Skip to main content
main-content

Elektrofahrzeuge

weitere Buchkapitel

Nachhaltigkeitsaspekte im Anlagenbau auf der Achema-Messe 2018

Eine nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft, welche ökologische, soziale und ökonomische Aspekte berücksichtigt, scheint besonders seit den im Jahr 2015 auf der UN-Klima-Konferenz in Paris vereinbarten 17 Nachhaltigkeitszielen einen enormen Schwung auch in der Wirtschaft aufgenommen zu haben. Über die Nachhaltigkeit wird nicht nur in der Industrie und der Politik, sondern auch an den deutschen Universitäten und diversen sozialen Einrichtungen nachgedacht und neue Konzepte zur nachhaltigen Bildung entwickelt. Die Nachhaltigkeit agiert als Gesellschaftstrend, der sich auch auf die Messe- und Eventbranche auswirkt und mit welchem neue Standards und Normen gesetzt werden, um unsere Zukunft in allen Aspekten menschen- und umweltfreundlicher zu gestalten (vgl. Zanger 2012, S. 1071 ff.).

Julia Krause

Welche Rolle kann Wasserstoff in der Energie- und Verkehrswende spielen?

Positionen und Einschätzungen von Verbänden zur Akzeptanz von Wasserstoff

Um dem Ziel einer postfossilen Gesellschaft näher zu kommen, müssen Industrie, Zivilgesellschaft, Forschung und Politik kooperieren und an neuen Lösungen arbeiten. Ein zunehmender Anteil erneuerbarer Energien erfordert neue Flexibilitätsoptionen. P2X-Technologien und speziell Wasserstoff könnte eine solche Flexibilitätsoption sein. Neben der technischen Machbarkeit stellt sich die Frage nach einer gesellschaftlich akzeptierten Umsetzung. Verbände können dabei eine relevante Rolle in Bezug auf die Wahrnehmung sowie den öffentlichen Diskurs zum Thema Wasserstoff einnehmen. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung zeigen auf, dass die Umweltverbände noch zu keiner abschließenden Beurteilung hinsichtlich des Einsatzes von Wasserstoff gekommen sind. Potenzielle Anwendungen werden vor allem als flexibler Speicher für erneuerbare Energien und in der Nutzung als Kraftstoff für Güter- und Schwerlastverkehr sowie Schiff- und Luftfahrt gesehen. Es werden kaum Bedenken bezüglich der Akzeptanz in der Gesellschaft gesehen, aber der eingesetzte Wasserstoff muss langfristig aus erneuerbaren Energien hergestellt werden.

Anke Schmidt, Weert Canzler, Julia Epp

Soziale Akzeptanz als erweitertes Verständnis des Akzeptanzbegriffs − eine Bestimmung der Akteure für den Prozess der Energiewende

Aufbauend auf den bis heute prägenden Arbeiten zur Unterscheidung von drei Akzeptanzdimensionen von Wüstenhagen und Kollegen (2007) und dem erweiterten interdisziplinären Akzeptanzverständnis von Upham et al. (2015) wird in diesem Kapitel der Begriff der sozialen Akzeptanz für den Bereich der Energietechnologien weiterentwickelt; adressiert wird hierbei insbesondere die aktuelle Forschungslücke zur Bestimmung relevanter Akteure bezüglich der Akzeptanz neuer (Energie-)technologien. Das Augenmerk liegt auf der Identifikation der Akteure, auch jenseits der üblicherweise im Mittelpunkt stehenden Bürgerinnen und Bürger. Zur Akteursbestimmung greift der Beitrag auf Ansätze aus der Innovationsforschung, insbesondere den Ansatz der „technologischen Innovationssysteme“ (TIS) zurück. Damit erarbeitet dieses Kapitel eine Querverbindung zwischen Akzeptanzforschung und den Ansätzen der Innovations- und Transitionsforschung. Die Potenziale einer solchen Verknüpfung wurden bisher für die Umsetzung der Energiewende in der Gesellschaft nur unzureichend berücksichtigt. Abschließend zeigt das Kapitel Ansätze für eine hieraus resultierende Forschungsagenda auf.

Elisabeth Dütschke, Paula Bögel, Su-Min Choi, Joachim Globisch, Uta Burghard

Anforderungen an die gesellschaftliche Einbettung von Power-to-X Pfaden – Entwicklung einer Akzeptanzmatrix als Bewertungsmethodik

Power-to-X – die Umwandlung von Strom in einen flüssigen, gasförmigen Energieträger oder chemischen Grundstoff – bietet eine mögliche Option für eine mittel- und langfristige Speicherung von Strom. Diese Flexibilisierungsoption wird für das Energiesystem bei einem zunehmenden Ausbau der fluktuierenden Leitenergieträger Wind und Sonne essenziell. Wie die Erfahrungen mit anderen Energieinfrastrukturen wie z. B. erneuerbaren Energieträgern zeigen, stellt eine breite gesellschaftliche Akzeptanz dabei einen wesentlichen Erfolgsfaktor für die großflächige Diffusion neuer Technologieansätze dar. Für die Bewertung der Akzeptanz stellen die zum Teil noch relativ niedrigen Technologieentwicklungsstadien eine wesentliche Herausforderung dar; noch existieren wenig konkrete Erfahrungswerte in größeren Anwendungsmaßstäben. Daher ist es umso wichtiger, Kriterien für die gesellschaftliche Akzeptanz frühzeitig in den Entwicklungsprozess einfließen zu lassen und gleichzeitig Möglichkeiten zur partizipativen Gestaltung wahrzunehmen. Der Beitrag wirft hierfür zentrale konzeptuelle Fragen auf und beschreibt einen möglichen Ansatz für eine akzeptanzbezogene Bewertungsmethodik sowohl theoretisch als auch an einem Anwendungsbeispiel (Hochtemperatur-Ko-Elektrolyse).

Jan Hildebrand, Caroline Gebauer, Ansgar Taubitz

Smart Cities and Regions: Die digitale Transformation in der Stadtentwicklung und E-Government

Viele Städte weltweit haben es sich auf die Fahnen geschrieben, eine Smart City zu werden. Was bedeutet das aber in der Praxis? Dieser Beitrag versucht darzulegen, was eine Smart City ausmacht, was typische Anwendungen einer Smart City sind, und wie Städte diesen Transformationsprozess steuern können. Unterschiedliche Strategien sind möglich, deshalb geht es für eine Stadt vor allem darum, eine auf ihre Bedürfnisse und ihren Kontext angepasste Strategie zu finden.

Stephan Haller

Verkehrswende und ökologischer Umbau der Automobilindustrie

Strategische Herausforderungen für die IG Metall

Dieselgate, Elektromobilität, verstopfte Innenstädte, Fahrverbote, Klimawandel, Rechtspopulismus: An den Themen Auto und Autoindustrie kreuzen sich im Moment die zentralen öffentlichen Debatten. Die IG Metall, deren Mitglieder zum Großteil in der Automobilindustrie beschäftigt sind, sieht sich derzeit mit diesen vielfältigen Problemlagen konfrontiert. Der Artikel stellt die Diskussion über die Zukunft der (Auto-)Mobilität zwischen industrie- und beschäftigungspolitischer und klimapolitischer Verantwortung aus der Perspektive der Arbeitnehmervertretung dar. Er geht auf die Ebenen der politischen Regulierung ein, benennt Zielkonflikte und arbeitet Kriterien einer gelingenden Transformation heraus. Auch die IG Metall wird in den nächsten Jahren tradierte Muster der betrieblichen und überbetrieblichen Interessenvertretung hinterfragen und ändern müssen. Ohne einen starken Fokus auf Beteiligung und demokratische Legitimation werden stimmungsgeleitete Regulierungskonzepte die dringend notwendige Energie- und Mobilitätswende behindern oder gar einer gegenteiligen Agenda Vorschub leisten.

Frank Iwer, Maximilian Strötzel

Kapitel 3. Maßnahmen der kommunalen Verkehrsplanung

Die kommunale Verkehrsplanung ist als Fachplanung ein integrativer Bestandteil der Stadt- und Umweltplanung. Ihre Aufgabe ist die Planung der städtischen Verkehrsanlagen und die Gewährleistung ihrer Leistungsfahigkeit. Dabei müssen von den kommunalen Entscheidungsträgem alle ökonomischen, ökologischen und sozialen Ziele und Bedürfnisse aller Verkehrsteilnehmer berücksichtigt und gegeneinander abgewägt werden.

Benjamin Dahmen

Kapitel 10. Rechenszenarien

Im Folgenden wird mit Hilfe verschiedener Rechenszenarien die Anwendbarkeit und Nützlichkeit des entwickelten Modellansatzes demonstriert. Es soll insb. aufgezeigt werden, wie mit dem Modell Fragestellungen politischer Entscheidungsträger beantwortet werden können.

Benjamin Dahmen

Kapitel 7. Flottenentwicklungsmodelle

Es existieren vereinzelte SD-Modelle, die sich ausschließlich mit der zeitlichen Entwicklung und Zusammensetzung von Pkw- oder von Lkw-Flotten auseinandergesetzt haben. Die Modelle, die sich mit den Pkw-Flotten auseinandersetzen, betrachten i.d.R. auch die Diffusion von alternativ angetriebenen Fahrzeugen. Die Modelle, die auch Lkw-Flotten betrachten, sind tendenziell als qualitative, d. h. als nicht quantifizierte und theoretische Konzepte einzustufen. Es konnten keine SD-Modelle ermittelt werden, die die Entwicklung der Pkw-Flotte und der LkwFlotte gemeinsam abbilden.

Benjamin Dahmen

4. Elektromobilität in ländlichen Regionen

Obwohl die Bedeutung nachhaltiger Mobilität stark steigt, läuft die Verbreitung von emissionsfreier Elektromobilität schleppend. Maßnahmen zur Steigerung der Akzeptanz von Elektromobilität fokussieren sich vornehmlich auf Großstädte. Dabei kommt individueller Mobilität in ländlichen Regionen wegen längeren Strecken und einem schlechter ausgebauten öffentlichen Nahverkehr eine wesentlich höhere Bedeutung zu. Der vorliegende Beitrag untersucht daher die Eignung von E-Mobilität für den ländlichen Raum und identifiziert mit Hilfe einer Literaturrecherche und Experteninterviews Fördermaßnahmen, die schließlich mit einer Umfrage unter 103 Personen im ländlichen Raum evaluiert werden. Im Rahmen einer multimethodischen Analyse werden die Ergebnisse trianguliert und Handlungsempfehlungen zur Steigerung der Akzeptanz von Elektromobilität in ländlichen Regionen abgeleitet.

Christian Fitte, Lisa Berkemeier, Frank Teuteberg, Oliver Thomas

Kapitel 5. Implementierung und Funktionsnachweis

Dieses Kapitel beschreibt die Realisierung des Testsystems, mit dessen Hilfe die generierten Testsequenzen ausgeführt werden. Am Ende des Kapitels werden einige ausgewählte Testergebnisse erläutert.

Frank Brosi

Kapitel 1. Einleitung

Für den Erfolg der Elektromobilität muss sichergestellt sein, dass die Elektrofahrzeuge sicher, zuverlässig und komfortabel laden. Bei Fahrten über Land sind die Schnellladestationen, die Fahrzeugemit Gleichstrom laden, ein wichtiger Baustein für die Akzeptanz. Mit einer erhöhten Verbreitung der Fahrzeuge ist auch mit potenziellen Einschränkungen der Leistungsversorgung über das Stromnetz zu rechnen.

Frank Brosi

Kapitel 4. Methode zur Erzeugung eines erweiterten Konformitätstest

Die hier vorgestellte Methode zur Erzeugung und Erweiterung eines Konformitätstests nutzt einen modellbasierten Ansatz. Aus der Beschreibung des Protokolls wird ein Basismodell abgeleitet, das den fehlerfreien Ablauf der Kommunikation beschreibt. Die Beschreibung dient auch als Grundlage für die Bestimmung der potenziellen Fehlerstimuli (wie in Kapitel 3 beschrieben).

Frank Brosi

Kapitel 6. Zusammenfassung und Ausblick

Die ISO15118 bietet neben der Schnelllademöglichkeit mit Gleichstrom weitere Vorteile durch die Kommunikation zwischen Fahrzeug und Ladepunkt. Durch die Möglichkeit, Lastprofile auszuhandeln, bietet sie eine Grundlage für die Integration von Ladeinfrastruktur in das intelligente Stromnetz. Die Option des Abrechnens des Ladevorgangs ohne weiteren Eingriff durch den Nutzer erhöht stark den Komfort und steigert damit die Akzeptanz der Elektromobilität.

Frank Brosi

Kapitel 9. Case Studies und Best-Practice-Beispiele des Luxustourismus

Erfolgreich umgesetzte Strategien im Bereich Luxustourismus zeigen, dass der anspruchsvolle, erfahrene Gast nach Authentizität, Nachhaltigkeit, individuellem und persönlichem Service, Diskretion und Paparazzi-Freiheit sowie Zeit und Raum verlangt. Ausgewiesene Kenner der Materie beschreiben detailliert und thematisch gegliedert in einzelne Case Studies, auf welche Parameter es dabei zu achten gilt. Oman gilt als Beispiel einer Destination, die seit vielen Jahren Nachhaltigkeit und Luxusreisen zu verbinden weiß. Dirk Gowin erläutert dieses Phänomen aus der Sicht eines auf Luxusreisen spezialisierten Reiseveranstalters. Marc Aeberhard beleuchtet zwei sehr unterschiedliche Hospitality-Konzepte aus Sicht des international erfahrenen Hoteliers – ein Inselparadies im Indischen Ozean mit Alleinstellungsmerkmal und ein Klosterhotel in den Schweizer Alpen als echter Rückzugsort, vielleicht mit „no frills“, aber mit umso mehr Raum für den Luxus der gedanklichen Freiheit. Über Beherbergungskonzepte in der Natur schreiben Brett McDonald (Botswana) und ein Autorenkonsortium um Sergio Comino (Venedig) zum Phänomen „Glamping“. Marcus Krall, langjähriger Experte für Superyachten, beleuchtet eindrucksvoll das Phänomen der großen privaten Boote. Abgerundet wird dieses Kapitel von einem Beitrag des Schweizer Spitzenkochs Andreas Caminada, dessen Restaurant mit drei Michelin-Sternen und 19 Gault-Millau-Punkten ausgezeichnet wurde, zur Rolle von F&B im Luxustourismus.

Dirk Gowin, Marc Aeberhard, Brett McDonald, Marco Walter, Sergio Comino, Thomas Reimann, Marcus Krall, Andreas Caminada

8. Schalteinrichtungen

Bei Fahrzeuggetrieben sind Einrichtungen notwendig, die es ermöglichen, die Übersetzung dem aktuellen Fahrzustand anzupassen. Bei Handschaltgetrieben wird der Gangwechsel vom Fahrer veranlasst und ausgeführt. Abhängig vom Grad der Automatisierung übernimmt bei allen anderen Getrieben die Elektronik und Aktorik diese Aufgabe teilweise oder komplett. Aus welchen Elementen eine Schalteinrichtung aufgebaut ist, hängt wesentlich davon ab, wie geschaltet wird: mit Zugkraftunterbrechung oder ohne. Bestandteile und Aufgaben der Äußeren Schaltung sowie der im Getriebe angeordneten Inneren Schaltelemente werden in Abschn. 8.1 erläutert. Die darauffolgenden Abschnitte gehen dann in die Tiefe der Funktion, Auslegung und Gestaltung wichtiger Schaltelemente. So werden Klauenkupplungen in Abschn. 8.2 detailliert behandelt. Schaltklauen kommen in Pkw- und Nkw-Getrieben, Verteilergetrieben sowie Rennsportgetrieben zum Einsatz. Synchronisierungen sind bei Handschaltgetrieben und Automatisierten Getrieben eine bestimmende Baugruppe sowie in Doppelkupplungsgetrieben. Die Funktionsweise, Auslegung und Gestaltung von Synchronisierungen wird in Abschn. 8.3 gezeigt. Den Lamellenkupplungen, als wesentliche Funktionsträger beim Schalten ohne Zugkraftunterbrechung, ist Abschn. 8.4 gewidmet. Die Parksperre ist eine Baugruppe zur Wegrollverhinderung bei Fahrzeugen ohne mechanische Kopplung zwischen Motor und Abtrieb. Mit Parksperren beschäftigt sich Abschn. 8.5.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

12. Getriebesteuerung – Elektrik, Elektronik, Aktuatorik und Sensorik

Viele Innovationen im Bereich der Getriebe- und Antriebstechnik sind maßgeblich durch die Integration von Mechanik, Elektronik und Software sowie die Vernetzung von Steuergeräten bestimmt (Abschn. 12.1). Das Kapitel spannt den Bogen vom Aufbau von elektrohydraulischen Steuereinheiten, über das Zusammenspiel der Mechanik-, Hydraulik-/Pneumatik-, Elektronik- und Software-Komponenten, bis hin zur Vernetzung des Getriebesteuergeräts im Gesamtfahrzeug. Der Aufbau und die Funktionsweise der elektronischen Getriebesteuerung (TCU) als Hardware mit ihren Bestandteilen und den Schnittstellen werden beschrieben (Abschn. 12.2). Die gängigsten Sensoren eines Getriebes werden erläutert (Abschn. 12.4). Grundelemente der Funktions- und Softwareentwicklung sowie der Getriebeabstimmung (Calibration) werden vorgestellt (Abschn. 12.5). Fragestellungen zu Entwicklungsstandards wie „Automotive Spice“ und „Functional Safety“ werden behandelt (Abschn. 12.6). Neben dem Getriebesteuergerät werden bei Fahrantrieben mit Elektromotoren zusätzlich leistungsstarke Treiber für die Ansteuerung der elektrischen Maschinen benötigt. Daher wird ein Einblick in das Thema Leistungselektronik gegeben und Unterschiede der Bordnetzstrukturen von konventionellen gegenüber elektrifizierten Fahrzeugen aufgezeigt (Abschn. 12.7).

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

1. Einführung

Kein Kraftfahrzeug ohne Getriebe! Fahrzeuggetriebe für Pkw und Nkw sind komplexe mechatronische Serienprodukte. Aufgabe eines Fahrzeuggetriebes ist es, durch Drehmoment- und Drehzahlwandlung das Zugkraftangebot des Antriebsaggregats fahrzeug-, strecken-, fahrer- und umweltgerecht an den Antriebsrädern bereitzustellen. Das Getriebe bestimmt entscheidend Zuverlässigkeit, Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch, Emissionen, Bedienungsfreundlichkeit, Verkehrssicherheit sowie Fahr- und Transportleistung von Pkw und Nkw. Dieses Buch will den Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darstellen. Es will Gedankengänge vermitteln, die über die reine Auslegung der Bauteile hinausgehen. Aus der Vergangenheit für die Zukunft lernen! Entwicklungsingenieure sollten einen Überblick über die historische Entwicklung ihrer Produkte haben. Sie können dann abschätzen, welche Entwicklungsschritte noch möglich sind, bzw. welche Technologiehöhe die gegenwärtige Produktentwicklung aufweist. Neben einer allgemeinen Einführung zeigt dieses Kapitel die Geschichte der Fahrzeuggetriebe und gibt einen Überblick über deren Basisinnovationen und Entwicklungsschritte.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

6. Systematik der Fahrzeuggetriebe: Konstruktive Grundkonzepte

Bevor auf die Auslegung und Gestaltung wichtiger Komponenten von Fahrzeuggetrieben eingegangen wird, sollen zunächst konstruktive Grundkonzepte von Getrieben vorgestellt und systematisch behandelt werden. Das Kapitel legt damit die Basis zum Verständnis der ausgeführten Seriengetriebe, die in Kapitel 11 „Beispiele ausgeführter Konstruktionen“ erörtert werden. Es startet mit Erläuterungen zu Anordnungsmöglichkeiten der Getriebe in Pkw- und Nkw-Antriebssträngen sowie dem grundsätzlichen Aufbau von Getrieben. In Abschn. 6.5 werden dann systematisch die Getriebekonzepte für Pkw anhand von Räderschemata entwickelt. Dies geschieht für quer und längs eingebaute Getriebe, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) sowie für verschiedene Konzepte von Hybridantrieben und reinen E-Antrieben. Die Darstellung der Getriebekonzepte für Nkw in Abschn. 6.6 erfolgt analog, obgleich Nkw-Getriebe sich bei den Konzepten in vielerlei Hinsicht von Pkw-Getrieben unterscheiden. Auf diese Besonderheiten, wie beispielsweise deren Aufbau als Gruppengetriebe, wird eingegangen. Behandelt werden Konzepte für Nkw-MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybrid- und E-Antriebe. Konzepte für Endantriebe (Achsgetriebe, Differentialgetriebe, Verteilergetriebe) von Pkw und Nkw werden in Abschn. 6.7 systematisch dargestellt. Für Nkw von hoher Bedeutung sind ferner Nebenabtriebe (Abschn. 6.8) und Dauerbremsen, sogenannte „Retarder“ (Abschn. 6.9).

