Immer mehr Autos haben künftig einen Elektromotor. Ob nun elektrisch, mit Brennstoffzelle oder mit Hybridantrieb – die Technik wird immer weiterentwickelt. Wie sieht die Elektromobilität der Zukunft aus?
Elektromobilität in der Vergangenheit: Ein Rückblick
Das Thema Elektromobilität ist in Deutschland ein zweischneidiges Schwert. Denn seit der Entwicklung des ersten modernen zivilen Verkehrsflugzeugs im Jahr 1919 durch Hugo Junkers gab es bis heute keine Innovationen mehr im Land. Stattdessen folgt Deutschland seit nunmehr 100 Jahren ausschließlich Trends, die von anderen Ländern gesetzt werden, anstatt selbst für Umbrüche zu sorgen. Erfindungen in Deutschland hat es bislang viele gegeben – doch das Generieren von Produkten aus diesen Ideen, das wurde bislang freiwillig den Wettbewerbern überlassen. Anscheinend haben sich die deutschen Unternehmen darauf fokussiert, Produkte aus dem Ausland zu kopieren und auch zu optimieren. Diese Vorgehensweise ist besonders gut an dem Thema Elektromobilität zu erkennen.
Denn Batteriefahrzeuge sind keineswegs neu. Bereits in den 1950er Jahren fuhren sie auf den Straßen und trotz diverser Krisen, wie zum Beispiel das Versiegen der Quellen in naher Zukunft oder dem Thema Reduzierung von Stick- und Schwefeloxiden in den 1990er Jahren wurde nichts an der weiteren Entwicklung des Themas Elektromobilität getan. Elektrische Antriebe haben im Vergleich zu Verbrennungsmotoren einige Vorteile zu bieten: So ist die Lärmemission geringer, sie sind leichter und kleiner als ein Verbrennungsmotor und die lästige und gefährliche Handhabung von Flüssigkeiten durch Schläuche, Pumpen und Ventile entfällt. Stattdessen wird das Fahrzeug einfach über ein Kabel mit der benötigten Energie versorgt.
In städtischen Räumen werden die Themen Schadstoffemissionen, Lärm und Staus zu einer zentralen Herausforderung der Zukunft werden. (#01)
Die Elektromobilität in Deutschland steht vor einer großen Herausforderung
In städtischen Räumen werden die Themen Schadstoffemissionen, Lärm und Staus zu einer zentralen Herausforderung der Zukunft werden. Doch zugleich muss die Mobilität auch klimaschonend und ressourcenschonend werden. Daher ist es erforderlich, dass das Mobilitätssystem in Deutschland grundlegend umgestaltet wird.
Benötigt wird ein ganzeinheitliches Konzept, das alle Verkehrsträger berücksichtigt und aus den drei Bausteinen:
- Vernetzung
- Automatisierung
- Elektrifizierung
besteht. Eine Mobilitätswende ist unabwendbar und bei einer Gesamtbetrachtung der Vorteile einer Vernetzung und Automatisierung entsteht so ein vollkommen neues Stadtbild, das Staus und Lärm reduziert und die ökologischen Herausforderungen berücksichtigt. Fahrzeuge besitzen künftig Assistenzsysteme und dem Fahrer werden vom Fahrzeug immer mehr Aufgaben abgenommen. Durch die Vernetzung der Fahrzeuge miteinander können Verkehrsflüsse besser geregelt werden und die Reichweite eines Elektrofahrzeugs wird optimaler genutzt.
Der Marktanteil deutscher Hersteller an Elektrofahrzeugen liegt in Westeuropa bei 47 %. Somit ist jedes zweite verkaufte Fahrzeug bereits ein Fahrzeug mit einem hybrid- oder Elektroantrieb. In den USA liegt im Gesamtmarkt für Elektrofahrzeuge der Anteil der deutschen Hersteller etwa genauso hoch wie bei herkömmlichen Autos mit einem Verbrennungsmotor. Inzwischen gibt es mehr als 30 verschiedene Fahrzeuge mit Elektro- und Hybridantrieb von deutschen Herstellern und auf dem Autosalon Paris 2016 wurden etliche weitere angekündigt.
