Suchen

Schlüsseltechnologien für Elektrofahrzeuge – Ein Ausblick auf das Jahr 2030

| Autor / Redakteur: Mark Patrick / Benjamin Kirchbeck

Wenn es um Alternativen zu konventionellen Antriebslösungen geht, haben batterieelektrische Fahrzeuge derzeit die Nase im Vergleich zu wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen-Fahrzeugen vorn. Doch wie wird die automobile Zukunft im Jahr 2030 aussehen?

Firmen zum Thema

Wie sieht die Automobillandschaft bis 2030 aus und welche aktuellen technologischen Forschungsergebnisse können bis dahin wirklich vermarktet werden?
Wie sieht die Automobillandschaft bis 2030 aus und welche aktuellen technologischen Forschungsergebnisse können bis dahin wirklich vermarktet werden?
(Bild: Clipdealer)

Regierungen und Industrie versuchen, sich von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren zu lösen. In diesem Zusammenhang wurde im Rahmen dieser sechsteiligen Serie einige der technologischen Fortschritte im Automobilbereich vorgestellt. Abgesehen von Faktoren wie Luftwiderstand und Gewicht von Fahrzeugkomponenten, die nicht mit den elektrischen Antriebssystemen in Zusammenhang stehen, sollen Reichweitenverbesserungen bei BEVs vor allem durch Fortschritte in der Energiespeicherung und Energieumwandlungstechnologie erreicht werden. Welche Erwartungen können dabei erfüllt werden und welche bleiben vorerst eher Wunschdenken?

Verbesserungen der Batterie

Durch Fortschritte in den Bereichen Batteriechemie und Materialien wird die Leistung von Batterien weiter verbessert. Die derzeitige Li-Ionen-Technologie hat in Bezug auf die Energiedichte noch Optimierungspotenzial. Die Akkus der nächsten Generation könnten auf eine Lithium-Schwefel (Li-S)-Technologie setzen, aber die derzeitigen Designs führen dazu, dass sich die Elektroden während des Betriebs zersetzen.

Die Verwendung von Glutamat mit den Elektroden ist vielversprechend, aber jede erfolgreiche Lösung muss auch kommerziell umsetzbar sein. Insgesamt sollten Technologien mit Lithium-Schwefel, Festkörper mit einer Lithium-Anode wie auch Lithium-Luft (Li-O2) in der Lage sein, die Energiedichte gegenüber den heutigen Batterien zu verdoppeln.

Angesichts der Vorlaufzeit, die benötigt wird, um eine Technologie bis zur Serienreife zu bringen, ist es unwahrscheinlich, dass die Automobilindustrie in zehn Jahren über Li-Ion hinausgekommen sein wird.

SiC-Verbesserungen

Die Zuverlässigkeit und Leistung neuer Materialien mit großer Bandlücke, wie Siliziumkarbid (SiC), hat sich in den letzten zehn Jahren erheblich verbessert. Bei automobiltauglichen Versionen dieser Technologie werden die IGBTs in Umrichtern in Verbindung mit kontinuierlichen Fortschritten beim Packaging größtenteils durch SiC-MOSFETs ersetzt. Dies wird es den Entwicklern ermöglichen, höhere Schaltfrequenzen zu verwenden. Der geringere Wärmeableitungsbedarf wiederum dürfte eine gewisse Gewichtsersparnis bringen, was zu einer geringfügigen Verbesserung der BEV-Reichweiten führen wird.

Eine von Rohm Semiconductor durchgeführte Simulation hat gezeigt, dass der Wechsel von einem IGBT zu einem SiC-Umrichter mit einem 100-kW-Motor die Reichweite von 159 auf 177 km erhöht. Dies würde die Reichweite der erschwinglichsten BEVs im Jahr 2030 im Vergleich zu den heutigen Schätzungen um nur 10 % erhöhen.

Im High-End-Bereich gibt es zwar bereits heute BEVs, die eine Reichweite von 600 km theoretisch erreichen können, doch ist es unwahrscheinlich, dass alleine SiC-Fortschritte solche Reichweiten für den Massenmarkt umsetzbar und erschwinglich machen.

Gewicht reduzieren

Eine Gewichtsreduzierung der Komponenten im elektrischen Antriebssystem kann auch die Reichweite erhöhen, doch sind bisher keine Fortschritte ersichtlich, die sich in dieser Hinsicht wesentlich auswirken werden. Da es unwahrscheinlich ist, dass Batterien in den nächsten zehn Jahren eine wesentlich höhere Energiedichte bieten werden, müssen Gewichtseinsparungen bei anderen schweren Komponenten wie dem Antriebsstrang erzielt werden.

