Direkter Vergleich: Elektrofahrzeug vs. Verbrenner

by Paul Balzer on 4. August 2011

11 Comments

Im Rahmen der Summer School des Fachhochschulverbunds HAWtech wurden Verbrauchsfahrten mit einem Elektrofahrzeug und einem herkömmlichen Verbrennerfahrzeug durchgeführt. Dabei standen sich der HTWingo mit Zebra Akkumulator und ein Smart ForFour gegenüber.

HTWingo vs. Smart ForFour

Interessant ist vor allem, welchen Einfluss der Wirkungsgradvorteil und die Rekuperationsfähigkeit des Elektrofahrzeugs auf den Gesamtverbrauch haben. Man kann viel berechnen und abschätzen, aber nur eine richtige Messung bringt Klarheit.

Fahrzeuge

MES DEA S.A. Twingo Quickshift Elettrica

Technische Daten MES DEA Twingo Quickshift Elettrica

Smart ForFour

Smart ForFour

Motor R3 Ottomotor 1.1L
1124ccm
55kW (75PS) bei 6000U/min
100Nm bei 3500U/min
5-Gang Getriebe
Höchstgeschwindigkeit 165km/h
Gewicht ca. 1000kg

Messtechnik

Der Verbrauch des Smart ForFour lässt sich relativ einfach über den CAN-Bus ermitteln. Dort wird die Information an das Kombiinstrument übertragen, da in diesem ja die L/100km angezeigt werden müssen. Die Übertragung erfolgt allerdings in L/h, kann aber umgerechnet werden.

Beim Elektrofahrzeug hat das Labor für Elektrische Mobilität der HTW Dresden ein komfortables Messsystem entwickelt, mit welchem alle relevanten Daten (Strom, Spannung, etc.) gemessen werden können. Gleichzeitig wird über ein GPS System Weg, Höhe und Geschwindigkeit ermittelt.

Messstrecke

Es wurde folgende Messstrecke gewählt:

group1_Testfahrt_Kartenansicht

Die Strecke startete an der HTW Dresden und führte die Bergstraße hinauf, Kehrtwende an der Aral Südhöhe und wieder die Bergstraße hinab zur HTW zurück. Das Höhenprofil sah folgendermaßen aus:

group1_Testfahrt_Grafik3D

Insgesamt eine Strecke von ca. 5km im Stadtverkehr mit erheblicher Höhendifferenz von ca. 90m. Ein Eldorado für das Elektrofahrzeug, da es ja die Fähigkeit besitzt die Bewegungsenergie zum Teil wieder zurück in den Akkumulator zu speisen.

Messfahrt

Die Durchschnittsgeschwindigkeiten der Fahrzeuge auf der Fahrt war ca. 23km/h. Man kann die beiden Fahrten also miteinander vergleichen, denn die mittlere Leistung, welche zur Bewältigung der Fahraufgabe nötig war, ist ungefähr identisch.

Geschwindigkeitsprofile

Energieverbrauch

Um die Energieverbräuche miteinander zu vergleichen, wurde die vom Verbrennungsmotor benötigte Benzinmenge (für die Fahrt 0,504L) in kWh umgerechnet. Das Energieäquivalent für 1L Super-Benzin ist:

E_\text{Super}\lbrack\text{kWh}\rbrack=V \lbrack\text{L}\rbrack \cdot \cfrac{35 \frac{MJ}{L}}{3.6}

Das Kraftstoffvolumen V mal 35, weil 1L Super ca. 35MJ Energie freisetzen kann und durch 3.6 geteilt um die Zeitbasis von Sekunde in Stunde und von Joule in Kilowatt umzurechnen.

Elektrofahrzeug

Leistungsaufnahme Elektrofahrzeug

 

Was hier deutlich auffällt ist der Fakt, dass die Leistungsaufnahme des Elektrofahrzeugs auch negativ werden kann („Rekuperation“ genannt). Das heißt, das Fahrzeug kann Bewegungsenergie wieder zurück in den Akkumulator speisen. Das geschieht beim Abbremsen oder beim “rollen lassen” bergab.

