Elektromobilität, Nachladen der Batterien

2009 habe ich mir einen Lebenstraum erfüllt, wir haben uns einen BMW angeschafft.

Wir haben das Fahrzeug in München aus der BMW-Welt abgeholt und dabei die BMW-Welt selbst sowie die Fertigung gegenüber ausführlich kennengelernt (Einsatz vieler Kuka-Roboter).
Im Erdgeschoß  der BMW-Welt war das Chassis eines Hybridautos ausgestellt, elektrischer Antrieb, Batterie, Aufladen der Batterie alternativ über Netz oder Generator, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, enorme Leistung, sparsamer Verbrauch. Das war sicher das Konzept für den BMW i8.

Ich war von der Konzeption begeistert, weil ich ein Elektroauto ohne die alternative Lademöglichkeit mittels Verbrennungsmotor schon damals als problematisch einschätzte, obwohl ich mich noch nicht näher damit beschäftigt hatte.
Als Elektrotechniker und Physik-Interessierter habe ich mich dann relativ ausführlich mit der Technik und den Problemen beschäftigt und mir eine eigene Meinung gebildet. Das hat mich bezüglich Voranbringen der Elektromobilität ernüchtert.

Unter Anderem hatte ich damals versucht , die erforderliche Antriebsleistung des Fahrzeuges zu berechnen.

Energieverbrauch des BMW 325 d, Kombi

Auf Grund meiner Vorkenntnisse war ich nicht sonderlich überrascht von dem Ergebnis. Ich möchte das Ergebnis zur Gesamtenergie (rote Kurve) bei konstanter Fahrgeschwindigkeit aber trotzdem etwas erläutern.
Dazu noch mein Durchschnittsverbrauch, er liegt über die Jahre ziemlich konstant bei 7 Liter pro 100 km, auch im Stadtverkehr.

Bei konstant 50 km pro Stunde beträgt der Energiebedarf etwa
12 kWh pro 100 km, d. h. der Wirkungsgrad beträgt etwa
12/70*100 = 17 %.
Da der Begriff Wirkungsgrad in diesem Zusammenhang nicht so oft verwendet wird, hier noch eine verständliche Erläuterung, von der Energie des Kraftstoffes werden 17 % für den Antrieb verwendet, der Rest 83 % sind Verluste, sprich wird verfeuert.

Bei konstant 150 km pro Stunde sind die Verhältnisse etwas besser,
Energiebedarf 27 kWh, Wirkungsgrad etwa 38.5 %, aber von gut
kann keine Rede sein.

Daß der Wirkungsgrad bei Verbrennungsmotoren in diesen Größenordnungen liegt, hat mich auch nicht überrascht, hatten wir doch schon in der Schule bzw. Ausbildung, daß der Wirkungsgrad vom Temperaturunterschied heiß zu kalt der Verbrennungsgase abhängt…

Ein Elektroantrieb liegt bzgl. Wirkungsgrad auf das Fahrzeug bezogen, wesentlich besser, ich sage mal 90 % als Größenordnung. Natürlich treten in vor- und nebengelagerten Prozessen auch Verluste auf, aber darum geht es mir hier nicht.


Da wir in Dresden mit der Gläsernen Manufaktur eine Fertigungsstätte für den VW eGolf haben, die Technik dort sehr gut präsentiert und dokumentiert wird und der eGolf beispielhaft für den Stand der Technik bzgl. reinem Elektroantrieb sein dürfte, beziehe ich mich in den folgenden Ausführungen darauf.


