4.5. Bewertung und Vergleich der Gesamtkonzepte

Im Folgenden werden die zuvor vorgestellten Range-Extender-Konzepte gegenübergestellt und miteinander verglichen. Dazu wird zuerst auf die Kraftstoffe eingegangen und danach auf die technischen Konzepte. Ziel dieser Gegenüberstellung ist es, die beste Range-Extender-Kraftstoff-Kombination, unter der Maßgabe der Alltagstauglichkeit, zu finden. Zur Bewertung wird das Schulnotensystem benutzt, welches eine sechs für das schlechteste zu erreichende Ergebnis vergibt und eine eins für das Beste.

Kraftstoffe

Bei den Kraftstoffen werden die Eigenschaften Speicherbarkeit, Herstellung/Förderung, Infrastruktur und Energiedichte betrachtet. Die Infrastruktur geht mit 25% am stärksten in die Endnote ein. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Verfügbarkeit einer ausreichenden Anzahl an Tankstellen die Alltagstauglichkeit maßgeblich beeinflusst. Die Infrastruktur wird anhand des aktuellen Bestands im Tankstellennetz bewertet. Die Kosten hingegen, wurden mit 15% am schwächsten gewichtet, da die heutigen Zahlen noch keine genaue Zukunftsprognose ermöglichen. Alle weiteren Kriterien gehen zu je 20% in die Wertung ein.

Energiedichte

Die höchste Energiedichte hat Wasserstoff mit 33,33 kWh/kg. Erdgas liegt mit 13,00 kWh/kg zwar deutlich unter diesem Wert, aber noch über dem von Benzin. Aufbereitetes Biogas liegt in etwa auf dem Niveau vom Erdgas. Die Energiedichte von Biodiesel ist mit 10,2 kWh/kg am niedrigsten.
Das aus diesen Zahlen abgeleitete Ranking kann aus Tabelle 10 entnommen werden.

	Wasserstoff	Erdgas (Ökogas)	Biogas	Biodiesel
Energiedichte	1	2	2	3

Tabelle 10: Ranking Energiedichte Kraftstoffe

Speicherbarkeit

Die größten Anforderungen an die Speichertechnik, stellt der Wasserstoff. Häufig angeführte Argumente, wie die Gefahr der Explosion eines Wasserstofftanks, die Diffusion sowie die Materialversprödung können durch eine entsprechende Materialauswahl und Bauweise auf ein Minimum reduziert werden. Auch hat Wasserstoff keine anderen negativen Einflüsse auf Mensch und Umwelt. Zurzeit gibt es nur zwei umsetzbare Speichermöglichkeiten für die mobile Nutzung, den Druckgasspeicher und den Flüssigspeicher (Kryotanks). Beide konnten sich im Praxiseinsatz bisher jedoch nicht bewähren. Bei der Flüssigspeicherung kommt es aufgrund einer mangelhaften Isolierung an den Anschlüssen zu Verdampfungen, was zu einem Druckanstieg im Tank führt, welcher über ein Überdruckventil kompensiert werden muss. Dies führt zu großen Verlusten des Tankinhalts. Druckgasspeicher hingegen weisen ein zu geringes Speichervolumen auf, da der Wasserstoff in Gasform eine zu niedrige Energiedichte besitzt. Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet, wie der 700bar Druckgaspeicher, minimeren dieses Problem jedoch. Im Vorfeld genannte Metallhydridspeicher stellen eine interessante Alternative dar, allerdings befinden sie sich noch im Forschungsstadium. Die aufwendige Gestaltung dieser Tanks schlägt sich zudem auch in den Kosten nieder.
Die Druckgasspeicher von Erd- und Biogas können ähnlich wie die Speicher des Wasserstoffs ausgelegt werden. Allerdings sind hier die Materialanforderungen geringer, da Aspekte wie Diffusion und Materialversprödung keine Rolle spielen. Da Druckgasspeicher jedoch technisch aufwendiger sind als herkömmliche Kraftstofftanks, sind sie auch kostenintensiver. Biodiesel stellt keine speziellen Anforderungen an den Kraftstoffbehälter, sodass hier herkömmliche Kraftstofftanks verwendet werden können.
Entsprechend der oben genannten Argumente, sind in Tabelle 11 die jeweiligen Bewertungen aufgelistet.
 

