WANDERAUSSTELLUNG ANTRIEB ZUKUNFT - Phaeno
WANDERAUSSTELLUNG ANTRIEB ZUKUNFT - Phaeno
WANDERAUSSTELLUNG ANTRIEB ZUKUNFT - Phaeno
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FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR Chemische Technologie ICT<br />
Wanderausstellung<br />
<strong>ANTRIEB</strong> <strong>ZUKUNFT</strong><br />
1
INHALT<br />
Einführung<br />
Kurzbeschreibung der Exponate<br />
Exponat 1 – Herausforderungen einer elektromobilen Zukunft<br />
Exponat 2 - Meilensteine der Elektromobilität<br />
Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie<br />
Exponat 4 - Batterie der Zukunft<br />
Exponat 6 - Stadt der Zukunft<br />
Exponat 7 - Das virtuelle Testzentrum<br />
Exponat 8 - Neues Antriebskonzept mit Radnabenmotor<br />
Exponat 9 - Innerstädtische Mobilitätskonzepte<br />
Exponat 10 - Elektromobilität aus ökonomischer Sicht<br />
3<br />
4- 5<br />
6<br />
7-14<br />
15-23<br />
24-30<br />
31-39<br />
40-43<br />
44-45<br />
46-49<br />
50-55<br />
In diesen 10 Austellungsstücken finden Sie Anwendungstexte, wie sie in den Exponaten<br />
geziegt werden (außer Exponat 5, hier ist kein Anwendungstext verarbeitet).<br />
Weiterführende Informationen finden Sie auf den folgenden Webseiten:<br />
www.antrieb-zukunft.fraunhofer.de<br />
www.elektromobilitaet.fraunhofer.de<br />
www.forum-elektromobilitaet.de<br />
Impressum<br />
Redaktion<br />
Dr. Stefan Tröster<br />
Redaktionsschluss<br />
07.09.2012<br />
Satz, Gestaltung und Druck<br />
Mona Rothweiler<br />
Bildquellen<br />
Antrieb Zukunft<br />
2
Einführung<br />
1. Mit der Elektromobilität neue<br />
Wege erFahren<br />
Seit mehr als 100 Jahren ist der Verbrennungsmotor aus dem<br />
Straßenverkehr nicht wegzudenken. Jetzt zeichnet sich mit<br />
der Elektromobilität eine technologische Zeitwende ab. Die<br />
Elektrifizierung der Antriebe bietet die Chance, die Abhängigkeit<br />
vom Öl zu reduzieren, die Emissionen zu minimieren und<br />
die Fahrzeuge besser in ein multimodales Verkehrssystem zu<br />
integrieren.<br />
Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität<br />
Seit dem 19. Juli 2012 ist sie zu Gast im eMobilitätszentrum<br />
Karlsruhe, am Ostring, in der Heinrich-Wittmann-Straße 23.<br />
Mit dem folgenden Dokument erhalten Sie einen Überblick<br />
zu den einzelnen Ausstellungsexponaten. Gern<br />
können Sie daraus Fragestellungen generieren und Ihre<br />
Schüler mit dem Ausstellungsbesuch gezielt auf Antwortsuche<br />
schicken.<br />
Wir wünschen Ihnen und Ihren Schülern eine spannende Reise<br />
in die Zukunft der Mobilität.<br />
Die Fraunhofer-Gesellschaft vereint unter dem Dach der<br />
„Systemforschung Elektromobilität“ die Kompetenz von mehr<br />
als 30 Forschungsinstituten. Die Besonderheit des Fraunhofer-<br />
Ansatzes ist es, alle Wertschöpfungsstufen der Elektromobilität<br />
aufeinander abgestimmt zu erforschen:<br />
• ausgehend von der Energieerzeugung,<br />
• über den Transport und die Verteilung der Energie durch die<br />
Stromnetze,<br />
• die Schnittstellen zwischen Stromnetz und Fahrzeug,<br />
• die Energiespeicherung<br />
• bis hin zu neuen Fahrzeugkonzepten mit einer neuen<br />
Infrastruktur<br />
• sowie Nutzungs- und Abrechnungskonzepten.<br />
2. Willkommen bei <strong>ANTRIEB</strong> <strong>ZUKUNFT</strong><br />
Mit dem Ziel, vielen Menschen die Forschungsergebnisse der<br />
Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität zugänglich zu<br />
machen, entstand die interaktive Erlebnisausstellung <strong>ANTRIEB</strong><br />
<strong>ZUKUNFT</strong>. Nach ihrem erfolgreichen Start am Fraunhofer-<br />
Forum in Berlin wandert sie nun an verschiedenste Orte<br />
innerhalb Deutschlands.<br />
Ihr Ansprechpartner:<br />
Dr. Stefan Tröster<br />
Telefon +49 721 4640-392<br />
Mail stefan.troester@ict.fraunhofer.de<br />
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie<br />
Joseph-von-Fraunhofer-Straße 7<br />
76327 Pfinztal<br />
3. Auf den Spuren der Mobilität<br />
von Morgen<br />
Die Ausstellung umfasst 10 interaktive Exponate zum Thema<br />
Elektromobilität – angefangen bei der Energieerzeugung über<br />
neue Fahrzeugkonzepte bis hin zur nachhaltigen Verkehrsentwicklung.<br />
Sie schickt ihre Besucher auf eine Zeitreise durch<br />