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

10. Auslegung und Gestaltung von Konstruktionselementen

In den Kapiteln 7, 8 und 9 wurden bereits detailliert auf die Auslegung und Gestaltung von Zahnrädern, Schaltelementen und Anfahrelementen eingegangen. In diesem Kapitel wird nun die Theorie, Berechnung und Gestaltung der Wellen, Lager, Schmierung, Ölversorgung, Ölpumpen, Gehäuse und Abdichtungen von Fahrzeuggetrieben behandelt. Es werden dabei die spezifischen Anforderungen in Fahrzeuggetrieben herausgestellt, Berechnungsgänge und Kennwerte für die Auslegung gezeigt und Gestaltungshinweise gegeben. Die Gestaltung und Berechnung der Getriebewellen (Abschn. 10.1) ist bedeutsam, da Wellendurchmesser bestimmend für die Größe eines Getriebes sind. Das Maschinenelement Lager (Abschn. 10.2) wird erst durch das abstützende Gehäuse (Abschn. 10.5) und die zu lagernde Welle zu einer Lagerung. Neben Wälzlagern werden Hinweise zu Lagerbuchsen und Anlaufscheiben gegeben. Das Konstruktionselement Öl (Abschn. 10.3) hat vielfältige Aufgaben. Es überträgt hydrodynamisch Leistung im Drehmomentwandler oder Retarder, es beeinflusst die Reibwertverläufe der Lamellenkupplungen, es führt die Wärme ab und schmiert Zahneingriffe und Lager. Es liefert Informationen und Druckenergie zur Betätigung von Ventilen und Schaltelementen. Diese vielfältigen Aufgaben spiegeln sich in der Ölversorgung (Abschn. 10.4) wider. Berechnungsformeln und Kennwerte für die Elemente der Ölversorgung insbesondere für Ölpumpen werden behandelt. An Fahrzeuggetrieben finden sich viele unterschiedliche Abdichtstellen. Beispiele sind: Welleneingang und -ausgang, Gehäusetrennfugen, Schaltwellenausgang und innere Drehdurchführungen. Abschn. 10.6 zeigt wie Getriebe zuverlässig und dauerhaft abgedichtet werden.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

5. Zusammenarbeit Motor – Getriebe

In Kap. 3 wurden der Leistungsbedarf und das Leistungsangebot behandelt und in Kap. 4 die Grundlagen für die Wahl der Übersetzungen erarbeitet. In diesem Kapitel geht es nun um die Abstimmung des Getriebes auf Motor und Fahrzeug. Dabei handelt es sich um Problemstellungen der Fahrzeuglängsdynamik. Die wesentlichen Optimierungskriterien sind: die Fahrleistungen, der Kraftstoffverbrauch, die Emissionen und der Fahrkomfort. Ausgangspunkt vieler Betrachtungen ist das Zugkraftdiagramm. Abschn. 5.1 zeigt die Ermittlung des Zugkraftdiagramms und die daraus ableitbaren Erkenntnisse für verschiedene Motor-Getriebekombinationen sowie für einen Elektroantrieb. Die Getriebeauslegung ist auf die Fahrleistungen, d.h. Beschleunigungs- und Steigvermögen in den einzelnen Gangstufen sowie die erreichbare Höchstgeschwindigkeit zu überprüfen (Abschn. 5.2). Die Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs durch Rechnung und Messung wird in Abschn. 5.3 gezeigt. Dazu werden die Messzyklen vorgestellt und auf die Bestimmung des Kraftstoff- bzw. Energieverbrauchs von verbrennungsmotorisch, elektromotorisch und hybridisch angetriebenen Fahrzeugen (Pkw und Nkw) eingegangen. Ein weiteres Optimierungskriterium ist der Komfort und hier das dynamische Verhalten. Der Antriebsstrang ist ein schwingungsfähiges System, daher muss dem Schwingungs- und in erster Linie dem Geräuschverhalten des Antriebsstrangs Rechnung getragen werden. In Abschn. 5.4 wird hierzu in Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und solche mit Elektroantrieb unterschieden.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

11. Beispiele ausgeführter Konstruktionen von Fahrzeuggetrieben

In diesem Kapitel werden exemplarisch Getriebekonstruktionen vorgestellt, ihr konstruktiver Aufbau besprochen, Funktionen erläutert und interessante Lösungen beschrieben. Die in den vorderen Kapiteln behandelte Theorie zu Getriebekonzepten sowie zur Auslegung und Gestaltung von Komponenten und Teilsystemen soll nun hier anhand ausgeführter Serienkonstruktionen griffig werden. Es ist nicht das Ziel, die neuesten und allerletzten Entwicklungen zu zeigen, vielmehr soll das Grundlegende und Allgemeingültige herausgearbeitet werden. Abschn. 11.1 beschäftigt sich mit 32 verschiedenen Pkw-Getrieben. Es werden quer und längs eingebaute Getriebe unterschiedlicher Ausführungen und Hersteller vorgestellt, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) und verschiedene Konfigurationen von Hybridantrieben sowie reinen E-Antrieben. Abschn. 11.2 geht dann auf 22 verschiedene Nkw-Getriebe ein und zeigt die ganze Bandbreite von MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybridantriebe und reine E-Antriebe. Zur leichteren Orientierung ist zu Beginn des Pkw- und Nkw-Teils eine Übersichtstabelle mit den vorgestellten Getrieben abgebildet. In Abschn. 11.3 werden ausgeführte Achsgetriebe von Pkw und Nkw vorgestellt sowie verschiedene Differentialgetriebe und Sperrdifferentiale. Im Abschn. 11.4 werden schließlich ausgewählte Teile des Allradantriebs gezeigt. Bezüglich der Grundkonzepte auf denen die ausgeführten Konstruktionen dieses Kapitels basieren sei auf die Getriebeschemata in Kap. 6 verwiesen.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

Kapitel 3. Umwandlung von Energie

Im Abschnitt Umwandlung von Energie werden die Primärenergieträger nun in Sekundär- bzw. Endenergieträger umgewandelt und so für jeden einzelnen nutzbar. Die Energiewirtschaft in Deutschland wird nach wie vor von fossilen Energieträgern dominiert (Abb. 3.1).

Sandra Hook

Kapitel 18. Eine baubetriebliche und bauwirtschaftliche Betrachtung der QuickWay-Infrastruktur

Ein Betrag zur Lösung des Verkehrsproblems in der Stadt der Zukunft

Dieser Beitrag behandelt die QuickWay-Infrastruktur. Wir haben dafür eine Tragkonstruktion aus Ultrahochleistungsbeton und ein Bauverfahren entwickelt, welches den bislang unerreicht schnellen Baufortschritt von etwa 1.000 Laufmeter Fahrweg pro Tag ermöglicht, und eine erste Kostenprognose für die Errichtung der QuickWays vorgenommen.

Christian Hofstadler, Roswitha Marius, Lutz Sparowitz, Markus Kummer

2. Grundlagen der Navigation in komplexen Umgebungen

In diesem Kapitel wird zunächst der Begriff der ortsbezogenen Anwendungen und Dienste eingeführt, worunter die in diesem Buch behandelten alternativen Routen fallen. Es wird abgegrenzt, welche Bereiche solcher Dienste behandelt werden. Anschließend werden die alternativen Routen prosaisch definiert und durch Anwendungsfälle, in denen sie Verwendung finden können, motiviert. In dem vorliegenden Buch werden statt Straßennetze komplexe Umgebungen behandelt, welche zusammen mit ihren unterschiedlichen Kartendarstellungen erläutert werden. Es soll vermittelt werden, weshalb alternative Routen auch außerhalb von Straßennetzen verwendet werden können. Schließlich werden konkrete Anwendungsfälle für alternative Routen in komplexen Umgebungen vorgestellt, was die soeben aufgeführten Themenbereiche kombiniert.

Sebastian Feld

Kapitel 5. Untersuchung B – Vergleichsfahrten

Die Untersuchung B befasst sich mit dem Tank-to-Wheel-Energiebedarf von elektrisch und konventionell angetriebenen Fahrzeugen in unterschiedlichen Fahrsituationen. Im Fokus stehen der Einfluss der Fahrumgebung, der Fahrweise, der Außentemperatur, dem Verkehrsaufkommen, der Beladung und des Kaltstarts. Die Ausführungen in Kapitel 3 lassen erwarten, dass sich viele Verbrauchsfaktoren unterschiedlich auf die beiden Fahrzeugtypen auswirken. Die Methodik, die zunächst vorgestellt wird, umfasst die Durchführung von Vergleichsfahrten mit einem batterieelektrisch angetriebenen und einem verbrennungsmotorisch angetriebenen Pkw.

Andreas Braun

Kapitel 4. Untersuchung A – Fahrmuster

Der Fokus der Untersuchung A liegt auf dem Zusammenhang zwischen dem Fahrmuster, also dem spezifischen Verlauf des Geschwindigkeitsprofils, und dem Tank-to-Wheel-Verbrauch elektrischer Energie im realen, alltäglichen Fahrbetrieb. Kapitel 1.3 hat gezeigt, dass Fahrmusterparameter in verschiedenen Anwendungsgebieten eine Relevanz besitzen. Für mehrere Gebiete ist es dabei notwendig, eindeutige und einflussreiche Parameter zu identifizieren, beispielsweise für die Erstellung mesoskopischer Verbrauchsmodelle. Die theoretischen und empirischen Hintergründe zum Verbrauchseffekt des Fahrmusters wurden in Kapitel 3.4 aufgezeigt.

Andreas Braun

Kapitel 1. Einleitung

In unserer vernetzten und arbeitsteiligen Gesellschaft ist die Bedeutung des Verkehrs enorm. Durch die Überwindung von Distanzen und physischen Hindernissen ermöglicht Verkehr den Austausch von Personen und Gütern zwischen getrennten Standorten (Nuhn & Heße 2006: 11). Die in Bezug auf die Verkehrsleistung bedeutendste Verkehrsart stellt heutzutage der motorisierte Straßenverkehr mit Kraftfahrzeugen dar. Im Güterverkehr entfällt in Deutschland etwa 71 % der Verkehrsleistung auf diesen Verkehrsbereich.

Andreas Braun

Kapitel 6. Schlussfolgerungen

Die vorliegende Arbeit hat sich mit den Einflussgrößen des Streckenverbrauchs bei Elektrofahrzeugen beschäftigt. In diesem Themengebiet wurden zwei sich ergänzende Forschungslücken identifiziert. Zum einen wurde der Zusammenhang zwischen dem Fahrmuster von Elektrofahrzeugen und ihrem Verbrauch unter realen Fahrbedingungen analysiert (Forschungsfrage 1). Zum anderen hat die Arbeit untersucht, wie sich die unterschiedliche Technik von elektrischen und konventionellen Fahrzeugen auf das Fahrmuster und den Verbrauch auswirken und welchen Einfluss die primären Verbrauchsfaktoren jeweils haben (Forschungsfrage 2).

Andreas Braun

Kapitel 3. Einflussgrößen des Verbrauchs

Der Tank-to-Wheel-Verbrauch eines Elektrofahrzeugs im alltäglichen Fahrbetrieb hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Da sich die Einflussgrößen des Verbrauchs auf unterschiedlichen Ebenen befinden und in wechselseitiger Abhängigkeit stehen, werden sie im ersten Teil dieses Kapitels zunächst in eine Systematik gebracht. In den weiteren Abschnitten wird der Einfluss der wichtigsten Größen für Elektrofahrzeuge in Theorie und Empirie diskutiert sowie auf Unterschiede zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor eingegangen.

Andreas Braun

Kapitel 2. Stand der Technik

Elektrische Kraftfahrzeuge verwenden für den Vortrieb wenigstens teilweise elektrische Energie. Die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie erfolgt mittels Elektromotor. Verschiedene Typen elektrischer Kraftfahrzeuge unterscheiden sich insbesondere im Grad der Elektrifizierung.

Andreas Braun

8. Empirische Untersuchung der Prozessakzeptanz

Wie in den vorhergehen Kapiteln dargelegt, wird die Prozessakzeptanz im Zusammenspiel von Objekt, Subjekt und Kontext konstruiert. Folglich sollten diese drei Dimensionen untersucht werden. Dazu konzentriert sich das erste Experiment auf das Objekt, den Prozess, selbst.

Thomas Müllerleile

Heft 2/2018: Mehr Mobilität im Mittelstand

Der Spott schien Dorothee Bär schnell sicher. Dabei hatte die Staatsministerin für Digitales doch Anfang März im „heute-journal“-Interview bestätigt, dass sie Investitionen in Infrastrukturen für wichtig halte, indes gehöre mehr dazu. Beispielsweise mithilfe nutzbarer Netzwerke autonom oder „mit einem Flugtaxi durch die Gegend“ zu fahren. Gedanken zur Zukunft darf man dergestalt offensichtlich hierzulande nicht äußern, ohne dass Bedenkenträger dies als Blödsinn brandmarken. Oder darf nur Frau nicht?

Thorsten Garber

Heft 3/2018: Gelungene Unternehmenssanierungen

Gegner sahen ihn als Symbolfigur des Kapitalismus. Doch die meisten achteten ihn als Ausnahmeerscheinung unter deutschen Spitzenmanagern – ob als Fachmann oder als Persönlichkeit. Er galt als intellektuell und unternehmerisch brillant, als offen für Kritik und für unkonventionelle Konzepte, als fordernd in Transparenz und in Verantwortung gegenüber der Macht der Banken. Auf dem Höhepunkt berief die Bundesregierung den studierten Betriebs- und Volkswirt zum Berater, um Stahlmarkt und Bankenlandschaft neu zu ordnen.

Thorsten Garber

Gestaltungsoptionen im Internet vernetzter Autos

Vernetzte Fahrzeuge verarbeiten Daten zu vielfältigen Zwecken, beispielsweise Daten über das Verhalten der eigenen Komponenten, über die (Mit-)Fahrer und über die Umgebung. Außerdem produzieren sie Daten, die sich ebenfalls weiterverarbeiten lassen. In diesem Beitrag werden die verschiedenen Datenverarbeitungen dargestellt und daraufhin untersucht, inwieweit typischerweise ein Personenbezug vorliegt. Für diese Datenverarbeitungen ist die Datenschutz-Grundverordnung anzuwenden. Auf dieser Basis werden – strukturiert gemäß den Gewährleistungszielen des Standard-Datenschutzmodells – Gestaltungsoptionen vorgestellt, um einen besseren Datenschutz bei vernetzten Fahrzeugen zu realisieren.

Marit Hansen

Kapitel 6. Multinationale Automobilunternehmen in Zeiten des Umbruchs – Ein Ausblick

In diesem Buch wurde begründet, dass die Komplexität in multinationalen Automobilunternehmen immer mehr ansteigt. Seit Beginn des Jahrtausends haben sich zunächst die wachsenden Automobilmärkte und die Wettbewerbslandschaft im Unternehmensumfeld so stark ausdifferenziert, dass immer mehr Varianten entwickelt werden mussten und der Wettbewerbsdruck stieg (Komplexität durch Ausdifferenzierung des Leistungsspektrums, vgl. Kapitel 2.5). Auf diese zumeist inkrementellen Veränderungen im Umfeld haben multinationale Automobilunternehmen reagiert: mit Ausdifferenzierung ihrer Strategien zu Geschäftsmodellen, um spezifischere Kundenlösungen anbieten zu können, und mit einer stärker länderspezifischen Steuerung ihrer ausländischen Tochtergesellschaften, um mehr Gewinnpotenziale in den einzelnen Ländermärkten zu erschließen und dort den Aufbau von Wissen und Kompetenzen zu erleichtern.

Heike Proff

Kapitel 3. Herausforderungen für multinationale Automobilunternehmen durch globale Umfeldtrends

Multinationale Automobilunternehmen stehen vor vielfältigen neuen Herausforderungen. Dies zeigen Studien und Prognosen und Diskussionen auf dem jährlich stattfindenden Duisburger „Wissenschaftsforum Mobilität“. Sie zeigen sich aber auch in Berichten und Gesprächen in Muttergesellschaften und in 90 Tochtergesellschaften von 15 deutschen Automobilherstellern und -zulieferern in den vier BRIC-Ländern (Brasilien, Russland, Indien und China), in Mexiko und in den USA zwischen 2013 und 2017.

Heike Proff

Kapitel 4. Ansatzpunkte zur Neuausrichtung der Geschäftsmodelle multinationaler Automobilunternehmen in Zeiten des Umbruchs

In den Kapitel 2 und 3 wurde begründet, dass sich für multinationale Automobilunternehmen durch Veränderungen im Unternehmensumfeld die Komplexität stark erhöht hat. Mit der eher inkrementellen und kontinuierlichen Ausdifferenzierung der wachsenden Automobilmärkte und der Wettbewerbslandschaft seit Beginn des Jahrtausends erfolgte eine Ausdifferenzierung der Strategien zu Geschäftsmodellen. Auch durch den Übergang von einer länderübergreifenden zu einer länderspezifischen Steuerung ist die Komplexität stark gestiegen, so dass etablierte Unternehmen Gefahr laufen, aus dem Markt gedrängt zu werden (vgl. Kapitel 2.5).

Heike Proff

Kapitel 2. Veränderungen für multinationale Automobilunternehmen seit Beginn des Jahrtausends

Etwa seit der Jahrtausendwende, schon bevor neue globale Umfeldtrends deutlich wurden, hat sich das Unternehmensumfeld der Automobilindustrie stärker verändert. Auf die dadurch erhöhte Komplexität reagierten die Unternehmen mit Veränderungen der strategischen Ausrichtung und der Steuerung ihrer ausländischen Tochtergesellschaften, ohne jedoch den Komplexitätsanstieg ganz verhindern zu können. Das wird in diesem Kapitel gezeigt (vgl. Abb. 2–1).

Heike Proff

Kapitel 3. Elektrochemische Verfahren und Systeme der Wandlung elektrischer Energie

Ein Verfahren der elektrochemischen Energieumwandlung – die Brennstoffzelle – wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet. Der Zusammenhang zwischen Energieumwandlung, Verbrennung als der sicher anschaulichsten und unmittelbarsten Umwandlung und der Energetik elektrochemischer Prozesse wird darin angesprochen.

Rudolf Holze

Kapitel 1. Bedeutung und Besonderheiten elektrischer Energie

Unser Alltag ist allenfalls in seltenen Ausnahmesituationen ohne Nutzung elektrischer Energie vorstellbar. Selbst in der klassischen Urlaubszeit fernab elektrischer Maschinen und vernetzter Büros wird ein Mobiltelefon nicht fehlen, sein Betrieb ist ohne leistungsfähige, kleine und möglichst preiswerte Energiespeicher nicht denkbar.

Rudolf Holze

Preisgestaltung bei kooperativen Dienstleistungen

In diesem Beitrag werden Preissysteme für kooperative Dienstleistungen thematisiert. Dazu erfolgen zunächst eine Einordung der Preissysteme in die Gestaltung von Geschäftsmodellen und eine Analyse der Nutzungsprozesse von Kunden für die Generierung von Wert. Anschließend werden verschiedene Preissysteme systematisiert, wozu unterschiedliche Bezugsgrößen der Entgeltbestimmung differenziert werden. Abschließend werden die Implikationen innovativer Preissysteme für kooperative Dienstleistungen analysiert.

Thomas Robbert, Stefan Roth, Sophie Mentges

Potentials of modular autonomous vehicles for variable scenarios of public transport

On the way to new forms of mobility, a number of autonomous vehicles were built in recent years. In addition to tests with classic cars and trucks, which still have a driver’s seat with all the necessary control elements, the vehicle type of a small passenger shuttle has also been developed. These passenger shuttles have already completed some operation time successfully in a controlled environment.

Dennis Wedler, Thomas Vietor

Kapitel 5. Effizienz von Speichertechnologien

Die fossile Energieversorgung aus thermischen Kraftwerken erfolgte nach einem Kraftwerkseinsatzplan entsprechend der Netzlast. Speicher waren nur in geringem Ausmaß notwendig. Insbesondere für die wenig flexiblen thermischen Kraftwerke wie Kernkraft- und Braunkohlekraftwerken wurden Erzeugungsprofile mit geringen Leistungsänderungen gefahren. Bei niedrigem Energiebedarf in der Nacht konnte die Überschussleistung der Kraftwerke in Pumpspeichern aufgenommen werden und als Spitzenlast zur Mittags- und Abendzeit des folgenden Tages zurückgespeist werden. Die Pumpspeicher waren zu diesem Zweck als Kurzzeitspeicher für Speicherzeiten von wenigen Stunden ausgelegt.

Günther Brauner

Kapitel 1. Einführung

Das Automobil war immer und ist nach wie vor ein Sinnbild der individuellen Bewegungsfreiheit. Es ermöglicht dem Nutzer, selbst zu entscheiden, wann er sich an einen bestimmten Ort begeben möchte. Dabei ist der Nutzer außerdem frei in der Entscheidung, wie er an diesen Ort gelangt.

Nina Raith

Kapitel 7. Effizienz der dezentralen Energieversorgung

Durch die Integration von regenerativen Energiequellen in die Verteilnetze werden diese von passiven zu aktiven Netzen. Die Kunden konvertieren von passiven Verbrauchern zu Produzenten und Konsumenten, sogenannten Prosumern. Da die regenerativen Energiequellen zur Bereitstellung des Endenergiebedarfs große Leistungen bei niedrigen Volllaststunden aufweisen, kann die ungeplante Integration der regenerativen Energie zu einem signifikanten Netzausbau verbunden mit niedriger Nutzungsdauer führen und damit zu ineffizienten Netzen.

Günther Brauner

Kapitel 11. Handlungsoptionen

Effiziente Gebäude mit niedrigem Heizungsenergiebedarf stellen Entwicklungsziele in der EU dar. Die Gebäude sollten neben einem geringen Heizungsenergiebedarf auch für eine suffiziente Nutzung mit angemessener Wohnfläche je Bewohner ausgelegt werden. Die Notwendigkeit zu starkem Ausbau einer in das Gebäude integrierten Photovoltaik wird in Zukunft die meisten Gebäude betreffen.

Günther Brauner

Kapitel 10. Effizienz durch Sektorenkopplung

In der regenerativen Energieversorgung überwiegen Energiequellen, deren Eigenschaften in der Umwandlung von volatiler Umweltenergie in Elektrizität bestehen. Das ungleiche Dargebot führt zu Perioden mit hoher Übererzeugung und solchen mit längerem Erzeugungsmangel. Die kurzfristige Speicherung der Elektrizität mittels Pumpspeichern und stationären oder mobilen Akkumulatoren kann nur teilweise in ausreichendem Potenzial bei guter Wirtschaftlichkeit bereitgestellt werden.

Günther Brauner

Kapitel 6. Effizienz von Netzen

Die elektrischen Netze dienen zur Übertragung und Verteilung von Elektrizität. Sie bestehen aus den folgenden Komponenten: Freileitungen, Kabel, Transformatoren, Schaltanlagen.

Günther Brauner

Kapitel 9. Effizienz der Mobilität

Der Sektor Verkehr hatte in Deutschland im Jahr 2015 einen Anteil von 29,5 % am gesamten Endenergiebedarf. Der Schienenverkehr hat daran einen Anteil von nur 2,5 %, der Luftverkehr 13 % und die Binnenschifffahrt von unter 1 %. Der Straßenverkehr ist mit 84 % überwiegend für den Energiebedarf des Verkehrssektors verantwortlich.

Günther Brauner

Kapitel 3. Energiewirtschaft der Effizienz

Die Kosten für Elektrizität in der Endanwendung im Haushalt, in der Industrie oder im Gewerbe beim Übergang zu einer überwiegend regenerativen Elektrizitätsversorgung sind von großer Bedeutung für die Leistbarkeit im Haushalt bzw. für die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und des Gewerbes.

Günther Brauner

Kapitel 4. Effizienz und Suffizienz

Die Energieeffizienz bezeichnet das Verhältnis von vorgegebenem Nutzen zu dem dazu notwendigen Energieaufwand. Effizienz wird vorwiegend auf Erzeugungsanlagen beziehungsweise auf Anlagen oder Geräte zur Endnutzung von Energie bezogen. Aus der Sicht des Gesamtsystems ist es zweckmäßig, auch die Infrastrukturen der Übertragungs- und Verteilungsnetze sowie die Energiespeicher in die Betrachtung der Effizienz einzubeziehen. Weiterhin kann eine Einbeziehung der Kopplung der Sektoren von Wärme und Gasversorgung mit dem Elektrizitätssystem eine ganzheitlichere Betrachtung der Energieeffizienz ermöglichen. Dies wird als Systemeffizienz bezeichnet. Die Energieeffizienz stellt daher ein sehr komplexes Arbeitsgebiet in der Forschung, Entwicklung und Umsetzung dar. Entsprechend vielseitig sind die Definitionen der Energieeffizienz.

Günther Brauner

Herausforderungen bei der EMV Absicherung von Fahrzeugen und Komponenten mit Induktiven Ladesystemen

Im Zuge der vorschreitenden Einführung von Elektro- und Hybridfahrzeugen kommt es durch den Einsatz von leistungselektronisch geregelten Antriebssystemen und Ladeinfrastrukturkomponenten zu enormen Herausforderungen im Bereich der EMV. Neben den aktuell bereits standardmäßig eingesetzten AC und DC Ladestationen im privaten und öffentlichen Bereich sind auch kontaktlose, induktive Ladesysteme in der Entwicklung. Mit diesen Ladesystemen ist es möglich über zwei feldgekoppelte Spulen die Ladeleistung zwischen Bodenspule und Fahrzeug zu übertragen. Da bei der Energieübertragung zwischen den Spulen hohe Magnetfelder bei einer Frequenz von 79 bis 90 kHz generiert werden, ist eine messtechnische Überprüfung des Feldes in der Nähe des Fahrzeugs aus Personenschutzgründen nötig. Im Folgenden wird der Einfachheit halber nur eine mittlere Frequenz von 85 kHz erwähnt.