	Wasserstoff	Erdgas (Ökogas)	Biogas	Biodiesel
Speicherbarkeit	3	2	2	1

Tabelle 11: Ranking Speicherbarkeit Kraftstoffe

 

Herstellung/Förderung:

Ein Großteil der Wasserstoffproduktion entsteht zurzeit als Nebenprodukt bspw. bei der Reformierung von Erdgas. Dieses Verfahren ist jedoch nicht CO₂-neutral. Eine reine Wasserstoffindustrie gibt es noch nicht. Beim Aufbau einer solchen Industrie sollte jedoch das effektivste Verfahren genutzt werden, die Elektrolyse. Diese benötigt jedoch Strom, der auch CO₂-neutral hergestellt werden müsste. Hier würde sich nicht genutzte Windenergie besonders eignen. Ein Wasserstoffkraftwerk in Prenzlau nutzt diese Technologie bereits.^[1]
Die jährliche Produktionsmenge von Wasserstoff beträgt derzeit ca. 500 Mrd. m³ weltweit.^[2]
Erdgas wird wie Erdöl aus unterirdischen Lagerstätten gefördert und ist ein endlicher Kraftstoff. Die konventionell erreichbaren Vorkommen werden auf ca. 509.000 Mrd. m³ geschätzt. Die jährliche Fördermenge liegt derzeit bei ca. 3.000 Mrd. m³. Daraus ergibt sich, dass die konventionell erreichbaren Quellen bei konstantem Verbrauch noch ca. 170 Jahre ausreichen. Sollte sich Erdgas jedoch als zukünftiger Kraftstoff durchsetzen, ist mit einer deutlichen Steigerung der Förderungsmenge zu rechnen und somit mit einer deutlichen Minderung der Nutzungsdauer. Weitere Quellen lassen sich nur mittels Fracking erreichen, was jedoch die Gefahr der Grundwasser- und Umweltverschmutzung mit sich bringt und sehr umstritten ist. Hieraus lässt sich ableiten, dass auch Erdgas keine dauerhafte Lösung darstellt.
Für die Herstellung von Biogas und Biodiesel wird Biomasse, wie bspw. Raps oder Sojabohnen benötigt. Somit steht die Produktion dieser Biokraftstoffe immer in Konkurrenz mit der Lebensmittelproduktion, da beide landwirtschaftliche Flächen beanspruchen. Weltweit werden derzeit 17,9 Mrd. Liter Biodiesel produziert.^[3] Aufgrund dieser Argumente, stellt Erdgas eine gute Übergangslösung dar. Wasserstoff hat den Vorteil, dass seine Produktion keine landwirtschaftliche Fläche beansprucht.
In Tabelle 12 wird der Verbrauch von Beispielfahrzeugen auf 1 Mio. Fahrzeuge hochgerechnet und mit den jeweiligen Fördermengen verglichen. Die 1 Mio. Fahrzeuge sind auf das Ziel der Bundesregierung von 1 Mio. Elektrofahrzeugen im Jahr 2020 zurückzuführen.

Mercedes Benz B-Klasse F-Cell Abb. 29: Mercedes B-Klasse F-Cell[4]	Eckdaten[5], [6]: Serienproduktion ab 2017 geplant Leistung: 136 PS 3,7 kg Wasserstofftank bei 700 bar Reichweite bis zu 400 km Preis: geplant ca. 35.000,- €, aber derzeit nicht realisierbar
France Craft G-City Abb. 30: France Craft G-City[7]	Eckdaten: Zu dieser Studie stehen leider keine weiteren Daten verfügbar
Steyr Range Extender Abb. 31: Steyr Range Extender[8]	Eckdaten8: Turboaufladung Integrierte Ladeluftkühlung Gewicht < 100 kg Massenausgleichsystem für hohe Laufruhe Anwendungsbeispiel: Taxis etc.

 

*Umgerechnet

** Nur Ergasförderung betrachtet, da keine validen Daten zur Biogasförderung vorhanden

Tabelle 12: Berechnung und Vergleich der produzierten- und benötigten Mengen Kraftstoff anhand von Beispielfahrzeugen

 

Es ist erkennbar, dass bei Wasserstoff und Erdgas die Produktionsmengen deutlich über den benötigten Verbräuchen liegen. Beim Biodiesel würde ca. ein Drittel der produzierten Menge für 1 Mio. Fahrzeuge benötigt. Man darf bei dieser Betrachtung jedoch nicht vergessen, dass diese Produktionsmengen auch zur Deckung anderer Energiebedarfe genutzt werden. Einzig der Wasserstoff, welcher als industrielles Nebenprodukt entsteht, bleibt zum Teil völlig ungenutzt.^[15] Dieses ungenutzte Potential könnte für den Antrieb vieler Fahrzeuge genutzt werden. Betrachtet man nur die Herstellung, bieten also Wasserstoff und Erdgas die größten Potentiale, da ihre Produktion nur geringfügig ausweitet werden müsste, um den zusätzlichen Bedarf zu decken.
In Tabelle 13 wird die Bewertung der Kraftstoffe in Bezug auf die Herstellung/Förderung dargestellt.