VW Gläserne Manufaktur Dresden Fertigung eGolf

…………
Ein paar Daten zum eGolf:

rein elektrischer Antrieb, permanent erregter Synchronmotor
Untersetzungsgetriebe 10:1
max. Leistung etwa 100 kW
max. Drehmoment bei 3000 min-1, entspricht 40 km/Std  290 Nm
max. Drehzahl 12000 min-1, also 160 km/Std Maximalgeschwindigkeit
Batterie 35.8 kWh
Batteriegewicht 318 kg
Batterie geteilt, fest in Fahrzeug integriert
Fahrzeuggewicht ca. 1600 kg
die Batterie kann über die optional mögliche Gleichstromladung in 45 min auf 80 % ihrer Nennkapazität aufgeladen werden

Der Fahrzeugquerschnitt und der Luftwiderstandsbeiwert sind nahezu gleich wie bei dem o. g. BMW, der BMW wiegt lediglich mit ca. 1700 kg etwas mehr.

Damit verwende ich für die folgenden Abschätzungen zur Langstreckentauglichkeit des eGolf die Daten vom BMW, umgerechnet durch die Gewichte, also 1600/1700.

Für die Abschätzung zur Langstreckentauglichkeit wird eine Fahrgeschwindigkeit von konstant 130 km/Std angenommen. Aus dem Diagramm oben, umgerechnet wie beschrieben, ergibt sich für den eGolf ein Energiebedarf von etwa 21 kWh/100 km.

Damit folgenderAblauf:

⇒ Batterie voll, 35.8 kWh
⇒ Fahrt 35.8/21*100 = 170 km, dann ist die Batterie völlig leer
⇒ Gleichstromladung 45 min, dann ist die Batterie zu 80 % geladen,
…..28.6 kWh
⇒ Fahrt 28.6/21 = 136 km, dann ist die Batterie wieder völlig leer
⇒ Gleichstromladung 45 min, dann ist die Batterie zu 80 % geladen,
…..28.6 kWh
⇒ Fahrt 28.6/21 = 136 km, dann ist die Batterie erneut leer
…..usw.

Unter idealen Bedingungen, man findet genau dort, wo die Batterie völlig leer ist, sofort eine freie Gleichstromtankstelle…, ergibt sich eine rechnerische Reisegeschwindigkeit von etwa 75 km/Std.


75 km/Std unter idealen Bedingungen, die z. Zt. nicht gegeben sind, sind nicht das, was ich mir unter Langstreckentauglichkeit vorstelle.


Die Durchschnittsgeschwindigkeit könnte deutlich erhöht werden, wenn man ein entsprechendes Batterieaustauschsystem hätte.
Dazu gab es 2007 Anstöße bzw. Versuche. Der industrielle Versuch in USA ist aber gescheitert. Mir ist nicht bekannt, ob da aktuell noch/wieder etwas läuft.

Noch eine kurze Betrachtung zu dem Gleichstrom-Ladestationen-Netz, das erforderlich wäre.

Das Laden der Batterie des eGolfs an einer Gleichstrom-Ladestation dauert 45 min, mit der Ladung kommt das Fahrzeug unter den angegebenen Bedingungen wie beschrieben etwa 140 km weit.
Ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor tankt sagen wir in 10 min
Kraftstoff für 500 km Fahrleistung

Daraus kann man abschätzen, daß das Verhältnis,
wie lange ein Fahrzeug eine Tanksäule belegt:
45 min/10 min*500km/140km = 16 ist.


Das Elektrofahrzeug belegt eine Tanksäule 16 mal länger als ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, d. h. für volle E-Mobilität müßte gemessen an dem derzeitigen Tankstellennetz ein gewaltiges E-Tankstellennetz entstehen


Für ein derartiges E-Tankstellennetz wäre pro Gleichstrom-Tanksäule
eine elektrische Anschlußleistung von etwa 50 kW erforderlich.
Wenn pro Tankstelle sagen wir 20 Gleichstrom-Tanksäulen installiert
wären, bedeutet das schon eine Anschlußleistung von etwa
1 Megawatt. Und dabei handelt es sich nicht nur um eine potentiell zur Verfügung stehende Leistung, sondern es muß damit gerechnet werden, daß diese Leistung auch in Anspruch genommen wird.

