Cell-Teilung bei Mercedes: Zwei Konzepte für Elektro-Mobilität

Zwei verschiedene Wege verfolgt Daimler bei seinen Automobil-Modellen mit elektrischem Antrieb. Die batteriebetriebenen E-Cell-Modelle sind für Kurzstrecken- und Pendlerentfernungen konzipiert, die wasserstoffbetriebene F-Cell-Hybrid-Variante schafft auch eine 400 Kilometer lange Reise.

Die Vorteile von Elektro- gegenüber Verbrennungsmotoren sind nicht neu: Sie sind kompakter, leichter, robuster und kostengünstiger zu produzieren. Außerdem fahren sie lokal emissionsfrei, bieten einen besseren Wirkungsgrad als Verbrenner und liefern aus dem Stand das volle Drehmoment, wobei sie auch noch fast geräuschlos operieren. E-Motoren können beim Gaswegnehmen bis zu 90 Prozent der Bewegungsenergie zurückgewinnen und in der Batterie speichern. Nach diesem Generator-Prinzip arbeitet grundsätzlich auch ein Fahrrad-Dynamo.

Zur Versorgung der Elektromotoren mit Energie gibt es zwei Ansätze: durch das Bereitstellen in Batterien oder durch fahrzeugeigene Erzeugung. Mercedes verfolgt bei identischem Elektromotor [foto id=“426923″ size=“small“ position=“right“]einsatzorientiert beide Ansätze. Im E-Cell-Modell speisen Batteriezellen den Motor, beim F-Cell-Fahrzeug sorgt die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in Brennstoffzellen für die elektrische Energieversorgung.

Die Kapazität der Lithium-Ionen-Batteriepakete (E-Cell-Stacks) liegt zwischen 15 und 50 Kilowattstunden (kWh). Der Elektromotor leistet in der A-Klasse 70 kW/95 PS, ihn versorgen zwei Stacks mit je 16,5 kwh Kapazität. Die Reichweite beträgt im Schnitt 200 Kilometer, bei hohem Vollgasanteil oder laufender Klimaanlage deutlich weniger.

Die Reichweite von Autos mit Verbrennungsmotor erreichen Elektrofahrzeuge nicht, da die Bestückung mit ausreichend großen Batterien, auch bei den momentan sinkenden Preisen der Stacks, zu teuer wäre und dadurch das Fahrzeuggewicht drastisch erhöht würde. Pro Kilowattstunde Kapazität wiegt eine Lithium-Ionen Batterie etwa acht bis zehn Kilogramm und kostet circa 400 Euro. Bei 500 Kilometern Reichweite und einem Verbrauch von 20 kWh pro 100 Kilometer würde ein Akku-Stack 800 Kilogramm bis eine Tonne wiegen und 40.000 Euro kosten – und inakzeptable Ladezeiten erfordern.

Die Mercedes B-Klasse mit F-Cell ist dagegen ein Hybridfahrzeug mit Wasserstoff als primärem Energielieferanten. Mit der Brennstoffzellen-Technik legt der Kompakte ohne weiteres 400 Kilometer zurück. Der zusätzliche Batterie-Stack mit drei kWh dient zum Anfahren und Speichern der rückgewonnen Energie. Er schaltet beim Abrufen höherer Motorleistung 100 kW/136 PS zu. Die Brennstoffzelle als Energiewandler setzt nicht die im Kraftstoff gebundene chemische Energie in kinetische Energie um, sondern die im Wasserstoff steckende chemische Energie direkt in elektrischen Strom. Durch die kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht neben Strom als Abfallprodukt nur Wärme und Wasser. Eine einzelne Brennstoffzelle ist nur rund zwei Millimeter dick und liefert etwa 0,5 bis 1 Volt Spannung. Daher ist eine entsprechende Anzahl Brennstoffzellen in einem Stack hintereinander geschaltet.

„Die Betriebsspannung von Elektroautos liegt in der Regel zwischen 300 und 400 Volt“, erklärt Jochen Eck, Leiter Elektrofahrzeug-Erprobung bei Daimler: „Niedrigere Spannungen weisen einen schlechten Wirkungsgrad auf, höhere sind mit der gängigen Steuerungselektronik nicht kompatibel.“

Dass die Technik funktioniert, hat die Weltumrundung in einer B-Klasse F-Cell im vergangenen Jahr bewiesen. Aber die Produktion der Stacks ist sehr teuer und kann nur langfristig durch technische Weiterentwicklung und höhere Stückzahlen günstiger werden. Bei einer Verzehnfachung der Produktion reduzieren sich die Produktionskosten um die Hälfte, schätzt Jürgen Schenk, Leiter der Elektrofahrzeug-Entwicklung. Hier beißt sich die Katze in den Schwanz: zu den Preisen wird sich der Faktor 10 kaum einstellen können.

Technisch haben seine Mannen ihre Hausaufgaben auf dem doppelten Weg zur Elektromobilität gemacht. Die breite Umsetzung wird noch auf sich warten lassen – und über die fehlende Infrastruktur für die Wasserstoffversorgung haben wir bis jetzt noch nicht gesprochen.