Siegfried Hagl - Schriftsteller

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Elektroautos

Ein Beitrag zu der Diskussion um neue Technologien

Veröffentlicht in GralsWelt 58/2010

 

Ich freue mich über jeden Öko-Optimisten, denn viele positive Nachrichten gibt es von der Naturschutzfront nicht. Doch sollte man mit einem Lobgesang auf Uralt-Technologien keine übertriebenen Hoffnungen wecken. Uralt-Technologien? Um 1900 gab es in New York mehr Automobile mit Elektromotor als mit Brennkraftmaschinen. Schon damals wusste nicht nur die Eisenbahn, dass der ideale Fahrzeugantrieb ein Elektromotor ist. Das Problem war das gleiche wie heute: die Akkumulatoren. Dann kam mit der Erfindung der Hochspannungsmagnetzündung und der Zündkerze (1901/02) der Durchbruch für den Benzinmotor.

Das Elektroauto – die Zukunft?

Der Grund für den Siegeszug der Verbrennungskraftmaschinen wird deutlich, wenn man sich ein paar Zahlen ansieht:

Energieträger   Energiegehalt            Wirkungsgrad              Gewicht für 10 kWh
                                  in   kWh/kg                        in %                                  in kg

Benzin                        11.7                           0,25[i]                              4

Bleiakku                      0,04                        0,95                              263

Lithium-Ionen          0,1                           0,95                               106

Lithium-Eisen           0,17                         0,95                                  62

Derzeit kostet ein Lithium-Ionen-Akku mit 20 Kilowattstunden (kWh) und 200 kg Gewicht etwa EUR 20.000; bei Großserie hofft man den Preis auf ein Drittel (ca. EUR 6.600) senken zu können (4). Lithium ist ein Knapper Rohstoff. Ein Akku für ein Elektroauto benötigt so viel Lithium wie 3 bis 4 Tausend Laptops.

Damit sind derzeit die Kosten für eine Elektroauto zu hoch, die Reichweiten zu gering, die Ladezeiten zu lang und die Sicherheit (Brandgefahr) ist umstritten (5).

Über die Lebensdauer spricht man nicht gerne. Normalerweise darf man die Akkuladung nur zu zwei Drittel nutzen, denn bei Vollentladung leidet die Lebensdauer. Jedenfalls werden die Akkus wohl keine Auto-Lebensdauer durchhalten. Derzeit heißt es, man will sie nicht verkaufen, sondern verleasen. Doch damit werden die Kosten nur verschleiert, nicht gesenkt.

Große Erwartungen werden mit Lithium-Eisenphosphat-Akkumulatoren verbunden. Dieser Akku soll 1.000 Ladezyklen[ii] (und mehr) verkraften und in einer Stunde aufzuladen sein. Unter Umständen ist sogar Schnellladung innerhalb von Minuten möglich. Keine Brandgefahr. Preise konnte ich nicht ermitteln.

Mache hoffen auf den Lithium-Sauerstoff-Akku, der zehnmal so viel leisten soll, wie die Lithium-Ionen-Akkus. Die Entwicklung steht ganz am Anfang und es dürfte noch Jahre dauern, bis über eine Markteinführung dieser Erfindung entschieden werden kann.

Nach Presseberichten scheinen derzeit asiatische Firmen (wie BYD oder Enax) in der Entwicklung und Produktion von Akkumulatoren an der Spitze zu liegen. Einige chinesische Innenstädte wären schon zum jetzigen Zeitpunkt verbrennungsmotorenfrei und werden nur mit Elektrofahrzeugen befahren. Lithium-Jonen-Batterien für Elektrofahrräder und Elektroroller werden in China schon in Großserien produziert.

Europa und die USA müssen aufpassen, dass sie nicht abgehängt werden.

Wie weit kommt man mit einem Akku?

