Verbrennerfahrzeuge sind seit langem die am häufigsten verkauften Autos der Welt. Seit einigen Jahren entstehen jedoch Autos mit alternativen Antrieben. Einige von ihnen sind das Hybridauto, das Batterie-Elektroauto und das Wasserstoff-Brennstoffzellenauto. Da besonders die Zahl der batterie-elektrischen Autos in letzter Zeit zunimmt, vergleiche ich in diesem Artikel diese drei wichtigsten Technologien für Autoantriebe.
Antriebsstrang für Verbrennerautos
Die Hauptteile eines Antriebsstrangs eines Autos mit fossilen Brennstoffen sind der Verbrennungsmotor und das Getriebe. Ein Verbrennungsmotor verbrennt Benzin oder Diesel, was zu Hitze und Bewegung führt. Ein Verbrennungsmotor hat nur in einem kleinen optimalen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment und hohe Leistung (siehe Abbildung unten). Das ist der Grund, warum dieser Motor einen relativ geringen Wirkungsgrad hat.
Im Katalysator, in den Zündkerzen und im Lambdasensor werden Seltene Erden wie Platin, Palladium, Rhodium, Lanthan, Yttrium und Cer verwendet. Ein Teil dieser Elemente ist schwer zu recyceln oder überhaupt nicht recycelbar, da diese Elemente über die Lebensdauer im Katalysator verbrannt werden. Der Abbau von Seltenen Erden, die in mehreren Teilen eines Fahrzeugs mit fossilen Brennstoffen verwendet werden, hat hohe Auswirkungen auf die Umwelt und den CO2-Fußabdruck von Autos mit fossilen Brennstoffen.
Das Bremsen in Autos mit fossilen Brennstoffen führen zum Verlust kinetischer Energie. Sie wandeln Energie in Wärme um, die für Bewegung nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus führt das Bremsen zur Bildung von (teilweise giftigen) Partikeln (Feinstaub).
Batterie-Elektroantrieb
Batterie-Elektroautos bestehen aus zwei Hauptkomponenten: einem Elektromotor und einer Batterie. Ein Elektromotor hat ein konstantes maximales Drehmoment, das ab einer Drehzahl von 0 Umdehungen pro Minute verfügbar ist (siehe Abbildung unten). Die in Autos verwendeten Elektromotoren sind klein und bieten Platz für einen großen Kofferraum und häufig einen zusätzlichen Kofferraum (Frontkofferraum, auch Frunk genannt).
Das Tesla Model S und das Model X verwenden einen asynchronen Induktionsmotor. Das Tesla Model 3 verwendet einen Permanentmagnet-Reluktanzmotor mit Neodym, einer Seltenen Erde.
Ein Vorteil eines Elektromotors besteht darin, dass er als Generator verwendet werden kann. Auf diese Weise kann beim Bremsen Energie zurückgewonnen werden. Dies spart außerdem Bremsscheiben und Bremsbeläge.
Die in Elektroautos verwendete Batterien sind meist Li-Ionen-Batterien. Tesla verwendet NCA-Batterien oder Nickel, Kobalt und Aluminium (LiNiCoAlO2). Die meisten Leute denken, dass diese Batterien hauptsächlich Lithium enthalten. Dies ist jedoch nicht wahr. Die Menge an Lithium beträgt ca. 5 kg in einem 70 kWh Tesla Model S-Akku mit einem Gewicht von ~ 453 kg.
Die Kobaltmenge in Tesla Model 3-Batterien beträgt ca. 2,8% (~ 13 kg). Der EV-Standard liegt bei ca. 8%. LFP-Batterien die Tesla in ihren kleineren Modellen verbaut, sind sogar Kobaltfrei.
Die Produktion eines Batterie-Elektroautos verursacht 15% bis 68% mehr CO2-Emissionen als die Produktion eines gleichwertigen Fahrzeugs mit fossilen Brennstoffen. Während des Gebrauchs produziert ein Batterie-Elektroauto jedoch 2,5x weniger CO2 als ein Fahrzeug mit fossilen Brennstoffen. Mit mehr erneuerbaren Energiequellen, die Strom produzieren, wird diese Effizienz noch besser.
Wasserstoff-Brennstofzellenantrieb
Wasserstoff-Brennstoffzellenautos erzeugen mit Wasserstoff und Sauerstoff Strom in einer Brennstoffzelle. Ein Brennstoffzellenauto verwendet einen Elektromotor, um das Auto anzutreiben. Die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird in einer Batterie gespeichert. Tatsächlich ist ein Brennstoffzellenauto ein Batterie-Elektroauto, das mit einer zusätzlichen Energiequelle ausgestattet ist.
Wasserstoff ist auf der Erde nicht in ausreichender Menge in reiner Form verfügbar, daher muss er erzeugt werden. Im Jahr 2019 ist Dampfmethan-Reform die häufigste Methode, um dies zu tun. Dieser Prozess verbraucht Energie (ca. 30% der erzeugten Energie) und erzeugt CO2. Ein anderes Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Elektrolyse. Die Effizienz der Elektrolyse liegt allerdings bei etwa 80% .
Der erzeugte Wasserstoff muss an Tankstellen und in Autos gespeichert werden. Es ist leicht entflammbar und extrem flüchtig, da es das leichteste Molekül im periodischen System ist. In einem Auto wird Wasserstoff in Tanks mit einem Druck von 700 bar gespeichert. Dieses Wasserstoffdrucktanksystem wiegt ungefähr 125 kg . Ein weiterer Nachteil ist, dass diese Tanks und die Brennstoffzelle selbst Platz in einem Auto beanspruchen.
Brennstoffzellen verwenden eine komplexe Technologie, die während des Einsatzes in Fahrzeugen gewartet werden muss. Außerdem enthalten sie enthält seltene Erden wie Platin und Yttrium, die relativ teuer sind. Der Abbau dieser Elemente hat einen hohen Einfluss auf den CO2-Fußabdruck.
Fazit
Die Technologien der verschiedenen Antriebsstränge sind sehr unterschiedlich. Daher sind auch die Eigenschaften sehr unterschiedlich. Effizienz, Recycling, Verwendung von seltenen Erden, alle sind beim Vergleich dieser Technologien sehr wichtig.