	Wasserstoff	Erdgas (Ökogas)	Biogas	Biodiesel
Herstellung/ Förderung	2	2	4	4

Tabelle 13: Ranking Herstellung/Förderung Kraftstoffe

 

Infrastruktur

Die heutige Infrastruktur lässt sich am besten mit der derzeitigen Anzahl an Tankstellen bewerten. Zurzeit gibt es 15 Wasserstofftankstellen deutschlandweit. Damit ist die Wasserstoffinfrastruktur in jeder Hinsicht ungenügend. Der Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur wäre sehr teuer und würde den Preis für den ohnehin teuren Wasserstoff noch weiter in die Höhe treiben. Die Anzahl der Biogastankstellen liegt bei 500 in ganz Deutschland, beim Erdgas sind es 900. Biogas kann jedoch in das Erdgasnetz eingespeist werden, sobald es entsprechend aufbereitet wurde. Daher können beide Kraftstoffe die gleiche Infrastruktur nutzen. Damit ist ihre Infrastruktur schon deutlich besser ausgebaut als die des Wasserstoffes, liegt aber trotzdem noch deutlich unter der Anzahl der Benzintankstellen mit 14.300. Der weitere Ausbau des Bio-/Erdgasnetzes wäre jedoch ebenfalls sehr kostenintensiv. Die Biodieselinfrastruktur ist mit 1.900 Tankstellen am besten ausgebaut, liegt aber ebenfalls noch weit hinter der Benzininfrastruktur.
Tabelle 14 zeigt die Bewertung der Kraftstoffe hinsichtlich ihrer Infrastruktur.

 

	Wasserstoff	Erdgas (Ökogas)	Biogas	Biodiesel
Infrastruktur	6	4	4	3

Tabelle 14: Ranking Infrastruktur Kraftstoffe

 

Kosten

Aufgrund der fehlenden Industrie ist die Wasserstoffproduktion noch sehr teuer. Das europäische Kostenziel für Wasserstoff liegt bei 5,50 Euro pro kg im Jahr 2025. Zurzeit liegt der Preis bei ca. 8 Euro pro kg.^{[16], [17]} Die Mercedes B-Klasse F-Cell, ein Elektroauto mit einer Wasserstoffbrennstoffzelle als Range Extender, gibt einen Verbrauch von 0,97kg pro 100km an.^[18] D. h. die Kosten um damit 100km zu fahren, liegen bei etwa 8€ und somit auf dem Niveau heutige Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Bei den Preisen für Wasserstoff sind jedoch noch keine Steuern eingerechnet, weshalb sich das Preisniveau noch deutlich erhöhen würde.
Der Preis von Erdgas liegt bei ca. 0,99€/kg.^[19] Der G-City von France Craft, ein kleines Elektrofahrzeug mit einem Erdgas-Range-Extender welches für den Stadtverkehr konzipiert wurde, benötigt für 100km ca. 2kg Erdgas. Denn ein Liter Erdgas entspricht ca. 160g und der G-City besitzt zwei 6,8 Liter Tanks.^{[20], [21]} Somit liegen die Kosten für 100km bei ca. 2 €. Da es sich bei dem G-City allerdings um ein sehr kleines und leichtes Fahrzeug handelt, muss der Verbrauch für größere Fahrzeuge noch nach oben korrigiert werden.
Die Kosten für einen Liter Biodiesel liegt bei ca. 1,40€/Liter.^[22] Die Firma Steyr hat einen Biodiesel-Range-Extender entwickelt, welcher ca. 6 Liter/100km benötigt.^[23] Somit liegt der Preis für 100km bei ca. 8,40€ und damit auf dem Niveau heutiger Verbrennungsmotoren.
Der Preis vom Biogas liegt auf dem Niveau vom Erdgas. Zudem hat es eine ähnlich hohe Energiedichte, weshalb auch der Verbrauch auf einem ähnlichen Niveau liegen sollte.
In Tabelle 15 ist die Bewertung der Kraftstoffe in Bezug auf ihre Kosten/100km dargestellt.