Viele der heutigen Automobilhersteller verwenden klassische Motor-Getriebe-Blöcke, die etwa 90 kg wiegen. Im Vergleich dazu wiegt ein Paar der 80-kW-Radnabenmotoren Pd18 72 kg. Dies bedeutet eine Gewichtsreduzierung um 20 % und im Vergleich zu den meisten aktuellen Elektrofahrzeugen der Einstiegsklasse eine überlegene Ausgangsleistung.

In zehn Jahren könnten weitere Fortschritte bei den elektrischen Antrieben von Radnabenmotoren dieser Technologie zu mehr Bekanntheit verholfen haben.

Was ist mit Wasserstoff?

In der Zwischenzeit dürften FCEVs ein Absatzvolumen erreichen, das die Preise nach unten drückt. Mit Reichweiten und Betankungserfahrungen, die denen heutiger Autos mit fossilen Brennstoffen ähneln, weisen sie ein großes Potenzial auf. Mit Investitionen in die Wasserstoff-Betankungsinfrastruktur werden diese Fahrzeugtypen für die Autofahrer immer attraktiver.

Veränderte Erwartungen an eigene Fahrzeuge

Auch unsere Wahrnehmung des Fahrerlebnisses wird sich wahrscheinlich ändern. Wie wir in einem früheren Beitrag bereits berichtet haben, fahren die meisten von uns im Durchschnitt zwischen 40 und 80 km pro Tag. Wenn die Ladeinfrastruktur ausreichend verbessert wird – insbesondere die Anzahl der verfügbaren Ladestationen – werden die Fahrer möglicherweise eher bereit sein, ihre Erwartungen an Reichweite und Nutzung ihres eigenen Fahrzeugs zu ändern.

Kleine und kompakte BEV-Modelle werden sich ideal für den Kurzstreckenverkehr eines durchschnittlichen Autofahrers an einem durchschnittlichen Tag eignen. Der Kauf solcher Fahrzeuge könnte mit bestehenden Carsharing- und Mietmodellen gekoppelt werden und den Zugang zu FCEVs oder hybrid-elektrischen Fahrzeugen für gelegentliche längere Fahrten ermöglichen. Dies könnte über die monatlichen Batterie-Leasingzahlungen abgebildet werden, die einige BEV-Besitzer leisten.

Nutzfahrzeuge

Die vielleicht größten Fortschritte werden im Bereich der Nutzfahrzeuge zu verzeichnen sein: Busse, LKWs und Transporter bieten deutlich mehr Platz für Batterien als kleinere Fahrzeuge. Aufgrund des Nutzungsverhaltens vieler Nutzfahrzeuge wären jedoch lange Ladezeiten für die Verwaltung bestimmter Fahrzeugflotten unattraktiv. Das Laden über Nacht, sofern es schnell genug ist, wird in einigen Fällen eine Option sein. Das Laden über eine Oberleitung mit Stromabnehmer ist eine weitere mögliche Lösung, die allerdings mit hohen Zusatzkosten verbunden ist.

Angesichts des zusätzlichen Platzangebots an Bord sind Wasserstoff-Brennstoffzellen ebenfalls eine Option. Wasserstoffbetriebene Busse sind tatsächlich bereits auf unseren Straßen unterwegs, wobei London in diesem Jahr voraussichtlich die ersten Wasserstoff-Doppeldecker der Welt auf den Markt bringen wird.

Eine Phase stetigen Fortschritts

Zehn Jahre scheinen zwar eine Zeitspanne zu sein, in der viel passieren kann, aber die Anforderungen der Automobilindustrie an Sicherheit, Qualität und Zuverlässigkeit bedeuten stetigen Fortschritt und keine riesigen Sprünge nach vorn. Da die Technologie der Verbrennungsmotoren in den Hintergrund tritt, werden Verbesserungen in den Bereichen Elektronik, Elektrik und Chemie die Branche nach vorne bringen.

Teil 1: Die Elektromobilität und ihre Herausforderungen

Teil 2: Die Akku-Packs

Teil 3: Der elektrische Antriebsstrang

Teil 4: Die Ladekonzepte

Teil 5: Die Wasserstoff-Brennstoffzellen

* Mark Patrick ist für Mouser Electronics als Technical Marketing Manager tätig.

(ID:46765638)