Welchen Nutzen und welche Einflüsse auf die Umwelt hat die Rekuperation in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen?
Ziel dieser Arbeit wird sein, die positiven Umwelteinflüsse der Rekuperation, hauptsächlich der Einsparung von Energie und Feinstaub, herauszuarbeiten und darzustellen.
Weltweit werden Elektrofahrzeuge immer beliebter. Alleine in Deutschland ist die Zahl der Elektrofahrzeuge auf rund 136.000 angestiegen und wird voraussichtlich auch weiterhin ansteigen. Die meisten Fahrzeughersteller bieten rein elektrische Fahrzeuge oder Plug-in-Hybridfahrzeuge an. Hauptgrund sind die an die Hersteller gerichteten CO2-Grenzwerte. So ist von einer EU-Verordnung festgelegt, dass der durchschnittliche CO2-Ausstoß neu zugelassener Fahrzeuge europäischer Hersteller bis 2021 auf maximal 95g/km sinken muss. Fahrzeuge im vollelektrischen Betrieb sind emissionslos und sind für Hersteller eine gute Lösung zur Senkung der Emissionen. Zudem produzieren sie weniger Feinstaub als z. B. Dieselfahrzeuge, welches ein Vorteil für von Feinstaub belastete Großstädte ist.
Jedoch bleibt die Reichweite ein großer Nachteil von vor allem kleineren Elektrofahrzeugen. Der Hauptgrund hierfür ist die im Vergleich zu Treibstoff niedrige Energiedichte von Batterien z. B. Lithium-Ionen-Batterie mit 200 Wh/kg im Gegensatz zu Benzin mit 13.000 Wh/kg. Da der Wirkungsgrad moderner Elektromotoren bei teilweise über 95 % liegt, ist eine Energieeinsparung sehr schwierig. Eine Möglichkeit der Effizienzsteigerung bei Elektrofahrzeugen ist die Rekuperation. In diesem Prozess wird die kinetische Energie des Fahrzeuges zum Teil in wieder für den Antrieb nutzbare Energie umgewandelt und so die Reichweite und Effizienz der Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge verbessert.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Technische Grundlage
2.1 Grundlage des Elektrofahrzeugs
2.2 Funktionsweise der Rekuperation
2.3 Ladetechnologien für die Rekuperation
2.4 Vergleich mit anderen Rekuperationsarten
3 Theoretischer Hauptteil: Umwelteinflüsse theoretisch betrachtet.
3.1 Schwierigkeiten der theoretischen Betrachtung bei der Rekuperation
3.2 Theoretische Einsparungen von Kraftstoff und elektrischer Energie durch die Rekuperation
3.3 Reduktion von Feinstaub durch die Rekuperation
4 Praktischer Hauptteil: Umwelteinflüsse praktisch betrachtet
4.1 Erläuterung beider praktischen Tests
4.2 Messergebnisse der beiden Tests
5 Kritische Betrachtung
6 Fazit
Literaturverzeichnis
Anhang
1 Einleitung
Weltweit werden Elektrofahrzeuge immer beliebter. Alleine in Deutschland ist die Zahl der Elektrofahrzeuge auf rund 136.000 angestiegen und wird voraussichtlich auch weiterhin ansteigen 1. Die meisten Fahrzeughersteller bieten rein elektrische Fahrzeuge oder Plug-in-Hybridfahrzeuge an. Hauptgrund sind die an die Hersteller gerichteten CO2-Grenzwerte. So ist von einer EU-Verordnung festgelegt, dass der durchschnittliche CO2-Ausstoß neu zugelassener Fahrzeuge europäischer Hersteller bis 2021 auf maximal 95g/km sinken muss 2. Fahrzeuge im vollelektrischen Betrieb sind emissionslos und sind für Hersteller eine gute Lösung zur Senkung der Emissionen. Zudem produzieren sie weniger Feinstaub als z. B. Dieselfahrzeuge, welches ein Vorteil für von Feinstaub belastete Großstädte ist 3.
