Alternative Antriebe sind noch zu teuer

• Emissionsarme Fahrzeuge nur durch Elektrifizierung des Antriebs
• Herausforderungen: Batterietechnologie, Kosten und Integration
• Infrastruktur kritischer Faktor für Batterie und Brennstoffzelle
• Konventionelle Antriebstechnologie weiter verbessern
Ein vollständig oder teilweise elektrischer Antrieb ist der Schlüssel zum emissionsarmen Fahrzeug. Die Elektrifizierung kann über Batterien oder Brennstoffzellen erfolgen, wobei in beiden Fällen die Kosten und die Infrastruktur die größten Herausforderungen sind, um die Technologie für die Masse nutzbar zu machen. Die Entwicklung schreitet erkennbar voran, doch der Verbrennungsmotor wird als wesentliches Antriebskonzept noch lange erhalten bleiben. Daher müssen Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß hier weiter optimiert werden. Zu diesem Ergebnis kamen die Referenten des 1. Internationalen CTI Forums „Alternative und Hybrid-Antriebe“ am 4. und 5. Dezember in Berlin. Dort forderte Dr. Andreas Truckenbrodt, CEO der kanadischen Automotive Fuel Cell Corporation (AFCC), die Zusammenarbeit zwischen Automobilindustrie, Infrastrukturbetreibern, Gesetzgeber und Kunden ein: „Das Thema alternative Antriebe kann nicht einer alleine lösen.“ Rund 220 internationale Experten kamen auf der Veranstaltung zusammen, um über Hybrid- und Elektroantriebe, Plug-in-Hybride, Brennstoffzellen und Batterietechnologie zu diskutieren. Das Forum fand zum Abschluss der „Getriebewoche“ das Veranstalters Car Training Institute (CTI) statt, die im Rahmen des 7. Internationalen CTI Symposiums „Innovative Fahrzeug-Getriebe“ fast 1000 Getriebefachleute aus Europa, Asien und den USA versammelt hatte.
Verbraucher wissen wenig über alternative Antriebe
Scott Miller, CEO des amerikanischen Marktforschungsunternehmens Synovate Motoresearch, machte anhand von Umfragergebnissen deutlich, dass die Verbraucher noch sehr wenig über alternative Antriebstechnologien wüssten. Die Märkte Deutschland, USA und China näherten sich einander an und verfügten zunehmend über dieselben Informationen. Die Verbraucher in diesen Ländern befürworteten Hybridtechnologie wegen der Umweltfreundlichkeit, doch die Unterschiede zwischen den verschiedenen Antriebsarten seien nur wenigen bekannt. Die Mehrheit der deutschen Verbraucher halte „sauberen Diesel“ für eine vielversprechende Technologie, was auch für viele Verbraucher in den USA und in China gelte. Hemmnisse für Hybrid seien aus Kundensicht aktuell die Kosten, Zweifel an Leistung und Zuverlässigkeit sowie Unwissenheit und mangelnde Vertrautheit. Miller sprach sich dafür aus, bei Fördermaßnahmen für alternative Antriebe die Gründe des Kunden beim Autokauf zu berücksichtigen: „Der Verbraucher entscheidet, ob eine Technologie angenommen wird oder nicht, und Autos sind kostenintensive, langfristige Anschaffungen.“
Batterietechnologie als Schlüsselkomponente
Dr. Donald Hillebrand von U.S. Department of Energy vertrat die Ansicht, dass für Verbraucher in der Stadt ein Hybrid- oder Kleinstwagen, auf dem Land ein Plug-in-Hybridfahrzeug am effizientesten wäre. Die Batterie eines Plug-in-Hybriden kann zusätzlich über das Stromnetz extern geladen werden. Die Plug-in-Technologie ergänze Verbesserungen in anderen Bereichen wie Leistungselektronik, Kraftstoffverbrennung und Gewicht, so Hillebrand. Er bestätigte, dass der Kostendruck ein „kritischer Faktor“ sei, und identifizierte die Batterietechnologie als „Schlüssel“. Das Budget des US-Batterieprogramms für das Jahr 2008 habe 42 Millionen Dollar betragen. Nach Einschätzung Hillebrands wird die neue US-Regierung die Batterieforschung stark ausweiten und auch die CO2-Restriktionen weiter verschärfen. Eine „Katastrophe“ für alternative Antriebe nannte der Direktor des Verkehrsforschungszentrums am Argonne National Laboratory die aktuelle Preissituation auf dem Energiemarkt: „Fossile Kraftstoffe sind gegenwärtig wieder günstig, während die Kosten für Lithium-Batterien sehr hoch sind.“
Marktreife und Kosten von Lithium-Ionen-Batterien
