General Motors stellt den Batterie-Elektrobolzen vor, der es verspricht
haben eine 200-Meile Reichweite und kosten ca. $ 30,000. GM, CC BY

Als Versuch, die Einführung von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen voranzutreiben, machte Toyota Motors Anfang dieses Monats mehr als 5,600 Patente für andere Automobilhersteller verfügbar. Ein paar Tage später stellte General Motors die elektrischer Bolzenein Elektrofahrzeug, das 200-Meilen mit Batterien laufen lässt.

In der Zwischenzeit entwickeln die Autohersteller weitere Arten von Elektrofahrzeugen: Plug-In-Hybride und Hybridelektrik.

Elektrofahrzeuge sind die vielversprechendste Alternative zu konventionellen Benzin- und Dieselautos. Aber wie ist jede Technologie anders? Und was sind die relativen Vorteile und wirtschaftlichen Herausforderungen für beide?

Wie wir hier

Beginnen wir mit Ähnlichkeiten. Plug-in-Batterie-Elektrofahrzeuge (BEVs), Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs), Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) und Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) sind alle Elektrofahrzeuge. Sie werden alle von einem Elektromotor angetrieben und verfügen über Batterien, die bei Bedarf Strom speichern oder liefern und beim Bremsen des Fahrzeugs Energie absorbieren.

Einige dieser Fahrzeuge können auch Strom an Bord erzeugen, entweder durch einen benzinbetriebenen Verbrennungsmotor oder eine wasserstoffbetriebene Brennstoffzelle.

Sie alle stellen in dreierlei Hinsicht eine grundlegende Abwechslung zu den heute eingesetzten Benzinfahrzeugen dar: Der Antriebsstrang ist nicht mechanisch, sondern elektrisch. Der Motor unter der Haube ist elektrochemisch anstatt verbrennungsbasiert. und der Kraftstoff ist Elektrizität und Wasserstoff, anstatt Benzin.

Die Kräfte hinter diesen technologischen Veränderungen begannen in den späten 1980 mit der Erkenntnis der Automobilhersteller, dass die langfristige Verfügbarkeit von Erdöl begrenzt ist und dass eine alternative Fahrzeugplattform und ein alternativer Kraftstoff erforderlich wären, um ein zukunftsfähiges Geschäftsmodell sicherzustellen. Als Brennstoff wurde Wasserstoff ausgewählt und ein 25-Jahrespfad für die Kommerzialisierung von Brennstoffzellenfahrzeugen festgelegt.

Seit 1990 haben sich drei weitere Kräfte herausgebildet, um die Entscheidung, das Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug als Produkt der Zukunft einzusetzen, weiter zu bekräftigen. Dazu gehören der Klimawandel, Strategien zur Förderung der Kraftstoffunabhängigkeit und Vorschriften zur Luftqualität, insbesondere in Kalifornien.

Batterie Elektrofahrzeuge (BEV)

In den letzten fünf Jahren gab es jedoch ein Wiederaufleben von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen, die ausschließlich auf Batterieleistung angewiesen sind. Beispiele sind der Nissan Leaf, der GM Spark und der Kia Soul. Nach dem Erreichen der 40-60-Meilen sind die Batterien erschöpft und müssen durch Anschließen an einen privaten Stromkreis oder ein speziell für 220-Volt entwickeltes Ladegerät in einem Gewerbezentrum oder am Arbeitsplatz aufgeladen werden. Die Ladezeit ist abhängig von der Spannung, der Ladetechnologie und dem „Ladezustand“ der Batterie (dh wie viel die Batterie entladen wurde), benötigt jedoch im Allgemeinen ein bis sechs Stunden, um das Fahrzeug vollständig aufzuladen.

Ein BEV ist attraktiv, weil seine Reichweite die meisten Fahrten des Publikums befriedigt, das Aufladen zu Hause bequem ist und das Fahren vibrationsfrei und leise ist. Das Fahrzeug ist relativ klein, bietet eine gute Manövrierfähigkeit und ein relativ einfaches Einparken und es gibt keine Luftschadstoffe während des Fahrens. BEVs haben auch das Potenzial, das Stromnetz auszugleichen, indem sie über Nacht aufgeladen werden, wenn die Netzressourcen nicht ausreichend genutzt werden.

Gegen BEVs zu arbeiten, ist die Zeit, die zum Aufladen des Fahrzeugs erforderlich ist, und die Reichweitenangst, dh die Besorgnis über die begrenzte Reichweite, die die Fahrer empfinden, was die Nutzreichweite des Fahrzeugs effektiv verringert. Außerdem kann das Laden das Stromnetz belasten, und es gibt Fälle, in denen keine Ladeinfrastruktur verfügbar ist, insbesondere für Menschen, die in Wohnungen leben.
Nach dem kalifornischen Zero-Emission-Fahrzeugmandat wurden BEVs zuerst in den 1990s kommerzialisiert, während der Markt in den 2000s nachließ. Mit einer Reihe von Pkw, die zum Verkauf oder zur Vermietung angeboten werden, wird der Markt derzeit getestet, um die öffentliche Nachfrage nach diesem Fahrzeug mit begrenzter Reichweite und hohem Komfort zu ermitteln. Fortschritte in der Batterietechnologie können die Reichweite erhöhen.

Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEV)

Hybride Elektrofahrzeuge sind ein BEV mit einem Benzinverbrennungsmotor an Bord, um Strom zu erzeugen und das Auto in Verbindung mit dem Elektromotor zu bewegen. Sie können die gleiche 300-Meile-Strecke liefern, die Leute mit einem herkömmlichen Benzinfahrzeug erwarten. Und dank fortschrittlicher Softwaresteuerungen interagiert der Verbrennungsmotor mit den Batterien, um einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Schadstoffemission zu erzielen.