Gehen wir vom 3-Liter-Auto aus. 3 Liter Benzin entsprechen ungefähr 2,25 kg Benzin, die nach unserer Tabelle bei 25 % Wirkungsgrad eine Energie von 6,6 kWh liefern. Folglich kämen wir mit einem Akku von 20 kWh Ladekapazität und 200 kg Gewicht, der zu zwei Dritteln entladen wird, auf 200 km Reichweite. Klingt gut. Heute wird meist nur von 100 km Reichweite für die Elektroautos gesprochen.

Mitsubishi verspricht für seinen i-MiEV, der in Japan derzeit für ungerechnet 34.000 EUR verkauft wird, 144 km Reichweite mit einer Batterieladung. Bei einem Test blieb er schon nach 77  km mit leerem Akku stehen, obwohl sich bereits zehn Kilometer zuvor die Heizung automatisch ausgeschaltet hatte. (5).

Die Leistungen der Akkus werden sich steigern lassen; um wie viel bleibt Spekulation. Ob die verbesserten Akkus billiger werden, ist abzuwarten.

Wie sieht es derzeit in der Praxis aus?

Um zur Arbeit zu kommen genügen in der Regel 100 km Reichweite. Ebenfalls um den Supermarkt anzufahren und die Kinder zur Schule zu bringen. Einen Teil dieser Fahrten würde man besser in einem (großzügig ausgebauten) öffentlichen Regionalverkehrsnetz absolvieren.

Auch die empfohlene Aufladung bei Nacht ist nicht so umweltverträglich wie gedacht. 24 Stunden durchlaufen müssen vor allem Kohlekraftwerke und Kernkraftwerke, von denen der meiste Nachtstrom kommt[iii]. Diese wollen wir abschaffen! Die ökologisch günstigen Flusskraftwerke, die auch rund um die Uhr laufen, haben nur einen geringen Anteil. Ob sich die angedachte Möglichkeit verwirklichen lässt, die (Millionen?) Akkus in den Autos auch als Stromspeicher für das öffentliche Netz zu benutzen, bleibt abzuwarten.

Und Fahrten in der Freizeit?

Um zum Wandern ins Gebirge zu kommen, muss ich mit mindestens 100 km einfache Strecke rechnen. Also wird selbst bei 200 km Reichweite zwischendurch Nachladen erforderlich. Ladestationen kann ich mir vorstellen in Parkhäusern und in Städten. Aber an Wanderparkplätzen?

Und wenn ich keinen Parkplatz mit Lademöglichkeit finde? Dann muss ich das mitgeführte, mit Benzin betriebene Stromaggregat auspacken und anwerfen, das keinen besonders guten Wirkungsgrad hat. Hoffentlich klaut es keiner während der Stunden, die ich unterwegs bin!

Da baut man das Stromaggregat besser gleich ins Auto ein, wie das z. B. Mercedes mit dem Hybrid E-CELL PLUS oder der chinesische Konzern BYD mit dem F3DM plant. Reichweite mit Batterie 100 km. Dazu ein Verbrennungsmotor mit Generator, der das Fahrzeug nicht direkt antreibt, sondern nur Strom für die Batterie liefert. Man fährt dann mit zwei Antriebsaggregaten und einer etwa 100 kg schweren Batterie. Gewicht im Fahrzeug kostet Energie (man kann grob mit ca. 0,6 Liter Benzin pro 100 kg und 100 km rechnen).

Auch an einen Akku-Wechsel an Tankstellen wird gedacht. Dazu wären beachtliche Investitionen in die Infrastruktur nötig. Die die Tankstellen müssten Wechselstationen bauen und viele Tausend Akkus vorrätig halten, die (hoffentlich in kurzer Zeit) aufgeladen werden. Man muss sich nur vorstellen, dass ein herkömmliches Auto mit einer Tankfüllung 500 km weit kommt. Fährt man mit einem Elektroauto mit voller Batterie los, dann sind für 500 kmReichweite vier Batteriewechsel nötig!

Über die energieaufwendige Heizung und Klimatisierung der Elektroautos wird ungern gesprochen.

