Leistung, Energie und Verbrauch

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Leistung, Energie und Verbrauch

Wie effizient oder verschwenderisch gehen unterschiedliche Fahrzeugarten mit der Energie um? Was ist die effizientese Art ohne eigene Kraftanstrengung von A nach B zu kommen? Mit PS können die meisten etwas anfangen. Aber was bedeuten Kilowattstunden und Kilowatt bei einem Elektroauto?

Ausschnitt eines Tachos des VW eGolfs (Bild: flickr.com/Robert Basic CC BY-SA).
Ausschnitt eines Tachos des VW eGolfs (Bild: flickr.com/Robert Basic CC BY-SA).

Das Kapitel „Elektromobilität Grundlagen” gibt einen Überblick über die beim Elektroauto relevanten Einheiten. Die Leistung des Motors wird in Kilowatt (kW) angegeben. Die Speicherkapazität der Batterie und der Verbrauch hat in der Regel die Einheit Kilowattstunde (kWh). Beim Laden unterscheidet man zwischen Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC). Die Leistung einer Ladestation wird ebenfalls in Kilowatt angegeben.

Ein Elektromotor hat keinen Hubraum. Es gibt keine Zylinder, weder Öldruck noch ein Einspritzverhältnis. Unter dem Strich ist ein Elektroauto deutlich einfacher zu verstehen, auch wenn die Kennzahlen und Einheiten jetzt noch ungewohnt sind.

Leistung

„Mein neuer 3er BMW hat sechs Zylinder und 200 PS!” Die meisten haben bei dieser Aussage sicher ein Bild davon im Kopf, was das Auto für eine Leistung bringt. Wobei wohl die wenigsten etwas mit der Aussage „Mein neuer Nissan Leaf hat 110 kW und eine 40 kWh Batterie!” etwas anfangen kann.

Der BMW klingt irgendwie potenter, und doch wird er wahrscheinlich beim Ampelstart gegen den Nissan den kürzeren ziehen. Denn beim Elektroantrieb bekommen die Zahlen eine neue Bedeutung.

Ein bisschen dünn untenrum

Bei einem Verbrennungsmotor wird die Leistung in PS oder auch in kW angegeben. Im Prospekt steht dann immer etwas wie „bei 3.000 U/min” daneben. Denn der Verbrennungsmotor – egal ob Benzin, Diesel oder Gas – hat ein Problem. Er braucht eine bestimmte Drehzahl, um seine Kraft entfalten zu können. Dreht er zu langsam, entwickelt er kaum Kraft. Daher braucht er ein Schalt- oder Automatikgetriebe. Passt man beim Anfahren nicht auf, würgt man den Motor ab. Die Kraft, die der Motor entwickelt reicht nicht, um das Fahrzeug zu bewegen. Statt loszurollen, bleibt der Motor stehen und geht aus.

Während der Diesel schon bei relativ geringen Drehzahlen seine Kraft entwickelt, brauchen Benziner in der Regel eine höhere Drehzahl. Dem Elektromotor ist das fast völlig egal. Denn er kann seine ganze Kraft über nahezu den ganzen Drehzahlbereich und sogar aus dem Stillstand heraus entwickeln. Deswegen haben Elektroautos weder eine Kupplung noch ein Schalt- oder Automatikgetriebe.

Und deswegen lässt der vermeindlich schwächere Nissan den BMW an der Ampel stehen. Denn während der Motor des BMW erst auf Drehzahl kommen und über eine Kupplung oder ein Automatikgetriebe die Kraft auf die Straße bringen muss, treibt der Elektromotor direkt die Achse mit seiner ganzen Kraft an.

Warum gibt es keine Zweitaktschrauber?

Die Kraft die ein Motor auf die Achse ausüben kann, nennt man Drehmoment. Das Drehmoment wird in Newtonmeter (Nm) angegeben. Und das ist hier der entscheidende Wert. Denn ein Verbrennungsmotor erreicht sein volles Drehmoment in einem relativ kleinen Drehzahlfenster. Es steckt viel Forschung und Aufwand dahinter, dieses Fenster beim Verbrennungsmotor möglichst groß zu bekommen. Der Elektromotor hat das volle Drehmoment ab null Umdrehungen pro Minute über fast seinen ganzen Drehzahlbereich – einfach so, weil er es kann. Deswegen kann man mit einem guten Akkuschrauber auch schwergängige Schrauben ganz langsam ein- und ausdrehen.

