Elektroauto: Kommt die Kraft aus der Steckdose?
Während Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor beim Betrieb Emissionen erzeugen, die nur zum Teil durch Katalysatoren reduziert werden können, entstehen bei Elektrofahrzeugen weder Abgase noch Lärm. Zu beachten ist allerdings, dass die Erzeugung elektrischer Energie, außer in Kernkraftwerken sowie in Kraftwerken, die regenerative Energiequellen nutzen (z. B. Wind oder Wasser), auch Abgase hervorruft.
Die wesentlichen Unterschiede eines Elektroautos gegenüber konventionellen Fahrzeugen bestehen in der Art des Antriebs und des »Tanks« (Batterie). Die Batterie ist das »Herzstück« eines jeden Elektrofahrzeugs.
Generation mit Drehstrommotoren
Der Antrieb besteht aus mehreren Komponenten und arbeitete bei der zweiten Generation von Elektroautos in den 1970er- und 1980er-Jahren mit einem Gleichstrommotor. Bei der heutigen dritten Generation kommen dagegen vorwiegend Drehstromantriebe zum Einsatz. Gleichstrommotoren bieten zwar in Verbindung mit weiteren notwendigen Antriebskomponenten (Steuerung, Getriebe) insgesamt ein kostengünstiges Antriebssystem, besitzen jedoch gegenüber Drehstrommotoren ein höheres Gewicht, einen niedrigeren Wirkungsgrad und ein größeres Volumen.Bei Drehstrommotoren kann zwischen Synchron- und Asynchronmaschine unterschieden werden. Der Asynchronantrieb hat den einfachsten und preiswertesten Aufbau, weist allerdings im Vergleich mit dem Synchronmotor mit Permanentmagneten einen schlechteren Wirkungsgrad im Teillastbereich auf.
Blei-, NiMH- und Lithium-Batterien
Während die Entwicklung von Drehstrommotoren einen hohen Standard erreicht hat, sind die Energiedichten der Batterien für den Einsatz in reinen Elektroautos noch nicht mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren vergleichbar. Anders als bei Verbrennungsmotoren, bei denen Dauerleistung und kurzfristig zur Verfügung stehende Leistung identisch sind, liegt bei Elektromotoren die Dauerleistung deutlich unter der Spitzenleistung. Wichtige Kenngrößen der Batterien sind die Energiedichte, die Leistungsdichte sowie die Lebensdauer (meist in Zyklen angegeben, d. h. wie oft eine Batterie ladbar ist).
Vor allem aus Kostengründen dominieren in Elektrofahrzeugen bislang Bleibatterien, mit denen sich heute Reichweiten von ca. 60 km pro Batterieladung erzielen lassen. Nickel-Metallhybrid (NiMH)- und Lithiumionen (Li-Ionen)-Batterien haben sich bislang erst in Kleingeräten (z. B. Mobiltelefonen, Videokameras) durchgesetzt. Eine Anwendung dieser Batterietypen in Elektroautos befindet sich derzeit in der Entwicklung und Erprobung. NiMH-Systeme eignen sich aufgrund ihrer hohen Entladeleistung und schnellen Ladbarkeit vor allem für Hybridantriebe, während Li-Ionen-Systeme durch die hohe Energiedichte besonders für reine Elektrofahrzeuge mit großer Reichweite geeignet sind. Natriumbatteriesysteme benötigen eine Betriebstemperatur von 260 bis 370 ºC und sind daher für den Fahrzeugbereich nur begrenzt geeignet.
Reichweite
Obwohl die Entwicklung von NiMH-Batterien für den kommerziellen Einsatz erst um 1988 begann, besitzt dieser Akkumulator das Potenzial, Bleibatterien zu ersetzen, und er gilt gleichzeitig als Nachfolger der weit verbreiteten Nickel-Cadmium-Systeme: das Schwermetall Cadmium wird durch Wasserstoff ersetzt. Mit NiMH-Batterien lassen sich derzeit Reichweiten von 150 km erreichen (Elektrofahrzeug mit 1000 kg Gesamtgewicht inkl. 300 kg schwerer Batterie); das Entwicklungspotenzial wird auf 215 km geschätzt.
Noch leistungsfähiger als NiMH-Systeme sind Li-Ionen-Systeme, die gegenüber den in den 1970er-Jahren im Mittelpunkt der Entwicklung stehenden Lithium-Metall-Batterien eine wesentlich höhere Lebensdauer von über 1000 Lade-/Entladezyklen haben. Li-Ionen-Systeme bestehen aus Lithium-Kohlenstoff (LiC6) und Lithiummanganoxid (LiMn2O4), wobei während des Lade-/Entladevorgangs beide Elektroden umkehrbar Lithium austauschen, ohne dass sich die »Wirtsstruktur« aus Manganoxid und Kohlenstoff ändert. LiMn2O4 hat aufgrund seines geringeren Preises, höherer Umweltverträglichkeit und geringerer Toxizität die Elektrodenstoffe Lithiumcobaldoxid (LiCoO2) und Lithiumnickeloxid (LiNiO2) abgelöst und macht die Batterien wesentlich überladesicherer. Die theoretischen Energiedichten betragen für LiMn2O4 ca. 150 mAh/g (Milliamperestunden pro Gramm) und für Kohlenstoff etwa 370 mAh/g, was, unter Abzug eines nicht umkehrbaren Verbrauchs von Lithium beim ersten Ladezyklus auf der Kohlenstoffseite, zu einer theoretischen Kapazität von 300 Wh/kg führt (gegenwärtig erreichbar: 120 Wh/kg). Zu den derzeitigen Forschungszielen für Li-Ionen-Systeme zählen die weitere Erhöhung der Lebensdauer sowie die Entwicklung eines thermischen und elektrischen Batteriemanagements.