die hundertjährige Geschichte der elektrischen Antriebe und<br />
zeigt die historische Entwicklung der Batterie, beginnend mit<br />
der Galvanischen Zelle bis hin zur modernen Lithium-Ionen-<br />
Batterie.Darüber hinaus ist das Demonstrationsfahrzeug Frecc0<br />
Gegenstand der Ausstellung.<br />
Einführung<br />
3
Kurzbeschreibung der Exponate<br />
3.1 Die Exponate der Ausstellung<br />
• Exponat 1 Eingangsinstallation - Herausforderungen<br />
einer elektromobilen Zukunft<br />
• Exponat 2 Meilensteine der Elektromobilität<br />
• Exponat 3 Geschichte und Grundlagen der Batterie<br />
• Exponat 4 Batterie der Zukunft<br />
• Exponat 5 Energieumsetzung und -speicherung im<br />
Fahrzeug<br />
• Exponat 6 Stadt der Zukunft<br />
• Exponat 7 Virtuelles Testzentrum<br />
• Exponat 8 Neues Antriebskonzept mit<br />
• Radnabenmotor<br />
• Exponat 9 Innerstädtische Mobilitätskonzepte<br />
• Exponat 10 Elektromobilität aus ökonomischer Sicht<br />
• Frecc0 Demonstrationsfahrzeug<br />
3.1.3 Exponat 3 – Geschichte und Grundlagen der<br />
Batterie<br />
Entlang eines illustrierten Zeitstrahls zur Geschichte der Batterie<br />
gelangt der Besucher zu einem Batteriemodell, an dem<br />
er zunächst die grundlegende Funktionsweise der Batterie<br />
erkunden kann. Dabei steuert er durch Herunterdrücken der<br />
stilisierten Batterie-komponenten am Modell die Präsentation<br />
3.1.4 Exponat 4 – Batterie der Zukunft<br />
Von einer Übersicht der wichtigsten Anforderungen gelangt<br />
der Besucher zur Fraunhofer-Lithium-Roadmap, die in Form eines<br />
grafischen Zeitstrahls die wichtigsten Entwicklungsziele bis<br />
ins Jahr 2050 umreißt Die von Fraunhofer aktuell verfolgten<br />
Lösungsansätze und Entwicklungen können im Rahmen einer<br />
umfangreich illustrierten Präsentation erkundet werden<br />
3.1.1 Exponat 1 – Eingangsinstallation –<br />
Herausforderungen einer elektromobilen Zukunft<br />
3.1.5 Exponat 5 – Energieumsetzung und -speicherung<br />
im Fahrzeug<br />
An dieser ersten Station ist Körpereinsatz gefragt: per Gestensteuerung<br />
navigiert man durch die Welt der Elektromobilität.<br />
Tritt der Besucher vor die Station, wird er von einer Kamera erfasst<br />
und kann durch Handbewegungen einen „Energiestrahl“<br />
über eine „Papierlandschaft“ lenken, auf der flüchtig Skizzen,<br />
Handzeichnungen und Notizen gewissermaßen als Dokumentation<br />
des Forschens und Entwickelns erkennbar werden.<br />
3.1.2 Exponat 2 – Meilensteine der Elektromobilität<br />
Das Holzlenkrad des Lohner-Porsches in der Hand, ein leichter<br />
Tritt aufs „Gaspedal“ und schon schnurrt der Besucher mit<br />
dem Elektromotorlos. Links und rechts kann er am Wegesrand<br />
an den historischen Stationen der Elektromobilität anhalten.<br />
Der Blick durch die Zeitfenster vermittelt eindrucksvoll die<br />
spannende Geschichte des Elektroantriebs<br />
In einer Aufsichtsgrafik kann der Besucher erfahren, wie<br />
sich Energiegewinnung, -bereit-stellung und -speicherungim<br />
direkten Vergleich von Elektro- und Benzinfahrzeug darstellen.<br />
Mit Hilfe einer Durchsichtsgrafik werden crashsicheres Batteriesystem,<br />
Radnabenmotor, Ladegerät und Leistungselektronik<br />
im Fahrzeug sichtbar gemacht. Wie Tankkonzepte der Zukunft<br />
aussehen können, wird dem Besucher an einer Ladesäule<br />
demonstriert.<br />
3.1.6 Exponat 6 – Stadt der Zukunft<br />
An einem Multitouch-Tisch blickt der Besucher aus der<br />
Vogelperspektive auf eine städtische Topographie. Entlang<br />
eines Straßennetzes reihen sich Gebäude und Anlagen, die<br />
jeweils einen Aspekt städtischer Mobilität oder systemischen<br />
Energiemanagements repräsentieren, den es zu erkunden gilt.<br />
Im Zentrum der Stadt befindet sich eine Carsharing-Station,<br />
4<br />
Kurzbeschreibung der Exponate
an der Fahrzeuge unterschiedlicher Bauart „geliehen“ werden<br />
können. Diese Fahrzeuge sind in einer Draufsicht dargestellt<br />
und können vom Besucher wie Spielzeugautos mit dem Finger<br />
durch das Straßennetz der Stadt bewegt werden.<br />
3.1.7 Exponat 7 – Virtuelles Testzentrum<br />
Bereiche der Stadt wie zum Beispiel Haltestelle oder<br />
Marktstand. Wissens-wertes erfährt er auch über die Elektrofahrzeuge<br />