S. Jeschke, M. Maarleveld, J. Bärenfänger

Energiebedarf von elektrisch und verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen in Abhängigkeit von Zuladung und Verkehrsumfeld

Die Einhaltung der Klimaziele der Bundesregierung und die daraus potentiell für konventionelle Verbrennerfahrzeuge entstehenden Konsequenzen führen zwangsläufig zu einem steigenden Interesse an alternativen Antrieben wie beispielsweise Elektrofahrzeugen. Bedingt durch drohende Fahrverbote für Dieselfahrzeuge aufgrund der Emittierung giftiger Stickoxide erscheinen elektrifizierte Fahrzeuge als eine attraktive Lösungsvariante, um die Mobilität im urbanen Raum zufriedenstellend aufrechtzuerhalten und lokale Emissionsfreiheit zu garantieren. Dieser Anreiz wird weiterhin durch staatliche Förderungen, die bei einem Erwerb eines solchen Fahrzeugs bereitgestellt werden, sowie Steuervorteile unterstrichen.[1]

P. Driesch, T. Weber, S. Tewiele, D. Schramm

Portfoliomodelle zur Entscheidungsunterstützung bei sich ausdifferenzierenden Geschäftsmodellen

Das Beispiel der deutschen Automobilkonzerne im Übergang in eine neue Mobilitätswelt

Durch die Überlagerung verschiedener radikaler technologischer Veränderungen kann es zu einer Ausdifferenzierung eines Geschäftsmodells (vgl. beispielsweise [16] zur Veränderung von Geschäftsmodellen bei einer radikalen technologischen Veränderung) in eine Vielzahl von Geschäftsmodellen kommen. Für die Entscheidungsträger der Geschäftseinheit, die das bestehende Geschäftsmodell abbildet und damit von der Ausdifferenzierung betroffenen ist, erschwert sich die Strategiefindung in einem solchen Umfeld deutlich, da dieses durch eine hohe Komplexität ausgezeichnet ist.

B. Jung, K. Sommer

Ungarns mobile Zeitenwende

Smarte Perspektiven für internationale Kooperationen

Gemäß dem Veranstaltungstitel des 10. Wissenschaftsforums Mobilität der Universität Duisburg Essen „Mobility in Times of Change – Past, Present, Future” widmet sich folgender Beitrag der Autoindustrie Ungarns und bietet einen Überblick über die Entwicklung, Strategie, Trends und Potentiale des für das Land relevantesten Wirtschaftszweiges. Somit möchten die Autoren zu einer breiteren, internationalen Betrachtung der Thematik aus der Perspektive dieses osteuropäischen Landes beitragen.

B. Szegner, K. Szabó

Customer Journeys in der Elektromobilität

Die Elektrifizierung des Personenverkehrs gelingt in Deutschland langsam. Etwa 0,1 % der in Deutschland zugelassenen Fahrzeuge waren im Januar 2018 rein elektrisch betrieben (Kraftfahrt-Bundesamt 2018) und der Großteil dieser überwiegend dem Kleinwagensegment angehörigen Modelle stammen primär von ausländischen Produzenten. Die Vermarktungsstrategien deutscher Elektrofahrzeuge erschienen bis zum Jahr 2015 zurückhaltend. Die geringe Nachfrage resultiert aus den vergleichsweise hohen Anschaffungskosten der vorherigen Modelle, der bisher eingeschränkten Reichweite der Fahrzeuge und einer generellen Zurückhaltung in Bezug auf diese neue Technologie.

G. Kasperk, S. Fluchs

Strom und erneuerbare Kraftstoffe – gemeinsame Lösung für die Verkehrswende

Im Vorgriff auf das Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 hat die Bundesregierung bereits im Jahr 2010 Ziele für die Reduktion von Treibhausgasen in Deutschland veröffentlicht. Das Energiekonzept 2010 sah CO2-Minderungsziele von 55 % bis 2030, 70 % bis 2040 und 80 % bis 95 % bis 2050 vor [1]. Diese Ziele wurden durch den „Klimaschutzplan 2050“ der Bundesregierung bekräftigt und um die Erreichung einer globalen Treibhaugasneutralität in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts erweitert [2].

Stephan Stollenwerk, Jens Kanacher, Frank-Detlef Drake

CO2 und Emissionsgesetze, Anforderungen & Lösungen

Die Entwicklung der Treibhausgasemissionen im gesamten Verkehrssektor stagniert auf den ersten Blick. Im Jahr 1995 wurden 177 Mio. t CO2 und Äquivalente emittiert. Das von der deutschen Bundesregierung im Klimaschutzplan 2050 festgelegte Ziel ist eine Reduktion von 40 % bis 2030, also rund 60–70 Mio. t CO2, und eine Reduktion von 80 % bis 2050.

Joachim Damasky, Tobias Block

Europäische Regulierungen für Kraftstoffe, alternative Kraftstoffinfrastrukur und CO2-Ausstoß von Fahrzeugen

Dieses Kapitel versucht einen Überblick über die wichtigsten klimarelevanten Gesetzgebungen zu geben, die das Fahrzeug, den Antriebsstrang und die Antriebsenergie im Straßenverkehr betreffen – also hauptsächlich den CO2-Ausstoß von Fahrzeugen, alternative Antriebe und die CO2-Intensität von Kraftstoffen.

Markus Maly

Verkehrsemissionsgesetzgebungen in der Europäischen Union sowie in Industrienationen und Schwellenländern

Dieser Beitrag orientiert sich an dem Continental Emission Booklet „Worldwide Emission Standards and Related Regulations“.

Hans Nuglisch, Thomas Maier, Sandra Müller

Kapitel 3. Grundlagen

Zum besseren Verständnis werden die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen behandelt. Zunächst wird auf die Betriebsfestigkeitsanalyse und die Festigkeitsabsicherung im Fahrzeugbau eingegangen. Daran schließt sich ein kurzer Überblick über die Elektrifizierung von Fahrzeugen und die dafür verwendeten Komponenten an. Das Kapitel schließt mit einer Einführung in Multilevel-Ansätze in der Materialwissenschaft und die Übertragung des Konzepts auf die Festigkeitsanalyse komplexer Strukturen im Fahrzeugbau.

Dr.-Ing. habil. Andreas Dörnhöfer

Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick

HV-Batterien und elektrische Steckkontakte sind im Detail komplexe, hierarchisch aufgebaute Fahrzeugkomponenten, deren Betriebsfestigkeit mittels Multilevel‐Ansätzen abgesichert werden kann. Dadurch lassen sich die Gesamtkomplexität der Versuche und Analysen sowie die Anzahl der Einflussgrößen reduzieren. Die Verknüpfung der einzelnen Komplexitätsebenen und die Einordnung der Ergebnisse finden durch begleitende Simulationen statt. Das Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsschwerpunkte und Anwendungsgebiete.

Dr.-Ing. habil. Andreas Dörnhöfer

Kapitel 6. Thesen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Multilevel-Ansätze zur Betriebsfestigkeitsanalyse bei zwei ausgesuchten Komponenten elektrifizierter Fahrzeuge entwickelt. Wesentliche Erkenntnisse der eigenen, mehrjährigen Grundlagen- und Anwendungsuntersuchungen in den Themenfeldern Hochvoltspeicher und elektrische Steckkontakte sind in Form von vier Thesen formuliert.

Dr.-Ing. habil. Andreas Dörnhöfer

Theoretische Grundlagen der Akzeptanz von ökologischen Produktalternativen

Bevor die theoretischen Grundlagen zur Akzeptanz- bzw. Resistenzbildung gegenüber ökologischen Produktalternativen untersucht werden können, ist es zunächst erforderlich, ökologische Produktalternativen und ihre Charakteristika näher zu betrachten und sie innerhalb des Forschungskontextes abzugrenzen. Aufbauend auf dieser Begriffsabgrenzung werden ökologische Produktalternativen im Kontext der Innovationsforschung beleuchtet. Ziel ist es, abzuleiten, inwieweit Erkenntnisse der Innovations- und somit auch der Akzeptanzforschung auf ökologische Produktalternativen übertragen werden können.

Katja Rudolph

Kapitel 1. Einleitung und Motivation

In den vergangenen Jahren haben sich die gesetzlichen Anforderungen an die Neuwagen eines Automobilherstellers stark verändert. In Europa, USA und Japan wurden CO2-Grenzwerte für die Emission von Pkw zur Begrenzung des Treibhauseffekts vorgeschrieben. Bis 2020 ist für eine Neuwagenflotte in Europa ein durchschnittlicher CO2-Ausstoß von maximal 95 g CO2 pro Kilometer und Pkw vorgeschrieben [42]. Der Flottenausstoß soll bis 2025 unterhalb von 60 g CO2 pro Kilometer und Pkw liegen.

Malte Westerloh

4. Elektrische Energiewandler und Speicher

Wesentliche Bereiche der Elektrotechnik beschäftigen sich mit der Wandlung und Speicherung von Energie. Transformatoren transformieren Wechselspannungen, Generatoren wandeln mechanische Antriebsenergie in elektrische Energie und Motoren elektrische in mechanische Energie. Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie. Zuerst werden Bauformen von Transformatoren und ihr Betriebsverhalten erläutert. Danach geht es um den Aufbau, die Wirkungsweise und das Betriebsverhalten von Drehstrom-Asynchron- und Drehstrom-Synchronmaschinen. Aufbauend auf der Darstellung der Vorgänge in der Solarzelle werden Solarmodule, Solargeneratoren und die photovoltaische Systemtechnik behandelt. Insbesondere werden die unterschiedlichen Wechselrichtertypen hinsichtlich ihrer Funktion und ihrer Wirkungsgrade ausführlich erläutert. Abschließend werden Prinzipien der elektrischen Energiespeicherung dargelegt und ein Überblick über die verschiedenen Technologien zur Speicherung elektrischer Energie gegeben. Dabei wird auch auf die Techniken zur Unterbrechungsfreien Stromversorgung eingegangen. Die Wandlung elektrischer Energie mit leistungselektronischen Schaltungen wird in Abschn. 3.4 in Zusammenhang mit der Halbleitertechnik beschrieben.

Andreas Böker, Ekkehard Boggasch, Hartmuth Paerschke

Lösungsansätze zur Gestaltung einer nachhaltigen Strom Supply Chain im Zeitalter der Energiewende und Digitalisierung

Die Energiewende führt zu großen Herausforderungen für die Energiebranche und vor allem für die Netzbetreiber. Steigende dezentrale Einspeisungen aus erneuerbaren Energien (wie Photovoltaikanlagen) und die zu erwartenden hohen Entnahmen durch die Elektromobilität belasten direkt die Niederspannungsnetze der Verteilnetzbetreiber und verändern durch ihre Volatilität die Anforderungen zur Sicherstellung der unterbrechungsfreien Stromversorgung. Stabile Netze setzen ein permanentes Gleichgewicht von Einspeisung und Verbrauch voraus. Abweichungen führen zu Netzausfällen und einer möglichen Kettenreaktion auf die überlagerte Netzebene.

Iris Hausladen, Kerstin Eiselbrecher

Der Einsatz von Elektromobilität zur Steigerung der Nachhaltigkeit in der Logistik

Es fahren mehr als 1,2 Milliarden Autos auf der Welt (vgl. Statista, 2018a). Im Jahr 2050 sollen es mehr als 2 Milliarden Autos sein (vgl. Kreyenberg, 2016). Bei den Nutzfahrzeugen ist die Fahrzeugmenge etwas geringer. Im Jahr 2016 sollen weltweit insgesamt 2,5 Millionen mittelschwere und schwere Trucks abgesetzt worden sein. Schon heute ist klar: Der enorme Bedarf nach Mobilität wird Engpässe bei der Kraftstoffbeschaffung von Verbrennungsmotoren erzeugen.

Horst Wildemann

Kapitel 10. Smart Movement – von Connected Cars, Shared Bikes und Smart Cities

Die Bevölkerung in den Städten wächst exponentiell und die Stadtverwaltungen sind konstant gefordert, dieses Wachstum zu bewältigen. Schon heute lebt mehr als die Hälfte der chinesischen Bevölkerung in städtischen Gebieten und diese Zahl wächst rasant weiter. In China gibt es Städte, die erst in den letzten zehn Jahren zu Megastädten geworden sind. Und da immer mehr Menschen in diese Städte ziehen, treten laufend neue Probleme auf oder die bestehenden Probleme verschlimmern sich. In China werden intelligente Lösungen für diese Probleme entwickelt – es herrscht ein regelrechtes Smart Movement.

Elena Gatti, Christina Richter

1. Einleitung

Der Verbrennungsmotor hat in den letzten hundert Jahren als Antriebsaggregat für Land- und Wasserfahrzeuge, aber auch als Stationäraggregat zum Antrieb von Arbeitsmaschinen und Generatoren eine weltweite Verbreitung gefunden und damit letztendlich die heutige Mobilität ermöglicht. Während Personen- und Nutzfahrzeuge heute noch überwiegend mit Diesel- und Ottomotoren angetrieben werden, werden dafür zukünftig verstärkt Elektro- und Hybridsysteme zum Einsatz kommen. Darüber hinaus wird auch über alternative Kraftstoffe zur Beimischung oder als Ersatz für Otto- und Dieselkraftstoffe intensiv nachgedacht. In der vorliegenden Abhandlung wird eine detaillierte Beschreibung und Bewertung verschiedener Antriebssysteme, vom Verbrennungsmotor bis hin zum Elektroantrieb durchgeführt. Eine wesentliche Aufgabe der Berechnung und Simulation ist die Erstellung von physikalischen und chemischen Modellen zur Beschreibung technischer Prozessabläufe mit dem Ziel, das dynamische Verhalten komplexer Antriebssysteme besser zu verstehen, Gesetzmäßigkeiten zu erkennen und damit zuverlässige Aussagen über das Verhalten dieser Systeme zu ermöglichen. Die für das Erstellen dieser Modelle benötigten thermofluiddynamische und chemischen Grundlagen werden ausführlich beschrieben. Ein Schwerpunkt legt dabei auf der Erstellung von Modellen für die Gemischbildung, Verbrennung und Schadstoffbildung im Brennraum und der benötigten Reaktionskinetik. Die heute verwendeten nulldimensionalen, phänomenologischen und 3D-CFD Modelle werden ausführlich beschrieben und ihre Einsatzmöglichkeiten, aber auch ihre grenzen werden erläutert. Zukünftige Entwicklungsmöglichkeiten im Hinblick auf den Einsatz von Large Eddy Modellen und der direkten numerischen Simulation werden erläutert.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker

14. Elektrifizierte Antriebssysteme

Eine möglichst kraftsparende Ortsveränderung und der damit verbundene Transport von Gütern und Personen war seit Beginn der Menschheit ein wesentliches Bedürfnis. Sehr früh wurde erkannt, dass dazu Transportmittel und Kraft‐ bzw. Antriebsquellen erforderlich waren. Je nach Transportaufgabe entwickelte sich daraus eine Vielzahl unterschiedlicher Symbiosen von Transportmitteln und Antriebssystemen.Heute ist der Verbrennungsmotor die dominierende Antriebsquelle. Das ist ein Ergebnis des aktuellen Stands der Entwicklung. Das war nicht immer so und muss in Zukunft auch nicht so bleiben. Der Verbrennungsmotor ist technologisch nur eine Möglichkeit von vielen, die wir heute als alternative Antriebe bezeichnen. Ein Motor allein ist auch noch kein Antriebssystem. Wie lange der Verbrennungsmotor eine wesentliche Antriebsquelle sein wird, hängt – neben vielen nicht technischen Randbedingungen – von der technologischen Entwicklung des Motors selbst und der Kombinationsfähigkeit mit anderen Antriebssystemen und Transportmitteln ab. Für einen zukunftsweisenden Weg des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, die Eigenschaften alternativer Antriebssysteme zu kennen und zu erkennen, aus welchen Gründen sich bestimmte Technologien durchgesetzt haben und andere nicht, und darauf abgestimmte Motoren zum Einsatz zu bringen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Peter Fischer, Dipl.-Ing. Stefan Neunteufel

18. Zukunft des Verbrennungsmotors

Der Verbrennungsmotor ist die am weitesten verbreitete Energiewandlungsmaschine. Weit über eine Milliarde Verbrennungsmotoren sind heute als Antrieb für Fahrzeuge (Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge, Zweiräder, Schiffe), zur Energieversorgung (Heizkraftwerke, Notstromaggregate, Generatorantrieb) oder für andere Zwecke wie beispielsweise als handgehaltene Arbeitsgeräte (Motorsägen, Motorsensen, Trennschleifer) im Einsatz. Als Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung ist er zudem die effizienteste Wärmekraftmaschine überhaupt. Bei alleiniger Nutzung der abgegebenen mechanischen Energie werden in Großgasmotoren bereits Antriebswirkungsgrade von etwa 50 % erreicht. Wird die bei der Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzte Wärme zusätzlich zur Beheizung genutzt. Beispielsweise können in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) deutlich höhere Systemwirkungsgrade bis zu 90 % erreicht werden. Vor dem Hintergrund dieses außerordentlichen Erfolgs ist die weitere Entwicklung von Verbrennungsmotoren auch zukünftig von großer Bedeutung. Der Bedarf an mechanischer, elektrischer und insbesondere auch thermischer Energie hat durch die Industrialisierung kontinuierlich zugenommen und wird auch in Zukunft weltweit weiter steigen. Aufgrund seiner hohen Flexibilität und seiner einfachen Bauform wird der Hubkolbenmotor weiterhin eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung spielen und in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Die Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren befindet sich jedoch dabei in einem besonderen Spannungsfeld zwischen tatsächlichem Nutzen, Umweltanforderungen sowie politischer und öffentlicher Diskussion. Höchste Ansprüche werden v. a. bei der Reduzierung des Schadstoffausstoßes und des Kraftstoffverbrauchs bzw. der CO‐Konzentration in der Luft (CO‐Emission) als ein wesentlicher Verursacher des als real existierenden und weltweit diskutierten Klimawandels gestellt. Darüber hinaus ist das bereits seit Anfang der 1970er‐Jahre diskutierte begrenzte Vorkommen fossiler Kraftstoffe, und hier insbesondere die begrenzten Erdölvorkommen, langfristig zu beachten, weshalb auch kraftstoffseitig eine zukünftige Lösung gefunden werden muss.

Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. Ulrich Spicher

15. Hybridantriebe und Range Extender

Die für unsere heutige individuelle Mobilität mit dem Automobil erforderliche Energie ist zu etwa 95 % fossiler Herkunft und dabei überwiegend erdölbasiert. Gleiches gilt für den Gütertransport auf Straße und Wasser sowie für den Betrieb mobiler Arbeitsmaschinen. Aber auch im internationalen Zugverkehr und beim Betrieb stationärer Kraftmaschinen werden fossile flüssige oder gasförmige Kraftstoffe in großem Umfang eingesetzt. Die Reduzierung der CO2‐Emission bei steigendem Mobilitätsbedarf, die Endlichkeit der fossilen Energieträger und der Wunsch nach größtmöglicher politischer und wirtschaftlicher Unabhängigkeit im Energiesektor beeinflusst mittel‐ und langfristig die Energiewandlungsprozesse zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie. Trotzdem wird der Verbrennungsmotor, abhängig von der Anwendung, noch für lange Zeit der zentrale Energiewandler bleiben.Seit Jahrzehnten wird in Teilbereichen der konventionelle Kraftstoff zunehmend mit biogenen oder nicht erdölbasierten, aber immer noch fossilen Kraftstoffen ergänzt oder gar substituiert (Kap. 21). Eine weitere und gerade in den letzten etwa zehn Jahren intensiv entwickelte Technologie ist die Anwendung der lokal emissionsfreien elektrischen Energie für den Antrieb von Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

31. Thermomanagement

Moderne Kraftfahrzeuge müssen aufgrund von immer strenger werdender Abgasgesetzgebung möglichst effizient betrieben werden. Daher ist es notwendig, alle im Fahrzeug auftretenden Energieströme im Sinne eines umfassenden Energiemanagements zu optimieren. Die Energieströme sind mechanischer, chemischer, elektrischer und thermischer Natur. Diese Aufzählung ist bereits ein Indiz für die weitreichenden Aufgaben, die hier zu bewältigen sind. Fahrzeugthermomanagement versteht sich als eine Kategorie innerhalb des Energiemanagements und befasst sich mit der effizienten Verteilung und Nutzung thermischer Energie. In Abb. 31.1 ist beispielhaft die Verteilung aller Energieströme in einem Hybridfahrzeug dargestellt. Der Begriff Thermomanagement wird in der Motoren‑ und Fahrzeugentwicklung oftmals in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet. Daher soll hier eine begriffliche Abgrenzung vorgenommen, beziehungsweise Entwicklungsbereiche aufgezählt werden, in welchen der Begriff häufig verwendet wird. Im vorliegenden Kapitel wird nach der begrifflichen Abgrenzung auf die in Abschn. 31.1.1 beschriebenen Inhalte vertiefend eingegangen.

Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Raimund Almbauer, Dipl.-Ing. Andreas Ennemoser, Dr. techn. Heinz Petutschnig, Dr. techn. Armin Traußnig

Kapitel 4. Experimentelle Bestimmung des Temperaturprofils

Da sich eine Vielzahl von Faktoren, die im realen Betrieb auftreten, nicht oder nur bedingt mit einbeziehen lassen, sind numerische Simulationen von Fahrzeugkomponenten im realen Einsatz nur eingeschränkt aussagekräftig. Ein zusätzlicher Nachteil im Vergleich zur Fahrt auf öffentlichen Straßen besteht im Fehlen der Fahrbahnlängsneigung, die nachweisbar Fahrerverhalten, Fahrleistung und Verbrauch beeinflusst [125]. Das individuelle Verhalten des Fahrers eines Kraftfahrzeugs im Realverkehr kann ebenfalls nicht mit den oben genannten Simulationen erfasst werden.

Ulrike Weinrich

Kapitel 2. Geschäftsmodell des Online-Handels

Die Kundenzentriertheit muss Basis für das Geschäftsmodell eines jeden Online-Händlers sein. Losgelöst von der funktional orientierten Marketinglehre rücken Leidenschaft und Glaubwürdigkeit der gesamten Unternehmensführung und ein bedingungslos am Kundenwunsch ausgerichtetes Unternehmen in das Zentrum der geschäftlichen Aktivitäten. Diese Art der „neuen Kundenorientierung“ durchdringt das komplette Geschäftssystem des Unternehmens und gibt Mitarbeitern zugleich einen Orientierungsrahmen für ihre täglichen Entscheidungen vor.

Gerrit Heinemann

Kapitel 3. Disruptive Innovationen in der Automobilindustrie

Die Elektromobilität gehört zu den meistdiskutierten Themen in der Automobilbranche. Ein Blick in die Historie zeigt jedoch, dass die Elektromobilität keine Erfindung der Neuzeit darstellt. Bereits 1888 fuhren erste Elektrofahrzeuge durch die Städte. Bis zu 40% Marktanteil konnten elektrisch angetriebene Fahrzeuge zu Beginn des 20. Jahrhunderts in den USA einnehmen.

Timo Strathmann

Kapitel 4. Die Herausforderungen für den etablierten Automobilhersteller durch Elektromobilität und Implikationen für das Geschäftsmodell

Die Auswirkungen disruptiver Innovationen auf Organisationen können sehr vielfältig sein. Je nach Art der Innovation sowie dem Marktumfeld sind Organisationen unterschiedlich stark betroffen und haben unterschiedliche Möglichkeiten, auf disruptive Innovationen zu reagieren. Diese Arbeit beschränkt sich darauf, die Auswirkungen der Elektromobilität als Innovation mit Disruptionspotential auf die etablierten Automobilhersteller zu untersuchen.

Timo Strathmann

5. Die Energiewende – Handicap oder Chance?

Der Monitoring-Prozess „Energie der Zukunft“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie überprüft regelmäßig den Fortschritt der Zielerreichung und den Stand der Umsetzung der Maßnahmen zur Energiewende mit Blick auf eine sichere, wirtschaftliche und umweltverträgliche Energieversorgung, um bei Bedarf nachsteuern zu können. Drei Aspekte stehen im Mittelpunkt. Der Monitoring-Prozess gibt einen faktenbasierten Überblick über den Fortschritt bei der Umsetzung der Energiewende. Dazu wird die Vielzahl der verfügbaren energiestatistischen Informationen auf ausgewählte Kenngrößen (Indikatoren) verdichtet und aufbereitet. Im Rahmen der jährlichen Monitoring-Berichte wird als zweiter Aspekt das Erreichen der Ziele aus dem Energiekonzept verfolgt und die Maßnahmen bewertet. Bei absehbaren Zielverfehlungen schlagen zusammenfassende Fortschrittsberichte in einem Rhythmus von drei Jahren aufgrund der dann mehrjährigen Datenbasis Maßnahmen vor, um Hemmnisse zu beseitigen und die Ziele zu erreichen. Zum Dritten richtet der Monitoring-Prozess sein Augenmerk auch auf die absehbare weitere Entwicklung wichtiger Kenngrößen. Dazu machen die Fortschrittsberichte Trends erkennbar.

