Nachhaltige Mobilität und Kundenakzeptanz: eine Aufgabe für die angewandte Forschung

Serielles Energiekonzept

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Elektrofahrzeuge sind nach wie vor mit gewissen Klischees behaftet – denken wir nur einmal an die Reichweite, den Zeitbedarf für das Wiederaufladen der Batterie oder die wenig energieeffiziente Innenraumklimatisierung solcher Fahrzeuge. Forscher des Fraunhofer LBF stehen jetzt kurz vor Vollendung eines Konzepts, das der Elektromobilität einen enormen Schub geben könnte.

Der Autor: Prof. Tobias Melz, komm. Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Darmstadt

Vor nicht einmal 25 Jahren hat das Internet seinen Siegeszug angetreten – und die Anfänge waren durchaus bescheiden: 1993 wurden dort nur 1 % der Informationen in den weltweiten Telekommunikationsnetzen abgebildet – 15 Jahre später waren es bereits mehr als 97 %! Mittlerweile werden in jeder Minute allein auf einem der weltweit populärsten Videoportale geschätzte 48 Stunden Videomaterial neu hochgeladen.
Eine solche Dynamik war kaum vorherzusehen und sorgte für überraschende Entwicklungen auch im Bereich der Marktkapitalisierung großer Firmen: Heute sind die fünf weltweit größten Börsenunternehmen entweder Mineralölkonzerne oder IKT-Unternehmen, erst auf Rang 17 findet sich der größte Automobilhersteller.
In gewisser Weise dokumentiert eine solche Entwicklung auch das Ende bekannter Innovationsparadigmen, die sich seit dem 19. Jahrhundert aus einer angebotsorientierten, industriellen Warenproduktion mit monofunktionalen Maschinen ableiteten. Heute sprechen wir über das Internet der Dinge und Industrie 4.0, also das Gegenteil eines eingeschränkten, klar determinierten Angebots.
Vernetzte, intermodale Mobilität
Neben den wissensintensiven Dienstleistungen wird die Leistungsfähigkeit einer Volkswirtschaft immer auch von Produktion und Mobilität abhängen – künftig allerdings noch stärker nachfrageorientiert ausgeprägt. Mit dem weltweit wachsenden Wohlstand sowie demografischen Veränderungen ergeben sich Mobilitätsmuster mit einem größeren Anteil des motorisierten Individualverkehrs (MIV) und tendenziell größeren Fahrstrecken. Nach Prognosen der OECD werden sich dadurch – bezogen auf „well-to-wheel“ – die Treibhausgasemissionen bis 2050 mehr als verdoppeln. Ein weiterer, durch die Verbrennung fossiler Energieträger bedingter Effekt ist die Feinstaubbelastung, die gerade in asiatischen Megastädten eine teilweise dramatische Größenordnung erreicht: In Chinas Hauptstadt wurden im vergangenen Winter bis zu 884 Mikrogramm Feinstaub je Kubikmeter Atemluft gemessen, was dem 35-fachen des von der WHO angenommenen Grenzwertes für eine gesundheitliche Beeinträchtigung entspricht.
In Deutschland sprechen wir deshalb auch über die sogenannte Verkehrswende und meinen damit neben einer vernetzten intermodalen Mobilität vor allem neue, energieeffiziente Elektrostraßenfahrzeuge. Aber wir erkennen auch, dass der Weg zum „Leitmarkt für Elektromobilität“ noch mit großen Vorbehalten seitens der Kunden gepflastert ist, die sich wenigstens 300 km Reichweite und eine im Straßenbild wahrnehmbare Ladeinfrastruktur wünschen. Gleichzeitig beschränkt sich die Mehrpreisbereitschaft eines Großteils der potenziellen Kunden auf höchstens zehn Prozent gegenüber dem Kaufpreis vergleichbarer, konventioneller Autos.
Elektrischen Strom nicht im Fahrzeug speichern, sondern dort produzieren
