Elektromotor & Akku
Wie funktioniert ein Elektromotor?
Die Drehbewegung eines Elektromotors beruht auf den Kräften, die verschiedene Magnetfelder aufeinander ausüben. Kurz gesagt wandelt ein Elektromotor die Kraft, die von einem Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter einer Spule ausgeübt wird, in Bewegungsenergie um. Damit ist der Elektromotor das Gegenstück zum Generator. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren stellen Elektromotoren über einen großen Drehzahlbereich ein gleichmäßiges Drehmoment stufenlos zur Verfügung – ein Getriebe oder eine Kupplung sind dabei ebenso wenig notwendig wie eine Abgasanlage. Der hohe Wirkungsgrad hat zur Folge, dass auch die Abwärme – verglichen mit der eines Verbrennungsmotors, gering ausfällt. Das eigentliche „Herz“ eines Elektroantriebs stellt jedoch der Energiespeicher, meist in Form von Akkumulatoren, dar, die den Strom für den Elektromotor liefern.
Ist die Technik tatsächlich schon ausgereift?
Vor allem als platz- und gewichtssparende Radnabenmotoren gelten E-Motoren als äußerst ausgereift. Das liegt nicht zuletzt daran, dass der Elektromotor sogar einige Jahrzehnte früher erfunden wurde als der Verbrennungsmotor. Bereits 1834 entwickelte Hermann Jacobi den ersten praxistauglichen, 220 Watt starken Elektromotor, 1837 erhielt der US-Amerikaner Thomas Davenport das weltweit erste Patent. Der erste Verbrennungsmotor wurde hingegen erst 1875 von Nicolaus August Otto gebaut (daher Ottomotor). Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts lagen Elektro- und Verbrennungsmotoren etwa gleichauf. Um 1900 waren in den USA 40 Prozent der Automobile Dampfwagen, 38 Prozent Elektrowagen und lediglich 22 Prozent Benzinwagen. Erst danach wurden die Fahrzeuge mit Elektromotor von solchen mit Verbrennungsmotor schrittweise verdrängt. Elektroautos, die auf die schweren Akkus mit langen Ladezeiten angewiesen waren, konnten mit der Reichweite von Autos mit Kraftstoffmotoren nicht mithalten.
Wer braucht schon Elektromotoren? Wir sind doch bisher auch ganz gut ohne sie ausgekommen, oder?
Nicht wirklich. In der Industrie werden Elektromotoren seit über einem Jahrhundert vor allem zum Antrieb verschiedener Arbeitsmaschinen und Schienenfahrzeuge eingesetzt. Aber auch zahlreiche Dinge des täglichen Lebens – ob Rasierapparat, Mixer, Staubsauger oder Waschmaschine – würden ohne Elektromotoren nicht funktionieren. Ebenso wie Aufzüge, Oberleitungsbusse oder gigantische Kreuzfahrtschiffe – überall sorgen hochentwickelte Elektromotoren für den Antrieb. Selbst Kinder besitzen oft sogar mehrere Elektroautos – denn auch die berühmte Carrera-Rennbahn funktioniert nach diesem Prinzip.
Sind Elektromotoren zuverlässig genug, um ein Fahrzeug anzutreiben?
E-Motoren besitzen erheblich weniger bewegliche Teile als Verbrennungsmotoren, sind generell einfacher aufgebaut und daher in der Regel weniger defektanfällig. Auf den Antriebsteil bezogen sind elektrisch angetriebene Fahrzeuge sehr wartungsarm – auch Ölwechsel sind nicht notwendig. Lediglich die Akkus haben, abhängig von Typ und Beanspruchung, eine kürzere bis ähnliche Lebensdauer wie Verbrennungsmotoren.
Ist ein E-Motor tatsächlich stark genug, um ein Fahrzeug anzutreiben?
Mehr als das! Zahlreiche Beispiele, etwa das des kalifornischen Elektrosportwagens Tesla oder einer modernen Elektro-Lokomotive beweisen, dass Elektrofahrzeuge durch die bauartbedingten Vorteile vergleichbaren Benzinern bei Drehmoment, Leistung und Beschleunigung sogar deutlich überlegen sind.