Verbrennungsmotorfahrzeug

Kraftstoffverbrauch-Verbrennungsfahrzeug

Beim Fahrzeug mit Verbrennungsmotor geht der Benzinverbrauch nur auf 0L/h oder 0L/100km, wenn es in der Schubabschaltung läuft, d.h. mit eingelegtem Gang bergab rollen gelassen wird ohne die Kupplung zu treten.

Vergleich der Energieverbräuche

Integriert man die Energieverbräuche auf und stellt sie gemeinsam dar, so fällt auf, wie gravierend die Unterschiede sind:

Energy Consumption Electric Car Combustin Engine

Umgerechnet auf das Energieäquivalent von Kraftstoff und in L/100km angegeben, entspricht das

Verbrauch in Liter pro 100km

Dieses Ergebnis ist natürlich auch deshalb so eindeutig positiv für das Elektrofahrzeug, weil die gewählte Teststrecke mit dem immensen Höhenunterschied ideal für die Rekuperationsfähigkeit des E-Fahrzeugs ist. Der Anteil der rückgewonnenen Energie am Gesamtverbrauch des E-Fahrzeugs lag bei 29%. Weitere Diagramme zur Messfahrt sind im Tumblr der Studenten der HAWtech Summerschool zu sehen, welche die Messfahrten durchgeführt haben.

CO2 Bilanz

Eine wichtige Kenngröße in der täglichen Debatte um Individualverkehr ist die CO2 Bilanz. Es geht um die “emittierte” Menge Kohlendioxid pro gefahrenem Kilometer. Das E-Fahrzeug der HTW wird CO2-neutral durch die Solarpanels des Labors geladen. Somit entsteht praktisch keine Emission. Diese Möglichkeit steht allerdings nicht jedem zur Verfügung, sodass man vom deutschen Durchschnitt 508g/kWh ausgehen muss. Für die Messfahrt ergibt sich eine theoretische CO2 Emission von

G_\text{E-Fahrzeug}=\cfrac{508\frac{gCO_2}{\text{kWh}} \cdot 0{,}78 \text{kWh}}{5{,}1km}=77{,}7\frac{gCO_2}{km}

G_\text{Smart}=9{,}6\frac{L}{100km} \cdot 2320 \frac{gCO_2}{L} \cdot \frac{1}{100}=222{,}7\frac{gCO_2}{km}

An dieser Stelle einen herzlichen Dank an Dipl.-Ing. (FH) Dirk Engert und M.Sc. Rene Budich, welche mir die Messdaten zur Verfügung gestellt haben.

11 Comments

  1. Eine schöne Arbeit, um das Energie-Einsparpotential des elektrischen Antriebs zu zeigen. Vor allem im Stadtverkehr mit viel Stop and Go (und hohem Rekuperationsanteil).
    Ich frage mich nur warum auf dem Fahrzeug der Schriftzug von li-Tech steht. Wurde das Projekt von li-Tech gesponsort? Wenn ja, hätte ich erwartet, dass in dem Fahrzeug die Li-Ion-Zellen von li-Tech verbaut sind.
    Die Zebra-Batterie muss immer „auf Temperatur“ gehalten werden, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad etwas verschlechtert. Zudem kommen noch die Ladeverluste dazu. Dies sollte in der CO2-Bilanz eingerechnet werden.
    Bin gespannt ob es weitere ähnliche Vergleiche gibt mit Fahrzeugen die mit der neuesten Technologie ausgestattet sind wie z.B. der Smart-ED (mit li-Tech Zellen) oder z.B. ein Nissan Leaf.
    Die Ergebnisse solcher Projekte können zu einem beschleunigten Umstieg auf elektrische Antriebe beitragen und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern.

