entropus: März 2007

Motivation

Angeregt durch Nachrichten, wie H2-Car, die CO2-Diskussionen und eine Portion Bastlergeist tauchte gestern bei mir unvermittelt die Frage auf, warum sich bis heute Elektrofahrzeuge, die mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen betrieben werden nicht oder nur minimalst durchgesetzt haben. Die Frage ist also, lässt sich ein Auto bauen, welches der heutigen Idee eines Autos entspricht (also Platz für 2 bis 5 Personen, Wasserdicht, leise, warm…) und dennoch mit „selbst produziertem Strom“ betrieben werden kann. Dazu einige Annahmen:

Energiebedarf eines Autos

Die grundlegende Frage ist, wie viel Energie benötigt ein Auto überhaupt. Dabei spielt die Energie pro gefahrenem Kilometer und die Fahrdistanz pro Jahr eine entscheidende Rolle, die Maximalgeschiwindigkeit und die Art der Fahrweise ebenso. Als Basis der Überlegung werden „normale“ Benzingetriebene Fahrzeuge herangezogen. Um die Energie pro 100 gefahrener Kilometer und pro Jahr zu ermitteln, wird der Benzinverbrauch mit Energiedichte (http://de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte) von Benzin von 43MJ/kg oder 8,9kWh/l herangezogen.

Verbrauch in l/100km	Gefahrene km/Jahr	l/Jahr	Energie pro 100 km	Energie pro Jahr
12 l/100km	15.000 km	1800 l	106,8 kWh	16.020 kWh
10 l/100km	12.000 km	1200 l	89 kWh	10.680 kWh
8 l/100km	10.000 km	800 l	71,2 kWh	7.120 kWh
5 l/100km	10.000 km	500 l	44,5 kWh	4450 kWh
3 l/100km	8.000 km	240 l	26,7 kWh	2136 kWh
1 l/100km	8.000 km	80 l	8,9 kWh	712 kWh

Zum Vergleich, wir verbrauchen ca. 2.000 kWh Strom pro Jahr.

Das bedeutet, dass ein Stromgetriebenes Fahrzeug zwischen 700 kWh und 16.000 kWh Energie aus erneuerbaren Energiequellen benötigt. Der Bedarf hängt dabei in erster Linie von der gefahrenen Strecke und von der Leistung des Fahrzeuges und somit von dessen Gewicht und somit von dessen „Bequemlichkeitsfaktor“ ab.

Möglichkeiten der privaten Energieerzeugung

Welche Möglichkeiten der Energiegewinnung können in Betracht gezogen werden, um die erforderliche Energiemenge aufzubringen?

Photovoltaik

Die erste Idee galt der Photovoltaik. Der Entscheidende Faktor hierbei ist die zur Verfügung stehende Fläche und der Wirkungsgrad der Anlage. Laut (TODO) bieten aktuelle Systeme im Jahresmittel einen Energieertrag von ca. 100 kWh pro m² und Jahr.

Die erste Energie, dass sich das Auto autark mit Energie durch Photovoltaik speisen kann scheint hiermit gescheitert, da bei einer Dachfläche von 1,5 bis 4 m² lediglich zwischen 150 kWh und 400 kWh pro Jahr gewonnen werden können. Das entspricht bei einer Wirkungsgrad des Autos von 100% bei obigem 1-Liter-Auto gerade einmal 50% der benötigten Energiemenge.

Wird aber die Möglichkeit, eigene Dachfläche von Hausbesitzern, Gemeinschaftsanlagen oder „Stromtankstellen“ in Betracht gezogen, können leicht 10 bis 50 weitere m² mit Solarpanelen ausgerüstet werden, wodurch weitere 1.000 kWh bis 5.000 kWh pro Jahr gewonnen werden können. Damit kommen wir bereits theoretisch in den Bereich eines 5-Liter-Autos.

Steckdose

Ergänzt man den Energiebedarf auf der Heimischen Steckdose, kann die zur Verfügung stehende Energiemenge noch weiter gesteigert werden. Allerdings entstehen bei der Bereitstellung einer kWh Strom aus der Steckdose laut (TODO) xxxg CO2. Durch solchen Strom sollte also lediglich die Qualität/Reihweite/Leistung des Fahrzeuges gesteigert werden, um die Idee der 0-Emmision nicht zu verraten.

Energietransport / Tanken

Nachdem also geklärt ist, wie viel Energie das Auto braucht und wie viel Energie gewonnen werden kann, stellt sich die Frage, wie kommt die Energie in das Auto?

Die Aufladung per Stromkabel ist sicherlich einigen Leuten mit Garage möglich, jedoch nicht in breiter Masse einsetzbar (es sei denn, Parkplätze würde mit Steckdosen ausgestattet, die Autos tanken Strom aus dem Stromnetz und die privaten Erzeuger Speisen ihre gewonnene Energie in das Netz ein. Ob die dabei entstehenden Verluste vertretbar sind, ist zu bezweifeln).