	Wasserstoff	Erdgas (Ökogas)	Biogas	Biodiesel
Kosten	5	1	1	2

Tabelle 15: Ranking Kosten Kraftstoffe

 

Fazit Kraftstoffe
In Tabelle 16 werden nun die Einzelergebnisse zu einem Gesamtergebnis verrechnet. Dabei ist zu beachten, dass die einzelnen Kriterien unterschiedlich gewichtet wurden. Den größten Einfluss auf die Endnote hat die Infrastruktur, da diese für den stetigen Betrieb des Fahrzeugs von großer Bedeutung ist und sich daher am stärksten auf die Alltagstauglichkeit auswirkt. Am geringsten ist der Einfluss der Kosten, da sich die Zahlen, mit steigendem Ausbau der Infrastruktur sowie der Herstellungs-/Förderungsindustrie, noch deutlich verändern werden. Auch wird sich die Besteuerung der Kraftstoffe verändern, sobald diese weiter verbreitet sind. Das beste Gesamtergebnis erzielt hier Erdgas. Es bietet eine gute Energiedichte und ist einfach speichern und zu fördern. Zudem ist es zurzeit noch sehr günstig. Seine Nachteile sind die schwach ausgebaute Infrastruktur und das es sich um einen fossilen, also endlichen Kraftstoff handelt. Der beste erneuerbare Kraftstoff ist derzeit Biodiesel. Seine Energiedichte ist etwas geringer als beim Erdgas. Dafür lässt er sich ohne Probleme speichern und bietet die am besten ausgebaute Infrastruktur. Sein Preis bewegt sich auf dem Niveau derzeitiger Kraftstoffe. Nachteilig hingegen ist, wie auch beim Biogas, dass seine Herstellung mit der Nahrungsmittelproduktion um die Nutzung landwirtschaftlicher Flächen konkurriert. Das Biogas liegt insgesamt knapp hinter dem Biodiesel. Dies ist auf seine problematische Speicherbarkeit und die schlechter ausgebaute Infrastruktur zurückzuführen. Seine Vorteile bei den Aspekten Energiedichte und Preis können diese Nachteile aufgrund der Gewichtung hinsichtlich der Alltagstauglichkeit nicht kompensieren.  Das schlechteste Ergebnis erzielt der Wasserstoff. Er bietet zwar die höchste Energiedichte und Vorteile bei der Herstellung. Seine Nachteile im Bereich der Speicherbarkeit, die so gut wie nicht vorhandene Infrastruktur sowie seine hohen Kosten überwiegen jedoch deutlich und werden auch mittelfristig bestehen bleiben.

 

	Wasserstoff	Erdgas (Ökogas)	Biogas	Biodiesel
Energiedichte (20%)	1	2	2	3
Speicherbarkeit (20%)	3	2	2	1
Herstellung/ Förderung (20%)	2	2	4	4
Infrastruktur (25%)	6	4	4	3
Kosten €/100km (15%)	5	1	1	2
Endnote	3,45	2,35	2,75	2,65

Tabelle 16: Gesamtranking Kraftstoffe

 

Range-Extender

Die Anforderungen an einen Range-Extender sind  sehr hoch. Zum einen muss er möglichst klein und effizient sein. Denn gerade im betrachteten Nutzfahrzeugsegment ist jeder Liter Laderaum wichtig. Daher sollte der Range-Extender diesen so wenig wie möglich, bzw. im Idealfall gar nicht beschränken. Zum anderen soll der Range-Extender möglichst unauffällig in Bezug auf Lautstärke und Vibration laufen.

