Elektromobilität
Schlüsselbranche im Umbruch
Die Automobilindustrie ist eine der bedeutendsten Wirtschaftszweige in Deutschland wie in Europa. Sie sieht sich derzeit jedoch enormen Herausforderungen gegenüber. Vor allem in Asien wächst die Konkurrenz, die den Wettbewerb anheizt. Um die Wettbewerbsfähigkeit dieser Schlüsselbranche auch künftig zu erhalten, müssen neuartige Mobilitätskonzepte schon heute erforscht werden.
Die Verbrennungsmotoren heutiger Fahrzeuge emittieren klimaschädliche Gase und verbrauchen fossile Brennstoffe, die nur noch begrenzt verfügbar sind und immer teurer werden. Unter dem Stichwort Elektromobilität zeichnet sich eine technologische Zeitenwende ab: Die schrittweise Elektrifizierung von Straßenfahrzeugen – von Hybridkonzepten bis zum komplett elektrisch betriebenen Auto – eröffnet die Option auf eine zukunftsweisende Mobilität. Sie bietet die Chance, sich vom Erdöl unabhängig zu machen und die Emissionen des Straßenverkehrs zu minimieren.
Deutschland gilt weltweit als führend in der Fahrzeugtechnik. Damit das so bleibt, bedarf es enormer Anstrengungen, um den technologischen Wandel mitzugestalten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung investiert deshalb erhebliche Mittel in nationale und internationale Projekte zur Förderung der Elektromobilität. So werden Innovationen ermöglicht. Sie sind Grundbedingung dafür, dass deutsche Unternehmen künftig eine Vorreiterrolle bei innovativen Antriebskonzepten spielen.
Am 16. Mai 2011 hat die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) ihren zweiten Bericht an die Bundesregierung übergeben. Das Gremium aus Vertretern von Unternehmen, Verbänden, Wissenschaft und gesellschaftlichen Akteuren gibt darin Empfehlungen für die künftige Politik der Bundesregierung im Bereich der Elektromobilität. Nur wenig später, am 18. Mai 2011, verabschiedete das Bundeskabinett sein Regierungsprogramm Elektromobilität. Das Programm skizziert die Maßnahmen der Bundesregierung, um Deutschland zu einem Leitanbieter und Leitmarkt für Elektromobilität machen.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert vor allem Forschung- und Entwicklungsarbeiten in den Bereichen Batterie und Energiemanagement im Gesamtsystem – aber auch die Aus- und Weiterbildung – und wird dazu seine Mittel bis zum Ende der Legislaturperiode erheblich aufstocken.
Elektrofahrzeugen gehört die Zukunft
Klimawandel und Ressourcenknappheit zwingen dazu, den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen zu reduzieren. Elektrische Antriebslösungen gewinnen deshalb zunehmend an Bedeutung. Eigenschaften wie eine lokale Emissionsfreiheit, ein hoher Wirkungsgrad oder die Rückgewinnung von Bremsenergie bieten ein großes Potenzial für elektrische Antriebskonzepte in Kraftfahrzeugen.
Gleichzeitig können Elektrofahrzeuge vom engmaschigen deutschen Stromversorgungsnetz profitieren. Betrachtet man die Gesamtzahl aller Fahrzeuge, kann umgekehrt ihre enorme elektrische Speicherkapazität einen beträchtlichen Beitrag zur Stabilisierung und Regelung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes leisten.
Erklärtes Ziel der Bundesregierung ist es, dass sich Deutschland zum Leitmarkt und -anbieter von Elektrofahrzeugen entwickelt. Bis dahin ist es jedoch noch ein weiter Weg. Die begrenzte Energiedichte und Lebensdauer der Speichermedien, hohe Kosten und unbeantwortete Sicherheitsfragen sind nur einige der zentralen Herausforderungen. Ihre Lösungen erfordern exzellente Forscher, Entwickler und Konstrukteure.
Elektrischer Antriebsstrang
Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs hat weit reichende Veränderungen der Fahrzeugtechnik zur Folge. Elektromotoren erlauben die Rückgewinnung von Bremsenergie. Doch welches sind die optimalen Motorenkonzepte in Hinblick auf Effizienz, Sicherheit, Rohstoffbedarf und Kosten?
Wo im Fahrzeug sind der Antrieb und die Leistungselektronik, die die Motoren erst zum Drehen bringt, am besten einzubauen? Wie lässt sich die erforderliche Zuverlässigkeit und Lebensdauer auch unter rauen Einsatzbedingungen erreichen? An der Beantwortung dieser Fragen arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure weltweit.
Energiespeicher
Der Erfolg elektrischer Antriebe für das Automobil steht und fällt mit leistungsfähigen, sicheren, kostengünstigen und langlebigen Energiespeichern. So entwickeln Wissenschaftler der Fraunhofer-Gesellschaft Lithium-Ionen-Akkus, die den rauen Bedingungen im Auto gewachsen sind. Ein weiterer entscheidender Faktor sind die Kosten, die deutlich niedriger werden müssen, damit Elektrofahrzeuge für den Individualverkehr attraktiv werden. Um die Reichweite der Fahrzeuge zu erhöhen, muss außerdem die Energiedichte der Speichersysteme signifikant erhöht werden.
Netzintegration
Sollen Elektrofahrzeuge tatsächlich einen Beitrag zum Klimaschutz leisten, muss der Strom für ihren Antrieb aus regenerativen Quellen kommen. Dafür wird mehr Sonnen- und Windenergie benötigt, was zu einem stärker schwankenden Energiebedarf führt. Einen effizienten und intelligenten Puffer könnten die Energiespeicher in Elektroautos bieten. Bei großem Energieangebot speichern sie die nicht benötigte Energie, bei Flaute bzw. bewölktem Himmel speisen sie die gespeicherte Energie teilweise wieder ins Netz ein. Hierfür sind sowohl die entsprechende Ladetechnik als auch intelligente Abrechnungskonzepte zu entwickeln.
Fahrzeugkonzepte
Es ist nicht damit getan, den Tank eines konventionellen Fahrzeugs durch eine Batterie und den Verbrennungs- durch einen Elektromotor zu ersetzen. Elektromobilität verlangt nach völlig neuen Konzepten sowohl für den Fahrzeugbau als auch bei der Infrastruktur. Durch den Wegfall des komplexen konventionellen Antriebsstrangs ergeben sich für den Fahrzeugdesigner völlig neue Möglichkeiten und Freiheiten im Konzipieren – wir müssen das Auto „neu denken“.
Energiemanagement Gesamtsystem und Fahrstrategien
Die in Elektrofahrzeugen nur sehr begrenzt verfügbare Energie zwingt auf allen Ebenen zur Steigerung der Energieeffizienz. So kann die Kenntnis des zu fahrenden Streckenprofils helfen, den Verbrauch zu senken. Doch wie lässt sich dieses Potential nutzen? Welchen Beitrag können Fahrzeugnavigation und Fahrerassistenzsysteme leisten? Die Themenpalette ist breit. Sie umfasst auch Fragen nach der möglichst effizienten Nutzung der Abwärme von Speicher, Leistungselektronik und Motor für die Innenraumheizung, um im Winter nicht zu viel kostbaren Strom zum Heizen zu verbrauchen.