„Mit Plug-in-Hybriden lassen sich die CO2-Emissionen in bestimmten Anwendungen senken und kürzere Strecken emissionsfrei fahren“, resümierte Dr. Christian H. Mohrdieck, Direktor der Brennstoffzellen- und Batterieentwicklung bei Daimler. Die Plug-in-Technologie bringe Vorteile bei Verbrauch, Betriebskosten, Dynamik, Geräusch und der Nutzung erneuerbarer Energien. Kritische Komponente mit Blick auf Technik und Kosten sei die Batterie. In der Batterieentwicklung federführend seien Korea und Japan, während Deutschland ein gutes Integrations-Know-how habe, sagte Jörg Grotendorst, Executive Vice President im Geschäftsbereich Hybridfahrzeuge bei Continental. Grotendorst stellte ein „Baukastenkonzept“ für Lithum-Ionen-Batterien vor. Deren Marktreife sei abhängig von der Sicherheit, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Leistung, so der Experte für innovative Antriebe. Grotendorst plädierte für die Optimierung sämtlicher Komponenten wie Batterie, Infrastruktur, Lademöglichkeiten und Antrieb: „Das Fahrzeug muss möglichst preiswert und kompakt sein.“ Daher sei es erstrebenswert, das Ladegerät langfristig aus dem Auto herausnehmen. Die Batteriekosten sollten in den nächsten acht bis zehn Jahren um 70 bis 80 Prozent gesenkt werden. Daimler-Experte Mohrdieck führte aus, eine Kostendegression hänge von der Stückzahl und dem Technologiegrad ab. „Ziel ist ein Preis von 300 bis 350 Euro pro Kilowattstunde. Das wird jedoch erst jenseits 2015 erreichbar sein.“ Die hohen Anschaffungskosten müssten durch geringere Betriebskosten ausgeglichen werden: „Nach vier Jahren sollten die Kosten amortisiert sein, aber bis dahin liegt noch viel Arbeit vor uns.“
Batterie-Probleme: Lebensdauer, Kosten, Sicherheit und Transport
Mohrdieck erläuterte, Plug-in-Anwendungen erforderten besondere Batterien, deren Leistung und Energie für Hybridbetrieb und Elektroantrieb geeignet seien. Das sei eine große technische Herausforderung, denn „Plug-in versucht, zwei nicht vereinbare Dinge miteinander zu kombinieren“. Zu bedenken seien die Betriebsstrategie und das Packaging: „Der Platzbedarf und das Gewicht der größeren Batterie und des elektrischen Antriebs müssen berücksichtigt werden.“ Zudem gebe es derzeit keine genormte Steckerverbindung für solche Batterien, gab Mohrdieck zu bedenken: „Jede Region entwickelt ihre eigene Lösung.“ Er wies auch auf eine spezielle, strenge UN-Vorschrift für den Transport von Lithium-Ionen-Batterien hin, nach der diese besonders harte Schock- und Vibrationstests bestehen müssten. Problematisch sei die Lebensdauer von Batterien, wobei zwischen der kalendarischen und der Zyklus-Lebensdauer zu differenzieren sei: „Die kalendarische Lebensdauer hängt von der Temperatur ab. Je höher diese ist, desto schneller entlädt sich die Batterie.“ Daher müssten Batterien gekühlt werden, was „heute sehr kompliziert“ sei. Die Zyklus-Lebensdauer sei abhängig von der Häufigkeit und Tiefe der Entladung, so Mohrdieck. Eine höhere Integration bei Kühlung und Elektronik sei erforderlich.
Intelligente Betriebsstrategie
Continental-Experte Grotendorst erklärte, bei einer Verbesserung von Effizienz, Emissionen, Leistung könne ein Vollhybrid bis zu 25 Prozent Kraftstoff sparen. Markus Fugel vom Institut für Fahrzeugtechnik an der TU Braunschweig bestätigte das „signifikante Potenzial zur Senkung der CO2-Emissionen“ durch Hybridantrieb, doch müssten die Werte auf den Fahrzyklus und den Kundenbetrieb abgestimmt werden. Der Kraftstoffverbrauch sei abhängig vom Fahrstil, von der Topografie des Einsatzortes und der Beladung des Fahrzeugs. Er könne gesenkt werden, wenn der Fahrer besser über die Fahrzeug- und Umgebungsdaten informiert sei. Fugel: „Ein ‚Advanced Driver Assistance System’ liefert mit Hilfe entsprechender Sensorik dem Fahrer mehr Informationen, was zu einer intelligenten Betriebsstrategie führt, die bei Stillstand, Beschleunigung, konstanter Geschwindigkeit und Verzögerung angewandt werden kann.“ Die potenzielle Verbrauchseinsparung betrage in der Simulation gemäß NEDC-Fahrzyklus rund 24 Prozent. Im Kundenbetrieb lasse sich der Kraftstoffverbrauch in der Stadt um zehn bis 15 Prozent, außerhalb der Stadt um 7,5 bis zehn Prozent und auf der Autobahn um 4,5 bis sieben Prozent reduzieren. „Die intelligente Betriebsstrategie muss auf den Kunden abgestimmt, das Fahrzeug also an das Fahrverhalten des Kunden adaptiert werden“, fasste Fugel zusammen.