Packaging
Beim Faktor Packaging wird betrachtet wie kompakt sich der Range-Extender inkl. der benötigten Nebenaggregate im Fahrzeug verstauen bzw. packen lässt.
Die Brennstoffzelle wird zurzeit noch in rechteckigen Stacks gebaut, lässt sich prinzipiell aber auch in anderen Formen konstruieren, sodass hier eine recht freie Gestaltung realisierbar ist. Der Freikolbenlineargenerator lässt sich durch seine geringe Bauhöhe ideal unterflur verbauen und kostet damit ebenfalls sehr wenig Laderaum. Die Hubkolbenmotoren hingegen benötigen durch Bau- und Funktionsweise bedingt mehr Raum. Dies liegt vor allem daran, dass die lineare Bewegung der Kolben in eine Rotationsbewegung umgewandelt werden muss und hierfür mehr Bauteile wie z.B. eine Kurbelwelle nötig sind. Bei 4-Takt Hubkolbenmotoren kommt dann noch die Ventilsteuerung und somit eine Nockenwelle und anderen Bauteilen dazu, sodass sich hier doch erhebliche Einschränkungen in der Gestaltung und Nachteile im Gewicht ergeben. Beim schlitzgesteuerten 2-Takt Hubkolbenmotor mit Kurbelkastenspülung entfallen die Ventilsteuerung und die damit verbundene Nockenwelle, weshalb sich dieser immer kleiner konzipieren lässt als ein 4-Takt-Hubkolbenmotor. Der Wankelmotor verfügt zwar ebenso über eine Ventilsteuerung, kann aber durch seine Rotationskolbenbauweise auf viele andere Bauteile wie z.B. eine Kurbelwelle oder Pleuelstangen verzichten. Zudem lässt er sich in liegender Form sehr platzsparend verbauen.^[24]
Ähnliche Vorteile ergeben sich bei der Mikrogasturbine, da auch hier direkt eine Rotationsbewegung erzeugt wird und alle beweglichen Teile auf einer Welle montiert sind.
Aus diesen Eigenschaften ergibt sich in Tabelle 17 das folgende Ranking.
 

Tabelle 17: Ranking Packaging Range-Extender

Herstellkosten

Die Herstellkosten sind in der Fahrzeugfertigung ein wichtiger Faktor, da sie letztendlich über die Konkurrenzfähigkeit eines Fahrzeugs mitentscheiden. Zudem ist der Preis der entscheidende Faktor, wenn es um die flächendeckende Versorgung mit erneuerbaren Energien im mobilen Bereich geht. Als Grundlage für die Bewertung dienen Motoren mit ca. 50
kW. Mit 45.000 Euro schneidet die Brennstoffzelle am schlechtesten ab. Zukünftige Einsparpotentiale in der Herstellung können noch nicht exakt vorausgesagt werden. Die Mikrogasturbine liegt preislich nur knapp unter der Brennstoffzelle. Rechnet man die 700-850 Euro pro kW auf 50 KWh hoch, ergibt sich ein Preis von ca. 38.740 Euro. Ein Wankelmotor der als Range-Extender fungieren kann, liegt preislich bei ca. 8.000 Euro und ist damit deutlich günstiger als die Brennstoffzelle und die Mikrogasturbine.^[25]  Kostentechnisch schneiden die beiden Hubkolbenmotoren am besten ab. Als Range-Extender sind Herstellkosten von unter 2.000 Euro möglich.^[26] Aufgrund seiner einfacheren Bauweise sind 2-Takt-Motoren immer günstiger in der Herstellung als die 4-Takt-Modelle. In Tabelle 18 sind die Bewertungen der Range-Extender hinsichtlich ihrer Herstellkosten zu sehen.

Tabelle 18: Ranking Herstellkosten Range-Extender

Wirkungsgrad

Über den Wirkungsgrad lassen sich Aussagen über die Gesamteffizienz treffen. Die folgenden Zahlen beziehen sich immer auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems, welcher sich deutlich vom Wirkungsgrad des Range Extenders unterscheiden kann. Je effizienter das System ist, desto weiter kann ein Fahrzeug mit dem getankten Kraftstoff fahren. Die PEM-Brennstoffzelle hat einen Systemwirkungsgrad von 30%-50% und liegt damit über dem Niveau der weiteren Antriebskonzepte. Der Wirkungsgrad des Freikolbenlineargenerators liegt mit 35%-37% leicht hinter dem der Brennstoffzelle. Die Mikrogasturbine, der Wankelmotor sowie die beiden Hubkolbenmotoren haben einen Wirkungsgrad von knapp unter 30% und schneiden damit am schlechtesten ab. Aufgrund ihres niedrigen Entwicklungsstandes werden die PEM-Zelle und der Freikolbenlineargenerator in Zukunft noch deutliche Steigerungen beim Wirkungsgrad aufweisen.
Aufgrund der vorliegenden Datenlage ergibt sich die Bewertung in Tabelle 19.