HEVs werden in den USA seit 2000 zum Verkauf angeboten, wobei der Prius, der erstmals von Toyota in Japan in 1997 eingeführt wurde, ein prominentes Beispiel ist. In 2012 und 2013 war der Prius mit über sieben Millionen verkauften Fahrzeugen das meistverkaufte Fahrzeug in Kalifornien, was die bemerkenswert positive Akzeptanz der Verbraucher für das Fahrzeug widerspiegelt.

Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV)

PHEVs sind HEVs mit zusätzlicher Batteriekapazität, die eine elektrische Reichweite zwischen zehn und 60 Meilen bieten können. Der Chevy Volt kann zum Beispiel fast 40 Meilen mit Batteriestrom fahren, bevor ein Benzingenerator anspringt. Dies ermöglicht das bequeme Aufladen der Batterien über Nacht zu Hause und eine tägliche elektrische Reichweite, die die Mehrheit der US-Bevölkerung nicht überschreitet. Und der PHEV bietet die 300-Meile-Reichweite, an die das Fahrpublikum gewöhnt ist. Ein Plug-in-Prius hat einen größeren Akku und ist vollelektrisch
Reichweite von ca. 10 Meilen, bevor Sie in den Hybrid-Modus wechseln. Toyota 

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEV)

Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridelektrofahrzeuge mit zwei Hauptunterschieden. Eine Brennstoffzelle, ein elektrochemisches Gerät, das einen Kraftstoff wie Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft entnimmt, um Elektrizität zu erzeugen, ersetzt den Benzinmotor unter der Motorhaube. Die Brennstoffzelle hat einen bemerkenswert hohen Wirkungsgrad (das Dreifache des herkömmlichen Benzinautos) und beim Fahren keine Luftschadstoffe. Das Produkt der Reaktion ist Wasser, das durch das Auspuffrohr mit Stickstoff und etwas Sauerstoff aus der Luft ausgestoßen wird. Und anstelle eines Benzintanks gibt es Wasserstoffspeichertanks. Die Betankungszeit eines Brennstoffzellenfahrzeugs ist vergleichbar mit einem herkömmlichen Benzinautomobil, und der Kraftstoff kann im Inland bezogen werden.

Einige der Herausforderungen, die mit Brennstoffzellenfahrzeugen verbunden sind, sind die begrenzte Anzahl von Wasserstofftankstellen auf nationaler Ebene. Kalifornien hat die meisten Wasserstofftankstellen in den USA, wobei 51 voraussichtlich bis zum Ende von 2015, über 70 bis zum Ende von 2017 und 100 bis 2020 in Betrieb sein wird. Achtundsechzig Stationen gelten als das anfängliche Minimum, um die Akzeptanz von Brennstoffzellenfahrzeugen im Staat zu unterstützen.

Vorwärts gehen

Der Markt stellt fest, dass das BEV eine attraktive Ergänzung (kein Ersatz) zum herkömmlichen Benzinfahrzeug darstellt. Das benzinbetriebene HEV und das Benzin-PHEV werden entwickelt, um die Umweltvorschriften zu erfüllen und gleichzeitig das allgemeine Fahrgefühl in Bezug auf Reichweite und Größe aufrechtzuerhalten, an das der Markt gewöhnt ist.

Die Kosten der Fahrzeuge und die Kosten für das Führen der Fahrzeuge sind für alle praktischen Zwecke wettbewerbsfähig und überzeugend. Abhängig von den Stromkosten und den Benzinkosten können die Kosten pro Meile den einen oder anderen begünstigen. Der PHEV bietet dem Kunden die Möglichkeit, entweder Strom oder Benzin zu verwenden.

Das Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug ist eine natürliche Weiterentwicklung des Hybrid- und Plug-in-Elektro-Hybrids. Infolgedessen kann vorausgesehen werden, dass das BEV und das FCEV die Alternativen der nächsten Generation zum konventionellen und hybridisierten Benzinfahrzeug darstellen, um die Anforderungen für leichte Transporte zu erfüllen. Das BEV bietet Komfort und Manövrierfähigkeit, und das FCEV bietet Reichweite, Flexibilität bei der Fahrzeuggröße und schnelles Betanken. Beide Fahrzeuge sind kraftstoffunabhängig, geopolitisch getrennt und attraktiv Umweltattribute.

Die Anschaffungs- und Betriebskosten von Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen sind heute vergleichbar. Es ist wahrscheinlich, dass die Kosten für Wasserstoff in Zukunft aufgrund des Wettbewerbs auf dem Markt und der technologischen Fortschritte sinken und die Stromkosten steigen werden. Dies bedeutet, dass die Pro-Meile-Kosten für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugs im Vergleich zu einem Batterie-Elektrofahrzeug wahrscheinlich niedriger werden.

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Über den Autor

Dr. Scott Samuelsen ist Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik und Umwelttechnik an der University of California, Irvine (UCI). Er ist Direktor des Advanced Power and Energy Program, des UCI Combustion Laboratory und des National Fuel Cell Research Center für das US-Energieministerium und die California Energy Commission. Professor Samuelsen ist Co-Vorsitzender der California Stationary Fuel Cell Collaborative, einer einzigartigen öffentlich-privaten Allianz, die sich mit kritischen Technologien und Markthürden befasst, um die Kommerzialisierung fortschrittlicher Stromerzeugungssysteme zu beschleunigen.