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Einer der bekanntesten alternative Antriebe ist der Elektroantrieb. Dieser wird von einer Batterie oder einem Akkumulator gespeist, die mithilfe von Strom aufgeladen werden. Elektroautos sind in der Anschaffung zwar oft teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, jedoch können sie auf lange Sicht günstiger betrieben werden, da der Strom deutlich günstiger ist als Benzin oder Diesel. Zudem gibt es inzwischen auch immer mehr öffentliche Ladestationen, sodass das Aufladen des Fahrzeugs unterwegs kein Problem darstellt. Ein weiterer Vorteil von Elektroautos ist, dass sie nahezu geräuschlos fahren und somit zu einer Verbesserung der Lebensqualität in Städten beitragen können. Allerdings gibt es auch Nachteile, wie zum Beispiel die begrenzte Reichweite von Elektroautos im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und die lange Ladezeit, wenn der Akku leer ist.
Eine andere Alternative zu fossilen Brennstoffen ist der Wasserstoffantrieb. Dabei wird Wasserstoff als Energieträger verwendet, der in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt wird. Wasserstoffautos haben eine hohe Reichweite und können schnell betankt werden, da der Tankvorgang ähnlich wie bei herkömmlichen Autos abläuft. Allerdings gibt es bisher noch nicht viele öffentliche Wasserstofftankstellen, sodass das Tanken teilweise noch etwas schwieriger ist als bei Benzin- oder Dieselautos. Zudem sind Wasserstoffautos im Vergleich zu Elektroautos noch immer relativ teuer in der Anschaffung.
Der Hybridantrieb ist eine Alternative, bei dem ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor miteinander kombiniert werden. Hybridautos können entweder von einer Batterie oder dem Verbrennungsmotor angetrieben werden und wechseln je nach Bedarf automatisch zwischen den beiden Antriebsarten. Das hat den Vorteil, dass Hybridautos in der Stadt mit Elektroantrieb fahren können, wodurch der Schadstoffausstoß reduziert wird, während sie auf der Autobahn den Verbrennungsmotor nutzen, um eine höhere Reichweite zu erreichen. Allerdings sind Hybridautos in der Anschaffung noch immer teurer als vergleichbare Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und auch bei den Betriebskosten gibt es noch Einsparpotentiale.
Eine spannende Alternative ist auch der Biogasantrieb, bei dem Biogas als Treibstoff verwendet wird. Biogas wird aus organischen Abfällen und Reststoffen wie zum Beispiel Gülle, Mais- oder Getreidesilage gewonnen und ist somit eine regenerative Energiequelle. Biogasautos haben eine vergleichbare Reichweite wie Fahrzeuge mit Benzinmotor und können an herkömmlichen Tankstellen betankt werden. Allerdings gibt es bisher noch nicht sehr viele Biogastankstellen und der Preis für Biogas ist oft noch etwas höher als der für Benzin oder Diesel.
Insgesamt gibt es also viele alternative Antriebe, die teilweise bereits heute eine ernstzunehmende Alternative zu fossilen Brennstoffen darstellen. Jede Technologie hat ihre Vor- und Nachteile und es gibt noch viel Entwicklungspotential, um die Effizienz und die Kosten weiter zu verbessern. Letztendlich hängt die Wahl des richtigen Antriebs von den individuellen Bedürfnissen und Vorlieben ab und es lohnt sich, die verschiedenen Optionen genau zu vergleichen.
Grafik: © alternativ-fahren.de
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Elektroantrieb - Energie aus der Steckdose
Elektrofahrzeuge führen Akkumulatoren als Energiespeicher mit. Der Antrieb erfolgt durch einen Elektromotor. Um die Batterien aufzuladen, sind entsprechende Stromtankstellen nötig. Die Stromversorgung der Tankstellen kann über das Stromnetz oder aber via Solarzellen erfolgen. E-Fahrzeuge haben einen „lokal“ emissionsfreien Antrieb. Jedoch gilt es zu bedenken, dass bei den Elektrizitätswerken zur Stromerzeugung entsprechend Emissionen entstehen können. In Altlußheim bei Hockenheim (Stiftung Museum AUTOVISION - die Technologie-Arena) ist Deutschlands erste kostenlose Solar-Tankstelle zum Aufladen von Elektrofahrzeugen zu finden.
