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W. Tober:
"Praxisbericht Elektromobilität und Verbrennungsmotor [Analyse elektrifizierter Pkw-Antriebskonzepte]";
in series "Praxisbericht", series editor: H. Lenz; issued by: ÖVK- [Wien-Österreich]; Springer Vieweg, |Springer Fachmedien Wiesbaden|, 2016, ISBN: 978-3-658-13601-7, 188 pages.

Elektromobilität wird vielfach als die Lösung zukünftiger Mobilität gesehen. Insbesondere Politik und Medien sehen in der Elektrifizierung des Individualverkehrs ein wirksames Mittel
zur erforderlichen deutlichen Absenkung der Treibhausgasemissionen und zur Erhöhung der Energieeffizienz.
Im Rahmen dieses Buches wurden die Potenziale elektrifizierter Antriebskonzepte hinsichtlich Nachhaltigkeit und Klimaschutz sowie Energieeffizienz und Kundenanforderungen analysiert.
Im Fokus der Untersuchungen stand die Bestimmung der Potenziale moderner PKWAntriebskonzepte.
Je nach Elektrifizierungskonzept sind die Auswirkungen unterschiedlich
groß und gegebenenfalls auch mit Nutzungseinschränkungen verbunden.
Auf Basis der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass Nachhaltigkeit und Klimaschutz durch batterieelektrische Kraftfahrzeuge verbessert werden können, wenn regenerativ erzeugter Strom zum Einsatz kommt. Wie berechnet werden konnte, liegt der
Energiebedarf für den Fahrbetrieb eines E-PKW in einer europäischen Stadt bei 53 % eines Diesel-PKW. Berücksichtigt wurde dabei die Energie für das Fahren bei durchschnittlicher Fahrbahnneigung, für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes (Heizen und Kühlen in
Abhängigkeit von der durchschnittlichen monatlichen Umgebungstemperatur) und für die Lade- bzw. Entladeverluste der Hochvoltbatterie. Bei dieser Betrachtung lässt sich der
energetische Vorteil batterieelektrischer Fahrzeuge im reinen Fahrbetrieb erkennen. Wird dagegen auch der Energiebedarf für die Strom- bzw. Dieselherstellung in Europa berücksichtigt, benötigt der städtisch betriebene E-PKW 33 % mehr Energie als der Diesel-
PKW. Die Berücksichtigung der Energiebereitstellung führt demnach zu einer drastischen Verschlechterung. Bei Überlandbetrieb in Europa benötigt der E-PKW 43 % mehr Energie als der Diesel-PKW. Die durch den Fahrbetrieb und die Energiebereitstellung emittierten
Treibhausgasemissionen (als CO2-Äquivalent) liegen in Österreich aufgrund des hohen regenerativen Energieanteiles in der Stromerzeugung für den städtisch betriebenen E-PKW bei
38 % des Diesel-PKW. Auf europäischer Ebene ist der darstellbare Vorteil mit 83 % des Diesel- PKW deutlich geringer.
Kostenseitig zeigen selbst optimistische Schätzungen, dass batterieelektrische PKW die kundenseitig tolerierten höheren Anschaffungskosten derzeit nicht einhalten können. Die
Abschätzungen der Betriebskosten sind derzeit noch mit Unsicherheiten behaftet, es wird jedoch vermehrt von einer deutlichen Reduktion ausgegangen. Wesentlich wird sich die Lebensdauer der Traktionsbatterie auf die Gesamtkosten der Fahrzeugnutzung auswirken. Die Energiekosten für den Betrieb des E-PKW sind aufgrund der aktuellen Steuern und Abgaben für Elektrizität bzw. Dieselkraftstoff geringer als jene des Diesel-PKW. Eine von Steuern und
Abgaben bereinigte Betrachtung zeigt jedoch einen Kostennachteil für E-PKW im Stadtverkehr auf.