Das bestehende Elektrotankstellennetz hat sich selbst entwickelt, für Kurzstreckenfahrer möglicherweise ganz ordentlich.  Auch die Stecker haben sich selbst entwickelt, es gibt einige verschiedene…

Elektrotankstelle am Bahnhof Radebeul Ost

Eine Tanksäule mit 2 x 230V, einphasig 16 A und 2 x Stecker Typ 2 für 22 kW steht am Bahnhof Radbeul Ost. Die Säule ist sehr gut zugängig.
…………
Ich gehe seit Jahren fast jeden Tag an den Bahnhof, Abfahrt der Kleinbahn…
Ich habe mich schon gewundert, ich habe noch nie Jemand Tanken gesehen.
Jetzt wundere ich mich nicht mehr.

Einen guten Überblick über das Tankstellennetz hier im Raum Radebeul bietet die Seite der städtischen Energieversorgung.
Die Seite ist gut gepflegt, z. B. gibt es auch eine Logdatei zu den Bewegungen an dieser Tankstelle.
Die Tankstelle wurde 2015 installiert, die Frequentierung hält sich sehr in Grenzen, 2017 z. B. gab es eine Tankung.


Neu für mich war der Begriff Ladeweile, darunter werden Ziele genannt, die man während der Ladezeit ansteuern kann.


Da der Elektroantrieb für Kraftfahrzeuge aber eine wunderbare Sache ist, nicht zuletzt ist er umweltfreundlich, erhebt sich die Frage, was wird getan, um die Probleme zu lösen, um den Einsatz von Elektrofahrzeugen voranzutreiben.

Die ausländischen Fahrzeuganbieter setzen dafür auf Hybridlösungen in sehr unterschiedlichen Varianten. Bei deutschen Fahrzeuganbietern klemmt es diesbezüglich momentan, ich kenne keinen deutschen Anbieter, der Hybridfahrzeuge zur Zeit liefern kann oder darf,
obwohl er welche hat, warum ?

Beispielhaft möchte ich hier Mitsubishi Motors nennen.
Der SUV Outlander Plug-in Hybrid ist ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und Elektroantrieb, wobei der Antrieb von rein elektrisch, über gemischt, bis rein über Verbrennungsmotor möglich ist.
Für den Verbrennungsmotor wird das Atkinson-Prinzip erwähnt, hier wahrscheinlich als Synonym für Optimierung des Verbrennungsmotors hinsichtlich Abgase und Verbrauch.
Die Batterie hat nur etwa 14 kWh Nennkapazität, ist entsprechend leichter, für Hybrid völlig ausreichend, damit könnte in Innenstädten rein elektrisch gefahren werden.
Zusätzlich kann die Batterie auch aus dem Stromnetz geladen werden.

Auch Toyota, Hyundai bieten Hybridfahrzeuge an.

Weitere gibt es, ich habe aber nicht weiter recherchiert.


Mit Hybridlösungen umgeht man das Problem des Nachladens an Elektrotankstellen, die Fahrzeuge werden langstreckentauglich, und  man ermöglicht umweltfreundliche Lösungen für kritische Bereiche wie besonders belastete Innenstädte, indem man potentiell die Möglichkeit hat, in diesen Bereichen elektrisch zu fahren.


Nicht jeder kann sich ein Elektrofahrzeug für den Kurzstreckenbetrieb und ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor für den Langstreckenbetrieb leisten.

Natürlich wird man einwenden, aber wenn das Hybridfahrzeug nicht elektrisch fährt, erzeugt es ja Abgase.

Das stimmt natürlich, aber man muß unterscheiden, wo die Abgase in die Umgebung austreten,

⇒ sind es dicht bewohnte Innenstädte, wo die festgelegten
…..Grenzwerte erreicht bzw. überschritten werden,
⇒ oder sind es Landstraßen, Autobahnen, wo die festgelegten
…..Grenzwerte teils sehr weit unterschritten werden.

Und man muß auch unterscheiden, um welche Abgase es sich handelt,

⇒ ist es das langlebige Kohlendioxid oder

⇒ sind es die eher kurzlebigen Stickoxide.

Hier höre ich aber auf, denn hier beginnt Politik…

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