Basiswissen
Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb
Um im Verkehrssektor Treibhausgasneutralität zu erreichen, ist die Abkehr von fossilen Kraftstoffen zwingend erforderlich. Im Pkw-Segment ist der Antriebswandel vom Verbrennungsmotor zum batterieelektrischen Antrieb bereits in vollem Gange.
Bei einem Batterieelektrofahrzeug (kurz: Elektrofahrzeug) besteht der Antriebsstrang aus einem oder mehreren Elektromotoren und einer extern aufladbaren Traktionsbatterie inklusive Leistungselektronik. Die Batterie stellt dem Elektromotor elektrische Energie bereit, welcher diese in Bewegungsenergie zum Antrieb des Fahrzeugs umwandelt. Bei Bremsvorgängen hingegen können Elektromotoren Bewegungsenergie im Generatorbetrieb in elektrische Energie wandeln und somit die Batterie laden. Dies wird als Rekuperation bezeichnet.
Die Traktionsbatterie kann per Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) geladen werden. Hierbei werden verschiedene Ladebetriebsarten nach DIN EN IEC 61851-1 unterschieden, wobei für Elektrofahrzeuge Mode 2, Mode 3 und Mode 4 relevant sind. [1, S. 11f]
Für den Ladevorgang nach Mode 2 an einer Haushalts- oder Industriesteckdose (Ein- bzw. Dreiphasenwechselstrom) können speziell für Elektrofahrzeuge geeignete Ladeleitungen mit integrierter Steuer- und Schutzeinrichtung (In-Cable Control and Protection Device bzw. IC-CPD) genutzt werden. Die Steuerung des Ladevorgangs erfolgt durch das im Fahrzeug integrierte Ladegerät, welches auch das Gleichrichten des Wechsel- in Gleichstrom übernimmt. [1, S. 11f]
Der Ladevorgang an einer stationären Ladeinrichtung mit Ein-, Zwei- oder Dreiphasenwechselstrom entspricht Betriebsart Mode 3. Diese Ladeeinrichtungen verfügen entweder über eine Typ-2-Steckdose oder über eine fest verbundene Ladeleitung mit Typ-2-Stecker. Die Schutzeinrichtung ist in der Ladeeinrichtung verbaut, die Ladesteuerung und das Gleichrichten erfolgt wie bei Mode 2 durch das Fahrzeug-eigene Ladegerät. Um das Ziehen der Ladeleitung während des Ladevorgangs zu verhindern, werden Ladestecker an der Ladeeinrichtung und am Elektrofahrzeug verriegelt. [1, S. 13]
Das Laden mit Gleichstrom nach Betriebsart Mode 4 erfolgt ebenfalls an stationären Ladeeinrichtungen, wobei die Ladeleitung mit Combo-2-Stecker mit dieser fest verbunden ist. Beim Gleichstromladen kommt das Ladegerät der Ladesäule zum Einsatz und nicht das Fahrzeug-eigene Wechselstrom-Ladegerät. Die Ladeleitung wird wie bei Mode 3 während des Ladevorgangs am Fahrzeug verriegelt. [1, S. 11, 13]
Um Elektrofahrzeuge sowohl an AC- als auch DC-Ladeeinrichtungen laden zu können, wurde das Combined Charging System (CCS) eingeführt. Verfügen Elektrofahrzeuge über einen CCS-Anschluss, können sowohl Typ-2-Stecker als auch Combo-2-Stecker angeschlossen werden. [1, S. 14ff]
Um durch die Nutzung von Elektrofahrzeugen einen hohen Beitrag zum Klimaschutz leisten zu können, sollten diese mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie betrieben werden. Die von Ladeeinrichtungen bereitgestellten Ladeleistungen (bei angegebener Stromstärke) zeigt die folgende Tabelle [1, S. 11, 20]:
AC 1-phasig | AC 3-phasig | DC | |||
16 A | 32 A | 16 A | 32 A | 63 A | 50 – 350 kW |
3,7 kW | 7,4 kW | 11 kW | 22 kW | 43,5 kW | |
Ladepunkte mit einer Ladeleistung bis 22 kW werden nach Ladesäulenverordnung als Normalladepunkte, bei höherer Leistung als Schnellladepunkte bezeichnet.