Die deutsche Regierung hat rund 1,5 Milliarden € an Investitionen in die Forschung und Entwicklung gesteckt. Einem besonderen Fokus gilt dabei der Batterie-Produktion. Die Batterie bestimmt die wesentlichen Fahrzeugeigenschaften, wie zum Beispiel die Reichweite und die Performance und macht daher 30 bis 40 % der Wertschöpfung aus. Den Markt für Batteriezellen dominieren aktuell koreanische und asiatische Unternehmen und für deutsche Firmen lohnt sich derzeit aufgrund bestehender Überkapazitäten der Einstieg in den Markt nicht.
Allerdings wird mit den künftig erwarteten Verkaufserfolgen der Elektrofahrzeuge auch der Bedarf an Batterien weiter steigen. Der Markt für Elektrofahrzeuge muss weiterhin ausgebaut werden und durch den Umweltbonus werden Kaufanreize geschaffen, da so der derzeit noch vorhandene Preisunterschied zwischen einem Elektrofahrzeug und einem konventionellen Fahrzeug sinkt. Bis zum Jahr 2020 soll die Ladeinfrastruktur in Deutschland mit Investitionen in Höhe von rund 300 Millionen € weiter angekurbelt werden.
Das Elektroauto soll das Konzept der Zukunft sein: immer mehr Abgase, schwindende Rohstoffressourcen und wachsende Städte machen ein Umdenken erforderlich. (#02)
Elektroauto – wie funktioniert es?
Das Elektroauto soll das Konzept der Zukunft sein: immer mehr Abgase, schwindende Rohstoffressourcen und wachsende Städte machen ein Umdenken erforderlich. Doch wie funktioniert ein Elektroauto eigentlich?
Wie lange fährt ein Elektroauto?
Mit der Batterie und somit dem Speicher entscheidet sich nicht nur, wie lange ein Elektroauto pro Ladung fahren kann und somit die Reichweite, sondern auch das Kosten/Nutzen-Verhältnis. Denn nur sehr wenige Interessenten sind bereit, extrem hohe Preise für einen besseren Stromspeicher zu zahlen. So ist für den Kurzstreckenverkehr ein Auto mit einer Reichweite von 150 km genauso interessant wie ein Pkw mit bis zu 500 km Reichweite, sofern er nicht mehr kostet als ein Auto mit Verbrennungsmotor.
Aktuell werden Lithium-Ionen-Zellen für den Akku verwendet und im Mobilitätsbereich spielen die deutlich günstigeren Nickel-Metallhydrid-Akkus nur noch bei den Hybridmodellen von Toyota eine Rolle. Bessere Techniken, wie zum Beispiel LiFePO4-Akkus, sind in der Produktion zu aufwendig, zu teuer und erfordern ein gewisses Batteriemanagement. Die Aufgabe der Zukunft liegt darin, einzelne Zellen zu verbinden und somit eine preiswerte Ladetechnik zu entwickeln.
Wie viel Strom verbraucht ein Elektroauto?
Die Reichweite und der Verbrauch sind von der verbauten Batterie abhängig. Doch nicht nur auf die Reichweite mit einer Ladung kommt es an, sondern auch auf die Lebensdauer und Laufleistung. Gemäß einer Kunden Umfrage von Tesla und Nissan werden Laufleistungen von 150.000 bis 200.000 km angegeben, bei denen eine Restkapazität von etwa 80 % erzielt werden kann. Danach gilt die Batterie als verbraucht. Derzeit arbeiten die Hersteller an Konzepte, mit denen sie die Batterien danach anderweitig verwenden, zum Beispiel für Fotovoltaik Anlagen.
Einen weiteren Einfluss auf die Lebensdauer und Effektivität eines Elektroautos hat auch die verwendete Ladetechnik. Mit hohen Ladenströmen wird der Ladeverlust größer, aber auch Schnellladungen gehen auf die Lebensdauer der Akkus. Der Verbrauch wird auch von der Temperatur beeinflusst und im Winter ist es möglich, dass Ladeverluste von bis zu einem Drittel entstehen.
