Alternative Antriebstechniken für das Auto
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Loading ...Innovative Antriebstechnologien könnten bereits eine echte Alternative zu den Verbrennungsmotoren darstellen, wären da nicht die hohen Kosten. Beim Umstieg auf Hybrid- oder Elektroautos ist der Preis ausschlaggebend, weshalb die Bürger trotz steigendem Umweltbewusstseins und einem ständig wachsenden Modellangebot das Interesse an Autos mit alternativen Antrieben verlieren. 2011 lag der Anteil von Automobilen mit alternativem Antrieb an der Gesamtzahl der Neuzulassungen (3,17 Millionen) bei nur 0,82 Prozent, Tendenz kaum steigend. Einen Zuwachs verzeichnen lediglich die Hybridantriebe (2011 um 18 Prozent angestiegen).
Was bedeutet “alternativer Antrieb”?
Der Begriff Alternative Antriebstechnik umfasst Konzepte zum Antrieb von Fahrzeugen, die sich hinsichtlich Energieart oder konstruktiver Lösung von den auf dem Markt verbreiteten Antriebstechniken, d. h. vor allem den Verbrennungsmotoren unterscheiden. Die Entwicklung dieser Technologien soll vor allem die Probleme herkömmlicher Antriebe wie Umweltbelastung oder Erschöpfung fossiler Treibstoffquellen lösen. Dabei forschen die Hersteller an unterschiedlichen Technologien wie Elektro-, Gas- und Brennstoffzellenantrieben, wobei jede Technik ihre Vor- und Nachteile hat. Käufer müssen dementsprechend abwägen, welche Kriterien entscheidend sind:
- Reichweite
- maximale Leistung (Beschleunigung, Steigungen)
- Stabilität bzw. Konstanz der gespeicherten bzw. an Bord vorgehaltenen Energie
- akzeptable Tankprozedur in Bezug auf Sicherheit, Dauer und Wirkungsgrad der Gesamtenergiekette von der Quelle bis zum Rad
- Sicherheit für Insassen und Umgebung
Elektroantriebe
Obwohl Kunden bereit wären, einen Aufpreis von rund 9.000 Euro gegenüber Autos mit Benzin- oder Dieselmotor für 89,6 Prozent der Befragten zu zahlen, „wenn die Mehrkosten durch Kaufboni, Steuererleichterungen und niedrigere Betriebskosten ausgeglichen würden“, werden Elektroautos für Privatkunden zunehmend unattraktiver. Für einen Mitsubishi i-MiEV oder einen Citroen C-Zero werden rund 35.000 Euro fällig, ein Renault Fluence Z.E. kostet knapp 26.000 Euro. Begründet wird dies mit den hohen Herstellungskosten der Batterien: Die Produktion eines Hochenergieakkus mit 20 Kilowattstunden Leistung kostet derzeit 15.000 Euro.
Ebenso nachteilig wie der Preis erweist sich die mit 150 bis maximal 200 Kilometer sehr beschränkte Reichweite der Elektromobile, denen ein bislang nur unzureichend ausgebautes Netz von Tankstellen gegenübersteht. Damit sind Elektroautos für Privatkunden größtenteils unattraktiv: In den ersten elf Monaten des Jahres 2011 wurden lediglich 101 Fahrzeuge an Privatkunden verkauft, größere Abnehmer sind Autohändler und Unternehmen.
Technik
Ein Elektroantrieb ist ein Antrieb mit einem oder mehreren Elektromotor(en), der von einer Regelung geregelt wird. Sofern die Motorleistung groß ist, werden zwischen der Regelung und dem Elektromotor elektronische Leistungsstellglieder zwischengeschaltet, die dann Bestandteil des Elektroantriebs sind, dessen Regelung häufig in Gestalt einer Drehzahl-, Drehmoment-, Lage-, Geschwindigkeits- oder mehrvariablen Regelung ausgeführt ist.
Die Betankung eines Elektromotors erfolgt in der Regel über das Aufladen einer Batterie. Dch gehören auch solche Fahrzeuge zu den Elektromotoren, deren Energie nicht in Form von Elektrizität gespeichert ist (etwa in einer Lithium-Ionen-Batterie), sondern in Form eines noch umzuwandelnden Kraftstoffs wie zum Beispiel Wasserstoff. Die Umwandlung würde in diesem Fall in einer Brennstoffzelle geschehen, die die dem Antrieb die Energie zur Verfügung stellt. In dem Falle spricht man auch von einem Brennstoffzellenfahrzeug.
Brennstoffzellen
Eine Sonderform der Elektroautos stellen die Brennstoffzellen-Fahrzeuge dar, deren Entwicklung insbesondere durch Mercedes vorangetrieben wird. Vorteilig erweist sich hier die Reichweite von bis zu 500 km, nachteilig ist sicherlich das nach wie vor kaum ausgebaute Netz von bislang 21 Tankstellen in Deutschland. Hierzu gibt es bereits erste Hochrechnungen von Daimler, die ein Netz von 1.000 Tankstellen als ausreichend erachten, um Deutschland flächendeckend zu versorgen. Der 1,5 Milliarden teure Ausbau soll dabei bis 2017 vollzogen werden. Hierzu wurden bereits staatliche Fördergelder bereitgestellt.
