Die Kinder-Uni geht in die nächste Runde. Thema ist das Elektroauto, über das die Stuttgarter Professorin Nejila Parspour berichten wird.
Stuttgart - Die Autos werden immer vielfältiger. Weit mehr als hundert Jahre beherrschte der Verbrennungsmotor die Straßen. Doch er pustet ziemlich viele Abgase in die Luft, die schädlich sind und zur Klimaerwärmung beitragen. Zudem wird das Öl, aus dem Benzin und Diesel hergestellt werden, irgendwann einmal zur Neige gehen. Daher müssen die Ingenieure nun neue, umweltfreundlichere Antriebstechniken entwickeln. Da noch niemand weiß, was am besten ist, werden derzeit viele Möglichkeiten ausprobiert.
Verbrennungsmotor
Wie funktioniert’s? In den Zylindern des Motors wird Benzin oder Diesel verbrannt. Dadurch werden die Kolben aus den Zylindern gedrückt. Ihre Kraft wird auf eine sich drehende Welle, die Kurbelwelle, übertragen, und von der werden dann die Räder angetrieben.
Was bringt’s?
Sowohl Benzin- als auch Dieselmotor sind technisch auf hohem Niveau und – wie Autorennen zeigen – sehr leistungsfähig.
Wo klemmt’s?
Die Motoren sind viel sauberer geworden: der Katalysator wandelt schädliche Gase in harmlosere um, Filter holen den Feinstaub aus dem Abgas. Und neue Techniken wie die Start-Stopp-Automatik machen die Motoren sparsamer. Doch nach wie vor nutzen sie die Energie lange nicht so wirkungsvoll wie der Elektromotor. Und sie produzieren schädliche Abgase. Da sie mit Benzin und Diesel fahren, stoßen sie Kohlendioxid aus, das bei der Verbrennung entsteht und das Klima erwärmt .
Motor unter Strom
Elektromotor
Wie funktioniert’s? Im Physikunterricht lernt man, dass in einem Elektromotor die Kraft, die von einem Magnetfeld auf eine stromdurchflossene Spule ausgeübt wird, in eine rotierende Bewegung umgesetzt wird. Und diese kann dann zum Antrieb von Rädern benutzt werden. Um diese Technik im Auto umzusetzen, sind allerdings viele weitere „Zutaten“ erforderlich, so etwa eine ausgeklügelte Leistungselektronik.
Was bringt’s?
Den Elektromotoren, so sagen die Ingenieure, gehört die Zukunft: Sie haben einen hohen Wirkungsgrad und entwickeln vom Start weg eine hohe Kraft. Und die kann ohne große Umwege direkt an den Rädern abgeliefert werden. Zudem fährt der Motor mit Strom und damit vor Ort ohne Abgase – was für Städte mit ihrer stark belasteten Luft ein großer Vorteil ist.
Wo klemmt’s?
Die Stromversorgung ist nach wie vor das Hauptproblem: Akkus sind schwer und ermöglichen – im Vergleich zu Benzin und Diesel – eine viel geringere Reichweite.
Die Kraft der zwei Motoren
Hybridmotor
Wie funktioniert’s? In einem Hybridauto schlagen sozusagen zwei Herzen: beim Anfahren und in der Stadt übernimmt ein Elektromotor den Antrieb, beim schnellen Fahren auf der Autobahn arbeitet der Verbrennungsmotor. Dabei gibt es verschiedene Hybridkonzepte, also Abstufungen, wie die beiden Motoren zusammenarbeiten. Je stärker Elektromotor und Batterie ausgelegt sind, desto mehr wird das Auto zum „Stromer“.
Was bringt’s?
Zwei Motoren in einem Auto samt der erforderlichen Steuerung für deren Zusammenspiel – das ist technisch aufwendig und kostet natürlich auch mehr als ein Motor. Außerdem wird das Auto dadurch schwerer, was den Sprit- und Stromverbrauch erhöht.
Wo klemmt’s?
Die hohen Kosten und die aufwendige Technik sind derzeit die größten Probleme.
Blick in die Zukunft: die Brennstoffzelle
Brennstoffzelle
Wie funktioniert’s? Eigentlich ist ein Auto mit einer Brennstoffzelle ein Elektroauto, das seinen Strom nicht aus einer Batterie, sondern von einer chemische Reaktion bekommt. Wenn Wasserstoff mit Sauerstoff reagiert, dann knallt es eigentlich heftig – daher auch der Name Knallgasreaktion. Wird diese Reaktion durch verschiedene Tricks gezähmt, dann entsteht dabei harmloses Wasser und Strom. Und den kann man dann für den Elektromotor nutzen.