Verbreitung von Elektromobilen
Das wohl größte Problem bei Elektrofahrzeugen stellt die Energiespeicherung dar. Dies wird momentan meist über Akkumulatoren (kurz Akkus, Batterien) gelöst. Bei dieser Art der Energiespeicherung ist die Reichweite für den Alltagsgebrauch jedoch noch zu gering. Die meisten Elektroautos haben eine Reichweite von gerade mal 100 - 200 Kilometer. Fahrzeughersteller wie zum Beispiel Tesla bieten jedoch bereits Reichweite bis 500 Kilometer an. Eine weitere Verbreitung von E-Autos kann erst erreicht werden, wenn die Probleme der Energiespeicherung gelöst sind.
Entwicklung für den Alltagsgebrauch
Die Entwicklung lässt sich in zwei Richtungen (Leichtelektromobile & Elektrofahrzeuge) unterteilen.
Das Ziel bei der Entwicklung leichter Fahrzeuge liegt darin, eine besonders große Reichweite zu erzielen. Solche Fahrzeuge, die entsprechend sparsam mit der Energie umgehen, benötigen nur rund 10 kWh (entspricht gut 1 Liter Normalbenzin) elektrische Energie auf 100 Kilometer.
Bei Elektrofahrzeugen hingegen besteht das Ziel, herkömmliche Fahrzeuge, mit einem Elektroantrieb zu verwenden. Aufgrund des größeren Gewichts werden hier etwa 20 kWh (entspricht gut 2 Liter Normalbenzin) elektrische Energie für eine Strecke von 100 Kilometern benötigt.
Im Alltagsgebrauch hat sich der Elektroantrieb im Mischbetrieb (Hybridfahrzeug) bewährt. Des weiteren kommen auch vermehrt Elektroautos mit Reichweitenverlängerung, wie zum Beispiel der Opel Ampera, auf den Markt. Diese Fahrzeuge haben eine elektrische Reichweite von etwa 50 – 100 Kilometer. Neigt sich die Akkukapazität dem Ende zu, so versorgt ein Benzin- oder Dieselgenerator für das wieder Aufladen der Batterien.
Elektrofahrzeuge – Die Vorteile:
- Sehr geräuscharmer Antrieb (für den Großstadtverkehr besonders interessant)
- Emissionsfreiheit im Fahrbetrieb Hoher Wirkungsgrad (~ 85-95 %)
- Möglichkeit der Energierückgewinnung beim Bremsen (Rekuperationstechnik)
- Sehr wartungsarm – daher geringere Unterhaltskosten
Elektrofahrzeuge – Die Nachteile:
- Akkukapazität ist temperaturabhängig, daher eingeschränkte Betriebsbedingungen im Kfz
- Sehr geringe Reichweite auch aufgrund des hohen Gewichts der Akkumulatoren
- Unzureichendes Tankstellennetz (Ladenetz) Haltbarkeit der Akkus ist begrenzt und müssen entsprechend ausgetauscht werden
- Hohe Ladezeiten (außer beim 80%-Schnellladeverfahren)
Grafik: © Gunnar Assmy (fotolia)
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Hybridantrieb – Elektromobilität ohne Reichweitenproblem
Eine Kombination von mindestens 2 verschiedenen Antriebsarten bezeichnet man in der Kraftfahrzeugtechnik als Hybridantrieb. Es werden bereits von einigen PKW-Herstellern kombinierte Verbrennungsmotoren mit zusätzlichem Elektroantrieb angeboten.
Grundfunktion Verbrennungs-/Elektroantrieb (Beispiel)
Hybridtechnik - Die Vorteile
- Effizienter Elektroantrieb im Stau und Stadtverkehr
- Keine direkten Emissionen beim Elektroantrieb
- Kein Energieverbrauch im Stand beim E-Antrieb
- Gewohnte Leistung im Verbrennungsantrieb (Landstraße, Autobahn)
- Kraftstoffersparnis von bis zu 15% möglich (häufiger Stadtverkehr)
Hybridtechnik - Die Nachteile
- Höheres Leergewicht aufgrund der schweren zusätzlichen Batterien
- Wesentlich aufwendigere Motorenkonstruktion und Komplexität
- Hohe Anschaffungskosten
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Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umwandelt. Im Sprachgebrauch steht Brennstoffzelle meist für die Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle hat ein deutlich niedrigeres Leistungsgewicht als aktuelle Akkumulatoren.
Das Prinzip der Brennstoffzelle wurde bereits 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt, indem er zwei Platindrähte in einer Elektrolytlösung (wahrscheinlich Schwefelsäure) mit Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff umspülte und zwischen den Drähten eine Spannung feststellte. 1839 veröffentlichte Schönbein diese Ergebnisse. Im selben Jahr schrieb Sir William Grove eine Notiz über das „batterisierte“ Knallgas und wandte diese Erkenntnisse in Zusammenarbeit mit Schönbein in mehreren Versuchen an.
