Motorenwelt vor Veränderung

Elektromobiliät ist für Rheinmetall Automotive kein Fremdwort

Rheinmetall Automotive ist mit seinen Divisionen Hardparts und Mechatronics vor allem für seine innovativen Produkte für Verbrennungsmotoren bekannt. Immer mehr rücken aber auch alternative Antriebe in den Fokus der Neckarsulmer. Schon jetzt bietet Rheinmetall Automotive zahlreiche Lösungen, die der immer größer werdenden Varianz in der Mobilität gerecht werden. Damit hilft das Unternehmen, E-Motor, Hybridaggregat und Co. den Weg zu ebnen.

Dem rein elektrischen Antrieb steht seine große Zukunft erst noch bevor, Autos mit Otto- und Dieselmotoren werden noch auf absehbare Zeit das Straßenbild beherrschen. Trotzdem sind Elektromotoren und andere alternative Antriebe schon heute Teil unserer Verkehrswirklichkeit. Der zurzeit wahrscheinlich größte Nachteil von elektrisch betriebenen Fahrzeugen ist die mangelnde Reichweite. Batterien sind teuer und schwer, was die zur Verfügung stehende elektrische Energie im Auto schon rein konstruktiv einschränkt. Häufiger als rein elektrisch betriebene Fahrzeuge sind daher hybridangetriebene Automobile auf den Straßen anzutreffen. Ein Hybridantrieb besteht – wie der Name es sagt – aus einer Kombination von mehreren Antrieben, zum Beispiel einem Diesel- und einem Elektromotor. Er nutzt dabei die Vorteile beider Techniken. Simpel gesagt: Ist die Strecke kurz, fahre ich günstig und emissionsfrei mit Strom, brauche ich mehr Reichweite, nutze ich den Verbrennungsmotor, entweder direkt oder indirekt.

Mal elektrisch, mal mit Kraftstoff

Wird das Fahrzeug allein mit Elektrizität fortbewegt und liefert der Verbrennungsmotor nur die elektrische Energie, spricht man von seriellem Betrieb. Dieser verfügt über ausreichend starke Elektromotoren, die das Auto ohne weitere Unterstützung bewegen können. Der benötigte Strom für den elektrischen Antrieb wird mit einem Generator beim Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugt und der Batterie entnommen. Wird die Leistung von Elektromotor und Verbrenner hingegen auf einem Antriebsstrang kombiniert, spricht man von parallelem Betrieb. Beide Motoren können dann leistungsschwächer konzipiert werden als beim seriellen Betrieb. Die Batterie wird durch die Rekuperation geladen. Beim leistungsverzweigten Hybrid kann darüberhinaus der Verbrennungsmotor unabhängig vom Fahrzustand betrieben werden, was die Batterieladung während der Fahrt ermöglicht. In der Zukunft erwarten viele Experten, dass sich bei dieser Technologie das Leistungsverhältnis zwischen Elektroantrieb und Verbrennungsmotor verändern wird. Sind heute Otto- oder Dieselmotor noch die stärkere Komponente, könnte sich der Schwerpunkt mehr und mehr in Richtung Elektromotor bewegen (siehe Grafik). Wenn ein Nachladen der Batterie aus dem Stromnetz via Steckdose möglich ist, spricht man unabhängig von der Art des Antriebs von einem Plug-in-Hybrid.

Wer bremst, gewinnt

Manchmal nutzen wir elektrische Energie zur effizienteren Fortbewegung, ohne es zu merken. So sind viele moderne Fahrzeuge mit Rekuperationssystemen ausgestattet. Diese funktionieren so: Beim Bremsen wird Bewegungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt, die normalerweise ungenutzt entweicht. Ein Rekuperationssystem nutzt die Bremsenergie (und auch solche, die im Schubbetrieb entsteht), um die Spannung der Lichtmaschine anzuheben und die Bordnetzbatterie nachzuladen. Beschleunigt das Fahrzeug nach der Bremsphase wieder, wird mit dieser gespeicherten Energie der Generator entlastet und der Kraftstoffverbrauch gesenkt.