Was bringt’s?
Durch neue Techniken, den Wasserstoff unter sehr hohem Druck in mobilen Tanks zu speichern, kommen heutige Brennstoffzellenautos bereits auf beachtliche Reichweiten von knapp 400 Kilometern. So viel ist bei der Batterie noch lange nicht drin. Und: der Wasserstoff lässt sich umweltfreundlich herstellen, etwa wenn man mit überschüssigem Windstrom elektrochemisch Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
Wo klemmt’s?
Noch ist die Brennstoffzellentechnik enorm teuer. Zudem befindet sich die gesamte Technik rund um die Brennstoffzelle und ihre Versorgung mit Wasserstoff noch in der Erprobung, man kann keine wirklich in Serie gebauten Autos kaufen. Weiterhin gibt es bisher erst wenige Tankstellen, an denen man Wasserstoff in die Tanks füllen kann. Außerdem sind diese Tankstellen sehr teuer. Und es gibt noch kaum umweltfreundlich produzierten Wasserstoff.
Bunte Energievielfalt
Benzin, Diesel, Autogas
Wie funktioniert’s? In der Raffinerie wird aus Erdöl durch diverse Aufarbeitungsschritte Diesel und Benzin hergestellt. Das als Autogas genutzte Flüssiggas (LPG) fällt als Nebenprodukt bei der Erdölförderung sowie bei der Aufarbeitung von Diesel und Benzin in der Raffinerie an.
Was bringt’s?
Noch gibt es Benzin und Diesel auf dem Weltmarkt recht kostengünstig und in ausreichender Menge zu kaufen. Autogas verbrennt umweltfreundlicher und ist dank geringerer Besteuerung deutlich billiger als Benzin und Diesel.
Wo klemmt’s?
Das Hauptproblem bei diesen drei Kraftstoffarten: sie stammen alle aus fossilen Lagerstätten, sind also vor vielen Millionen Jahren entstanden. Werden sie jetzt verbrannt, so belasten sie die Atmosphäre mit zusätzlichem Kohlendioxid. Dieses wirkt als Treibhausgas und erwärmt die Erde. Außerdem ist der Vorrat an diesen fossilen Treibstoffen begrenzt.
Vom Acker in den Tank
Biokraftstoffe
Wie funktioniert’s? Man gewinnt Biodiesel aus Pflanzenöl, zum Beispiel aus Raps. Und dem Benzin kann man Bioethanol beimischen, also Alkohol, der durch Vergärung aus Getreide, Mais oder Zucker entsteht. Außerdem forscht man an Kraftstoffen, die sich umweltfreundlich aus Stroh, Holz und anderen pflanzlichen Abfallstoffen gewinnen lassen.
Was bringt’s?
Biokraftstoffe kann man auch in Deutschland aus Pflanzen gewinnen. Diese holen das für ihr Wachstum nötige Kohlendioxid aus der Luft; bei der späteren Verbrennung entsteht kein zusätzliches CO2.
Wo klemmt’s?
Umweltschützer sagen, dass die intensive landwirtschaftliche Produktion dieser Kraftstoffe in vielfacher Hinsicht die Umwelt belastet. Außerdem fehlen die Ausgangsstoffe als Lebensmittel, wenn sie für die Biospritproduktion genutzt werden.
Batterie
Wie funktioniert’s? Eigentlich ist die Autobatterie ein Akku, also ein wiederaufladbarer Speicher, in dem Strom in Form chemischer Energie gespeichert wird. Dabei kommen Metalle wie Blei, Kadmium oder Lithium zum Einsatz.
Was bringt’s?
Erst Strom ermöglicht den umweltfreundlichen Einsatz von Elektromotoren im Auto. Richtig ökologisch wird das Elektroauto aber erst, wenn der Strom aus umweltverträglichen Quellen stammt: Wasser, Wind und Sonne.
Wo klemmt’s?
Noch ermöglicht die Menge an Strom, die sich selbst in den modernsten Akkus speichern lässt, nur recht geringe Reichweiten für die Elektroautos. Und noch sind die Akkus sehr teuer.