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Veröffentlicht: 14.03.2017, 17:14 Uhr

Elektroautos Warum sinkt die Reichweite im Winter?

Tests zeigen: Elektroautos halten die versprochenen Reichweiten im Winter nicht ein. Doch ein ausgeklügeltes Wärmemanagement kann helfen.

von Johannes Winterhagen
© Hersteller Ins Blaue hinein: Reichweiten-Versprechen für Elektroautos sind mit Vorsicht zu genießen. Auch ein Tesla muss im Winter der Kälte Tribut zollen.

Das Elektroauto ist ein Kaltblüter, ihm mangelt es an innerem Feuer. Der Fahrer muss darauf gefasst sein, dass sein Bewegungsradius stark von der Außentemperatur abhängt. Bei Temperaturen unter null sinkt der Bewegungsradius um bis zu 50 Prozent. Ein von dieser Redaktion auf winterlichen Straßen getesteter Renault Zoé brachte es immerhin auf 68 Prozent seiner nominalen Reichweite von 400 Kilometern. Wird es sibirisch kalt, geht schon bald gar nichts mehr:

Ein Lithium-Ionen-Akku lässt sich unterhalb von etwa minus zehn Grad aus Sicherheitsgründen nicht mehr laden, sofern er nicht beheizt wird. Andere Probleme gibt es in heißen Regionen. Jenseits von 40 Grad Celsius altert die Batterie schneller. Ihre volle Kapazität erreicht sie nur in jenem Temperaturbereich, in dem auch der Mensch sich wohl fühlt: zwischen 20 und 40 Grad Celsius.

Für das wechselwarme Verhalten heutiger Akkus gibt es im Wesentlichen zwei Gründe. Der eine liegt in der Batteriechemie, der andere am Fahrer selbst. Um die chemische Ursache zu verstehen, ist es hilfreich, sich die Funktionsweise eines Lithium-Ionen-Akkus zu verdeutlichen. Beim Laden schaufelt er im Inneren Lithium-Ionen von einem Pol (der Kathode) zum anderen (Anode). Zwischen den Polen befindet sich ein leitfähiges Medium, der sogenannte Elektrolyt.

Infografik / Temperaturbereiche eines Lithium-Ionen-Akkus © F.A.Z. Vergrößern

Die in heutigen Akkus verwendeten Elektrolyte sind flüssig. Bei niedrigen Temperaturen werden sie zähflüssig und frieren irgendwann sogar ein. Heftig geforscht wird derzeit an Festkörper-Akkus, in denen ein fester Elektrolyt zum Einsatz kommt. Frühestens 2020 produktionsreif, sollen sie die Energiedichte deutlich erhöhen. Leider ist jedoch die Leitfähigkeit der eingesetzten Materialien ebenfalls stark temperaturabhängig.

Wärmepumpen können Abhilfe schaffen

Nun ist die Außentemperatur nicht das Maß aller Dinge, sonst wäre nicht ausgerechnet Norwegen das Land mit der höchsten Elektroauto-Quote. Um die optimale Zelltemperatur sicherzustellen, werden Lithium-Ionen-Akkus in allen rein batterieelektrischen Autos wassergekühlt. Nur wenige Hybridfahrzeuge arbeiten noch mit Luftkühlung. Wo aber ein Kühlkreislauf vorhanden ist, kann das Kühlmittel auch elektrisch beheizt werden.

Grundsätzlich gilt dabei: Je näher das Kühlmittel an die einzelne Batteriezelle rückt, desto besser der Wärmeübergang. In der frühen Phase, in der sich die Elektromobilität befindet, führt das zu sehr unterschiedlichen Konstruktionen im Batterieaufbau. Im Extremfall – das zeigt ein Start-up aus Österreich – wäre es sogar möglich, Rundzellen, wie sie bei Tesla zum Einsatz kommen, in einem wohltemperierten Ölbad zu betreiben.

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Die Energiemenge, die fürs Kühlen oder Heizen der Batterie benötigt wird, ist gering im Vergleich zu der, die der Fahrer benötigt, um sich an Bord wohl zu fühlen. Die Klimaanlage schlägt mit einem Mehrverbrauch von bis zu einem halben Liter Kraftstoff auf 100 Kilometer schon beim Verbrennungsmotor ordentlich zu Buche. Dafür spendiert der nach einigen Kilometern wenigstens ausreichend Abwärme. Untersuchungen von Mahle zeigen, dass während einer Stadtfahrt bei null Grad Celsius die Heizleistung mit zwei Kilowatt nur unwesentlich unter der durchschnittlichen Antriebsleistung von drei Kilowatt liegt.

Abhilfe kann eine Technik schaffen, die auch in Gebäuden für höhere Energieeffizienz sorgt: die Wärmepumpe. Aus einem Kilowatt elektrischem Strom kann sie drei Kilowatt Wärmeleistung erzeugen. Bei vielen heutigen Elektrofahrzeugen ist sie daher auch schon an Bord.

Thermomanagement wird für Elektroautos wichtiger denn je

Schon mit 150 Wattstunden ist ein Kilometer Reichweite gewonnen. Daher gilt es, an allen Ecken und Enden mit Energie zu knausern, zum Beispiel, indem man Wärme, die an einer Stelle anfällt, andernorts nutzt. So weisen Elektromotoren zwar im realen Straßenverkehr hohe Wirkungsgrade von 80 Prozent und mehr auf, aber der Rest entschwindet als ungenutzte Wärme. Zudem werden auch Elektromotoren wassergekühlt, wobei sich abzeichnet, dass künftig sogar der Rotor – der Ort, wo die meiste Wärme anfällt – Teil des Kühlkreislaufs werden könnte.

Da liegt es nahe, die beim Verbrenner getrennten Kreisläufe für Klimatisierung und Motorkühlung miteinander zu verschalten. Darüber hinaus gibt es eine Menge Ideen zur Senkung des Energiebedarfs im Innenraum. So läuft beispielsweise die Klimaanlage im Winter meist nur, damit die Scheiben nicht beschlagen. Die Frontscheibenheizung, außer bei Ford bei den meisten Autoherstellern lange nicht im Programm, könnte vor einer Renaissance stehen.

Thermomanagement nennt sich die Ingenieurdisziplin, die sich mit dem Wärmetransport beschäftigt. Für das Elektroauto wird sie wichtiger denn je. Doch der Aufwand lohnt sich. Für Fachleute scheint es nicht unwahrscheinlich, dass der Abstand von nominaler zu tatsächlicher Reichweite im Winter auf nur noch 20 Prozent schmilzt. Damit würde das Elektroauto den Verbrenner überholen, denn der verbraucht ja auch mehr Kraftstoff, als im Prospekt steht.

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