Video: Test the best – 29 Elektroautos im Test (2015)
Wie funktioniert ein Elektroauto Motor?
In fast allen Elektroautos werden zum Antrieb Drehstrommotoren verwendet. Er ist bekannt im Haushalt als Starkstromanschluss, zum Beispiel beim Herd in der Küche. Korrekt wird der Fachbegriff auch Dreiphasenwechselspannung genannt. Solche Motoren haben gegenüber Gleichstrommotoren einige Vorteile, zum Beispiel einen geringeren Verschleiß. Andere Motoren spielen bei den Elektroautos aktuell keine Rolle.
Welche Antriebsarten bei Elektroautos?
Bei der Elektromobilität ist das Antriebssystem von den Elektroautos ein weiteres Unterscheidungsmerkmal. Als Standard hat sich der Frontantrieb etabliert und bei Allradfahrzeugen der Einsatz von zwei Motoren – einer pro Achse. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Motoren, die jedes Rad einzeln ansteuern und dadurch fahrdynamische Vorteile versprechen.
Welche Zukunft hat ein Elektroauto?
Wohin uns die Elektromobilität in Zukunft bringen wird ist im Bezug auf Elektroautos sicherlich von der Preisentwicklung und der Weiterentwicklung der Stromspeicher abhängig. Vor allem im Kurz- und Mittelstreckenbereich in den Ballungszentren werden vermutlich mehr Stromautos eingesetzt werden. Wichtig ist hier die weitere Entwicklung der Ladestellen. Denkbar wären zum Beispiel Ladeterminals, die an einem Lichtmast installiert werden. Derzeit wird auch an der Induktion-Ladetechnik intensiv geforscht, die eine kontaktfreie Ladung ermöglicht.
Die Routenführung wird künftig durch eine Vernetzung verbessert und dadurch ist es möglich, mit anderen Fahrzeugen zu kommunizieren und dadurch einen freien Ladepunkt anzusteuern. Somit gehört die Sorge, dass der angesteuerte Stellplatz mit Stromanschluss belegt ist, der Vergangenheit an. Ein weiterer Blick in die Zukunft wäre das fahrerlose Elektrofahrzeug, das bei Bedarf den nächsten freien induktiven Stromladeplatz anfährt und sich dort eigenständig vernetzt.
Eine weitere Revolution wurde auf dem Genfer Autosalon vorgestellt: Nanoflowcell und die Flusszellenforschung. Der dort vorgestellte Sportwagen verfügte über einen 48 Volt Niedervoltantrieb und ist nach Angaben des Herstellers damit das erste Elektrofahrzeug auf der Welt, welches eine steuerbare Flusszelle als Energiequelle nutzt. Das Sportauto erreicht 760 PS, die von vier Elektromotoren erzeugt werden. Das Auto beschleunigt von null auf 100 in nur 2,4 Sekunden und erst bei 300 km/h ist Schluss. Die Reichweite soll bei unglaublichen 1000 km liegen.
Video: [DOKU] Elektroautos- Top oder Flop
Elektromobilität: Ein Blick in die Zukunft
Nicht nur das Elektroauto ist es, das derzeit in aller Munde ist, sondern bei der Elektromobilität gibt es noch weitere Zukunftsversionen, darunter zum Beispiel ein Lastwagen mit Elektroantrieb. Dieser wird auf einem Teilstück der Autobahn A1 bei Lübeck und der A5 bei Darmstadt getestet. Mit ihm soll emissionsarm künftig Fracht in Deutschland ankommen. Dabei handelt es sich nicht um eine Zukunftsprognose, sondern in Berlin Templin auf dem ehemaligen Militärflughafen ist diese Idee bereits realisiert worden.
Das Bundesumweltministerium lässt hier in einem Pilotprojekt auf einer Teststrecke von 1 km drei 18-Tonner fahren. Bei den Lkw handelt es sich um sogenannte O-Lkw, die somit mit Oberleitungen arbeiten. Für den Umbau von zwei weiteren Strecken in Schleswig-Holstein und Hessen hat das Ministerium eine Förderung von rund 40 Millionen € zugesagt. Auf diesen Strecken sollen künftig vier Speditionen bis zum Jahr 2019 zehn Elektrofahrzeuge testen – mit dem Ziel, den Güterverkehr auf Deutschlands Straßen klimafreundlicher zu gestalten.
