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Themeninfos  – Energieforschung kompakt

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Welchen Weg die Elektromobilität einschlägt, hängt maßgeblich von der Speichertechnik ab. Im Bild: Elektroauto beim Strom tanken.
© Anna Durst, BINE Informationsdienst
Elektromobilität
Themeninfo I/2017

Die Grafik zeigt die maximale Reichweite elektromobiler Antriebskonzepte im Vergleich zum konventionellen Antrieb (ICE) mit 1.000 km Reichweite. Der Batteriebetrieb ist grün eingezeichnet, rot der Betrieb mit Verbrennungsmotor.
© WWU/MEET
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Elektromobilität – Was uns jetzt und künftig antreibt

Hocheffizient, geräuscharm und emissionsfrei: Der elektrische Antriebsstrang bietet dynamische Mobilität, kann erneuerbare Energien integrieren und macht den Transportsektor unabhängiger vom Energieträger Erdöl. Doch welche Technologie wird die elektromobile Zukunft prägen: Batterie oder Brennstoffzelle? Eine Entweder-oder- Entscheidung ist aber gar nicht notwendig.

Der Verbrennungsmotor hat eine über 100-jährige Entwicklungsgeschichte hinter sich und ist dabei immer effizienter und sauberer geworden. Trotzdem steht der Automobil-Antrieb vor dem Umbruch: Die Endlichkeit fossiler Kraftstoffe, Klimawandel und Smog verlangen nach alternativen Lösungen. Der Antrieb der Zukunft soll sauber sein, bezahlbar, gut verfügbar und bequem in der Nutzung. Elektroantriebe erfüllen schon heute viele dieser Anforderungen. Sie arbeiten leise und vibrationsarm und emittieren am Ort ihrer Nutzung keine Schadstoffe. Wenn sie mit regenerativ gewonnenem Strom fahren, ist eine ressourcenschonendere und klimafreundlichere Fortbewegung möglich. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren sind Elektromotoren leicht und kompakt. Die Technik ist ausgereift: Sie besitzt einen hohen Wirkungsgrad und arbeitet robust und wartungsarm. Elektromotoren haben eine ähnlich lange Entwicklungsgeschichte wie Verbrennungsmotoren.

Es ist also nicht die Antriebstechnik, die die Verbreitung von Elektrofahrzeugen hemmt. Ein hoher Entwicklungsbedarf besteht vielmehr bei den Speichern für elektrische Energie. Bei einem Diesel- oder Benzinmotor reicht ein simpler Hohlraum – der drucklose Tank –, um chemisch gebundene Energie für hunderte Kilometer Reichweite zu speichern. Ungleich aufwendiger sind die elektrochemischen Energiespeicher. Sowohl Akkumulatoren als auch Wasserstoffspeicher in Kombination mit Brennstoffzellen sind vor allem voluminöser. Um die gleiche Reichweite zu garantieren wie ein Liter Diesel, muss z. B. ein Akkumulator etwa 10 Mal so groß und 20 Mal so schwer sein.

Zudem fehlt noch eine Infrastruktur. Während sich Tankstellen für Benzin oder Diesel flächendeckend in den entlegensten Gebieten finden, sind Ladeplätze für Batteriespeicher oder Wasserstofftankstellen bislang kaum vorhanden. Der Wandel zu anderen Antriebstechniken vollzieht sich deshalb noch schleichend. Dabei spielen zunächst Hybridsysteme, die Benzin- oder Dieselmotoren mit Elektromotoren kombinieren, eine wichtige Rolle. Dazu zählen auch Elektrofahrzeuge mit einem sogenannten Range-Extender. Diese fahren rein elektrisch. Bei Bedarf treibt ein Verbrennungsmotor einen Generator an, der die Batterie auflädt.

Welchen Weg die Elektromobilität nimmt, entscheidet sich also maßgeblich anhand der Speicher- und Wandlertechnik. Doch wie ist der derzeitige Stand der Technik bei Batterie und Wasserstofftank mit Brennstoffzelle? Welche Herausforderungen gibt es? Wie können die vielfältigen Anforderungen erfüllt werden? Dieses BINE-Themeninfo geht diesen Fragen auf den Grund und behandelt den Systemkern Batterie, Zelle und Komponenten sowie die eingesetzten Materialien, die Integration ins Netz, und wie es gelingt, eine Infrastruktur zu schaffen.