Länger fahren mit dem REx

Beide Technologien – Hybridantrieb und Bremsrekuperation – spielen beim Range Extender (kurz: REx) von Rheinmetall Automotive eine große Rolle. Er adressiert die derzeit größten Schwächen von E-Autos: die fehlende Reichweite und die langen Ladezeiten. Die Reichweite liegt meist bei 100 bis 200 Kilometern, und auch diese werden nur bei idealen Bedingungen erreicht. Verbraucht der Fahrer zusätzlich Energie – zum Beispiel durch den Betrieb der Klimaanlage – oder fährt er etwas flotter, reduziert sich die Reichweite deutlich. Für viele Verbraucher sind daher Befürchtungen, die Energie der Batterie könnte für die geplante Strecke nicht ausreichen ("Reichweitenangst"), das größte Kaufhemmnis. Hier kommt der REx ins Spiel. Bei ihm handelt es sich um einen Zweizylinder-Ottomotor, der immer dann startet, wenn die Ladung der Fahrzeugbatterie zur Neige geht. Dann sorgt er mittels Generator für neue Energie. Die elektrische Reichweite von 70 Kilometern des Testfahrzeugs, eines Fiat 500, wurde so um 430 Kilometer erhöht. Ein Batteriefahrzeug müsste auf einer weiteren Reise derzeit noch längere Stopps zum Aufladen der Batterie einlegen. Nicht so beim REx, der auch schon während der Fahrt zusätzlich nachlädt und wie gewohnt nachgetankt werden kann. Von all dem bekommt der Fahrer kaum etwas mit, denn der REx entwickelt nur sehr geringe Geräusche und Vibrationen.

Der REx von Rheinmetall Automotive

In Temperaturbereichen, in denen die Batterie beim Laden- und Entladen ungünstige Wirkungsgrade durchläuft, kann er zudem Wärme oder Kälte bereitstellen und so den Wirkungsgrad optimieren. Auch das Rheinmetall Automotive-Testfahrzeug rekuperiert die Bremsenergie – bis zu 10 Kilowatt können beim Gas wegnehmen gewonnen werden. Weitere Vorteile: Die Komponenten sind – bis auf Kraftstofftank und Kühler – als einbaufertiges Modul vormontiert. Der kompakte REx kann auch im Unterflurbereich oder in der Reserveradmulde Platz finden. Das Aggregat ist zudem unproblematisch in ein Fahrzeug zu integrieren. Und bald soll der REx sogar noch „grüner“ werden. Rheinmetall Automotive entwickelt mit mehreren Partnern eine Variante für den Betrieb durch regenerativ erzeugtes Erdgas. Eine erste Anwendung ist, ein kleines Nutzfahrzeug vollständig durch regenerative Energie zu betreiben. Das schließt den elektrischen Hauptantrieb und den Range Extender ein. Das Projekt „Green REx“ wird wegen seines großen Potenzials zur Einsparung von CO2 vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.

Betriebstemperatur sinnvoll nutzen

Bei Elektroautos sinkt die zur Verfügung stehende Strommenge, wenn das Fahrzeuginnere geheizt oder gekühlt wird. Damit die knappe Reichweite von E-Autos nicht noch weiter reduziert wird, hat Rheinmetall Automotive ein Thermomanagementmodul entwickelt, das durch die Nutzung einer Wärmepumpenfunktion den Energiebedarf für das Heizen und Kühlen deutlich reduziert. Das Modul ist als wesentlicher Bestandteil des Klimatisierungssystems vorgesehen. Es berücksichtigt im Fahrbetrieb entstehende Wärmemengen und stellt alle Komponenten auf ihre optimalen Betriebstemperaturen hin ein. In Verbindung mit einer intelligenten Regelung des Wärmehaushalts trägt das Heiz- und Kühlmodul zu einer Reichweitenerhöhung bei. Das Modul kann frei und mit wenig Montageaufwand im Fahrzeug platziert werden. Dank der geringen Anzahl an Verbindungselementen des nahezu vollständig hermetisierten Kältemittelkreislaufs und einer verminderten Füllmenge ermöglicht das System außerdem eine Reduktion der Verluste an die Umgebung. 

Brennstoffzelle vor dem Durchbruch?

