Elektroautos. Der grüne Weg in die Zukunft?

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen der Elektromobilität
2.1 Die historische Entwicklung des Elektroautos/Elektromobils
2.2 Aufbau

3 Elektromobilität und energiewirtschaftliche Aspekte
3.1 Übersicht über die Energiespeicher
3.2 Anforderungen an die Energiespeicher
3.3 Batterieladesysteme

4 Elektromotoren im Vergleich zu Verbrennungsmotoren
4.1 Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Motoren
4.2 Vor- und Nachteile dieser Motoren

5 Umsetzungsmöglichkeit der Elektroautos in der Praxis

6 Auswertung der Umfrageergebnisse

7 Fazit

8 Quellenverzeichnis

9 Übrige Verzeichnisse

10 Anhang

1 Einleitung

„ Der Mensch braucht die Natur, die Natur den Menschen nicht. Der Mensch ist Teil der Natur, er ist ihr nicht ü bergeordnet. Erst wenn er das begreift, hat er eine Ü berlebens- chance. “ ¹

Die Zeit - das ist einer der wichtigen Faktoren in unserem Leben. Nur mit der Zeit ver- steht der Mensch, was er mit der Natur macht und welche Folgen ihn erwarten können. Die Zerstörung der Natur durch CO₂ ist das wichtige Problem unserer Zeit. Das Zitat von Richard Freiherr von Weizsäcker ist eine gute Motivation über die Verschmutzung der Natur nachzudenken.

Mit der Entwicklung der Welt und der Technologien versucht die Menschheit mobil und so schnell wie möglich zu sein. Die Wege zur Entwicklung dieser Mobilität können aber unterschiedlich sein. In den nachfolgenden Etappen will ich einen der Wege zur Entwick- lung der Mobilität zu beschreiben. Der Weg, der in dieser Facharbeit beschreiben wird, heißt Elektromobilität.

Eine Art der Nutzung von Elektromobilität sind ausschließlich elektrisch betriebene Autos. Das Ziel dieser Facharbeit ist die Überprüfung, ob der Weg zur Entwicklung der Elektrofahrzeuge im Vergleich zu anderen Fahrzeuge wirklich „grün“ ist.

Außerdem wird eine Umfrage der Bewohner der Stadt Leipzig ausgewertet und analysiert und auf die Frage, ob die Menschen bereit sind, ihr Auto zu tauschen bzw. ein Elektroauto zu kaufen und unter welchen Bedingungen, geantwortet.

Im nachfolgenden Kapitel der Facharbeit wird die Geschichte der Entwicklung des Elekt- romobils und theoretische Grundlagen der Elektromobilität, solche wie den Aufbau des Elektromobils, vorgestellt. Dabei spielen die energiewirtschaftliche Aspekte bzw. Ener- giespeicher und Batterieladesysteme, die im dritten Kapitel beleuchtet werden, eine große Rolle. Dem folgen im vierten Kapitel die Vor- und Nachteile, sowie die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Motoren verglichen. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse und Erkenntnisse in den Kapiteln zuvor, werden daran anschließend die Möglichkeiten der Umsetzung in die Praxis im fünften Kapitel diskutiert. Anschließend erfolgt eine Auswertung der Umfrageergebnisse und die Schlussfolgerung, in der das Elektroauto kritisch bewertet wird.

2 Grundlagen der Elektromobilität

2.1 Die historische Entwicklung des Elektroautos/Elektromobils

„Die Elektroautos haben eine lange Geschichte, sie sind beinahe so alt wie das Automobil selbst“.²

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 : Erstes Elektrofahrzeug von Stratingh & Becker 1835 (Quelle: Yay, Mehmet (2015), S. 15)

