Chancen durch das Elektroauto

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henning Wallentowitz
Dipl.-Ing. Ralf Bady
ika Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen
VDI-Tagung "Batterie-, Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeuge"
Dresden, 17./18. Februar 1998

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Einführung
Vom Gesetzgeber vorgegebene Randbedingungen
Batteriegetriebene Elektrofahrzeuge
Hybridfahrzeuge
Brennstoffzellenbetriebene Elektrofahrzeuge
Ökologische, ökonomische und technologische Chancen
Zusammenfassung
Schrifttum

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Einführung

Die Belastung der Luft mit den Schadstoffen CO, HC, NOx, Benzol und Ruß führt insbesondere in Verkehrsballungsgebieten in Verbindung mit klimatischen und photochemischen Prozessen zu Smog- und Ozonbildung. Für den Straßenverkehr, einen der Hauptverursacher dieser Schadstoffkomponenten, werden daher die zulässigen Emissionsgrenzwerte in den Industrieländern stetig reduziert. Direkt an den Kraftstoffverbrauch gekoppelt ist die Entstehung von CO2-Emissionen, die zusammen mit den flüchtigen Kohlenwasserstoffverbindungen für die anthropogene globale Klimaerwärmung, den sog. Treibhauseffekt, verantwortlich gemacht werden. Neben der ständigen Weiterentwicklung von verbrauchs- und emissionsarmen Verbrennungsmotoren wird daher in der Automobilindustrie nach möglichen Alternativen für zukünftige Antriebe gesucht. Eine zukunftsträchtige Alternative stellt dabei der Elektroantrieb dar. Als Elektrofahrzeug bezeichnete man in der Regel bisher meist nur die batteriegetriebenen Elektrofahrzeuge. Jedoch auch bei Brennstoffzellenfahrzeugen und, je nach Auslegung, auch bei Hybridfahrzeugen handelt es sich um Elektrofahrzeuge, die über einen Elektromotor für den Antrieb verfügen (Abb. 1).



Abb. 1: Möglichkeiten der Realisierung elektrischer Antriebe

In diesem Beitrag soll dargestellt werden, welche Impulse vom Elektroauto für die ökologische, die wirtschaftliche und die technologische Entwicklung ausgehen. Dazu wird der Stand der Entwicklung dargestellt, aus dem dann die sich ergebenden Chancen abgeleitet werden können.