Jedoch bleibt die Reichweite ein großer Nachteil von vor allem kleineren Elektrofahrzeugen. Der Hauptgrund hierfür ist die im Vergleich zu Treibstoff niedrige Energiedichte von Batterien z. B. Lithium-Ionen-Batterie mit 200 Wh/kg im Gegensatz zu Benzin mit 13.000 Wh/kg 4. Da der Wirkungsgrad moderner Elektromotoren bei teilweise über 95 % liegt, ist eine Energieeinsparung sehr schwierig. Eine Möglichkeit der Effizienzsteigerung bei Elektrofahrzeugen ist die Rekuperation. In diesem Prozess wird die kinetische Energie des Fahrzeuges zum Teil in wieder für den Antrieb nutzbare Energie umgewandelt und so die Reichweite und Effizienz der Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge verbessert.
Die folgende Facharbeit wird unter dieser Fragestellung bearbeitet:
Welchen Nutzen und welche Einflüsse auf die Umwelt hat die Rekuperation in Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen?
Der Grund für die Wahl dieses Themas ist ein großes Interesse an der Elektromobilität. Des Weiteren ist es wichtig die Erde zu schützen, vor allem den Klimawandel zu stoppen. Dabei kann jede Art von CO2 Einsparung bedeutsam sein und neue Methoden zur Einsparung müssen erforscht werden.
Ziel dieser Arbeit wird sein, die positiven Umwelteinflüsse der Rekuperation, hauptsächlich der Einsparung von Energie und Feinstaub, herauszuarbeiten und darzustellen.
Zu Beginn werden die technischen Grundlagen von Elektrofahrzeugen und anschließend der Rekuperation erklärt. Danach gibt es eine theoretische Ausarbeitung der Umwelteinflüsse, gefolgt von den Einflüssen in der Praxis. Zum Schluss gibt es eine kritische Betrachtung und ein zusammenfassendes Fazit.
2 Technische Grundlage
In diesem Kapitel werden Grundlagen von Elektrofahrzeugen erklärt und anschließend die Funktionsweise der Rekuperation erläutert. Der Fokus in diesem Kapitel liegt auf rein Batterie-elektrisch betriebenen Fahrzeugen, jedoch gelten die meisten Konzepte auch für den elektrischen Teil der Hybrid-Fahrzeuge.
2.1 Grundlage des Elektrofahrzeugs
Jedes Elektrofahrzeug besitzt einen Elektromotor. Hierbei wird entweder ein Synchron- oder ein Asynchron-Motor verwendet, der mit Wechselstrom (AC) betrieben wird. Ein Synchronmotor kann mehr Leistung erbringen, ist dafür aber komplexer und benötigt mehr Bauraum, welcher in kleineren Fahrzeugen nicht vorhanden ist. Grund hierfür ist, dass der Synchronmotor zusätzlich Gleichstrom (DC) benötigt.
Außerdem gibt es eine Batterie, welche die elektrische Energie für den Motor liefert. Diese gespeicherte Energie kann erhöht werden, indem andere Materialien verwendet werden. Heutzutage werden Energie-optimierte Lithium-Ionen-Batterien verwendet, da diese mehr als doppelt so viel Energie speichern können, wie ältere Nickel-Metall-Hydrid-Batterien 4. Auch eine größere Batterie kann mehr Energie speichern, benötigt jedoch mehr Bauraum und Gewicht.
Zwischen Motor und Batterie liegt noch ein Frequenzumrichter. Dieser kann die Frequenz des ausgehenden Wechselstroms ändern. Durch die Änderung der Frequenz, kann die Drehzahl des Motors erhöht und verringert werden, ohne andere Parameter zu ändern.
Hinter dem Motor muss im Vergleich zu dem Otto-Motor kein mehrstufiges Getriebe verbaut werden, da der Elektromotor viel Drehmoment hat und in einem großen Drehzahlbereich die maximale Leistung erbringen kann. Nach dem Motor folgen meist ein einstufiges Getriebe und ein Differenzial, welches die Leistung auf die Räder an der Vorder- oder Hinterachse überträgt.
Bis auf einige kleinere Unterschiede in der Heiz- und Kühltechnik unterscheidet sich ein Elektrofahrzeug nur in seinem beschriebenem Antriebsstrang mit herkömmlichen, Treibstoff betriebenen Fahrzeugen.