Ist das Elektroauto ohne zusätzlichen Verbrennungsmotor vorerst nur als Zweitwagen für Kurzstrecken im Sommer diskutabel? Derzeit jedenfalls sind Elektroautos ohne erhebliche staatliche Zuschüsse kaum zu verkaufen! Ein Subventions-Wettbewerb hat in Europa schon begonnen (5).

Den viel zitierten Tesla-Roadster sollte man als Exoten vergessen. Er ist mit (teueren) Akkus vollgepackt, die als leicht entzündlich gelten und bietet genau das, was in Zukunft überholt sein sollte: Leistung 132 kW, Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 3,9 Sekunden, Höchstgeschwindigkeit 200 km/h, Reichweite 355 km, Ladezeit 3,3 Stunden. Kaum Platz für Gepäck, für Reisen ungeeignet. So etwas kommt ausgerechnet aus den USA, wo 300 Meilen (480 km) für Autofahrer keine große Entfernung sind!

 Wirkungsgrad bei Elektrofahrzeugen

Elektrische Maschinen hatten schon immer gute Wirkungsgrade. Auch die viel zitierte gute Beschleunigung der Elektrofahrzeuge ist aufgrund der Kennlinie der Elektroantriebe keine Überraschung, sondern nur selbstverständlich.

Thermischen Maschinen dagegen machen es Naturgesetze schwer, gute Wirkungsgrade zu erreichen. Wollte man mit einer thermischen Kraftmaschine einen theoretischen Wirkungsgrad von 90% erzielen, so bräuchte man ein Temperaturgefälle von z. B. 2657 Grad Celsius auf 20 Grad (Kühlwassertemperatur). Für so hohe Temperaturen gibt es keinen Werkstoff.

Ein Wirkungsgrad für den E-Motor von bis zu 99% klingt gut. Betrachten muss man aber den gesamten Wirkungsgrad vom (thermischen) Kraftwerk bis zum Fahrzeugantrieb.

Gesamtwirkungsgrad                                            Normal                        maximum
Kraftwerk:
Derzeitiger Mittelwert in Deutschland[iv0]    38%
Maximalwert für Gas/Dampfkraftwerke[v]                                 65%
Netz                                                                                  94%                   94%
Akku                                                                                 95%                   99%
E-Motor                                                                           95%                   99%
Summe:                                                                        32,2%                 59,8%

Ein Dieselmotor mit 35% (und mehr) liegt da nicht schlecht. Falls der Strom mit fossilen Brennstoffen erzeugt wird, verlagert man die Emissionen nur von der Straße ins Kraftwerk, das allerdings mehr für die Rauchgasreinigung tun kann als ein Auspuff plus Katalysator.

Auch mit dem Umweltschutz sieht es nicht so gut aus wie manchmal behauptet: “Der ADAC hat ermittelt, dass ein Smart mit Dieselmotor 86 Gramm Kohlendioxid pro gefahrenen Kilometer ausstößt. Ein Elektro-Samrt, dessen Batterie mit Strom aus Kohlekraftwerken geladen wird, ist für Kohlendioxid-Emissionen von 107 Gramm verantwortlich.” (5)

Dass man mit Strom deutlich billiger fährt als mit Benzin oder Diesel liegt weniger am Wirkungsgrad als an der Mineralölsteuer. Ich bin gespannt, wie lange der Staat auf diese Steuereinnahmen verzichten kann, wenn die Elektrofahrzeuge einen bedeutenden Anteil am Straßenverkehr erreichen sollten! Der Maut für PKW werden wir dann kaum entgehen.

 Zukünftige Antriebe

Für den Beginn einer neuen Entwicklung ist es typisch, dass viele verschiedene Konzepte vorgeschlagen und zum Teil auch ausprobiert werden.