Die Energie kann aber auch mit Hilfe von Akkus oder in sonstiger tragbarer Form (auch Wasserstoff) in das Auto gebracht werden. Während benzingetriebene Autos den Energieträger (Benzin) tanken, würde bei Elektroautos also gleich der Tank getauscht. Die Frage ist, welche Massen (Masse des Tanks) würden bei einem Tankvorgang bewegt werden müssen. Auch hierbei steht wieder die Energiedichte im Vordergrund:

System	Energiedichte in MJ/kg	Energiedichte in kWh/kg
Bleiakku	,11	,03
NiMH-Akku	,22	,06
Li-Ionen Akku	,36	,1
Li-Polymer-Akku	,55	,15
Lithium-Titanat-Akku	14,4	4
Wasserstoff (inkl. Hydridtank)	1,2	,33
Benzin	43	12
Wasserstoff	120	33,3

Pro gefahrene 100 Kilometer müsste pro Energieverbrauch entsprechend 1 Liter Bezin 390kg Beliakkus, 120kg Li-Ionen Akkus, 80kg Li-Polymerakkus oder 36kg Wasserstoff ink. Tank oder ,35kg Wasserstoff getankt werden.

Während letzteres lukrativ klingt, ist es aus Sicherheitsgründen nur schwer möglich; am anderen Ende der Skala wir es auch nicht möglich sein 390kg Bleiakkus alle 100km (bei einem 1-Liter-Auto) zu wechseln. Das wären 1Tonne Bleiakkus, bei einem Auto mit einem Strombedarf entsprechend einem 3-Liter-Auto.

Hier fängt die Sache an, kompliziert zu werden, da die Fahrweise, und täglich gefahrene Entfernung eine entscheidende Rolle spielt. Werden pro Tag 30 km gefahren (beispielsweise auf Arbeit und zurück) verbraucht ein 3-Liter-Auto nur 8kWh. Das entspricht bei Bleiakkus immer noch einem Gewicht von 266kg, bei Li-Polymer Akkus aber nur noch 55kg.

Hat nun das Fahrzeug selbst doch noch eine Photovoltaikanlage, kann es, wie oben erwähnt, zwischen 150 kWh und 400 kWh pro Jahr, oder zwischen ,5 und 1 kWh pro Tag selbst erzeugen.

Wird ein statt eines 3-Liter-Autos nur ein 1,5-Liter-Auto inkl. Selbstversorgung angenommen, werden für die 30km nur 4kWh benötigt, von denen 1 kWh selbst erzeugt wird, also nur 3 kWh getankt werden müssen. Man müsste, also jeden Morgen einen 20kg Li-Polymer-Akku ins Auto schleppen…

Reichweite

Die Reichweite des Autos wird neben der, bei fahren benötigten Leistung, durch die gespeicherte Energiemenge, und somit durch das Gewicht des Fahrzeugs bestimmt. Da die benötigte Leistung aber von der Fahrzeugmasse abhängt, gilt es auch hier, einen Kompromiss zwischen gespeicherte Energiemenge (und somit Masse) und erforderlichen Fahrzeugleistung, um diese Masse zu bewegen erforderlich.

Akkumasse	Akkusystem	Gespeicherte Energiemenge
50kg	Bleiakku	1,5 kWh
	Li-Polymer Akku	7,5 kWh
100kg	Bleiakku	3 kWh
	Li-Polymer Akku	15 kWh
200kg	Bleiakku	6 kWh
	Li-Polymer Akku	30 kWh
500kg	Bleiakku	15 kWh
	Li-Polymer Akku	75 kWh

Das bedeutet, bei einem Auto mit einer Leistung entsprechend eines 1,5-Liter-Autos und 100kg Li-Polymer-Akku (oder einem 3-Liter-Auto mit 200kg Akku) ergibt sich eine Reichweite von 112km.Bei einem Auto mit einem Energieverbrauch eines 3-Liter-Autos und 500 kg Li-Polymer-Akku sogar 280 km. (Allerdings ist fraglich, ob die Fahrzeugeigenmasse plus 500kg Akkus plus Zuladung mit der Leistung des Motors eines 3-Liter-Autos noch sinnvoll bewegt werden kann.)

Mit einer 200kg Brennstoffzelle hätte ein 3-Liter-Auto allerdings schon eine Reichweite von ca.250 km.

Fazit / Oder doch Benzin verbrennen

Sollte bei den Analysen herauskommen, dass das Auto ein Eigengewicht (inkl Akkus) von wenigen 100 kg haben muss und einen Antrieb verwendet, der lediglich 5kWh/100km oder weniger benötigt, gilt es zu überlegen, ob ein entprechendes ,5-Liter-Benzin-Auto nicht doch besser (unabhängiger und preiswerter) ist. Zwar wäre das direkte Ziel, ein Auto ohne Emmisionen nicht erreicht worden, aber die Spritersparnis eines ,5-Liter Auto wäre im Vergleich, zu heutigen „Stadt-Autos“ immer noch eine Revolution. Berechnet man die Energiekosten zur Erzeugung von Akkus etc. mit ein, stünde ein ,5-Liter-Auto vielleicht auch gar nicht so schlecht da.

Auf der anderen Seite, würde ich mir wünschen, dass ein „normales“ Auto mit 30kWh/100km-Motor (3-Liter-Auto) mit einer Reichweite von >200km und einer Höchstgeschwindigkeit von ~120km/h auf Basis von z.B. Photovoltaik, Elektrolyse & Brennstoffzelle realisierbar wäre.