Einen Überblick über den Ausbaustand der (öffentlich zugänglichen) Ladeinfrastruktur in Deutschland bietet die Ladesäulenkarte der Bundesnetzagentur.
Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb
Eine zum batterieelektrischen Antrieb alternative lokal emissionsfreie Antriebsart ist der Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb.
Brennstoffzellenfahrzeuge werden ebenfalls über einen oder mehrere Elektromotoren angetrieben. Des Weiteren verfügen Brennstoffzellenfahrzeuge – wie der Namen schon verrät – über eine Brennstoffzelle und die dazugehörigen Wasserstoffdruckgasbehälter. Zur Aufnahme der Rekuperationsenergie bei Bremsvorgängen sowie zur Unterstützung der Brennstoffzelle bei hoher Last ist eine Batterie verbaut, wobei diese im Vergleich zum batterieelektrischen Fahrzeug eine wesentlich geringere Kapazität aufweist.
Im Pkw-Segment wird der gasförmige Wasserstoff bei ein Druckniveau von 700 bar gespeichert. Im Nutzfahrzeugsegment kann dieses Niveau ebenfalls zum Einsatz kommen, wobei auch ein Speicherdruck von nur 350 bar Anwendung findet. In der Brennstoffzelle reagiert der im Fahrzeug mitgeführte Wasserstoff mit Sauerstoff der angesaugten Umgebungsluft zu Wasser, wodurch elektrische Energie für den Antrieb bereitgestellt werden kann.
Getankt werden können Brennstoffzellenfahrzeuge an Wasserstofftankstellen. Die H2 MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG betreibt in Deutschland derzeit 94 solcher Tankstellen, sieben weitere sind in der Umsetzungsphase (https://h2.live). Für einen hohen Beitrag zum Klimaschutz, sollte regenerativ erzeugter Wasserstoff genutzt werden. Dieser kann durch die Wasser-Elektrolyse mittels erneuerbarer elektrischer Energie hergestellt werden.
Exkurs: synthetische Kraftstoffe - eFuels
Durch den Einsatz von Batterieelektrofahrzeugen und Brennstoffzellenfahrzeugen kann unter Verwendung erneuerbarer elektrischer Energie für das elektrische Laden bzw. Tanken mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff Treibhausgasneutralität im Straßenverkehr erreicht werden.
Eine weitere Möglichkeit bestünde darin, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor mit synthetisch hergestellten Kraftstoffen zu betreiben. Solch ein Kraftstoff wird in einem sogenannten Power-to-Liquid-Verfahren hergestellt und daher als PtL-Kraftstoff oder auch „eFuel“ bezeichnet. Ausgangsstoff zur Herstellung ist Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Um durch die Nutzung von PtL-Kraftstoffen eine Klimaschutzwirkung zu erzielen, müssen die Wasserstoffherstellung sowie alle weiteren PtL-Prozessschritte mit erneuerbaren Energien realisiert werden. Durch den Raffinerieprozess kann PtL-Benzin, PtL-Diesel oder PtL-Kerosin hergestellt werden.