Die Geschichte des Elektroautos beginnt Im Jahr 1831 in der Stadt Padua in Italien. SALVATORE DAL NEGRO hat den ersten durch Elektromagnetismus in Bewegung gehaltenen Kraftmotor gebaut. Drei Jahre später baute der Königsberger Physiker MORITZ H. JACOBI einen elektromagnetischen Drehmotor, „der die Kraft eines ‚halben Mannes‘ hatte“.³ Seit dieser Zeit ist die Idee geboren, den Strom als ein Mittel der Fortbewegung zu ver- wenden. Im nächsten Jahr wurde das erste Dreirad-Modell von STRATINGH UND BECKER gebaut. Das Dreirad-Modell sah sehr primitiv aus. Dies war klein und konnte nicht die Personen über längere Distanzen transportieren aber auf jeden Fall war es das erste Elektrofahrzeug. Zu dieser Zeit wurden Einwegbatterien benutzt, weil es keine auflad- baren Batterien (Akkus) gab.⁴

Die erste Batterie wurde von ALLESANDRO GIUSEPPE ANTONIO ANASTASIO GRAF VON VOLTA im Jahr 1800 erschaffen. Diese Batterie wurde auch häufig „Volta’schen Säule“ genannt. Von der Energiespeicherung ging die Rede überhaupt nicht, weil diese Volta’schen Säule tor zu entwickeln. Der Akkumulator wurde von CAMILLE A. FAURE und VOLKMAR in Paris, als der erste Blei-Säure-Akkumulator, der Strom speichern konnte, präsentiert. Das waren die ersten Schritte zur Entwicklung des Elektroautos.⁵

Später wurde dieser Weg zur Entwicklung der Mobilität noch mehr entwickelt, dann sind die neuen Erfindungen gefolgt: Das erste dynamoelektrische Prinzip von Werner von Siemens im Jahr 1866, das erste 40 Menschen transportierende Elektrofahrzeug, die Nutzung der Elektrofahrzeuge als Taxi bzw. „die elektrische Droschke“ ⁶ und „die elekt- rische Kanonenkugel“ ⁷ bzw. „das erste Auto, das schneller als 100 km/h fuhr, war ein Elektroauto.“ ⁸⁹

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 : "Die elektrische Kanonenkugel" auf R ä dern von Camille Jenatzy 1899 (Quelle: L ö ser, Reinhard (2009), S. 98)

In der Zeit Periode von 1900 - 1973 waren Elektroautos erst einmal unwichtig gewor- den, wegen einer langen Reichweite und der Zweckmäßigkeit der Benzinwagen im Ver- gleich zu den Elektroautos. Durch einen „Self Starter“ von CHARLES KETTERLING konnte man den Benzinwagen einfacher und sicherer starten. So fristet das Elektromobil bis heute noch ein Nischendasein. Und nun, nach der langen Pause, fangen die Menschen an, sich um die zunehmende Luftverschmutzung zu kümmern. Im Jahr 1982 schlossen Elf euro- päische Länder einen Vertrag ab, in dem eine „gemeinsame Forschung an Elektro-Stra- ßenfahrzeugen“¹⁰ festgesetzt wurde. Die Welt fängt sehr langsam an, die Benzin-/Die- selautos abzusetzen und die Abnahme der Rohstoffe (z.B. Benzin, Diesel und Erdgas) denken.¹¹

2.2 Aufbau

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 : Beispiel f ü r die Struktur eines einfachen Elektrofahrzeugs (Quelle: Schoblick, Robert (2013), S. 149)

In diesem Kapitel wird die Übersicht der Hauptkomponenten des typischen Elektroautos und auch die Funktion jeder Komponente kurz und knapp formuliert. Dazu dienen soll die Abbildung 9, die auch im Anhang eingesehen werden kann. Vor allem sind das: der Elektromotor, die Leistungselektronik für Elektromotor, der Wechselrichter (Antrieb- selektronik), das Getriebe, der Energiespeicher bzw. die Hochvolt-Batterie (HV-Batte- rie), die Hochvolt-Leitungen (HV-Leitungen), die Niedervolt-Leitungen (NV-Leitungen), das 12V-Bordnetz-Batterie, das Ladegerät, der Ladeanschluss, der Traktionsnetzvertei- ler, der EMV-Filter, der AC/DC; DC/AC; DC/DC; AC/AC - Spannungswandler und die Wechselrichter.