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Brennstoffzelle, Batterie und Hybrid

Zu den elektromobilen Antriebskonzepten gehören Hybridfahrzeuge (HEV), Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) sowie reine Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV). Sie können sich in ihren Fahrreichweiten deutlich unterscheiden. Die Meinungen gehen auseinander, ob Hybridfahrzeuge als Elektromobil gelten, da sie nur kurze elektrische Fahrreichweiten erzielen können und nicht an der Steckdose aufgeladen werden. Gerade in Nordamerika und Asien zeigt der Erfolg der Hybridfahrzeuge, dass die Elektrifizierung des Antriebsstrangs schon beim Kunden angekommen ist.

In Deutschland wächst der Markt für Fahrzeuge mit rein batterieelektrischem Antrieb langsam aber stetig. Bisher sind Elektrofahrzeuge noch teurer in der Anschaffung als Verbrennungs- und Hybridfahrzeuge und in der Reichweite deutlich unterlegen. Weitere Hindernisse sind die wenig ausgebaute Ladeinfrastruktur und die im Vergleich zum Kraftstofftanken immer noch langen Ladezeiten. Die Sorge, auf der Suche nach einer Lademöglichkeit liegen zu bleiben, ist bei vielen Menschen groß und schreckt vom Umstieg ab. Diesen Herausforderungen kann auf zwei Arten begegnet werden: Entweder wird die Speicherfähigkeit der Traktionsbatterien weiter erhöht oder diese werden während der Fahrt durch die elektrochemische Umwandlung von Wasserstoff und Luftsauerstoff in einer Brennstoffzelle kontinuierlich nachgeladen (Hybridkonzept). Beide Strategien werden bereits kommerziell umgesetzt, haben aber unterschiedliche Vor- und Nachteile. So verlängert sich zum Beispiel die Ladedauer eines Fahrzeugs an der heimischen Steckdose deutlich, wenn eine Batterie hoher Kapazität ins Fahrzeug eingebaut wird. Zwar gibt es diverse Schnelllademöglichkeiten, sogar auch über induktives – also berührungsfreies – Laden, diese sind jedoch noch selten anzutreffen. Zudem hängt die wirkliche Ladedauer von den technischen Gegebenheiten ab.

Bei wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen mit Brennstoffzelle dauert das Auftanken mit Wasserstoff hingegen nicht wesentlich länger als an herkömmlichen Kraftstoff-Zapfsäulen. Kurze Fahrstrecken erhöhen allerdings den Wasserstoffverbrauch, da die Brennstoffzelle bei jedem Neustart auf Betriebstemperatur gebracht werden muss. Somit schwankt die Reichweite abhängig vom Fahrprofil. Zudem mangelt es immer noch an einer entsprechenden Wasserstoff- Infrastruktur.

Kombinierte Vorteile

Zukünftig wird keine der beiden Einzeltechnologien das gesamte Anwendungsspektrum des Individual- und Güterverkehrs sowie bei Nutzfahrzeugen vollständig abdecken können. Sie ergänzen sich hinsichtlich Energieeffizienz, Ressourcenschonung und der unterschiedlichen Anforderungen der eingesetzten Primärenergieträger. Die Anwendungsbereiche – Brennstoffzelle für Langstrecken und ausreichend große Batterie für Kurz- und Mittelstrecken – lassen sich komplementär in einem Fahrzeug kombinieren. Die Frage nach der Vorreitertechnologie lässt sich somit nicht pauschal beantworten. Langfristig ist eine Koexistenz beider Konzepte für den elektrischen Antrieb zu erwarten.

Merkzettel

BINE-Themeninfo I/2017
(PDF, 24 Seiten, 3,3 MB)

Literatur zum Themeninfo I/2017
(PDF, 3 Seiten, 80 kB)

Autorenteam

Prof. Dr. Martin Winter
Dr. Tobias Placke
Sergej Rothermel
Paul Meister
Andre Bar
MEET, WWU Münster

Dr. Wedigo von Wedel
NEXT ENERGY

Links

NOW GmbH
Nationale Organisation Wasserstoff und Brennstoffzelle

www.bem-ev.de
Bundesverband eMobilität

nationale-plattform-elektromobilitaet.de
Nationale Plattform Elektromobilität

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu den Projekten

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