2.2 Funktionsweise der Rekuperation
Alle Fahrzeuge bauen kinetische Energie beim Fahren auf. Diese lässt sich durch die Formel berechnen. In den meisten Fällen wird diese Energie verbraucht, indem das Auto ausrollt und durch die Reibung und die Gravitation das Auto langsamer wird und schließlich stehen bleibt. Jedoch wird diese kinetische Energie in vielen Fällen, z. B. im Stadtverkehr, in nicht nutzbare Energie, auch Anergie genannt, umgewandelt 5. Dies passiert beim Bremsen mit der Reibungsbremse. Hierbei wird durch Reibung die kinetische Energie in thermische Energie umgewandelt, welche an die Umwelt abgegeben wird und somit nicht nutzbar ist 6.
Durch die Rekuperation kann diese kinetische Energie jedoch teilweise genutzt werden. Hierfür wechselt der Elektromotor in den Generatorbetrieb. Im normalen Betrieb wird Strom in den Motor eingespeist und in mechanische Energie zum Fahren umgewandelt. Dabei ist es wichtig, dass die RMF-Drehzahl, die Drehzahl des Rotors im Inneren, kleiner ist als die Drehzahl des rotierenden Magnetfeldes außen. Bei einem Synchronmotor darf diese maximal gleich des Magnetfeldes sein. Im Generator Betrieb ist die RMF-Drehzahl jedoch größer als die Drehzahl des Magnetfeldes und durch die Lorentzkraft produziert der Motor im Generatorbetrieb Strom. Der Rotor wird durch die angetriebenen Räder zum Rotieren gebracht.
Durch die einwirkenden Kräfte auf den Rotor kommt es zu einer Verzögerung des Fahrzeuges. Die Bremskraft variiert zwischen den Fahrzeugen, aber der Audi E-Tron, ein rein elektrisches Fahrzeug von Audi, kann mit bis zu 0,3 g verzögern 7. Dies ist ausreichend für den Alltags- oder Stadtverkehr. Bei Verzögerungen über 0,3 g wird dann die Scheibenbremse stufenlos dazu geschaltet und kann, durch Reifen limitiert, bis ca. 1 g verzögern.
Der Wirkungsgrad bei der Rekuperation beträgt bei optimalen Bedingungen bis zu 90 % der Leistung des Elektromotors. Der Wirkungsgrad ist verhältnisweise niedrig, da die Energie oft übertragen wird und vor allem bei der Energiespeicherung viel Energie verloren geht. Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu erhöhen ist das Anheben der Spannung in der Batterie. Hierbei kann der Verlust niedrig gehalten werden, jedoch nimmt die Lebensdauer der Batterie schneller ab 8.
Hybrid-Fahrzeuge haben zudem noch eine weitere Art der Rekuperation. Wenn die mechanische Energie des Otto-Motors nicht genutzt wird z. B. bei einer Bergabfahrt oder im Standbetrieb, kann diese genutzt werden, um durch den Generator Betrieb elektrische Energie zurückzugewinnen 9.
2.3 Ladetechnologien für die Rekuperation
In vollelektrischen Fahrzeugen wird die rekuperierte Energie in die Hauptbatterie eingespeist. Da die Batterien in diesen Fahrzeugen energieoptimiert sind, ist ihre Lade- und Entladerate begrenzt. Des Weiteren ist die Rekuperation bei einer vollen und bei einer leeren Batterie nicht möglich, um die Batterie zu schützen. Auch wird die Rekuperation bei über 40 °C und unter 0 °C fast vollständig begrenzt, ebenfalls um die Batterie zu schützen. Somit ist das Fenster für eine optimale Rekuperation eher klein.
Bei Hybrid-Fahrzeugen ist das Laden noch ein wenig schwieriger. Sie haben oft kleine Batterien, vor allem in Mild- und Mikro-Hybriden 10. Dadurch können Sie nur mit einer niedrigen Spannung laden und sind seltener im optimalen Ladebereich. Hierdurch ist die Rekuperation weniger effektiv und wird in vielen Fällen nur zum Ersatz der Lichtmaschine genutzt.
