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02.07.2017

Wirkungsgrade von Diesel und Elektro Autos

Da derzeit viel falsches über die Wirkungsgrade von E-Autos und Diesel Autos erzählt wird, habe ich im Rahmen eines Facebook Kommentars diese Irrtümer mal ausgeräumt. Es wird immer erzählt, dass ein Diesel einen Wirkungsgrad von 45% hat. Das ist jedoch falsch, denn ein Diesel hat einen Wirkungsgrad von 10% bis zu 45%. Die 45% erreicht der Diesel nur be 80% Last im letzten Gang. Durchschnittlich liegt der Diesel in Praxis bei etwa 20% bis 25%. [9] [10]

Nachgerechnet

Ein Auto hat Luft und Rollwiderstand zu überwinden. Während ein Verbrenner etwas leichter ist, so ist beim E-Auto der Luftiwderstand wegen des fehlenden Kühlergrills besser. Folgende Zahlen sind also gegeben:
Golf Diesel / e-Golf:
Verbrauch: 5,8 l/100km <-> 16,4 kWh / 100 km[1]
Gewicht: 1350 + 150 <-> 1600 + 150 [2]
CW-Wert: 0,33 <-> 0,28 [3]
Querschnittsfläche: 2,2 m² <-> 2,2 m²
Durchschnittliche Reisegeschwindigkeit: 60 km/h [4]

Dementsprechend ist der Luftwiderstand: [5]
e-Golf: 2,2 m² / 2 * 0,28 * 1,3 * (16,7 m/s)^2 = 112 N
Golf Diesel: 2,2 m² / 2 * 0,33 * 1,3 * (16,7 m/s)^2 = 131 N

Und der Rollwiderstand: [6]
e-Golf: (1600 + 150) * 0,014 * 9,81 = 240 N
Golf Diesel: (1350 + 150) * 0,014 * 9,81 = 206 N

Folglich ist der zu überwindende Widerstand bei 60 km/h:
e-Golf: 352 N
Golf Diesel: 337 N

Auf 100 km muss man also folgende Energie leisten:
e-Golf: 352 N * 100.000 m  = 33 MJ = 9,8 kWh
Golf Diesel: 337 N * 100.000 m = 31,6 MJ = 9,4 kWh

Ein Liter Diesel hat 10,6 kWh Energie. Bei einem Verbrauch von 5,8 l/100km sind das also 61,5 kWh. 
Der Durchschnittliche Wirkungsgrad des Golf Diesel beträgt also: 9,4 / 61,5 = 15,3% [8]

Beim e-Golf gehe ich vom Worst Case aus: Strom vom Öl-Kraftwerk. Bis der Strom aus der Energie eines Liter Öls im Auto ankommt, gibt es erhebliche Verluste:
  • Ölkraftwerk: 0,45
  • Stromnetz: 0,94 [12]
  • Akku: 0,95 [11]
  • Motor: 0,94 [10]
D.h. für 16,4 kWh Verbrauch sind tatsächlich 16,4 / (0,45 * 0,94 * 0,95 * 0,94) = 43,0 kWh notwendig.
Folglich liegt der Wirkungsgrad bei 9,8 / 43,0 = 22,8
Vorteil beim Wirkungsgrad: ~50%


Elektrisch - 50% - 600% effizienter

Ich habe hier den e-Golf ggü. den Diesel verglichen, weil diese Autos bis auf den Antrieb fast gleich sind. Der e-Golf ist allerdings kein gutes E-Auto. Beim Tesla sieht das ganze schon viel besser aus: Faktor > 2 [7]. Wenn man das Auto nun auch noch mit regenerativer Energie befüllt, weil bei den E-Autos kein Problem ist, da Autos 95% der Zeit stehen, dann kommt man sogar Faktoren von 5 bis 6. Wenn man den deutschen Energiemix heranzieht, welcher zu mindestens 30% aus erneuerbaren Energien besteht, dann steigt der Faktor ebenfalls. Die errechneten 50% sind also die absolute untere Grenze, wenn man das E-Auto nach allen Regeln der Kunst schlecht redet. Des Weiteren sollte man den Diesel gar nicht als Konkurrenz zum E-Auto heranziehen, da ein Diesel system bedingt eine höhere Feinstaubbelastung, sowie Stickoxid Belastung aufweist, welche man ohne erhebliche Verluste am Wirkungsgrad nicht weg bekommt. Der korrekte Vergleich müsste also gegen einen Benziner laufen - und da sind die Zahlen noch viel schlechter.

Haltbarkeit des Akkus

Häufig wird die geringe Haltbarkeit des Akkus als Problem der E-Mobilität genannt. Mittlerweile hat man aber durch den Tesla genug Praxiserfahrung, um hier Klarheit zu schaffen: Selbst nach 300.000 km sind die Ladungsverluste unterhalb der wichtigen 10% Grenze: [13] Aber selbst wenn der Akku am Ende der Lebenszeit des Autos nur noch 90% Leistung hat, so ist dieser Akku ja nicht kaputt, sondern hat noch einen erheblichen Restwert. So kann man ihn entweder günstig recyceln, oder als häuslichen Energiespeicher für die solare Autonomie verwenden. Das Thema werde ich noch mal umfangreicher in einem eigenen Blog behandeln.



[1] Spritmonitor.de
[2] Leergewicht laut Wikipedia + ca 150kg Last. Beim e-Golf habe ich die Variante mit 300km EPA-Reichweite gewählt. Beim Diesel habe ich den Motor mit der gleichen Leistung gewählt: 81 kW
[3] Golf: http://www.autobild.de/bilder/die-tops-und-flops-im-windkanal-668619.html#bild5, e-Golf: http://www.aqqu.ch/2016/01/vw-e-golf-testbericht/
[4] https://de.wikipedia.org/wiki/Reisegeschwindigkeit
[5] http://www.e31.net/luftwiderstand.html
[6] http://www.kfz-tech.de/Biblio/Formelsammlung/Rollwiderstand.htm
[7] https://www.youtube.com/watch?v=5V7DvFFBLJg
[8] Das sind weniger als 20%. Die vermissten 5% lassen sich durch die Bremsvorgänge erklären. Ein Bremsvorgang verschlechtert zwar den Wirkungsgrad des Gesamtsystems, jedoch nicht die des Motors selbst.
[9] https://www.springerprofessional.de/en/motorentechnik/pkw-antriebe-im-ueberblick-vergangenheit-gegenwart-und-zukunft/6561052
[10] http://www.mx-electronic.com/pdf/Der-Elektrofachmann-Wirkungsgrad-Vergleich-zwischen-Fahrz.pdf
[11] https://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto#Verbrauch_und_Wirkungsgrad
[12] https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cbertragungsverlust
[13] https://ecomento.tv/2016/10/28/320-000-kilometer-im-elektroauto-tesla-model-s/
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