Franz Joos

17. Energieverteilung

Dem Verbraucher muss die Energie in Form von Primär‑ und Sekundärenergieträgern geliefert werden. Die Energieverteilung kann leitungsgeführt (Stromleitungen, Gas‑, Öl‑ und Fernwärme‐Pipelines) und nicht leitungsgebunden (Transport von Festbrennstoffen und Treibstoffen per Schiff, Bahn, LKW) erfolgen. Leitungsgebundene Energietransportsysteme sind an die geografische Lage der Energievorkommen und der Verbraucherschwerpunkte angepasst.Zur vergleichenden Beurteilung des Energietransports dienen folgende spezifische Kenngrößen: Transportkapazität; förderbarer Energiestrom pro Leitung in kW. Entfernungsspezifischer Wirkungsgrad; abnehmerseitig nutzbare Energie (eingespeiste Energie abzüglich Transportenergie) bezogen auf die eingespeiste Energie und Entfernungseinheit, z. B. in %/km. Spezifische Förderkosten; Kosten bezogen auf transportierte Energie und Entfernung in Euro/(kJ · m). Diese spezifischen Förderkosten lassen sich in spezifische Investitions‑ und Betriebskosten aufschlüsseln. Spezifische Investitionskosten; Baukosten bezogen auf transportierbare bzw. transportierte Energie und Länge in Euro/(kJ · m). Spezifische Betriebskosten; Kosten des Betriebs (Unterhalt, Wartung, Reparatur, Messung, Energieverluste beim Transport, …) bezogen auf transportierte Energie und Länge in Euro/(kJ · m). Nachfolgend wird zuerst das Elektro‐Energiesystems vorgestellt und danach einige Erläuterungen zu Transporttechniken für Wärme und andere Energieträger gegeben.

Prof. Dr.-Ing. Harald Schwarz

19. Marktliberalisierung und Energiewende

Zwei Entwicklungen kennzeichnen die Energiemärkte seit dem Ende der 1990er Jahre. Dies ist zum einen die Marktliberalisierung, die einen Wettbewerb von Energielieferanten untereinander ermöglichen, und die frühere Monopolisierung der Energiemärkte in den Bereichen Vertrieb, Handel und Erzeugung beenden sollte. Die Umsetzung der auf europäischer Ebene vorbereiteten Liberalisierungsschritte erfolgte in Deutschland im Energiewirtschaftsgesetz über mehrere Gesetzesnovellen. Zum anderen ist es der Ausbau der erneuerbaren Energien, um eine nachhaltige Energieversorgung bei gleichzeitig reduziertem Einsatz fossiler Energieträger zur Energiegewinnung zu erreichen. Im Zentrum steht dabei das Erneuerbare‐Energien‐Gesetz EEG, welches ebenfalls mehrfach novelliert wurde und häufig mit dem Begriff der Energiewende in Verbindung gebracht wird.Das Ziel dieses Kapitels besteht darin, die gesetzlichen Rahmenbedingungen in Deutschland zur Liberalisierung des Strom‑ und Gasmarktes sowie zur Förderung der erneuerbaren Energien im Zeitablauf zu skizzieren. Ferner werden für den Strommarkt die Preisentwicklung und die Wettbewerbsentwicklung dargestellt. Wenngleich der Fokus auf dem Strommarkt liegt, wird bei der Liberalisierung im letzten Abschnitt die Marktöffnung und Wettbewerbsentfaltung des Gasmarkts beschrieben und bei der Energiewende auch auf die Sektoren Wärme und Verkehr eingegangen.

Dominik Wörsdörfer

Urbane Logistik der Zukunft – ganzheitlich, nachhaltig und effizient

Das Stichwort Urban Logistics fällt immer häufiger, wenn es um die Zukunft unserer Städte geht. Wirtschaft und Bevölkerung der Metropolregionen können tagtäglich erleben, dass die Infrastruktur ihre Belastungsgrenzen erreicht hat. Lärm, Luftverschmutzung und Staus fordern die Politik zum Handeln heraus, Fahrverbote und andere Verkehrseinschränkungen scheinen unvermeidlich. Die Logistikbranche steht hier besonders im Fokus: Enorme Wachstumsraten bei E-Commerce einerseits sowie zunehmend lagerlose und flexible Einzelhandelskonzepte andererseits führen zu mehr innerstädtischem Lieferverkehr, der vom ebenfalls wachsenden Individual- und öffentlichen Verkehr als Konkurrent um knappe Verkehrsflächen wahrgenommen wird. Der vorliegende Beitrag zeigt auf, mit welcher Strategie und welchen Projekten der Marktführer Deutsche Post DHL auf diese Entwicklung reagiert. Darüber hinaus legen die Autoren dar, dass ein ganzheitliches Logistikmanagement der Metropolregionen unerlässlich ist, um erfolgreiche Pilotprojekte schnell und umfassend zu multiplizieren und so die Herausforderungen der Zukunft zu meistern.

Jürgen Gerdes, Gerrit Heinemann

4. Szenarien und Geschäftsmodelle für die Vermarktung umgewidmeter Traktionsbatterien

Im bisherigen Verlauf dieses Buches standen zunächst der Vergleich verschiedener End‐of‐Life‐Strategien für gebrauchte Traktionsbatterien und die Erläuterung mit der Strategie der Umwidmung und Weiterverwendung in Verbindung stehender zentraler Konzepte (z. B. des eEOL‐Passes) und Prozesse (z. B. für die Zustandsbestimmung gebrauchter Traktionsbatterien) im Vordergrund. Aufbauend auf diesen Ausführungen fokussiert das vorliegende Kapitel das Aufzeigen von konkreten Potentialen, Szenarien und Geschäftsmodellen für die Vermarktung von umgewidmeten Traktionsbatterien aus Elektroautos.

Dr. Florian Plenter, Dr. Sebastian Menne, B.Eng. Christoph Hindersmann, Dr. Sebastian Bräuer, M.Sc. Johannes Voscort, M.Sc. Robert Mittmann

8. Forschungsausblick zur Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien

In Kap. 1 wurden die ökologischen sowie ökonomischen Argumente für eine Umwidmung und Weiterverwendung gebrauchter Traktionsbatterien vorgestellt. Weiterhin wurden chemische, technische, und ökonomische Eigenschaften der Traktionsbatterie sowie deren Bedeutung für die Umwidmung und Weiterverwendung im Sinne des EOL‐IS‐Konzepts dargestellt.

Prof. Dr. Daniel Beverungen, B.Eng. Christoph Hindersmann, Dr. Sebastian Menne, Dr. Sascha Nowak, Dr. Shamahmood Obeidi, Dr. Florian Plenter

2. End-of-Life-Strategien für Traktionsbatterien

Traktionsbatterien kommen in Elektrofahrzeugen in unterschiedlichen Formen und Größen vor und unterscheiden sich etwa entsprechend ihres Einsatzes in vollelektrischen Fahrzeugen, Plugin‐Hybrid‐Fahrzeugen und Hybrid‐Fahrzeugen (vgl. Kap. 1). Sie stellen zudem komplexe Systeme dar, die neben den Batteriemodulen und den in diesen enthaltenen Batteriezellen vor allem aus einem Batteriemanagementsystem zum Monitoring und zur Steuerung der Lade‑ und Entladezyklen, einem System zur Regelung der Temperatur und dem Gehäuse zum Schutz gegen Außeneinwirkung bestehen. Diese Komponenten müssen entsprechend des Einsatzzweckes des Batteriesystems aufeinander abgestimmt werden. Da Batterien sowohl über die Zeit als auch durch Zyklisierung (d. h. Lade‑ und Entladezyklen) altern, nimmt ihre Leistungsfähigkeit zunehmend ab und ihr automobiles Leben ist somit begrenzt.

Dr. Sebastian Bräuer, Dipl.-Ing. Alexander Stieger

1. Einführung in die Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien

Elektromotoren zum Antrieb von Fahrzeugen haben im Vergleich zu Verbrennungsmotoren einige Vorteile, wie geringere Geräuschemissionen und einen höheren Wirkungsgrad (Wachter 2009; Govindswamy und Eisele 2011; Marx 2015; Hagman et al. 2016). Der Hauptvorteil wird generell jedoch in der Vermeidung des CO2‐Ausstoßes durch die Substitution von fossilen Brennstoffen durch elektrischen Strom gesehen. Elektromobilität ist jedoch nur dann eine saubere und umweltfreundliche Art der Fortbewegung, wenn der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Solar oder Windkraft, stammt. In Deutschland wurden im Jahr 2016 29,5 % des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt und dieser Anteil soll bis 2025 auf 40–45 % steigen (Strom‐Report 2016). Elektrofahrzeuge in Deutschland fahren heute also mit Strom, der noch zu rund 70 % aus konventionellen Quellen (fossile Brennstoffe, Kernenergie) stammt und tragen entsprechend indirekt zu CO2‐Emissionen bei. So beträgt der CO2‐Ausstoß des Nissan Leaf, einem derzeit sehr beliebten Elektrofahrzeug, im deutschen Strommix noch immer ca. 106 g/km (Schwarzer 2014). Aufgrund der Potenziale zur Reduktion des CO2‐Ausstoßes und der Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen wird die Elektromobilität weltweit jedoch sehr positiv gesehen und in vielen Ländern entsprechend durch die öffentliche Hand gefördert.

Prof. Dr. Daniel Beverungen, Dr. Sebastian Menne, Dr. Sascha Nowak, Dr. Shamahmood Obeidi, Dr. Florian Plenter, B.Eng. Christoph Hindersmann

Kapitel 17. Evaluierung alternativer Konzepte von elektrischen Kraftfahrzeugen zur Verbesserung der Umweltbilanz in Megacitys mithilfe der Blue Ocean Strategy®

Ziel dieses Beitrags ist es, mithilfe der Blue Ocean Strategy® die Einführung von elektrischen Kraftfahrzeugen in Megacitys zu evaluieren und das benzinbetriebene Auto als Hauptbeförderungsmittel in Megacitys als konventionelle Lösung infrage zu stellen.

Alexander M. Seidler, Thomas Heupel

Kapitel 13. Wie das Energieversorgungsunternehmen ENTEGA AG neue Wege geht und Kommunen befähigt, unser Klima zu schonen

Blue Ocean gegen steigende Meeresspiegel - Der Energieversorger ENTEGA entwickelt mithilfe der Blue Ocean Methode neue Lösungs-Angebote für Kommunen. Das ENTEGA Produktportfolio wurde mit dem Angebot anderer Versorger und dem des lokalen Handwerks verglichen und ergab zunächst eine Red Ocean-Situation. Daher wurden in Kreativ-Workshops qualitativ neuartige Produktideen generiert, die Differenzierung schaffen können. Diese waren z.B. „Energie Visual Kommunal“, „Kommunen-Consulting“, „Bürger für Bürger“ oder Crowdfunding. In der Umsetzung entstanden Beratungs-Netzwerke für Kommunen, Energieaudits und ein webbasiertes Energie-Managementsystem – heute wichtige Komponenten der ENTEGA Differenzierung am Markt und praktische Unterstützung für Kommunen im Bereich Energieeffizienz und Klimaschutz.

Caroline Will, Christoph Hain, Steffen Frischat

Kapitel 16. Blaue Ozeane auch in grauen Bergen?

Elektrisch betriebene Panoramafahrzeuge als neue Erlebnisattraktion für touristisch attraktive Gebirgsregionen

In Zeiten eines sich verschärfenden Wettbewerbs wird die gezielte Entwicklung von neuartigen Geschäftsideen immer wichtiger. Sich über Alleinstellungsmerkmale von der Masse abzuheben ist dabei ganz entscheidend. In diesem Beitrag wird die Entwicklung eines neuen Elektrofahrzeugs für Panoramafahrten in landschaftlich attraktiven Regionen beschrieben. Die Hochgebirgstauglichkeit ist dabei ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. Eine ungewöhnliche Allianz aus drei unterschiedlichen Partnern schuf dieses neuartige Produkt und setzte dabei auf eine Umgestaltung konventioneller Marktgrenzen. Statt jedoch zu Beginn des Vorhabens einen auf Annahmen basierenden Geschäftsplan zu schreiben, wurde eine experimentelle Vorgehensweise gewählt, die entscheidende Vorteile bietet. Gut fokussiert, schnell und sparsam werden auf diese Weise valide Daten am Markt generiert, bevor eine umfassende Geschäftsplanung beginnt. So werden bereits im Vorfeld einer späteren Unternehmensgründung mögliche Chancen und Risiken aufgedeckt, die in der späteren Planung präzise berücksichtigt werden können. Mit dieser Vorgehensweise werden die Erfolgsaussichten von geplanten Gründungsvorhaben deutlich erhöht.

Lars Buche

Kapitel 15. Evaluation alternativer Automotive-Innovationen

Vom SUV zur E-Mobilität – Blue Ocean® oder Entwicklungsgrab?

Die heutige Mobilität befindet sich in einem Wandel. Aufgrund der restriktiven Ölvorkommen und den verschiedensten Anforderungen und Herausforderungen bei der Förderung von Rohöl ist unter anderem die Automobilindustrie gefordert, neue Mobilitätskonzepte und Antriebsvarianten für Automobile zu erfinden, zu schaffen und umzusetzen. Die Entwicklung des Automobils wurde in den Jahren seit seiner Erfindung immer wieder vorangetrieben und forciert.

Steffen Schmenn, Thomas Heupel

Kapitel 5. Dienstleisternetze in der Distributionslogistik

Im fünften Kapitel werden die von Logistikdienstleistern betriebenen Netzwerke intensiver vorgestellt. Zunächst erfolgt die Beschreibung der Dienstleisternetze anhand ihrer Eigenschaften und der zahlreichen Besonderheiten im Vergleich mit den industrie- und handelseigenen Netzwerken. Darauf aufbauend werden die relevanten Grundmodelle der Netzgestaltung von Dienstleisternetzen – Raster- und Hub-Modelle – qualitativ und quantitativ in Bezug auf ihre Anwendbarkeit bewertet.

Christoph Tripp

Kapitel 5. Speichertechnologien

In der Energiewirtschaft spielt die Verteilung des erzeugten Stroms eine entscheidende Rolle. Sie wird von den Übertragungs- bzw. den Verteilnetzbetreibern vorgenommen. Idealerweise sollte der Strom dort generiert werden, wo er auch benötigt wird. Das ist z. B. aus klimatischen Gründen nicht immer möglich. An den Meeresküsten oder auf Anhöhen sind Windkraftanlagen wirkungsvoller als in windstillen Tälern. Andererseits wird bei günstiger Einstrahlung massiv Sonnenstrom hergestellt, der aber vielleicht in der Nacht besser gebraucht werden könnte. Man hat es also mit einem Energiemix zu tun, der zweifach herausfordert. Dazu gehören Zwischenspeicherung für Engpasssituationen und Transporte in Nicht-Erzeugungsgebiete. Beide Herausforderungen hängen zusammen.

Wolfgang Osterhage

13. Solid-State Transformers

Die Autoren danken Herrn MSc ETH Thomas Guillod für Berechnungen und Simulationen zur den Skalierungsgesetzen von Mittelfrequenztransformatoren und Dr. sc. ETH Gabriel Ortiz, ABB-Forschungszentrum Schweiz, für Diskussionen zu Schaltungstopologien und Einsatzbereichen von Solid-State-Transformer-Systemen.

Dierk Schröder, Rainer Marquardt

Antriebsmix für die zukünftige Mobilität – aber welcher?

Alternative Antriebskonzepte stellen mit ihrem jeweils ganz spezifischen Platz- und Sicherheitsbedarf den Karosserie- und Gesamtfahrzeugentwickler vor große Herausforderungen. Die vorzuhaltenden Package-Räume variieren stark, je nach Alternative. Die Möglichkeiten reichen von einfachen elektrischen Antrieben mit verhältnismäßig kleinem Batteriespeicher bis zu E-Antrieben mit Brennstoffzelle als Energiewandler, ein, zwei Wasserstofftanks und Hochvoltbatteriepack.

Volkher Weißermel

Industrialisierung der Additiven Fertigung – NextGen Spaceframe 2.0: Bionik, Additive Manufacturing und Aluminium für den flexiblen High-End-Leichtbau

Automobilhersteller haben eine große Anzahl von Antriebsvarianten und Energiespeichern in ihre Karosserien zu integrieren. Dies ist eine Herausforderung für die Automobilbranche. Spaceframes werden für geringe Stückzahlen und in der Regel für High-Performance Fahrzeuge in kleineren Produktionsstückzahlen entwickelt.

Martin Hillebrecht, Manuel Gaytan

Wirkketten von Kraftstoffvarianten – von der Komponente bis zum e-Fuel

Mobilität erfordert Energie. Kraftstoffe im Verkehr, so wie wir sie kennen, aber z. B. auch künftige strombasierte Kraftstoffe, ermöglichen ausgehend von den vorhandenen Infrastrukturen und Wertschöpfungsketten diese Mobilität. Der Verkehrssektor hat zugleich seinen Beitrag zur Emissionssenkung auf globaler wie lokaler Ebene zu leisten und ist mit der zunehmenden gesellschaftlichen Urbanisierung Veränderungen in der Mobilitätswahrnehmung und Nutzung ausgesetzt. Die Elektrifizierung des Verkehrs verändert den Flottenmix und zeigt Alternativen zum verbrennungsmotorischen Antrieb auf, ohne jedoch die ideale, alleinig nachhaltige Lösung für alle Kundenbedürfnisse sein zu können.

B. Becker, T. Bender, P. Rolke

Kapitel 10. Fallbeispiele für die Einstiegsphase

In den nachstehenden Interviews erzählen Geschäftsführer, Personalmanager und Kommunikationsverantwortliche von Unternehmen aus Deutschland und Österreich, welche Akzente sie in der Phase des Onboardings neuer Mitarbeiter (und an anderen Kontaktpunkten ihrer Arbeitgebermarke) gesetzt haben.

Wolfgang Immerschitt, Marcus Stumpf

Bewertung von Autohöfen

Der in den Fachmedien breit diskutierte Ankauf des Versicherungskonzerns Allianz, der mit mehreren Partnern die Raststätten-Kette Tank & Rast für rund 3,5 Mrd. EUR erworben hat, verdeutlicht, dass Spezialimmobilien weiter in den Fokus vieler Investoren rücken. Dabei ist nicht nur der Trend eines diversifizierten Portfolios für Großanleger ein treibender Faktor, sondern darüber hinaus die Suche nach Anlagen mit interessantem Risiko-Rendite-Verhältnis in Zeiten allgemein niedriger Zinsen.

Alexander Ruscheinsky, Katrin Kandlbinder, Jessica Ruscheinsky

Unternehmensführung 4.0

Globale Vernetzung, riesige Datenmengen, sekundenschneller Informationsaustausch – die Digitalisierung ist heute allgegenwärtig und bewirkt sowohl soziokulturelle als auch gesamtwirtschaftliche und schließlich unternehmerische Veränderungen. Dieser schnelle und allumfassende digitale Wandel erhöht auch die Komplexität für die Unternehmensführung und stellt sie vor neue Herausforderungen. Diese ergeben sich, um nur einige beispielhafte Aspekte zu nennen, aus der Anwendung cyberphysischer Systeme, dem Wandel des Kunden- und Wettbewerbsverhaltens, der Veränderung der Ansprüche der Mitarbeiter sowie der zunehmenden Bedeutung der Generationen Y und Z. Die vorliegende Ausarbeitung beschäftigt sich vor diesem Hintergrund mit der Problemstellung, wie das Konzept der Unternehmensführung ausgestaltet und weiterentwickelt werden muss, um im digitalen Zeitalter einen Bezugsrahmen für erfolgreiche digitale Führung zu bilden. Die digitale Transformation mit all ihren Potenzialen erfordert dabei eine immer höhere Vernetzung, Agilität und Innovationsgeschwindigkeit. Als zentrale Führungsleitlinien sind daher die Schaffung einer demokratischen Unternehmenskultur durch Dezentralisierung, die Übertragung von mehr Autonomie und Selbstbestimmung an die Mitarbeiter und damit schließlich die Entwicklung einer agilen Organisationsstruktur zu betrachten. Die Umsetzung dieser Eckpfeiler versetzt die Unternehmensführung in die Lage, die strategische Entwicklung des Unternehmens noch schneller und flexibler voranzutreiben und das eigene Geschäftsmodell durch permanentes Hinterfragen kontinuierlich und adäquat weiterzuentwickeln.

Michael Erner, Francesca Böhm

Kapitel 5. Mathematische Optimierung

Bei der Entwicklung eines technischen Systems möchte man dieses derart auslegen, dass es sich bzgl. der jeweiligen Anwendungssituation optimal verhält. Wird das System mit unterschiedlichen Anwendungssituationen im Betrieb konfrontiert, erfordert dies in der Regel unterschiedliche Zielsetzungen, welche sich im Allgemeinen widersprechen. Eine wichtige Rolle für die Auflösung dieser Konflikte spielen dabei Optimierungsverfahren, welche konkrete Ziele für die aktuelle Anwendungssituation sowie die zur Erfüllung der aktuellen Ziele notwendigen Verhaltensanpassungen bestimmen sollen. Hier werden zunächst die theoretischen Grundlagen und ausgewählte Methoden der mathematischen OptimierungOptimierung beschrieben. Dabei wird der Fokus auf die Mehrzieloptimierung sowie MehrzieloptimalsteuerungMehrzieloptimalsteuerung gelegt. Anschließend wird eine methodische Vorgehensweise präsentiert, welche den Arbeitsprozess der mathematischen Mehrzieloptimierung im Selbstoptimierungskontext näher beschreibt. Diese besteht aus einem Leitfaden zum Einsatz mathematischer Optimierung im industriellen Kontext, der zukünftige Anwender bei der selbstständigen Lösung mathematischer Optimierungsprobleme unterstützen soll, sowie einem Katalog von typischen Anwendungshemmnissen. Anwendungshemmnis Abschließend werden drei Beispiele vorgestellt, die während der Projektlaufzeit in interdisziplinärer Zusammenarbeit bearbeitet wurden.

Adrian Ziessler, Sebastian Peitz, Sina Ober-Blöbaum, Michael Dellnitz

4. Geschäftsmodelle entlang der elektromobilen Wertschöpfungskette

In diesem Kapitel werden Veränderungen entlang der originären Wertschöpfungskette innerhalb des Automobilmarkts betrachtet, welche mit der voranschreitenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs einhergehen. Dazu werden Einflussfaktoren der Marktentwicklung und Prognosen zur zukünftigen Entwicklung herangeführt. Die Akteure entlang der Wertschöpfungskette sehen sich zum einen neuartigen Herausforderungen konfrontiert, zum anderen bieten sich ihnen Möglichkeiten den eigenen Anteil an der Wertschöpfung zu steigern. Die geänderten Kundenbedürfnisse und die Nachfrage nach einem vernetzten und ganzheitlichen Mobilitätsangebot bedingen zudem den Vorstoß in innovative Wertschöpfungsbereiche, was eine Neuentwicklung und Erweiterung vorhandener Geschäftsmodelle erforderlich macht. Um dem disruptiven Wandel begegnen zu können, eignen sich verschiedenartige Kooperationen zwischen den Akteuren. Dabei werden die einzelnen Aspekte perspektivisch aus Sicht der OEMs, der Zulieferer und der Energieversorger betrachtet.

