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Auf der diesjährigen Zusammenkunft des VDE¹ wurden am 8./9. November im CCL vor ca. 1400 in- und ausländischen Fachleuten Technologien – Infrastruktur – Märkte der E-Mobility, ihre Bedeutung für den öffentlichen wie im individuellen Verkehr diskutiert. Die Basis des Gedankenaustausches von etwa 150 Referaten stützten mehr als 100 Posterpräsentationen², eine begleitende Fachausstellung von einschlägigen Unternehmen sowie auf diesem Felde aktiven Forschungsinstitutionen³. Im Kontext wichtiger Spezialthemen behandelten die Sitzungen Erfolgsfaktoren und Innovations-hürden, ebenso zutreffende Querschnittsthemen und Geschäftsmodelle. Die politische und wirtschaftliche Bedeutung für den Standort Deutschland, die weitreichende Wirkung auf die Gesellschaft, nicht zuletzt den Umweltschutzaspekt der stromgetriebenen Bewegung unterstrichen Plenarvorträge namhafter Entscheider aus Industrie und Politik.

Die Geschichte der elektrischen Straßenfahrzeuge begann Ende des vorletzten Jahrhunderts. Trotz des damaligen Rekords konnte sich diese Technik nicht durchsetzen. Inzwischen sind die Treiber einer ganzheitlichen, energieeffizienten und ressourcensparenden Elektro-Mobilität von geradezu existenzieller Bedeutung, so dass ihr Siegeszug unvermeidlich ist. Insgesamt geht es dabei um e-kompabible, leichtgewichtige und vereinfachte, trotzdem aber zuverlässige Fahrzeugkonzepte. Neue Rekorde mit dem Prototypen eines Start-up-Unternehmens (Bild 1), die beginnende Serienfertigung bestätigen den eingeschlagenen Weg in ein völlig verändertes Verkehrs- und Infrastruktursystem. Darin stellt das Auto nicht nur ein Fortbewegungsmittel dar, sondern mutiert zum Bestandteil der Energieversorgung. Obwohl der Schwerpunkt beim individuellen Personenverkehr liegt, schließt Elektromobilität andere Klassen wie Pedelecs, Busse, Transporter ein.
Natürlich beeinflusst den Schritt zum reinen E-Mobil die Hybridtechnik (Micro-, Mild-, Voll-, Plug-in-Hybrid). Die Tagung bezieht sie am Rande ein.
Um die Mobilität an die veränderten Bedingungen vollständig anzupassen, sind unterschiedliche Verkehrsträger („intelligenter“ Fernverkehr, Car-Sharing, Transportservices) einzubeziehen. Zudem dürfen keinesfalls z. T. visionäre Konzepte unbeachtet bleiben. Dazu zählen beispielsweise Lösungen wie die „Just-in Time“-PKW-Anmietung, das „Tür-zu-Tür“-Ticket, die Transportlösung CargoCap, das Magnet-Schwebesystem (Bild 2), Elektrotransporter-Flotten für Kurzstrecken u.v.a.m.⁵⁶.
Ausgewählte Tagungspunkte werden nun beispielhaft näher beleuchtet.

E-Mobility wird sich durchsetzen
Die Elektromobilität wird/muss sich mittelfristig behaupten, weil – ein Wertewandel beim Umgang mit der Umwelt auszumachen ist, – die Zeit der thermodynamischern Prozesse mit Verbrennungsmotoren daher und aus bekannten, geologischen Gründen endet, – der Elektroantrieb alternativlos der existierenden Technologie vor allem in den wachsenden Ballungsräumen überlegen ist (z. B. : Emission, Drehmomentverhalten), – Kunden grundsätzlich die begrenzte Verteuerung individueller Beweglichkeit akzeptieren werden/müssen, – nicht zuletzt deshalb dem Elektrofahrzeug ein wirtschaftlicher Erfolg beschieden ist.
Deutschlands Ausgangsposition zum Eintritt in dieses neue „Stromzeitalter“ ist so gut, dass das hehre Ziel zum Leitanbieter bzw. Leitmarkt⁷ zu werden, real erscheint. Trotz massiver Unterstützung durch die Bundesregierung⁸ könnte diesen Weg der von Kongress zu Kongress leider konstant beklagte, permanent zunehmende Ingenieurmangel bei gleichzeitig schlechter werdender vorbereitender Schulbildung irreversibel beeinträchtigen.
Die Vorzüge des mit EE gespeisten E-Autos wie leisere Städte, saubere Luft, besser genutzter Verkehrsraum schaffen außerdem sichere Arbeitsplätze.