Hätte der Schrauber einen Verbrennungsmotor, müsste er erst auf Drehzahl gebracht werden, um dann mit einer Kupplung und einem Schaltgetriebe wieder auf die benötigte Drehzahl zu kommen. Deswegen gibt es Akkuschrauber und keine Zweitaktschrauber.

Energie

Damit sich was dreht, braucht es Energie. Diese Energie kann von einem Pferd kommen, das einen Wagen zieht. Wir können die Energie über Pedale und eine Kette auf das Rad eines Fahrrads übertragen. Pferd wie Mensch gewinnen die Energie dabei aus ihrer Nahrung. Ganz grob verinfacht kann man sagen, dass der Körper in den Muskeln Zucker und Sauerstoff zu Kohlendioxid und Energie verbrennt. Der Wirkungsgrad liegt beim Menschen bei ungefähr 25 Prozent. Das bedeutet, dass 25 Prozent der eingesetzten Energie – etwa in Form von Zucker – tatsächlich in Bewegung umgesetzt wird. Der Rest geht als Wärme verloren. Strengen wir uns an, springt unser Kühler an und wir fangen an zu schwitzen.

Bekommt der Körper keine Energie mehr durch Nahrung zugeführt und sind alle Reserven verbrannt, kommt die Maschine Mensch zum erliegen. Bis letztlich der Atemmuskulatur und dem Herzmuskel der „Treibstoff” ausgeht.

Der Mensch hat gelernt, andere Energie als die Muskelkraft zu nutzen. Seit Jahrtausenden treiben Wind und Wasser als natürliche Energiequellen etwa Mühlen oder Pumpen an.

Feuer zu Bewegung

Mit der Erfindung der Dampfmaschine Anfang des 18. Jahrhunderts ist es dem Menschen gelungen, die Energie eines Feuers in Bewegung umzuwandeln. Diese Erfindung hat alles verändert und war der Auftakt der industriellen Revolution. Bei der Dampfmaschine erhitzt ein Holz- oder Kohlefeuer einen Wasserkessel. Der Wasserdampf des kochenden Wassers dehnt sich aus, dadurch kann der Dampf einen Kolben in Bewegung setzten. Durch Ventile im Kolben ensteht eine Hin- und Herbewegung. Über ein Planetengetriebe wird aus dieser Bewegung dann eine Drehbewegung.

Der Wirkungsgrad einer Dampfmaschine ist eine Katastrophe. Die Watt’sche Dampfmaschine erreichte gerade mal drei Prozent. 97 Prozent der eingesetzten Energie in Form von Holz oder Kohle geht also als Wärme „verloren”.

Energie bleibt Energie

Warum steht „verloren” in Anführungszeichen? Denn genau betrachtet geht Energie nicht verloren. Energie wird nur umgewandelt. Die chemische Energie, die in Zucker gespeichert ist, verwandelt der Mensch in Bewegungsenergie und Wärmenergie. Die in Holz und Kohle gespeicherte chemische Energie, macht die Dampfmaschine zu ein bisschen Bewegung und sehr viel Wärme. Da es bei der Dampfmaschine aber um Bewegung geht, ist die Wärmeenergie größtenteils nutzlos und so sagt man eben umgangssprachlich, dass die Energie „verloren” geht.

Otto und Diesel

Ende des 19. Jahrhunderst kam unter anderem Nicolaus August Otto auf die Idee, die Kraft des Feuers direkt zu nutzen, um Bewegung zu erzeugen. Also ohne Umweg über den Wasserdampf. Statt einer langsamen Verbrennung braucht es eine Explosion. Der Brennstoff muss sich nur schlagartig genug in einer Kammer ausdehnen, um einen Kolben in Bewegung zu versetzen. Holz und Kohle kamen dafür nicht in Frage. Wenn man jedoch Leuchtgas mit Luft mischt und mit einem Funken zündet verbrennt es schlagartig in einer Explosion. Auch Alkohol, Petrolium oder Benzin verbrennen auf diese Weise.