Der Aufbau
Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden, die durch eine Membran oder Elektrolyt (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Anode wird mit dem Brennstoff umspült (zum Beispiel Wasserstoff), der dort oxidiert wird. Die Kathode wird mit dem Oxidationsmittel umspült (zum Beispiel Sauerstoff), das dort reduziert wird.
Die Elektrodenplatten/Bipolarplatten bestehen meist aus Metall bzw. Nickel. Zur besseren Katalyse sind sie mit einem Katalysator (z.b. Platin) beschichtet, dadurch wird eine höhere Effizienz erreicht.
Als Elektrolyten können beispielsweise gelöste Laugen oder Säuren dienen.
Die gelieferte Spannung liegt theoretisch bei 1,23 Volt (für die Wasserstoff-Sauerstoff-Zelle bei einer Temperatur von 25°C). Sie ist vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig. Um eine höhere Spannung zu erhalten, werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet.
Anwendungen in Kraftfahrzeugen
Mehrere Automobilfirmen (wie z.b. Toyota, DaimlerChrysler, Ford, Honda, General Motors/Opel) forschen seit zum Teil 20 Jahren an Automobilen, deren Treibstoff Wasserstoff ist, und die zur Energieumwandlung Brennstoffzellen sowie einen Elektromotor zum Antrieb nutzen.
Durch den verstärkten Einsatz von emissionsfreien Fahrzeugen in Ballungszentren und Großstädten wird eine Verbesserung der dortigen Luftqualität erwartet.
Die Herausforderungen der mobilen Wasserstoff-Brennstoffzellen liegen in der Problematik der Speicherung des hochflüchtigen Wasserstoffs. Drei Alternativen der direkten Wasserstoffspeicherung wurden bisher zur Serienreife entwickelt:
- Druckflaschen
- flüssiger Wasserstoff
- Metallhydrid
Die bereits serienreif verfügbaren Lösungen für kleinere Fahrzeuge haben zum Ziel, die Größe und das Gewicht der Brennstoffzelle zu reduzieren und eine geeignete Lagerung des Wasserstoffes zu ermöglichen. DaimlerChrysler hat mit seinen Fahrzeugen der Mercedes-Benz A-Klasse inzwischen eine praxistaugliche Lösung auch für kleine Fahrzeuge entwickelt.
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Brennstoffzelle aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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Die Sonne – Energie im Überfluß
Solarfahrzeuge werden durch die von der Sonne erzeugten Energie (Sonnenenergie bzw. Solarenergie) betrieben. Hierzu ist die Fahrzeugoberfläche mit Solarzellen bestückt, welche die Sonnenenergie in Strom umwandelt.
Um auch bei schlechter Beleuchtung (Bewölkung, Tunnel etc..) mit dem Solarfahrzeug „Mobil“ zu bleiben, werden diese meist mit einem zusätzlichen Energiespeicher, wie zum Beispiel Batterien, bestückt. Bei voller Sonneneinstrahlung werden die Akkumulatoren während der Fahrt wiederaufgeladen. Solar-mobile werden zur Gewichtsersparnis in Leichtbauweise (sogenannte Leichtfahrzeuge) gebaut.
Bei der Umwandlung in elektrischer Energie (Solarautos) entstehen keine Emissionen wie zum Beispiel das Treibhausgas CO2 oder Rußpartikel. Weiterhin ist Sonnenenergie, gegenüber fossilen Energieträgern (Erdöl, Erdgas etc...), quasi unbegrenzt verfügbar.
Sollar Rallye
Weltweit werden regelmäßig Rennen mit Solarfahrzeuge und auch andere alternativ angetriebene Modelle veranstaltet. Hierbei wird der Öffentlichkeit gezeigt, was bereits heute mit Sonnenkraft erreicht werden kann.
Eco Tour de Ruhr
Die Initiative Solarmobil Ruhrgebiet e.V. (Isor) veranstaltet jedes Jahr eine Rallye für Solarfahrzeuge und auch andere innovative Antriebstechniken. Hier soll gezeigt werden, das Solar-mobile einer der umweltfreundlichsten Fahrzeuge sind.
World Solar Challenge
Der Höhepunkt ist die World Solar Challenge (WSC), welche alle zwei Jahre in Australien stattfindet. Hier liefern sich die weltweit besten Solarfahrzeuge ein hartes Wüstenrennen.