Vor- und Nachteile der Brennstoffzelle:
| Vorteile | Nachteile |
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Technik
Die Elektrizität wird beim Brennstoffzellenfahrzeug an Bord erzeugt, indem in der Zelle Sauerstoff und Wasserstoff (H2) reagieren. Dabei entstehen außer Wasserdampf keinerlei Abgase.
Die Betankung erfolgt über Druckwasserstoff, der die Zapfsäule mit 350 bar bzw. 700bar verlässt, was einen Tankvorgang von etwa fünf bis sieben Minuten bzw. der Hälfte der Zeit bedeutet. 5,6 Kilogramm Wasserstoff, was in etwa einer Tankfüllung entspricht, kosten ca. 50 Euro.
Erd- und Flüssiggas
Die Verkaufszahlen der rein Erdgasbetriebenen Fahrzeuge haben sich seit 2008 trotz der Steuerbegünstigung bis 2018 mehr als halbiert. Weit verbreitet ist die Alternative zu Diesel und Benzin hingegen beispielsweise in Italien, in Russland und in Lateinamerika. Beliebter sind hingegen Aufrüstungen von Benzin- und Dieselfahrzeugen um einen zusätzlichen Tank für Flüssiggas, zumal hier ein zwischenzeitlich gut ausgebautes Tankstellennetz besteht. Erdgasautos beeindrucken in ihrem Fahrverhalten nicht gerade durch ihr Temperament, sind jedoch sparsam (das Fahren ist nur etwa halb so teuer wie mit einem Benziner) und bei der Nutzung von Biogas sogar äußerst nützlich für den Klimaschutz.
Erdgas wird durch Bohrungen gewonnen und ist damit genau wie Benzin und Diesel ein endlicher, fossiler Rohstoff, wobei das Gas als Beiprodukt der Diesel- und Benzingewinnung entsteht. Erdgas ist derzeit vor allem aufgrund der geringen Kosten und der geringen Emissionen sehr beliebt. Doch birgt die Anpassung der Motoren noch Potenziale: Direkt einblasende hoch aufgeladene Ottomotoren kommen hinsichtlich Effizienz in die Nähe von Dieselmotoren, bivalente Motoren sind weniger effizient.
Anschaffung und Umrüstung
Autogas wird durch geringen Druck in den flüssigen Zustand versetzt und kommt als Flüssiggas LPG (Liquefied Petroleum Gas) in den Fahrzeugtank, wohingegen Erdgas (CNG für “Compressed Natural Gas”) gasförmig getankt wird. Flüssiggas kann in Fahrzeugen mit Ottomotor benutzt werden, der Aufwand für die Nachrüstung ist dabei gering. Aufgrund des geringen Speicherdrucks können die Tanks bei PKWs torusförmig sein und anstelle des Ersatzrades verbaut werden, wodurch die Gesamtreichweite des Fahrzeugs bei unverändertem Kofferraum deutlich steigt, da der originale Benzintank erhalten bleibt.
Eine Neuanschaffung ist etwas teurer als das Pendant mit reinem Benzinantrieb – beim Opel Corsa macht dieser Unterschied 3.000 Euro aus. Wenngleich der nachträgliche Einbau eines Gastanks in die Reserveradmulde möglicherweise billiger ist, hat der werkseitige Einbau den Vorteil, dass die Herstellergarantie in vollem Umfang erhalten bleibt. Einen weiteren Kostenvorteil gibt es durch die Besteuerung der PKW nach ihrem CO²-Ausstoß: Gegenüber dem reinen Benzin-Modell emittiert der LPG-Corsa 15 Gramm/km weniger.
Den Kostenvorteilen steht dabei nur eine minimal schlechtere Leistung gegenüber: Ein 1,2-Liter-Vierzylinder Corsa gibt mit herkömmlichem Benzin maximal 85 PS ab, für den Autogasbetrieb nennt der Hersteller 83 PS.
Hybridfahrzeuge
Während Fahrzeuge, die ausschließlich mit Strom oder Gas betrieben werden, kaum wachsende Verkaufszahlen erzielen, erfreuen sich Hybridantriebe steigender Beliebtheit. So konnte im Jahr 2011 immerhin ein Zuwachs von 18 Prozent erzielt werden.
Unter Hybridfahrzeugen werden im Allgemeinen Mischformen aus konventionellen und elektrischen Antriebskomponenten verstanden. Die UNO definiert als Hybridauto ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben. Energiewandler sind beispielsweise Elektro-, Otto- und Dieselmotoren, Energiespeicher sind beispielsweise Akkumulator oder Kraftstofftank.