Rudolf Diesel fand heraus, dass bestimmte Kraftstoffe keinen Zündfunken brauchen, um zu explodieren. Es reichte eine Glühkerze und eine ausreichende Verdichtung des Treibstoff-Luftgemischs.

Rollende Heizungen

Diese Verbrennungsmotoren waren nicht nur Leistungsfähiger als eine Dampfmaschine, sie ließen sich auch deutlich kleiner bauen, waren zuverlässiger und viel flexibler und einfacher zu bedienen. Zwar gab es schon Fahrzeuge mit Dampfantrieb auf den Straßen. Doch einsteigen und losfahren ging da nicht. Denn erst musste ja Dampf im Kessel erzeugt werden. Also musste man schon Stunden vor dem Losfahren ein Feuer unter dem Kessel machen. Dann hatte Gottlieb Daimler 1886 die geniale Idee, einen Explosionsmotor in ein Straßengefährt einzubauen – die Geburt des Autos.

Der Explosionsmotor hatte zudem einen viel besseren Wirkungsgrad als die Dampfmaschine. Aber immer noch gingen über 90 Prozent der Energie als Wärme verloren. Außerdem hatte der Explosionmotor zunächst ein Kraftproblem. Denn die frühen Motoren konnten bei weitem nicht so viel Kraft – also Leistung – erzeugen, wie eine Dampfmaschine. Daher fuhren Ozeanriesen und Lokomotiven vorerst weiter mit der Kraft des Dampfes.

Inzwischen stecken über 130 Jahre Forschung und Entwicklung im Verbrennungsmotor. Dadurch ist die Verbrennung sauberer und effektiver geworden. Aus einem Liter Benzin, Diesel oder Gas bekommt man heute viel mehr Bewegung als damals. Trotzdem produzieren Verbrennungsmotoren immer noch vor allem Wärme. Auf dem Prüfstand schaffen manche Motoren zwar einen Wirkungsgrad von 40 Prozent – im Alltag sind es aber im Schnitt eher nur 20 Prozent. Autos mit Verbrennungsmotoren sind also vor allem rollende Heizungen.

Bewegung aus Strom

Anfang des 19. Jahrhunderts entdeckte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms. Wird ein Leiter von einem Strom durchflossen, bildet sich ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld zieht andere Magnetfelder oder magnetische Materialen wie Eisen an oder stößt sie ab. Es brauchte noch ein bisschen Experimentiererei und Forschung aber schon wenige Jahre später im Jahr 1832 trieb der erste Elektromotor ein Fahrzeug an. Dann ging es Schlag auf Schlag. Erfinder und Tüftler verbesserten den Elektromotor ständing und nutzten neue Funktionsprinzipen. 1888, also nur zwei Jahre nach dem Benz Patent Motorwagen Nummer 1, baute die Coburger Maschinenfabrik A. Flocken den ersten bekannten deutschen Elektrowagen.

Doch der Elektroantrieb konnte sich auf der Straße nicht gegen den Verbrennungsmotor durchsetzen. Zwar hat das Elektroauto in den vergangenen 130 Jahren immer wieder den Durchbruch versucht, doch letztlich waren die Batterien nicht leistungsfähig genug und Benzin und Diesel viel einfacher verfügbar.

Aber was ist der Vorteil des Elektromotors gegenüber dem Verbrennungsmotors? Die Antwort ist, dass er in vielerlei Hinsicht dem Verbrennungsmotor überlegen ist. Wie wir oben schon erfahren haben, kann der Elektromotor viel besser und einfacher seine Leistung entfalten. Er ist vergleichsweise Kompakt und einfach zu bauen. Statt hunderter beweglicher Teile gibt es eigentlich nur ein bewegliches Teil im Motor. Aber seinen größten Vorteil spielt er in seiner Effizienz aus. Denn anders als die Dampfmaschine oder der Verbrennungsmotor hat der Elektromotor einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Die eingesetzte Energie verwandelt der Motor also fast vollständig in Bewegung, und es fällt nur wenig Abwärme an.