Tabelle 19: Ranking Systemwirkungsgrad Range-Extender

 

Kraftstoffvielfalt

Eine große Kraftstoffvielfalt ist für die technische Auslegung eines Range-Extenders von großer Bedeutung, da dieser so optimal an die Infrastrukturanforderungen des angestrebten Marktes angepasst werden kann. Besteht bspw. ein großflächig ausgebautes Erdgasnetz, so empfiehlt es sich den Range-Extender auf einen Betrieb Erd- bzw. Biogas auszulegen. Unter Maßgabe der CO₂-neutralen Kraftstoffe entfällt der 2-Takt-Hubkolbenmotor als Option, da er die  betrachteten Kraftstoffe nur bedingt verwerten kann. Diese liegt daran, dass der 2-Takt Hubkolbenmotor mit Gemischschmierung arbeitet, was sich mit einem gasförmigen Kraftstoff nicht realisieren lässt und der 2-Takt-Dieselmotor sich aufgrund der sehr schlechten Emissionswerte nicht durchsetzen konnten. Die Brennstoffzelle lässt sich nur mit Wasserstoff betreiben, und ist daher in der Kraftstoffnutzung als unflexibel einzustufen. Die Mikrogasturbine kann mit Erd- und Biogas sowie mit Biodiesel betrieben werden und bietet ein großes Kraftstoffspektrum. Der 4-Takt-Hubkolbenmotor kann mit allen betrachteten Kraftstoffen betrieben werden, der Betrieb mit Wasserstoff ist jedoch eingeschränkt. Die größte Kraftstoffvielfalt bieten der Freikolbenlinear- und der Wankelmotor. Beide können mit allen betrachteten Kraftstoffen problemlos betrieben werden. 
Aus diesen Kriterien wurde die Benotung  in Tabelle 20 abgeleitet.
 

Tabelle 20: Benotung Kraftstoffvielfalt Range-Extender

 

Noise, Vibration, Harshness (NVH)

Noise, Vibration und Harshness steht für Lautstärke, Vibration und Rauheit und beschreibt die Laufeigenschaften eines Motors. Diese Eigenschaften sind besonders beim Einsatz als Range-Extender entscheidend. Da er auf einer konstanten Drehzahl betrieben wird und so ein monotoner Geräuschpegel entsteht, ist dieser so unauffällig wie möglich zu gestalten. Auch die Vibrationen sind minimal zu gestalten, was sich besonders bei gut bei rotierenden Motorkonzepten realisieren lässt. Die Rauheit beschreibt Vibrationen und Geräusche welche durch Reibungen und Schwingungen entstehen und zwischen 20 – 100hz liegen. Dieser Frequenzbereich bildet den Übergang zwischen spür- und hörbaren Frequenzen.^[27] Da sich in der Brennstoffzelle keine beweglichen Teile befinden, arbeitet diese auch Geräusch- und Vibrationsfrei und fällt daher nicht störend auf. Der Freikolbenmotor erzeugt ein ähnliches Geräuschbild wie der 4-Takt Hubkolbenmotor, welches sich aber durch Schalldämpfer deutlich minimieren lässt. Störenden Vibrationen lassen sich in der Zentralbrennraumbauweise durch eine vollständige Synchronisation der Kolben vermeiden. In der Einzelbrennraumbauweise geschieht dies durch zwei gegenläufig arbeitende Module. Die Mikrogasturbine und der Wankelmotor haben beide den Vorteil, dass sie eine rotierende Arbeitsweise vorweisen und sich daher Massekräfte komplett auswuchten lassen, sodass diese Motoren sich auch mehr oder weniger vibrationsfrei betrieben lassen. Was die Lautstärke betrifft, liegt die Mikrogasturbine etwas unter der, von Freikolben-, Wankel- und Hubkolbenmotor. Die Schallemissionen dieser Motoren lassen sich durch Mehrwegeschalldämpfertechnik deutlich reduzieren. Das Schlusslicht in der NVH-Wertung bildet der Hubkolbenmotor, da dieser in einer linearen Bewegung arbeitet, diese aber in eine Rotationsbewegung umwandelt. Dadurch entstehen Massekräfte und Unwuchten, die sich nur schwer kompensieren lassen. Infolgedessen ist der Motorlauf rauer und es entstehen störende Vibrationen. Die geringen Zylinderzahlen von Hubkolben-Range-Extender-Motoren erschweren zusätzlich das Erreichen eines ruhigen Motorlaufs, wie man ihn z.B. von Zwölfzylindermotoren kennt.
Es ergibt sich somit die folgende Bewertung in Tabelle 21.