AutoTram, MicroCarrier und Frecc0. Hier haben<br />
Fraunhofer-Forscher tragfähige Konzepte entwickelt, die die<br />
Zukunft der Innenstädte nachhaltig verändern werden.<br />
Im virtuellen Testzentrum wird der Besucher zum Testleiter und<br />
kann authentische Versuche am Elektroauto, wie zum Beispiel<br />
Komponentencrashs oder Leistungstests, unter wechselnden<br />
Klimabedingungen durchführen. Der Besucher blickt in eine<br />
moderne Werkstatthalle, in der verschiedene Prüfstände<br />
anwählbar sind. Die einzelnen Bereiche des Testzentrums sind<br />
mit Symbolen gekennzeichnet, die auf dem Steuerungspanel<br />
ausgewählt werden können.<br />
3.1.8 Exponat 8 – Neues Antriebskonzept mit<br />
Radnabenmotor<br />
3.1.10 Exponat 10 – Elektromobilität aus ökonomischer<br />
Sicht<br />
Anhand eines interaktiven Diagramms, das die ineinandergreifenden<br />
Systeme Automobil-industrie und Wirtschaft mit<br />
ihren Dimensionen zeigt, kann der Besucher direkt in den gewünschten<br />
Themenbereich einsteigen. Er lernt die technischen<br />
Veränderungen und ihre Konsequenzen für die beteiligten<br />
Akteure, die Szenarien zur Entwicklung des Marktes sowie die<br />
damit verbundenen Anforderungen und die neuen Akteure<br />
und Geschäftsmodelle im Bereich der Elektromobilität kennen.<br />
Dieses Augmented-Reality*-Exponat ermöglicht dem Besucher<br />
den Röntgenblick in den laufenden Fraunhofer-Radnabenmotor<br />
mit all seinen Komponenten. (*erweiterte Realität)<br />
Über eine Pfeiltastensteuerung, die links und rechts in das<br />
stilisierte Röntgengerät integriert ist, steuert der Besucher die<br />
Präsentation. Dabei wird von der Animation des laufenden<br />
Motors in eine Explosionsdarstellung übergegangen und der<br />
Motor reiht sich seinen Einzelteilen, gleich einer Perlenkette,<br />
horizontal vor dem Betrachter auf und kann Schritt für Schritt<br />
erkundet werden.<br />
3.1.11 Frecc0 – Demonstrationsfahrzeug (nicht fahrbar)<br />
Ein Beispiel für den Individualverkehr der Zukunft bietet das<br />
komplett elektrisch betriebene Demonstrationsfahrzeug<br />
„Frecc0“, das Fraunhofer-Forscher auf Basis eines bereits existierenden<br />
Fahrzeugkonzepts aufgebaut haben. In das Modell<br />
fließen die Projekt-ergebnisse aller beteiligten Fraunhofer-<br />
Institute ein und zeigen so die grundsätzliche Machbarkeit der<br />
entwickelten Lösungen. Insbesondere kann der Besucher in<br />
der Nahansicht den Radnabenmotor betrachten.<br />
3.1.9 Exponat 9 – Innerstädtische Mobilitätskonzepte<br />
An diesem Exponat erhält der Besucher eine mögliche Antwort<br />
darauf, wie sich die elektro-mobile Zukunft ökologisch und<br />
effizient gestalten lässt, sowohl für den öffentlichen Nah- als<br />
auch für den innerstädtischen Individual- und Lieferverkehr.<br />
Über einen Bildschirm taucht er in die städtische Szenerie der<br />
Zukunft ein und erkundet via Touchscreen verschiedene<br />
Kurzbeschreibung der Exponate<br />
5
Exponat 1<br />
Herausforderungen<br />
einer elektromobilen<br />
Zukunft<br />
Anwendungstext Exponat 1<br />
Eingangsinstallation Herausforderungen<br />
einer elektromobilen<br />
Zukunft<br />
Einblender<br />
• Mobilität nachhaltig gestalten<br />
• Neue Antriebe entwickeln<br />
• Energie effizient nutzen<br />
• Leistungsfähige Speicher entwerfen<br />
• Neue Mobilitätskonzepte umsetzen<br />
• Geringere Kosten und höhere Reichweiten bewegen<br />
Autofahrer zum Umstieg<br />
• Senkung der CO2-Emissionen bis 2050 nur bei 70<br />
Prozent „emissionsfreien Fahren“<br />
• Eine Million Elektroautos bis 2020<br />
• Elektromobilität: Wege zum umweltschonenden<br />
Stadtverkehr<br />
• Wohin mit dem Motor: Rad oder Achse – Wer hat<br />
die Nase vorn?<br />
• Fraunhofer-Forscher entwickeln aufprallsicheres<br />
Batteriepack<br />
• Elektromotor kann mehr als 90 Prozent der einge<br />
setzten Energie nutzen<br />
Papercuts<br />
• Elektromobilität eine Geschichte mit Zukunft<br />
• Gesucht: die Übermorgenbatterie für die<br />
Elektromobile-Zukunft<br />
• Fraunhofer-Forscher entwickeln Redox-Flow-Batterie<br />
• „Peak Oil“ möglicherweise schon erreicht<br />
• Deutsche fahren im Schnitt weniger als 50 Kilometer<br />
pro Tag<br />
• Dezentralisierung der Energie-Erzeugung bringt<br />