Garnet Kasperk, Sarah Fluchs, Ralf Drauz

2. Grundlagen

Die Elektromobilität blickt auf eine lange Historie immer neuer Anläufe, das Elektrofahrzeug als Serienprodukt zu etablieren, zurück. Zumeist werden moderne Fahrzeuge jedoch noch immer rein konventionell angetrieben, obwohl sie bereits voll elektrifiziert sind. Neben dem steigenden Kostendruck, technischen Hürden und einer unsicheren Marktsituation hat insbesondere die Infrastruktur und das jeweilige Nutzungsszenario Einfluss auf die zukünftige Entwicklung. Durch die notwendige Integration neuer Industrien, wie der Chemie- und Elektronikbranche sowie der Energiewirtschaft, werden sich die Wertschöpfungsstrukturen in der Automobilindustrie mit der Elektromobilität weiter verändern. Die Folge ist ein komplexes, interdependentes Wertschöpfungssystem mit neuen Wettbewerbsstrukturen und Geschäftsmodellen. Demnach werden auch an die Produktion von Elektrofahrzeugen neue Anforderungen gestellt. So sind Skalen- und Lerneffekte allein nicht mehr ausreichend um in Kleinserien und bei volatilen Stückzahlen wirtschaftlich produzieren zu können. Um auch in vorgelagerten Bereichen der Entwicklung Effizienzsteigerungen zu erzielen, sind die integrierte Produkt- und Prozessentwicklung sowie ein gutes Anlaufmanagement von entscheidender Bedeutung.

Achim Kampker, Dirk Vallée, Armin Schnettler, Paul Thomes, Garnet Kasperk, Waldemar Brost, Christoph Deutskens, Kai Kreisköther, Sarah Fluchs, Ruben Förstmann, Carsten Nee, Alexander Meckelnborg, Ralf Drauz

3. Infrastruktur

Mobilität im Sinne von Beweglichkeit kann technisch gesehen durch eine Vielzahl von Konzepten realisiert werden, die in unterschiedlichen Umfeldern ihre Berechtigung haben. Die Elektromobilität ist bisher insbesondere bei kurzen benötigten Reichweiten eine Option – 90 % aller PKW-Fahrten sind kürzer als 100 km und fallen damit in diesen Bereich. Wie jedes Mobilitätskonzept erfordert die Elektromobilität angemessene Infrastrukturen, um funktionieren zu können. Bei der Elektromobilität sind hierbei insbesondere die Ladeinfrastruktur, die Stromnetze und das Servicenetz von wesentlicher Bedeutung für den Erfolg und werden in diesem Kapitel detailliert betrachtet.

Dirk Vallée, Waldemar Brost, Armin Schnettler, Ralf Kampker, Mitja Bartsch

1. Einleitung

Die Automobilindustrie befindet sich in einem tief greifenden Wandel. Das Thema Elektromobilität gewinnt zunehmend an Bedeutung und wird zu einem in der Öffentlichkeit viel diskutierten Thema. Nach 125 Jahren Automobilentwicklung ändern sich Fahrzeug- und Antriebskonzepte grundlegend. Das vorliegende Buch greift die genannten Aspekte auf und gibt einen umfassenden Überblick über die Ansätze zur Weiterentwicklung der Elektromobilität. Neben der Produkt- und Prozessentwicklung werden auch die Themen Infrastruktur und Geschäftsmodelle in den veränderten Wertschöpfungsprozessen behandelt.

Achim Kampker, Dirk Vallée, Armin Schnettler

5. Fahrzeugkonzeption für die Elektromobilität

Auf den ersten Blick scheint der konzeptionelle Aufbau von Elektrofahrzeugen häufig dem eines konventionell betriebenen Kraftfahrzeuges zu ähneln. Dass dem in vielen Bereichen allerdings nicht so ist, wird in diesem Kapitel dargelegt. Hierbei werden die Veränderungen, Herausforderungen und Chancen der Konzeption durch die Elektromobilität betrachtet. Dafür müssen neben den offensichtlicheren Veränderungen auch Prozesse im Hintergrund überprüft werden. Ein Ausblick auf den Recyclingprozess ist daher ebenso Teil des benötigten Entwicklungsprozesses wie das Anlaufmanagement neuer Produktionsreihen in denen Elektrofahrzeuge in einem neu entwickelten Package produzierte werden können.

Dirk Morche, Fabian Schmitt, Klaus Genuit, Olaf Elsen, Achim Kampker, Christoph Deutskens, Heiner Hans Heimes, Mateusz Swist, Andreas Maue, Ansgar vom Hemdt, Christoph Lienemann, Andreas Haunreiter, Saskia Wessel, Ansgar Hollah, Bernd Friedrich, Matthias Vest, Tim Georgi-Maschler, Wang Honggang

6. Entwicklung von elektrofahrzeugspezifischen Systemen

Die Batterie ist eine der absolut zentralen Komponenten des Elektrofahrzeugs. Die serielle Entwicklung und Produktion dieser Batterien und die Verbesserung der Leistungen wird entscheidend für den Erfolg der Elektromobilität sein. Die Batterie ist jedoch nicht das einzige elektrofahrzeugspezifische System, das neu entwickelt, umkonzipiert oder verbessert werden muss. So sind ebenso die Entwicklung der neuen Fahrzeugstruktur sowie des elektrifizierten Antriebsstranges Teil dieses Kapitels. Weiterhin wird ein Blick auf das bedeutende Thema des Thermomanagements geworfen.

Thilo Röth, Achim Kampker, Christoph Deutskens, Kai Kreisköther, Heiner Hans Heimes, Bastian Schittny, Sebastian Ivanescu, Max Kleine Büning, Christian Reinders, Saskia Wessel, Andreas Haunreiter, Uwe Reisgen, Regina Thiele, Kay Hameyer, Rik W. De Doncker, Uwe Sauer, Hauke van Hoek, Mareike Hübner, Martin Hennen, Thilo Stolze, Andreas Vetter, Jürgen Hagedorn, Dirk Müller, Kai Rewitz, Mark Wesseling, Björn Flieger

Kapitel 3. Unser Geschäftsmodell – Warum es uns gibt

Geschäftsmodell ist ein relativ neuer Begriff. In der Anfangszeit der industriellen Fertigung reichte das Produkt in der Regel als Kaufgrund aus. Die Industrie entwickelte Produkte und verbesserte ihre Herstellung, verbesserte und verbilligte Herstellverfahren schafften ihrerseits neue Anwendungen und neue Anwendungen schafften wiederum neue Märkte. Die mit der Produktion verbundene Rationalisierung hat die Nachfrage selbst in Gang gehalten – ein exemplarisches Beispiel dafür ist die Entwicklung der Verkehrstechnik und des Eisenbahnwesens im 19. Jahrhundert. Der Kunde war zu der Zeit noch hinter den Produkten verborgen, seine zentralen Bedürfnisse wie niedrige Preise oder eine hohe Qualität konnten prinzipiell über die Produktionstechnik gelöst werden. Der Kunde wurde mehr oder weniger vorausgesetzt und konnte durch die Fabrik „bedient bzw. beliefert“ werden. Der Wettbewerb der Frühzeit der Industrialisierung war im Gegensatz zu heute ein Wettbewerb der Produkte.

Otto Brauckmann

Kapitel 10. Transportlogistik

Die Transportlogistik beschreibt, mit welchen Fahrzeugen oder Flugzeugen die Waren vom Lieferanten zum Kunden transportiert werden. Die Auswahl des geeigneten Transportmittels beeinflusst zwei zentrale Leistungsgrößen der Distributionslogistik, die LieferzeitLieferzeit und die Transportkosten. Sehr häufig werden die Lieferungen in Transportnetzwerken (vgl. Kap. 5 ) befördert, um durch Bündelung von Lieferungen Kosten einzusparen.

Reinhard Koether

E. Antriebstechnik

Prinzipiell können elektrische Antriebe entweder über einen Schalter ohne weitere Möglichkeit zur Drehzahlverstellung oder über ein leistungselektronisches Stellglied als drehzahlveränderlicher Antrieb. In ersten Fall stellt sich nämlich in Abhängigkeit von den Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien des Antriebs und der Arbeitsmaschine ein Arbeitspunkt ein, wohingegen im zweiten Fall die Antriebskennlinie verändert werden kann. Dazu muss das leistungselektronische Stellglied mit einer Steuerung oder Regelung ausgestattet sein, so dass entweder das Drehmoment oder die Drehzahl des Antriebs geregelt bzw. gesteuert werden kann. Prinzipiell wäre damit dann jeder Punkt auf der Kennlinie der Arbeitsmaschine einstellbar, wohingegen ohne ein Leistungsstellglied nur ein stabiler Betriebspunkt möglich wäre.

Prof. Dr. Dr. Dr. Ekbert Hering, Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

9. Hochvolt-Bordnetze

Die altbekannten 12 V/24 V-Nennspannungen für PKW/LKW-Bordnetze stoßen bei modernen Fahrzeugen an ihre Grenzen. Höhere Leistungen erfordern immer größere Kabelquerschnitte. Um dem entgegen zu wirken, hat man für elektrische Maschinen und Verbraucher zwischen 0,5 kW und 5 kW Nennleistung die 48 V- Spannungsebene eingerichtet.Für Elektrofahrzeuge hat man die Hochvoltspannungsebenen für Gleichstrom und Wechselstrom definiert:Für Gleichstrom (DC): 60 V bis 1500 VFür Wechselstrom (AC): 30 V bis 1000 V

Gerhard Babiel

Kapitel 5. Adoption von Connected Cars

Die Adoption von Connected Cars durch die Endnutzer in Deutschland wird direkt sowie indirekt durch mehrere Dimensionen beeinflusst, welche zum Teil Interdependenzen aufweisen. Hierzu gehören die Dimensionen der Innovationseigenschaften, der persönlichen sowie sozioökonomischen Eigenschaften und der wahrgenommenen Risiken sowie die makroökonomische und politisch-regulatorische Dimension. Innerhalb der Dimension der Innovationseigenschaften wurde festgestellt, dass die Darbietung von relativen Vorteilen eine signifikante Rolle für die Adoption von Connected Cars durch die Endnutzer einnimmt. Daher wurde angenommen, dass die wahrgenommenen Vorteile, die derzeitig in Deutschland über die Konnektivitätsfunktionen im Fahrzeug angeboten werden, nicht ausreichend sind, um die Bildung eines positiven Standpunktes gegenüber Connected Cars zu bewirken. Weiterhin spielt die Interoperabilität aus der makroökonomischen Dimension eine bedeutende Rolle für die Wahrnehmung der relativen Vorteile durch die Endnutzer in Deutschland. Die Errichtung einer einheitlichen Big-Data-Plattform, mit der Fahrzeuge aller Fabrikate verbunden werden und kommunizieren können, wäre ein erster Schritt in Richtung der Realisierung der Interoperabilität. Die Bildung eines positiven Standpunktes gegenüber Connected Cars wird gestärkt, wenn eine Wahrnehmung der Verständlichkeit sowie Übersichtlichkeit der Funktionen gegeben ist. Die reibungslose Funktionalität der Konnektivitätsfunktionen im Fahrzeug entspricht derzeitig nicht vollständig den Erwartungen der Endnutzer in Deutschland. Dies ist durch die fehlende Zusammenarbeit aller beteiligten Akteure zu begründen. Daher wurde eine noch fehlende wahrgenommene Kompatibilität mit den vergangenen Erfahrungen sowie Bedürfnissen angenommen, welche die Entstehung eines positiven Standpunktes gegenüber Connected Cars beeinflusst.

Heinrich Holland

Kapitel 11. Big Data Analytics und Connected Cars

Grundsätzlich hat Big Data Analytics einen Einfluss auf sämtliche Marketinginstrumente, vor allem aber auf das One-to-One-Marketing. Eine bedeutende analytische Anwendung von Big Data Analytics im Marketing ist die Klassifizierung von (potenziellen) Kunden und die sich hieraus ergebende Möglichkeit, diese persönlich ansprechen zu können. Mithilfe der Individualisierung von Product, Price und Promotion kann dem Kunden ein personalisiertes Produkt zu einem personalisierten Preis über einen personalisierten Kommunikationskanal angeboten werden. Angesichts der derzeitigen Entwicklungen in der Automobilindustrie, beispielsweise nimmt das Produktportfolio der Hersteller immer weiter zu, die Fahrzeuge werden herstellerübergreifend immer homogener, die Bedeutung der emotionalen Attraktivität eines Fahrzeugs nimmt zu, ergeben sich diverse Beispiele dafür, wie sich die Individualisierung von Product, Price und Promotion von den Herstellern umsetzen ließe. Auf Basis der Erkenntnisse über Big Data Analytics und Connected Cars werden deduktiv Hypothesen abgeleitet, die mit Experten diskutiert werden. Bei den Hypothesen geht es in einem ersten Teil darum, zu zeigen, ob die Daten aus dem Connected Car überhaupt für Big Data-Analysen nutzbar sind und wie der Status quo zur Nutzung dieser Daten in der Automobilindustrie aktuell ist. Teil 2 befasst sich mit der spezielleren Nutzung der Connected-Car-Daten für die Personalisierung von Produkt, Preis und Promotion für den Automobilkunden. Im Teil 3 wird sich abschließend der Frage der Datenfreigabe gewidmet, die eine Voraussetzung zur Umsetzung der Individualisierung darstellt.

Heinrich Holland

Darstellung und Bewertung von Hybridantrieben mit einem Hybrid-Erlebnis-Prototypen

Mit der Entwicklung von Hybridantriebssystemen sind neue Freiheitsgrade verbunden. Diese Freiheitsgrade müssen beherrscht werden, um die Potenziale hinsichtlich Verbrauch, Schadstoffemissionen und Fahrverhalten erschließen zu können. Die Herausforderung besteht darin, in frühen Projektphasen verschiedene Topologien, Komponenten und Betriebsstrategien zu bewerten. Mithilfe von Simulationen kann zwar die Erfüllung der Fahrzeuganforderungen abgeschätzt werden, eine Bewertung des Fahrerlebnisses wird bisher jedoch meist durch den Aufbau von teuren Konzeptprototypen realisiert.

Albert Albers, Kevin Matros, Matthias Behrendt, Heidelinde Holzer, Wolfram Bohne, Halil Ars

4. Solarenergienutzung durch optimale Gebäudegestaltung

Mit der Diskussion zur zukünftigen Energiebereitstellung und zum Einsatz rationaler Energieverwendung in Gebäuden, rückt die Energiegewinnung durch aktive regenerative Systeme in der Gebäudehülle immer mehr in den Mittelpunkt moderner Gebäudetechnik. Als aktive Energieerzeuger (oder genauer gesagt Energiewandler) integriert in Fassaden, sind vorrangig Solarthermie- und die Photovoltaik-Systeme zu nennen. Betrachtet man die kurze Geschichte der beiden Technologien, findet sich diese größtenteils als Produkt für Dachanwendungen wieder. Dies ist einerseits nachvollziehbar und vernünftig, erhalten doch in der Regel Dächer weitaus größere solare Einstrahlungsmengen als Fassaden. Zudem sind Bauregelwerke für Aufdachanlagen häufig weniger restriktiv als für Fassaden. Dem gegenüber steht das Streben nach architektonisch ansprechenden Lösungen für energieerzeugende Systeme an Fassaden. Ein weiteres Argument findet sich in dem Flächenpotenzial für Fassaden, das weitaus größer ist, als das der zur Verfügung stehenden Dachflächen. Grundsätzlich gilt für alle energieerzeugenden Systeme, die für eine Fassadenanwendung zum Einsatz kommen sollen:

Hartmut Frey

Kapitel 6. Verlustanalyse und Schnittstelle zur thermischen Simulation

Als Kupfer- oder Wicklungsverluste werden alle in der Wicklung einer elektrischen Maschine auftretenden Stromwärmeverluste bezeichnet. Diese resultieren aus dem spezifischen Widerstand und den geometrischen Abmessungen des stromdurchflossenen Materials, sowie der anliegenden Stromstärke. Je nach Maschinentyp variiert die Art und Anzahl der Wicklungen. Stromwärmeverluste in notwendigen Anschlussleitungen werden im Allgemeinen auch als Kupferverluste bezeichnet und müssen in der Verlustbilanz berücksichtigt werden. In der Praxis werden die Kupferverluste oft hinsichtlich ihres Entstehungsortes unterschieden.

David Bauer

3. Erneuerbare Energien

Erneuerbare Energien leisten einen stark wachsenden Beitrag zur Energieversorgung in Deutschland. Dies gilt insbesondere für die Stromerzeugung. 2017 waren die erneuerbaren Energien bereits mit 36,2 % an der Deckung des Brutto-Stromverbrauchs beteiligt. Damit hat sich der Anteil der erneuerbaren Energien am Brutto-Stromverbrauch seit dem Jahr 2000 mehr als verfünffacht. Zentrale Bedeutung für die Entwicklung kommt dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) zu, das im Jahr 2000 erstmals in Kraft trat und seitdem zahlreiche Novellierungen durchlaufen hat. Die mit dem EEG verbundenen Verteilungseffekte werden ebenso thematisiert wie die mit der Integration vor allem von Wind- und Solarenergie in die Stromversorgung verbundenen Herausforderungen. Auch im Wärmemarkt und im Verkehrssektor sollen die erneuerbaren Energien künftig einen vergrößerten Stellenwert bekommen. Eine wichtige Rolle soll dabei die Sektorenkopplung spielen, also die verstärkte Nutzung von erneuerbar erzeugtem Strom im Gebäude- und im Transportbereich.

Hans-Wilhelm Schiffer

7. Perspektiven der Energieversorgung

Bei der quantitativen Darlegung künftiger Entwicklungspfade ist zwischen Szenarien und Prognosen zu unterscheiden. Deren Charakteristika und Ausprägungsformen werden dargelegt. Konkret werden die Ergebnisse der zum Jahresbeginn 2018 im Auftrag des Bundesverbandes der deutschen Industrie (BDI) vorgelegten Studie Klimapfade für Deutschland vorgestellt – als aktuelles Beispiel für eine umfassende Szenarien-Studie. Außerdem wird die Energieprognose für Deutschland von ExxonMobil, die das Unternehmen im März 2018 veröffentlicht hatte, präsentiert. Die Zeithorizonte der beiden Studien reichen bis 2050 (BDI) bzw. 2040 (ExxonMobil).

Hans-Wilhelm Schiffer

8. Energiepolitik auf Bundesebene

Die Energieprogramme und programmatischen Aussagen zur Energie- und Klimapolitik, seit 1973 von den verschiedenen Regierungskoalitionen auf Bundesebene veröffentlicht, werden – einschließlich des Koalitionsvertrages der Großen Koalition vom 14. März 2018 – skizziert. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Darstellung der 2010/2011 in Deutschland eingeleiteten Energiewende dar. Zentrale Eckpunkte dieser Energiewende sind der Ausstieg aus der Kernenergie bis Ende 2022 sowie ambitionierte Ziele zur Verbesserung der Energieeffizienz, zum Ausbau der erneuerbaren Energien und zur Minderung der Treibhausgas-Emissionen. Als Fazit wird eine Bewertung zur Energiepolitik der vergangenen Jahrzehnte und zur Energiewende vorgenommen, die Handlungsempfehlungen einbezieht.

Hans-Wilhelm Schiffer

2. Struktur der einzelnen Energie-Teilmärkte

Die deutsche Energiewirtschaft ist privatwirtschaftlich organisiert. Kennzeichen ist die pluralistische Struktur. Keine Branche gleicht der anderen. Vielmehr weisen die einzelnen Zweige der Energiewirtschaft verschiedenartige technische und wirtschaftliche Besonderheiten auf. Die Unternehmensstrukturen auf den Märkten für Mineralöl, Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Elektrizität werden dargestellt. Das Aufkommen und die Verwendung der auf diesen Märkten angebotenen Erzeugnisse werden in einer Vielzahl von Abbildungen und Tabellen veranschaulicht. Dies erfolgt unter Differenzierung nach den jeweils relevanten Wertschöpfungsstufen. Ferner wird die Entwicklung der Rahmenbedingungen aufgezeigt, die zu den gegenwärtig bestehenden sehr unterschiedlichen Strukturen geführt haben.

Hans-Wilhelm Schiffer

Kapitel 2. Das Umfeld

Wer heute eine Ausbildung beginnt, kann sich nicht sicher sein, die nächsten 40 Jahre in diesem Beruf arbeiten zu können. Die Digitalisierung beschert uns völlig neue Steuerungsprozesse und Wirkmechanismen, Roboter übernehmen mehr und mehr Tätigkeiten und sind längst nicht mehr nur in Produktionsprozessen eingesetzt. In wenigen Jahren werden alltägliche Gewohnheiten von Apps und Datentransfers abgelöst und wahrscheinlich gibt es in absehbarer Zeit keinen Bargeldverkehr mehr, weil man mit dem Smartphone bezahlt. Autonomes Fahren und Elektromobilität verdrängen das klassische Auto als Statussymbol. Es gilt, sich mit den Übergängen vertraut zu machen, um nicht von der gigantischen Veränderungswelle überrollt zu werden. Teilzeit-Führung ist also weniger eine abstrakte Idee, als vielmehr die Gestaltung des Übergangs in eine völlig neue Arbeitswelt.

Silke Katterbach, Kerstin Stöver

4. Daten von Ländern Europas und Eurasiens

Die Daten und wichtigste Kennzahlen der Schweiz, Österreichs und der bevölkerungsreichsten Länder Europas und Eurasiens werden dargelegt.

Valentin Crastan

Szenarien der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen zukünftiger Pkw-Antriebe

Verbrennungskraftmaschinen in Pkw-Antrieben haben in den letzten hundert Jahren einen stetigen Wandel in ihren technischen Eigenschaften erlebt. Vom einfachen Zweiventilmotor bis zu aufwendigen Motoren mit Mehrventiltechnik war das primäre Ziel der Entwicklungsabteilungen die Leistung der Motoren zu steigern. Dabei kommen die unterschiedlichsten leistungssteigernden Maßnahmen zum Einsatz.

Klaus Fuoss, Eric Jacobs, Wilhelm Hannibal

Kapitel 6. Ökologische Betrachtung des Peer-to-Peer Sharing

In diesem Kapitel wird die Frage nach der ökologischen Nachhaltigkeit von Peer-to-Peer Sharing-Angeboten gestellt, die das Teilen über Plattformen im Internet vermitteln. Insbesondere wird die Annahme der allgemeinen ökologischen Nachhaltigkeit des Sharing hinterfragt. Das Nutzerverhalten wird basierend auf der tatsächlichen Nutzung der betrachteten Plattformen und mithilfe aktueller empirischer Informationen modelliert. So kann quantitativ erfasst werden, welche Umweltauswirkungen ein Konsumverhalten mit Peer-to-Peer Sharing für die Nutzer mit sich bringt und welche ökologischen Potenziale deutschlandweit bei einer verstärkten Nutzung von Sharing angenommen werden können.

Sabrina Ludmann

Kapitel 11. Zusammenfassung

Die kostenoptimale Auslegung der thermischen Eigenschaften in Elektrofahrzeugen ist durch Computersimulationen möglich und zeigt ungenutzte Potenziale von über 50 GE auf (1 GE ≈ 1$).

Michael Dobmann

Kapitel 5. Aufbau und thermische Belastung eines batterieelektrischen Fahrzeugs

Soll ein real existierendes Fahrzeug optimiert werden, reicht es nicht aus nur die physikalischen Zusammenhänge im Fahrzeug zu untersuchen. Auch die Materialien und Herstellungsschritte müssen mit betrachtet werden, um die Eignung der Parameter für eine Variation sicherzustellen. So müssen beispielsweise die physikalischen Grenzen der Parameter bei der Optimierung berücksichtigt werden.