Eine gute Möglichkeit für die Rekuperation sind jedoch die Supercaps oder auch Supercapacitor genannt. Es handelt sich hierbei um einen Doppelschichtkondensator und „da die Energiespeicherung durch Ladungstrennung erfolgt […], kann die Energie sehr schnell aufgenommen und abgegeben werden.“ (Buchroithner, A. 4). Ein Supercap hat eine sehr hohe Leistungsdichte durch den niedrigen Innenwiderstand, wie er beispielsweise bei einer Batterie vorzufinden ist. Zudem ist ein Supercap temperaturunabhängig und benötigt keine Wartungsarbeiten, da der Ladezyklus sehr hoch ist und ein Supercap somit eine sehr hohe Lebensdauer hat. Jedoch benötigt ein Supercap einen DC-DC Wandler welcher zusammen mit dem Supercap, im Gegensatz zum Generatorbetrieb der elektrischen Maschine weitere Kosten, Bauraum und Gewicht mit sich bringt.
2.4 Vergleich mit anderen Rekuperationsarten
Verglichen wird mit der Schwungrad-Rekuperation und der thermischen Rekuperation.
Beide Arten haben dieselbe Funktionsweise wie die elektrische Rekuperation. Sie wandeln beide ungenutzte Energie in wieder nutzbare Energie um. Die thermische Energie funktioniert nur in Kombination mit einem Otto-Motor. Dieser hat sehr hohe Wärmeverluste von ca. 30 % 4 (Abb. 1). Das Ziel der thermischen Rekuperation ist es diese in elektrische Energie umzuwandeln, ein Prozess der bei großen Fabriken schon lange im Einsatz ist. Jedoch benötigt die Implementierung im Auto sehr viel Bauraum und fügt viel Gewicht hinzu.
Die Schwungrad-Rekuperation funktioniert ähnlich zur elektrischen Rekuperation. Hierbei wird ein Schwungrad beim Bremsen in Drehung gebracht und anschließend zur Beschleunigung genutzt. Dieser Prozess ist sehr schnell und hat eine hohe Leistungsdichte. Auch hier ist das Problem, dass diese Methode viel Platz benötigt und sehr schwer ist. Ebenfalls führt die Drehung des Schwingrades zu starken Vibrationen, was als unangenehm empfunden werden kann. Heutzutage wird es nur noch in Formel Eins und Zwei Fahrzeugen verwendet, da Energie schnell geladen und entladen werden kann und die Leistungsdichte hoch ist.
3 Theoretischer Hauptteil: Umwelteinflüsse theoretisch betrachtet.
In diesem Kapitel werden die Umwelteinflüsse theoretisch betrachtet. Die praktische Betrachtung wird dann in Kapitel 4 geschehen. In Kapitel 3 wird mehr auf mögliche Einsparungen eingegangen, wobei diese in Kapitel 4 bestätigt oder widerlegt werden.
3.1 Schwierigkeiten der theoretischen Betrachtung bei der Rekuperation
Bei der theoretischen Betrachtung der Einflüsse der Rekuperation gibt es einige Hindernisse. Einer der Probleme ist, dass sich die Rekuperation mit dem Typen an Auto ändert. So kann ein Mikro-Hybrid kaum mehr rekuperieren als eine Lichtmaschine, wogegen ein rein elektrisches Fahrzeug die kinetische Energie mit Wirkungsgraden bis zu 90 % zurückgewinnen kann 11. Zur Vereinfachung dieses Problems werden im theoretischen Teil nur voll elektrische Fahrzeuge und Plug-in-Hybride betrachtet, da diese auch im praktischen Teil betrachtet werden.
Ein weiteres Problem ist die Strecke, die gefahren wird. Nicht alle Fahrer*innen wird gleich viel von der Rekuperation profitieren, da nur bei der Verzögerung rekuperieren werden kann. Um dieses Problem zu lösen, wird sich die Betrachtung nach dem WLTP Standard richten. Dieser hat eine Länge von 23,25 km wobei er aufgeteilt in innerorts mit maximal 60 km/h, außerorts mit maximal 90 km/h und einem Autobahnbetrieb von mindestens 90 km/h ist 12. Da ein Plug-in-Hybrid ca. 60 km ohne den Verbrenner fahren kann, wird hierbei ein Test bei voller Batterie gemacht, mit einem Verbrauch von 0l/100 km und anschließend ein Test mit leerer Batterie, bei der zum Schluss der Durchschnitt ermittelt wird. Zudem wird in Kapitel 3.2 noch auf die Bergfahrt eingegangen und im gesamten Kapitel 3.3 auf die Feinstaubreduktion.
