Motorisierung von Kraftfahrzeugen: Techniken der Zukunft

Motorisierung von Kraftfahrzeugen: Techniken der Zukunft

 

Für die Antriebstechnik der Zukunft bemühen sich Behörden und Automobilhersteller gleichermaßen, sparsamere Systeme zu fordern oder zu entwickeln. Gleich zwei Gründe sorgen hier für eine eifrige Forschung in diesem Bereich. Zum einen sparen Motoren mit niedrigerem Verbrauch bares Geld und ermöglichen eine längere Nutzung der endlichen fossilen Brennstoffe. Zum anderen aber belasten die Abgase der Autos die Umwelt und beeinflussen das Weltklima. Neben der Motorentechnik ist auch die Leichtbauweise eine Erfolg versprechende Alternative, um den Spritverbrauch zu senken. Viele Autohersteller arbeiten daran, Stahlkarosserien durch solche aus leichtem Aluminium oder glasfaserverstärkten Kunststoffen zu ersetzen.

 

Beim Energiesparen orientieren sich viele Konstrukteure mittlerweile am Vorbild der Natur. So lassen sich leichte Bauteile aus faserverstärkten Werkstoffen allein durch die Anordnung der Fasern gezielt auf Druck- und Zugbelastung konstruieren — ähnliche Strukturen finden sich in Ästen und Knochen. Energie sparende Formen sind ebenfalls keine Erfindung des Menschen, wie Delphine und Pinguine zeigen. Dank ihres stromlinienförmigen Körperbaus verbrauchen sie beim Schwimmen nur wenig Energie, um voranzukommen.

 

 Altes System spart Sprit

 

Langfristig sind Fahrzeuge der Golfklasse denkbar, die mit halbiertem Luftwiderstand, Rückgewinnung von Bremsenergie und konsequenter Leichtbauweise den Treibstoffverbrauch auf ein bis zwei Liter pro 100 Kilometer senken, ohne dabei Abstriche am Komfort machen zu müssen. 15 bis 20 Prozent weniger Benzin soll zum Beispiel der Ottomotor verbrauchen, der im Gegensatz zu herkömmlichen Maschinen den Treibstoff nicht in das Saugrohr, sondern direkt in den Brennraum des Zylinders einspritzt. Dort wird zunächst Luft eingesaugt und verdichtet. Unmittelbar vor der Zündung spritzt eine Düse den Treibstoff gezielt ein, sodass direkt an der Zündkerze die optimale Mischung von einem Teil Benzin und 14,5 Teilen Luft entsteht. Mit zunehmendem räumlichen Abstand aber wird das Gemisch magerer, an der Zylinderwand ist fast nur noch Luft vorhanden. Bei einer solchen Schichtung des Benzin-Luft-Gemischs verbrennt der Sprit optimal, für die gleiche Leistung kommt der Motor daher mit weniger Benzin aus. Techniker sprechen in solchen Fällen von einem »mageren Gemisch«.

 

Dieses Prinzip der Direkteinspritzung kennen Ingenieure bereits seit 60 Jahren, als BMW erstmals mit dieser Technik Flugzeugmotoren baute. Für einen Serieneinsatz in den relativ kleinen Automobilmotoren aber gab es bisher keine Einspritzdüsen, die das Benzin hinreichend genau dosieren und exakt zerstäubt einspritzen konnten. Deshalb verlegte man die Einspritzung in das Saugrohr und komprimierte anschließend im Brennraum das fertige Gemisch. Diesem fehlte aber zumindest im unteren Drehzahlbereich die ideale Schichtung mit relativ viel Treibstoff im Bereich der Zündkerze und viel Sauerstoff an der Zylinderwand. Bei höheren Drehzahlen bringt die Schichtung eigentlich keine Vorteile. Trotzdem ist der Direkteinspritzer auch in diesem Bereich sparsamer, weil der Kraftstoff beim Zerstäuben im Brennraum Wärme von den Zylinderwänden aufnimmt und so den Zylinder abkühlt. Dadurch sinkt die Neigung zum Klopfen, der frühzeitigen Selbstzündung. Deshalb kann das Gemisch höher verdichtet werden, und der Motor braucht generell drei bis fünf Prozent weniger Benzin.