Vom Gesetzgeber vorgegebene Randbedingungen

Die Entwicklung von batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen wird insbesondere durch die in Kalifornien geltende Gesetzgebung bestimmt. Innerhalb des südkalifornischen Beckens werden jährlich an mehr als 100 Tagen die bundeseinheitlich festgelegten Grenzwerte für Ozon deutlich überschritten [ASH97]. Daher hat die kalifornische Regierung, die bereits bei der Einführung der Katalysatortechnik in den 70er Jahren entscheidend beteiligt war, die Einführung des 'Low Emission and Clean Fuel Program' im Rahmen des Clean Air Act im September 1990 besonders gefördert. Das Programm sieht neben der Einführung sog. sauberer Kraftstoffe insbesondere die Einführung von Fahrzeugen mit niedrigen Emissionen vor. Hierzu wurden zunächst vier Fahrzeugkategorien mit unterschiedlichen Abgasemissionsstandards definiert: Transitional-Low-Emission-Vehicles (TLEV), Low-Emission-Vehicles (LEV), Ultra-Low-Emission-Vehicles (ULEV) und Zero-Emission-Vehicles (ZEV).
Während die drei Fahrzeugkategorien TLEV, LEV und ULEV Abgasemissionsstandards beschreiben, wird unter einem Zero-Emission-Vehicle eine Fahrzeugkategorie verstanden, die keinerlei direkte Emissionen verursacht. Zum Zeitpunkt des Inkrafttretens des Gesetzes konnte dieses nur von batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen erfüllt werden. Die Fahrzeughersteller wurden durch die Gesetzgebung dazu verpflichtet, die o.g. Fahrzeugtypen innerhalb ihrer Fahrzeugflotte in derartigen Stückzahlen zu verkaufen, daß der ab 1994 jährlich fortgeschriebene Flottenemissionsstandard für die Kohlenwasserstoffe ohne Methan (NMHC), als wesentliche Vorläufersubstanz für die bodennahe Ozonbildung mitverantwortlich, vom Flottendurchschnitt erfüllt wird. Während zur Erfüllung dieses Flottenemissionsstandards beliebige Anteile und Kombinationen an TLEV-, LEV- und ULEV-zertifizierten Fahrzeugen am Markt abgesetzt werden können, wurden für die Zero-Emission-Vehicles (ZEV) Mindestabsatzzahlen vorgeschrieben. Die mittlerweile modifizierte Gesetzesinitiative sah zunächst mit Beginn des Jahres 1998 den Absatz von 2% ZEV für die Jahre 1998-2000, 5% ZEV für 2001 und 2002, sowie 10% ZEV ab 2003 vor. Während die Absatzquoten ab 2003 für alle Hersteller gilt, waren von den ab 1998 festgelegten Quoten nur diejenigen Hersteller betroffen, die in den Modelljahren 1989 bis 1993 jährlich mehr als 35.000 Fahrzeuge in Kalifornien abgesetzt haben. Davon betroffen waren somit die drei großen amerikanischen Hersteller Ford, General Motors und Chrysler sowie die vier japanischen Hersteller Toyota, Honda, Nissan und Mazda. Nachdem die bereits 1998 betroffene Automobilindustrie und das vom California Air Resources Board (CARB) eingesetzte Battery Technology Advisory Panel starke Zweifel über marktfähige Technologien für eine Serienproduktion bereits 1998 äußerte, wurde die Gesetzesinitiative überarbeitet und in ihrer geänderten Fassung im März 1996 verabschiedet. Innerhalb der neuen Fassung wurden die Absatzverpflichtungen für ZEV für die Jahre 1998-2002 aufgehoben und durch ein mit jedem der sieben betroffenen Hersteller geschlossenes 'Memorandum of Agreement', Abk. MOA, ersetzt. Die Verpflichtung zum Absatz von 10% ZEV ab 2003 bleibt jedoch weiterhin bestehen. Dieses MOA sieht u.a. die Einführung von 3750 Elektrofahrzeugen mit sog. 'advanced batteries' in dreijährigen Demonstrationsprogrammen für die Jahre 1998 (750 ZEV), 1999 und 2000 (jeweils 1500 ZEV) vor, wobei die Aufteilung auf die Fahrzeughersteller nach Zulassungszahlen erfolgt. Entsprechend der spez. Energiedichte der eingesetzten Batterietechnologie kann die Anzahl der einzuführenden Fahrzeuge jedoch über sog. 'ZEV credits' reduziert werden. [BAD97]
Der Bundesstaat New York, der das 2% Mandat für ZEV ab 1998 von Kalifornien übernommen und auch beibehalten hat, befindet sich derzeit in gerichtlichen Auseinandersetzungen mit den betroffenen Automobilherstellern, die derzeit keine Möglichkeiten sehen, dieses Mandat zu erfüllen. Sollte es hier zu keiner, jedoch allerdings erwarteten Einigung kommen, müssen in New York 1998 theoretisch 7000 Elektrofahrzeuge zugelassen werden.
Für Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge gibt es derzeit noch keine verbindlichen Richtlinien. Nach dem derzeitigen Vorschlag des CARB für die ab 2004 vorgesehenen 'Low-Emission Vehicle Regulations LEV II' sollen diese Fahrzeugarten im Rahmen des neu vorgeschlagenen Emissionsstandards SULEV (Super Ultra-Low-Emission Vehicle) partielle 'ZEV credits' erhalten. [CAR97]

