Hybrid- (PHEV) & Elektroautos (BEV): Vor- & Nachteile Fünf Mal E-Mobilität im Überblick

von Holger Ippen 12.03.2019
Inhalt
  1. Plug-in Hybrid (PHEV): Vorteile in der City, trotzdem langstreckentauglich
  2. 48 Volt: Leichte Technik, aber Nachteile bei Emissions-Einsparung
  3. Hybrid: Zuverlässige Technik mit Nachteilen auf der Autobahn
  4. Brennstoffzelle: Viele Vorteile für Elektroautos mit Wasserstoff-Technik

Wir erklären die Technik von Hybrid- und Elektroautos (BEV). Das sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Antriebskonzepte. Auch dabei: Plug-in-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit dem Energiespeicher Wasserstoff.

E-Mobilität ist in aller Munde und wir stellen verschiedene Antriebskonzepte vor. Beim batterie-elektrischen Fahrzeug (BEV) gibt es mindestens einen elektrischen Antriebsmotor, der seine Energie aus einer recht großen Hochvolt-Batterie (40 bis 100 kWh) bezieht. Diese Lithium-Ionen-Akkus lassen sich nur per Stecker an Ladesäulen oder an der heimischen Steckdose wieder aufladen. Je nach Kapazität wird die Reichweite heutiger E-Autos wie Renault Zoe, Nissan Leaf, VW e-Golf oder Tesla Model S mit rund 130 bis 430 Kilometern angegeben. Doch Vorsicht, diese Hersteller-Angaben sind meist allzu optimistische Versprechungen, denn sie werden unter klinischen Bedingungen ermittelt. In der Praxis muss mit kräftigen Abzügen gerechnet werden. Je nach Fahrweise, Topographie, Zuladung, Witterung, Außentemperatur und Nutzung von Radio, Licht und Lüftung können sich ernüchternd kurze Reichweiten ergeben. Und wenn der Akku leer ist, benötigt man nicht nur eine Ladesäule in der Nähe, sondern auch viel Zeit – das Laden dauert je nach Anschluss und Wallbox-Kapazität drei bis acht Stunden (3,5 bis 22 kW). An Schnellladesäulen mit Gleichstrom und Ladeleistungen von 50, 120 oder gar 350 kW verkürzen sich die Ladezeiten dagegen enorm, doch das funktioniert nur bei dafür geeigneten Fahrzeugen und auch nicht unbegrenzt oft hintereinander (Batterie-Lebensdauer). Gegenüber einem Auto mit Verbrennungsmotor fallen bei batterie-elektrischen Elektroautos allerdings deutlich geringere Service-Kosten an. Denn hier gibt es weder Zündkerzen, Zahnriemen, Kupplung, Auspuff noch Ölwechsel und auch weniger Bremsen-Verschleiß. Mehr zum Thema Elektroauto-Reportage

Positiv +Lokal emissionsfrei, läuft sehr leise, kaum Wartungskosten, temperamentvolle Beschleunigung, kostenloses Parken in vielen Innenstädten, sehr gut geeignet für den Stadtverkehr
Negativ -Kurze Reichweiten, lange Ladezeiten, sehr teure Batterietechnik, nicht langstreckentauglich, hoher Restwertverfall wegen Alterung der teuersten Baugruppe = Batterie, Gewicht

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Plug-in Hybrid (PHEV): Vorteile in der City, trotzdem langstreckentauglich

