Der Verbrennungsmotor als Nischenlösung

Der Verbrennungsmotor wird auch in Zukunft für bestimmte Anwendungen erhalten bleiben. Es gibt einfach Orte oder Situationen, wo eine elektrische Stromversorgung zu aufwendig ist und hier wird der Einsatz von Wasserstoff oder E-Fuels als Antrieb für spezielle Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen. Für die Masse der Einsätze als Antriebe für PKW oder auch LKW wird er durch den Elektromotor ersetzt werden.

Warum ist das so? Um diese Frage zu beantworten muss ein wenig in die Vergangenheit geschaut werden.

In der ganzen Diskussion um die Motortechnologie wird gerne unterschlagen, dass beide Motortechnologien eine Fortentwicklung der Dampfmaschine aus dem 18. Jahrhundert waren und sich mit der industriellen Revolution Mitte des 19. Jahrhundert parallel entwickelten. Dabei ist es unerheblich welche Motortechnologie erst da war, beide hatten ihre Berechtigung, aber beide hatten technische Probleme zu lösen, wie z.B. die Frage wie die notwendige Energie zur Maschine kommt bzw. mit auf die Reise genommen wird. Oder die Frage wie ein Fahrzeug aus dem Stand in Bewegung kommt. Die ersten Gleichstrommotoren mussten übrigens „angeschubst“ werden.

Überall, wo eine feste Installation von elektrischer Energie in Frage kam setzte sich schnell der Elektromotor durch, da er bereits damals sehr effizient und vergleichsweise leise war. Selbst für den entstehenden öffentlichen Nahverkehr in den Städten entstanden schnell elektrifizierte Bahnen. Für den Einsatz im Individualverkehr und auf Schiffen blieb nur die Mitnahme gespeicherter Energie in ineffizienten und schweren Batterien und Akkumulatoren. Ein schnelles Aufladen abseits des Austausches der Batterien war nicht möglich.

Die Verbrennungsmotoren Technologie folgte dem Weg der Dampfmaschine indem der Treibstoff, vormals Kohle, nun in Form von einer brennbaren Flüssigkeit mitgenommen wurde. Zu bedenken ist, dass die erste Überlandfahrt von Berta Benz mit Treibstoff aus der Apotheke stattfand. Den großen Massendurchbruch erzeugte Henry Ford mit seinem Model T (Thin Lizzy), dass auch für damalige Verhältnisse erschwinglich war und zu einem Aufbau an Tankstellen führte. Damit war der Treibstoff flächendeckend erhältlich und dem Siegeszug des Verbrennungsmotors stand nichts mehr im Wege, ausser, dass er immer noch ineffizient und laut war. Mit der starken Verbreitung gerade in Ballungsgebieten kam dann noch das Problem der Abgase hinzu. 

Generationen von Ingenieur*Innen haben an diesen Problemen gearbeitet und tatsächlich sehr leistungsfähige und leise Verbrennungsmotoren entwickelt, aber die Chemie und die Physik haben nun einmal ihre Grenzen. Eine solche Maschine erreicht maximal 50% Wirkungsgrad (Verhältnis von eingehender Energie zu in Bewegung umgesetzte Energie)  und der Rest wird in Wärme umgewandelt. Des Weiteren blieb das unzureichende Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, dass zum Anfahren notwendig ist.

Die Entwicklung der Elektromotoren konzentrierte sich parallel auf stationäre bzw. quasi stationäre Anwendungen und als Generatoren für die Erzeugung elektrischer Energie. Auch hier haben Generationen von Ingenieur*Innen an der Verbesserung der Effizienz und dem Drehmoment-Verlauf gearbeitet. Es entwickelten sich verschiedene Motoren (Gleichstrom-, Wechselstrom-, Drehstrom-, Synchron- und Asynchron-Motoren), denen aber eines gemeinsam ist, sie besitzen einen festen Part, den Stator, und einen drehenden Part, den Rotor, der mit seiner Welle in einem Lager läuft. Bei diesem Prinzip sind tatsächlich Wirkungsgrade deutlich oberhalb 90% ohne weiteres zu erreichen. 

Die Verluste entstehen im Lager, im ohmschen Widerstand der Wicklungen und in den magnetischen Verlusten der Magnetfeld führenden Blechpakete. Da zusätzlich noch die Drehzahl des Motors geregelt werden muss, entstehen auch noch Verluste in der dafür notwendigen Leistungselektronik. Bei den Drehstrommotoren ist das Problem des Anlaufdrehmomentes nicht mehr vorhanden, da es keinen Totpunkt gibt. Die Fahrer von E-Autos werden bestätigen, dass das Anfahrdrehmoment riesig ist im Vergleich zum Verbrennungsmotor und dies ist physikalisch bedingt. 

Das Problem der Energieversorgung bei mobilen Anwendungen war lange Zeit das einsatzbegrenzende Problem. Die zur Verfügung stehenden Blei-Akkumulatorzellen hatte eine zu geringe Speicherkapazität im Verhältnis zu ihrem Gewicht. Darüber hinaus war die Ladegeschwindigkeit so gering, dass die Nutzungs- zur Ladezeit in keinem vernünftigen Verhältnis stand. Der Einsatz von Brennstoffzellen war ein erster Weg um dies zu umgehen, aber dazu wird Wassrstoff in ungebundener oder auch gebundener Form (Methanol oder Ammoniak) benötigt. Sie konnten sich nur in einige speziellen Anwendungen durchsetzen. 

In den letzten Jahren hat sich die Entwicklung von leistungsstarken Akkumulatoren (Batterien) gerade durch mobile Elektronikanwendungen, wie Laptops, Mobiltelefonen und elektrischen Handwerkzeugen exponentiell entwickelt. Auch die Ladegeschwindigkeit hat sich erheblich verbessert. Dadurch ist es nun auch möglich entsprechende mobile Fahrzeuganwendungen mit ausreichender Reichweite darzustellen. 

Dazu kommt, dass für den Betrieb eines Fahrzeuges mit Elektromotor eine kleinere Leistung als mit einem Verbrennungsmotor notwendig ist, da viel Energie für das Anfahren des Fahrzeuges notwendig ist. Darüber hinaus kann während des normalen Bremsens die Bewegungsenergie wieder in die Akkumulatoren zurück gespeist werden. Es ist also sichtbar, dass mit neuen leistungsfähigen Batteriespeichern der Elektromotor als Antriebsmotor seine technischen Vorteile voll ausspielen kann. Dazu kommt noch, dass ein Elektromotor keine Abgase in die Umgebung bläst und bei der Verwendung von regenerativen Energiequellen zur Stromerzeugung das Ziel der Klimaneutralität erfüllt.

Verschwiegen werden sollte nicht, dass es Bereiche gibt, wo die Kombination aus Elektromotor und Batterie auch heute noch an ihre Grenzen gerät. Dies sind vor allem der Lastkraftwagenbereich, die Luft- und Schifffahrt. Aber für die Schifffahrt gibt es bereits Lösungsansätze, die darauf beruhen, dass wieder die gute alte Segeltechnik, also Windkraft in Kombination mit Elektroantrieb für den Hafenbereich genutzt werden kann. In diesen Bereichen sind die „Technologie offenen Weiterentwicklungen“ gefragt

Klaus Rathjen