  2. Ein sehr guter Artikel!
    Allerdings geben ich zu bedenken, dass die energetische Amortisationszeit von Solarzellen, welche hier genutzt wurden, um das Auto „CO2-frei“ aufzuladen, mit 5 bis 9 Jahren für mitteleuropäische Standorte angegeben werden.
    Wie in folgendem Link beschrieben

    http://www.leifiphysik.de/web_ph10/umwelt-technik/16solarzelle/einbau.htm

    fehlen bei dieser Berechnung zudem die Energiekosten für die Entsorgung der Photozellen und der Energieaufwand zur zusätzlichen Bereitstellung von Energiequellen oder Energiespeichern für die Zeit, in welcher die Sonne nicht scheint. Und wie wir alle wissen, weht auch nicht immer der Wind…

    Folgende Punkte sind mir noch aufgefallen:

    •Im Winter ist der Energieaufwand beim E-Fhzg, zumindest zur Realisierung einer freien Frontscheibe, erheblich größer, da keine Wärme wie beim Verbrennungsmotor „abfällt“

    •Bei kalten Außentemperaturen ist zudem die Kapazität des Akkumulators deutlich eingeschränkt (Reichweite)

    •Der Verbrauch des Smart erscheint mir sehr hoch! Hier würde ich gerne noch ein Downsizing-Fahrzeug oder zumindest ein normales Dieselfahrzeug als weitere Referenz herziehen. Geschätzt bin ich mit einem „Efficient Dynamics“-BMW und 8-Gang-ZF-AT (8HP) mit Start-Stopp und 6 Zylindern (730d) auf dieser mir bekannten Strecke sparsamer unterwegs

  3. Hallo,

    Zusammenhänge schön dargestellt. Interessanter Vergleich. Gibt Anregung zum Nachdenken.

    Der Verbrauch vom Smart hat mich auch stark gewundert. In Anbetracht des Durchschnittsverbrauchs von Spritmonitor und der wirklich bergigen Strecke könnte der Verbrauch jedoch wieder realistisch sein. Der kleine Motor fährt dort sicherlich oft an der Volllast, wohingegen Ihr Diesel (!), Herr Bräunig, dort „locker hoch rollt“. :-)

    Bei dem Punkt der CO2-Amortisation der Solarzellen gebe ich Ihnen Recht. Leider wird in vielen öffentlich Diskussionen, bei welchem zum Hype des E-Autos beigetragen wird, die komplette Energieerzeugung (meist sogar komplett) vernachlässigt. Weiterhin auch die Erzeugung / Entsorgung der Akkus.

    Trotzdem zeigt der Artikel schön, mal abgesehen vom Vergleich mit dem Benziner, wie weit allein die Rekuperationsfähigkeit des E-Autos in der Lage ist den Gesamtenergieverbrauch deutlich zu reduzieren. Selbst ein wirklich sparsames Auto mit 5l/100km in der Stadt verbraucht noch mehr. Die gezeigten 29% allerdings stehen auf der Seite des E-Autos, wo auf Benziner-Seite nur ein Hybrid noch punkten könnte. Interessant wäre somit auch noch ein Vergleich ohne Berg- und Talfahrt.

    Gruß
    Roland

    1. Beim Hype um das herkömmlichen Auto wird auch sehr oft der Energieaufwand zur Herstellung und Entsorgung vergessen.
      Weiterhin auch der Energieaufwand zum Entsorgen zum der Öle und Teile, die im Laufe des Autolebens anfallen.
      Teillast oder Vollast ist dem E Antrieb relativ egal, der Wirkungsgrad ist immer an die 90 %.
      Der Wirkungsgrad an sich ist beim E-Fahrzeug höher, auch in der Ebene.

      Gruß Sven

  4. Eine sehr schöne Messung, die eindeutig zeigt, wo die Vorteile des Elektroantriebs liegen.

    Mehr noch: Interessant ist, dass je mehr der Wirkungsgrade für Antrieb und Rekuperationsleistung optimiert werden, desto mehr anteiligen Einfluss nehmen die noch verbleibenden Fahrwiderstandsgrößen Roll- und Luftwiderstand auf den letztendlichen Verbrauch. Es lohnt sich daher umso mehr, hier zusätzlich zu optimieren, mehr noch als beim Verbrenner.

    Für den Fahrer wird eine der wichtigsten Zusatzausstattungen beim Elektroauto deshalb auch das Reifendruckkontrollsystem sein, das sofort meldet, wenn der Druck in den Reifen zu niedrig wird.