3.2 Theoretische Einsparungen von Kraftstoff und elektrischer Energie durch die Rekuperation
3.2.1 Einsparung innerorts mit maximal 60 km/h.
Innerorts kann sehr viel rekuperiert werden. Da oft vor Ampeln oder im Stau verzögert werden muss, kann viel Energie rekuperiert werden. Zudem werden keine starken Bremsmanöver benötigt, sodass die Bremsenergie der elektrischen Maschine ausreichend ist. Bei Hybriden kann hier zusätzlich im Stand, zum Beispiel vor einer Ampel, die überschüssige Energie des Verbrenners genutzt werden, um die Batterie über den Elektromotor zu laden.
Für eine theoretische Untersuchung wurde eine Strecken Untersuchung durchgeführt (Anhang). Bei dieser wurde ein Peugeot e208 in Berlin vom Brandenburger Tor zum Bürgerpark Pankow (7,4 km) gefahren und die rekuperierte Strecke bei jedem notwendigen Stopp mit einem Rekuperationsrechner (Anhang) ausgerechnet. Mit dem Verbrauch von Peugeot angegeben von 17,6kWh/100km, kam es zu einem Ergebnis von 2,59 km, die insgesamt zurückgewonnen wurden. Zu betrachten ist jedoch, dass der Verbrauch in der Stadt ansteigt, wodurch es in der Praxis weniger sein wird. Da der Verbrauch innerorts nicht gegeben war, gibt es keine Berechnungen.
3.2.2 Einsparungen außerorts mit maximal 90 km/h.
Die Einsparung außerorts hält sich eher gering. Auch wenn die Geschwindigkeit und damit eingehend die kinetische Energie höher sind, kann diese selten zurückgewonnen werden. Es gibt wenige Ampeln und durch die hohe Geschwindigkeit reicht die Bremskraft der elektrischen Maschine nicht aus, um das Auto vollständig zum Stehen zu bringen, weshalb die mechanischen Scheibenbremsen zum Einsatz kommen müssten. Bei den meisten Verzögerungen handelt es sich um Verzögerungen vor Kurven. Hierbei kann nur ein Teil rekuperiert werden, da nicht auf 0 km/h gebremst wird.
Da die Landstraßen sehr unterschiedlich sind, können hier keine Bespielrechnungen gemacht werden.
3.2.3 Einsparungen im Autobahnbetrieb mit mindestens 90 km/h.
Auf der Autobahn ist die Einsparung gleich Null. Nur im Stau und bei Geschwindigkeitswechsel gibt es die Möglichkeit der Rekuperation. Da dies jedoch nur ein Bruchteil einer Autobahnfahrt entspricht, sind die Einsparungen zu vernachlässigen. Bei Ausfahrten wird die Scheibenbremse benötigt, daher ist auch kein Rekuperationspotenzial vorhanden.
3.2.4 Einsparungen bei einer Bergfahrt.
Bei der Bergfahrt können sehr große Einsparungen erreicht werden. Da sich die kinetische Energie bei einer Bergabfahrt ohne die Einspeisung elektrischer Energie erhöht, kann mit Wirkungsgraden über 100 % rekuperiert werden. Dies geschieht, weil Energie zurückgewonnen wird, die vorher nicht zum Beschleunigen genutzt worden ist. Des Weiteren kann bei einer Bergabfahrt das „Segeln“ genutzt werden. Hierbei wird die Rekuperation konstant verändert, um die Geschwindigkeit ohne das Gaspedal und die Bremsen gleich zu halten, ähnlich wie bei einem Tempomat. Zudem sind die Verzögerungen durch die größere kinetische Energie schwieriger für die Bremsen, welche durch die elektrische Maschine entlastet werden können.
3.3 Reduktion von Feinstaub durch die Rekuperation
Auch wenn es in Großstädten Dieselfahrverbote gibt und Elektroautos mit 0 Gramm Emissionen werben, geben alle Autos Feinstaub ab. Die Feinstaubbelastungen mit 85 % in Großstädten kommen von Reifen, Bremsen und Straßenabrieb. Weiterhin muss Feinstaub unterschieden werden. Der Feinstaub von Motoren ist PM2,5 (kleiner als 2,5 Mikrometer). Dieser liegt weit unter den maximalen Werten. Die gefährliche Feinstaubsorte ist PM10. Diese kommt von Bremsen, Reifen und Straßen und ist weit über ihrem maximalen Wert. 13
Hierbei kann die Rekuperation helfen. Da es beim rekuperieren zudem zur Verzögerung kommt, werden die Scheibenbremsen nicht oder nur wenig benutzt. Dadurch kann eine Quelle von PM10 Feinstaub vermindert werden. Bei normalen Bremsmanövern von 30 bis 50 km/h reichen die bis zu 0,3g Bremskraft einer elektrischen Maschine aus. Die Scheibenbremse wird nur für Notbremsungen benötigt.
