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Elektromotor als alternativer Antrieb im Verkehr (11/2009)

Der Verkehr ist einer der großen Verursacher von Treibhausgasen und Luftschadstoffen, wie Stickoxiden und Feinstaub. In Österreich werden jährlich über 10 Milliarden Liter Treibstoff verbraucht (etwa drei Viertel Diesel und ein Viertel Benzin). Als Alternative zu Erdöl-basierten Treibstoffen für Verbrennungsmotoren können Treibstoffe aus Biomasse den Bedarf nachhaltig nicht einmal annähernd decken. Jedoch reicht der photovoltaische Jahresstromertrag eines Hektars für über drei Millionen Kilometer Autofahrt. Auf der gleichen Fläche wachsen im Jahr aber nur Pflanzen für Biosprit für weniger als hunderttausend Kilometer. Umwelt- und Klimaschutzüberlegungen sowie steigende Ölpreise treiben die Suche nach alternativen Kraftstoffen und Antriebskonzepten immer stärker voran.

Der Elektromotor
Das Elektroauto in der Stadt
Was ist für die Umsetzung notwendig?
Hybridsysteme als Wegbereiter
Elektroantrieb für Einspurige
Schlussfolgerungen

Der Elektromotor

Der Elektromotor hat gegenüber Verbrennungsmotoren (im Wesentlichen Diesel- und Otto-Motor) mehrere entscheidende Vorteile:  
  • Elektromotoren erlauben Wirkungsgrade über 90 Prozent und liegen damit bis zum Drei- bis Vierfachen über dem nominalen Wirkungsgrad von gebräuchlichen Verbrennungsmotoren. Im Realbetrieb ist das Verhältnis für den Elektromotor noch wesentlich günstiger.
  • Aus dem hohen Wirkungsgrad folgt eine im Vergleich zu Verbrennungsmotoren geringere Abwärme, die durch passive Kühlung abgeführt werden kann.
  • Der Wirkungsgrad ist über den ganzen Lastbereich sehr gut und fällt nicht wie bei Verbrennungsmotoren abseits des idealen Lastpunkts signifikant ab. 
  • Das Drehmoment des Motors steht bereits beim Anfahren praktisch voll zur Verfügung.
  • Durch den sehr konstanten Drehmomentsverlauf ist ein Getriebe sowie in der Folge eine Kupplung zum Trennen des Motors vom Antriebsstrang nicht erforderlich.
  • Eine Einrichtung zum Starten des Motors (Starter) ist ebenso wie ein Abgasstrang (Auspuff) nicht notwendig.
  • Der Motor kann auch als Generator betrieben werden und Bremsenergie nutzbar machen.
  • Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren entsteht im Betrieb praktisch kein Lärm.
  • Es werden keine Luftschadstoffe emittiert – außer jene, die bei der Stromproduktion im österreichischen Strommix anfallen.(Im Vergleich zum Verbrennungsmotor, sind die CO2-Emissionen etwa halb so groß, andere Luftschadstoffe wie etwa Stickoxide oder Feinstaub sind teilweise um mehrere Größenordnungen geringer).
  • Elektromotoren sind auf Grund ihres einfacheren Aufbaus wesentlich langlebiger und verschleißärmer als Verbrennungsmotoren.   

Die wesentliche Schwäche des Elektromotors im mobilen Einsatz sind die relativ geringe Energiedichte von Batterien und die dadurch begrenzte Reichweite. Dennoch bewegen sich die Reichweiten der heute am Markt befindlichen PKW mit Elektroantrieb zwischen 100 und 150 Kilometer. Dass diese Reichweiten gering im Vergleich mit denen von PKW mit konventionellem Antrieb sind, ist jedoch vor allem im Stadtbetrieb kaum von Bedeutung, denn die tägliche Fahrleistung eines PKWs liegt Im Mittel etwa bei 40 Kilometer.  