Ein weiteres Kriterium für den Erfolg oder Misserfolg batterieelektrischer Fahrzeuge ist deren Benutzerfreundlichkeit. Bei einer durchschnittlichen Fahrweise, einer Umgebungstemperatur
von +20 °C und einer geringen Fahrbahnneigung konnten mit den untersuchten E-PKW Reichweiten von 85 bis 175 km realisiert werden.

Der Betrieb der Klimaanlage bei einer Umgebungstemperatur von +30 °C reduziert die Reichweite durchschnittlich um 14 %. Durch die Beheizung des Innenraumes bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C erfolgt eine Reichweitenreduktion von durchschnittlich 27 %.
Die Gewährleistung von mit konventionellen Fahrzeugen vergleichbarem Fahrkomfort ist nur mit Einbußen im Bereich der Reichwerte möglich, da Aggregate wie Klimaanlage und Heizung elektrisch betrieben werden müssen. Batterieelektrische Kraftfahrzeuge mit Range-Extender
können hier Verbesserungen bringen.
Erschwerend wirkt sich aus, dass Tankvorgänge batterieelektrischer PKW im Vergleich zu klassischen Tankvorgängen Stunden statt Minuten dauern. Es ist davon auszugehen, dass dies käuferseitig nicht akzeptiert wird. Die Speicherung elektrischer Energie und die Betankung batterieelektrischer Fahrzeuge erfordern folglich noch weitreichende Entwicklungen und den Ausbau der Schnellladeinfrastruktur. Die Bereitstellung der elektrischen Energie ist hingegen als gesichert zu betrachten.
Als Alternative zum batterieelektrischen Kraftfahrzeug wurde in dieser Arbeit ein Vertreter der batterieelektrischen Kraftfahrzeuge mit Range-Extender untersucht. Zur Erfüllung der
Fahrleistungen stehen diesem PKW vier Betriebsmodi zur Verfügung, zwischen denen automatisch fahrzeugseitig gewechselt wird. Diese sind zwei rein elektrische Betriebsmodi (ein- oder zweimotorig) sowie zwei hybride Betriebsmodi (seriell oder leistungsverzweigt).
Relevant für den Wechsel zwischen elektrischer und hybrider Fahrweise sind der Batterieladezustand, die Umgebungstemperatur bzw. der manuelle Eingriff (Fahrmodus "Halten" oder "Berg" statt "Normal"). Für die Wahl zwischen den beiden rein elektrischen
Betriebsmodi bzw. den beiden hybriden Betriebsmodi sind die Fahrgeschwindigkeit, die geforderte Antriebsleistung und die elektrische Leistungsanforderung (Antrieb, Laden der
Hochvoltbatterie, Hochvolt- und Niedervoltverbraucher) relevant. Im hybriden Fahrbetrieb wird die Verbrennungskraftmaschine grundsätzlich wirkungsgradoptimal mit nahezu Volllast betrieben.
Im Zentrum der Untersuchungen standen die elektrische Energiebilanz, der Kraftstoffverbrauch, die Emissionen nach Kat und das Aufheizverhalten des Heiz-/Kühlsystems bzw. des Fahrzeuginnenraumes. Die Untersuchungen erfolgten bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen, mit verschiedenen Batterieladezuständen, bei
gegenüber ebener Fahrbahn abweichenden Fahrbahnneigungen und mit variierenden Fahrstilen.
Die effektive elektrische Reichweite des Fahrzeuges ist stark von der Umgebungstemperatur und von der Lastanforderung abhängig. Bei einer Umgebungstemperatur von +20 °C ist diese mit rund 59 km anzugeben. Im Zuge der Testdurchführung bei einer Umgebungstemperatur
von -10 °C erfolgte unmittelbar nach dem Beginn der Fahrt ein Zustart der Verbrennungskraftmaschine (für rund 2 Min.). Danach wurde eine elektrische Reichweite von lediglich 11 km realisiert. Bei einer Umgebungstemperatur von +40 °C inkl. 1.000 W/m² Sonnensimulation lag die elektrische Reichweite bei 49 km. Dies ist dem Betrieb der
elektrischen Klimaanlage zu schulden.