Auch in der Bergfahrt kann die Scheibenbremse entlastet werden. Vor allem bei schwereren Fahrzeugen zum Beispiel SUVs produzieren die Bremsen viel Hitze, welches zu mehr Verschleiß führt.
4 Praktischer Hauptteil: Umwelteinflüsse praktisch betrachtet
Für die praktische Untersuchung wurden zum Teil eigene Untersuchungen mit einem VW Passat GTE Plug-In Hybrid genutzt, bei dem kurzen Strecken verglichen wurden. Zum größeren Teil werden hier Ergebnisse der Quelle 14 genutzt.
4.1 Erläuterung beider praktischen Tests
Bei den eigenen Testergebnissen wird eine kurze Strecke von ca. 15 km betrachtet. Hierbei handelt es sich um einen Arbeitsweg, der bei der Hinfahrt stark bergab verläuft. Getestet wurde nur im rein elektrischen Betrieb, bei einmal maximaler Rekuperation und einmal minimaler Rekuperation, da sich im Testwagen die Rekuperation nicht vollständig abschalten ließ.
Bei den Testergebnissen von Philipp Nicolai Spichartz handelt es sich um Messungen innerhalb seiner Dissertation. Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Verkehr gefördert. Getestet wurden insgesamt 500 Fahrzeuge über ein Jahr mit einer Gesamtstrecke von 785.000km. Getestet wurden Opel Amperas, Mitsubishi i-MiEVs und Peugeot iOns. Beim Opel Ampera wurden nur die rein elektrisch gefahrenen Kilometer betrachtet. Zu beachten ist, dass es sich bei den getesteten Elektrofahrzeugen um ältere Generationen handelt, da die Elektroindustrie sich schnell entwickelt und es effizientere Fahrzeuge gibt. Neuere Fahrzeuge können zudem mehr rekuperieren
4.2 Messergebnisse der beiden Tests
Bei den eigenen Messungen können sehr gute Werte auf der Hinfahrt gemessen werden. Durch das starke Gefälle kann bei maximaler Stufe viel Energie zurückgewonnen werden. So war auf minimaler Stufe der Verbrauch bei 3,5 kWh/100km und auf maximaler Stufe der Verbrauch bei -0,3 kWh/100km, da mehr Energie zurückgewonnen wurde durch das Gefälle, als vom Fahrzeug verbraucht wurde. Auf dem Rückweg liegt der Verbrauch bei beiden Stufen ungefähr gleich bei 16,8 kWh/100km. Bei längeren Fahrten über den 50km des rein elektrischen Antriebes kann das Fahrzeug weiterhin rekuperieren. Nach Angaben des OnBoard Systems gibt es hier Kraftstoff Einsparungen von ca. 10 %.
Bei den Messergebnissen der Dissertation wurden zunächst Verzögerungen im Stadtverkehr simuliert. Hierbei wurden Bremsvorgänge von 50 km/h bis zum Stillstand mit verschiedenen Bremsbeschleunigungen durchgeführt. Die Massen der beiden Fahrzeuge beträgt Opel Ampera: 1732 kg, Peugeot iOn: 1140 kg. Aus jeweils vier Bremsvorgängen bei unterschiedlicher mittlerer Bremsbeschleunigung entstanden folgende Ergebnisse:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2
Zu bedenken ist, dass moderne Elektrofahrzeuge Rekuperationsraten von bis zu 90 % bekommen können.
Jedoch zeigt sich hier, wie es im theoretischen Teil vermutet wurde, dass die Rekuperationsraten bei niedrigen Bremsbeschleunigungen, Beispielsweise im Stadtverkehr, sehr hoch sind und daher die Einsparungen ebenfalls hoch ausfallen.