 

*Noise, Vibration, Harshness

Tabelle 21: Ranking NVH Range-Extender

 

Sonstiges

In diesem Abschnitt werden Merkmale und Eigenschaften der Range-Extender vorgestellt und ihre individuellen Vorzüge und Nachteile entsprechend hervorgehoben.
Ein großes Problem stellt in Elektrofahrzeugen generell das Temperaturmanagement dar. In der Regel liegt dieses Problem hauptsächlich beim Akkumulator und in der Leistungselektronik, aber auch die Range-Extender benötigen zum Teil ein bestimmtes Temperaturfenster um optimal arbeiten zu können. Die Brennstoffzelle z.B. muss im Winter beheizt werden, damit es nicht zu Vereisungen kommt. Gefrorenes Wasser kann im Zweifelsfall die empfindliche Membran im Kern beschädigen. Ein weiteres Problem der Brennstoffzelle stellt die eingeschränkte Lebensdauer dar, die mit ca. 4.000 Stunden unter der üblicherweise geforderten Lebensdauer von 5.000 Stunden liegt. Hubkolbenmotoren stellen die am weitesten verbreitete Motortechnik im automobilen Bereich dar und weisen daher einen hohen Entwicklungsgrad und eine hohe Zuverlässigkeit auf. Die geforderte Lebensdauer wird Anhand der Hubkolbenmotoren bestimmt, liegt in der Regel aber deutlich über den geforderten 5.000 Stunden. Da die Hubkolbenmotoren historisch bedingt für den Betrieb mit fossilen Flüssigbrennstoffen konzipiert sind, besteht für den Betrieb mit gasförmigen Kraftstoffen noch Anpassungsbedarf. Die Mikrogasturbine zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer von ca. 80.000 Stunden aus. Obwohl sich diese bei jedem Kaltstart um fünf Stunden verringert, liegt die Mikrogasturbine noch deutlich über den üblicherweise geforderten 5.000 Stunden. Ein konzeptioneller Nachteil der Mikrogasturbine ist das kleine Drehzahlspektrum in dem sie ihr optimales Drehmoment erreicht. Dies kann jedoch aufgrund der konstanten Drehzahl im Einsatz als Range-Extender vernachlässigt werden, da die Mikrogasturbine in diesem Fall immer in ihrem Optimum läuft. Der Wankelmotor ist ebenfalls ein seit Längerem bekanntes Konzept, das bisher wegen seines hohen Verbrauchs und seinen ungünstigen Verdichtungsverhältnissen wenig eingesetzt wurde. Der Mehrverbrauch kann aber beim Einsatz als Range-Extender in Kauf genommen werden, da bereits genannte Aspekte wie Laufruhe und ein kompaktes Packaging überwiegen. Das jüngste als Range-Extender in Betracht kommende Konzept ist der Freikolbenlineargenerator, welcher viele Vorteile der anderen Konzepte in sich vereint. Er zeichnet sich vor Allem durch seine hohe Flexibilität aus, da sich Hubraum und Verdichtung individuell anpassen lassen. Über die Lebensdauer lassen sich bisher noch keine Aussagen treffen, da bislang nur ein Versuchsaufbau existiert, der zur Bestätigung der Funktionsweise dient. Ein Prototypenfahrzeug soll in den nächsten Jahren zeigen, wie hoch das Potential als Range-Extender wirklich ist. Es erfolgt daher in Tabelle 22 die entsprechende Bewertung.