Bewegung in den Strommarkt<br />
• Endabnehmer werden Stromproduzenten<br />
• Smart-Meter hilft Energiekosten senken und Klima<br />
schützen<br />
• Im intelligenten Stromnetz sind alle miteinander<br />
verbunden<br />
• Regelmäßige Ladungen beim Parken ersetzen<br />
unregelmäßige Stopps an der Tankstelle<br />
• Car Sharing ist ein Schlüssel für ein nachhaltiges<br />
Mobilitätssystem<br />
• Elektroautos können als mobile Speicher Energie<br />
schwankungen ausgleichen<br />
6<br />
Exponat 1 – Herausforderungen einerelektromobilen Zukunft
Exponat 2<br />
Meilensteine der<br />
Elektromobilität<br />
Anwendungstext Exponat 2<br />
Meilensteine der Elektromobilität<br />
25. Februar 1837, Patentamt, Vermont, USA<br />
Pssst! Mit Spannung erwartet man eine amtliche Bestätigung.<br />
Thomas Davenport erhält das erste Patent auf einen Elektromotor.<br />
In der Amtsstube ist es ruhig. Man hat sich zur Beratung<br />
zurückgezogen. Zum dritten Mal wird Davenport heute<br />
vorstellig.Nach der ersten Ablehnung 1834 hat der Autodidakt<br />
seinen Dokumenten die Empfehlungen von zwei renommierten<br />
Forschern beigelegt. Doch beim zweiten Antrag fiel<br />
das Modell seines Motors einem Feuer zum Opfer, bevor die<br />
Begutachtung abgeschlossen war. Heute wird alles funktionieren.<br />
Inspiriert von Faradays elektromagnetischen Experimenten<br />
übersetzt Davenport elektrische in mechanische Arbeit: Sein<br />
Komutator-Motor kann durch den Einsatz eines mitlaufenden<br />
Stromwenders eine andauernde und gleichmäßige Bewegung<br />
erzeugen. Inzwischen hat Davenport die Wirksamkeit seiner<br />
Erfindung an einem Schienenfahrzeugmodell demonstriert<br />
und träumt davon, eines Tages die Dampfmaschine überflüssig<br />
machen zu können.<br />
schwere wieder aufladbare Bleiakkumulatoren. Trotzdem<br />
erreicht das Elektrofahrzeug eine Geschwindigkeit von bis zu<br />
12 km/h. Im Herbst soll es zu den größten Attraktionen der<br />
Exposition Internationale de l’Electricité gehören.<br />
29. April 1882 Halensee bei Berlin<br />
Zurücktreten bitte! Die Elektromote startet!<br />
Werner Siemens entwickelt den ersten Oberleitungsbus.<br />
Ächzend setzt sich der Kutschenwagen in Gang. Wie von<br />
Geisterhand bewegt nimmt er seine Fahrt auf. Immer schneller<br />
drehen sich die eisenbereiften Holzspeicherräder. Die beiden<br />
Herren, die bei diesem Testlauf den Wagen führen, überwachen<br />
kritisch die zweipolige Oberleitung, die über stählerne<br />
Masten entlang der 540 Meter langen Teststrecke verläuft. Die<br />
Energie für diesen Oberleitungsbus mit dem zukunftsweisenden<br />
Namen Elektromote, stammt aus einer Dampfmaschine,<br />
die mit einem Generator verbunden ist. Diese Energie speist<br />
die zwei Hauptmotoren, die unter dem Kutschbock angeordnet<br />
sind. Heute laufen sie rund. Ein guter Tag. Aber es wird<br />
noch viele Jahre dauern, bis 1900 die Pariser „Compagnie de<br />
Traction“ per TrolleyAutomoteur den planmäßigen Personenverkehr<br />
mit einem Oberleitungsbus aufnimmt.<br />
1. August 1881, Akademie der Wissenschaften, Paris<br />
Mesdames et Messieurs!J’ail’honneur de vouspresenter le<br />
premiervehiculeelectric!<br />
Gustave Trouvé präsentiert das erste Elektromobil vor den<br />
Mitgliedern der Akademie.Die Mitglieder der Akademie sind<br />
zahlreich erschienen, das Interesse ist groß. Der Chemiker<br />
und Elektroingenieur Trouvé berichtet von einem weiteren<br />
Durchbruch in seiner Forschung. Erst ein Jahr zuvor hatte er<br />
hier seinen Bootsmotor vorgestellt. Dieser Außenbordmotor ist<br />
nunmehr zum Fahrzeugantrieb umfunktioniert und läuft dank<br />
des Einsatzes von exzentrisierenden Spulen besonders rund.<br />
Es ist dem ehemaligen Uhrmacher zudem gelungen, das Gewicht<br />
der einzelnen Motorkomponenten drastisch zu reduzieren.<br />
Sein Dreirad kann daher mit zwei der weiterentwickelten<br />
Elektromotoren ausgestattet werden. Den Strom liefern sechs<br />
29. April 1899, Achères bei Paris<br />
Da kommen sie angeschossen!<br />
Camille Jenatzy und die „JamaisContente“ brechen alle<br />
Rekorde.Die Begeisterung der Zuschauer ist mit nichts zu<br />
vergleichen und wahrscheinlich der eigentliche Antrieb des<br />