Das Elektroauto in der Stadt  

In der Stadt sind die Wege tendenziell noch kürzer als im gesamten Durchschnitt. Die üblichen täglichen Fahrstrecken können mit heute technisch verfügbaren Elektroautos leicht bewältigt werden. Das Elektroauto ist für den Stadtverkehr mit seinen häufigen Anfahr- und Abbremszyklen hervorragend geeignet. Die Vorteile – kein Verbrauch im Stillstand, Drehmomentsverlauf – des Elektromotors kommen hier voll zum Tragen. Luftschadstoffe, die in der Stadt ein wesentliches Problem darstellen, werden wesentlich reduziert. Denn selbst bei der unterstellten Verstromung von fossilen Brennstoffen kann die Abgasreinigung in Kraftwerken wesentlich effizienter und effektiver als beim Verbrennungsmotor im KFZ erfolgen. Letztlich kommt es zu einer Einsparung von Primärenergieträgern, da selbst die Verstromung von fossilen Brennstoffen in KWK-Anlagen und der Zyklus Stromtransport, Stromspeicherung und Verbrauch im KFZ einen günstigeren gesamten Wirkungsgrad aufweist, als der direkte Einsatz des fossilen Energieträgers in einem Auto. Die Reduktion des in Städten allgegenwärtigen Verkehrslärms kann einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Lebensqualität leisten. 

Was ist für die Umsetzung notwendig?

Elektrofahrzeuge werden von namhaften Herstellern angeboten. Äußerlich unterscheiden sich solche Fahrzeuge – abgesehen vom fehlenden Auspuff – nicht von den Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren. Das notwendige Angebot an Fahrzeugen ist zur Zeit erst beschränkt vorhanden. Jedoch haben praktisch alle namhaften Autohersteller für die nahe Zukunft Serienmodelle angekündigt. Die entsprechenden Versuche mit Testfahrzeugen im Straßenverkehrs laufen. Handlungsbedarf besteht beim Angebot an Tankmöglichkeiten. Während jede private Steckdose als Ladestation dienen kann, ist es notwendig – auch im öffentlichen Raum - eine entsprechende Infrastruktur zu schaffen, welche zuerst in einem groben Raster alle Gebiete abdeckt und mit steigender Anzahl an Fahrzeugen verdichtet werden muss. Letztlich ist die verbesserungswürdige Batterietechnik – Kosten, Lebensdauer, Kapazität – der wichtigste technisch zu bearbeitende Punkt für die breite Akzeptanz und Verbreitung von Elektroautomobilen.

Entsprechende Anreizsysteme wie Förderungen bei der Anschaffung des Fahrzeugs, steuerliche Anreize sowie spürbare Bevorzugungen von Elektrofahrzeugen in verkehrsberuhigten Zonen und bei luftreinhaltungsorientierten Maßnahmen, könnten eine schnellere Verbreitung von Elektrofahrzeugen erreichen. Die öffentliche Hand kann, wie auch in anderen Bereichen, als Vorreiter den Einsatz elektrisch betriebener Fahrzeuge in ihrem Bereich anhand der jeweiligen Anforderungen prüfen und forcieren. 

Hybridsysteme als Wegbereiter!?