Batteriegetriebene Elektrofahrzeuge

Nur aus Batterien angetriebene Elektrofahrzeuge haben den uneingeschränkten Vorteil der lokalen Emissionsfreiheit, jedoch im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen Nachteile in bezug auf Reichweite und Verfügbarkeit. Verringerte maximale Fahrleistungen sind aufgrund des sinnvollen städtischen Einsatzes sowie den in vielen Ländern vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeiten von 120-130 km/h wenig nachteilig. Die den batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen zuzuordnenden Emission sind direkt abhängig von der Art der Stromerzeugung. Je nach Stromerzeugungsmix lassen sich Vor- oder Nachteile für die globalen Emissionen nachweisen. Wird die elektrische Energie aus einem Netz mit stark fossil, insbesondere Kohle, geprägter Erzeugungsstruktur entnommen, ist die Bilanz bei einigen Schadstoffen (CH4, SO2) und beim Kohlendioxid im Vergleich zum vergleichbaren konventionellen Fahrzeug normalerweise negativ. Bei ölbetriebenen Kraftwerken ergibt sich eine vergleichbare Umweltbelastung, bei Stromnetzen mit hohen Anteilen von Kernkraft oder regenerativen Energieträgern, wie z.B. Wasser- oder Windkraft, lassen sich allerdings deutliche Vorteile ausweisen.
In den letzten fünf Jahren konnten deutliche technologische Verbesserungen bei den Elektrofahrzeugen erzielt werden. Durch den Einsatz hocheffizienter und leistungsstarker Antriebsmotoren und deutlich in Leistung und Zuverlässigkeit verbesserter Batteriesysteme konnten serienfähige Fahrzeuganwendungen dargestellt werden. Der Einsatz permanent-erregter Motoren bietet hierbei die Option des besseren Wirkungsgrades (Systembestwirkungsgrade > 95%, spez. Leistung > 1 kW/kg), jedoch auch Asynchronmotoren bieten bei etwas schlechteren Leistungsdaten eine kostengünstige und viel verwendete Alternative.
Bei den Batteriesystemen werden die herkömmlichen, bekannten Bleisysteme immer mehr durch Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Systeme verdrängt. Die französischen Hersteller PSA und Renault, die mit Elektrofahrzeugen in (Klein-) Serienproduktion sind, verwenden derzeit ausschließlich Nickel-Cadmium-Batterien, während die japanischen Automobilhersteller Honda und Toyota auf die etwas leistungsfähigere Nickel-Metallhydrid-Batterie setzen. Die amerikanischen Hersteller, die derzeit noch aufgrund von Kosten und Verfügbarkeit Bleibatterien einsetzen, werden in naher Zukunft ebenfalls teilweise auf Nickel-Metallhydrid-Batterien umstellen, da sie ansonsten aufgrund der geringen Energiedichte von Bleisystemen keine 'ZEV Credits' im Rahmen des MOA erhalten können. Als einziger Automobilhersteller hat Nissan eine Lithium-Ion-Batterie für den Serieneinsatz bereits heute vorgesehen und im Einsatz. Eine weitere, sehr leistungsfähige Batterie, die Lithium-Polymer-Batterie, die aufgrund der verwendeten Materialien kostengünstiger sein soll als die Lithium-Ion-Batterie, befindet sich noch in der Entwicklungsphase und soll erstmals 1998 im Straßeneinsatz getestet werden. Die deutschen Automobilhersteller, wie z.B. BMW und Daimler-Benz, setzen in Ihren Entwicklungen derzeit auf die ZEBRA-Batterie (Natrium-Nickelchlorid-Batterie).
Ein Beispiel hierfür ist A-Klasse von Daimler-Benz (Abb. 2), die ursprünglich als Elektrofahrzeug konzipiert worden ist.


Abb. 2: Mercedes-Benz A-Klasse mit Elektroantrieben [DAI97]

Durch den Sandwichboden kann die Batterie als ein Block außerhalb der Crashzonen angeordnet werden, wobei zusätzlich der Schwerpunkt des Fahrzeugs niedrig gehalten wird. Die eingesetzte 370 kg schwere ZEBRA-Batterie Z12 (289 V, 104 Ah) hat einen Energieinhalt von 30 kWh (81 Wh/kg, 155 W/kg). Durch die Verwendung eines 1 Batteriesystems konnten die thermischen Verluste im Vergleich zu früheren 2 Batteriesystemanordnungen deutlich gesenkt (160 W/270°C) werden. Das Batteriesystem ist ölgekühlt, wobei die Abwärme auch zur Heizung des Fahrzeuginnenraums genutzt wird.
Als Antriebssystem kommt ein 30/50 kW leistungsstarker Asynchronmotor mit einem maximalen Drehmoment von 180 Nm zum Einsatz.
Mit dem eingesetzten Antriebs- und Batteriesystem beschleunigt das 1380 kg schwere Fahrzeug in 16,5 s von 0 auf 100 km/h und erreicht unter städtischen Verkehrsbedingungen eine Reichweite von 200 km mit einer Ladung.
Das Fahrzeugkonzept wird derzeit unter kraftfahrzeugtypischen Bedingungen (Sommer-/Wintertest) getestet. [GAU97]
In den USA, insbesondere in Kalifornien, sind seit spätestens Anfang 1998 diverse Elektrofahrzeuge verfügbar (Abb. 3) [BAD97]. Durch das MOA mit der kalifornischen Regierung müssen die betroffenen Automobilhersteller beginnend in 1998 batteriegetriebene Elektrofahrzeuge auf dem kalifornischen Markt anbieten. Erster Anbieter war General Motors mit der Einführung des EV1 bereits im Dezember 1996 in Kalifornien und Arizona. Je nach Konzept des einzelnen Herstellers können die Fahrzeuge von Flottenbetreibern, Energieversorgern oder auch Privatpersonen gekauft oder geleast werden. General Motors hat seit der Einführung des EV1 300 Fahrzeuge verleast, Honda hat für seinen EV Plus seit Mai 1997 79 Abnehmer gefunden.