Tabelle 22: Ranking Sonstiges Range-Extender

 
Fazit Range-Extender

Nachdem nun die verschiedenen Eigenschaften der einzelnen Range-Extender im Detail betrachtet wurden, folgt in Tabelle 23 ein zusammenfassender Überblick, um die entsprechende Gesamtbewertung des Range-Extenders zu ermitteln.
Die Aspekte Packaging, Herstellkosten und Systemwirkungsgrad werden zu je 20% gewichtet, auf Kraftstoffvielfalt und NVH entfallen jeweils 15%. Die verbleibenden 10% entfallen auf sonstige nennenswerte Merkmale der Range-Extender.
Da das Packaging, die Herstellkosten und der Systemwirkungsgrad direkte Einflüsse auf die Alltagstauglichkeit eines Nutzfahrzeuges haben, wurden diese am stärksten gewichtet. So ist z.B. ein Range-Extender, der den gesamten Laderaum füllt genauso wenig zielführend, wie ein Fahrzeug, dass in den Anschaffungskosten nicht konkurrenzfähig ist. Das NVH-Verhalten ist bei leichten Nutzfahrzeugen nicht zu stark zu werten, da diese primär für den Kurz- bis Mittelstreckeneinsatz gedacht sind. Die Kraftstoffvielfähigkeit spielt im Praxisbetrieb ebenfalls nur noch eine untergeordnete Rolle, da ein Fahrzeug meistens aufgrund der nötigen Tanks maximal auf einen bivalenten Betrieb ausgelegt wird. Bei elektrifizierten Fahrzeugen mit Range-Extender wird es i.d.R. nur einen monovalenten Betrieb geben, da ansonsten zu viel wertvoller Laderaum für die Tanks benötigt würde. Unter Sonstiges fallen alle Aspekte, die in den anderen Kategorien nicht betrachtet werden konnten, aber durchaus Einfluss auf die Realisierbarkeit und Alltagstauglichkeit der einzelnen Konzepte haben. Als bester Range-Extender schneidet der Freikolbenlineargenerator ab, da er die größten Freiheitsgrade bietet. Er lässt äußerst kompakt bauen, läuft sehr vibrationsarm und lässt sich selbst im Betrieb in der Leistung anpassen oder auf einen anderen Kraftstoff umstellen.
Auf dem zweiten Platz landet der Wankelmotor, der trotz seiner bekannten Schwächen, Eigenschaften mitbringt, die ihn für einen Einsatz als Range-Extender prädestinieren. Es folgt auf dem dritten Platz der 4-Takt-Hubkolbenmotor, der durch seinen hohen Entwicklungsgrad und seine günstigen Herstellkosten in Kombination mit seiner Kraftstoffvielfähigkeit besticht. Auf den letzten beiden Plätzen finden sich die Mikrogasturbine und die Brennstoffzelle, die durch Ihre hohen Herstellkosten zurzeit noch nicht konkurrenzfähig sind. Auch wenn sich beide Konzepte durch einen extrem ruhigen Lauf auszeichnen und im Falle der Brennstoffzelle auch einen sehr guten Systemwirkungsgrad besitzen, können die hohen Kosten dadurch nicht mehr ausgeglichen werden.

* Noise, Vibration, Harshness

Tabelle 23: Gesamtübersicht Ranking Range-Extender

 
In der folgenden Tabelle 24 wird das beste Range-Extender-Kraftstoffkonzept ermittelt, indem die Noten von Kraftstoff und Range-Extender miteinander verrechnet werden.

 

	Benotung Kraftstoff (50%)	Benotung Range-Extender (50%)	Endnote
Brennstoffzelle mit Wasserstoff	3,45	3	3,225
Freikolbenlineargenerator mit Wasserstoff	3,45	1,65	2,55
Freikolbenlineargenerator mit Erdgas	2,35	1,65	2,00
Freikolbenlineargenerator mit Biogas	2,75	1,65	2,20
Freikolbenlineargenerator mit Biodiesel	2,65	1,65	2,15
4-Takt-Hubkolbenmotor mit Wasserstoff	3,45	2,55	3,00
4-Takt-Hubkolbenmotor mit Erdgas	2,35	2,55	2,45
4-Takt-Hubkolbenmotor mit Biogas	2,75	2,55	2,65
4-Takt-Hubkolbenmotor mit Biodiesel	2,65	2,55	2,60
Wankelmotor mit Wasserstoff	3,45	2,15	2,80
Wankelmotor mit Erdgas	2,35	2,15	2,25
Wankelmotor mit Biogas	2,75	2,15	2,45
Wankelmotor mit Biodiesel	2,65	2,15	2,40
Mikrogasturbine mit  Erdgas	2,35	2,80	2,575
Mikrogasturbine mit  Biogas	2,75	2,80	2,775
Mikrogasturbine mit  Biodiesel	2,65	2,80	2,725

Tabelle 24: Ranking der Gesamtkonzepte

Im Gesamtergebnis schneidet der Freikolbenlineargenerator im Betrieb mit Erdgas am besten ab. Der Betrieb mit Biodiesel und Biogas folgt auf den zweiten- und dritten Rang. Bis der Freikolbenlineargenerator die Serienreife erreicht, bildet der Wankelmotor mit Erdgas die vielversprechendste Übergangslösung.