Elektrofahrzeuge (oder Elektroautos) sind mit elektrischer Energie betriebene Fahrzeuge, die den Strom aus verschiedenen Quellen beziehen können.
Typen von Elektrofahrzeugen
Zu den Elektrofahrzeugen können verschiedene Entwicklungsstufen gezählt werden, die teilweise noch auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, etwa die mit Hybridantrieb ausgestatteten Systeme.
Ein generelles Problem auf dem Weg zum vollelektrischen Fahrzeug ist die Art und Weise, wie Strom an Board des Fahrzeug zur Verfügung gestellt wird. Der von der Systemtechnik her einfachste Ansatz ist die Verwendung wiederaufladbarer Batterien, hier sind allerdings kostengünstige Batterien das ungelöste Problem. Alle anderen Systeme zeichnen sich durch die meist heute schon gegebene Realisierbarkeit, aber hohe Komplexität der Systemtechnik aus. Die einzelnen Entwicklungsstufen zum vollelektrischen Fahrzeug werden nun beschrieben.
Hybrid-Fahrzeuge
Hybridfahrzeuge besitzen mehrere Untersysteme zur Krafterzeugung. Beim Mild Hybrid werden konventioneller Verbrennungsmotor und kleiner Elektromotor je nach Fahrsituation eingesetzt. Für den schnellen Langstreckenbetrieb der Verbrennungsmotor, für den Stop-and-Go-Verkehr im Stadtbereich und bei Staus der Elektromotor. Der Verbrennungsmotor lädt gleichzeitig über den Elektromotor, der dann als Generator eingesetzt wird, eine relativ kleine (und kostengünstigen) Batterie.
Beim Plugin Hybrid lädt ein kleiner Verbrennungsmotor, der stets in einem optimalen Wirkungsgradbereich läuft, die Batterie mit einem relativ hohen Wirkungsgrad von 40–45 Prozent. Der Antrieb erfolgt vollelektrisch, z.B. über 4 Nabenmotoren direkt an den Rädern. Die Batterie und die Leistungselektronik sorgen dafür, daß der von der Fahrsituation stets abhängige Energiebedarf zur Verfügung steht.
Brennstoffzellen-Fahrzeuge
Brennstoffzellen-Fahrzeuge erzeugen den Strom durch eine direkte chemische Umwandlung von z.B. Wasserstoff in elektrischen Strom. Dieses Verfahren hat mit ca. 70 Prozent Wirkungsgrad der Brennstoffzelle eine deutlich höhere Effizienz als die Kombination Verbrennungsmotor+Generator. Allerdings muß der Wasserstoff erst hergestellt werden und benötigt entweder an Bord des Fahrzeugs einen Konverter, der mit ca. 70 Prozent Effizienz Wasserstoff aus z.B. Benzin oder Methan erzeugt oder Wasserstoff aus einem geeigneten Vorratsbehälter bezieht. Dieser Wasserstoff muß aber auch unter Energieeinsatz und Verlusten hergestellt, gespeichert und transportiert werden.
Brennstoffzellen-Fahrzeuge sind aufgrund der vorgelagerten Verluste und der Systemkomplexität einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor-Generator-Stromversorgung nur wenig überlegen, in der Gesamtbilanz ggf. sogar deutlich unterlegen. Die Gesamtbilanz würde die eingesetzten Ressourcen (Energie, Rohstoffe, Kreativität, etc.) des Fahrzeuges bei Bau, Betrieb und Entsorgung im Sinne einer Life Cycle Analysis („Lebenszyklus-Analyse“) berücksichtigen. Die teure und komplexe Systemtechnik der Brennstoffzellensysteme würde den leichten Vorteil des besseren Wirkungsgrades im Betrieb zunichtemachen.
Full electric — Batterieversorgte reine Elektrofahrzeuge
Hier besticht die einfache Systemtechnik an Bord dieser Elektrofahrzeuge. Die Frage, woher die elektrische Energie in den entsrpechenden Mengen kommen soll, ist ein Teil des Problems. Der andere besteht in der heute noch nicht verfügbaren Batterietechnologie, die billige, langlebige, sichere, kompakte und leichte Batterien zur Verfügung stellen muß, die gleichzeitig aus verfügbaren und umweltkompatiblen Materialien bestehen.