Gleichzeitig zeigt sich auch, dass bei höheren Bremsbeschleunigungen, welche beim Fahren auf der Landstraße notwendig sind, die Rekuperation gering ausfällt. Somit auf ist dasselbe Ergebnis wie im theoretischen Teil herausgekommen, und zwar dass fast ausschließlich im Stadtverkehr Einsparungen erzielt werden können.
Auch gut zu sehen ist, dass bei Bremsvorgängen über 0,3 g (2,94 m/s²), das heißt wenn die Scheibenbremsen aktiv werden, die Rekuperationsrate einbricht. Dies geschieht, da die Scheibenbremsen dann verzögern und nicht mehr die elektrische Maschine.
Ein weiteres Merkmal zeigt sich im Praxistest ebenfalls. Der Hauptanteil der Rekuperation kommt durch das One-Padel-Driving. Hierbei wird nur mit dem Gaspedal gefahren und das Bremsen geschieht ausschließlich durch die elektrische Maschine.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3
Hier lässt sich erkennen, dass um 0 % Pedalweg die meiste Energie zurückgewonnen wird. Ebenfalls wird mehr Energie zurückgewonnen, wenn schneller gefahren wird, da sich Ekin erhöht.
5 Kritische Betrachtung
Da die Rekuperation kompromisslos ist, gibt es wenig bei der kritischen Betrachtung zu beschreiben.
Jedoch kann die Rekuperation ein Problem haben, welches fahrerabhängig ist. Bei einigen Elektroautos muss die Stärke der Rekuperation manuell eingestellt werden. Wenn auf der Autobahn vom Gas gegangen wird, wird das Auto nach der voreingestellten Stufe abbremsen. Daraufhin muss wieder beschleunigt werden. Da die Rekuperationsleistung aber niedriger als die Beschleunigungsleistung ist, bedeutet dies einen Energieverlust. Wird viel auf der Autobahn gefahren, kann dies ein deutlicher Energieverlust sein und das Fahrerlebnis ist eingeschränkt.
Auch kann die Rekuperation, vor allem bei höheren Bremsbeschleunigungen, nicht ihr volles Potenzial ausnutzen und kann nur wenig Energie zurückgewinnen. Es ist zurzeit noch nicht möglich, auch diese hohen Bremsbeschleunigungen ausschließlich mit der elektrischen Maschine durchzuführen. Das bedeutet, dass die Scheibenbremse immer noch benötigt wird und weiterhin Feinstaub produzieren kann.
6 Fazit
Die Rekuperation ist ein wichtiger Bestandteil moderner Elektrofahrzeuge. Es ist einer der wichtigsten Vorteile gegenüber Verbrennerfahrzeugen. Die Möglichkeit Energie zurückzugewinnen erlaubt es Elektrofahrzeugen höhere Reichweiten zu bekommen und noch umweltfreundlicher zu werden. Dies kann die Beliebtheit der Elektrofahrzeuge in Deutschland steigern, welches wichtig für die gesetzten Klimaziele ist. Zudem sind auch durch die Verzögerungen der elektrischen Maschine Senkungen von Feinstaub möglich. Dies ist besonders in Großstädten wichtig, die gesundheitsgefährdende Mengen an Feinstaub in der Luft haben. Wichtig ist es jetzt als Ziel zu haben, die Effizienz zu steigern und das Bremsen mit höheren Bremsbeschleunigungen möglich zu machen. Es könnte in Zukunft möglich sein, Elektrofahrzeuge ohne jegliche Scheibenbremsen vorzufinden. Dies wäre ein wichtiger Schritt mehr CO2 einzusparen und begrenzte Ressourcen zu schützen. Das Hauptziel der Elektromobilität ist eine vollständig emissionslose Mobilität und die Rekuperation ist ein wichtiger Schritt dahin.
Literaturverzeichnis
2 ADAC & Deutscher Bundestag. (2017, Dezember). ADAC Position zur Festlegung neuer Pkw CO2-Grenzwerte post 2020. https://www.bundestag.de/resource/blob/561114/595b2167a4da0db5e89ec0946ba54af3/19-16-68-D_Anhoerung_CO2-Emissionen_ADAC-data.pdf
7 AUDI AG. (2018, November). Audi Technology Portal - Audi e-tron – Rekuperation. Audi Technology Portal. https://www.audi-technology-portal.de/de/mobilitaet-der-zukunft/audi-future-lab-tron-experience/audi-e-tron-rekuperation (zuletzt abgerufen: 16.01.2021)
5 Buchholz, M. (2019). Energie – Wie verschwendet man etwas, das nicht weniger werden kann? (2., erweiterte und korrigierte Aufl. 2019 Aufl.). Springer.