 

Ein direkt einspritzender Ottomotor benötigt allerdings einen neuartigen Katalysator. Der herkömmliche Dreiwegekatalysator braucht ja ein ideales Verbrennungsgemisch von 14,5 Teilen Luft auf einen Teil Benzin, wobei die Lambdasonde darüber wacht, dass dieser Wert eingehalten wird. Der direkt einspritzende Ottomotor läuft phasenweise jedoch mit mehr als 20 Teilen Luft auf einen Teil Benzin. Bei diesem hohen Sauerstoffanteil aber können die Stickoxide im Abgas nicht mehr vollständig in unschädlichen Stickstoff umgewandelt werden.

 

Aus diesem Grund wollen nun Ingenieure vor dem eigentlichen Katalysator einen chemischen Speicher aus Barium oder Seltenen Erden bauen, der die überschüssigen Stickoxide erst einmal zwischenlagert. Läuft der Motor mit mehr Gas dann kräftiger und enthalten die Abgase daher weniger Sauerstoff, werden die gespeicherten Stickoxide wieder freigesetzt und in Stickstoff umgewandelt.

 

 Mittelfristige Lösungen mit Batterien

 

Der direkt einspritzende Ottomotor löst das Problem der Luftverschmutzung und der steigenden Kohlendioxidfreisetzung allerdings nur kurz- und mittelfristig. Besser sind Systeme, die völlig ohne fossile Brennstoffe auskommen und daher kein Kohlendioxid freisetzen, das den Treibhauseffekt weiter anheizen würde. Das batteriegetriebene Elektroauto gilt als eine solche treibhausneutrale Alternative, die gleichzeitig das Problem der Luftverschmutzung lösen kann. Die Antriebsbatterien für solche Elektrofahrzeuge sind einsatzbereit, sie haben sich nur noch nicht in der Praxis bewährt. Die althergebrachte Bleibatterie ist natürlich viel zu schwer, um den Antrieb eines Fahrzeugs auch für eine größere Reichweite zu gewährleisten. Zudem gibt sie schon nach dem vierzigsten oder fünfzigsten Ladezyklus ihren Geist auf. Inzwischen aber haben Ingenieure und Wissenschaftler vier neue Batterietypen entwickelt, die erheblich leichter sind als Bleibatterien und vermutlich ein ganzes Elektro- autoleben lang durchhalten werden.

 

Einer der Hoffnungsträger ist die Nickel-Metallhydrid-Batterie, die als aufladbarer Akku für Kassettenrecorder und Taschenlampen seit langem auf dem Markt ist. Allerdings genügt es nicht, die vorhandenen Kleinbatterien einfach auf die Größe einer Autobatterie aufzublasen. Das würde genauso scheitern wie der Versuch, den Bauplan eines Flohs so lange zu vergrößern, bis ein elefantengroßes Tier herauskommt. Damit aber hätte man noch längst nicht die Sprungkraft des Flohs auf den großen Maßstab übertragen. Auch wenn ein »Minifloh« fünfzigmal höher springt als seine Körpergröße, wird er als »Elefantenfloh« aus physikalischen Gründen trotzdem nicht über ein 150 Meter hohes Hindernis springen können.

 

Zudem kann der Elefant genau wie eine große Batterie Wärme erheblich schlechter abführen als der Floh oder der Mignonakku. Denn die Oberfläche, über die Wärmeenergie an die Umgebung abstrahlt, wächst beim Vergrößern eines Körpers erheblich langsamer als das Volumen, das die überschüssige Wärme produziert. Gefragt sind aus diesem Grund andere Lösungen, die von den Batterienherstellern in langwierigen technischen Anpassungen entwickelt werden. Für die Nickel-Metallhydrid-Batterie ist dieser Prozess bereits seit Mitte der 1990er-Jahre abgeschlossen — und seither hat jeder Hersteller von Elektrofahrzeugen diese Batterie im Einsatz.

