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Elektroantriebe

Erstellt am: 25.10.2013 | Stand des Wissens: 21.01.2019
Synthesebericht gehört zu:
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Das Herzstück eines elektrischen Antriebes ist der Elektromotor. Die für den Betrieb des Elektromotors benötigte Energie wird entweder durch eine Batterie oder durch eine Brennstoffzelle bereitgestellt. Da beide Varianten über eine elektrische Antriebsmaschine verfügen, ist die Bezeichnung Elektrofahrzeug oder Elektroauto in beiden Fällen gerechtfertigt [Naun06, S.1].
Die Brennstoffzelle mit ihrer hohen Reichweite ist für längere Strecken geeignet. Batteriebetriebene Elektroautos haben dagegen eine beschränkte Reichweite, sind aber nicht zwingend auf eine öffentliche Ladeinfrastruktur angewiesen, da das Laden am heimischen Anschluss möglich ist. So konkurrieren diese Antriebe nicht unbedingt miteinander, sondern können sich aufgrund ihrer Charakteristiken durchaus ergänzen. Eine Leistungs- und Steuerungselektronik dient zur Fahrgeschwindigkeitsänderung und wird damit zur Motorendrehzahländerung benötigt.
Der Antrieb von Elektromotoren über eine Batterie erfolgt durch Zusammenschaltung galvanischer Zellen, mittels derer gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Die einzelnen Batteriezellen werden zum Betrieb in einem Kraftfahrzeug zu einem Batteriesystem zusammengefasst, welches neben Zellmodulen auch Einrichtungen zum Thermomanagement und elektronische Steuereinheiten umfasst [WaFr11a, S. 104ff.]. Mögliche Batterievarianten unterscheiden sich in Bezug auf Sicherheit, Kosten, Energiedichte, Zyklenbeständigkeit, Leistungsdichte und Lebensdauer [WaFr11a, S. 149ff.]. Aktuell stehen für reine batteriebetriebene Fahrzeuge insbesondere die Energie- und Leistungsdichte im Vordergrund, welche entscheidend für Reichweite sind und neben sinkenden Kosten die Kundenakzeptanz des Fahrzeuges positiv beeinflussen. Weiterentwickelte Batterien und neue Batterietechnologien bilden daher die Basis für eine Steigerung der Reichweiten von Elektrofahrzeugen [KlBe12]. Im Rahmen des Antriebskonzepts des reinen batterieelektrischen Fahrzeugs wird die Batterie über eine Stromquelle außerhalb des Fahrzeugs (Stromnetz oder externe Stromerzeugungsquelle) aufgeladen [HoFr09, S. 9]. Mit der verfügbaren elektrischen Energie wird der Elektromotor betrieben. Dieser wird entweder in der Nähe der Drehachsen für die Räder verbaut, wo er die Räder über ein Getriebe antreibt, oder als Direktantrieb auf der Achse sitzend in Form von Radnabenmotoren [Naun06, S. 21]. Letztere Variante ist bislang die Ausnahme.
Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde bereits im Jahre 1839 vom Engländer Sir William Robert Grove entdeckt, der an einer sogenannten Gasbatterie experimentierte. Es basiert grundsätzlich auf der direkten Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie [Geit04a]. Die Brennstoffzelle wandelt die im Wasserstoff gespeicherte Energie in Verbindung mit Sauerstoff in elektrische Energie und Wärmeenergie um. Für den laufenden Betrieb der Brennstoffzelle wird also Wasserstoff benötigt, der entweder gasförmig oder verflüssigt an Bord des Fahrzeuges mitgeführt werden muss. Die Speicherung erfolgt in Drucktanks. Falls keine verkehrsbezogene Distributionsinfrastruktur existiert, kann die Brennstoffzelle auch mit anderen Kraftstoffen betrieben werden. Über einen an Bord mitgeführten Reformer kann beispielsweise der benötigte Wasserstoff aus Methanol gewonnen werden. Darüber hinaus gilt es, das entstehende Produktwasser und die Reaktionswärme kontrolliert abzuführen [Gerl02, S. 143].
Glossar
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Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 21.01.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[Geit04a] Geitmann, Sven Wasserstoff und Brennstoffzellen, 2004
[Gerl02] Gerl, Bernhard Innovative Automobilantriebe, Konzepte auf der Basis von Brennstoffzellen, Traktionsbatterien und alternativen Kraftstoffen, 2002
[HoFr09] Horst, Juri, Frey, Günther , Leprich, Uwe Auswirkungen von Elektroautos auf den Kraftwerkspark und die CO2-Emissionen in Deutschland, 2009
[KlBe12] Peter Kleine-Möllhoff, Holger Benad, Frank Beilard, Mohammed Esmail, Martina Knöll Die Batterie als Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität der Zukunft. Herausforderungen - Potenziale - Ausblick., 2012
[Naun06] Naunin, Dietrich Hybrid-, Batterie- und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge: Technik, Strukturen und Entwicklungen, Expert Verlag , 2006
[WaFr11a] Wallentowitz, Henning, Freialdenhoven, Arndt Strategien zur Elektrifizierung des Antriebstranges: Technologien, Märkte und Implikationen , Ausgabe/Auflage 2. Auflage, Vieweg+Teubner, 2011, ISBN/ISSN 3834814121
Glossar
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jedes chemische Element, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff, um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an Verbrennungprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), es gibt ihn  aber auch in dreiatomiger Form (O3,) besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
CH3OH = Methanol. Ist eine farblose, brennend schmeckende, giftige, bei Einnahme durch den Menschen zur Erblindung oder zum Tod fuehrende, leicht brennbare und sehr fluechtige Fluessigkeit. Methanol verbrennt mit blauer, fast unsichtbarer Flamme und bildet mit Luft explosionsfaehige Gemische. In der Natur kommt es in Baumwollpflanzen, Heracleum-Fruechten, Graesern und in aetherischen Oelen vor. Methanol ist eines der wichtigsten Ausgangsstoffe fuer Synthesen in der chemischen Industrie. Methanol ist giftig. Seine giftige Wirkung beruht auf der in der Leber erfolgenden Oxidation zu Formaldehyd und spaeter zu Ameisensaeure.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?419905

Gedruckt am Dienstag, 16. August 2022 17:28:03