Alternative Antriebe für Automobile

Die Auto-Mobilität der Zukunft ist derzeit von vielfältigen Szenarien geprägt. Das Kapitel analysiert die Entwicklungsbedingungen, beginnend mit den Perspektiven von Elektrofahrzeugen aus Sicht der Elektroenergieproduktion und der Speicherung an Bord. Auf der anderen Seite wird die notwendige Vielfalt der Automobile entsprechend wirtschaftlichen, geographischen und ökologischen Bedingungen diskutiert. Zu den Anforderungen an die Entwicklung zukünftiger Antriebe gehören die Energieverfügbarkeit, die Umweltbeein-flussung durch Energieumwandlung an Bord sowie die technische Umsetzbarkeit, insbesondere in Bezug auf die Energiespeicherung im Fahrzeug. Diese Aspekte werden ausführlich betrachtet.

Des weiteren werden mögliche Entwicklungsszenarien für Antriebssysteme in Automobilen, zwischen dem Energiespeicher und dem Drehmoment am Rad analysiert. Zu dieser synthetischer Betrachtung gehören Brennstoffzellensysteme, Range Extender, Hybridantriebe und Elektroantriebe mit gespeicherter Elektroenergie.

Die Wärmekraftmaschinen werden in Automobilen auf einer langen Sicht noch zu finden sein, jedoch zunehmend, im Zusammenspiel mit Elektromotoren. In den möglichen Konfigurationen eines solchen Zusammenspiels sind allerdings Kolbenmotoren nicht mehr unerlässlich. Das Kapitel präsentiert die Umsetzbarkeit und die Grenzen repräsentativer thermodynamischer Prozesse in Wärmekraftmaschinen – von Carnot, Otto, Diesel und Seliger bis hin zu Stirling, Joule und Ackeret Keller. Unter gleichen Bedingungen bezüglich Umgebungszustand, maximale Prozesstemperatur und maximales Volumen wird ein direkter Vergleich der Prozesse in Hinblick auf mögliche spezifische Kreisprozessarbeit und thermischen Wirkungsgrad vorgenommen, der zu besonders interessanten Ergebnissen führt. Weiterhin werden die Potentiale und Trends der Viertaktmotoren analysiert. Betrachtet werden dabei die Luftzufuhr, die variable Ventilsteuerung, die innere Gemischbildung durch Kraftstoffdirekteinspritzung, die kontrollierte Selbstzündung und das Management der Wärmeübertragung. Einen besonderen Abschnitt bilden die alternativen Wärmekraftmaschinen, die Einsatzchancen in zukünftigen Antriebsszenarien haben. Darunter zählen Zweitakt- Wankel- und Stirling- Motoren aber, besonders, die Gasturbinen.

Alternative Kraftstoffe, die möglichst zu einer Meidung von Schadstoffemissionen und zu einer Eliminierung oder einem Recycling der Kohlendioxidemission führen sollen, werden entscheidend für die Entwicklung zukünftiger Automobilantriebe sein.

Im Kapitel werden Ressourcen, Potentiale und Eigenschaften wesentlicher Energieträger analysiert – von Alkoholen und Ölen bis Ätheren – und mit den Kenngrößen von Benzin, Diesel, Erdgas und Autogas in Bezug auf einen Fahrzeugeinsatz diskutiert. Wichtige Kriterien sind dabei die molekulare Struktur, welche die Abgaskomponenten bestimmt, die Dichte, die die Speicherung an Bord ergibt, der Heizwert als Maß für die Reichweite, der Gemischheizwert, der letzten Endes das Drehmoment ergibt und die Verdampfungs-enthalpie, die sowohl die Ladungsmasse als auch den Verbrennungsvorgang beeinflusst. Zu jedem dieser Kraftstoffe sind Ausführungen bezüglich Herstellung, Eigenschaften, Prozessgestaltung sowie Einsatz- und Ergebnisbeispiele enthalten.