Elektrofahrzeuge, Markt-Einführung in den Vereinigten Staaten

  General Motors EV1, Dezember 1996

  Chevrolet S-10, Frühjahr 1997

  Chrysler EPIC, Frühjahr 1997

  Honda EV Plus, Mai 1997

  Toyota RAV 4 EV, Herbst 1997

  Ford Ranger EV, Januar 1998

  Nissan Altra EV, März 1998

Abb. 3: Verfügbare Elektrofahrzeuge in den USA

Hybridfahrzeuge

Aufgrund der durch die Batterie eingeschränkten Reichweite von reinen Elektrofahrzeugen werden seit vielen Jahren auch Überlegungen zur Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor in einem sog. Hybrid-Antrieb diskutiert. Wenn auch die Fahrleistungen von Elektrofahrzeugen für den Stadtverkehr ausreichend sind, genügen Reichweite und Höchstgeschwindigkeit nicht für den universellen Einsatz. Hier erscheint die Kombination von Verbrennungsmotor und Elektromaschine zu einem Hybridantrieb sinnvoll, da so die Vorteile beider Antriebsarten wie z.B. hohe Reichweite, schnelles Nachtanken, Rückgewinnung der Bremsenergie sowie emissionsfreier Betrieb nutzbar sind. Durch die geeignete Kombination und Dimensionierung von Elektro-, Verbrennungsmotor und Batterie lassen sich so Verbrauchs- und Emissionsreduktionen erreichen, wobei durch den reinen Batteriebetrieb auch ein lokal emissionsfreies Fahren ermöglicht wird. Prinzipiell unterscheidet man parallele und serielle Konfigurationen, die sich durch Sonderformen wie leistungsverzweigte oder kombinierte Strukturen erweitern lassen (Abb. 4).


Abb. 4: Beispiele für Antriebsstranganordnungen bei Hybridantrieben

Serielle Hybridantriebe können Vorteile bei den Emissionen, jedoch weniger bei der Energieeinsparung erbringen. Gründe hierfür sind einerseits der von der Raddrehzahl entkoppelte Betrieb der Verbrennungsmaschine und die somit gegebene Möglichkeit des Einsatzes kontinuierlicher Verbrennungsverfahren (Gasturbine, Stirlingmotor), andererseits sind jedoch durch die mehrfache Energiewandlung (thermisch - mechanisch - elektrisch -mechanisch) Einbußen beim Wirkungsgrad zu erwarten. Parallele Hybridantriebe bieten hier durch die rein mechanische Kopplung und die Kombination zweier kleiner Antriebsmotoren (Verbrennungsmotor, Elektromotor) weniger Vorteile bei der Emissionsreduktion, jedoch deutlich bessere Vorteile bei der Möglichkeit der Kraftstoffeinsparung. Gedämpft werden diese Vorteile jedoch wiederum durch das Mehrgewicht, in erster Linie verursacht durch die Batterie. Neben den vielfältigen Forschungsaktivitäten aller Automobilhersteller auf dem Gebiet der Hybridantriebe sind bereits zwei Systeme in Kleinserie verfügbar. Audi hat auf Basis des A4 Avant einen parallelen Hybridantrieb realisiert, welcher auf dem deutschen Markt auf Leasingbasis (Basispreis: 60.000 DM) angeboten werden soll.Toyota hat im Frühjahr 1997 ein Hybridsystem vorgestellt (Abb. 5), welches seit Dezember 1997 in der Serienproduktion ist. Verkauft werden soll der mit dem THS (Toyota Hybrid System) ausgestattete Toyota Prius für umgerechnet 17.000 US$ zunächst ausschließlich in Japan. Innerhalb des ersten Monats sind 3500 Bestellungen eingegangen. Das THS ist leistungsverzweigter paralleler Hybridantrieb bestehend aus einem 1,5 l, 4-Zyl., 43 kW leistungsstarken Benzinmotor der nach dem Atkinson/Miller-Prozeß arbeitet, einem 30 kW permanent-erregten Elektromotor und einem 15 kW Generator. Verbunden sind diese drei Komponenten über ein Planetengetriebe, welches eine Leistungsverzweigung vornimmt. Der Verbrennungsmotor ist hierbei mit dem Planetenträger verbunden, der Generator mit dem Sonnenrad und der Elektromotor mit dem Hohlrad und über ein Kettengetriebe direkt mit dem Abtrieb des Systems.