belgischen Ingenieurs Camille Jenatzy. Der Rennfahrer mit<br />
dem Beinamen „der rote Teufel“ ist auch im bürgerlichen<br />
Leben mit Elektromobilität befasst. Erist Direktor einer Firma,<br />
die elektrische Personen- und Lastfahrzeuge herstellt. Für die<br />
morgige Siegesparade wird er seine „Nie-Zufriedene“ mit<br />
Blumengirlanden schmücken. Das torpedoförmige Gefährt<br />
beschert ihm heute einen Triumph über seinen Konkurrenten<br />
Gaston de Chasseloup-Laubat und einen nationalen Geschwindigkeitsrekord<br />
von 105,882 km/h. Jenatzy hatte sich bei<br />
seinem Entwurf auf dieses Ziel konzentriert.<br />
Exponat 2 - Meilensteine der Elektromobilität<br />
7
Wenig Komfort und viel Leistung in Gestalt zweier 25-kW-<br />
Motoren sind vorgesehen. Strom wird in 82 Fulmen-<br />
Batterie-Elementen mitgeführt.<br />
14. April 1900, Weltausstellung Paris / Österreichischer<br />
Pavillon<br />
Kommen Sie, staunen Sie!<br />
Erleben Sie den Beginn einer transmissionslosen Epoche!<br />
Der Radnabenmotor ermöglicht einen Antrieb ohne<br />
Reibungsverluste. 51 Millionen Besucher strömen von April bis<br />
Oktober 1900 durch die Weltausstellung. Die Elektrifizierung<br />
aller Lebensbereiche bildet einen eigenen Schwerpunkt. Unter<br />
den Hauptattraktionen ist ein österreichisches Automobil zu<br />
bestaunen:Der Lohnerporsche.Hoflieferant und Inhaber der<br />
größten Pferdewagenfabrik der Monarchie, Ludwig Lohner,<br />
hat zur Erschließung des neuen Marktsegments den jungen<br />
Ingenieur Ferdinand Porsche engagiert. Der feiert heute<br />
den Beginn einer großen Karriere. Sein hier präsentierter<br />
Radnabenmotor wird es noch bis zum Mond bringen! Das<br />
Rad selbst ist der Rotor des Gleichstrommotors und macht<br />
Antriebswellen und Getriebe überflüssig. Der 50 km/h<br />
schnelle Wagen ist mit elektrischen Vorderbremsen und einer<br />
Rückfahrsperre ausgestattet. In den USA werden derzeit 40<br />
Prozent aller Fahrzeuge mit Dampfmaschinen, 22 Prozent mit<br />
Benzinmotoren und 38 Prozent mit Elektromotoren betrieben.<br />
17. August 1901, Wien-Floridsdorf / K.u.K. Hofwagenfabrik<br />
Ludwig Lohner & Co.<br />
Ärmel aufgekrempelt! Die Maschinen stehen bereit.<br />
Erst voriges Jahr auf der Weltausstellung vorgestellt, geht der<br />
Lohner-Porsche jetzt in Serie. So aufgeräumt ist die große<br />
Fertigungshalle nur selten. Heute fällt der Startschuss für die<br />
serielle Herstellung des Weltausstellungserfolgs. In den Büroräumen<br />
des Werkes wird bereits an der weiteren Verbesserung<br />
des Lohner-Porsche gearbeitet. Seine Geschwindigkeit lässt<br />
sich nur noch durch Gewichtsreduktion steigern. Eines der<br />
motorisierten Vorderräder allein bringt 115 kg auf die Waage.<br />
Die nötigen Bleibatterien für 50 km Reichweite wiegen 410<br />
kg. Die konsequente Weiterentwicklung wird im kommenden<br />
Jahr der erste „Mixte“-Wagen sein: Ein vierzylindriger<br />
Verbrennungsmotor erzeugt über einen Generator den Strom<br />
für denRadnabenantrieb. Die Kosten für dieses Modell liegen<br />
mit 10.000,- bis 35.000,- österreichischen Kronen je nach<br />
Ausführung deutlich über denen für ein Auto mit Verbrennungsmotor.<br />
(Für eine Krone bekommt man 25 Semmeln oder<br />
3 l Milch)<br />
17. Februar 1911, Dayton Ohio, USA<br />
(Charles Kettering rüstet den ersten GM Cadillac mit einem<br />
Elektrostarter aus.) Erröten Sie, meine Herren Heimwerker!<br />
In seiner kleinen Werkstatt macht Charles Kettering bahnbrechende<br />
Entdeckungen. Ganz Gentleman, vollendet Charles<br />
Kettering heute eine Erfindung, die der Damenwelt hinter das<br />
Steuer der benzinbetriebenen Automobile helfen soll. Sein<br />
„elektrischer Selbst-Starter“ wird soeben in einen GM Cadillac<br />
eingebaut. Er macht das unbequeme und mitunter gefährliche<br />
Starten per Handkurbel überflüssig. Schon bald werden auch<br />
andere Hersteller diese Technik integrieren und damit den<br />
andauernden Erfolg des Verbrennungsmotors begründen.<br />
Kettering hat bereits mit einer ganzen Reihe praktischer<br />
Erfindungen von sich reden gemacht. Unter anderem entwickelte<br />
er einen Motor für elektrische Registrierkassen und den<br />
öffentlichen Münzfernsprecher. Sein Erstberuf ist allerdings<br />