Der Einfluss des Fahrstiles (ökonomisch bzw. aggressiv) auf die elektrische Reichweite ist gering (61 bzw. 52 km). Im Gegensatz zu konventionell betriebenen Kraftfahrzeugen hat ein
aggressiver oder ökonomischer Fahrstil einen geringeren Einfluss auf den Otto- Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemissionen. Der Hauptgrund dafür liegt an der Entkoppelung der Verbrennungskraftmaschine und dem geforderten Moment bzw. der
geforderten Leistung für den Vortrieb des Fahrzeugs. Trotzdem kann durch eine ökonomische Fahrweise und reduzierte Geschwindigkeit aufgrund der geringeren Fahrwiderstände Energie gespart und die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden. Die Vorteile des Antriebskonzeptes kommen in der Stadt bei niedrigen Geschwindigkeiten, vor allem im Stop-and-go Verkehr, zur
Geltung. Aufgrund der Entkoppelung der Verbrennungskraftmaschine entfällt das Anfahren mit dieser. Der Haltemodus kann bei einer der Stadtfahrt vorgelagerten Fahrt bei höheren Geschwindigkeiten aktiviert werden, sodass die elektrische Energie innerstädtisch zur
Verfügung steht. Der reichweitenverlängerte Betrieb mit Verbrennungskraftmaschine sollte aufgrund der Wirkungsgradverluste nur für Ausnahmefälle genutzt werden.
Der durchschnittliche Energiebedarf bei rein elektrischer Fahrweise im Eco-Test, bei einer Umgebungstemperatur von +20 °C, auf ebener Fahrbahn und normaler Fahrweise liegt bei rund 18 kWh/100km. Im hybriden Fahrbetrieb ist der Kraftstoffverbrauch unter diesen Bedingungen mit rund 7 l/100km anzugeben.
Die Euro 5-Grenzwerte (bezogen auf den Neuen Europäischen Fahrzyklus) werden auch im Eco-Test bei einer Umgebungstemperatur von +20 °C eingehalten.
Zu niedrigen Umgebungstemperaturen hin (-10 °C) steigen die CO- und NOx-Emissionen insbesondere im unteren Geschwindigkeitsbereich (Innerorts, hoher Stopp-/Start-Anteil). Zu hohen
Umgebungstemperaturen hin (+40 °C und 1.000 W/m² Sonneneinstrahlung) steigen die COEmissionen mit zunehmender Geschwindigkeit (Außerorts und Autobahn) deutlich.
Da im Besonderen Plug-In-Hybride, aufgrund der hohen Batteriekosten und der teilweise stark eingeschränkten Reichweite von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen, eine interessante
Alternative darstellen, welche die Vorteile des elektrischen und verbrennungsmotorischen Antriebes verbinden sollen, wurden zur Bewertung der Auswirkungen der Elektrifizierung
eines konventionellen Antriebskonzeptes mit Verbrennungsmotor vier Plug-In-Hybride im Hinblick auf deren Energieeffizienz, Energiebedarf, Wirkungsgrade der Hochvoltkomponenten, Ladevorgang, Treibhausgasemissionen, Zustartbedingung und elektrische Reichweite untersucht.
Die Konzepte der vier untersuchten Plug In-Fahrzeuge unterscheiden sich deutlich. Neben einer abweichenden Anzahl und einem unterschiedlichen Einsatz der verbauten Elektromaschinen
weichen auch die Leistungen der Otto- bzw. Diesel-Verbrennungskraftmaschinen, die verbauten Kapazitäten der Traktionsbatterien, die Arten an Getrieben und die Arten und der
Einsatz der Innenraumheizungen voneinander ab. Es zeigte sich bei den untersuchten Fahrzeugen, dass technische Restriktionen einen rein
elektrischen Fahrbetrieb bis zum minimalen Ladezustand der Traktionsbatterie unterbinden.