Abb. 5

Das Planetengetriebe verteilt in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Fahrzeugs die Leistung des Verbrennungsmotors zu den Räder oder zu dem Generator. Dieses ermöglicht den Verbrennungsmotor möglichst immer innerhalb seiner effektivsten Verbrauchskennlinie zu betreiben. Durch die Verwendung des Planetengetriebes und des Generators arbeitet das System wie ein elektronisch geregeltes CVT und benötigt keine Kupplung. Die Drehzahlsteuerung des Planetengetriebes und somit des Verbrennungsmotors erfolgt über die Regelung der Generatordrehzahl. Der Generator liefert seine Energie entweder direkt zum Elektromotor oder speichert diese in einer 44 kg schweren 1.8 kWh NiMH-Batterie zwischen. Eine Ladung der Batterien über das Stromnetz ist nicht vorgesehen, da die Betriebsstrategie die Batterie möglichst immer in einem bestimmten Betriebszustand behält. Ein rein elektrischer Betrieb ist bis auf den Anfahrvorgang bisher nicht eingeplant. Toyota gibt für den Prius einen Kraftstoffverbrauch von 3.6 l im japanischen 10-15-Zyklus an. Damit verbunden ist eine Reduktion der CO2 Emission auf 50% verglichen mit einem konventionell angetriebenen Fahrzeug gleicher Größe. Auch bei den CO und NOx Emissionen werden deutliche Reduktion (ca. 50%) im Vergleich zu einem Vergleichsfahrzeug angegeben, wobei bei den HC Emissionen durch das häufige Starten und Stoppen des Verbrennungsmotors bisher keine Verbesserungen erzielt werden konnten. [SAS97] Insbesondere in den USA werden parallele als auch serielle Hybridantriebskonzepte sowie deren Komponenten intensiv in einem seit 1993 laufenden vom DOE geförderten 'Hybrid Propulsion System Development Program' sowie im Rahmen des in 1994 initiierten 'Partnership for a New Generation of Vehicles (PNGV)' entwickelt und erprobt.