Spricht man von alternativen Antrieben, darf natürlich die Brennstoffzelle nicht fehlen. Eine Brennstoffzelle ist eine so genannte galvanische Zelle, die die chemische Reaktion eines Brennstoffes (in der Regel Wasserstoff) und eines Oxidationsmittels (in der Regel Sauerstoff) nutzt, um Energie zu erzeugen. Diese Reaktionsenergie wandelt die Brennstoffzelle in Elektrizität um. In der Praxis ist die Reichweite von Brennstoffzellen-Autos vergleichbar mit herkömmlichen Fahrzeugen. Die Ökobilanz hingegen hängt davon ab, ob der Wasserstoff durch den Einsatz regenerativer Energien hergestellt wurde. Die Technologie wird im Automobilbereich derzeit vielfach noch in Versuchsfahrzeugen getestet, ist aber zum Beispiel im militärischen Bereich etabliert. So nutzt die deutsche U-Boot-Klasse 212 A bereits viele Jahre erfolgreich Brennstoffzellen. Doch auch bei den Autos könnten Brennstoffzellen bald häufiger anzutreffen sein: Das Wasserstoff-Tankstellennetz wird in den nächsten Jahren massiv ausgebaut. Auch die ersten Serienfahrzeuge von Toyota, Hyundai oder Honda sind bereits auf dem Markt oder stehen in Europa vor der Markteinführung. Rheinmetall Automotive hat deshalb auch die Brennstoffzellentechnologie im Blick. Eine Innovation ist bereits in der Erprobung: ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse. Das System mit dem etwas sperrigen Namen ist vergleichbar mit einer Kraftstoffpumpe im Verbrennungsmotor. Das Wasserstoffrezirkulationsgebläse versorgt den so genannten Stack, also den „Stapel“ aus Einzelzellen der Brennstoffzelle, permanent mit Wasserstoff. Die Pumpe saugt überflüssigen Wasserstoff vom Stack weg und führt ihn neu zu. Das erhöht die Effizienz der Reaktion und verlängert so die Reichweite. Die Lebensdauer des Stacks wird zudem durch die konstante Umspülung verbessert.

DAS ERHÖHT DIE EFFIZIENZ DER REAKTION UND VERLÄNGERT SO DIE REICHWEITE

Ohne eine solche Pumpe wäre eine Effizienzerhöhung nur durch aufwendige Maßnahmen, zum Beispiel durch Erhöhung des Platingehaltes im Stack, zu erreichen. Die vorgestellten Lösungen sind nur ein Ausschnitt aus dem breiten Portfolio von Rheinmetall Automotive. Aber sie zeigen: Ob für Hybridaggregat, E-Motor oder Brennstoffzelle – das Unternehmen entwickelt bereits heute intelligente Lösungen für die Antriebstechnologien von morgen.

Heinrich Dismon, Leiter Forschung und Technologie bei Rheinmetall Automotive.

Nachgefragt

Brauchen wir angesichts immer neuer Öl-Ressourcen überhaupt noch eine Elektromobilität?

Sicher ist die Ressourcenfrage im Augenblick kein Treiber der Entwicklung. Tatsache ist aber auch, dass sich alle Hersteller mit dem Thema „Powertrain Elektrifizierung“ beschäftigen. Außerdem darf man nicht vergessen, dass wir die Frage der Klimaneutralität im Auge behalten müssen und die Legislative gibt hier ja auch eindeutige Richtlinien beim CO2-Ausstoß.

Welche Bedeutung hat das Thema alternative Antriebsfelder für Rheinmetall Automotive?

Eine Elektrifizierung wird kommen, aber das wird keine plötzliche Entwicklung sein. Es ist vielmehr so, dass der Verbrennungsmotor zumindest im Pkw zunehmend Unterstützung durch einen Elektromotor erhalten wird. Als ersten Schritt dorthin sehe ich zunächst Energieeffizienzmaßnahmen, wie die Verlustwärmenutzung, Mild-Hybridisierung in Verbindung mit der Energierekuperation.

Und wie geht es dann weiter?

Daran wird sich eine immer stärkere Teilelektrifizierung anschließen. Das bedeutet für uns, dass Peripheriekomponenten notwendigerweise elektrifiziert werden und wir uns intensiv mit 48-Volt-Bordnetzen beschäftigen müssen. Es ist zukünftig zu erwarten, dass es eine große Varianz an Antriebskonzepten geben wird. Diese müssen mehr und mehr lokalen Erfordernissen gerecht werden und dies wird auch rein elektrische Fahrantriebe beinhalten.

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