Das System Elektromobilität entwickelt sich also in einem schwierigen Umfeld und hat mit Einschränkungen in der Nutzungsqualität sowie hohen Kosten für Privathaushalte und öffentliche Hand zu kämpfen. Dabei muss die teilweise deutlich limitierte Nutzungsqualität von batterieelektrischen Fahrzeugen als maßgebliches, zu überwindendes Hemmnis angesehen werden – denken wir an die Reichweite, den Zeitbedarf für das Wiederaufladen der Batterie oder die wenig energieeffiziente Innenraumklimatisierung solcher Fahrzeuge.
Diese Aspekte stehen in unmittelbarer Beziehung zur aktuell noch sehr begrenzten Möglichkeit, elektrische Ladung kostengünstig zu speichern und als Energieträger im Fahrzeug zur Verfügung zu haben. An dieser Stelle ist eigentlich ein Paradigmenwechsel erforderlich: Statt elektrischen Strom im Fahrzeug zu speichern, sollte er dort möglichst effizient und emissionsarm produziert werden!
Die mittlere Leistung eines Pkw liegt typischerweise bei gerade einmal rund 20 kW und kann problemlos durch eine kleine Wärmekraftmaschine im Einpunktbetrieb nahe ihres Wirkungsgradoptimums erzeugt werden. Leistungsspitzen sowie Bremsenergierückgewinnung lassen sich energieseitig durch einen kleineren elektrochemischen Speicher abdecken. Eine solche Topologie des Antriebsstrangs ist nicht neu – serielle Hybridfahrzeuge sind seit langem bekannt, werden aber kaum gebaut, da oftmals hohe Kosten und ein vergleichsweise schlechter Gesamtwirkungsgrad als hinderlich angesehen werden.
Dennoch ist ein solches Fahrzeugkonzept – wenn konsequent gestaltet – extrem interessant und würde der Elektromobilität einen enormen Schub geben können: Die Kosten einer kleinen, quasi-stationär im Wirkungsgradoptimum betriebenen Verbrennungskraftmaschine sind wegen fehlender Komplexität von Gemischaufbereitung, Ventiltrieb oder Abgasanlage eher gering und das Batteriesystem kann gegenüber rein batterieelektrischen Fahrzeugen deutlich kleiner, leichter und kostengünstiger ausgeführt werden, aber dennoch lokal emissionsfreies Fahren ermöglichen. Die Reichweite begrenzt sich dann maßgeblich durch das Tankvolumen des Kraftstoffs und gleichzeitig minimieren sich potenziell kritische Interaktionen mit der Ladeinfrastruktur.
Fraunhofer LBF stellt neues Fahrzeugkonzept vor
Besonders interessant wird diese Spielart der Elektrotraktion – wir sprechen hier lieber von einem Elektrofahrzeug mit seriellem Energiekonzept – bei Nutzung alternativer Energieträger für den Verbrennungsmotor: Monovalent mit CNG betriebene Motoren können aufgrund der möglichen hohen Verdichtung einen verbesserten thermodynamischen Wirkungsgrad sowie die spezifischen Vorteile beim Verbrennen von Erdgas nutzen. Gegenüber konventionell betriebenen Ottomotoren ergeben sich auf diese Weise bis zu 30 % geringere CO2-Emissionen! Und sobald die für die Innenraumklimatisierung zur Verfügung stehende Abwärme des Motors in die Gesamtbilanz des Fahrzeugs einbezogen wird, ist erkennbar, dass ein solches Konzept unbedingt sinnvoll und absolut alltagstauglich ist.
Auf dem Weg in das Zeitalter einer nachhaltigen motorisierten Individualmobilität ist das ein Meilenstein, der Deutschland zu „Leitmarkt und -anbieter“ begleiten kann – also genau dem Auftrag der Fraunhofer-Gesellschaft entspricht, Technologien und Impulse für die nächsten bis zu zehn Jahre darzustellen. Mit unserem systemischen Verständnis am Fraunhofer LBF haben wir ein solches Fahrzeugkonzept entwickelt und werden es bis Anfang des nächsten Jahres als Demonstrator aufbauen, um danach gemeinsam mit Partnern vielfältige Fragestellungen zu untersuchen. Das Ziel unserer Arbeiten sind immer Sie, liebe Leser – in diesem Fall als Kunde und Nutzer der Elektromobilität. I

Info & Kontakt
Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Tel.: 06151 705-0 tobias.melz@lbf.fraunhofer.de www.lbf.fraunhofer.de
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