Die deutsche Industrie hat lange auf den Dieselmotor gesetzt, als sparsamsten Verbrennungsmotor. Das hat ihr Vorwürfe eingebracht. Sogar von einer Politikerin, die deutschen Wählern zurief „kauft Toyota!“. Keiner will gerne hören, dass die Kohlendioxid-Bilanz eines uneingeschränkt praxistauglichen Diesel-PKW besser sein kann, als die eines Elektromobils (siehe oben).

Der Meinungsdruck von Presse und Politik kann groß sein.

BMW hat Jahrzehnte lang mit Flüssigwasserstoff als Energieträger für Ottomotoren experimentiert. Die Versuche wurden eingestellt, da niemand in die Wasserstoffwirtschaft investieren wollte.

Honda, Mercedes und andere forschen weiter mit Brennstoffzellen, die grundsätzlich mit Wasserstoff, Methan, Methanol usw. betrieben werden können. Wirkungsgrade bis 62 % werden genannt.

Eine Kleinserie der „B-Klasse F-CELL“ von Mercedes mit Brennstoffzelle und Elektroantrieb wird gebaut. Der Elektromotor leistet 100 kW, der Verbrauch entspricht einem Äquivalent von 3,3 Liter Diesel pro 100 km. Der Wirkungsgrad soll bei 40 % liegen. Reichweite 400 km. Betankung mit Wasserstoff bei einem Druck von 700 bar. Ein flächendeckendes Netz von Wasserstofftankstellen soll aufgebaut werden. Die preisgünstige und ökologisch optimale Produktion von Wasserstoff ist noch offen. Die gesamte Energie-Kette von der Herstellung des Wasserstoffs bis zum Fahrzeug ist zu berücksichtigen.

Bei einem Prototyp des Opel Zafira wird für die Brennstoffzelle ein Leistungsgewicht von 0,94 kg/kW angegeben. Eine Brennstoffzelle mit einer Leistung von 100 kW würde demnach ca. 94 kg wiegen. Das Auto der Zukunft sollte mit 50 kW (68 PS) gut auskommen.

Sofern Brennstoffzellen preiswert hergestellt werden können, lange genug haltbar sind, und die Energieversorgung (z. B. mit Methanol) sichergestellt ist, wären sie nach den derzeit vorliegenden Informationen aus ökologischer Sicht einem Akku überlegen.

Fast alle Automobilfabriken planen den Bau von Hybridfahrzeugen in verschiedenen Konzeptionen. Einige projektierte Fahrzeuge können je nach Bedarf mit Batterie bzw. Brennstoffzelle und E-Motor oder auch mit Verbrennungsmotor angetrieben werden.

Ebenso beschäftigen sich die Autohersteller – ob aus Überzeugung oder unter dem Druck der öffentlichen Meinung – mit reinen Elektroautos. Vorschriften, die „zero emission vehicles“ (abgasfreie Fahrzeuge) fordern, können das Elektroauto ohne zusätzlichen Verbrennungsmotor regional erzwingen.

 Solarstrom aus der Wüste

Die in der Sahara geplanten „Dersertec“ Kraftwerke bauen ebenfalls auf eine Uralt-Technologie: der Dampf wird zwar mit Sonnenenergie erzeugt, arbeitet aber in einer Dampfturbine und kondensiert. Der dazu nötige Kondensator wird in der Regel mit Wasser gekühlt, weshalb die meisten thermischen Kraftwerke an Flussufern stehen. In der Sahara fehlt das Wasser (oder will man mit Meerwasser kühlen?[vi]). Natürlich kann man auch mit Luft kühlen, doch bei den Temperaturen in der Sahara wird es schwierig, die Kondensatoren mit Luft auf unter 100 Grad Celsius (flüssiges Wasser bei Atmosphärendruck) abzukühlen.

Fehlt noch die Energiespeicherung bei Nacht, die mit Heißwasser geschehen soll.