Brennstoffzellenbetriebene Elektrofahrzeuge

Brennstoffzellen stellen eine Möglichkeit dar aus chemischer Energie ohne den Umweg der thermisch-mechanischen Wandlung direkt elektrischen Strom zu produzieren, wobei Wirkungsgrade von mehr als 50% erreicht werden. Als Emissionen entstehen bei diesem Prozeß ausschließlich Wasser und Wärme. Als Kraftstoff für die Brennstoffzelle wird Wasserstoff, entweder in direkter Form oder als wasserstoffreiches Gas aus einem Reformprozeß aus Kohlenwasserstoffverbindugen, und Sauerstoff, meistens der Umgebungsluft entnommen, benötigt. Für in der Kraftfahrzeuganwendung geeignet hat sich die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzelle erwiesen, die in einem Temperaturbereich von 80°C betriebsfähig ist und als Elektrolyt eine dünne, beidseitig mit Platin beschichtete Kunststoffolie nutzt. Die heutige Technologie ermöglicht es eine Leistungsdichte von 1 kW/l bei den Brennstoffzellen-Stacks zu erzielen [DIR97]. Neben der eigentlichen Brennstoffzelle müssen jedoch noch weitere Systeme integriert werden, um einen Betrieb der Brennstoffzelle erst zu ermöglichen. Hierzu gehören Speicher für den Kraftstoff, Pumpen für Kraftstoff und Luft, Wärmemanagement- und Leistungsmanagementsysteme, darüber hinaus Reformer zur Erzeugung von wasserstoffreichem Gas aus Kohlenwasserstoffverbindungen wie z.B. Methanol oder Benzin. In der Kraftfahrzeuganwendung lassen sich Brennstoffzellensysteme prinzipiell nach Art der Speicherung und Zuführung des Kraftstoffes unterscheiden wie der Speicherung und Zuführung von reinem Wasserstoff, der Reformierung von Methanol oder Benzin und Zuführung von wasserstoffreichem Gas, oder der direkten Zuführung von Methanol ohne Reformierungsprozeß (Direkt-Methanol-Brennstoffzelle). Weiterhin kann man noch nach der Art der Zurverfügungstellung der elektr. Energie zwischen reinen Brennstoffzellensystem oder Hybridsystemen mit zusätzlicher Batterie unterscheiden. Je nach Auslegung des Systems wird die Batterie zur Erhöhung der Dynamik des Antriebssystems oder die Brennstoffzelle als Nachlademöglichkeit der Batterie (Range Extender) genutzt.
Probleme bei der Nutzung von reinem Wasserstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen bereitet die on-board Speicherung des Wasserstoffs (Druck-, Flüssig-, Metallhydridspeicher), welches große Volumina benötigt sowie die fehlende Infrastruktur für eine Wasserstoffverteilung. Daher bietet sich die Nutzung eines flüssigen, wasserstoffreichen Energieträgers an, da sich hier keine Probleme der Speicherung ergeben und auf eine bereits bestehende Infrastruktur zurückgegriffen werden kann. Dieses benötigt jedoch einen Reformierungsprozeß, bei dem flüssiges Methanol mit Wasser verdampft und anschließend reformiert werden muß. Bei diesem Prozeß entsteht Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Da die PEM-Brennstoffzelle CO-unverträglich ist, muß das entstehende Kohlenmonoxid über entsprechende Katalysatoren auf Anteile kleiner 100 ppm oxydiert werden.
Die größte Herausforderung stellt sicherlich die Realisierung eines Fahrzeugs mit ausschließlich einem Brennstoffzellensystem ohne Zusatzspeicher dar, da hierbei das System auf eine Lasterhöhung spontan reagieren muß. Die Brennstoffzelle alleine kann innerhalb von Millisekunden auf eine Laständerung reagieren, allein begrenzt durch die entsprechende Zuführung von Wasserstoff und Luft. Begrenzt wird das System somit durch die Dynamik von Reformer und Pumpensystemen.
Diese Anforderungen werden an das Brennstoffzellensystem nicht gestellt, wenn eine zusätzliche Batterie oder ein sonstiger elektrischer Energiespeicher vorhanden ist, der die Leistungsspitzen sowie die Zeit der Anfahrphase des Brennstoffzellensystems überbrücken kann. Neben der Abdeckung der Leistungsspitzen kann die Batterie in einem solchem System auch zur Rekuperation der Bremsenergie genutzt werden. Nachteilig wirken sich jedoch die zusätzlichen Kosten, zusätzlicher Raumbedarf und das Mehrgewicht aus.
Den Vorteilen der einfachen Speicherung und Verteilung des flüssigen Methanols stehen insbesondere Nachteile in Hinblick auf Kosten, der Komplexität des Systems, der notwendigen Dynamik des Systems (derzeit ca. 5 s von 0-100%) und der Entstehung von CO2 beim Reformierungsprozeß gegenüber.
Für große Flottenfahrzeuge, wie z.B. Busse, bietet sich jedoch weiterhin die direkte Nutzung von reinem Wasserstoff an, da einerseits aufgrund der großen Dachflächen genügend Fläche für die Unterbringung von Wasserstofftanks zur Verfügung steht und andererseits durch zentrale Betriebshöfe eine Wasserstoffbetankung ohne Aufbau einer flächendeckenden Infrastruktur möglich ist.
Die Herstellung von Wasserstoff als auch Methanol erfolgt dabei derzeit hauptsächlich durch die Reformierung von Erdgas.
Mit Brennstoffzellenfahrzeugen lassen sich Gesamtwirkungsgrade (bezogen auf den Primärenergieträger) von über 25% unter städtischen Bedingungen erreichen, welches eine deutliche Verbesserung gegenüber konventionellen Fahrzeugen auch bei einem möglichen Mehrgewicht bedeutet.