Lehrer. Im Zuge seiner erfolgreichen Karriere als Leiter der GM<br />
Research Corporation, regt „Boss Ket“ daher die Gründung<br />
eines Schulungszentrums zur anwendungsbezogenen Ausbildung<br />
für angehende Ingenieure an. „The worldhateschange,<br />
but itistheonlythingthathasbroughtprogress.“ - Charles<br />
Kettering<br />
8<br />
Exponat 2 - Meilensteine der Elektromobilität
6. Mai 1912, Anderson Electric Car Company, Detroit,<br />
Michigan, USA<br />
Wer möchte das nicht? Fahren wie Clara Ford und J. D.<br />
Rockefeller Jr.!<br />
Der Detroit Electric punktet mit Bequemlichkeit und Schick.<br />
Wir befinden uns auf dem Höhepunkt der Elektroauto-<br />
Produktion: Seit 1907 verlassen bis zu 2.000 Autos<br />
jährlich allein dieses Werksgelände! Insgesamt 20 Hersteller<br />
produzieren dieses Jahr 33.842 Elektroautos. Das Starten ohne<br />
manuellen Anlasser ist ein überzeugendes Argument für den<br />
Detroit-Electric. Obwohl das am meisten verkaufte Modell ein<br />
einsitziger Kutschenwagen ist, steht der Name für Komfort<br />
und Eleganz. Windschutzscheiben aus geformtem Glas runden<br />
sein Erscheinungsbild ab. Die feinen Leute fahren den Detroit<br />
Electric Roadster oder das Modell Brougham (gehandelt ab<br />
2.500,- Dollar). Gegen Aufpreis wird dieses „Baby“ mit einem<br />
Nickel-Eisen-Akkumulator der Firma Edison ausgestattet, der<br />
eine Reichweite von mindestens 130 km erzielt. Mit durchschnittlichen<br />
32 km/h Geschwindigkeit ist er für den Stadtverkehr<br />
genau das Richtige.Während des Ersten Weltkrieges<br />
machen ihn die steigenden Ölpreise zusätzlich beliebt.<br />
11. September 1920, Wohnhaus von Clara und Henry<br />
Ford, Detroit, Michigan USA<br />
Viel Lärm und nicht nur heiße Luft.<br />
Die Benziner setzen sich durch. Sie kommen in Massen.<br />
Während die Fords privat dem Elektro-Auto die Treue halten,<br />
ist es der Benziner Tin Lizzy (Modell T), der ihren wirtschaftlichen<br />
Erfolg begründet. Das 1908 entworfene Modell wird<br />
in den Ford-Fabriken seit 1913 am Fließband produziert. Vor<br />
zwei Jahren (1918) war bereits jedes zweite Auto in den USA<br />
eine Tin Lizzy. Bis 1927 werden es mehr als 15 Millionen<br />
Fahrzeuge sein. Auch in England und Kanada wird sie gebaut.<br />
Sie ist ein internationaler Erfolg. Ein Elektrostarter ermöglicht<br />
(bei warmem Motor) die Zündung des Hinterradantriebs ohne<br />
Kurbeln. Das Öl ist günstig, niedrige Anschaffungskosten von<br />
nur noch 290,- Dollar machen Tin Lizzy zusätzlich beliebt.<br />
Durch Gewinnbeteiligungen und mit überdurchschnittlich<br />
hohen Löhnen bemüht sich Ford zudem die Kaufkraft seiner<br />
Arbeiter zu stärken. Für einen Achtstundentag erhalten sie<br />
sechs Dollar Entgelt.<br />
1. Mai 1941, Geschäftsstraße in Paris<br />
Elektrischer Antrieb belebt den zivilen Verkehr!<br />
Das VoitureLégère de Ville, das „leichte Auto für die Stadt“<br />
VLV macht Schlagzeilen. Zivile Fahrzeuge sind ein seltener<br />
Anblick auf den Straßen von Paris. Unter deutscher Besatzung<br />
ist der Treibstoff rationiert und in den Fabriken von Peugeot<br />
werden unter Aufsicht von Ferdinand Porsche Kleintransporter<br />
für die militärische Nutzung erzeugt. Aber jetzt soll in Sochaux<br />
der VLV hergestellt werden. Das dreirädrige Cabriolet wird<br />
hauptsächlich bei der Post und im Gesundheitsdienst zum<br />
Einsatz kommen. Privatpersonen brauchen eine amtliche<br />
Kaufgenehmigung. Bis Ende des Krieges werden 377 Stück<br />
des Zweisitzers gebaut.Er wiegt nur 350 kg, davon machen die<br />
vier 12V Batterien mit ca. 75 km Reichweite allein 160 kg aus.<br />
Der 3,3 CV Motor sitzt zwischen den Hinterrädern und erlaubt<br />
Höchstgeschwindigkeiten von 36 km/h. Mit einem speziellen<br />
Ladegerät kann der VLV an jeder Steckdose betankt werden.<br />
70 Jahre später wird Peugeot das Konzept des VLV mit dem<br />
BB1 wieder aufgreifen.<br />
3. Mai 1947, Tokyo, Japan<br />
Taxi, Bringen Sie uns in die Stadt der Zukunft!<br />
Auch in Fernost verdankt sich die Entwicklung von Elektromotoren<br />
einer Ölknappheit. Hier geht nichts mehr weiter.<br />
Die unfreiwillige Entschleunigung führt zur Besinnung auf<br />
erneuerbare Energie. Nach dem Pazifikkrieg werden die wenigen<br />