Schließlich hat sich seit dem Jahr 1990 der Güterverkehr auf Deutschlands Straßen verdoppelt und bis zum Jahr 2030 ist nach Prognose mit einem weiteren Anstieg um 40 % zu rechnen. Da aber Stellung auf die Batterietechnik bei Lkw deutlich länger dauert als bei den Pkw, wird es die Regierung vermutlich nicht schaffen, bis zum Jahr 2050 die Verkehrsemission auf null zu senken. Aus diesem Grund werden derzeit die vorgenannten Lkw mit Oberleitung getestet. Sie würden die CO2-Emissionen um rund 95 % senken. Der Vorteil: die Technik ist nicht neu und Siemens hat bereits einen Stromabnehmer konstruiert, der selbst bei höchstem Tempo zwischen dem Fahrzeug und der Oberleitung den Kontakt hält.
Somit können die neuen O-Lkw auch überholen oder von der Autobahn abfahren. Ist dann keine Oberleitung mehr vorhanden, so wird auf ein Dieselaggregat umgeschaltet. Während der Oberleitungsfahrt laden sie zudem genügend Energie auf, so dass sie die dreifache Strecke auch abseits von der Autobahn mit elektrischer Energie fahren können. Die Kosten sind es jedoch, die Experten an der neuen Elektromobilität zweifeln lassen. Denn pro Kilometer Verkabelung auf der Autobahn werden 2 Millionen € fällig. Laut dem Umweltministerium müssten etwa mindestens 1000 Autobahnkilometer umgerüstet werden, damit auch die Speditionen daran interessiert sind, ihre Fahrzeuge auf die teureren Elektro-Lkw umzurüsten.
Multikopter sind fliegende Spielzeuge, Transport- und Überwachungsdrohnen oder auch professionelle Kameradrohnen. Sie haben eines gemein, sie profitieren von einem Elektromotor. (#03)
Multikopter: Das Fliegen mit dem Elektromotor
Multikopter sind fliegende Spielzeuge, Transport- und Überwachungsdrohnen oder auch professionelle Kameradrohnen. Sie haben eines gemein, sie profitieren von einem Elektromotor. Der chinesische Hersteller Ehang möchte dieses System künftig auch für Personentransporte nutzen. An einem ähnlichen Konzept arbeitet auch die US-amerikanische Firma Zee.Aero. Ebenfalls an dem Thema forscht ein deutsches Unternehmen, das von Intel unterstützt wird: eVolo.
Der sogenannte Volocopter ist ein personentragender Multikopter, der mit nur einer Hand mit einem Joystick intuitiv gesteuert wird. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) fördert das Projekt mit einem Zuschuss von 2 Millionen €. Der VC 200 wurde bereits Mitte 2012 gebaut und verfügt über 18 Einzelmotoren. Ende 2013 fand der erste unbemannte Flug in Karlsruhe statt und am 30. März 2016 wurde vom Geschäftsführer Alexander Zosel der erste bemannte Flug durchgeführt.
Natürlich hat solch ein Vehikel ebenfalls ein Reichweitenproblem. Hinzu kommt, dass das maximale Startgewicht technisch und rechtlich begrenzt ist. Hier ist es nicht wie bei einem Elektroauto möglich, einfach die Batteriemasse zu erhöhen. Für dieses Problem gibt es jedoch bereits eine Lösung: der Yeair von Airstier aus Bad Pyrmont. Das Unternehmen hat eine Drohne vorgestellt, bei der der Elektromotor gemeinsam mit einem Dieselmotor auf dieselbe Achse und ohne zwischengeschaltetes Getriebe wirkt.
Vor allem für den Start wird der Elektromotor eingesetzt und dient dann während des Flugs als Drehzahlregler für den Dieselmotor oder als Generator. Diese Techniken liefern lange Flugzeiten, hohe Reichweiten und eine hohe Effizienz. Die Flugfähigkeit wird durch Nachtanken sichergestellt und es ist keine Steckdose vonnöten.
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