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Reichweitenverlängerer

Eine der größten Herausforderungen bei der Einführung von Elektroautos ist die recht begrenzte Reichweite, die allein mithilfe von aufladbaren Batterien erreichbar ist. Dies liegt daran, dass Batterien nicht nur relativ teuer sind (zumindest bisher), sondern auch beispielsweise im Vergleich zu einem Benzintank eine sehr geringe Energiedichte aufweisen. Deswegen werden manche Fahrzeuge mit einem Reichweitenverlängerer (Range Extender) ausgestattet – einem Aggregat, das mithilfe eines chemischen Energieträgers (meist Benzin), eines Verbrennungsmotors und eines Generators elektrische Energie zur Unterstützung der Batterien erzeugen kann. Selbst ein Benzintank von moderater Größe (z. B. 10 l) kann die Reichweite um über 200 km verlängern.

Hierbei ist vorgesehen, das Fahrzeug meist rein elektrisch zu betreiben, den Reichweitenverlängerer also nicht allzu häufig einzusetzen. Wenn ein solches Aggregat regelmäßig eingesetzt werden sollte, spräche man eher von einem seriellen Hybridantrieb als von einem Elektroantrieb mit Range Extender.

Ein Reichweitenverlängerer wird in der Praxis häufig mit einer konstanten oder kaum variablen Leistung betrieben. Soweit diese den momentanen Leistungsbedarf der Elektromotoren übersteigt, wird der Überschuss in der Batterie gespeichert, d. h. diese wird geladen. Bei hohem Leistungsbedarf kann die Batterie kurzzeitig auch zusätzliche Leistung liefern.

Außer der Verlängerung der Reichweite können weitere Funktionen erfüllt werden:

• Die Abwärme des Motors kann für die Beheizung des Innenraums des Fahrzeugs verwendet werden.
• Der Betrieb des Reichweitenverlängerers kann auch dann notwendig sein, wenn die Batterie aufgrund einer zu hohen oder zu niedrigen Temperatur nicht stark belastet werden darf.
• Unter Umständen kann auch aktiv dafür gesorgt werden, dass die Temperatur der Batterie möglichst bald in den gewünschten Bereich gerät, nämlich durch Beheizung (z. B. mit Abwärme vom Motor) oder durch Kühlung mithilfe elektrischer Energie.

Allerdings werden in der Praxis nicht immer all diese Funktionen realisiert.

Im Prinzip kämen auch Systeme mit Brennstoffzellen als Reichweitenverlängerer infrage. Jedoch sind hier die Investitionskosten relativ hoch, weswegen sich eine Brennstoffzelle für nur gelegentlichen Einsatz kaum lohnt. Deswegen wird eine Brennstoffzelle, wenn sie denn eingesetzt wird, vermutlich eher für den dauernden Betrieb – unterstützt nur durch eine kleine Batterie ohne externe Auflage Möglichkeit – verwendet werden.

Anforderungen an einen Reichweitenverlängerer

Die typischen Anforderungen an einen Reichweitenverlängerer können wie folgt beschrieben werden:

• Das Aggregat soll möglichst kompakt und leicht ausgeführt werden, da die Batterien ohnehin schon viel Platz benötigen und schwer sind.
• Auch die Kosten sollten möglichst tief liegen.
• Der Wirkungsgrad und die Abgasqualität sollen trotz des eher seltenen Einsatzes möglichst hoch sein, um die gesamte Ökobilanz des Fahrzeugs (auf die bei solchen Fahrzeugen meist besonders viel Wert gelegt wird) nicht maßgeblich zu verschlechtern.
• Das Gerät soll nicht allzu laut arbeiten, da entsprechende Geräusche gerade bei einem mit konstanter Drehzahl arbeitenden Aggregat leicht als störend empfunden werden.

Dagegen ist es nicht unbedingt nötig, dass die elektrische Leistung des Aggregats in weiten Bereichen variiert und schnell dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann. Es ist auch nicht unbedingt nötig, eine Leistung erzeugen zu können, die den maximalen Bedarf der Elektromotoren decken kann. Schließlich steht ja eine große Batterie als Energiespeicher zur Verfügung, die z. B. für Überholvorgänge kurzzeitig deutlich mehr Leistung liefern kann. Besonders für Fahrzeuge, die im Wesentlichen für den Stadtverkehr gedacht sind, genügt ein Aggregat mit einer maximalen Leistung von nur z. B. 5 bis 10 Kilowatt, wozu ein einfacher Einzylinder-Motor genügt. Für Fahrzeuge, die auch auf der Autobahn betrieben werden können, wird man eine entsprechend höhere Leistung von z. B. 25 kW wählen und hierfür hier einen Zweizylinder-Motor mit einem Hubraum von z. B. 0,5 l einsetzen. Man wird die Leistung auch nicht höher auslegen als die Leistung, welche die Batterie beim Laden dauerhaft aufnehmen kann. Der technische Aufwand für die Abgasreinigung kann relativ gering gehalten werden aufgrund der kleinen Leistung und der günstigen Betriebsbedingungen.