Je heißer das Wasser, um so größer der Druck, um es flüssig zu halten. Die Grenze ist erreicht bei 374 Grad, 225 Bar und einem Energiegehalt von ca. 2.100 Kilojoule/kg. Darüber gibt es nur noch Dampf. Will man wirklich Tausende von Kubikmetern Wasser unter solchen Bedingungen einlagern?[vii]

Rechnet man mit einem Temperaturgefälle von 374 Grad (Heißwasser) auf ca. 80 Grad (luftgekühlter Kondensator in der Wüste) dann bekommt man einen theoretischen Wirkungsgrad von 45%. Tatsächlich wird man weit darunter liegen. Da die Sonnenenergie nichts kostet, braucht man sich vielleicht nicht zu sehr um die Wirkungsgrade zu kümmern. Doch je schlechter der Wirkungsgrad, umso größer die Anlagen und umso höher die Investitionen.

Da scheint es fast weniger utopisch, solche Kraftwerke in Wüsten rund um die Erde zu bauen, damit immer ein Teil Sonne hat und Strom liefern kann, der dann über gewaltige Entfernungen zu transportieren wäre.

Da die Leute, die solche Projekte empfehlen, das alles wissen, frage ich mich was sie wirklich wollen. Soll vermieden werden, dass neue Technologien (z. B. Solarzellen) zum Zuge kommen, die neben der Erdölindustrie auch die etablierten Hersteller von Kraftwerken aussteigen lassen? Denn das wirklich Neue kommt regelmäßig von neuen Unternehmen. Das hat sich bei der IT-Industrie gezeigt, in der die klassische Elektroindustrie nur eine Nebenrolle spielt, obwohl man von dieser erwartet hätte, dass sie über genügend Kapital und das meiste elektrotechnische Know how verfügte.

 Utopien für die Zukunft

Da wir schon einen Blick in die Zukunft riskieren, darf auch ich eine Utopie anbieten.

Falls wir den Verkehr mit Autos, Schiffen, Flugzeugen usw. in etwa wie bisher aufrecht erhalten wollen, dann gibt es auf mittlere Sicht – auch bei Ausnützung aller Einsparpotentiale – nur einen Weg: Die Versorgung mit Flüssigkraftstoffen, wie z. B. Methanol.  

Dafür sind alle Einrichtungen vorhanden, vom Öltanker über die Pipeline bis zur Tankstelle. Die vorhandenen Motoren können (falls erforderlich) mit geringem Aufwand angepasst werden.

Auf längere Sicht wäre auch die schon von Jules Verne vorhergesagte Wasserstoffwirtschaft grundsätzlich möglich. Mit aus Sonnenenergie hergestelltem Wasserstoff als Energieträger (2 und 8).

 Biologische Kraftstoffe aus Algen

Die Solazyme Inc. in Kalifornien stellt bereits Kraftstoff aus Mikroalgen her, der nach Herstellerangaben ähnliche Eigenschaften besitzt wie herkömmliche Kraftstoffe, z. B. Kerosin. Verschiedene weitere Forschungsinstitute arbeiten ebenfalls auf diesem für die Zukunft aussichtsreich scheinenden Gebiet.

Zur Kraftstoffproduktion genügt den Algen im Wesentlichen Sonne, Wasser und Kohlendioxid aus der Luft. Bei der Verbrennung des Biosprits entstehen wieder Kohlendioxid und Wasser. Der Kreislauf ist – wie in der Natur – geschlossen.

Ebenso ist die Produktion von Wasserstoff durch Algen möglich.

Direkte Kraftstoffsynthese

Am elegantesten wäre, mit Sonnenenergie aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenwasserstoffe direkt zu synthetisieren, vergleichbar mit der Assimilation von Pflanzen.

In Japan baut Mitsui ein Pilot-Synthesewerk (1). Man will ja bald Kohlendioxid aus den Abgasen von Kohlekraftwerken separieren und tief in die Erde pumpen, wo es hoffentlich bleibt. Da scheint es manchen Chemikern sinnvoller, im Kohlendioxid einen Rohstoff zu sehen, der sich weiterverarbeiten lässt.