 

 Bessere Reichweite

 

Mehr Erfolgschancen als der gängigen Nickel-Metallhydrid-Batterie räumen Fachleute der Natrium-Nickelchlorid-Batterie ein. Bei dieser wandern während des Ladens Elektronen vom Nickel zum Natrium. Gibt die Batterie elektrische Leistung ab, kehrt sich dieser Vorgang um. Ein Kilogramm Batteriemasse speichert nach diesem Prinzip mehr als 80 Wattstunden, das sind fast 60 Prozent mehr als eine Nickel-Metallhydrid-Batterie. Eine Batterieladung lässt daher ein Elektrofahrzeug bis zu 200 Kilometer weit fahren. Wenn die Batterie leer ist, wird einfach der Stecker in die normale Haushaltssteckdose gesteckt; nach sieben Stunden (etwa über Nacht) ist sie wieder voll und einsatzbereit.

 

Allerdings hat die Natrium-Nickelchlorid-Batterie einen gravierenden Nachteil: Sie arbeitet bei einer Temperatur zwischen 270 und 350 Grad Celsius. Damit dienen die Akkus zwar gleichzeitig als Wärmespeicher, der im Winter schon vor dem Anlassen ein sofortiges Enteisen der Scheiben und einen warmen Innenraum garantiert. Trotz guter Isolierung aber verbraucht diese Batterie während jeder Stunde Stillstand mit 100 Watt genauso viel Leistung wie eine starke Glühlampe, nur um die Betriebsbereitschaft aufrecht zu erhalten. Nach einer Standzeit von zehn Tagen sind die Vorräte erschöpft und die Batterie muss neu geladen werden, ohne zuvor auch nur einen Kilometer Fahrleistung geliefert zu haben.

 

 Batterie mit Explosionsgefahr

 

Sowohl die Nickel-Metallhydrid-Batterie als auch die Natrium-Nickelchlorid-Batterie überstehen mehr als 1000 Ladezyklen und lassen damit hoffen, dass sie ein gesamtes Autoleben durchhalten werden. Das Gleiche gilt für die Lithium-Ionen-Batterie. Deren Kapazität ist 50 Prozent höher als die der Natrium-Nickelchlorid-Batterie — und sie arbeitet bereits bei Umgebungstemperatur.

 

Allerdings besteht ihr Pluspol aus einer Mischung von Lithium, Nickel und Kobalt. Letzteres aber hat erhebliche militärische Bedeutung, ist selten und teuer. In großer Stückzahl ließe sich diese Batterie daher nicht produzieren, behaupten Experten. Denn dann würde entweder das Kobalt unbezahlbar oder die Militärs würden einfach den Kobalthahn zudrehen. Aus diesem Grund verwenden einige Batterienhersteller auch reines Lithium. Bei früheren Anwendungen im Militärbereich neigte das metallische Lithium allerdings zu unvorhersehbaren Selbstexplosionen, während Lithiumionen vollkommen harmlos sind. Auch bei der Natrium-Nickelchlorid-Batterie muss man übrigens auf die Explosionsgefahr durch Natrium achten; die Hersteller betten das gefährliche Element daher in Natrium-Aluminiumchlorid ein, um elementares Natrium einzufangen.