Und auch das Problem der Energiespeicher wird immer besser gelöst. Inzwischen gibt es Elektroautos wie das Tesla Model S 100D, dass im Alltag 450 Kilometer weit kommt und dank eines eigenen Schnellladenetz‘ in 30 Minuten wieder genug Strom für 270 Kilometer laden kann. Auch kleinere Auto wie der Renault ZOE schaffen 300 Kilometer im Alltag. Dabei brauchen die Autos nur einen Bruchteil der Energie, die ein Auto mit Verbrennungsmotor benötigt.

Wie sieht das in Zahlen aus?

Benzin hat einen Heizwert von ungefähr 8,5 kWh pro Liter. Bei Diesel liegt der Heizwert etwa bei 9,8 kWh pro Liter. Ein Golf braucht auf 100 Kilometer 7,3 Liter Benzin oder 5,6 Liter Diesel. Ein eGolf mit vergleichbarer Leistung benötigt für 100 Kilometer 16,6 Kilowattstunden (Quelle: Spritmonitor).

  • Energieaufwand Golf Diesel für 100 km: 5,6 * 9,8 kWh = 54,88 kWh
  • Energieaufwand Golf Benziner für 100 km: 7,3 * 8,5 = 62,05 kWh
  • Energieaufwand Golf Elektro für 100 km: 16,6 kWh

Der Elektroantrieb ist also viel Energieeffizienter als der Verbrenner.

Und was ist mit Wasserstoff?

Oft hört man, dass die Brennstoffzelle, die aus Wasserstoff und Sauerstoff Wasser und Strom macht eine Alternative zum Batterieelektrischen Auto sein kann. Aber ist es wirklich sinnvoll, in einem Auto eine Brennstoffzelle zu verbauen, wenn die Batterietechnik inzwischen immer mehr alltagstaugliche Reichweiten ermöglicht? Dafür wollen wir einen Blick auf die Energiebilanz der Brennstoffzelle werfen.

Eine Brennstoffzelle im Auto hat einen Wirkungsgrad von 60 Prozent. Aus der im Wasserstoff gespeicherten Energie wird also nur 60 Prozent tatsächlich in Strom verwandelt. Der Rest ist auch hier Wärme.

Der Toyota Mirai braucht in der Praxis etwa ein Kilogramm Wasserstoff für 100 Kilometer. Der Wasserstoff hat einen Heizwert von 33,33 kWh.

Alle Zahlen betrachten nur den Verbrauch ab dem Tank bzw. der Batterie. Um Benzin oder Diesel herzustellen braucht es zusätzlich Energie. Genaue Zahlen wie viel Energie fossile Kraftstoffe vom Bohrloch bis zum Tank brauchen sind kaum zu finden. Der ADAC gibt für einen Liter Benzin ein CO2-Äquivalent von 425 Gramm pro Liter für Benzin und 525 Gramm pro Liter für Diesel an.

Bio- und E-Kraftstoffe

Benzin und Diesel lassen sich auch als sogenannte Bio- oder E-Kraftstoffe gewinnen. Bei Bio-Kraftstoffen wird das Benzin oder Diesel heute in der Regel aus Pflanzen mit einem hohen Stärkegehalt wie etwa Mais gewonnen. Dabei steht die Kraftstoffgewinnung natürlich zum einem in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion. Zum anderen setzt die intensive Landwirtschaft CO2 und Stickoxide frei und verbraucht wertvolle Böden.

Versuche die Kraftstoffe mit Hilfe von Bakterien zu gewinnen sind heute noch im Experimentalstadium.

Bei Elektrokraftstoffen oder auch eFuels entsteht der Kraftstoff aus Strom, Wasser und Kohlendioxod aus der Luft. Mittels der Elektrolyse spaltet man Wasser in seine elementaren Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff wird dann mit Kohlendioxid aus der Luft zu Benzin reagiert. Das Verfahren wird auch Power to Liquid (P2G, PtL) genannt.

Dieser Prozess ist sehr energieaufwendig. Derzeit ist die Gewinnung von flüssigen Kraftstoffen für Autos weder wirtschaftlich noch energetisch sinnvoll dartsellbar. In Deutschland könnten wir gar nicht genug Strom produzieren, um den Bedarf an Flüssigkraftstoffen zu decken. So wären wir hier auch wieder von Importen abhängig.