Mehrere Autohersteller haben in den letzten Jahren KFZ mit Hybridantrieb entwickelt und in ihre Produktpalette aufgenommen. Fahrzeuge mit Hybridantrieb verfügen über ein gemischtes System der Krafterzeugung. Heute üblich sind ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor. Dieses System weist im Stadtverkehr ähnliche Vorteile wie Elektrofahrzeuge auf und kann den Treibstoffverbrauch deutlich reduzieren. Gegenüber Elektroautos ist das System durch die doppelte Auslegung aber komplexer und teurer. Der wesentliche Vorteil liegt jedoch in der Unabhängigkeit von einer Stromtankmöglichkeit und in der höheren Reichweite. Im Überlandbereich verhält sich das System aus umwelttechnischer Sicht wie ein konventionell mit Verbrennungsmotor betriebenes Fahrzeug. Wie die Bezeichnung Hybrid nahe legt, vereint das System mehrere Eigenschaften, die das gesamte System verbessern, aber in keinem Teilbereich eine Spitzenleistung erzielen. Hybridautos sind also Allrounder, die in der Gesamtsicht Vorteile aus dem Bereich der Verbrennungsmotoren und der Elektroantriebe vereinen. Die Verbreitung von Hybridfahrzeugen trägt zusätzlich – durch intensive Forschung – zur Verbesserung der Stromspeicher bei. Die Hybridtechnologie ist in der Lage, den Treibstoffbedarf und damit auch Luftschadstoffe sowie den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Zukünftig wird sich das Potenzial durch immer effizientere Stromspeicher weg vom Verbrennungsmotor hin zum Elektroantrieb entwickeln. An der Steckdose aufladbare Hybridfahrzeuge sind ein erster Schritt in diese Richtung.

Elektroantrieb für Einspurige

Während bei den Automobilen die Entwicklung hin zum Elektroantrieb erst wieder einsetzt und eine Vielzahl von Herstellern Modelle ankündigen, die sich aber noch in der Testphase befinden, ist bei einspurigen Fahrzeugen (Mopeds, Fahrräder) der Elektroantrieb in der Serienproduktion bereits vorhanden. Die hier üblicher Weise zurückgelegten Strecken sind für die verfügbaren Batterien (durchschnittlich 50 Kilometer Reichweite) kein Problem. Preislich sind die Elektrovarianten etwas teuerer. Im Betrieb zeigt sich aber deutlich der Effizienzunterschied: Während bei einem Elektromoped etwa 60 Cent Treibstoffkosten auf 100 Kilometer anfallen, kostet der Treibstoff bei einem Moped mit Verbrennungsmotor für die selbe Strecke etwa 5 Euro. Gerade im Bereich der einspurigen Fahrzeuge ist der Umstieg auf Elektrofahrzeuge durch die Vielzahl von Modellen am Markt problemlos möglich. Die Verbesserung im Bereich Lärm und Luftschadstoffe durch einen derartigen Umstieg ist evident.

Schlussfolgerungen

Der öffentliche Verkehr ist aus zahlreichen Gründen dem motorisierten Individualverkehr (MIV) vorzuziehen. Eine Verlagerung des Verkehrs auf öffentliche Verkehrsmittel sowie der Ausbau und die Verbesserung derselben ist daher das vorrangige Ziel. Das Elektroauto ist in Hinblick auf Luftschadstoffe, Lärm und Gesamtwirkungsgrad dem Verbrennungsmotor-betriebenen KFZ überlegen. Im Hinblick auf den Komfort, Aspekte wie das Fahrverhalten und Langlebigkeit stellt der Elektroantrieb eine Verbesserung gegenüber dem Verbrennungsmotor dar. Fahrzeuge mit Elektroantrieb sind somit aus Sicht der WUA die sinnvollste Form des MIV im urbanen Bereich. Allerdings darf auch eine Ökologisierung des MIV nicht darüber hinwegtäuschen, dass auch eine ökologischere Fahrzeugflotte nichts an der Knappheit des Straßenraumes ändert. Gleich wichtig wie die Ökologisierung des Fahrzeugbestandes ist also auch die Änderung des individuellen Mobilitätsverhaltens, um nicht letztendlich „ökologisch im Stau zu stehen“.

Mehr Informationen:

"e-connected": Initiative des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (BMVIT), des Lebensministeriums und des Klima- und Energiefonds zu Minimierung der CO2-Emissionen im österreichischen Verkehr mittels rascher und nachhaltiger Einführung von E-Mobilität
"Austrian Mobile Power": Kooperation zwischen Verbund, Siemens Österreich, Magna, KTM, AVL und AIT"