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EmobilityPads - Projekt zur Verbesserung der Kundenfreundlichkeit von e-Mobilität

EmobilityPads - Projekt zur Verbesserung der Kundenfreundlichkeit von e-Mobilität
TI-012 2017 Klemens Hofer

Ziele/Ideen

Züge, Obusse & Straßenbahnen werden in der Regel auf 2 Arten gebremst. Die Bremsung erfolgt entweder über eine Luftdruckbremse via Stahlbacken oder über eine Elektro- bzw. Rekuperationsbremse, bei der die vorhandene Bewegungsenergie wieder in elektrische Energie rückverwandelt wird. Der Elektromotor übernimmt dabei die Rolle eines Generators. Der Vorteil dieser Art des Bremsens liegt darin, dass sie nahezu abnützungsfrei vor sich geht. Bei der Nutzung von rekuperativer Energie ergeben sich aber folgende Probleme,
die einer Lösung zugeführt werden müssen.

a) Diese Art der Energie ist immer verfügbar, wenn wenige potentielle Abnehmerinnen und Abnehmer in unmittelbarer Nähe im Netz sind.

b) Bei einem aus dem obigen Grund auftretenden Energieüberschuss muss die Abführung überschüssiger Energie in Form von Wärme erfolgen und geht somit verloren.

Im Bereich der Elektromobilität ergeben sich folgende Probleme.

a) Die Speicherung von elektrischer Energie stellt noch immer einen großen Kostentreiber in der Elektromobilität dar.

b) Die relativ kurzen Reichweiten setzen der Elektromobilität immer noch Grenzen in Bezug auf Erreichbarkeit und unbegrenzter Mobilität.

c) Lange beziehungsweise längere Ladezeiten stehen in zeitlicher Konkurrenz zu Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen.

d) Das hohe Gewicht der Akkus und der damit einhergehende geringe Energiegehalt vereinfacht diese Konkurrenzsituation kaum bis gar nicht.

Ein kurzes Rechenbeispiel aus dem Vortrag von Herrn Diplomingenieur
Randacher seitens der Fachhochschule St. Pölten bei uns an der Schule:

Zum Betrieb eines Elektroautos braucht man eine Leistung von 15-20 kWh.
1 Akkumulator mit der Leistung von 1 kWh hat eine Masse von ca. 6 kg.
Für eine Leistung von 80 kWh müsste man eine Masse von 480 kg und für
eine Leistung von 100 kWh eine Masse von 600 kg in Kauf nehmen.
1l Diesel hingegen wiegt ca. 0,80 kg und liefert eine Leistung von ca. 10
kWh. Der Wirkungsgrad von Dieselmotoren ist ca. 30%. Wir bekommen
also von 100l Diesel nur für 30 l reine Bewegung. Der Rest verpufft als
Wärmeenergie in der Umwelt. Eine Tankladung von ca. 50 l hat eine
Masse von 40 kg. Durch einen Wirkungsgrad von 30% bekommen wir von
50 l Diesel nur für 15 l Bewegung und diese haben eine Masse von 12 kg.
Außerdem liefern diese 15 l Diesel eine Leistung von 150 kWh.
Elektroauto: Leistung: 100 kWh -> Masse des Akkus: 600 kg
Dieselauto: Leistung: 150 kWh -> Masse des Diesels: 12 kg

Kurzbeschreibung

Der Lösungsansatz für die unten in der Ausgangslage beschriebene Problemstellung basiert auf Smart Grid-Technologie (kleine & lokale bzw. regionale Netze, in denen Erzeugung, Speicherung und Verbraucher nahe beieinander sind) und inkludiert Akkupad, Akkupadladestationen inklusive Steuerung, & Akkupadfach für KFZ. Das Prinzip des Austauschens des Akkumulators wie bei einem Akkuschrauber wird dabei auf Elektrofahrzeuge übertragen. Es wird nicht mehr das komplette Auto zum Laden benötigt, sondern
es werden lediglich die Akkupads ausgetauscht. Vor allem das Problem der Reichweite & der Ladezeiten könnte damit zumindest zu großen Teilen gelöst werden.

Resultate

Luftverschmutzung, Klimawandel und Rohstoffabhängigkeit gehören zu einer langen Liste an Herausforderungen im Mobilitätsbereich, denen wir uns national und international stellen müssen. Der Straßenverkehr ist ein Hauptverursacher von hohen Emissionen – 2011 stammten mehr als ein Viertel aller Kohlendioxidemissionen Österreichs aus dieser Quelle.
Im Umkehrschluss ist dort auch der Hebel zur Problemlösung am größten. Um Mobilität klimafreundlicher und effizienter zu gestalten, sind viele Schritte nötig: dies beginnt beim Ausbau des öffentlichen Verkehrs, der Förderung des Rad- und FußgängerInnenverkehrs und geht bis hin zu neuen Mobilitätsangeboten wie Sharing-Systemen und einer darauf ausgerichteten Stadtplanung. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Förderung alternativer Antriebstechnologien im Straßenverkehr. Die für eine Trendwende benötigten neuen Technologien sind vorhanden und am Markt verfügbar. Forschungsprojekte entwickeln die Technologien und Konzepte weiter. Alle großen Autohersteller haben Modelle mit alternativen Antrieben auf dem Markt – viele neue Modelle sind angekündigt. Die Zulassungszahlen für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben steigen zwar deutlich, bleiben aber gemessen am Gesamtbestand von Fahrzeugen noch gering.
Im Jahr 2016 wurden bis zum 4. Quartal 329.604 Pkws des Typs M1 (PKW) zugelassen. Davon waren 3.826 Elektro- und 1.237 Plug-In Hybrid-Fahrzeuge.
Somit konnte das Ergebnis von 2015 (2.787 Elektrofahrzeugen) mit nunmehr 5.068 um 2.281 Fahrzeuge (+81,84 %) gesteigert werden.
Im Jahr 2016 ist der Anteil von Elektrofahrzeugen auf 1,54% an der Gesamtzahl der Neuzulassungen des Fahrzeugtyps PKW angewachsen.
So positiv diese Steigerung auch erscheinen mag, wird sie jedoch nur geringen Einfluss auf die Reduktion der Kohlendioxidemissionen, die als einer der Hauptverursacher des Treibhauseffektes gelten, haben.

