu machen, sollte die Lebensdauer der Batterien möglichst hoch sein. Batterien erfahren jedoch im Laufe Ihres Einsatzes in Elektro­fahrzeugen eine Verschlechterung ihrer Ladekapazität. Dies ist hauptsächlich begründet durch die häufigen Lade- und Entladezyklen.

Hierbei unterscheiden sich Batterien in Hybridfahrzeugen von denen rein elektrisch angetrie­bener Fahrzeuge insofern, dass die Energiespeicher in Hybridfahrzeugen auf Grund der häu­figeren Lade- und Entladezyklen eine höhere Anzahl an Zyklen bestehen müssen, um die­selbe Lebensdauer zu erreichen wie Batterien in reinen Elektrofahrzeugen. Derzeit gilt eine Lebensdauer von 10-15 Jahren als angemessen, wodurch Batterien in Hybridfahrzeugen zwischen 2.300 und 3.500 Ladezyklen und Akkumulatoren in reinen Elektrofahrzeugen etwa 1.000 bis 1.500 Ladezyklen standhalten müssen. Von den Batterieherstellern werden Le­bensdauern zwischen 1.000 und 3.200 Zyklen angegeben. [Kalhammer et al, 2007] Jedoch gibt es noch keine Langzeiterfahrung mit Lithium-Ionen-Batterien, weshalb diese Angaben noch mittels Praxiserfahrungen überprüft werden müssen.

Anzumerken ist hierbei jedoch auch, dass die Lebensdauer der Batterien sehr stark abhängt von der Tiefe der Entladung. Zum Beispiel beträgt die Lebensdauer einer immer nur zu 40 % entladenen Batterie etwa 12.000 Zyklen, während eine Batterie bei regelmäßiger Entladung von 80 % der Kapazität nur noch 6.000 Zyklen standhält. [Kalhammer et al., 2007]

Weiters wird davon ausgegangen, dass Batterien mit einer Restkapazität von weniger als 80 % der ursprünglichen Kapazität als nicht mehr einsatzfähig für Elektrofahrzeuge gelten. Ein Test nach Kalhammer^[4] ergab, dass die Testbatterien nur 6 % ihrer Kapazität nach 1.500 Ladezyklen verloren.

Es zeigt sich, dass Batterien schon heute eine ausreichende Anzahl an Ladezyklen beste­hen, falls sich die Werte aus den Laboren auch in der Praxis bewahrheiten. Da jedoch Batte­rien im praktischen Einsatz häufigen Temperaturschwankungen und anderen Umwelteinwir­kungen ausgesetzt sind, könnten Abweichungen entstehen.

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^[1] Das (relative) Treibhauspotenzial oder C02-Äquivalent gibt an, wie viel eine festgelegte Menge eines Treib­hausgases zum Treibhauseffekt beiträgt. Als Vergleichswert dient Kohlendioxid; die Abkürzung lautet C02e (für equivalent).

^[2] Ein Onboard Reformer ist ein im Fahrzeug installiertes Gerät, das Treibstoffe wie Erdgas oder Methanol direkt im Fahrzeug in Wasserstoff umwandelt

^[3] Ultra- oder Super-Kondensatoren, auch bekannt als Supercaps, sind Doppelschicht-Kondensatoren (DSK), die zwischen klassischen Kondensatoren und wieder aufladbaren Batterien, den Akkus, anzusiedeln sind und als Energiespeicher eingesetzt werden können.

^[4] Kalhammer, F.; Kopf, B.; Swan, D.; Roan, V. & Walsh, M.: Status and Prospects for Zero Emissions Vehicle Technology, Report of the ARB Independent Expert Panel, Sacramento, 2007