Der Energieverbrauch eines Autos wird in letzter Zeit immer wichtiger. Das gilt vor allem bei Elektroautos, wo die Frage nicht wegen dem Energieverbrauch an sich gestellt wird, sondern wegen der Reichweite. Damit kehren nun fast schon amerikanische Verhältnisse ein.
Denn in Deutschland wird der Kraftstoffverbrauch traditionell in Litern Benzin pro 100km gemessen, damit man schnell weiß, wieviel das Fahren kostet. In den USA wird zur Verwirrung aller im Rest der Welt in Meilen pro Gallone (mpg) gemessen, damit man weiß, wie weit man mit dem Benzin im Tank noch kommt. Wenn man sich die weiten Landschaften ohne signifikante Besiedlung in der zentralen USA anschaut, ist das durchaus verständlich. (Faustregel: 40mpg sind etwa 6 Liter pro 100km)
Mit Elektroautos sind derartige Bedenken nun auch in sehr viel dichter besiedelten Regionen von Belang. Es stellt sich die Frage, wie man mit so einem Elektroauto möglichst weite Strecken zurück legen kann und was man an einem Auto ändern könnte, um weiter fahren zu können.
Beschleunigen und Bremsen
Dazu muss man sich erst einmal klar machen, wozu das Auto die Energie braucht. Einmal braucht es Energie zum Beschleunigen und hat dann kinetische Energie. Beim Bremsen geht diese Energie verloren, allerdings kann man mit regenerativen Bremsen zumindest einen Teil davon wieder zurückgewinnen. Es hängt von zwei Dingen ab, wieviel Energie dabei verloren geht. Eins ist das Gewicht des Autos. Ein doppelt so schweres Auto braucht doppelt so viel Energie zum Beschleunigen – ist also eine lineare Abhängigkeit. Das zweite ist die Geschwindigkeit. Um das Auto auf die doppelte Geschwindigkeit zu bringen, braucht man (bei gleichem Gewicht) die vierfache Menge Energie – es ist eine quadratische Abhängigkeit.
Das ist vor allem im Stadtverkehr ein Problem. Um so schwerer das Auto und um so höher die Spitzengeschwindigkeit beim Spurt von einer Ampel zur nächsten, um so mehr Energie geht verloren. Im Stadtverkehr gibt es nichts besseres als eine grüne Welle, wenn man Energie sparen will.
Aber Autos werden nicht nur in der Stadt bewegt, sondern auch auf langen Strecken und dort machen Elektroautos die größten Probleme. Sie verbrauchen unablässig Energie und irgendwann sind die Batterien leer, obwohl man weder bremst noch beschleunigt. Das liegt natürlich am Rollwiderstand und der Tatsache, dass ein Auto Luft auf seinem Weg zur Seite drängen muss. So lange einem Auto die Luft im Weg steht, kann es nicht weiter.
Dabei ist Luft nicht zu unterschätzen. Sie wiegt immerhin 1,3kg pro Kubikmeter. Wenn ein Auto auf der Autobahn mit 30 Metern pro Sekunde fährt (108km/h), dann muss es in jeder Sekunde Zentnerweise Luft zur Seite schaufeln.
Rollwiderstand
Aber fangen wir mit dem Rollwiderstand an. Der ist hier eine besondere Kraft – er steigt (meistens) linear mit der Geschwindigkeit. Wenn man in einem Vakuum doppelt so schnell fahren können will, dann braucht man die doppelte Motorleistung und verbraucht pro Sekunde doppelt so viel Energie. Aber man legt auch die doppelte Strecke zurück. Auf dem Mond wäre das Fahren auf der Autobahn eine wahre Freude. Wenn man nur Rollwiderstand hat und weder bremst noch beschleunigt, dann ist die Geschwindigkeit für den Energieverbrauch pro km egal. Noch besser wären dort natürlich Schwebebahnen, die dann problemlos einige Kilometer pro Sekunde fahren könnten (wobei die Passagiere allerdings von der Fliehkraft an die Decke des Zuges gedrückt würden).