Das Elektrofahrzeug lässt sich als ein vollständig neu zu entwerfendes System begreifen, welches ausschließlich durch koordiniertes interdisziplinäres, nichtfraktionelles Agieren von Automobil-, Elektro-, chemischer Industrie sowie von Ökostrom-Versorgern formen lässt. Sowohl die hochverfügbare Elektrik des Antriebsstrangs, die zuverlässige, „sichere“ IKT (mit zugeschnittenen energieeffizienten, integrierten aktiven wie passiven Bauelementen verbesserter Materialbasis SiC, GaN), die elektromechanische Verbindungstechnik als auch die Leichtbau-Konstruktion, die Substitution geologisch und/oder politisch knapper Basismaterialien, Dienstleistungsprozesse („intelligentes“ Laden, Warten, Reparieren), nicht zuletzt die Standardisierung folgen Strategien, welche auf die gesamte Infrastruktur einschließlich der EV einwirken.

Zweifellos fällt der Software eine zentrale Bedeutung zu. Ihre „hybride“ Ausführung wird eine Mischung aus „Open Source“-Betriebssystemen und proprietären „embedded“ Dispatchern sein. Die übergeordnete Programmtechnik kann sich dynamisch selbst organisieren, um beim Fehler eines Steuergerätes dessen Funktionalität automatisch auf eine verfügbare Ressource zu verlagern. Dazu gehören kompatible Fertigungs-, Prüf- und Zertifizierungsmethoden sowie eine unter Beachtung der begrenzten Betriebsstunden intensivere Materialausnutzung. Auf allen Gebieten beteiligt sich Deutschland. Eine länderübergreifende Arbeitsteilung erscheint zwingend, um der vor ca. 30 Jahren vorhergesagten, nun anerkannten asiatischen Konkurrenz⁹ entgegenzutreten.
Aus der Struktur des Antriebsstranges (Bild 3) sind Tätigkeitsschwerpunkte abzulesen. Entsprechend der industriellen Antriebstechnik setzt er die Befehle der IKT in Drehmoment und Bewegung um. Nur der Akku-gespeiste oder von anderen Quellen versorgte Motor nämlich verwandelt das „kW in km“.

Fahrzeugtechnik
Alle Komponenten im Bild 3 sind noch mit großer Forschungs-/Entwicklungsleistung hinsichtlich Übertragungsverhalten, Enegieeffizienz über den gesamten Lastbereich, Sicherheit („Safety“ und „Security“), Zuverlässigkeit etc., aber auch bezüglich der System- und Komponentenkosten zu ertüchtigen¹¹¹². Ihr symbiotisches Zusammenwirken ist zu garantieren.

Für das Wandeln elektrischer in mechanische Arbeit bewerben sich luft- und wassergekühlte elektrische Maschinen: PM- und fremderregte (ohne seltene Erden)¹³ SM, ASM, SRM, Sonderkonstruktionen wie integrierte Motorgeneratoren, Transversalfluss-, Radnabenantriebe (Bild 4)⁵¹⁰. Ihr Wicklungsaufbau passt sich neuartigen höherfrequenten Multi-Level-Invertern an (Bild 5), deren leistungselektronische Ventile speziellen Automotiv-Bedingungen hinsichtlich Umgebung, statischen und dynamischen Verlusten, Kompaktheit und weiteren Kriterien genügen und mit einem DC-HV-Kreis zusammenarbeiten müssen.
Herzstück der Elektromobils ist sein Energiespeicher/Akku. Erfolgreiche Material- und elektrochemische Forschung sorgen für den Durchbruch. Um die „beste“ Lösung konkurrieren viele Prinzipien (Bild 6) [5]¹⁵¹⁶¹⁷, um Kosten (< 300 EUR/kW), Speicherdichte (> 180 Wh/kg), Leistung (> 100 kWel.), kalendarische Lebensdauer (> 10 …15 Jahre), Alterung, Platzbedarf, Reichweite, Ladezyklenfestigkeit, Fertigungsdesign/ Bauform (Zellebene: zylindrische, prismatische, Coffee-Bag-Laminatstruktur), Brandschutz, Kühlung zu optimieren. Den Akku auf Li-Basis (Ionen-, Schwefel-, Polymer-Variante – vgl. Bild 1b) bedrängen Lösungen wie Li-Luft-, Flüssigelektrolyten-Redox-Flow-, Zn-S-Li-Ionen-, Zn-Luft-Sammler¹⁸. Außerdem bieten nanotechnologische Speichermaterialien attraktive Ansätze¹⁹. Am Ende des Rennens steht vermutlich die Koexistenz vieler Techniken.