Die Erfüllung dieser Anforderungen ist einfacher als bei einem herkömmlichen Verbrennungsmotor zum direkten Antrieb eines Fahrzeugs. Es kann ein relativ einfach gebauter Motor verwendet werden, der mit einer konstanten oder relativ wenig variablen Leistung und Drehzahl betrieben wird. Es kommt also beispielsweise nicht darauf an, die Elastizität des Motors oder das Ansprechverhalten zu optimieren. Das Aggregat wird gerne im Heckbereich eingebaut, um lange Abgasleitungen und lange Stromleitungen zu den Batterien zu vermeiden. Da in der Regel keine mechanische Verbindung mit den Rädern nötig ist, ist man mit der Platzierung auch ziemlich flexibel.

Im Prinzip kommen verschiedenste Arten von Verbrennungsmotoren infrage. Jedoch ist ein benzinbetriebener Ottomotor für einen Reichweiten verlängere in der Regel am besten geeignet, da er relativ kostengünstig und kompakt gebaut werden kann, mit einer nicht allzu aufwendigen Abgasreinigungsanlage auskommt und mit einem kompakten Benzintank ausgestattet werden kann. Ein Dieselmotor könnte zwar im Prinzip effizienter arbeiten, jedoch überwiegen bei diesem Einsatz seine Nachteile bezüglich Gewicht, Aufwand der Abgasreinigung, Kosten und Laufruhe. Auch andere Motorkonzepte wie z. B. der Wankelmotor können den herkömmlichen Ottomotor trotz gewisser spezifischer Vorteile nicht verdrängen. Die Bauweise wird meist relativ einfach gewählt; fortgeschrittene Konzepte wie die Turboaufladung oder eine variable Ventilsteuerung werden normalerweise nicht verwendet.

Im Winter kann man die Abwärme des Verbrennungsmotors auch für die Beheizung des Fahrzeugs nutzen. Allerdings wird diese Option oft nicht vorgesehen, da dafür der Range Extender mit der Heizungsanlage verbunden werden müsste (was wiederum die Flexibilität des Einbaus einschränkt) und sein ständiger Einsatz ohnehin nicht vorgesehen ist. Dies kann dazu führen, dass das Fahrzeug schließlich elektrisch beheizt wird mithilfe elektrischer Energie vom Reichenweitenverlängerer, da die Batteriekapazität ja gerade im Winter am ehesten knapp wird. Dieses Verfahren ist von der Energieeffizienz her freilich alles andere als optimal. Für den Einsatz in kalten Gegenden ist es deswegen sinnvoller, ein solches Aggregat für den regelmäßigen Einsatz vorzusehen und an die Heizungsanlage anzuschließen. Dies würde freilich einen Schritt weg vom Elektroauto hin zum Hybridantrieb bedeuten, wo die Primärenergie doch zu einem großen Teil vom Kraftstoff kommt und nicht aus dem Kraftwerk.

Im Prinzip wäre es möglich, einen Reichweitenverlängerer als ein leicht ausbaubares Modul zu gestalten. Dieses Modul könnte dann im Normalfall in der Garage gelagert werden, und es würde vom Nutzer nur dann eingesetzt, wenn ein entsprechender Bedarf erkennbar ist. Damit würde man für den größten Teil der gefahrenen Strecken das Zusatzgewicht vermeiden. Dieses Konzept hat sich bisher allerdings nicht durchsetzen können.

Mögliche Betriebsstrategien

Für einen Reichweitenverlängerer sind unterschiedliche Betriebsstrategien möglich:

• Bei einer Einpunktstrategie wird der Verbrennungsmotor immer am gleichen Arbeitspunkt betrieben, und zwar mit relativ hoher Last bei konstanter Drehzahl. Der Motor wird beispielsweise gestartet, wenn ein gewisser Mindestladestand der Batterie unterschritten wird. Dieser einfache Ansatz ergibt den optimalen Wirkungsgrad des Motors. Die erzeugte Leistung wird für den Fahrzeugantrieb verbraucht, so weit benötigt, und mit dem Rest wird die Batterie geladen. Nachteile dieses Ansatzes sind das im Stand oder bei niedrigen Geschwindigkeiten unter Umständen störende Motorgeräusch sowie die Energieverluste durch das verstärkte Laden und Entladen der Batterie.
• Bei einer Zweipunkt- oder Dreipunktstrategie werden zwei bzw. drei Betriebspunkte mit unterschiedlichen Drehzahlen verwendet, die je nach benötigter Leistung und/oder Fahrgeschwindigkeit ausgewählt werden. Dies stellt höhere Anforderungen an die Optimierung des Motors, reduziert aber störende Geräusche bei niedrigen Geschwindigkeiten und passt die erzeugte Leistung besser dem jeweiligen Bedarf für den Fahrzeugantrieb an. Dies verringert die Energieverluste, die durch das Aufladen und Entladen der Batterie entstehen.
• Eine andere Möglichkeit ist die stufenlose Anpassung der Drehzahl und Leistung.

Die Betriebsstrategie kann jeweils von unterschiedlichen Aspekten beeinflusst sein, beispielsweise vom Ladezustand der Batterie, der Fahrgeschwindigkeit bzw. dem Leistungsbedarf für den Antrieb und den Bedarf an Heizleistung. Beispielsweise kann der Motor anfangs mit einer höheren Leistung betrieben werden, damit seine Betriebstemperatur möglichst rasch erreicht wird.

Vor- und Nachteile von Reichweitenverlängerern

Der Vorteil, den man durch Ausstattung eines Elektrofahrzeugs mit einem Reichweitenverlängerer erzielt, liegt auf der Hand. Wenn doch einmal eine lange Fahrt gemacht werden muss und ein Aufladen zwischendurch mangels Tankstelle oder mangels Zeit zum Laden nicht möglich ist, ist das Fahrzeug dennoch verwendbar – dann eben ausnahmsweise mit Benzin betrieben. Dies kann eine Grundvoraussetzung dafür sein, dass ein solches Fahrzeug überhaupt angeschafft wird. Meist wäre es nämlich nicht akzeptabel, quasi nur als Reserve ein zusätzliches benzingetriebenes Fahrzeug bereithalten zu müssen oder auch gelegentlich ein solches Fahrzeug anmieten zu müssen. Der Range Extender ist auch ein effektives Mittel zur Vermeidung der sogenannten Reichweitenangst, trägt also zu einer entspannteren Benutzung des Fahrzeugs bei.

Auf der anderen Seite entstehen auch mehrere Nachteile, wenn bei sonst gleicher Beschaffenheit des Fahrzeugs ein solches Aggregat hinzugefügt wird:

• Die Anschaffungskosten steigen deutlich an. Bei heutigen Elektrofahrzeugen können es durchaus mehrere tausend Euro sein.
• Es entsteht ein zusätzlicher Platzbedarf, und das Fahrzeuggewicht wird weiter erhöht.
• Infolgedessen steigt auch der Energieverbrauch im elektrischen Betrieb spürbar an (z. B. um einige Prozent).
• Zudem steigt der Wartungsaufwand durch den zusätzlichen Verbrennungsmotor.

Aus diesen Gründen werden manche Elektrofahrzeuge mit und ohne Range Extender angeboten; gekauft werden sie dann am ehesten von solchen Nutzern, den eine garantierte höhere Reichweite besonders wichtig ist.

Möglich ist es natürlich auch, einen Reichweitenverlängerung in Kombination mit einer entsprechend verkleinerten Fahrzeugbatterie zu verwenden, sodass an dieser Stelle wieder Einsparungen an Kosten und Gewicht entstehen.

Mögliche Alternativen zum Reichweitenverlängerer

Eine denkbare Alternative zum Reichweitenverlängerer wäre ein System, das den schnellen Austausch der Fahrzeugbatterie gestattet. Der Betreiber eines solchen Autos würde die Batterie dann nur mieten und an der "Tankstelle" jeweils innerhalb weniger Minuten durch eine frisch geladene auswechseln lassen. Damit wäre zumindest das Problem der langen Ladezeit gelöst. Allerdings dürfte es schwierig sein, eine flächendeckende Infrastruktur für dieses System aufzubauen. Außerdem müssten hierfür wohl mehrere Autohersteller zusammenarbeiten, sodass viele Fahrzeuge den gleichen Batterietyp nutzen können.

Ein Stück weit könnte das Reichweitenproblem auch durch Aufbau eines Systems von Schnellladestationen gelöst werden, die innerhalb von 10 bis 20 Minuten die Batterie zumindest zu einem guten Teil wieder aufladen könnten. Wiederum bräuchte man hier für eine flächendeckende Infrastruktur, deren Aufbau zumindest noch einige Zeit brauchen dürfte.

Siehe auch: Elektroauto, Batterie, Hybridantrieb