Der Rollwiderstand steigt aber auch linear mit dem Gewicht. Egal wieviel man durch härtere, schmalere Reifen, bessere Lager und ähnliches heraus holt – weniger Gewicht hilft immer, aber nur, wenn es nicht bei den Batterien eingespart wird. Leider führt die Optimierung des Rollwiderstands über die Reifen auch sehr leicht zu schlechtem Fahrverhalten, wegen dem fehlenden Grip. Denn der Rollwiderstand ist auch ein Maß für die Güte der Verbindung zwischen Auto und Straße.
Aber man hat nicht nur Rollwiderstand und das relativiert die Sache bei höheren Geschwindigkeiten. Denn der Luftwiderstand steigt kubisch mit der Geschwindigkeit, also mit der dritten Potenz. Da man aber gleichzeitig auch mehr Strecke in der gleichen Zeit zurück legt, steigt der Energieverbrauch “nur” mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Umgekehrt heißt das, dass der Luftwiderstand praktisch keine Rolle spielt, wenn man sehr langsam fährt. Es seie denn, man hat starken Gegenwind!
Luftwiderstand
Zusammen mit dem Rollwiderstand wird der Energieverbrauch dann etwas komplexer. Bei einem typischen Auto, wie es David MacKay in “Without Hot Air” angenommen hat, ist der Luftwiderstand bei etwas über 50km/h schon genauso groß wie der Rollwiderstand. Mit der doppelten Geschwindigkeit, 100km/h, vervierfacht sich aber der Luftwiderstand. Der Energieverbrauch beim geradeaus fahren steigt entsprechend um das 2,5 fache. (Von 1+1 auf 1+4.) Mit der dreifachen Geschwindigkeit, 150km/h, braucht man die 5-fache Energiemenge. (Von 1+1 auf 1+9)
Jeder Autofahrer wird nun sagen: Das kann doch gar nicht sein! Wenn ich 100km/h fahre, brauche ich auf keinen Fall 2,5 mal so viel Benzin wie mit 50km/h.
Stimmt auch. Aber das liegt am Motor. Denn der ist eher auf 80-90km/h optimiert, als auf 50km/h. Bei langsamen Geschwindigkeiten werden Benzin- und Dieselmotoren ineffizienter. Das ganze Modell oben gilt in selbst in groben Zügen nur, wenn man das ganze Auto auf diese Geschwindigkeit optimiert hat.
Elektroautos haben da einige entscheidende Vorteile. Zum einen behalten Elektromotoren über größere Bereiche ihre Effizienz als es Verbrennungsmotoren tun könnten. Zum anderen sind Elektromotoren auch viel kleiner und leichter. Es wäre also realistisch möglich, dass man ein Elektroauto mit zwei Motoren ausstattet. Ein großer Motor zum sportlichen Beschleunigen und hohe Geschwindigkeiten und ein kleiner Motor zum gemütlichen dahin gleiten, das wird teilweise auch tatsächlich getan. Aber in jedem Fall reagieren Elektroautos auf höhere Geschwindigkeiten sehr viel empfindlicher, als es Autos mit Verbrennungsmotor tun würden.
Weniger Luftwiderstand
Aber man muss den Luftwiderstand auch nicht als gegeben hinnehmen. Er hängt nicht nur von der Geschwindigkeit ab, sondern noch von anderen Variablen. Die Dichte der Luft ist dabei eher weniger hilfreich – auch wenn das bedeutet, dass man ihn auf 5-6km hohen Bergen um die Hälfte reduzieren kann. Auch hier hätten Elektroautos einen Vorteil, denn anders als die Verbrennungsmotoren verlieren sie in der dünnen Luft nicht an Leistung.
Sehr viel hilfreicher sind da die anderen beiden Faktoren. Dabei redet alle Welt vom Widerstandsbeiwert und der Stromlinienförmigkeit von Autos. Der ist auch tatsächlich wichtig. Ein Wert von 0,6 spart ein viertel des Widerstands ein, im Vergleich zu einem Wert von 0,8. Aber es ist nur ein Beiwert. Was ist dort der Hauptwert? Die Fläche auf die die Luft trifft.
