Die deutsche Automobilindustrie und der Strommarkt unterliegen einem tiefgreifenden Wandel und ausgeprägten Liberalisierungsprozessen. Das Thema Elektromobilität genießt ein großes mediales Interesse und hat sich zu einer, in der Öffentlichkeit, ausgiebig diskutierten Thematik entwickelt. Die intensiven Bemühungen aller Akteure aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik unterstreichen den enormen Stellenwert für die Zukunft der Mobilität.
Den allgemein bekannten positiven Fakten und Potenzialen steht aber auch eine Reihe von Problemen und Kritiken entgegen.
Etwa 40 Prozent aller Fahrzeuge fahren elektrisch. Was sich aus heutiger Sicht wie „Zukunftsmusik" anhört, ist aber bereits vor über 100 Jahren durchaus real gewesen. Besonders in Deutschland besitzen elektrische Antriebe eine lange Tradition. Ihre Ursprünge gehen, mit der ersten konstanten Rotation mittels Elektromagnetismus, durch den englischen Forscher Michael Faraday, bis in die frühen 1820er Jahre zurück. Die anschließende Praxistauglichkeit, wenige Jahre später, wurde gegen 1860 durch die Erfindung von wiederaufladbaren Bleiakkumulatoren technisch verbessert. Auf der Berliner Gewerbeausstellung präsentierte Werner von Siemens 1879 die erste elektrisch betriebene Eisenbahn, mit Stromzuführung über die Schienen. 1881 stellte schließlich Gustave Trouve sein dreirädriges Elektroauto vor. Ein Jahr später folgte Siemens in Berlin mit dem ersten Oberleitungsbus, der „Elektromote". Damit ist das Prinzip des Elektroantriebes deutlich älter als das erste fossil betriebene Automobil von Daimler und Benz aus dem Jahr 1885. Auch das erste Fahrzeug das die 100 km/h Grenze überschritt war ein Elektroauto. Ein anderes Elektrofahrzeug schaffte 1901 eine Reichweite von 300 km, mit einer Akkuladung.
Abbildung 3-1: Erste elektrische Eisenbahn auf der Berliner Gewerbeausstellung 1879 Quelle: Homepage von Siemens
Ihre Blütezeit erlebten die Elektroautos um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert. Zu dieser Zeit fuhr rund die Hälfte aller Autos in New York elektrisch, gefolgt von Dampf- und zuletzt die Benzinbetriebenen. Insgesamt bauten 1912 in den USA 20 Hersteller knapp 34.000 Elektroautos.
Zusammenfassend standen u.a. der leichte, drehmomentstarke Antrieb, eine einfache Bedienung, eine hohe Effizienz sowie die geringe Lärm- und Abgasemission als Stärken wiederum den Schwächen des Elektroantriebes gegenüber. Diese waren, vorrangig, das auch heute bekannte Problem der beschränkten Reichweite und die Kälteempfindlichkeit der Batterie, einhergehend mit einer geringen Lebensdauer.
Der aber bedeutendste Grund für die „Niederlage" des Elektroantriebes gegen die Verbrennungsmotoren war wohl die dynamische Entwicklung bei eben diesen. Nicht zuletzt der serienmäßige Einbau des elektrischen Anlassers, z.B. beim T-Model von Ford, stellte den Verlust eines signifikanten Wettbewerbsvorteils dar, bei dem sich das Benzinauto wiederum eine positive Funktionalität des Elektroautos zu Eigen machen konnte. Es begann eine Epoche der individuellen Massenmobilisierung, in der sich das benzinbetriebene Auto, ganz nach amerikanischem Vorbild, als ideales Fortbewegungsmittel etablierte.
Schließlich die sinkenden Preise, bedingt durch die Massenproduktion des Benzinautos, verdrängten das Elektroauto-Konzept endgültig in bestimmte Nischen, in denen es trotzdem weiterentwickelt wurde. Insbesondere als Spezialfahrzeuge in einem definierten Wirkungskreis, beispielsweise in geschlossenen Hallen, in denen die Prämissen nicht bei der Geschwindigkeit, sondern einer Emissionsfreiheit lagen und noch immer liegen. Auch im Straßenverkehr gab es immer wieder Einsatzmöglichkeiten, z.B. in England, als Auslieferungswagen für Milch und Brot (milk float) und als Entsorgungsfahrzeug, mit immerhin mehr als 50.000 Einheiten in den 1970er Jahren.