4 Buchroithner, A. & Bader, M. (2012, November). Systematische Analyse von Hybridfahrzeugen mit Schwungradspeicher unter Erfassung von Entwicklungstendenzen (Diplomarbeit, Verkehrstechnik). researchgate. https://www.researchgate.net/publication/278020083_Systematische_Analyse_von_Hybridfahrzeugen_mit_Schwungradspeicher_unter_Erfassung_von_Entwicklungstendenzen
6 Heimann, S. (2011, Dezember). Methodische Ansätze zur Untersuchung des Restbremsmomentes von Scheibenbremsen (TU Ilmenau, Hrsg.; Dissertation, Maschinenbau). db thueringen. https://www.db-thueringen.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dbt_derivate_00026056/ilm1-2012000211.pdf
9 Kanzian, M. (2010). Hybridantriebe in Personenkraftwagen (Diplomarbeit, Maschinenbau/Konstruktion). docplayer. https://docplayer.org/11904609-Hybridantriebe-in-personenkraftwagen-diplomarbeit.html
12 Kroher, T. (2021, 22. Januar). WLTP statt NEFZ: Mehr Transparenz und höhere Steuern. ADAC-Verkehr. https://www.adac.de/verkehr/abgas-diesel-fahrverbote/abgasnorm/wltp-messverfahren/ (zuletzt abgerufen: 23.01.2021)
8 Lange, S. & Schimanski, M. (2006, Oktober). Energiemanagement in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben (Dissertation, Elektrotechnik und Informationstechnik). TU Braunschweig. https://publikationsserver.tu-braunschweig.de/servlets/MCRFileNodeServlet/dbbs_derivate_00004085/Dissertation.pdf
11 Porsche AG. (2021). Porsche Taycan - Porsche Deutschland. Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG - Porsche Deutschland. https://www.porsche.com/germany/models/taycan/taycan-models/?gclid=CO7H8KH63u0CFY4eGwodcpcC_Q#performance%7Eopen (zuletzt abgerufen: 23.01.2021)
10 Reif, K., Noreikat, K. E. & Borgeest, K. (2012). Betriebsstrategien [E-Book]. In Kraftfahrzeuge-Hybridantriebe (1. Aufl., S. 301–302). Springer Vieweg. https://doi.org/10.1007/978-3-8348-2050-1
14 Spichartz, P. N. (2019, August). Rekuperationsstrategien zur Steigerung der Energieeffizienz in Elektrofahrzeugen (Dissertation, Elektrotechnik und Informationstechnik). Ruhr Universität Bochum. https://doi.org/10.13154/294-6540
1 Statista. (2020, 9. Dezember). Zugelassene E-Autos in Deutschland bis 2020 [Datensatz]. Martin Kords. https://de.statista.com/statistik/daten/studie/265995/umfrage/anzahl-der-elektroautos-in-deutschland/
3 Umwelt Bundesamt Deutschland. (2019, 17. Juni). Daten zur Luftqualität 2018: 57 Städte über dem NO2-Grenzwert [Pressemeldung]. https://www.umweltbundesamt.de/presse/pressemitteilungen/daten-zur-luftqualitaet-2018-57-staedte-ueber-dem
13 Vieweg, C. (2017, 17. Februar). Feinstaub : Die Motoren sind nicht das Problem. Zeit Online. https://www.zeit.de/zustimmung?url=https%3A%2F%2Fwww.zeit.de%2Fmobilitaet%2F2017-02%2Ffeinstaub-motoren-luftverschmutzung-reifen-abrieb-bremsen
Anhang
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1 Sankey-Diagramm 4
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2 Tabelle von Bremsbeschleunigungen von 50-0 km/h14
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung3 Graph der Gemessenen Rekuprationsenergie 14
[...]
- Quote paper
- Anonymous,, 2021, Die Rekuperation bei Elektro- und Hybrid-Fahrzeugen. Nutzen und Auswirkungen auf die Umwelt, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1010275
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