Das sollt auch verständlich sein. Der Luftwiderstand kommt zustande, weil das Auto die Luft zur Seite schieben muss. Um so flacher und um so schmaler das Auto ist, um so mehr Luft kann bleiben wo sie ist und muss nicht zur Seite geschoben werden. Wenn ein Ferrari flach wie eine Flunder ist, dann hilft das ganz enorm beim Sprit sparen!
Wie? Kann nicht sein? So ein Ferrari ist ein Benzinsäufer vor dem Herrn? Nun gut, er ist auch nicht für den normalen Straßenverkehr optimiert, sondern für hohe Geschwindigkeiten und guten Abtrieb beim Fahren um die Kurven. Mehr Abtrieb heißt aber auch mehr Rollwiderstand und mehr Luftwiderstand. Mit einem 50PS-Töff-Töff-Motörchen könnte er fast schon zum Sparwunder werden.
Das optimale Elektrofahrzeug
Man kann Autos aber nicht nur flacher bauen, sondern auch schmaler. Der Messerschmidt Kabinenroller läßt grüßen. Ein ideales Auto würde die Passagiere einfach konsequent hintereinander platzieren, so dass für jeden einzelnen Passagier möglichst wenig Luft verdrängt werden muss um vorwärts zu kommen. Die Form des Autos würde sich dann langsam einem rollenden Bleistift annähern.
Tatsächlich gibt es das, sogar mit extrem optimiertem Rollwiderstand. Die Straßenlage ist natürlich grottenschlecht, aber das nicht so schlimm. Es hat auch einen elektrischen Antrieb und trotzdem keine Probleme mit zu kurzer Reichweite und zu schweren Akkus. Es ist aber auch kein Auto, sondern ein Zug. Ok, das ist frech, aber es ist auch wahr. Ein gut ausgelasteter Zug ist ein optimales Elektrofahrzeug und wo immer man elektrifizierte Eisenbahnstrecken hat, benutzt man sie auch.
Tatsächlich haben Züge viele Eigenschaften, die Elektroautos bräuchten um sie auf minimalen Energieverbrauch zu trimmen. Das fängt mit der Strecke an. Die Strecke wird so optimiert, dass ein Zug nur selten beschleunigen und abbremsen muss. Züge haben praktisch keine Sicherheitsvorkehrungen für den Fall eines Zusammenpralls, ganz im Gegensatz zu Autos.
Ohne die Sicherheitstechnik könnten Autos sehr viel leichter sein. Was bräuchten Autos um ohne Aufprallschutz auskommen zu können? Gleise auf denen ihnen keine anderen Fahrzeuge entgegen kommen, wären hilfreich, wird es aber nicht geben. Aber vollautonome, computergesteuerte Fahrzeuge könnten irgendwann fast genauso gut sein. Die ganze Sicherheitstechnik ist ja nur deswegen nötig, weil es ständig zu Unfällen bei hohen Kollisionsgeschwindigkeiten kommt.
Die Geschwindigkeit spielt eine entscheidende Rolle. Mit langsameren Geschwindigkeiten könnte man nicht nur sehr viel Energie einsparen, sondern auch leichtere Sicherheitstechnik einsetzen. Aber wer will in einem Auto schon freiwillig langsamer fahren? Eigentlich niemand. Autofahren ist im allgemeinen eine Tätigkeit bei der man nichts anderes tun kann. Aber auch hier könnten autonome Fahrzeuge das Problem zumindest etwas kleiner machen. Wenn das Auto allein fährt, hätte man Kopf und Hände frei um anderes zu tun.
Das Problem ist natürlich, dass die Technik noch nicht so weit ist. Auch eine Koexistenz von autonomen Fahrzeugen, die auf jeden Aufprallschutz verzichten und Autos die von Menschen gesteuert werden, ist kaum denkbar. Es wird ein interessantes Problem sein, zu dem man eines Tages wohl auch eine interessante Lösung finden wird.
In der Zwischenzeit gibt es immernoch den Zug.
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