Nachdem serielle Hybridantriebe lange Zeit nicht realisiert wurden, da man von einer teuren und schweren Antriebsart ausging, arbeitet der aktuelle Ansatz der Range Extender mit der Zielsetzung, dass dem Verbrennungsmotor die Aufgabe zukommt, im Notfall den Akkumulator aufzuladen, um die Reichweite zu vergrößern. Damit haben Hybridantriebe vor allem im Stadtverkehr bei kleineren Fahrtstrecken, geringeren Geschwindigkeiten und häufigen Tempowechseln Vorteile im Energieverbrauch. Bei Überlandfahrten mit längeren Fahrtstrecken und höheren Geschwindigkeiten wirkt sich ein Hybridantrieb eher als Nachteil für den Energieverbrauch aus, da meist nur der Verbrennungsmotor läuft und der Hybridantrieb den Nachteil der höheren Masse mit sich bringt.
Doch sind auch Hybridautos teilweise wesentlich teurer als die Verbrennungsmotoren. Der V60 D6 AWD kostet mindestens 56.900 Euro, die Automatik-Variante V60 D5 AWD lediglich 40.450 Euro.
Bei den Hybridantrieben lassen sich unterschiedliche Technologien unterscheiden:
Leistungsverzweigte Hybridantriebe enthalten neben dem Verbrennungsmotor eine Kombination zweier elektrischer Maschinen, die als Generator und Motor arbeiten. Ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors wird mechanisch auf die Antriebsräder übertragen, ein weiterer Teil der Leistung wird über die als elektrisches Getriebe arbeitende Motor-Generator-Kombination auf die Räder übertragen. Damit kann der Verbrennungsmotor unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit in einem verbrauchsgünstigen Lastbereich arbeitet.
Kombinierte Hybridantriebe lassen sich mittels einer (automatisch betätigten) Kupplung zwischen parallelem und seriellem Betrieb umschalten. Als zweiter Energiespeicher kommen hier meist Akkumulatoren zum Einsatz.
alternative Brennstoffe
Zu unterscheiden von Hybridfahrzeugen, die zwei unterschiedliche Antriebsarten haben, von bivalenten Antriebe, die in der Lage sind, in einem Motor zwei unterschiedliche Kraftstoffe zu verbrennen. Hier steht die Nutzung alternativer Kraftstoffe wie Erd-, Biogas, Flüssiggas und zukünftig Wasserstoff neben der weiteren Nutzung mit Benzin bzw. auch Pflanzenöl als Substitut für Diesel im Vordergrund. Als weit verbreitetes Beispiel ist hier der nachträgliche Einbau von Autogasanlagen zu nennen. Der Nachteil bivalenter Antriebe besteht vor allem in der fehlenden Optimierbarkeit zugunsten beider Motoren, sodass immer ein Kompromiss gewählt wird, der nie verbrauchsoptimal ausgelegt ist.
Vor- und Nachteile verschiedener Brennstoffe:
- Wasserstoff eröffnet für den Ottomotor neue Potenziale durch eine hohe Zündwilligkeit und Oktanzahl. Die Speicherung in Druckbehältern gilt heute durch die 700bar-Technik technisch als gelöst.
- Pflanzenöl kann im Dieselmotor anstelle von Dieselöl verwendet werden. Es besitzt jedoch die Neigung zu verharzen und ist bei Kälte nicht mehr fließfähig, was zur Entwicklung von Biodiesel führte. Dieses wird vor allem als Beimischung verwendet. Wenngleich Dieselmotoren prinzipiell mit reinem Biodiesel arbeiten können, sind die meisten Fahrzeuge nur für max. 10 bis 20 % freigegeben, da technische Probleme bei Dichtungen auftraten. Im Gegensatz dazu wird BtL-Kraftstoff aus der ganzen Pflanze gewonnen und nicht nur aus den ölhaltigen Pflanzenteilen, sodass dieser eine breitere Rohstoffgrundlage als Biodiesel hat und daher nachhaltiger ist.
- Ethanol wird überwiegend in Additiven eingesetzt (ETBE). Besonders Multi-point- Einspritzsysteme vertragen bereits jetzt bis zu 20 % Ethanol im Kraftstoff (E20), darüber hinaus sind sogenannte Flexible Fuel-Fahrzeuge möglich, die für die Verwendung von E85 Kraftstoff (85 % Ethanol, 15 % Super Plus) ausgelegt sind, aber auch mit reinem Benzin betrieben werden können. Es gibt Motoren, deren Leistung bei Verwendung von E85 anstelle Benzins um 20 % steigt, doch in der öffentlichen Wahrnehmung wird die Beimengung von Ethanol eher kritisch betrachtet (E10).
Darüber hinaus werden auch Benzin- und Dieselmotoren immer sparsamer und sauberer. Die Autohersteller bieten zunehmend Modelle mit geringerem Kraftstoffverbrauch und Emissionen um die 100 Gramm CO²/km an. Welche Technologie sich zukünftig durchsetzen wird, ist momentan kaum absehbar.
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