Ökologische, ökonomische und technologische Chancen

Faßt man die bisherigen Erläuterungen zum Elektrofahrzeug und zu dessen Entwicklung während der vergangenen Jahre zusammen, dann ergeben sich offensichtliche Chancen, die weit über den Fahrzeugeinsatz hinausgehen (Abb. 6).

• Umweltentlastung lokal
• Umwelentlastung global (je nach Strommix)
• Energieeinsparung (je nach Energiewandlung)
• Nutzung verschiedener Primärenergieträger
• Wirtschaftsentwicklung Fahrzeughersteller
  - neue Fahrzeugbaureihen (Leichtbau, Smart)
• Wirtschaftsentwicklung Zulieferer
  1. Batterien
  2. Brennstoffzellen
  3. Motoren
  4. Controller-Technologie
  5. Zusatzaggregate wie Lenkung, Heizung, Klimatisierung, Bremsen
  6. Werkstoffentwicklung sowie Verarbeitungstechnologien

Abb. 6: Chancen durch das Elektrofahrzeug

Die lokale Entlastung der Umwelt von Abgasemissionen und Verbrennungsgeräuschen wird nicht einmal von den Kritikern der Elektrofahrzeuge bestritten. Im Gegenteil, für die Fahrt in der Stadt werden immer wieder Forderungen nach einer akustischen Kenntlichmachung dieser Fahrzeuge erhoben, da Fußgänger sonst überrascht werden könnten. Bei globalen Emissionsminderungen kommt es auf das Ziehen der Bilanzhüllen an, die einen wesentlichen Einfluß darauf hat, ob ein Elektrofahrzeug positiv oder negativ bilanziert wird. Vereinfachend kann festgestellt werden, daß gegen das Elektroauto nicht argumentiert werden kann, sobald fossile Energien zur Stromerzeugung vermieden werden. Einige europäische Länder haben hier besonders gute Voraussetzungen. Bei den Brennstoffzellen- Fahrzeugen wird es in besonderen Maße auf die eingesetzten Treibstoffe bzw. auf die Erzeugungsart des Wasserstoffs ankommen. Bezüglich der Wirtschaftsentwicklungen hat das Elektrofahrzeug bereits heute viele Anstöße gegeben. Abb. 7 faßt die während der vergangenen Jahre neu, speziell für die Elektrotraktion entwickelten Fahrzeuge zusammen. In vielen Fällen ist mit der Entwicklung eines E-Fahrzeugs begonnen worden, am Ende der Entwicklung war ein sowohl-als-auch Fahrzeug geschaffen worden, das neben dem Elektroantrieb auch mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet werden kann. Der Hybridantrieb ist dann nebenbei auch realisiert worden.



Abb. 7: Spezielle Elektrofahrzeug-Entwicklung der letzten Jahre

Neben grundsätzlichen Leichtbau-Fahrzeugen unter Aluminium- und Kunststoffeinsatz sind während dieser Arbeiten auch neuartige Strukturen und Verbindungstechniken entstanden. Die Rückwirkungen auf die konventionellen Fahrzeuge wären ohne die Auseinandersetzung mit dem Elektroauto nicht entstanden, denn bei ihm ist der sorgsame Umgang mit der verfügbaren Antriebsenergie eine besondere Herausforderung. Besonders interessant war und bleiben die technologischen Entwicklungen, die von der Zulieferindustrie durchgeführt wurden bzw. in Zukunft noch werden. Werden hier systematisch die Fahrzeugteile Batterie - Brennstoffzelle - Motoren - Controller sowie die Zusatzaggregate Lenkungen - Heizungen - Klimatisierung und Bremsen durchgegangen, dann zeigen sich erhebliche Fortschritte, die auch auf die konventionellen Fahrzeuge zurückwirken. Das gilt auch für Werkstoffentwicklungen und Verarbeitungstechnologien. Beispiele hierfür sind die Entwicklungen von Brake-by-wire Systemen, die beliebige Betriebsstrategien bei der Kombination von elektrischer Bremse (Rekuperation) und konventioneller Bremse ermöglichen. Desweiteren gehören hierzu bedarfsorientierte Lenkungssysteme, elektro-hydraulisch oder rein elektrisch ausgeführt, rollwiderstandsoptimierte Reifen, Wärmepumpensysteme für die Klimatisierung des Fahrzeugs, wärmedämmende Verglasungen sowie auch Fahrerinformations- und Kommunikationsysteme. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß in vielen Fällen das Elektrofahrzeug Ausgangspunkt dieser Entwicklungen gewesen ist. Damit sind die aus diesem Arbeiten erwachsenden Chancen dem Elektrofahrzeug zuzuschreiben, wenngleich es selber noch nicht den wirtschaftlichen Erfolg realisiert. Dazu liegen noch zu viele vor allem ideologische Hindernisse auf seinem Weg.