Sofern diese Kraftstoffe den Qualitätsanforderungen der Kraftstoffnormen DIN EN 228 für Ottokraftstoff bzw. DIN EN 590 für Dieselkraftstoff entsprechen, können diese in konventionellen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Ist dies nicht der Fall und entspricht bspw. PtL-Diesel der Norm DIN EN 15940 so muss die Verwendung vom Motorenhersteller freigegeben sein. Neben der potentiellen Einsatzmöglichkeit in Bestandsfahrzeugen, ist ein weiterer großer Vorteil solcher PtL-Kraftstoffe die Nutzbarkeit des bestehenden Kraftstoffverteilnetzes und der Tankinfrastruktur. [5] [6]
Es ist allerdings zu bedenken, dass ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor unter Einsatz von PtL-Kraftstoff erneuerbare Energie indirekt nutzt. Gleiches gilt für das Brennstoffzellenfahrzeug, wobei hier weniger Energiewandlungsprozesse durchlaufen werden müssen. Das Batterieelektrofahrzeug nutz die regenerativ erzeugte elektrische Energie hingegen direkt. Dies kann durch einen Vergleich des energetischen Gesamtwirkungsgrades verdeutlicht werden:
Während bei der direkten Nutzung der regenerativ erzeugten elektrischen Energie im Elektrofahrzeug 70 – 80 % in Bewegungsenergie gewandelt werden können, fällt dies durch Nutzung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit 25 – 35 % bereits deutlich geringer aus. Wird ein PtL-Kraftstoff hergestellt und dieser im Motor verbrannt, kommen nur noch 12 – 20 % der ursprünglich regenerativ erzeugten elektrischen Energie am Rad an. [7, S. 86]
Es ist außerdem davon auszugehen, dass diese Kraftstoffe aufgrund des energieintensiven Herstellungsprozesses zukünftig aus Ländern mit einem hohen Aufkommen an erneuerbaren Energien importiert werden müssen, wodurch eine Abhängigkeit entstünde.
Der Einsatz solcher Kraftstoffe wird derzeit hauptsächlich für Anwendung als relevant erachtet, bei welchen die direkte Nutzung regenerativ erzeugter elektrischer Energie oder von regenerativ erzeugtem Wasserstoff technisch nicht möglich bzw. wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Hierzu zählen bspw. der Langstrecken-Flugverkehr und der Seeverkehr.
Quellen:
[1] Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE et al.: „Technischer Leitfaden Ladeinfrastruktur Elektromobilität – Version 4“, Frankfurt am Main, 2021, URL: https://www.dke.de/resource/blob/988408/87ed1f99814536d66c99797a4545ad5d/technischer-leitfaden-ladeinfrastruktur-elektromobilitaet---version-4-data.pdf (zuletzt abgerufen am: 02.11.2022).
[2] MENNEKES Elektrotechnik GmbH & Co. KG, Kirchhundem, URL: https://www.mennekes.de/automotive/produkte/ladeloesungen/ladekabel/ (zuletzt abgerufen am: 07.03.2023).
[3] MENNEKES Elektrotechnik GmbH & Co. KG, Kirchhundem, URL: https://www.mennekes.de/fileadmin/products_media/medien_sge2/produktbilder/33000.png (zuletzt abgerufen am: 04.11.2022).
[4] PHOENIX CONTACT GmbH & Co. KG, Blomberg, URL: https://dam-mdc.phoenixcontact.com/image/156443151564/3f35d7bce0c3154a8d059c02fd37e8fc/-S1400x1400-FJPG (zuletzt abgerufen am: 04.11.2022).
[5] Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e.V.: „Paraffinische Dieselkraftstoffe“, München, 2021, URL: https://mvcoldtimerticker.de/wp-702ef-content/2021/05/FTK-Info-Paraffinische-Dieselkraftstoffe.pdf (zuletzt abgerufen am: 02.11.2022).
[6] Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e.V.: „Synthetische Kraftstoffe – Sind E-Fuels die Zukunft?“, München, 2022, URL: https://www.adac.de/verkehr/tanken-kraftstoff-antrieb/alternative-antriebe/synthetische-kraftstoffe/ (zuletzt abgerufen am: 02.11.2022).
[7] Sachverständigenrat für Umweltfragen: „Umsteuern erforderlich: Klimaschutz im Verkehrssektor“, Berlin, 2017, URL: https://www.umweltrat.de/SharedDocs/Downloads/DE/02_Sondergutachten/2016_2020/2017_11_SG_Klimaschutz_im_Verkehrssektor.pdf?__blob=publicationFile&v=25 (zuletzt abgerufen am: 24.11.2021).