Hybridantrieb mit leistungsverzweigtem Zweibereichsgetriebe
Rainer Rump, Direktor bei der BMW Hybrid Technology Corporation in den USA, stellte die Two-Mode-Technologie der Global Hybrid Corporation als neuen Standard für Vollhybride vor. Die Global Hybrid Corporation ist eine Kooperation zwischen BMW, Daimler, Chrysler und General Motors. Die Partner griffen auf gleiche Zulieferer, Qualitätsmethoden, Architektur, Leistungselektronik und Software zurück. „Two-Mode ist ein leistungsverzweigtes Zweibereichsgetriebe. Der erste Mode mit hoher Traktionskraft ist für niedrige Übersetzung geeignet, der zweite Mode mit hoher Kraftstoffeffizienz für höhere Übersetzung“, legte Rump dar. Das Getriebe habe zwei Elektromotoren mit jeweils fast 60 Watt sowie zwei Kupplungen. Die beiden Elektromotoren könnten je nach Definition und Situation zum Anfahren, zum An- und Ausschalten des Verbrennungsmotors oder für ein zusätzliches Drehmoment bei Überholvorgängen genutzt werden. „Im BMW Concept X6 Active Hybrid erwarten wir dank Two-Mode einen Verbrauchsvorteil von 20 Prozent“, erklärte Rump. Kosten, Bauraum, Gewicht und Batterie machten die Integration in bestehende Fahrzeugplattformen zur Herausforderung. Voraussetzung für den neuen Hybridantrieb seien „sehr gute Batteriesysteme“. Rumps Zukunftserwartung: „Es wird nicht ‚ein’ oder ‚das’ Hybridsystem geben, sondern verschiedene Hybridtechnologien und maßgeschneiderte Lösungen.“ Günther Alberter, Director Powertrain Engineering bei Continental Engineering Services, machte darauf aufmerksam, dass bei der On-Board-Diagnose in Hybridfahrzeugen zusätzliche Komponenten wie Batterie, Elektromotor und Umwandler überwacht werden müssten. Entscheidend sei dabei, die konventionellen Überwachungsmittel funktionsfähig zu halten.
Elektroauto mit getrennter Batterie und Infrastruktur
Rolf Schumann von Better Place stellte die Vision einer „nachhaltigen Null-Emissionen-Mobilitätsinfrastruktur“ vor. „Das Auto steht 20 bis 22 Stunden am Tag und ist daher eher ein ‚Parkzeug’ als ein ‚Fahrzeug’“, konstatierte er. Better Place stehe für einen technologischen Paradigmenwechsel und ein neues Geschäftsmodell: „Es geht um das Elektrofahrzeug. Die Komponenten sind: das Auto, die Batterie, vom Auto getrennt, Ladestationen, Batterie-Austauschstationen, und Energie aus erneuerbaren Quellen.“ Das Geschäftsmodell von Better Place als Betreiber der Infrastruktur sei dem eines Mobiltelefon-Anbieters ähnlich: Der Kunde kaufe Fahrkilometer mittels elektrischer Energie für eine bestimmte Zeit. Der Vertrag umfasse nach dem Autokauf die Miete der Batterie und das Nutzungsrecht der Infrastruktur, damit die Batterie im Vertragsrahmen mit Energie versorgt sei. Pilotbetriebe gebe es bereits in Israel, Dänemark, Australien, Kalifornien und auf Hawaii, berichtete Schumann und verwies auf das Beispielfahrzeug Nissan Qashqai Zero Emissions. Voraussetzung für das Konzept sei, dass das Fahrzeug nicht mehr als herkömmliches Auto koste. Die Ölindustrie als scheinbarer Verlierer in dieser Vision sei der größte Investor bei Better Place. Schumann: „Das ist Zukunftssicherung, denn Öl ist endlich.“
Brennstoffzellen: Kosten um Faktor 20 reduzieren