Elektromotor. Batterieelektrische Fahrzeuge werden ausschließlich über Elektromoto- ren angetrieben und ermöglichen somit eine lokale CO₂-freie Mobilität. Das Kraftzent- rum des Elektroautos befindet sich in dem Elektromotor bzw. Induktionsmotor, der von Nicola Tesla im Jahr 1881 entwickelt wurde. ¹² Fast in allen Elektroautos werden Dreh- strom-Asynchronmotoren verwendet, weil sie höchst effizient und zuverlässig sind. ¹³

Der Elektromotor besteht aus einer fest stehenden Hauptkomponenten (Ständer oder Stator) und einer sich drehenden Komponenten (Anker, Läufer oder Rotor). Der Rotor ist eine Ansammlung von leitfähigen Stäben, die sehr kompakt geschlossen werden. Von außen wird dreiphasiger Drehstrom in den Stator eingespeist. Der drei Phasen Wechsel- strom in den Stator Spulen erzeugt ein rotierendes Magnetfeld (RMF). Dieses rotierende Magnetfeld induziert Ströme in den Rotorstäben um den Rotor in Drehung zu verset- zen.¹⁴ Die Kraft, die auf die Stäbe wirkt, ist die Lorenzkraft. Sie lässt sich insgesamt wie folgt berechnen¹⁵:

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Wobei (l) ist die Leiterlänge, (n) die Anzahl der Leiter, (B) die Flussdichte des Magnetfelds und (F) die Kraft ist. Die Maßeinheiten sind¹⁶:

-Die magnetische Flussdichte wird in Vs/m² angegeben
-Die Leiterlänge misst man in Meter [m]
-Die Anzahl der Leiter ist ohne Einheit
-Der Strom wird in Ampere [A] angegeben

So bekommen wir aus der elektrischen eine mechanische Energie. ¹⁷

Leistungselektronik f ü r Elektromotor. Die Leistungselektronik ist das Gehirn des Elektro- autos. Die Aufgabe der Leistungselektronik ist die Verbindung der Energiespeicher mit den elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug und beim Ladevorgang mit dem öffentli- chen Netz. Dabei wandelt die Leistungselektronik die elektrische Energie in die jeweils für den Verbraucher nötige Spannungsebene um. Zentraler Punkt sind die Hochvolt-Leis- tungen und Niedervolt-Leitungen, die alle Hauptkomponenten miteinander verbinden.¹⁸

Dies sind Beispiele der Aufgaben der Leistungselektronik:¹⁹

-Laden der Batterie
-Mögliche Synchronisierung die von der Batterie gelieferte Spannung mit dem Netz
-Bordnebensysteme: Radio, Zigarettenanzünder usw.
-Eigene Anforderungen des Antriebsmotors: Gleichstrom-, Synchron- oder Asyn- chronmaschine brauchen unterschiedliche Verfahren
-Soll neben dem Antrieb des Fahrzeugs auch Bremsenergie zurückgewonnen wer- den bzw. Rekuperation (Stromrückgewinnung), muss die Leistungselektronik entsprechende Ladeschaltungen vorsehen.²⁰

Abbildung in dieer Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 : grundlegende Bestandteile der Leistungselektronik in einem Elektroauto (Quelle: 2012. emobilitaet.online. [Online] 2012. [Zitat vom: 23. Dezember 2017.] https://www.emobilitaeton- line.de/das-elektroauto/68-kapitel-5-die-steuerungs-und-leistungs- elektronik.)