 

Mit einem ähnlichen Trick entschärfen Ingenieure das Gefahrenpotenzial des metallischen Lithiums: Sie »schaufeln« Elektronen zwischen zwei Lithiumelektroden hin und her, die durch eine Folie aus einem Polymerkunststoff voneinander getrennt sind. Dies verhindert eine Explosion des Lithiums. Bei einem Prototyp lassen sich bereits 205 Wattstunden in einem Kilogramm Batterie speichern. Dies stellt eine derzeit unschlagbare Energiedichte dar. Bei einem Batteriegewicht von ungefähr 250 Kilogramm rückt daher eine Reichweite von rund 300 Kilometer in greifbare Nähe. Die Betriebstemperatur von 60 bis 80 Grad Celsius lässt sich technisch gut beherrschen. Mit mindestens 600 Ladezyklen sollte diese Batterie problemlos 200000 Kilometer und damit ein Autoleben durchhalten.

 

An einem Nachteil freilich kranken gegenwärtig alle Batteriesysteme: Sie sind noch so teuer, dass jedes Elektroauto auf dem Markt nur weit unter Wert verkauft werden kann. Erst wenn sehr viele Batterien hergestellt werden, dürften die Kosten merklich sinken. Nur wenn der Gesetzgeber, wie zum Beispiel in Kalifornien, New York und Massachusetts, die Einführung von Elektrofahrzeugen fordert oder fördert und damit die Verkaufszahlen in die Höhe treibt, wird sich die Situation verbessern.

 

 Entscheidende Stromquelle

 

Obwohl neue Batterietypen inzwischen Energie erheblich dichter als der alte Bleiakku speichern, muss ein solches Fahrzeug für jeden Kilometer Reichweite immer noch erheblich mehr Gewicht und Volumen mit sich herumschleppen als ein herkömmlicher Benzintank Sprit fasst. Dadurch aber sinkt die Reichweite des Autos deutlich. Selbst 200 Kilometer lassen sich derzeit im Alltag mit einer Batteriefüllung kaum erreichen, als Vehikel für den Fernverkehr scheidet das E-Mobil also aus. Im Stadtverkehr aber kommen seine Trümpfe zur Geltung: Beim Beschleunigen an der Ampel hängt so mancher Elektromotor leicht jeden Sportwagen ab — und das nahezu lautlos.

 

In Taiwan sind daher inzwischen Elektromotorroller recht beliebt, die in sechs Sekunden auf 48 Stundenkilometer beschleunigen und deren Batteriefüllung immerhin für 60 Kilometer Fahrt reicht. Das sollte für ein normales Tagespensum genügen, über Nacht lassen sich die Batterien an einer Haushaltssteckdose wieder aufladen. Dieses System bietet einen doppelten Vorteil: Auf den Aufbau eines ausgedehnten Tankstellennetzes lässt sich verzichten. Und der Kunde kann den billigen Nachtstrom nutzen — für 100 Kilometer Fahrt zahlt er in Deutschland dann 1,53 Euro, während der Benzinmotor für die gleiche Strecke Sprit im Kaufwert von 5,11 Euro schluckt.

 

Auch unter ökologischen Aspekten ist das Aufladen mit Nachtstrom sinnvoll, denn dann haben die Stromversorger ohnehin Energie übrig. So haben kalifornische Energiefachleute — die vor allem in Los Angeles ständig gegen den Verkehrssmog ankämpfen — zum Beispiel ausgerechnet, dass die überschüssigen Kapazitäten der Elektrizitätswerke in der Nacht ausreichen, um 20 Prozent der im Verkehr verbrauchten Energie zu liefern. Erst wenn die Elektrofahrzeuge in Kalifornien diese Zwanzigprozentmarge überschreiten, muss zusätzlich Strom produziert werden. Stammt dieser dann aus photovoltaischen Solarzellen, bleibt die Ökobilanz in Ordnung. In Deutschland würde nach Lage der Dinge zusätzlicher Strom für Elektrofahrzeuge jedoch aus Kern-, Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerken stammen. Damit aber geht ein wichtiger Vorteil von Elektroautos verloren: Nur noch beim direkten Betrieb ist das Elektrovehikel abgasfrei, keineswegs jedoch in der Gesamtbilanz.