Michael Dobmann

Kapitel 10. Diskussion der Resultate

Aus den Resultaten der Optimierung lassen sich neben der spezifischen optimalen Lösung für definierte Randbedingungen, Muster aus den Lösungen ableiten. Diese Muster können die Entwickler neuer Fahrzeuge dabei unterstützen aus der Vielzahl der Parameter die relevanten Parameter auszuwählen und vorauszulegen.

Michael Dobmann

Kapitel 1. Einleitung

Der automobilen Welt steht der größte Wandel in Ihrer mehr als 100 jährigen Geschichte bevor. Waren in der Vergangenheit die meisten Innovationen im Bereich der Fahrzeugentwicklung, -produktion und -vertrieb zu finden, so werden sich in Zukunft die Geschäftsmodelle und angebotenen Dienstleistungen und Produkte der heutigen Automobilproduzenten grundlegend verändern (33). Gleichzeitig stellen sich neue Mitbewerber wie Uber, Google und Apple auf, um die neuen Felder des automatisierten Fahrens, des vernetzten Fahrzeugs und der Mobilitätsdienstleistungen mitzugestalten und zu verändern.

Michael Dobmann

Kapitel 2. Optimierungsmethoden in der Fahrzeugentwicklung (Stand der Technik)

Die Bedeutung von numerischen Methoden zur Auslegung und Optimierung in der Fahrzeugentwicklung nimmt stetig zu. Der Bereich der Elektrotraktion stellt dabei keine Ausnahme dar, sondern erfordert aufgrund grundlegender technischer Änderungen gegenüber konventionellen Fahrzeugen, Werkzeuge zur gezielten Beschleunigung der Fahrzeugentwicklung. Gerade aufgrund der fehlenden Erfahrungswerte ist der Bereich der Elektrotraktion fürWissenschaftler und Ingenieure besonders interessant.

Michael Dobmann

Kapitel 2. Einkommensteuer

Die Einkommensteuer ist vielen Menschen besonders vertraut, da die Lohnsteuer einen Teil der Einkommensteuer ausmacht. Auch für die Staatsfinanzierung ist sie wichtig, da alleine über die Lohnsteuer bereits jährlich rund 200 Mrd. EUR in die Staatskasse fließen. Lesen Sie, nach welchem Konzept die Höhe der Einkommensteuer zu berechnen ist.

Stefan Georg

V2. Transformatoren und Wandler

Ein einfacher Transformator weist zwei Wicklungen (Primärwicklung 1 und Sekundärwicklung 2) auf, die magnetisch gekoppelt sind [1–3]. Er stellt damit einen umkehrbaren Vierpol dar. Aktive Teile des Transformators sind das Wicklungskupfer und das den magnetischen Fluss führende Eisen; je nach Aufbau spricht man vom Kern- oder Manteltransformator (Bild 1).Die magnetischen Eigenschaften werden durch die Induktivitäten L1, L2 der Wicklungen und durch die Gegeninduktivität M beschrieben. Fließen die Wicklungsströme i1, i2, so entstehen die mit der Primär- und Sekundärwicklung verketteten Flüsse (Gesamtflüsse): 1 $$\Psi_1=L_1 i_1+M i_2\:,\quad\Psi_2=L_2 i_2+M i_1\:.$$ Ψ 1 = L 1 i 1 + M i 2 , Ψ 2 = L 2 i 2 + M i 1 . Der Grad der magnetischen Kopplung äußert sich in dem Streukoeffizienten 2 $$\sigma=1-\frac{M^2}{L_1 L_2}\:.$$ σ = 1 - M 2 L 1 L 2 . Außerdem weisen die Wicklungen die ohmschen Widerstände R1, R2 auf. Dem Transformator lässt sich ein Ersatzschaltbild nach Bild 2 a zuordnen. Das Verhalten im eingeschwungenen Zustand bei sinusförmigen Klemmengrößen der Kreisfrequenz ω wird dann beschrieben durch die Spannungsgleichungen 3 $$\begin{aligned} & \underline{U}_1=(R_1+\mathrm{j}\omega L_1)\;\underline{I}_1 +\mathrm{j}\omega M\underline{I}_2\:,\\ & \underline{U}_2=\mathrm{j}\omega M \underline{I}_1 +(R_2+\mathrm{j}\omega L_2)\;\underline{I}_2\:.\end{aligned}$$ U ¯ 1 = ( R 1 + j ω L 1 ) I ¯ 1 + j ω M I ¯ 2 , U ¯ 2 = j ω M I ¯ 1 + ( R 2 + j ω L 2 ) I ¯ 2 .

Prof. Dr.-Ing. Wilfried Hofmann, Prof. Dr.-Ing. Manfred Stiebler

V5. Elektrische Antriebstechnik

Antriebe sollen in geeigneter Form die Energie für technische Bewegungs‐ und Stellvorgänge liefern. Die anzutreibenden Arbeitsmaschinen sind hauptsächlich Werkzeugmaschinen (s. T1.2, T4, T5), Aufzüge, Krananlagen, Fördereinrichtungen, Pumpen, Lüfter, Kompressoren, Walzanlagen, Kalander, Ventile, Schieber, Positioniereinrichtungen, Roboter (s. T1.2 und T7.2). Dazu kommen Fahrzeugantriebe für Schienenfahrzeuge [15] und für elektrisch angetriebene Straßenfahrzeuge [16, 17].Für den Antrieb bestehen dabei folgende Aufgaben: Bereitstellung von Drehmomenten (Kräften) und Winkelgeschwindigkeiten (Geschwindigkeiten) in Anpassung an die Arbeitsmaschine bzw. den technologischen Prozess, Sicherstellung eines nach den Kriterien des Prozesses möglichst optimalen zeitlichen Bewegungsablaufs und Durchführung der elektromechanischen Energiewandlung mit möglichst geringen Verlusten. Als Antriebsmotoren kommen alle in V3 genannten rotierenden Maschinen (Asynchron‑, Synchron‐ und Gleichstrommaschinen sowie ihre Sonderbauformen) in Frage. Für manche Zwecke werden auch Linearmotoren eingesetzt.

Prof. Dr.-Ing. Wilfried Hofmann, Prof. Dr.-Ing. Manfred Stiebler

L4. Verteilen und Speicherung von Nutzenergie

Neben den leitungsgebundenen Energien von Erdgas, Strom und Fernwärme spielen die Primärenergietransporte von Kohle und Öl eine bedeutende Rolle. Für den Ausbau der Energietransportsysteme sind entscheidend die Lage heimischer Energievorkommen, die Importabhängigkeit und die dazu räumlich sich ergebenden Verbraucherschwerpunkte. Für den wirtschaftlichen Transport spielt die Entfernung die entscheidende Rolle.Flüssige und gasförmige Brennstoffe und Fernwärme werden in Stahlrohren bis zu 1420 mm Durchmesser bei einem Druck bis zu 75 bar transportiert [1]. Stahlrohre sind gegen Korrosionen zu schützen, da bei Erdverlegung Sauerstoff und Säuren im Boden vorhanden sind, die das Rohrmaterial angreifen. Beim Gastransport kann es auch auf der Innenseite zu Korrosionen durch ausfallende feuchte Stoffe kommen. Unzulässige Betriebszustände sollen durch Schnellauslösung selbsttätig zur Abschaltung der Anlage und Meldung an die Betriebszentrale führen. Alle elektrischen Anlageteile und Betriebsmittel sind „explosionsgeschützt“ zu installieren.Während die Kohle auf dem Wasser‐ und Schienenweg transportiert wird, wird das Mineralöl vielfach in Komponentenpipelines von den Seehäfen zu den Raffinerien transportiert.Die Rohölversorgung der deutschen Raffinerien per Rohrleitung erfolgt zum größten Teil über deutsche Häfen sowie über Rotterdam, Antwerpen und über die Häfen Genua und Triest.

Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever, Kathrin Hoffmann

Zukünftige Traktionsmotoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Bosch stellt in diesem Beitrag die nächste Generation Traktionsmotoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge vor, die die Bedürfnisse des künftigen Marktes mit einem intelligenten modularen Baukastenansatz abdecken wird. Der modulare Baukasten bedient alle Anforderungen von modernen elektrischen Achsen und elektrifizierten Doppelkupplungsgetrieben bis hin zu CVT- und PowerSplit-Getrieben. Es wird ein Leistungsbereich von 15 kW bei 48 Volt bis hin zu 310 kW bei Hochvolt abgedeckt und das bei Drehmomenten von 30 Nm bis 640 Nm. Der Baukasten umfasst sowohl magnetfreie als auch als permanentmagnetbehaftete Lösungen. Durch einfache Kombination der Grundelemente lassen sich damit Stand-Alone-Konzepte, beispielsweise auf Basis von Mantelkühlung, mit getriebeintegrierten, ölgekühlten Konzepten kombinieren. Der Baukasten zeichnet sich durch eine sehr hohe Baugrößenflexibilität aus, die auf eine innovative, höchst flexible Fertigungstechnologie aufbaut und durch die Kombination mit einem intelligenten Freigabe- und Erprobungskonzept auch geringe Stückzahlen höchst wirtschaftlich darstellen kann. Insgesamt gelingt es damit, jedem Kunden individuell die beste maßgeschneiderte Maschine sehr wirtschaftlich zur Verfügung zu stellen.

Ingo Ramesohl, Oliver Eckert, Martin Braun, Tibor Murtiner, Kiriakos Karampatziakis

MAHLE Range Extender Motorenfamilie

Der Schwerpunkt der Entwicklung in der Automobilindustrie liegt auf der Absenkung des CO2 Ausstoßes der Fahrzeuge. Da Elektrofahrzeuge (engl. EV´s, electric vehicles) während des Betriebs lokal keine Emissionen produzieren und sich potentiell auf Energie aus erneuerbaren Quellen stützen können, sind sie derzeit Gegenstand großen Interesses. Jedoch ist aufgrund des derzeitigen Stands der Batterietechnik die Gesamtreichweite solcher Fahrzeuge begrenzt. Fahrzeuge mit einem (sog.) „Range Extender“ (engl. Range Extended Electric Vehicles, REEVs) und Plug-in-Hybridantrieben überwinden viele der Unzulänglichkeiten von batterieelektrischen Elektrofahrzeugen.

Bernd Mahr, Mike Bassett, Marco Warth

48 V Elektrifizierung - bezahlbare Hybridisierung mit hohem Kundennutzen

Es gibt bereits verschiedene Elektrifizierungstechnologien für den Fahrzeugantrieb auf dem Markt, mit unterschiedlichen CO2-Potenzialen und unterschiedlichen Kostenniveaus. Es wird für jeden Automobilhersteller wichtig sein, den richtigen Technologiemix zu finden, um bei CO2 und Kosten das Optimum zu erzielen.

Carsten Götte, Friedrich Graf, Bernhard Klein

6. Querschnittstechnologien

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Querschnittstechnologien und ihre größten Einsparungspotenziale beschrieben. Dabei ist es wichtig, die Vor- und Nachteile der jeweiligen Technologie möglichst genau zu kennen und unterscheiden zu können. Nur in Kenntnis der Ausgangssituation und aller sinnvollen, praktikablen Alternativen lassen sich lohnende und tragfähige Energiesparmaßnahmen oder Umrüstungen umsetzen. Manche weitläufige Fehlannahme könnte sonst teuer zu stehen kommen und Sparambitionen monetär wie energetisch konterkarieren.In Unternehmen gibt es mannigfaltige Querschnittstechnologien zu betrachten und auf Verbesserungspotenziale hin zu prüfen. Checklisten helfen dabei möglichst strukturiert und vollumfänglich vorzugehen.

Jörg Philipp Eric Petermann

9. Smart Spaces

Das Kapitel zeigt am Beispiel des Unternehmens SAP®, wie Nachhaltigkeit in einem der zentralsten Themen, der Elektromobilität, gelebt und weiterentwickelt werden kann. Suchen Interessensgruppen und von Nachhaltigkeit geprägte politische Entscheider händeringend nach den richtigen Ansätzen, das Bewusstsein für Nachhaltigkeit in der Bevölkerung zu schärfen und der Elektromobilität mehr Akzeptanz zu verschaffen, setzen Unternehmen dies längstens um. Der Vision der Klimaneutralität wird zum einen über managementseitige Vorgaben, einer an Mitarbeiterbedürfnissen ausgerichteten Firmenwagenregelung und den dazugehörigen infrastrukturellen Maßnahmen Rechnung getragen. Von größerer Tragweite ist die Entscheidung, sich in Kooperationen mit Kunden und Geschäftspartner zukünftig als Mobilitätsanbieter zu präsentieren!

Barbara Flügge, Christof Walter

7. Nachhaltigkeit auf x Rädern

Dem Anspruch an nachhaltige Mobilität würden so manche Verkehrsmittelanbieter gerne gerecht werden. Doch was es neben technologischen Innovationen mehr denn je braucht, sind die Bereitschaft, sich organisatorisch auf Mobility-as-a-Service einzulassen und der Wille, sich mit Wettbewerbern und Geschäftspartnern zusammen und gemeinsam auseinanderzusetzen. Das Beispiel Green Class zeigt, wie es gehen kann. Es zeigt aber auch, dass sich die Frage nach Umsetzung (noch) nicht für jedermann lösen lässt. Es bedarf finanzieller wie infrastruktureller Mittel und eine Offenheit in politischen Gremien, sich innovativer Konzepte ohne einen bereits existierenden administrativen Unterbau anzunehmen.

Barbara Flügge

2. Software im Fahrzeug

Software ist ein Konstrukt, das von jedem Standpunkt der Betrachtung aus ein wenig anders aussieht oder wahrgenommen wird. Sie war schon da, bevor der Begriff präzisiert oder definiert wurde. Viele Kunden, Praktiker und Programmierer sehen die Software als Umsetzung von Funktionalität auf PCs, in IT‐Systemen, auf Smartphones oder bereits in eingebetteten Systemen, also Steuergeräten. Physiker sehen Software als Strom im Silizium oder historisch als Löcher in Pappkarten.Extremer gefasst sehen Skeptiker Software als großes schwarzes alles erdrückendes Etwas oder als notwendiges Übel ohne Wertschöpfung in einer mechanisch orientierten Automobilindustrie, die immer noch nach Stücklisten von Bauteilen montiert. Andere sehen in der Software den Heilsbringer der Digitalisierung als Umsetzung der Anforderungen, ohne konkrete Vorstellungen über jegliche Aspekte von Software im Fahrzeug zu haben. Jeder mag seine eigene Sicht auf Software haben, die sich oft aus den genannten Aspekten zusammensetzt und selten völlig wertfrei ist.

Prof. Dr.-Ing. Fabian Wolf

Ehrlich weiter: Auf der Suche nach den Menschen

Wo es viele Worte gibt, wird ein Thema oft nicht ernst genommen und somit Wesentliches verdeckt. „Tun – nicht nur reden!“ ist das Credo des Unternehmers und Autors Werner Neumüller, der sein unternehmerisches Handeln auch als soziale Aufgabe versteht. Der Beitrag widmet sich den Quellen seiner Motivation, reflektiert wichtige Aspekte seiner Lebensgeschichte, hinterfragt den Akademisierungstrend in Deutschland, zeigt Möglichkeiten anderer chancenreicher Bildungs- und Karrierewege und widmet sich den passenden Bedingungen, damit sich bestimmte Fähigkeiten wie Pragmatismus, Entscheidungsfreude, Fleiß und Reflexionsvermögen, Resilienz und Gemeinschaftsgefühl nachhaltig entfalten können. Kerngeschäft des inhabergeführten, mittelständischen Familienunternehmens Neumüller Ingenieurbüro GmbH ist die Rekrutierungsunterstützung im Kundenauftrag über die Personaldienstleistung. Gezeigt wird in diesem Kontext, dass der eigene Gemeinwohlbeitrag und seine Kommunikation heute wesentliche zusätzliche Argumente im Marketing, Vertrieb und der Arbeitgeberattraktivität sind.

Werner Neumüller

Nicht alles auf eine Karte setzen: Verkehrswende technologieoffen gestalten

Im Zuge des Dieselskandals ist in Deutschland eine Debatte über die Zukunft des Verkehrssektors entbrannt. Klar ist, dass eine substanzielle Reduktion der verkehrsbedingten CO2-Emissionen nur durch eine Abkehr von klassischen Benzin- und Dieselmotoren erreicht werden kann. Vor diesem Hintergrund gewinnt das Konzept einer Vollelektrifizierung des Straßenverkehrs zunehmend Anhänger. Doch eine voreilige Festlegung auf E-Mobilität als einzige Option für die Verkehrswende und – damit verbunden – auf eine bestimmte Art der Kopplung von Elektrizitäts- und Mobilitätssektor, ist sowohl aus Klimaschutzgründen als auch aus volkswirtschaftlichen Erwägungen problematisch.

Constantin H. Alsheimer

Maßnahmen der Stadt Ortenberg zur Energieeinsparung

Ortenberg liegt in mitten der Natur im Wetteraukreis, eine Marathonstrecke nordöstlich von Frankfurt/Main entfernt.Hier wohnen 9.100 Menschen verteilt in 10 Ortsteilen. Das entspricht = 164 EW/m2. Zum Vergleich: Viernheim Bevölkerung: 32.526 (30. Juni 2009) = 672 EW / km2

Pia Heidenreich-Herrmann

ENTEGA – Wegbereiter der Energiewende

Die Völkergemeinschaft hat (endlich) auf den Klimawandel reagiert: Mit der Pariser Vereinbarung verpflichten sich erstmals nahezu alle Länder zum Klimaschutz. Der Vertrag gibt das Ziel vor, die durch anthropogene Treibhausgase beschleunigte Erderwärmung auf deutlich unter 2 Grad zu begrenzen. Die 195 Länder wollen sogar versuchen, unter 1,5 Grad zu bleiben. Langfristig sollen nicht mehr Treibhausgase ausgestoßen werden, als durch Senken (wie beispielsweise Wälder) wieder aufgenommen werden können. Der Vertragstext wird weltweit als starkes Signal zur Abkehr von den fossilen Energieträgern Kohle, Öl und Gas gewertet.

Daria Hassan, Marcel Wolsing

1. Wege zum eigenen Unternehmen

Der Weg zum eigenen Unternehmen hat grundsätzlich zwei Ausgangspunkte: Zum einen ist es der Wunsch nach Selbstständigkeit, zum anderen ist eine vielversprechende Geschäftsidee. Aber erst deren zweckmäßige Verbindung in einem Unternehmen führt (meistens) zum gewünschten Erfolg. Dabei ist es unerheblich, was zuerst entstand und reifte, die Idee oder der Wunsch nach Selbstständigkeit. Häufig gehen beide Aspekte Hand in Hand und befruchten/fördern sich wechselseitig.Der Gründungsprozess kann in zwei Phasen unterteilt werden: der Vorbereitungs- oder Planungsphase, in der eine Marktanalyse und darauf aufbauend die Marketingplanung erfolgt sowie die Realisierungsphase, mit dem konkreten Aufbau oder Erwerb und der Einrichtung eines Betriebes mit all seinen technischen, rechtlichen und steuerlichen Aspekten und schließlich den Markteintritt.

Dr. Rudolf Schinnerl

Kapitel 1. Einleitung und Motivation

Der Wunsch nach individueller Mobilität führt auf den Straßen Deutschlands und Europas zu einem stetig steigenden Verkehrsaufkommen. Besonders in Ballungsgebieten wird bis zum Jahr 2020 eine Zunahme der Gesamtfahrleistung von bis zu 20 % prognostiziert [1]. Mit ansteigendem Verkehrsaufkommen in urbanen Gebieten steigt unter anderem das Potential für Verkehrsunfälle mit Fußgängerbeteiligung an. Im Jahr 2011 war erstmals seit 1991 wieder eine Zunahme von Unfällen mit Fußgängerbeteiligung zu verzeichnen [2].

Thomas Rothermel

4. Planung klimagerechter Fabriken

Eine klimagerechte Fabrik ist eine Fabrik, die sowohl robust gegenüber Klimaveränderungen und somit resilient ist, als auch wenig bis keinen negativen Einfluss auf das Klima hat. Zur Untersuchung der Fabrik werden dazu verschiedene Teilaspekte betrachtet. Unter dem Aspekt der Vulnerabilität wird auf Grundlage der Auswertungen verschiedener Organisationen eine Kategorisierung der Klimarisiken in Physische Risiken, Infrastrukturelle Risiken, Wettbewerbs- und Reputationsrisiken sowie regulative Risiken durchgeführt. Nachfolgend werden die Auswirkungen verschiedener Wettereignisse, welche durch den Klimawandel verstärkt auftreten, analysiert. Diese werden im Einzelnen definiert und ihre Relevanz hervorgehoben, geeignete Messmöglichkeiten aufgezeigt, die Auswirkungen auf die Fabrik analysiert und mögliche Schutzmaßnahmen vorgestellt. Unter dem Teilaspekt der Mitigation wird die Klimawirksamkeit produzierender Unternehmen und Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs eingeführt. Darauf folgend werden Adaptions- und Anpassungsstrategien vorgestellt um zukünftig auf das veränderte Klima reagieren zu können. Abschließend wird am Praxisbeispiel VW Chemnitz die Umsetzung verschiedener Maßnahmen, um den Auswirkungen des Klimawandels zu begegnen, gezeigt.

Uwe Dombrowski, Anne Reimer, Stefan Ernst, Nicolas Rohde

The Importance of Recyclability for the Environmental Performance of Battery Systems

While several studies about the environmental impacts of batteries exist, the end-of-life stage is often disregarded and the relevance of battery reuse or recycling not quantified. However, the end-of-life phase of battery storage systems is highly relevant for their overall environmental performance. In order to quantify this relevance, we extend existing LCA studies by an end-of life model and assess the influence of battery recycling for the life cycle impact of three different battery types. These include a lithium-ion battery (LIB), a vanadium-redox-flow battery (VRFB) and an aqueous hybrid ion battery (AHIB), all for stationary energy storage services (renewable support). The results show that a high recyclability can improve the environmental performance of the batteries over their life cycle significantly. This underlines the need for a design for recyclability of batteries for minimising environmental impacts of battery systems and the corresponding loss of valuable resources.

Jens F. Peters, Manuel Baumann, Marcel Weil

33. Nachhaltige Produktion – Emissionen vermeiden, Ressourcen schonen

Nachhaltigkeit im weiteren Sinne ist ein Handlungsprinzip zur Nutzung natürlicher Ressourcen, bei dem das jeweilige System dauerhaft bewahrt wird. Dabei werden die Stabilität und die natürliche Regenerationsfähigkeit der Ressourcen genutzt und erhalten.

H. Peter Degischer, Thomas Albert Fechter

5. Hochenergiebatterien nach Lithium-Ion

Wiederaufladbare Batterien mit spezifischen Energien jenseits der 200 Wh kg−1 und herausragenden Leistungsdichten sollen die heutige Lithiumionen-Technologie in den nächsten Jahrzehnten ablösen. Manche Forschungsansätze reichen in die Zeit der Ölkrise in den 1970er und 1980er Jahren zurück. Das Kapitel beschreibt visionäre Konzepte von Metallionen- und Metall-Luft-Batterien, bis hin zu Festkörpertechnologien und Anionen-Batterien. Vor- und Nachteile werden im Hinblick auf eine baldige Nutzung in Speichersystemen abgewogen.

Prof. Dr. Peter Kurzweil

6. Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien, auch Fluss- oder Flüssigbatterien oder „Redoxbrennstoffzellen“ genannt, sind galvanische Speicher mit löslichen Reagentien. Das Kapitel beleuchtet den Stand der Technik: Zellchemie, Materialien, technische Eigenschaften, technologische Herausforderungen und Visionen.