Rohstoffe weiter rationalisiert, andererseits fördert die<br />
Zentralregierung Japans noch unter Kontrolle der Amerikaner<br />
die Entwicklung alternativer Antriebe.In einem ehemaligen<br />
Flugzeugmotorenwerk wurden schon im letzten Jahr elektrisch<br />
betriebene Transporter konstruiert.Heute läuft die lang<br />
erwartete PKW-Version vom Band.<br />
Exponat 2 - Meilensteine der Elektromobilität<br />
9
Der Zweitürer ist mit einer austauschbaren Bleisäurebatterie<br />
ausgestattet und wird nach dem Herstellungsort<br />
„Tama“genannt. 65 km Reichweite und 35 km/h Geschwindigkeit<br />
eignen ihn für den Einsatz im Stadtverkehr beispielsweise<br />
als Taxi. Erst jetzt nach in Kraft Treten des Gesetzes zur<br />
lokalen Selbstverwaltung formiert sich aus der ehemaligen Tachikawa<br />
Airplane Company ein eigenständiges Unternehmen:<br />
die Tokyo ElectricMotorcar Corporation (TōkyōDenkiJidōsha).<br />
Mittels Kreiselkompass und Kilometerzähler können die<br />
Astronauten selbstständig navigieren und zum Landemodul<br />
zurückfinden. Besonderes Augenmerk hat das Boing<br />
Konstruktionsteam um den Physiker Ferenc Pavlics auf die<br />
Beschaffenheit der Räder gelegt. Sie müssen bei unterschiedlichen<br />
Untergrundbedingungen zuverlässig funktionieren. Bei<br />
Durchschnittsgeschwindigkeiten von 13 km/h gewährleisten<br />
die Silberoxid-Zink-Batterien eine Reichweite von 92 km.<br />
1. Oktober 1953, Alexanderplatz, Berlin<br />
Sie haben neue Mail!<br />
Die Post bringt unsere Neuigkeiten motorisiert und nahezu unbemerkt.<br />
Ab sofort umfasst die Flotte der Deutschen Post eine<br />
neue Einheit von Spezial-Elektrowagen. Still und leise werden<br />
neuerdings die Berliner Briefkästen entleert. Die Karosserie<br />
wurde eigens zu diesem Zweck konstruiert: die Fahrerkabine<br />
lässt sich nur auf der rechten Seite öffnen und entlässt<br />
die Beamten sicher und trocken auf den Gehsteig. Auch<br />
andernorts weiß man die geräuscharmen kleinen Elektrobusse<br />
zu schätzen. Oft fahren Sie auf nur drei Rädern und mit<br />
offenem Laderaum, je nach Aufgabe, die sie im städtischen<br />
Nahverkehr übernehmen. In England und den USA werden sie<br />
beispielsweise für die tägliche Milchlieferung genutzt. „Milk<br />
float“ (Milchflotte) werden die Kleintransporter dort liebevoll<br />
genannt. So können Waren und Dienstleistungen in den<br />
frühen Morgenstunden verteilt werden ohne die Nachtruhe in<br />
den Wohngebieten zu stören.<br />
31. Juli /4. August 1971, Der Mond<br />
Farewell Moon-Buggy!<br />
Nach der erfolgreichen Mission bleibt das LRV Mondauto im<br />
All zurück. Im Dienste der Wissenschaft kommt der elektrische<br />
Radnabenmotor nun auf dem Mond zum Einsatz. Das Lunar<br />
RovingVehicle (Mond-Wander-Fahrzeug) wird außen an der<br />
spinnenartigen Mondlandefähre mitgeführt. Nach der<br />
Landung müssen die Räder ausgeklappt und das Fahrzeug<br />
per Seilzug zu Boden gelassen werden. Der zweisitzige LRV<br />
erlaubt bemannte Erkundungstouren in die Umgebung.<br />
13. November 1967, Stuttgart<br />
Schön, dass Sie Zeit gefunden haben!<br />
Im kleinen Kreis wird die Entwicklung deutscher Prototypen<br />
für den Hybrid-Antrieb beschieden. „Streng vertraulich“ steht<br />
über dem Protokoll der heutigen Sitzung der Elektromobil-<br />
Elite. Ein gemeinsames Entwicklungsprojekt der Konzerne<br />
Daimler Benz und Volkswagen führt die Herren zusammen. Sie<br />
möchten gegenüber neuen Umweltschutzvorschriften in den<br />
USA gewappnet sein. Die Entwicklung eines Hybrid-Antriebs<br />
für Stadtbusse und Transporter soll also in Auftrag gegeben<br />
werden. Man hofft in diesem Sinn auf ein neuartiges Speichersystem<br />
für Wasserstoff aus Genf. Aber auch die hiesigen<br />
Bemühungen Kraftstoffverbrauch, Lärm- und<br />
Schadstoffemissionen zu verringern sind vielversprechend!<br />
Der 24-Stunden-Betrieb eines Stadtbusses erscheint nach Untersuchungen<br />
bei Daimler Benz durch die Kombination eines<br />
Generators mit einem 4-Zylinder-Diesel-Antriebsmotor bereits<br />
möglich. Bei etwa 50 PS Leistung entspräche das Batterievolumen<br />
eines solchen Modells dem eines Fahrzeugs mit reinem<br />
Elektro-Antrieb bei stündlicher Aufladung.<br />