 

 Wasserstoff als langfristige Alternative

 

Langfristig bleibt daher nur Wasserstoff als Energiequelle für das Kraftfahrzeug, darüber sind sich Entwicklungsingenieure aller Automobilkonzerne einig. Sonnenenergie lässt sich auf verschiedenen Wegen effizient in Wasserstoff umwandeln, der im Gegensatz zu elektrischem Strom gut gelagert werden kann und der sich als Energieträger für einen Automotor bestens eignet. Denn der Umgang mit flüssigem Wasserstoff sei trotz der nötigen Tieftemperaturen von minus 253 Grad Celsius ähnlich problemlos wie der Umgang mit Benzin, urteilt zum Beispiel der Technische Überwachungsverein, der erste Fahrzeuge mit solchen Tanks und auch die erste öffentliche Tankstelle mit Flüssigwasserstoff am Münchner Flughafen genehmigt hat. Als Abfallprodukt produziert ein mit Wasserstoff betriebener Motor nur Wasser und allenfalls geringe Mengen an Stickoxiden, die sich mit einem einfachen Katalysator problemlos abfangen lassen. Der Wasserstoffmotor löst demnach das Problem der verkehrsbedingten Luftverschmutzung weitgehend.

 

Für den ebenfalls als alternativen Antrieb der Zukunft gehandelten Erdgasmotor sehen die Verhältnisse jedoch ganz anders aus. Im Prinzip liefert er eine ähnliche Mischung von Abgasen wie ein herkömmlicher Benzinmotor. Allerdings sind seine Emissionen deutlich geringer. Kurz gesagt: Der Erdgasmotor ist sauberer, verbraucht weniger fossile Energie und produziert weniger von dem Treibhausgas Kohlendioxid. Richtig sauber, weil ohne Kohlendioxidausstoß, ist dagegen der Wasserstoffmotor, der keine fossile Energie benötigt — sofern sein Treibstoff direkt mittels Sonnenenergie gewonnen wird. Mittelfristig bietet sich daher der Gasmotor als Zwischenlösung an, während langfristig der Wasserstoffmotor die Energie- und Umweltproblematik lösen kann.

 

Nur an zwei Fragen scheiden sich derzeit die Geister: zum einen, wann ein flächendeckendes Netz von Wasserstofftankstellen in Betrieb sein wird — einig sind sich die Fachleute nur, dass es sich um Jahrzehnte handeln dürfte. Und um die zweite Frage streiten derzeit die weltweit eine Spitzenrolle spielenden deutschen Hersteller heftig miteinander. Die einen favorisieren die Umwandlung von Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zu Strom, der anschließend über einen Elektromotor das Fahrzeug antreibt. Solche Versuchsfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb fahren bereits, darunter auch Omnibusse. Andere Hersteller wiederum verwenden den Wasserstoff direkt in einem Verbrennungsmotor. Diese Autos werden von einem normalen Ottomotor angetrieben, der lediglich einiger kleiner technischer Variationen bedarf.

 

 Tradition kontra Wirkungsgrad

 

Während der Ottomotor als bewährte Technik gilt, die seit gut 100 Jahren Blechkarossen in Bewegung setzt, verspricht die ähnlich alte Brennstoffzelle einen besseren Wirkungsgrad. Außer in Prototypen sind Brennstoffzellen allerdings noch nie im Auto eingesetzt worden. Das Umweltbundesamt bezweifelt sogar, ob sich die Brennstoffzelle wirklich für den Antrieb von Personenwagen eignet. Denn dieser Antrieb hat einige gravierende Nachteile.