Was sind aber die Gründe für die eher schleppend anmutende Umstellung auf Elektroautos?

Einer der Aspekte ist sicherlich ein finanzieller aufgrund der hohen Mehrkosten für die Akkumulatoren. Als ein Schritt, um dieses Hemmnis etwas zu minimieren, könnte nach deutschem Vorbild der so genannte Nachteilsausgleich durch Abzug der Batteriemehrkosten eingeführt werden. Hier werden die derzeitigen Mehrkosten für Elektrofahrzeuge berücksichtigt und von der Steuerbemessungsgrundlage abgezogen. Diese Möglichkeit gäbe es auch für Fahrzeuge mit Akkupads.
Was ist aber mit den eingeschränkten Reichweiten und längeren Ladezeiten? Akkumulatoren werden aufgrund des technischen Fortschrittes immer ausgefeilter, jedoch gehen mit der Effizienzsteigerung auch Preissteigerungen einher.
Die Reichweite von Elektroautos hängt davon ab, wie groß der Akku ist. Bei den meisten Elektroautos ist er für eine Reichweite von 100 bis 220 km ausgelegt.
Bei batterieelektrischen e-PKWs (BEV) beträgt die Reichweite im Normversuch zwischen 150 und 220 km, in Ausnahmefällen bis 500 km.
Da die Testbedingungen im Normversuch die Alltagsfahrbedingungen nur sehr beschränkt widerspiegeln, sind die Reichweiten in der Praxis häufig um 20 % niedriger.
Hier spielen Fahrprofil, Fahrgeschwindigkeit, Beladung und speziell auch die Fahrgastraumheizung im Winter eine Rolle.
Alle Fahrzeuge haben ein eingebautes Ladegerät. Dieses ermöglicht es, das Fahrzeug am Wechselspannungsnetz aufzuladen. Die meisten e-Fahrzeuge haben auch die Möglichkeit mittels Schnellladung an speziellen Ladesäulen zu tanken.
Modellspezifisch gibt es Unterschiede bei den eingebauten Ladegeräten, von einphasig mit 14,5 A (3,2 kW) bis dreiphasig mit 63 A (43 kW).
Bei einigen Modellen sind auch gegen Aufpreis stärkere Ladegeräte verfügbar. Häufig ist das eingebaute Ladegerät für Langsam-Ladung ausgelegt, das entspricht einer Ladedauer von 6 bis 9 Stunden, bis der Akku wieder voll ist. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit an speziellen Schnellladesäulen, in denen das Ladegerät eingebaut ist, den Fahrzeug-Akku direkt mit Gleichspannung schnell aufzuladen. Die Ladedauer bei 50 kW Leistung beträgt dann nur ca. 30 Minuten für ca. 80 % Kapazität. Es gibt allerdings auch Fahrzeughersteller, die ausschließlich über das bordeigene System mit Wechselspannung schnellladen können.
Angenommen man will mit seinem Elektroauto von Wien nach Berlin fahren und findet ideale Fahrzeug- und Fahrbedingungen (Schnellladung in 30 min & Reichweite von 220 km) vor, beträgt die reine Fahrzeit für die 680 km lange Strecke um 1 Stunde 45 Minute mehr als mit dem Personenkraftwagen mit Verbrennungskraftmaschine, die laut Routenplaner ca. 7 Stunden und 17 Minuten dauern würde.
Bei einer Dauer von ca. 10 min pro Akkutauschvorgang käme man bei der Akkupadlösung nur mehr auf einen Zeitverlust von 35 Minuten und hätte damit einen Zeitgewinn von 1 Stunde 10 Minuten.
Somit wären zwei große Hemmnis für Elektromobilität (Reichweite & Ladezeiten) überwindbar, was einen positiven Effekt auf die Kauf - & Zulassungsrate haben wird.

Einreicher

Polytechnische Schule Mistelbach Herr Klemens Hofer Conrad Hötzendorf-Platz 2 2130 Mistelbach http://pts-mistelbach.ac.at/ +43(0)664 105 80 11 klemens_h@yahoo.com

Partner

Fachhochschule St. Pölten GmbH - Department Bahntechnologie und Mobilität: Fachliche Expertise & 2 Workshops zum Thema Elektromobilität

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