Wechselrichter (Antriebselektronik). Der Wechselrichter ist ein Hauptelement der Leis- tungselektronik. Der Akku erzeugt Gleichstrom. Der Motor braucht aber Wechselstrom, deswegen muss man zuerst Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Hier wird der Wechselrichter benötigt. Dieses elektrische Gerät steuert auch die Wechselstromfre- quenz und somit auch die Motodrehzahl, deswegen kann der Wechselrichter die Amplitude des Wechselstroms verändern, was die Motorausgangsleistung steuert.²¹

[...]

¹ Freiherr von Weizsäcker, Richard. Aphorismen.de. [Online] [Zitat vom: 18. Dezember 2017.] https://www.aphorismen.de/zitat/180964.

² Schoblick, Robert. 2013. Antriebe von Elektroautos in der Praxis. Haar bei München : Franzis Verlag GmbH, 2013. S. 5.

³ Yay, Mehmet. 2015. Elektromobilität. Frankfurt am Main : Peter Lang GmbH, 2015. S. 15.

⁴ Vgl.: Yay, Mehmet. 2015. Elektromobilität. Frankfurt am Main : Peter Lang GmbH, 2015. S. 15 f.

⁵ Vgl.: Yay, Mehmet. 2015. Elektromobilität. Frankfurt am Main : Peter Lang GmbH, 2015. S. 15 f.

⁶ Yay, Mehmet. 2015. Elektromobilität. Frankfurt am Main : Peter Lang GmbH, 2015. S. 17.

⁷ Ebd.

⁸ Vieweg, Christof. 2010. E-Autos. Bielefeld : Delius Klasing Verlag, 2010. S. 149.

⁹ Vgl.: Yay, Mehmet. 2015. Elektromobilität. Main : Peter Lang GmbH, 2015. S. 16 f.

¹⁰ Yay, Mehmet. 2015. Elektromobilität. Frankfurt am Main : Peter Lang GmbH, 2015. S. 20.

¹¹ Vgl.: Yay, Mehmet. 2015. Elektromobilität. Frankfurt am Main : Peter Lang GmbH, 2015. S. 18-22.

¹² Vgl.: Gobmaier, Thomas. Nikola Tesla - vergessenes Genie. [Online] [Zitat vom: 22. Dezember 2017.] http://www.tesla-info.de/polyphase.htm.

¹³ ACI. 2017. Bauplan-Elektroauto. [Online] 2017. [Zitat vom: 26. Dezember 2017.] https://bauplan-elekt- roauto.de/elektromotoren/.

¹⁴ Vgl.: Gobmaier, Thomas. Nikola Tesla - vergessenes Genie. [Online] [Zitat vom: 22. Dezember 2017.] http://www.tesla-info.de/polyphase.htm.

¹⁵ Vgl.: Schoblick, Robert. 2013. Antriebe von Elektroautos in der Praxis. Haar bei München : Franzis Verlag GmbH, 2013. S. 194 f.

¹⁶ Vgl. ebd.

¹⁷ Vgl.: Gobmaier, Thomas. Nikola Tesla - vergessenes Genie. [Online] [Zitat vom: 22. Dezember 2017.] http://www.tesla-info.de/polyphase.htm.

¹⁸ Vgl.: 2012. emobilitaet.online. [Online] 2012. [Zitat vom: 23. Dezember 2017.] https://www.emobilitae- tonline.de/das-elektroauto/68-kapitel-5-die-steuerungs-und-leistungselektronik.

¹⁹ Vgl.: Schoblick, Robert. 2013. Antriebe von Elektroautos in der Praxis. Haar bei München : Franzis Verlag GmbH, 2013. S. 149.

²⁰ Vgl.: Schoblick, Robert. 2013. Antriebe von Elektroautos in der Praxis. Haar bei München : Franzis Verlag GmbH, 2013. S. 149.

²¹ Vgl.: Learn Engineering. 2017. Patreon. [Online] 2017. [Zitat vom: 24. Dezember 2017.] https://www.patreon.com/LearnEngineering.