 

So bedeutet der heutige Wirkungsgrad von 40 Prozent auch, dass 60 Prozent der umgesetzten Energie als Wärme abgeführt werden müssen. Beim Benzin- und Wasserstoffmotor sehen die Verhältnisse zwar noch schlechter aus, aber sie führen die meiste Energie einfach als heiße Luft über den Auspuff ab. Brennstoffzellenantriebe dagegen benötigen im Vergleich zum Verbrennungsmotor einen wesentlich größeren Wasserkühler, der seinerseits Energie verbraucht. Die Brennstoffzelle muss mit ultrareinem Wasser gekühlt und befeuchtet werden. Weil deshalb kein Frostschutzmittel die Zelle bei Minustemperaturen vor dem Einfrieren schützen kann, muss diese im Winter entweder in regelmäßigen Abständen immer wieder Strom erzeugen oder durch eine Fremdheizung ständig warm gehalten werden. Beide Verfahren aber verbrauchen zusätzliche Energie.

 

Hauptargument gegen den breiten Einsatz der Brennstoffzelle als direkten Energielieferanten für den Autoantrieb ist jedoch das Edelmetall Platin. Für ein Kilowatt Leistung bauen die Ingenieure heute ein Gramm des teuren Materials ein, in Zukunft könnte diese Menge wohl auf ein halbes oder gar ein viertel Gramm sinken. Für einen 50-Kilowatt-Motor wären demnach Brennstoffzellen mit mindestens zwölf, vermutlich sogar 25 Gramm Platin nötig, während sich der Katalysator eines herkömmlichen Autos mit zwei Gramm dieses Edelmetalls begnügt. Schon heute aber fließt die Hälfte der weltweiten Platinproduktion in die Herstellung von Katalysatoren. Ob ausreichend Platin gefunden wird, um in Zukunft alle Fahrzeuge mit Brennstoffzellen anzutreiben, erscheint daher zumindest fraglich.

 

 Brennstoffzellen haben Zukunft

 

Diese Probleme stellen sich bei dem mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor mit Sicherheit nicht. Er läuft im Prinzip erheblich einfacher als der Benzinmotor, weil zum Beispiel eine komplizierte Anfettung des Gemischs genauso entfallen kann wie die aufwendige Steuerung während des Warmlaufens. Allerdings ist die Zuführung des Gemischs etwas teurer, weil die Komponenten gut isoliert werden müssen, um den Wasserstoff auf eisigen minus 253 Grad Celsius zu halten. Alles in allem scheint der Antrieb der Zukunft also eher der altbewährte Verbrennungsmotor zu sein.

 

Viele Entwicklungsingenieure bescheinigen der Brennstoffzelle aber dennoch eine gute Zukunft im Wasserstoffauto — und zwar nicht als Antriebs-, sondern als Nebenaggregat. Denn Lichtmaschine und Bleibatterie sind längst an ihrer Leistungsgrenze angelangt. Mehr als 1,2 Kilowatt liefert eine herkömmliche Lichtmaschine kaum, und das ist zu wenig für die moderne Elektronik und die vielen Zusatzfunktionen, die heute in einem Auto stecken. Fünf Kilowatt aber kann man problemlos aus einem Brennstoffzellenpack holen, der nicht größer ist als die konventionelle Bleibatterie. Damit lässt sich zusätzlich sogar noch eine Standheizung bequem betreiben.

 

Dipl.-Chem. Dr. Roland Knauer

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Verkehr: Elektronische Steuerung, integrierte Verkehrssysteme

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Verkehr: Grenzen der Mobilität

 

Literatur:

 

Alptraum Auto. Eine hundertjährige Erfindung und ihre Folgen. Begleitbuch zur gleichnamigen Photoausstellung, Beiträge von Peter M. Bode u. a. München ⁵1991.

 Petersen, Rudolf/Diaz-Bone, Harald: Das Drei-Liter-Auto. Berlin u. a. 1998.

 

Stadt — Mobilität — Logistik. Perspektiven, Konzepte und Modelle, herausgegeben von Johann Jessen u. a. Basel u. a. 1997.

 

Verkehr, Mobilität, bearbeitet von Agnes Bretting u. a. Hamburg 1991.

 Vester, Frederic: Crashtest Mobilität. Die Zukunft des Verkehrs — Fakten, Strategien, Lösungen. Taschenbuchausgabe München 1996.