Alternative energische Lösungen
Um Strom bereitzustellen, bieten sich fahrzeugabhängig weitere Verfahren (Bild 7). Sowohl das klassische Schwungrad als auch moderne Dual-Speicher und Brennstoffzellen gehören dazu [20]. Ihre Kombination untereinander ist ebenso möglich wie die Zusammenarbeit mit dem Akku. Der Dual-Speicher aus Super-Kap und Akku verkörpert eine schnellladungsfähige Kombination für Leistung und Energie.
Bild 8 veranschaulicht einen Weg zur Fahrbereichserweiterung. Als alleinige Quelle kommt die BZ schon bei Spezialmobilen (Flurförderfahrzeuge/Gabelstapler²², Boote etc.) zum industriellen Einsatz. Je nach Arbeitstemperatur des ausgewählten Typs dienen Wasserstoff, Methanol oder Flüssiggas als Brennstoff.

Energieübertragung zum Speicher/Akku
Zum Aufladen des Akkus gibt es neben den erprobten konduktiven Verbindungen über Kabel mit Stecker, Bügeln zum Schnellladen für Nahverkehrsfahrzeuge²⁰ inzwischen erfolgreiche Ansätze zur kontaktlosen Übertragung²³.

Harvesting
Der „Energieernte“ bekommt unter dem „Diktat“ der Energieeffizienz, der Autarkie von Mikrosystemen (Reifendruckmessung, Messeinrichtungen für Schwingungen und andere physikalische Größen, Messungen im Benzinschlauch, Glasbruchdetektion) erhebliche Bedeutung²⁴. Energy Harvesting bzw. ihr Übertragungsprinzip (Feder-Masse-Systeme mit kapazitivem, induktivem oder piezoelektrischem Wandler, thermoelektrische Verfahren) steht vor dem Eintritt in die Kommerzialisierung²⁵. Weitere Motivation liefern Kostenreduktion in der Fertigung (Kabelverzicht), höhere Flexibilität der Anwendung sowie verlängerte Wartungsintervalle.

Managementaufgaben
Ausschließlich mit leistungsfähiger IKT können E-Fahrzeuge als Speicher von EE arbeiten. Darüber hinaus verantwortet die Steuerungstechnik die fahrzeuginterne Energie- und Lastkontrolle (inklusive Kühlung von Fahrgast und sensiblen Komponenten), dezentral etwa im Akku das „embedded“ Thermo- und Lademanagement. In diesen Bereich fallen Fahrerassistenzsysteme, dito die Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmern (C2C) und stationären Diensten.

Ausblick
Die Zusammenkunft zeigte, dass die Rahmenbedingungen für das „zweite Stromzeitalter“ (J. Schneider, VDE) vorliegen. Wissenschaftlich-technische Grundlagen für die stromgetriebene Bewegung der Zukunft existieren. Die nächsten Arbeitsschritte sind erkannt, im Zentrum steht der Akku. Mit völlig verändertem Design (Stellantriebe anstelle der Hydraulik, generatorisches Bremsen u. a.), mit neuartigen Geschäftsmodellen zur Mobilität, in Verbindung mit den zu erwartenden Skaleneffekten wird das E-Mobil lediglich während einer Übergangszeit teurer sein müssen? Im Konsenz innerhalb der Gesellschaft, bezüglich der Kooperation mit den „Erneuerbaren“ zum Integrieren des E-Mobils in das zukünftige Stromnetz (vgl. Bild 1b, e3-Programm mit dem PKW E3 – ohne Akku-Kühlung – von EWE²⁶) lassen sich die gesteckten Ziele⁸ erreichen. Natürlich ist der Weg zum eingeschwungenen Zustand diesen Teils der „ökologischen Marktwirtschaft“ noch beträchtlich.