„Batterie und Brennstoffzelle gehören zusammen“, betonte AFCC-Chef Dr. Andreas Truckenbrodt. Engpässe lägen in der Reichweite und in der Ladezeit: „Eine Batterie reicht heute 100 Kilometer, eine Brennstoffzelle 400. Um die für eine Reichweite von 100 Kilometern erforderlichen 20 Kilowattstunden bequem in einer Minute zu laden, wären 1,2 Gigawatt nötig – das ist nicht machbar.“ Die Batterie als Energiequelle sei „ideal für ein nachhaltiges Stadtfahrzeug“, die Brennstoffzelle eigne sich gut für „universellere Fahrzeuge“. Brennstoffzellen ließen sich in Pkw, Bussen und Transportern anwenden. Die erste Pkw-Generation sei seit 2004 mit über 100 Fahrzeugen auf der Straße, die zweite Generation folge voraussichtlich 2010. Für die Brennstoffzelle eröffne sich ein Spannungsfeld zwischen Kosten, Leistung und Lebensdauer: „Die Zelle ist ausgereift hinsichtlich Sicherheit, Leistung, Komfort und Kaltstarteigenschaften. Fortschritte gibt es bei Reichweite, Lebensdauer, Bauraum und Gewicht. Die Kosten sind weiterhin kritisch“, analysierte Truckenbrodt. Diese müssten „um den Faktor 20 reduziert werden“. Das sei erreichbar über hohe Stückzahlen, einen ganzheitlichen Ansatz mit weiter verbesserter und vereinfachter Technologie sowie eine entsprechende Zulieferkette. Wichtig sei besonders der Ausbau der Wasserstoff-Infrastruktur. „Die bisherige Antriebstechnologie wird weiterhin hohen Stellenwert haben“, zeigte sich Truckenbrodt überzeugt.
Wasserstoffantrieb – Beispielfahrzeuge von Honda und BMW
Über das Brennstoffzellenfahrzeug FCX Clarity berichtete Thomas Brachmann von Honda R&D Europe. Es habe ein auffälliges Design und sei technologisch geprägt durch die „V-Flow-Brennstoffzellenplattform“: „Der Brennstoffzellenstapel ist vertikal eingebaut, und Wasserstoff, Luft und Kühlmittel haben im Stapel eigene Wege.“ Mit einer Leistung von 100 Kilowatt und einer Reichweite von über 430 Kilometern sei der neue Brennstoffzellenstapel erheblich besser als der Vorgänger aus dem Jahr 2005. Das neue Fahrzeug sei in Kalifornien in Serienproduktion und koste 600 Dollar pro Monat für drei Jahre. Die Perspektive für Brennstoffzellen sah Brachmann in Europa als geringer an als in den USA und Japan. Franz Amaseder von BMW stellte den BMW Hydrogen 7 vor, der „zwei Millionen Kilometer ohne größere Auffälligkeiten“ im Kundenbetrieb hinter sich gebracht habe. Der Betrieb sei mit Wasserstoff und herkömmlichem Kraftstoff möglich, wobei innerhalb der Testzeit zu 42 Prozent mit Wasserstoff gefahren worden sei. „Die Reichweite beträgt mit Wasserstoff über 200 Kilometer, mit Benzin über 500 Kilometer. Der Verbrauch liegt bei 3,6 Kilogramm Wasserstoff pro Kilometer beziehungsweise 13,9 Liter Benzin pro Kilometer“, rechnete Amaseder vor. Ein problemloser Wechsel zwischen den Betriebsarten sei erwiesen. Das Fahrzeug habe im Wasserstoffbetrieb so gar ein Luftreinigungspotenzial: „Die Emissionen des Wagens sind reiner als die Umgebungsluft.“ Der Speicher fasse acht Kilogramm Wasserstoff und könne in weniger als acht Minuten befüllt werden. Der Wasserstoffverlust durch Verdampfen bei Standzeit (Boil-off) setze nach 17 Stunden ein. BMW-Experte Tobias Brunner zeigte auf, dass mit gefrierkomprimiertem Wasserstoff (CcH2) ein „Boil-off bald obsolet“ sei. Wegen des Kapazitäts- und Gewichtsvorteils ließen sich mit CcH2 die verlustfreien Standzeiten erhöhen. „Herausforderungen sind die Kosten und die Integration ins Fahrzeug“, so Brunner. Auf das Infrastrukturproblem bei der Wasserstoffversorgung ging Dr. Andreas Opfermann von Linde Gas and Engineering ein. „Für den Aufbau der Infrastruktur müssen Gas-, Energie- und Automobilindustrie zusammenarbeiten“, forderte er. Wasserstoff sei ein Wachstumsmarkt, und die Zukunftstechnologie seien ionische Flüssigkeiten. Opfermann sprach sich für eine standardisierte Lösung für Speichersysteme aus.

Das 2. Internationale CTI Forum „Alternative und Hybrid-Antriebe“ mit begleitender Fachausstellung findet vom 15. bis 18. Juni 2009 in Berlin statt.

Kontakt:
Carsten M. Stammen
Pressereferent
Car Training Institute
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