Wo kommt der Strom her?

Wenn wir unsere Mobilität von fossilen Brennstoffen auf Strom umstellen, sollten wir natürlich nicht einfach den Auspuff vom Auto zum Kraftwerk verlagern. Daher ist es wichtig, woher der Strom kommt.

In Deutschland stammt der Strom wie in vielen Ländern aus unterschiedlichen Quellen. In Deutschland sind die wichtigsten Quellen fossile Brennstoffe wie Stein- und Braunkohle oder Erdgas, Atomkraft und erneuerbare Energien.

In Baden-Württemberg setzt sich der Strommix vor allem aus Steinkohle, Atomkraft und erneuerbaren Energien zusammen. Dabei ist sowohl in Baden-Württemberg als auch in Deutschland zu beobachten, dass der Anteil der erneuerbaren Energien am Strommix steigt.

Immer mehr Strom ist grün

Stammten in Deutschland 2007 nur 14 Prozent des Stroms aus erneuerbaren Quellen wie Sonnen-, Wind- und Wasserkraft waren es 2015 schon 30 Prozent. Dabei ist vor allem der Anteil der Steinkohle und der Atomkraft am Strommix gesunken.

In Baden-Württemberg ist historisch bedingt der Anteil an den erneuerbaren Energien etwas niedriger. Lag der Südwesten 2007 noch mit 14 Prozent mit dem Bund auf gleichem Niveau, ist der Anteil 2015 nur auf knapp 24 Prozent gestiegen. Das liegt auch daran, dass Baden-Württemberg erst sehr spät in den Ausbau der Windkraft eingestiegen ist.

Die eigene Energiewende machen

Durch die Liberalisierung des Strommarktes kann jeder seinen eigenen Anteil zur Energiewende leisten. Jeder kann sich seinen Stromanbieter frei wählen. Dabei gibt es ein nahezu unüberschaubares Angebot an verschiedenen Tarifen. Darunter sind auch viele Ökostrom-Tarife. Hier ist aber nicht Ökostrom gleich Ökostrom.

Echten Ökostrom gibt es nur bei Anbietern die zum einen selbst erneuerbaren Strom erzeugen und zum anderen aktiv die erneuerbaren Energien ausbauen. Die berühmtesten Vertreter sind die Energiewerke Schönau (EWS), Lichtblick, Naturstrom, Greenpeace Energy und Bürgerwerke. Egal ob man ein Elektroauto hat oder nicht – wer die Energiewende vorantreiben möchte sollte zu einem dieser Anbieter wechseln.

Noch direkter geht natürlich die Energiewende vom eigenen Dach mit einer eigenen Solaranlage. Wer kein eigenes Dach hat kann sich über Bürgergenossenschaftan an Windkraftanlagen oder Solarparks beteiligen. So investiert man nachhaltig in die Energiewende und profitiert über eine Gewinnbeteiligung.

Video: Wie funktioniert eine Dampfmaschine?

Video: auto motor sport, Unterschied zwischen Benzin und Diesel

Video: Wie funktioniert ein Benzinmotor?

Video: Wie funktioniert ein Dieselmotor?

Video: Wie funktioniert ein Elektroauto?

Video: Wie funktioiert ein Brennstoffzellenauto?

Video: ARD, Biosprit – Pro und Contra

Video: Forschungszentrum Jülich, Power to X

 Energieeffizienz

  • Dampfmaschine: 3 Prozent
  • Dieselmotor: 25 bis 35 Prozent
  • Benzinmotor: 20 bis 30 Prozent
  • Brennstoffzelle: 60 Prozent
  • Elektromotor: 90 Prozent

(Vom Tank zum Rad, tank-to-wheel)

Energieeffizienz_Elektroauto_1000x1000_2
Von der Quelle bis zum Rad hat die Brennstoffzelle eine Energieeffizienz von 22 Prozent.
Bei sogeannten E-Fuels beträgt die Energieeffizienz von der Quelle bis zum Rad 13 Prozent.
Der Strommix in Deutschland 2016

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