Leider ist die Aufspaltung von Kohlendioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff recht energieaufwendig, und die genannte Kraftstoffsynthese wird schwieriger als die während des Zweiten Weltkrieges praktizierte Hochdruckhydrierung der Leunawerke.

Im Idealfall könnte man mit Sonnenenergie in einer Wüste mit (Meer-)Wasser und Kohlendioxid aus der Luft arbeiten. Die benötigte Energie würde die Sonne reichlich liefern. (Zur Sonnenenergie in der Sahara vergl. GW 48/2008 „Wie viele Sklaven lassen Sie für sich arbeiten?“, Fußnote 8 auf Seite 45).

Alle diese Zukunfts-Prozesse können vorerst nicht mit Erdöl konkurrieren. In jedem Fall wird die Energieversorgung teuerer. Gewaltige Investitionen werden erforderlich. In Größenordnungen, die man in der Vergangenheit zwar für Kriege, aber noch nie für den friedlichen Fortschritt aufgebracht hat.

Wir werden uns damit abfinden müssen, dass die Erde nicht länger als Supermarkt ohne Kasse genützt werden kann, in dem sich jeder nach Belieben bedienen darf. Das nötige Handeln wird teuer. Nicht-Handeln wird katastrophale Folgen nach sich ziehen.

Literatur:

(1) Bild der Wissenschaft, Heft 9/2009, Seite 92 f.

(2) Bockris John/Justi Eduard, Wasserstoff Energie für alle Zeiten, Pfriemer, München, 1980.

(3) Der Spiegel, Heft 10/2009, Seite 132 f.

(4) Der Spiegel, Heft 39/2009, Seite 140 f.

(5) Der Spiegel, Heft 17/2010, Seite 79

(6) Hamilton William, Electric Automobiles, M.C. Graw-Hill Books, London

(7) PM Heft 4/1990, Seite 21

(8) Tetzlaff Karl-Heinz, Bio-Wasserstoff, BoD, Norderstedt, 2005

(9) Unnewehr L. E./Nasar S. A., Electric Vehicle Technology, John Wiley & Sons, New York

 


 

[i] Bei modernen Motoren, insbesondere bei Dieselmaschinen, kann mit deutlich höheren Wirkungsgraden gerechnet werden.

[ii] Bei 100 km Reichweite pro Ladezyklus würden 1.000 Ladezyklen 100.000 km entsprechen.

[iii] Die Elektrizitätsversorger haben derzeit bei Nacht reichlich Strom, da Kohle- und Kernkraftwerke nicht heruntergeregelt werden können. Daher propagieren sie das Elektroauto, das nachts aufgeladen werden soll.

[iv] Das neue Braukohlenkraftwerk Niederaußem hat einen Wirkungsgrad von 43%. Ältere Kraftwerke liegen nur bei 30%. Erst nach 2010 sollen 50 bis 55% bei normalen Kraftwerken (nicht Gas/Dampf) erreicht werden!

[v] Heizkraftwerke mit 90% Wirkungsgrad sollte man in diesem Zusammenhang vernachlässigen.

[vi] Bisher hat m. W. noch niemand das aggressive Salzwasser als Kühlwasser für Kraftwerke eingesetzt, die dann an der Küste stehen sollten. Salzwasserfeste Kondensatoren wurden in der Vergangenheit in Dampfschiffen verwendet.

[vii] Ein modernes Kraftwerk hat eine Leistung von 500 Megawatt aufwärts. Will man es 12 Stunden lang mit 500 MW aus einem Wasserspeicher von 374 Grad Celsius laufen lassen bei einem Wirkungsgrad von 40 %, werden rund 25.000 m3 Wasser benötigt. Lagert man das Heißwasser z. B. in zylindrischen Tanks von 10 m Durchmesser und 10 m Höhe, wären 33 solche Hochdruckbehälter erforderlich.