Die Auswertung der geschichtlichen Betrachtung offenbart, dass beinahe alle technischen Grundlagen der elektrischen Antriebe unlängst seit Beginn des letzten Jahrhunderts bekannt waren. Der Grund für das Scheitern liegt letzten Endes in einer Verknüpfung von sowohl technischen, aber auch ökonomischen und psychologischen Aspekten. [27]
Heute werden oftmals alle Fahrzeuge, in denen ein Elektromotor verbaut ist, als Elektrofahrzeuge bezeichnet. Laut Definition der Bundesregierung umfasst die Elektromobilität „all jene Fahrzeuge, die von einem Elektromotor angetrieben werden und ihre Energie überwiegend aus dem Stromnetz beziehen, also extern aufladbar sind. Dazu gehören rein elektrisch betriebene Fahrzeuge (BEV), eine Kombination von E-Motor und kleinem Verbrennungsmotor (Range Extender, REEV) und am Stromnetz aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV)." [29]
Die Hauptkomponenten eines elektrischen Antriebs sind zum einen der Akkumulator als Energiespeicher und die Leistungselektronik, sowie der Elektromotor mit Getriebe. Wesentlicher Teil der Leistungselektronik ist der Inverter. Er regelt die Energie für den Antrieb, wandelt Gleichstrom in Drehstrom um und versorgt schließlich damit den elektrischen Motor. Daneben liegt die Funktion des Inverters oder Umrichters, auch in der Regelung der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl. Anders als ein Verbrennungsmotor kann ein Elektromotor sein Potenzial auch bei geringen Drehzahlen vollständig abrufen. Beachtlich ist der enorme Wirkungsgrad, beinahe die gesamte elektrische Energie wird in Bewegungsenergie umgewandelt. Im nachfolgenden Abschnitt soll ausgeführt werden, wie sich die verschiedenen Technologien im Einzelnen unterscheiden. [30]
Ein Hybridfahrzeug (engl. Hybrid Electrical Vehicle, HEV) ist ein Kraftfahrzeug, dass einen Elektromotor mit einem konventionellen Antrieb kombiniert. Also ein Fahrzeug, in das mindestens zwei Energiespeichersysteme und zwei Energieumwandler eingebaut sind. Die Kategorisierung erfolgt i.d.R. nach der Systemstruktur und dem Anteil der elektrischen Leistung, d.h. in welchem Maße die Antriebsleistung zwischen Verbrennungsmotor und E-Maschine aufgeteilt ist.
3.2.1.1 Einteilung nach Systemstruktur
Serieller Hybrid - Hierbei treibt der Verbrennungsmotor lediglich einen elektrischen Generator an, der den Elektromotor bzw. die Batterie mit Strom versorgt. Eine mechanische Verbindung zum eigentlichen Antriebstrakt besteht nicht. (Bild 1)
Paralleler Hybrid - Hier wird der Antriebsstrang parallel durch den Elektromotor und dem Verbrennungsmotor angetrieben. (Bild 2)
Leistungsverzweigender Hybrid (Mischhybrid) - Entsprechend den Fahrzuständen werden beim Mischhybrid die beiden zuvor genannten System kombiniert. (Bild 3)
Abbildung 3-2: Schematischer Aufbau der verschiedenen Hybridantriebsstrukturen Quelle: Hastdutoene; eigene Zeichnung/Darstellung
3.2.1.2 Einteilung nach Anteil der elektrischen Leistung
Mikrohybrid - Die Modifikationen bei dieser Variante sind im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen nur gering. Bei Mikrohybridfahrzeugen wird die E-Maschine nicht zum Antrieb genutzt. Es handelt sich hierbei vielmehr um ein System bei dem die Lichtmaschine verstärkt wird, so dass die beim Bremsen entstehende Energie wiedergewonnen werden kann (Rekuperation). Meist wird auch gleichzeitig der Anlasser verstärkt und ein Start-Stopp-System eingebaut, welches das Fahrzeug im Stand ausschaltet und beim Einlegen des Ganges bzw. beim Lösen der Bremse wieder einschaltet. Die Funktion findet bei allen neueren Fahrzeugen vermehrt Einzug. (Beispiel: BMW Efficient Dynamics, BMW-1er ab 2007) [31]
Mildhybrid - Wird auch als Parallelhybrid bezeichnet, da sowohl Verbrennungsmotor, als auch E-Maschine auf der Kurbelwelle positioniert sind. Ein Elektroantrieb mit etwa 10 kW, unterstützt hierbei den konventionellen Antrieb. Besonders geeignet für den Stadtverkehr, da hierbei ein Großteil der Bremsenergie wiedergewonnen werden kann, anstatt in Form von Wärme über die Bremsen verloren zu gehen. (Beispiel: Honda Insight ab 2009, Honda Civic Hybrid ab 2006) [32]
Vollhybrid - Stellt die Grundlage für einen seriellen Hybrid dar, da er in der Lage ist, rein elektrisch zu fahren. In diesen Fahrzeugen werden, mit etwa 50 kW, deutlich stärkere Einheiten eingebaut. Vorteil ist, dass durch das Anfahren und Beschleunigen mit dem Elektromotor viel Energie gespart werden kann. Gleichzeitig wird die entstehende Bremsenergie wieder rekuperiert. Wie beim Mildhybrid liegen die Stärken innerhalb des „Stopp-and-Go" intensiven Stadtverkehrs. (Beispiel: Toyota Prius ab 1997)
Diese Fahrzeuge werden ausschließlich von einem Elektromotor angetrieben. Ein Getriebe ist oft nicht nötig, da der E-Motor direkt an zwei oder vier Rädern montiert wird (Radnabenmotor). Auch unter ihnen werden nochmals folgende technische Varianten unterschieden: [29] [2]
Plug-in-Hybrid (PHEV) - Eine andere Ausführungsvariante des Vollhybridfahrzeugs ist der PlugIn-Hybrid,...