Literatur:
fn1. Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik e. V., Energietechnische Gesellschaft im VDE (ETG) www.vde.com,
fn2. VDE KONGRESS `10 8./9. November 2010 in Leipzig. Fachtagungsberichte auf CD-ROM. Berlin • Offenbach: VDE VERLG GMBH, 2010 (ISBN 978-3-8007-3304-0)
fn3. Becks, T. u. a.: Wegweiser Elektromobilität (Basisinformationen für mehr als 150 nationale und internationale Forschungsprojekte). Berlin • Offenbach: VDE VERLG GMBH, 2010
fn4. www.dbm-energy.com/ (Startup-Unternehmen DBM-Energy GmbH Berlin-Lankwitz); www.lekker-energie.de/
fn5. VDE (Hrsgbr.): ETG-Studie “Elektrofahrzeuge – Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf”. Frankfurt am Main: April 2010
fn6. Glänzer, J.: Die Evolution der Bewegung. mobility 2.0 1(2010) H. 1, S. 34 – 36
fn7. VDE (Hrsgbr.): VDE-Studie “E-Mobility 2020 – Technologien – Infrastruktur – Märkte”. Frankfurt am Main: November 2010
fn8. „Nationale Plattform Elektromobilität“, BMU-/BMWi-Schwerpunkte „IKT für Elektromobilität“, „IKT-basietes Energiesystem der Zukunft“ u.v.a.m.
fn9. Goulden, O.: Der zukünftige Weltmarkt der Elektrotechnik. etz 103/1982) H.18, S. 1053 –
fn10. Hoek, H. van; Boesing, M.: Treek, D. van; Schoenen, T.; De Doncker, R. W.: Power Electronic Architecture for Electric Vehicles. in [2]
fn11. De Doncker, R. W.: Forschungsthemen für moderne Elektrofahrzeuge. Plenarvortrag
fn12. Gerling, D.; Mühlbauer, K.. Cost-Effecktive Electric Traction Drive with High Efficiency at Low-Load Operation. in²
fn13. Märgner, M.; Hackmann, W.: Control Challanges of an External Excited Synchronous Machine in an Automotive Traction Drive Application. in [2]
fn14. Lambertz, L.; Marquard, R.; Mayer, A.: Modular Converter Systems for Vehicle Applications. in²
fn15. Wohlfahrt-Mehrens, M.: Zukünftige Perspektiven für Energiespeicher, Anforderungen und Lösungen. in²
fn16. Krause, J.: Höhere Effizienz im Fokus der Antriebstechnik. etz Elektrotechnik + Automation 130(2009) H.S2 , S. 28 – 31
fn17. ETG-Fachbericht 113 Elektrisch-mechanische Antriebssysteme Innovation – Trends – Mechatronik (mit CD-ROM). Vorträge der ETG-Fachtagung Böblingen im September 2008. Berlin • Offenbach: VDE-Verlag, 2008 (ISBN 978-3-8007-3092-6)
fn18. Ackermann, R. R.: So weit die Batterie reicht. E&E Faszination ELEKTRONIK 10(2010) Oktober, S. 24 – 27
fn19. Fichtner, M.; Heß, A.; Krenzer, D.; Kiefenz, F.; Katai, A.: Nanomaterials for Energy Applications-Challanges and Prospects. in²
fn20. Klinger, M.; Potthoff, I. U.: The Auto Tram: A System Integration Platform of Multiple Energy Storage and Transfer Concepts. in²
fn21. Heinzel, A.: Mikrobrennstoffzellen und Mobilität – Stand der Technik und Ausblick. in²
fn22. www.still.de
fn23. Mathar, S.; Bilgic, W.: Berührungslose Batterieladesysteme für Elektrofahrzeuge. in²
fn24. Manoli, V.; Hehn, T.; Hoffmann, D.; Kuhl, M.; Lotze, N.: Applications of Energy Harvesting. in²
fn25. Woias, P.: Micro Energy harvesting – Forschung und Technologien. in²
fn26. www.ewe.de