Die Elektromobilität ist derzeit Gegenstand einer intensiven und extensiven Entwicklung. Das Kapitel präsentiert die Arten der Elektromotoren die dafür Einsatz fanden oder finden – von Gleichstrom-, Asynchron- und Synchron- bis zu den Reluktanzmotoren. Dabei sind Einsatzbeispiele in Fahrzeugen, mit Angaben über Leistung und Drehmoment enthalten. Desweiteren werden die Arten und die Kenngrößen von Batterien dargestellt, die derzeit in Elektroautomobilen eingesetzt werden. Es folgt eine Darstellung der Formen und der Prozesse in Brennstoffzellen, sowie der Gesamt- Brennstoffzellen – Systeme für den Fahrzeugeinsatz. Neben der Funktion der Brennstoffzellen mit Wasserstoff werden die chemischen Prozesse beim Einsatz von Kohlenwasserstoffen und Alkohole anstatt Wasserstoff dargestellt. In einem weiteren Abschnitt werden Automobile mit elektrischem Antrieb präsentiert. Dabei werden nahezu alle derzeit in der Welt produzierten Elektrofahrzeuge tabellarisch erfasst, wobei Motorart, Leistung, Drehmoment, Batterieart, Energieinhalt, Reichweite sowie Fahrzeugmasse und maximale Geschwindigkeit dargestellt werden.

Es folgen Beispiele von Elektrofahrzeugen, in denen die Konfiguration der Funktionsmodule im Gesamtsystem gezeigt wird.

Eine universell einsetzbare Konfiguration für Antriebssysteme in Automobilen erscheint nach technischen, wirtschaftlichen, geographischen und ökologischen Kriterien als nicht realistisch. Das Kapitel präsentiert zukunftsträchtige Kombinationen von Antriebsmodulen- Wärmekraftmaschinen im Zusammenhang mit Elektromotoren-, Batterien, Brennstoffzellen und Kraftstoffen. Eine Hauptkonfiguration besteht in rein elektrischem Antrieb, mit der Erzeugung der Elektroenergie an Bord mittels Wärmekraftmaschinen. Es werden Beispiele beim Einsatz von Viertaktmotoren, aber auch von Zweitaktmotoren, Gasturbinen und Wankelmotoren gegeben. Die andere Hauptkonfiguration besteht im kombinierten Antrieb mit Kolbenmotor und Elektromotoren, mit Leistungsaddition über Getriebe oder Kupplungen, oder mit separatem Antrieb einer jeweiligen Fahrzeugachse. Es werden zahlreiche Konfigurationen dargestellt und analysiert. Die Kenngrößen von derzeit repräsentativen Hybridantrieben werden tabellarisch erfasst – wobei Angaben über Leistung und Drehmoment der zwei Antriebsarten, Batteriekapazität und Verbrauchswerte enthalten sind. Des weiteren werden die neuesten Plug In Konzepte präsentiert und bewertet.

Die Dimensionen der Automobilen Vielfalt, von SUV’s, Limousinen, Cabrios, über Pick Up’s, Stadtwagen und Kombis, bis hin zur Oberklasse, Mittelklasse und preiswerten Fahrzeugen zwingen zu einer Modularisierung der Funktionskomponenten eines Automobil–Antriebs, die zahlreiche Kombinationen ermöglichen. Das Kapitel stellt die Hauptgruppen von Antriebssystemen dar, die in der Zukunft als Chancenreich erscheinen.

Die komplexe Struktur des Energiemanagements zwischen gespeicherter Energie und Antriebsmodulen im Fahrzeug führt zu einer hohen Komplexität des modernen Fahrzeugbaus, insbesondere unter den Bedingungen der Globalisierung und Spezialisierung. Das Kapitel bietet wesentliche Zusammenhänge darüber, von Bedarf und Ressourcen, bis zum technischen KnowHow, technologischer Ausrüstung, sowie wirtschaftlicher und politischer Struktur. Es wird dabei die Rollenverteilung bei der Auslegung der Automobilen mit alternativen Antrieben – von Forschungs- und Produktionspartnern über Zuliefererallianz bis hin zum Automobilhersteller – mit betrachtet.