    Gruß,

    Johannes

  5. ich bin ein Freund von fairen Vergleichen!
    Warum wurden in og Untersuchung zwei Fahrzeuge mit so großen Unterschieden verglichen?
    Leistung: > 200%
    Gewicht: > 10%
    vmax : > 30%
    Reichweite: > 100%
    Wenn hier gezeigt werden sollte, dass ein E-Fahrzeug wesentlich sparsamer ist als ein Fahrzeug mit Verbrennungs-Motor, so ist das Resultat dieses Vergleichs alles andere als ein ehrlicher bzw. echter Beleg! Schade!
    Nachtrag: ich bin ein Befürworter der E-Mobilität

    1. Die Kritik kann ich so nicht annehmen.
      Wie sie am Leistung=f(Zeit) des E-Autos (blaues Diagramm) sehen können, fährt es nur sehr selten am Leistungsmaximum. Mitunter ist es sogar zum Vorteil, wenn ein Motor in einem hohen Lastpunkt arbeitet. Der Verbrennungsmotor hat beispielsweise in einem geringem Lastpunkt einen schlechten Wirkungsgrad (Drosselverluste usw.).
      Für das Befahren eines Berges mit bestimmter Geschwindigkeit ist eine Leistung notwendig. Diese ist bei jedem Auto (vorausgesetzt das Gewicht ist identisch, was man bei >10% ja nun mal fast sagen kann) gleich. Wenn ein Fahrzeug dies auf Grund geringer Nennleistung in einem hohen Arbeitspunkt absolvieren muss, ist der Gesamtverbrauch unter Umständen geringer als bei einem Fahrzeug, welches noch enorme Leistungsreserven hat und in einem sehr gedrosselten Lastpunkt (also niedriges Drehmoment und niedrige Drehzahl) fährt.

      Bei einem E-Motor sieht das alles noch ganz anders aus, abhängig von Motorart und Feldregelung (http://www.energie.ch/antriebsvergleich).
      Das kann man so pauschal also auf keinen Fall sagen, wie sie es gerade kritisiert haben.

      Weiterhin ist die Reichweite für diesen Vergleich völlig irrelevant.

      Die Höchstgeschwindigkeit hängt nur von der Maximalleistung und der nachgelagerten Getriebeabstufung ab (http://www.cbcity.de/hochstgeschwindigkeit-abgeregelt), wurde aber hier gar nicht getestet.

      Ich ermuntere Sie gern einen eigenen Versuch zu fahren. Sie werden merken, dass es gar nicht so leicht ist an die nötigen Daten zu kommen. Dass es zwei so ähnliche Fahrzeuge sind, die ich vergleichen konnte, ist meiner Meinung nach schon ein Glücksfall.

      Welche Fahrzeuge hätten Sie denn zum Vergleich gewählt?

  6. Rein auf den Fahrbetrieb bezogen, mag das E-Motor-betriebene Gefährt viele Vorteile bieten und in dieser energetischen Betrachtung im Vorteil sein. Die Ausführungen geben einen sehr schönen Überblick – auch für den Laien. Aber der Fahrbetrieb ist nicht alles! Es stellt sich somit die Frage , wie sieht dtatsächliche Gesamtenergiebilanz aus, beginnend mit der Erzeugung der unterschiedlichen Energieträger, die benötigt werden.
    Die nächste Frage ist weniger technisch geprägt, hat aber eine sehr große Bedeutung: Haben wir überhaupt genug Energie, um Strom in ausreichender Menge für alle Lebensbereiche zur Verfügung zu stellen? Meines Erachtens werden wir in Deutschland nicht in der Lage sein, den Energiebedarf für alle Verbraucher, also auch den der Fahrzeuge, mit erneuerbaren Quellen und konventionellen zu decken. Importieren wir dann den Strom aus den Atomkraftwerken der uns umgebenden Länder?
    Die mir bekannte Energiepolitik springt z.Z. zu weit, was die E-Mobilität angeht und ist nicht ehrlich. Das bedeutet nicht, dass an dem Thema weiter zu arbeiten ist, aber man sollte andere, alternative Technologien durchaus sehr intensiv mit in die Forschung integrieren, um ggf. die Nachteile der E-Antriebe zu umgehen. Mir scheint aber leider, dass es dazu zu spät ist!
    Und bei allen Forschungen und politischen Wegen sollte das Thema der GESAMT-ENERGIE-BILANZ in die Entscheidungsfindung verpflichtend mit einfließen.

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