Als interessanter Kompromiss gelten Plug-in Hybride. Diese verfügen neben dem Elektro-Antrieb mit ausreichend großem Lithium-Ionen-Akku (meist für ca. 50 Kilometer Reichweite) über einen herkömmlichen Antrieb mit Benzin-oder Dieselmotor. Vorteil: Man kann so oft man will lokal emissionsfrei fahren – natürlich nur bei geladener Batterie. Ist der Akku leer und keine Lademöglichkeit in Sicht, fährt man konventionell weiter. Auch Langstrecken-Fahrten sind damit kein Problem – man tankt einfach üblichen Kraftstoff nach. Und immer wenn es Möglichkeit und Zeit zulassen, kann man Strom an Ladesäulen oder an der heimischen Steckdose zapfen. Besonders energieeffizient arbeiten diese Fahrzeuge im Stop-and-go-Verkehr und bei langen Bergabfahrten. Dann wird die Hybrid-Technik aktiv, wandelt Bremsenergie in Strom und lädt damit während der Fahrt die Speicherbatterien nach (Rekuperation). Die Kehrseite der Medaille: Beim Plug-in-Hybriden summieren sich die Nachteile beider Antriebs-Konzepte: Zum einen fallen die aufwendigen Wartungs- und Service-Arbeiten an der konventionellen Antriebstechnik an, zum anderen schleppt man stets die schwere Batterie-Technik, fast 60 Meter (besonders dicke) Kupferkabel und gewichtige Leistungselektronik mit sich. Rund 200 Kilogramm Zusatzmasse müssen bei jedem Start mit beschleunigt werden. Das verbraucht Energie, die dann nicht mehr für eine effiziente Mobilität zur Verfügung steht.

Positiv +Langstreckentauglich, emissionsfrei in der City, Bremsenergie wird zurückgewonnen, akzeptable Elektro-Reichweite, geringer Bremsenverschleiß, sparsam im Stop-and-Go
Negativ -Stets hohe Zusatzmassen an Bord, eingeschränkter Laderaum, teure Wartungsarbeiten, sehr hohe Anschaffungskosten

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48 Volt: Leichte Technik, aber Nachteile bei Emissions-Einsparung

Die Elektrifizierung konventioneller Autos hat längst begonnen – und das für viele unbemerkt: Immer mehr neue Fahrzeuge verfügen neben der üblichen 12-Volt-Technik auch über ein 48-Volt-Bordnetz. Hier arbeitet neben dem Verbrennungsmotor eine zusätzliche E-Maschine unter der Haube. Diese kann entweder als sogenanntes Nebenaggregat per Riemenantrieb den Motor unterstützen (wie bei Renault und Audi), oder sie ist zwischen Motor und Getriebe platziert (Mercedes). Das so entstandene Mild-Hybrid-System soll allerdings nicht direkt zum elektrischen Fahren dienen, sondern zum Beispiel Anlasser und Generator ersetzen. Durch die höhere Betriebsspannung arbeitet die 48-Volt-Maschine dabei deutlich leistungsfähiger. Die beim Bremsen zurückgewonnene Energie ist größer als in einem 12-Volt-Netz und wird in einem kompakten Li-Io-Akku gespeichert. Bei Bedarf fließt der Strom wieder zurück in die 48-Volt-Maschine. Diese arbeitet dann als Motor und unterstützt den Verbrenner – mit durchaus respektablem Drehmoment (ca. 60 Newtonmeter). Vorteil: So lässt sich eine spürbare Verbrauchs- und CO2-Reduzierung mit recht überschaubarem technischen Aufwand verwirklichen. Die Zusatzbaugruppen stören nicht einmal die Gewichts-Bilanz, denn andere Dinge wie Anlasser, Generator und vor allem dicke Kupferleitungen mit großem Querschnitt entfallen.

Positiv +Kompakte, leichte Technik verbessert Effizienz von Verbrennungsmotoren, komfortable Start-Stopp-Funktion, verbesserte Bremsenergie-Rückgewinnung, kräftige Motorunterstützung
Negativ -Nur überschaubar kleine Emissions-Einsparung möglich, zusätzliches Bordnetz, aufwendige Elektronik, kein Ersatz für 12-Volt-Technik

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Hybrid: Zuverlässige Technik mit Nachteilen auf der Autobahn