Gründe dafür sind das Erreichen der maximalen Leistung der elektrischen Antriebsmaschinen bzw. der Traktionsbatterien oder konstruktive Einschränkungen. Die analysierten Fahrzeuge
werden somit (bei "voller" Traktionsbatterie) nicht zunächst rein elektrisch betrieben und im Anschluss (bei "leerer" Traktionsbatterie) hybridisch. Bei geladener Traktionsbatterie kann
von einem vorrangig elektrischen Fahrbetrieb gesprochen werden, welcher unter den genannten Rahmenbedingungen vorübergehend unterbrochen wird. Es kann gezeigt werden, dass die untersuchten Fahrzeuge bei einer Umgebungstemperatur von +20 °C rund 40 km (Toyota Prius Plug-In 16 km) rein elektrisch zurücklegen, bevor vom
vorrangig elektrischen in den hybriden Fahrbetrieb gewechselt wird.

Bei allen Fahrzeugen zeigt sich ein lediglich geringer Einfluss der Klimaanlage (bei einer Umgebungstemperatur von +30 °C) auf die elektrische Reichweite - dies aufgrund der geringen mittleren elektrischen Leistungen der Klimaanlagen von 0,4 bis 0,8 kW.
Bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C reduziert sich die elektrische Reichweite primär aufgrund der Heizung des Innenraumes um rund 50 %. Davon ausgenommen ist der Volvo V60 PHEV. Die in Relation betrachtet geringe Reduktion der elektrischen Reichweite bei diesem
Fahrzeug ist damit zu begründen, dass eine geringere elektrische Heizleistung (im Mittel 1,2 kW im Vergleich zu 3 kW beim Mitsubishi Outlander PHEV) aufgewendet wird, um den Fahrzeuginnenraum zu heizen. Die geforderte Innenraumtemperatur von +22 °C wird durch
diese Maßnahme entsprechend später erreicht.
Wird der Energiebedarf (elektrisch und Kraftstoff) der Fahrzeuge verglichen, sind die Ergebnisse bei +20 °C und +30 °C gut vergleichbar. Der geringe Energiebedarf der Klimaanlage und der geringfügig niedrigere Antriebsenergiebedarf führen insgesamt zu
vergleichbaren Verbräuchen (elektrisch und Kraftstoff). Bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C liegt der Energiebedarf (elektrisch und Kraftstoff) tendenziell höher. Dies resultiert aus
der elektrischen Heizleistung, dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu Heizzwecken und dem bei 0 °C höheren Antriebsenergiebedarf. Bei +30 °C und 0 °C wirkt sich zudem der
Energiebedarf des Niedervoltsystems (aufgrund des Gebläses zur Innenraumklimatisierung)verbrauchserhöhend aus.
Es konnte weiters gezeigt werden, dass der Kraftstoffverbrauch auch im praktischen Einsatz(repräsentiert durch den Eco-Test) durch Plug-In Fahrzeuge deutlich gesenkt werden kann.
Wird der erforderliche Strom zum Betrieb der Fahrzeuge regenerativ gewonnen, kann hierdurch ein deutlicher Beitrag zur Treibhausgasreduktion geleistet werden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Elektrifizierung von Personenkraftwagen-regenerativer Strom vorausgesetzt - zum Klimaschutz und zur Erhöhung der Nachhaltigkeit des Individualverkehrs beitragen kann. Der Nachteil der hohen Anschaffungskosten von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen - aufgrund der teuren Traktionsbatterien - kann durch
Hybridkonzepte teilweise kompensiert werden. Weiters sind bei batterieelektrischen Kraftfahrzeugen niedrigere Betriebskosten zu erwarten. Durch hybride Lösungen kann kurzfristig auch das Reichweitenproblem von batterieelektrischen Kraftfahrzeugen entschärft
werden, ohne dabei gänzlich auf die Effizienzvorteile der Elektrifizierung verzichten zu müssen.

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-658-13602-4