Die Lösung des Batterieproblems würde gleichzeitig die Lösung des Energieproblems herbeiführen: Wenn der Fahrzeugbestand in Deutschland (ca. 45 Mio PKW) zu 80 Prozent der Zeit am Stromnetz angeschlossen wäre, würden ca. 35 Mio Fahrzeuge mit ihren Batterien als Strompuffer für die Aufnahme von zeitlich variabel verfügbarem Strom aus Sonne und Wind zur Verfügung stehen.Die Elektroautos wären dann ein dezentralisierter Stromspeicher im Stromnetz Deutschlands und könnten die Grundlastfähigkeit der erneuerbaren Energien Sonne (Photovoltaik) und Wind erzielen — ein Durchbruch in der Nutzung erneuerbarer Energien.
Gleichzeitig könnten die Elektrofahrzeuge den aufgenommenen Strom wieder in das Stromnetz abgeben, wenn dort der Bedarf für andere Anwendungen steigt. Diese Stromaufnahme und -abgabe der Fahrzeuge würde dann von den Besitzern so beeinflußt, daß sie einerseits genügend Energie für ihre Fahrten im Auto belassen, auf der anderen Seite Strom dann billig erwerben, wenn er im Netz reichlich verfügbar ist.
Synopse der beschriebenen Elektrofahrzeuge
Die folgende Abbildung zeigt vergleichend die verschiedenen Systemansätze. Eine Legende auf der rechten Seite erklärt die Symbole für die Subsysteme und Aggregate. Rote Linien beschreiben dne Fluß chemischer Energie in Form von Benzin, Wasserstoff und anderen Energieträgern. Schwarze Linien beschreiben die Flüsse elektrischer Energie. In einigen Fällen kann elektrische Energie zum Antriebsmotor fließen, aber auch wieder zurück von dem dann als Generator verwendeten Antriebsmotor, um die Batterie zu laden. Diese Ladevorgänge finden dann statt, wenn mit den elektrischen Antriebsaggregaten gebremst wird. Die Bewegungsenergie des Fahrzeuges wird — bei Zug-Lokomotiven ein übliches Verfahren — wieder in elektrische Energie umgewandelt und kann dadurch genutzt werden.
Auffallend ist, daß sich die Konfigurationen von heute üblichen Fahrzeugen mit Elektroantrieb und des vollelektrischen Fahrzeuges frappierend ähneln. Sie zeichnen sich durch eine sehr einfache Systemtechnik aus. Die Abbildung gibt jedoch nicht wieder, daß heutige Fahreuge mit Verbrennungsmaschinen gerade im Bereich der Fahrzeugelektrik und -elektronik sehr komplex geworden sind. Hier könnten Elektrofahrzeuge durch die Verwendung einer einzigen Energieform, die sich leicht in alle geforderten Nutzenergien umsetzen läßt, einen Ansatz hin zu deutlich weniger komplexen Systemen darstellen.
Ausblick
Vollelektrische Fahrzeuge können erst dann zu einem Standard werden, wenn die Batterietechnik deutlich weiterentwickelt wird. Derzeit sind Lithium-Ionen-Batterien als Fahrzeugbatterien in der Diskussion, sie sind jedoch teuer und das Element Lithium ist nur in beschränkter Menge verfügbar. Günstiger wären Batterien aus organischem Material, weil sie auf Rohstoffe zurückgreifen, die in wesentlich größerer Menge verfügbar sind.
In einer Übergangszeit werden Elektrofahrzeuge voraussichtlich durch geringeres Gewicht und kompakte Bauweisen so verbrauchseffizient gestaltet, daß auch mit heutiger Batterietechnologie Reichweiten von ca. 200 Kilometern, Maximalgeschwindigkeiten von etwa 100 Stundenkilometern und Preise von etwa 15000 Euro für ein 2-3 sitziges Fahrzeug erzielt werden können. DIese Daten reichen für viele Bedürfnisse an Mobilität vollkommen aus, etwa für Pendler, für Ausflugsfahrten in der näheren Umgebung. In Kombination mit anderen Mobilitätsformen wie Bahn, öffentlicher Personennahverkehr, etc. könnten solche Elektrofahrzeuge einen nennenswerten Anteil der Transportleistungen im Bereich einiger zehn Prozent erreichen.