Prof. Dr. Peter Kurzweil

4. Traktions- und Speicherbatterien: Blei, Nickel, Natrium

Blei-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und Natrium-Schwefel-Akkumulatoren werden seit den 1980er Jahren in dezentralen Speicheranwendungen eingesetzt: für die Energiebereitstellung (engl. dispatching power) unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung, die kurzzeitige Netzüberbrückung (engl. bridging power) bei der Nutzung erneuerbarer Energien und als Reserveleistung von Kraftwerken (engl. spinning reserve) und die Netzstabilisierung (engl. stabilizing power) Das Kapitel fasst den Stand der Technik herkömmlicher Batterien für Speicheranwendungen zusammen: Zellchemie, Materialien, Eigenschaften und Schwachstellen, Leistungsdaten und Anwendungsbeispiele.

Prof. Dr. Peter Kurzweil

3. Lithiumionen-Batterien

Lithiumbatterien gelten als Stand der Technik für vielfältige portable Anwendungen bis hin zu Elektroantrieben. Wiederaufladbare Lithiumionen-Akkumulatoren, engl. secondary batteries, unterscheiden sich von den nicht wiederverwendbaren Primärbatterien. Dennoch wird Begriff „Lithiumbatterie“ für Akkumulatoren gebraucht. Das Kapitel beleuchtet den Stand der Technik von den heutigen Materialien, Technologien und Herstellverfahren bis zur jüngsten Forschung. Betriebsverhalten, Alterung, messtechnische Überwachung und Modellierung von Lithiumionen-Batterien wird eingehend betrachtet.

Prof. Dr. Peter Kurzweil

Umweltproduktrecht

Produktbezogene Regelungen zum Zwecke des Umweltschutzes stellen Beschaffenheitsanforderungen an Produkte, durch welche deren Auswirkungen auf die Umwelt verringert werden sollen. Die Beschaffenheitsanforderungen können die Umweltfreundlichkeit der Produkte in jeder Phase des Produktlebenszyklus, also „von der Wiege bis zur Bahre“ betreffen: Stoffregelungen und recyclinggerechtes Konstruieren (REACH, RoHS / ElektroStoffV, ELV-Richtlinie, BattG), Emissionsregelungen (Outdoor-Richtlinie, mobile Maschinen und NRMM-Motoren) und Energieeffizienz/-verbrauch (insbesondere Ökodesign-Richtlinie). Fürwahr gibt es im Recht des technischen Produkts kein allgemeines Umweltschutzgebot und trifft das Umweltproduktrecht immer nur punktuelle Regelungen zur Verkehrsfähigkeit des Produkts. Mithin ermangelt es dem europäischen Umweltproduktrecht an einem einheitlichen Rechtsrahmen im Sinne einer durchgängigen Regelungskonzeption. Insoweit unterscheidet sich das Umweltproduktrecht bereits konzeptionell vom Produktsicherheitsrecht. Die hier auf Unionsebene aufgestellten Instrumente stehen mehr oder weniger lose nebeneinander und lassen ein in sich abgestimmtes Ganzes vermissen. Die unterschiedlichen Regelungskonzeptionen zeigt das Kapitel „Umweltproduktrecht“ auf und stellt die einzelnen Regelwerke dar.

Matthias Bauer

Der Einfluss von Wirkungsgradverbesserungen im Antriebsstrang auf die Energieeffizienz des Gesamtfahrzeugs – elektrische und konventionelle Antriebssysteme im Vergleich

Aufgrund der weltweiten Bemühungen, den CO2- und Schadstoffausstoß zu reduzieren, sind die Automobilhersteller veranlasst, die Entwicklung effizienter Fahrzeuge verstärkt voranzutreiben. Die gestiegenen Anforderungen machen sich besonders an den Entwicklungstrends der letzten Jahre bemerkbar. Neben Maßnahmen, um den Kraftstoffverbrauch konventioneller Fahrzeuge zu reduzieren, wie z.B. Downsizing, Start/Stopp-Automatiken oder Disconnect-Systemen bei Allradfahrzeugen, gewannen elektrifizierte Fahrzeugkonzepte wie Hybrid- und Elektrofahrzeuge stark an Bedeutung.

Christoph Schmahl, Wolfgang Hildebrandt, Dirk Reith

Tagungsbericht

Am 21. und 22. November 2017 trafen sich mehr als 100 Experten zur 6. ATZ-Fachtagung „Reibungsminimierung im Antriebsstrang“ und diskutierten über aktuelle Entwicklungen und Herausforderungen auf diesem Gebiet.

Mathias Heerwagen

Kapitel 15. Zukunft 2050 – Technologietrends in der Ära von Industrie 4.0, Nachhaltigkeit und smarten Maschinen

Wir stehen vor einer Zeitenwende. Das Klima unseres Planeten ist bedroht, Rohstoffe werden knapp. Das Jahrhundert des Öls geht zu Ende, die Energieversorgung der Welt muss auf eine neue, nachhaltige Grundlage gestellt werden. 2050 werden fast so viele Menschen in Städten leben wie heute auf der ganzen Erde. Und es wird erstmals mehr Senioren geben als Kinder und Jugendliche. Zugleich beginnt die Ära der smarten Maschinen mit immer leistungsfähigeren Technologien der künstlichen Intelligenz. Das Smartphone war nur der Anfang: Smart Car, Smart Grid, Smart Factory, Smart Health und Smart Home prägen alle Lebensbereiche der Zukunft. Es geht um umweltfreundliche Energiesysteme, nachhaltige Mobilität, Industrie 4.0, also eine energiesparende, hoch automatisierte und flexible Fertigung, sowie intelligente Hilfen für eine immer älter werdende Bevölkerung.

Ulrich Eberl

Kapitel 2. Grundlagen zur Untersuchung von Verlustmechanismen im Verdichter

In den nachstehenden Abschnitten werden zunächst die Anlagenverschaltung für typische Pkw-Klimaanlagen und aussichtsreiche Verdichterbauarten für die Verwendung des Kältemittels CO2 aufgezeigt. Anschließend werden auf Basis der Charakteristik eines halbhermetischen, elektrisch angetriebenen Axialkolbenverdichters in Taumelscheibenbauweise relevante Verlustmechanismen identifiziert und die wesentlichen Einflussgrößen beschrieben. Es werden am Ende des Kapitels geeignete Verdichter-Bewertungskenngrößen für die Leistungsbewertung von elektrisch angetriebenen Verdichtern formuliert.

Michael König

1. Einführung, Begriffsbestimmungen

Die Betriebsplanung des öffentlichen Personennahverkehrs ist ein komplexes und umfassendes Arbeitsgebiet. In diesem einführenden Kapitel werden die drei diesen Begriff konstituierenden Teilbegriffe präzisiert. Dies schafft grundlegendes Verständnis für die folgenden Kapitel dieses Buches. Dieses einführende Kapitel beginnt mit einer Abgrenzung des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) gegenüber anderen Verkehrsarten. Im weiteren Verlauf wird erläutert, welche unternehmerischen Teilprozesse unter dem Betrieb eines Verkehrssystems subsummiert werden. Diese Teilprozesse werden selbst zum Planungsgegenstand dedizierter Planungsaktivitäten.

Dr.-Ing. Lars Schnieder

1. Einführung in die Elektromobilität – Kritische Infrastrukturen und Sektorenkopplung

Mit der erheblichen weltweiten Steigerung der Lebensqualität in den letzten Jahren ist auch die Abhängigkeit des Menschen von technischen Infrastrukturen und deren Teilsystemen gestiegen. Neben den Sektoren Energie und Transport/Verkehr zählen auch Informationstechnik und Telekommunikation sowie die Wasserversorgung zu den überlebensnotwendigen technischen Basisinfrastrukturen. Betrachtet man die Tendenzen, bei der Entwicklung der in diesem Buch behandelten drei kritischen Infrastrukturen, Strom (besonders aus regenerativen Energien), Verkehr/Transport und IKT zusammengenommen, so stellt man einige Trends fest, die unmittelbar zu einem konsequenten Zusammenwachsen dieser Sektoren führen werden. Um die Konvergenz der Sektoren, und damit auch die Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems zu erzielen, müssen die gekoppelten Systeme einschließlich IKT von vornherein gezielt und angepasst geplant werden. In diesem Kapiteln werden die kritischen Infrastrukturen vorgestellt und weiterhin als gekoppeltes System definiert.

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

3. Elektrische Komponenten des E-Kfz

Dieses Kapitel ist den elektrotechnischen Grundlagen der elektrischen Komponenten im E-Kfz gewidmet. Zentrale Elemente eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs sind die Traktionsbatterie und der Antrieb. Mit der Batterie sind mehrere Umrichter verbunden, über welche die Verbraucher mit elektrischer Energie unterschiedlicher Spannung versorgt und gesteuert werden. Im Elektrofahrzeug existieren zwei bzw. drei verschiedene Bordnetzspannungen. Dies ist notwendig, da die Verbraucher große Unterschiede in ihrer Leistungsaufnahme aufweisen. Nach der Beschreibung des Antriebsdesigns werden in diesem Kapitel unterschiedliche Ladetechniken besprochen. Eine wichtige Rolle spielt in Bordnetzen des E-Kfz die Leistungselektronik. Deswegen wird im Weiteren in wichtige Komponenten und Schaltungen der Leistungselektronik eingeführt und diese erläutert. Dem folgt die Beschreibung von elektrischen Maschinen, die als Antrieb im E-Kfz zum Einsatz kommen. Vor- und Nachteile unterschiedlicher Batteriesysteme, sowie auch der Energiespeicher werden diskutiert. Im letzten Teil dieses Kapitels werden die Grundlagen der Brennstoffzellentechnik dargelegt, die auch innerhalb von E-Kfz angewendet werden.

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

5. Elektromobilität als technisches System

Die Herausforderung im 21. Jahrhundert besteht darin, Elektrofahrzeuge in ein Gesamtsystem bestehend aus unterschiedlichen Infrastrukturen, wie Energie und Verkehr mit deren typischen unterschiedlichen Eigenschaften und Anforderungen, zu integrieren und technisch-wirtschaftlich sinnvoll mit diesem System interagieren zu lassen. Weitere Funktionalitäten und Dienstleistungen sollen darauf aufbauen können, die einerseits die Zuverlässigkeit der jeweiligen Struktur beibehalten bzw. sogar erhöhen und anderseits neue Geschäftsmodelle/Dienste ermöglichen. Zu diesen Diensten, die nur durch eine sektorübergreifende Kopplung realisierbar sind, gehören bspw. die Rückspeicherung der elektrischen Energie des E-Kfz ins Netz,Nach einer kurzen Beschreibung der Teilsysteme wird die Modellbeschreibung eines integrierten Mobilitätssystems angegangen. Dazu werden u. a. CIM-basierte Methoden vorgestellt und auf Basis von Ergebnissen aus dem BMWi Leuchtturm Projekt Harz.ErneuerbareEnergien-Mobility erläutert, wie man die Systemkomponenten mittels geeigneter Schnittstellen verbinden kann, um Konvergenzeffekte der Teilsysteme zu erreichen.

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

2. Physikalisch-technische Beschreibung des E-Kraftfahrzeugs

Eine der größten Herausforderungen bei der Substitution konventioneller Fahrzeuge durch batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (E-Kfz) sind die Reichweite und die lange Dauer des Ladevorgangs bei Batteriefahrzeugen. Eine Alternative hierzu stellen auch Brennstoffzellenfahrzeuge dar. Diese verfügen über einen elektrischen Antrieb, der seinen Fahrenergiebedarf aus einer Brennstoffzelle erhält.So werden in diesem Kapiteln folgende physikalische Grundlagen und technische Themen eines E-Kfz detailliert beschrieben: Antrieb und Antriebsstrang, Energiespeicher,Nebenverbraucher,Leistungsbedarf und Leistungsberechnung,

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

4. Standards und Rahmenbedingungen

Eine weitgehende Standardisierung der Systemkomponenten und der verwendeten IKT-Protokolle eines E-Kfz muss im internationalen Maßstab vorgenommen und abgeschlossen werden, bevor die Elektromobilität als ein kommerzielles Produkt den Massenmarkt adressieren kann. Erst dadurch werden die Grundlagen für eine erfolgreiche Sektorenkopplung gegeben. So werden in diesem Kapiteln die Normen aus den technischen Bereichen der Elektromobilität (u. a. Ladeinfrastruktur, Fahrzeugtechnik) systematisiert vorgestellt und notwendige weitere Entwicklungen in diesem Bereich besprochen. Die Gremien, die sich mit der Thematik Standardisierung im Bereich E-Kfz beschäftigen werden benannt und die zweckmäßige Verzahnung unterschiedlichen Normen werden erklärt. Eine Vielzahl von technischen Details wird mithilfe von Beispielen und Darstellungen erläutert.

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

Kapitel 2. Theorie und Konzeption

Realist Tale of the Field. Das Pharmaunternehmen Bayer und der Sportwagenhersteller Porsche kooperieren auf unterschiedliche Weise mit externen Partnern im Bereich der F&E. In Konsortien werden große und oftmals öffentlich geförderte Themen der Grundlagenforschung bearbeitet, wohingegen produktnahe Projekte meist in dyadischen Partnerschaften mit hochspezialisierten externen Unternehmen bearbeitet werden. Im OncoTrack-Konsortium kooperiert Bayer mit 20 weiteren Partnern zusammen an Methoden zur onkologischen Biomarker-Entwicklung. Mit dem deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) wird im Bereich neuartiger Krebstherapien geforscht und erste Schritte zur Entwicklung konkreter Medikamente unternommen. Und mit Janssen Pharma kooperiert Bayer in den letzten Entwicklungs- und Vermarktungsphasen bei der Entwicklung des Gerinnungshemmers Xarelto. Porsche kooperiert im E-Generation-Konsortium für die Weiterentwicklung von Schlüsseltechnologien für Elektrofahrzeuge.

Moritz Schellenberger

Open Access

Kapitel 12. Digitale Transformation am Beispiel der Automobilindustrie

Die Entstehung neuer Services durch digitale Innovationen bedrohen zunehmend existierende Geschäftsmodelle. In der Automobilindustrie werden technologische Trends wie selbstfahrende Autos, Konnektivität und Car-Sharing zahlreiche Möglichkeiten für neue Geschäftsmodelle eröffnen. Diese Technologien schaffen auch Möglichkeiten für innovative neue Marktteilnehmer, welche gerade dabei sind, die Automobilindustrie fundamental zu transformieren. Darum zeigt dieses Kapitel das bestehende Wertschöpfungsnetzwerk der Automobilindustrie basierend auf der e3-value-Modellierungsmethode. Grundlage für das Modell sind 15 generische Rollen und die Wertströme zwischen den Rollen, welche basierend auf den Crunchbase-Daten von 650 Unternehmen in der Automobilindustrie entwickelt wurden. Zur Validierung des Wertschöpfungsnetzwerks wurden fünf Interviews mit Industrieexperten durchgeführt. Die Ergebnisse verdeutlichen die zentrale Rolle von Mobilitätsdienstplattformen, Anbietern disruptiver Technologien und die Verschmelzung unterschiedlicher Branchen, beispielsweise da OEMs mit Anbietern mobiler Zahlungen kollaborieren. Praktiker können das Modell verwenden, um die Wertschöpfung der Automobilindustrie zu analysieren und um sich im Markt zu positionieren oder um mögliche disruptive Akteure und potentielle Geschäftspartner zu identifizieren.

Tobias Riasanow, Gabriela Galic, Markus Böhm, Helmut Krcmar

Kapitel 16. Digitalisierung in der Industrie

Der nachfolgende Beitrag beschäftigt sich mit den Herausforderungen und Chancen der Digitalisierung in der Industrie. Es werden die Treiber und Implikationen digitaler Trends erklärt sowie Strategien zum erfolgreichen Umgang mit dieser Transformation herausgearbeitet. Digitalisierung ist weit mehr als eine technologische Umwälzung. Vielmehr liefern digitale Technologien die Voraussetzungen für neue Geschäftsmodelle und die Art des Innovierens. Industrieunternehmen stehen damit einerseits vor großen Herausforderungen, weil traditionelle Prozesse und Denkweisen entwertet werden. Gleichzeitig bieten sich ihnen große Chancen, wenn sie ihre Stärken geschickt einsetzen. „Das Beste aus verschiedenen Welten kombinieren“ ist das Motto – die reale Welt der Hardware mit der virtuellen Welt der Software, die Größe eines etablierten Unternehmens mit der Agilität und Kreativität von Start-ups. Industrieunternehmen müssen dazu mehr wie Softwareunternehmen denken und handeln. Sie müssen in Plattformen investieren, digitale Ökosysteme kultivieren, service-orientierte Geschäftsmodelle entwickeln und agile Innovationsprozesse etablieren. Dann haben sie hervorragende Chancen, in einer digitalen Welt erfolgreich zu sein.

Sven Scheuble

Freizeitmobilität und -verkehr

Freizeit als entpflichtete Zeit ist meist mit einem Ortswechsel verbunden, der wiederum Verkehr – also Freizeitverkehr – verursacht. Es geht dabei sowohl um Freizeitverkehr im Alltag als auch um Verkehr, der durch Ausflüge, Kurztrips und Urlaub entsteht. Der folgende Beitrag befasst sich mit der Bedeutung des Freizeitverkehrs, den Problemen, die er verursacht, und zeigt Lösungsmöglichkeiten auf.

Konrad Götz, Melina Stein

Mobilität für morgen

Der Verkehr hat die Welt, in der wir leben, beeinflusst. Diese Auswirkungen beeinflussen nun, wie sich der Verkehr entwickelt und wie wir mobil sein werden. Nachhaltigkeit ist ein wichtiges Ziel bei der Umgestaltung unseres Verkehrssystems. Dieser Beitrag klärt, welche Möglichkeiten wir haben, unser Verkehrssystem nachhaltig zu gestalten, welchen Einfluss die Verkehrspolitik hat und wie ein nachhaltiges Verkehrssystem zukünftig aussehen könnte.

Rudolf Petersen, Sandra Reinert

Verkehr und Gesellschaft

Verkehrspolitik als Mobilitätsdesign

Ziel ist die Einführung in die wichtigsten Aspekte der sozialwissenschaftlichen Verkehrsforschung, insbesondere mit Blick auf die Frage der Verkehrsentstehung. Davon ausgehend wird Verkehrspolitik als Beitrag zum „Weltdesign“, als ein paradigmatischer Angriffspunkt einer gesamtkulturellen transformativen Praxis begriffen und in seinen Möglichkeiten und Grenzen diskutiert.

Stephan Rammler

4. Anwendungsbeispiele

Bei den nachfolgenden Praxisanwendungen stehen insbesondere die Nutzenansätze im Vordergrund, die sich durch Facility Management und den Einsatz von Informationstechnologie in den einzelnen Teilaufgaben ergeben. Der Schwerpunkt liegt auf Anwendungsbeispielen, die die Hauptaspekte des Facility Management im Sinne von Ganzheitlichkeit, Transparenz und Betrachtung des gesamten Lebenszyklus erläutern. Die Beispiele bieten nur eine Auswahl aus dem großen Anwendungsfeld des Facility Management. Sie sind bewusst so ausgewählt, dass sie für zahlreiche Unternehmen von Bedeutung sind.

Prof. Jens Nävy

Neue Mobilitätskonzepte – Eine konzeptionelle Analyse

Die Automobilindustrie, die durch politische, ökonomische, soziokulturelle und technologische Einflussfaktoren wesentlich geprägt wird, befindet sich in einer Phase der radikalen Transformation. Um den veränderten Bedingungen sowohl auf Nachfrager- als auch auf Angebotsseite Rechnung zu tragen, werden zunehmend neue Mobilitätskonzepte entwickelt, die einen zentralen Stellhebel für die Zukunftsfähigkeit von Automobilherstellern darstellen können. Entsprechend setzt sich dieser Beitrag mit zentralen Aspekten einer theoretisch-konzeptionellen Analyse von neuen Mobilitätskonzepten auseinander.

Matthias H. J. Gouthier, Carina Nennstiel

Service Navigator zur Umsetzung eines Crowdsourcing Ladedienstes für Elektromobilität als innovatives Geschäftsmodell

Der Beitrag präsentiert den Service Navigator als Instrument zur Realisierung eines Crowdsourcing Ladedienstes für Elektrofahrzeuge als innovatives Geschäftsmodell. Die Datenerhebung erfolgte über qualitative Experteninterviews. Dabei wurde ein Szenario-basiertes Vorgehen gewählt, weil das innovative Geschäftsmodell bislang noch nicht in die Praxis umgesetzt wurde. Die entwickelten Ansatzpunkte und plausibilitätsgestützten Wirkungshypothesen in den verschiedenen Entscheidungsbereichen ermöglichen es, die Anwendung des Service Navigators für ein Start-up eines CrowdStrom-Ladedienstes für Elektromobilität exemplarisch aufzuzeigen.

Margret Borchert, Anna Weiße, Sebastian Fronc

Kapitel 5. Praktische Anwendungen von Sound Branding

Im Rahmen der akustischen Markenführung stehen Unternehmen zahlreiche Kontaktpunkte, sogenannte „Brand Touch Points“, mit der Zielgruppe zur Verfügung. Dabei funktionieren einige Brand Touch Points ausschließlich auf akustischer Ebene, wie Radio und Telefon. Da die unterschiedlichen Kontaktpunkte mit der Marke nicht für jede Zielgruppe relevant sind, müssen diese markenspezifisch analysiert werden.

Paul Steiner

Kapitel 4. Ausgewählte Gestaltungsfelder des betrieblichen Treibhausgasmanagements

In Kapitel 4 werden ausgewählte konzeptionelle Elemente des betrieblichen Treibhausgasmanagements im Detail vorgestellt und diskutiert. Dazu zählen die Betroffenheitsanalyse, das strategische Treibhausgasmanagement, Maßnahmen im Rahmen der drei generellen Aufgaben des betrieblichen Treibhausgasmanagements und die Berichterstattung. Ziel ist es, Unternehmen damit eine fundierte Handhabe für eine erfolgs- und verantwortungsorientierte Entscheidungsfindung im Kontext des Klimawandels zur Verfügung zu stellen.

Stefanie Brinkel

CSR zwischen Freiwilligkeit und Regulierung – Erfahrungen aus der HARTING Technologiegruppe

Verantwortliches Handeln ist ein elementarer Bestandteil des Unternehmertums. Nur so gelingt es, Kunden und Mitarbeitende zu begeistern sowie Geschäftspartner und Lieferanten zu gewinnen und an sich zu binden. Doch nicht immer handeln Unternehmen entsprechend. Bedacht auf den eigenen, wenn oftmals auch kurzfristigen, Vorteil, werden die guten Geschäftssitten, Gesetze und Vorschriften wissentlich nicht eingehalten oder gebrochen. Um dieser Entwicklung Einhalt zu gebieten, wird als opportune Antwort insb. vonseiten einiger Nichtregierungsorganisationen (NGOs) eine stärkere Regulierung ins Feld geführt, ohne ausreichend über die Wirkungen zu diskutieren die damit auch auf die Unternehmen ausgehen, die schon heute der Wahrnehmung ihrer gesellschaftlichen Verantwortung nachkommen, wie der deutsche Mittelstand. In diesem Spannungsfeld zwischen freiwilligen Engagement und zunehmender Regulierung befindet sich auch das Familienunternehmen HARTING. Um zeitgleich den berechtigten Erwartungen der Stakeholder, insb. den Kunden, und zunehmenden Regulierungsansätzen gerecht zu werden, hat sich die Technologiegruppe für die externe Zertifizierung ihres CSR-Managementsystems, welches nach dem internationalen Leitfaden zur Wahrnehmung gesellschaftlicher Verantwortung ISO 26000 aufgebaut ist, entschieden. Dieser Weg erlaubt dem Unternehmen, zugleich Dritten Auskunft über ihre CSR-Aktivitäten zu geben und zeitgleich die eigene Handlungsfreiheit weiter im Sinne des Unternehmertums zu nutzen.