Der Hybridantrieb kombiniert die Technik aus zwei Welten: Ein konventioneller Verbrennungsmotor (meist ein Benziner) und der E-Antrieb arbeiten hier Hand in Hand. Eine Elektronik managt die Kooperation: Im besten Fall kommt immer dasjenige System zum Einsatz, das die betreffende Situation besser beziehungsweise effzienter bewältigt.  Die Energie für die E-Maschine wird in einem Akku gespeichert. Viele Hybrid-Modelle (Toyota, Lexus) sind mit Nickel-Metallhydrid-Batterien ausgerüstet. Sie können zwar weniger Energie als Lithium-Ionen-Akkus speichern, sind aber preiswerter, dazu sehr langlebig, nehmen  schnell Strom auf und geben ihn auch ebenso schnell wieder ab. Geladen wird ausschließlich per Rekuperation, also beim Bremsen, im Schubbetrieb oder bei Bergabfahrten. Bei smarter Pedal-Betätigung ist durchaus rein elektrisches Fahren auf kurzer Distanz (ca. 1,0 bis 1,5 km) möglich. Beim kräftigen Beschleunigen an Steigungen oder beim Anfahren unterstützt dagegen der E-Motor meist per leistungsverzweigtem Planetengetriebe den Verbrennungsmotor. So wird Kraftstoff gespart und die CO2-Emission verringert. Zu den Nachteilen zählt die aufwendige und schwere Technik. Bei vielen Hybridmodellen fühlt sich die Kraftentfaltung zudem recht zäh an. Und bei Autobahn- und Langstreckenfahrten bleiben die Einspareffekte aus.

Positiv +Zuverlässige Technik, nutzt Bremsenergie, geringer Bremsenverschleiß, spart Kraftstoff im Sop-and-Go-Verkehr, niedrige CO²-Emission im Stadtbetrieb
Negativ -Hoher technischer Aufwand, Mehrgewicht, oft kleinerer Kofferraum, verzögerte Kraftentladung, kaum Vorteile bei staufreier Autobahnfahrt

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Brennstoffzelle: Viele Vorteile für Elektroautos mit Wasserstoff-Technik

Als Zukunftsantrieb gilt die Brennstoffzellen-Technologie. Hier wird die Energie für den elektrischen Antriebsmotor nicht in schweren, teuren Batterien gespeichert, sondern direkt an Bord aus Wasserstoff gewonnen. Dazu dient ein galvanisches Kraftwerk. Wasserstoff aus Drucktanks und atmosphärische Luft werden in der Brennstoffzelle an einer chemisch aktiven Membran zusammengeführt. Dabei entsteht durch einen elektrochemischen Prozess Energie, die sofort für den eigentlichen Fahrzeug-Antrieb genutzt werden kann. Als einziges Produkt entsteht reines Wasser. Dieser komplett klimaneutrale, schadstofffreie Prozess läuft recht effizient ab. So können mit rund fünf Kilogramm Wasserstoff aus Druckbehältern etwa 400 bis 550 km zurückgelegt werden. Das Gastanken läuft fast genauso schnell ab wie das "normale" Tanken. Allerdings gibt es derzeit noch keine akzeptable Infrastruktur. Momentan wird in Deutschland an 50 Tankstellen Wasserstoff angeboten, zum Jahresende sollen es 90 sein. Brennstoffzellen sind bereits in der Serie verfügbar (Toyota, Hyundai) und gelten als sicher, denn die von vielen gefürchtete Knallgas-Explosion bedarf es eines großen Sauerstoff-Überschusses, der im Straßenverkehr nicht vorhanden ist. Auch Brände sind durch die Leichtflüchtigkeit des Druckgases seltener und ungefährlicher als beim Benziner. Allerdings steht die Brennstoffzellentechnik am Anfang und es fehlt noch an Langzeiterfahrung. Bis die Technik bezahlbar und die Infrastruktur ausgebaut ist, vergehen noch einige Jahre.

Positiv +Wasserstoffvorrat unendlich, klimaneutral, Rohstoff-Unabhängigkeit groß, langstreckentauglich, komplett abgasfreier Fahr-Betrieb, schnelles Tanken
Negativ -Neue Technik bisher noch nicht langzeiterprobt, sehr dünnes Tankstellen-Netz, Fahrzeuge derzeit noch teuer, H²-Erzeugung energieintensiv

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