Kann ein E-Motor beim Wirkungsgrad mit einem modernen Verbrennungsmotor mithalten?
E-Motoren zeichnen sich nicht nur durch sehr hohe Effizienz über einen großen Leistungsbereich aus, sondern auch durch ein günstiges Verhältnis von Leistung zu Gewicht. Im direkten Vergleich sind die Wirkungsgrade von E-Motoren (zwischen 60 und 95 Prozent) deutlich höher als die von Benzinern (etwa 20 Prozent) und selbst modernsten Dieselaggregaten mit Direkteinspritzung (bis zu 45 Prozent). Besonders gravierend ist der Unterschied bei Teilbelastung: Da Autos im Stadtverkehr fast ausschließlich unter Teillast fahren, spielen E-Motoren hier ihre Vorzüge besonders aus. In vielen Eigenschaften ist der Elektromotor einem Verbrennungsmotor sogar überlegen. Dazu zählen der einfachere Aufbau des Antriebsstrangs, das geringere Gewicht und die geringere Geräuschentwicklung.
Wird die Leistung von Elektromotoren auch in PS gemessen?
Im Normalfall wird die Leistung in Watt (W) oder Kilowatt (kW) angegeben, der einzigen offiziell anerkannten metrischen Einheit für Motorenleistung. 1 Kilowatt entspricht 1,35962 Pferdestärken (PS). Obwohl sich die PS noch immer im allgemeinen Sprachgebrauch hält, sind sie seit 30 Jahren keine gesetzliche Einheit mehr. So darf in der Automobilwerbung PS lediglich als Zusatzangabe zu kW geführt werden. Ab 1. Jänner 2010 sind PS in der gesamten EU nicht mehr zulässig.
Was ist der Unterschied zwischen Batterie und Akkumulator?
Batterie ist eine Sammelbezeichnung für Energieträger, die auf chemischer Basis Strom abgeben – dazu zählen nicht wiederaufladbare Einwegbatterien ebenso wie die wiederaufladbaren Akkus. Akkus sind elektrisch aufladbare Batterien, Batterien sind dagegen nicht immer elektrisch aufladbar. Es ist also richtig, zu einem Akku Batterie zu sagen, aber nicht jede Batterie ist deswegen ein Akku.
Können überhaupt so viele Akkus hergestellt werden, wie man bräuchte, sollte das Elektrofahrzeug die Autos mit Verbrennungsmotoren ablösen?
Über einen eventuellen Mangel an Lithium muss man sich keine Gedanken machen. Schon die bisher bekannten Vorkommen würden ausreichen, um zwei Billionen Elektroautos mit Lithium-Akkus anzutreiben.
Was sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren eigentlich genau und welche Vorteile bieten sie?
Ein Lithium-Ionen-Akkumulator ist ein Akku auf Basis von Lithium. Er zeichnet sich durch hohe Energiedichte aus, ist thermisch stabil, liefert über den gesamten Entladezeitraum eine konstante Spannung, hat eine geringe Selbstentladung und unterliegt keinem Memory-Effekt. So wird der Kapazitätsverlust bezeichnet, der bei sehr häufiger Teilentladung von Nickel-Cadmium-Akkus auftritt und zum verfrühten Ausfall des Akkus führt.
Wie lange benötigen die Akkus in Elektrofahrzeugen zum Laden?
Die vergleichsweise lange Ladedauer von mehreren Stunden ist derzeit noch das größte Manko der Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Das liegt daran, dass die Ionen in den Akkus relativ lange brauchen, um ihre elektrische Ladung zu transportieren. ElectroDrive will diesen Nachteil durch das engmaschige Netz von Ladestationen augleichen – so kann das Elektrofahrzeug geladen werden, während man etwa arbeitet oder einkauft.
Wie schaut die Zukunft der Akkus aus?
Zahlreiche Forscher auf der ganzen Welt arbeiten derzeit mit Hochdruck an einer neuen Generation von Akkus, die wesentlich schneller wiederaufladbar sein sollen. So experimentieren Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) derzeit mit Lithium-Eisen-Phosphat als Kathodenmaterial. Die Akkus der Zukunft sollen somit binnen Minuten aufgeladen sein. Seriöse Kommentatoren erwarten die Marktreife in zwei bis drei Jahren.