Zusammenfassung

Elektrofahrzeuge bieten prinzipiell ein großes Potential zur Senkung von Emissionen, Einsparung von Kraftstoffen und einer Diversifizierung der zur Kraftstoffherstellung herangezogenen Primärenergieträger. Für Verwendungen in größerem Umfang müssen jedoch sowohl die Zuverlässigkeit der Systeme verbessert werden als auch die Kosten deutlich gesenkt werden. Um eine Kostensenkung zu erreichen ist es unabdingbar entsprechende Märkte zu schaffen. Brennstoffzellenfahrzeuge stellen eine Option für die Zukunft dar, jedoch müssen auch hier zunächst die Systemgrößen deutlich reduziert, die Systemzuverlässigkeit nachgewiesen und die Kosten erheblich gesenkt werden. Da bis auf die Speicherung bzw. Erzeugung der elektrischen Energie die Antriebssysteme identisch sind, können brennstoffzellenbetriebene Elektrofahrzeuge hierbei auch weiterhin von der weiteren Entwicklung der batteriegetriebenen Elektrofahrzeuge profitieren. Die sich durch das Elektrofahrzeug ergebenden Chancen können sowohl ökologisch auf die lokalen und globalen Emissionen bezogen werden, als auch direkt technologischen und ökonomischen Fortschritten zugeordnet werden. Sowohl für die Fahrzeughersteller als auch für die Lieferanten ergeben sich vielfältige Chancen und es bleibt zu hoffen, daß diese auch von unserer nationalen Industrie wahrgenommen werden, um auch in einigen Jahren noch aktiv an dieser Marktentwicklung teilnehmen zu können.

Schrifttum

[ASH97] ASHUCKIAN, D.
A status report on the implementation of California's memoranda of agreement and emission benefits of electric vehicles
California Air Resources Board (CARB)
Electric Vehicle Symposium EVS-14, 11.-17.12.1997, Orlando, USA

[BAD97] BADY, R., RENNER, C., BIERMANN, J.W.
Elektrofahrzeugentwicklungen in Japan / USA / Europa
Institut für Kraftfahrwesen Aachen, RWTH Aachen
6. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 20.-22.10.1997, Aachen

[CAR97] CALIFORNIA AIR RESOURCES BOARD
Proposed Amendments to California's Low-Emission Vehicle Regulations LEV II
Mobile Source Control Division, 07.11.1997

[DAI97] DAIMLER-BENZ AG
The A-Class Electric Vehicle
Daimler-Benz AG, Kommunikation, 12/97

[DIR97] DIRCKS, K, et al.
Fuel Cells for Transportation: Recent Advances and Major Issues
Ballard Automotive Inc.
Electric Vehicle Symposium EVS-14, 11.-17.12.1997, Orlando, USA

[GAU97] GAUB, J, VAN ZYL, A.
Mercedes-Benz Electric Vehicles with Zebra Batteries
Daimler-Benz AG, AEG Zebra Battery Holding GmbH
Electric Vehicle Symposium EVS-14, 11.-17.12.1997, Orlando, USA

[LEH97] LEHNA, M.
The Audi Duo - a Hybrid Concept Ready for Production
Audi AG
Electric Vehicle Symposium EVS-14, 11.-17.12.1997, Orlando, USA

[SAS97] SASAKI, S., TAKAOKA, T., MATSUI, H., KOTANI, T.
Toyota's Newly Developed Electric-Gasoline Engine Hybrid Powertrain System
Toyota Motor Corporation
Electric Vehicle Symposium EVS-14, 11.-17.12.1997, Orlando, USA

[YAE97] YAEGASHI, T.
Toyota Hybrid System THS
Toyota Motor Corporation