Gisela Eickhoff

1. Einleitung

Der Verbrennungsmotor hat in den letzten hundert Jahren als Antriebsaggregat für Land‐ und Wasserfahrzeuge, aber auch als Stationärmotor zum Antrieb von Arbeitsmaschinen und Generatoren eine weltweite Verbreitung gefunden und damit letztendlich die heutige Mobilität erst ermöglicht. Personen‐ und Nutzfahrzeuge werden überwiegend durch Otto‐ bzw. Dieselmotoren angetrieben. Der Otto‐ bzw. Benzinmotor geht auf Nikolaus August Otto und auf Gottlieb Daimler mit Wilhelm Maybach und damit auf die Jahre 1876 und 1886 zurück. Rudolf Diesel hat die Thermodynamik und die Konstruktion seines Dieselmotors in seinem Buch im Detail beschrieben (Diesel 1893). Im gleichen Jahr lief auch sein erster Versuchsmotor.Otto‐ und Dieselmotoren haben in den folgenden Jahren vielfältige Entwicklungsschritte erfahren; der Grundaufbau des Triebwerks und das Arbeitsprinzip sind jedoch gleich geblieben. Die Motoren sind mit der Zeit insbesondere leichter, kleiner oder größer, leistungsstärker, betriebssicherer aber technisch wesentlich aufwendiger und trotzdem kostengünstiger geworden. Wesentliche Fortschritte erfolgten in den vergangenen 30 Jahren durch die Erfüllung der vom Gesetzgeber schrittweise eingeführten Absenkung der Grenzwerte für die Schadstoffemissionen. Durch die Einführung von Hochdruck‐ und Common‐Rail‐Einspritzsystemen, ein‐ und zweistufiger Abgasturboaufladung sowie Downsizing und ‐speeding, um nur einige Schlagworte zu nennen, konnten der Brennstoffverbrauch, die Schadstoffemissionen und das Gewicht deutlich gesenkt und die Leistung wesentlich gesteigert werden.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker

14. Elektrifizierte Antriebssysteme

Eine möglichst kraftsparende Ortsveränderung und der damit verbundene Transport von Gütern und Personen war seit Beginn der Menschheit ein wesentliches Bedürfnis. Sehr früh wurde erkannt, dass dazu Transportmittel und Kraft‐ bzw. Antriebsquellen erforderlich waren. Je nach Transportaufgabe entwickelte sich daraus eine Vielzahl unterschiedlicher Symbiosen von Transportmitteln und Antriebssystemen.Heute ist der Verbrennungsmotor die dominierende Antriebsquelle. Das ist ein Ergebnis des aktuellen Stands der Entwicklung. Das war nicht immer so und muss in Zukunft auch nicht so bleiben. Der Verbrennungsmotor ist technologisch nur eine Möglichkeit von vielen, die wir heute als alternative Antriebe bezeichnen. Ein Motor allein ist auch noch kein Antriebssystem. Wie lange der Verbrennungsmotor eine wesentliche Antriebsquelle sein wird, hängt – neben vielen nicht technischen Randbedingungen – von der technologischen Entwicklung des Motors selbst und der Kombinationsfähigkeit mit anderen Antriebssystemen und Transportmitteln ab. Für einen zukunftsweisenden Weg des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, die Eigenschaften alternativer Antriebssysteme zu kennen und zu erkennen, aus welchen Gründen sich bestimmte Technologien durchgesetzt haben und andere nicht, und darauf abgestimmte Motoren zum Einsatz zu bringen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Peter Fischer, Dipl.-Ing. Stefan Neunteufel

15. Hybridantriebe und Range Extender

Die für unsere heutige individuelle Mobilität mit dem Automobil erforderliche Energie ist zu etwa 95 % fossiler Herkunft und dabei überwiegend erdölbasiert. Gleiches gilt für den Gütertransport auf Straße und Wasser sowie für den Betrieb mobiler Arbeitsmaschinen. Aber auch im internationalen Zugverkehr und beim Betrieb stationärer Kraftmaschinen werden fossile flüssige oder gasförmige Kraftstoffe in großem Umfang eingesetzt. Die Reduzierung der CO2‐Emission bei steigendem Mobilitätsbedarf, die Endlichkeit der fossilen Energieträger und der Wunsch nach größtmöglicher politischer und wirtschaftlicher Unabhängigkeit im Energiesektor beeinflusst mittel‐ und langfristig die Energiewandlungsprozesse zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie. Trotzdem wird der Verbrennungsmotor, abhängig von der Anwendung, noch für lange Zeit der zentrale Energiewandler bleiben.Seit Jahrzehnten wird in Teilbereichen der konventionelle Kraftstoff zunehmend mit biogenen oder nicht erdölbasierten, aber immer noch fossilen Kraftstoffen ergänzt oder gar substituiert (Kap. 21). Eine weitere und gerade in den letzten etwa zehn Jahren intensiv entwickelte Technologie ist die Anwendung der lokal emissionsfreien elektrischen Energie für den Antrieb von Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

18. Zukunft des Verbrennungsmotors

Der Verbrennungsmotor ist die am weitesten verbreitete Energiewandlungsmaschine. Weit über eine Milliarde Verbrennungsmotoren sind heute als Antrieb für Fahrzeuge (Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge, Zweiräder, Schiffe), zur Energieversorgung (Heizkraftwerke, Notstromaggregate, Generatorantrieb) oder für andere Zwecke wie beispielsweise als handgehaltene Arbeitsgeräte (Motorsägen, Motorsensen, Trennschleifer) im Einsatz. Als Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung ist er zudem die effizienteste Wärmekraftmaschine überhaupt. Bei alleiniger Nutzung der abgegebenen mechanischen Energie werden in Großgasmotoren bereits Antriebswirkungsgrade von etwa 50 % erreicht. Wird die bei der Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzte Wärme zusätzlich zur Beheizung genutzt. Beispielsweise können in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) deutlich höhere Systemwirkungsgrade bis zu 90 % erreicht werden. Vor dem Hintergrund dieses außerordentlichen Erfolgs ist die weitere Entwicklung von Verbrennungsmotoren auch zukünftig von großer Bedeutung. Der Bedarf an mechanischer, elektrischer und insbesondere auch thermischer Energie hat durch die Industrialisierung kontinuierlich zugenommen und wird auch in Zukunft weltweit weiter steigen. Aufgrund seiner hohen Flexibilität und seiner einfachen Bauform wird der Hubkolbenmotor weiterhin eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung spielen und in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Die Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren befindet sich jedoch dabei in einem besonderen Spannungsfeld zwischen tatsächlichem Nutzen, Umweltanforderungen sowie politischer und öffentlicher Diskussion. Höchste Ansprüche werden v. a. bei der Reduzierung des Schadstoffausstoßes und des Kraftstoffverbrauchs bzw. der CO‐Konzentration in der Luft (CO‐Emission) als ein wesentlicher Verursacher des als real existierenden und weltweit diskutierten Klimawandels gestellt. Darüber hinaus ist das bereits seit Anfang der 1970er‐Jahre diskutierte begrenzte Vorkommen fossiler Kraftstoffe, und hier insbesondere die begrenzten Erdölvorkommen, langfristig zu beachten, weshalb auch kraftstoffseitig eine zukünftige Lösung gefunden werden muss.

Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. Ulrich Spicher

31. Thermomanagement

Moderne Kraftfahrzeuge müssen aufgrund von immer strenger werdender Abgasgesetzgebung möglichst effizient betrieben werden. Daher ist es notwendig, alle im Fahrzeug auftretenden Energieströme im Sinne eines umfassenden Energiemanagements zu optimieren. Die Energieströme sind mechanischer, chemischer, elektrischer und thermischer Natur. Diese Aufzählung ist bereits ein Indiz für die weitreichenden Aufgaben, die hier zu bewältigen sind. Fahrzeugthermomanagement versteht sich als eine Kategorie innerhalb des Energiemanagements und befasst sich mit der effizienten Verteilung und Nutzung thermischer Energie. In Abb. 31.1 ist beispielhaft die Verteilung aller Energieströme in einem Hybridfahrzeug dargestellt. Der Begriff Thermomanagement wird in der Motoren‑ und Fahrzeugentwicklung oftmals in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet. Daher soll hier eine begriffliche Abgrenzung vorgenommen, beziehungsweise Entwicklungsbereiche aufgezählt werden, in welchen der Begriff häufig verwendet wird. Im vorliegenden Kapitel wird nach der begrifflichen Abgrenzung auf die in Abschn. 31.1.1 beschriebenen Inhalte vertiefend eingegangen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Raimund Almbauer, Dipl.-Ing. Andreas Ennemoser, Dr. techn. Heinz Petutschnig, Dr. techn. Armin Traußnig

19. Stromversorgungen

Stromversorgungen dienen zur Bereitstellung einer notwendigen Betriebsspannung Eine Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer vor Ausfällen oder Störungen geschützten Energieversorgung als Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Andere Einsatzgebiete sind die Einspeisung der Gleichstromenergie einer Solaranlage in das öffentliche Drehstromnetz oder eine Blindleistungskompensation zur Verbesserung der Netzqualität. Auch der Betrieb eines Bordnetzes z. B. im Flugzeug oder Kraftfahrzeug oder die Ladeelektronik eines Batteriefahrzeuges gehört dazu. Viele dieser Aufgaben erfordern zusätzlich ein übergeordnetes Power Management System.

Joachim Specovius

Kapitel 2. Die gesellschaftliche Relevanz des Phosphors

Systematische Phosphor-Forschungen sind notwendig, da das Element für die Gesellschaft von großer Bedeutung ist. Die folgenden Kapitel verdeutlichen dies, indem sie zuerst seine biologische Funktion als Nährstoff und seine Rolle als unersetzbares Düngemittel erläutern. Anschließend wird die eingangs bereits angesprochene „Phosphor-Krise“ genauer umrissen.

Christoph Weihrauch

Kapitel 2. Stand der Forschung und Technik

Das Fahrzeug selbst und dessen Entwicklungsprozess stehen im Fokus von Umweltbewusstsein, Sicherheitsanforderungen, Komfort- und Qualitätsansprüchen sowie Digitalisierung. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden vermehrt zusätzliche Komponenten eingebaut. Das erhöht das Fahrzeuggewicht und wiederum den Verbrauch. Dem soll das Entwicklungsziel Fahrzeugleichtbau entgegen wirken, [Fri13, BS13]. Neben den einzelnen Komponenten u.a. für Komfort, dem Antrieb und dem Fahrwerk besitzt die Karosserie hierbei großes Potential.

Jan Hasenpusch

Kapitel 1. Einleitung

Seit Beginn der Automobilindustrie beeinflussen Anforderungen unterschiedlicher Stakeholder und neue Technologien den Entwicklungsprozess von Fahrzeugen, [BS13]. Die Eigenschaften und Merkmale der Fahrzeuge werden im Entwicklungsprozess grundlegend unter Berücksichtigung der potentiellen Kundenzielgruppe sowie der gesetzlichen und unternehmensspezifischen Randbedingungen festgelegt. Am Ende des Prozesses beschreibt eine endgültige Merkmalskombination die Fahrzeuggestalt aus Positionen der Bauteile, deren Geometrien, Materialien und Oberflächenbeschaffenheit.

Jan Hasenpusch

Kapitel 1. Einleitung

Die Fahrzeugentwicklung gerät durch strenge Auflagen zum Umweltschutz unter zunehmenden Druck, immer effizientere Fahrzeuge auf den Markt zu bringen. Neben der Optimierung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren wird in der Entwicklung der Elektrofahrzeuge um jeden Kilometer zusätzliche Reichweite gerungen. In diesen beiden Aufgabenfeldern spielt die Aerodynamik eine wichtige Rolle.

Alexander Link

Kapitel 3. Untersuchung der Kriterien zur Bestimmung frugaler Innovationen

Um die erste Forschungsfrage – welche Merkmale den Begriff der frugalen Innovation definieren – zu beantworten, erfolgte eine Untersuchung in vier Schritten: (1) systematisches Literaturreview und Kategorienbildung, (2) qualitative Befragung, (3) Bildung von Hauptkategorien sowie (4) Ableitung und Definition von Kriterien für frugale Innovation. Hierzu wurden unterschiedliche Methoden angewendet. Auf diese wird im Folgenden eingegangen.

Timo Weyrauch

Kapitel 1. Predictive Analytics in der Mobilitätsbranche

Der Wunsch nach individueller Mobilität ist in den letzten Jahren aufgrund steigender Einkommen, globaler Vernetzung sowie veränderter Rahmenbedingungen in den Städten und dem Umland stetig gewachsen. Megatrends, wie Digitalisierung, Urbanisierung, Nachhaltigkeit und Personalisierung, bieten Unternehmen in der Transport- und Mobilitätsbranche neben den Herausforderungen auch Chancen für Fortschritt und Wachstum. Vor allem im Zuge der Digitalisierung wird der Speicherung von und dem intelligenten Umgang mit Daten von Unternehmen immer mehr Bedeutung zugeschrieben. Die künftige Mobilität der Zukunft wird sich auf individuelle Bedürfnisse vor, während und nach der Fahrt konzentrieren und kann mithilfe von digitalen Plattformen sowie innovativen Fahrzeugkonzepten immer umfassender bedient werden. In dem Paradigmenwechsel der Mobilitätsbranche suchen Anbieter nach Wegen, effizienter und detaillierter zu erfassen, wie sich sowohl die Masse als auch jeder einzelne Nutzer heute und in Zukunft bewegen wird. Eine Möglichkeit, diese Voraussagen zu treffen, bietet Predictive Analytics. Aus dem Ansatz Predictive Analytics heraus wurde der sogenannnte HERO entwickelt. Bei diesem Konzept handelt es sich um eine cloudbasierte Lösung eines Mobilitätsdienstleisters mit neuartigen, untereinander kommunizierenden und elektrifizierten Fahrzeugen für eine nachfrageorientierte Personenbeförderung. Der Einsatz und die Vorteile des HERO werden anhand des flexiblen Transports von Arbeitnehmern im Arbeitsalltag innerhalb eines definierten Gebietes dargestellt.

Ramona Heggenberger, Caroline Mayer

High-level phlegmatization of an ICE for the use in a series hybrid powertrain

The electrification of power trains offers high potential for fuel savings. Furthermore, the use of a series hybrid technology allows simplifying the internal combustion engine due to fewer requirements concerning dynamics, power, and torque – it is possible to phegmatize the internal combustion engine. In this project a simulation model of a series hybrid is presented where an internal combustion engine is only working as a generator. The basic engine is a 4-cylinder direct injecting turbocharged spark-plug engine. Variable valve-timing as well as throttle and wastegate control are removed. The internal combustion engine is only working at its optimum point. Phenomenological thermal models of the engine and the transmission are presented. Furthermore, thermal models of the electrical components were developed. A thermal management system is shown as well as a hybrid operating strategy. The power train model is calculated in the WLTC and fuel savings are investigated.

Bojan Jander, R. Baar

Kapitel 1. Einleitung

Am 14. April 1900 öffnete die Weltausstellung in Paris ihre Pforten. Als markanteste Neuheit entdeckten Automobilfreunde einen elektrischen Wagen, den Lohner-Porsche. “Die epochemachende Neuheit”, so hieß es in einem zeitgenössischen Fachblatt, wurde von zwei Radnabenmotoren an den beiden Vorderrädern angetrieben [1].

Alexander U. Kayser

14. Megatrends

Megatrends sind gesellschaftlich bedeutende Vorgänge, die sich in den nächsten Jahrzehnten mit hoher Wahrscheinlichkeit gleichförmig weiterentwickeln und immer noch Bestand haben, wenn die Verkehrswende bereits vollzogen ist. Jeder dieser Trends findet zeitgleich und länderübergreifend statt; daher müssen Teile der jeweiligen Problemlösung auch auf internationaler Ebene abgestimmt werden. Kein Zukunftsbild ist vollständig, wenn die Megatrends außer Acht gelassen werden. Daher untersuchen wir die Wechselwirkungen zwischen Megatrends und autonomer Mobilität eingehend.

Johannes Ritz

3. Elektromobilität: Was bremst den Erfolg elektrischer Fahrzeuge?

Begeben wir uns zu den Anfängen des Automobils – eine Zeit, geprägt von der Dampfmaschine, als die ersten Autos eher wie Pferdekutschen aussahen und man Benzin in der Apotheke kaufte. Im Jahr 1900 gab es in den USA 40 % dampfbetriebene Autos, 38 % Elektroautos und nur 22 % Benziner. [2] Damals war noch offen, welche Technologie sich durchsetzen sollte. Gegenüber Elektroautos mit Bleiakkus konnten Verbrenner eine sehr viel größere Reichweite vorweisen und waren günstig zu betanken. Gegenüber Dampfautos waren sie effizienter und praktischer in der Handhabung. Und als die Verbrenner nicht mehr per Kurbel, sondern bequem per elektrischer Zündung angelassen werden konnten, wurden sie zum Favoriten. Autos mit Verbrennungsmotor brauchten von da an etwa ein Jahrzehnt, um Elektroautos in die Nische zu verdrängen.

Johannes Ritz

Kapitel 1. Einleitung

Die politischen und gesellschaftlichen Forderungen nach einer immer stärkeren Reduzierung der Schadstoffemissionen und insbesondere des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen nehmen weltweit zu. Beispielsweise fordert die Europäische Union, die durchschnittlichen CO2-Emissionen der Fahrzeugflotten der Automobilhersteller bis zum Jahr 2020 auf 95 g/km zu senken [41]. Ähnliche Gesetze wurden auch in anderen wichtigen Automobilmärkten, wie den USA, China und Japan beschlossen [39, 104].

Frederik Weiß

Kapitel 2. Nachhaltige Entwicklung und die Nachhaltigkeitswende

In diesem Kapitel wird das Nachhaltigkeitskonzept als multidimensionales Paradigma vorgestellt. Eine – in Anlehnung an die deutsche Energiewende so benannte – Nachhaltigkeitswende ist aufgrund der Komplexität und der Dringlichkeit, mit der globale menschgemachte Probleme wie der Klimawandel angegangen werden müssen, erforderlich. Zur Untersuchung der Rolle von Finanzintermediären und -institutionen bei einer solchen Nachhaltigkeitswende wird ein Analyserahmen entworfen, der sich auf konzeptioneller Basis von der Transitionsheuristik der Geography of Sustainability Transitions ableitet.

Johanna Dichtl

System dynamic assessment of the future availability of energy resources for new drive concepts in (commercial) vehicle technology

Durch einen systemdynamischen Ansatz können Voraussagen zur künftigen Verfügbarkeit von Energieressourcen für Antriebskonzepte in der Fahrzeugtechnik gemacht werden, die die Unsicherheit in der Eintrittswahrscheinlichkeit von üblichen Prognose-Studien vermeiden. Der Ansatz basiert auf der Beschreibung von Wachstumsvorgängen durch die logistische Funktion und Datenanalyse durch lineare Regression. Damit werden beginnende Entwicklungen bei der Etablierung von Energieformen im Energiemarkt zum Antrieb von Fahrzeugen untersucht und extrapoliert. Der systemdynamische Ansatz wird auf derzeit diskutierte Antriebsenergien angewendet. Keywords: Systemdynamik, logistische Funktion, lineare Regression, Eintrittswahrscheinlichkeit, Extrapolation, Energieressourcen, Antriebstechnik, Fahrzeuge.

Peter Alexander Kosack

Intergenerational Choice Under Uncertainty: The Case of Future Energy Technologies—Legal and Economic Perspectives

Should we care about future generations? This question has been plaguing philosophy, economics, and the law for a long time. At least in practical terms, agreement seems to exist today that governments should indeed pursue intergenerational sustainabilityIntergenerational- sustainability,. This article focuses first on some remarkable similarities between legal and economic reasoning when it comes to justifying this contemporary policy goal. It discusses necessary features of sustainability policy, chief among which is “keeping options open”. Subsequently, a particularly intricate issue of sustainable public policy is presented, using electric transportationElectric transportation, in Germany as a contemporary example. As it turns out, keeping options open for future generations (through climate protection, for instance) may require diminishing future options elsewhere. It seems the present generation simply cannot “do it right”, despite best efforts. This article finally explores how to deal with this dilemma.

Stephan Meyer

Kapitel 15. Tourenplanung

Bei der menschlichen Planung von Touren taucht ab einer gewissen Komplexität das Problem der Optimierung dieser Touren auf, da zu viele Parameter bei der Planung berücksichtig werden müssen. Demzufolge ist eine automatische Berechnung der Touren nötig, um Kosten und Mehrkilometer zu reduzieren. Das Problem der optimalen Planung von Touren lösen wir mit der Software jsprit. Im Kontext von ExCELL sind zwei Anwendungsfälle wesentlich, dazu zählen die Tourenplanung im Logistikbereich und im Servicebereich. Beispielsweise liegen die Herausforderungen der Tourenplanung bei der Pflege in der komplexen Modellierung von gesetzlichen Rahmenbedingungen wie das Arbeitszeitgesetz und den drei beteiligten Akteuren Pflegedienst, Pfleger und Patient. Auf der ExCELL Plattform existiert aus den genannten Gründen ein Webservice zur automatischen Tourenplanung für die Anwendungsfälle.

Stephan Pieper, Petra Sauer

Kapitel 4. Ressourcen und Geschäftsfelder in den Regionen

In diesem Kapitel werden die Ressourcen betrachtet, die, auch statistisch gesehen, die höchste Relevanz für den Umbau der dezentralen Energieversorgung aufweisen. Dabei ist weniger der Output an Energie gemeint, sondern eher das, was am ehesten regional umsetzbar erscheint. So ergibt eine Umfrage des deutschen Instituts für Urbanistik unter Kommunen in Deutschland zur Nutzung erneuerbarer Energien folgendes Bild: An erster Stelle steht die FotovoltaikFotovoltaik mit 115 Nennungen, gefolgt von Solarthermie mit 98 Nennungen, anschließend Biomasse mit 84 und Geothermie mit 30 Nennungen. Schlusslicht bildet die Wasserkraft mit 14 sowie die Windkraft mit 9 Nennungen. Diese Umfrage ist nicht repräsentativ, gibt jedoch einen gewissen Überblick zu den Gewichten einzelner Energieerzeugungsformen.

Jürgen Staab

Kapitel 1. Einleitung

Seit der Einführung des Dieselmotors im Jahre 1893 ist die Entwicklung des ursprünglich von Rudolf Diesel erfundenen Brennverfahrens weit vorangeschritten. Standen anfangs eine Verbesserung des Wirkungsgrades sowie eine Leistungssteigerung im Fokus, kamen im Laufe der Zeit weitere Ziele hinzu. Aufgrund steigender Kraftstoffpreise und der Umweltbelastung durch Fahrzeuge stehen eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der damit einhergehende CO2-Ausstoß im Fokus der Entwicklung.

Daniel Schwarz

7. Die Zukunft der Energietechnik

Die Energiewirtschaft gehört immer noch zu den wichtigsten Teilbereichen der Elektro- und Elektronikindustrie. Nach einigen Jahren mit stagnierendem Umsatz, steigerte sich der Umsatz in der Energietechnik 2015 wieder um 3,4 % auf 12,6 Mrd. € (ZVEI 2016). Die von der Bundesregierung angestrebten Klimaziele, der Ausstieg aus der Atomenergie und die Entwicklungen im Bereich Elektrofahrzeuge machen Deutschland zu einem Vorreiter in Europa und werden für eine nachhaltige Binnennachfrage bei der Anpassung von Netz- und Verbrauchersystemen sorgen. Ein hoher Bedarf wird auch in den Schwellenländern erwartet, insbesondere in Asien. Wesentliche Herausforderungen sind die dezentrale Energieeinspeisung, Smart Grid-Netze und effektives Energiemanagement. Die Energietechnik entwickelt sich damit zu einem bedeutenden Anwendungsfeld für intelligente technische Systeme bei der Erzeugung, Verteilung, Umwandlung und Speicherung von Energie.

Maximilian Frank, Benedikt Echterhoff
Bildnachweise