26. August 1972, Olympische Spiele, München (Eröffnungsdatum)<br />
Auf die Plätze – Fertig – Los!<br />
BMW setzt mit der Ausstattung der Sportveranstaltung ein<br />
Zeichen für die Zukunft der Automobilindustrie. Die<br />
olympischen Sommerspiele sind ein gesellschaftliches Groß-<br />
Ereignis. Mehr als 7.000 Teilnehmer werden erwartet. Doch es<br />
wird nicht nur um sportliche Höchstleistungen gehen.<br />
10 Exponat 2 - Meilensteine der Elektromobilität
Der Autohersteller BMW wartet mit einem besonderen<br />
Olympioniken auf: Eine Flotte orangefarbener Elektro-<br />
Begleitfahrzeuge.Gerade wird die Studie „Die Grenzen des<br />
Wachstums“ des Club ofRome veröffentlicht. Unterdessen<br />
könnte hier der Startschuss für ein allgemeines Umdenken<br />
in der Fahrzeugtechnologie gefallen sein. Die 1602-Serie ist<br />
BMWs aktuelles Breitenangebot. Bald schon könnte das Auto<br />
auch für Normalverbraucher mit Elektromotor ausgestattet<br />
werden. Noch sind Reichweiten und Geschwindigkeit<br />
beschränkt. Trotz 350 kg schweren Blei-Batterien kommt man<br />
bei 50 km/h nur 60 km weit. Aber die Forschung läuft bereits<br />
auf Hochtouren. Die Ölpreiskrisen der 1970er Jahre sorgen für<br />
die nötige Konjunktur.<br />
26. März 1995, Strassburg, Deutsch-Französische Grenze<br />
(Schengenabkommen)<br />
Chapeau! Hut ab, liebe Nachbarn!<br />
In Frankreich baut man einen Vorsprung in Sachen Elektromobilität<br />
aus. Ohne Passkontrolle können wir die Staatsgrenze<br />
passieren. Ein Unterschied zwischen den Nationen scheint<br />
jedoch zu wachsen: Peugeot-Citroën stellt als einziger<br />
Autobauer in Europa serienmäßig Elektrofahrzeuge für den<br />
freien Markt her. 10.000 Fahrzeuge werden dort in den<br />
kommenden 10 Jahren vom Band laufen. Mit 90 km/h Höchstgeschwindigkeit<br />
bei 85 km Reichweite ist der Peugeot 106<br />
Electric für den Stadtverkehr ausgelegt. Er lässt sich an jeder<br />
Haushaltssteckdose betanken. In Deutschland hingegen wird<br />
die Produktion des VW Golf CitySTROMers nach gerade 120<br />
Stück eingestellt. Der Kompaktwagen ist als Einsatzfahrzeug<br />
der Energieversorger vorgesehen. Ein Blei-Gel-Akkusatz mit<br />
96 Volt Blockspannung würde Reichweiten bis 70 km bei 100<br />
km/h erlauben. Ein europäisches Verbot von Nickel-Cadmium-<br />
Akkus wird wiederum der Weiterentwicklung des 106 Electric<br />
im Jahr 2005 ein vorläufiges Ende setzen.<br />
27. Oktober 1995, Tokio Motor Show, Chiba City, Japan<br />
Ein Traum wird wahr:Takeshi Yaegashi überbrückt die Kluft<br />
zwischen elektrischen und benzinbetriebenen Motoren.<br />
„Träum den Traum!“ unter diesem Motto steht die 31.<br />
Japanische Automobil-Messe 1995. Japan hat ein großes<br />
Erdbeben überstanden und steht unter dem Schock eines<br />
Giftgas-Anschlags auf die Tokioter Untergrundbahn. Die Dauer<br />
der Messe wird aus Sicherheitsgründen um zwei Tage verkürzt<br />
– dafür die Öffnungszeiten erweitert. Denn zigtausende<br />
Menschen wollen die Messe nach Feierabend besuchen.<br />
Minivans und Rennautos dominieren die Show. Das Toyota<br />
Entwickler-Team „G21“ um Ingenieur Takeshi Yaegashi („Mr.<br />
Hybrid“) stellt seinen ersten Prototypen mit Hybrid-Antrieb<br />
vor: den Toyota Prius. Bereits in einem Jahr beginnen die<br />
Testfahrten und ab Dezember 1997 ist das Modell NHW10 in<br />
japanischen Autohäusern erhältlich. Privatleute importieren es<br />
bis nach Europa. Der Benzinmotor lädt bei Normalbetrieb via<br />
Generator den Nickel-Metallhydrid Akku auf, der für stärkere<br />
Leistung den zugeschalteten Elektromotor antreibt.<br />
2. Oktober 1996, General Motors, Detroit USA<br />
Exzellent wider Willen?<br />
General Motors gibt den EV1 nur unter Vorbehalt in die<br />
Hände seiner Kunden. Wer heute eines der ElectricVehicles 1<br />
von General Motors haben will, muss eine Extra-Klausel unterzeichnen,<br />
die es dem Unternehmen erlaubt, das Fahrzeug<br />
binnen drei Jahren wieder einzuziehen. Vor sechs Jahren hat<br />
die Kalifornische Regierung ein neues Umweltgesetz verabschiedet,<br />
das die Entwicklung des Null-Emissions-Autos erzwingen<br />
soll. Noch ist kein Aufatmen zu spüren, obwohl GM<br />
mit dem EV 1 ein tatsächlich serienreifes Fahrzeug vorgelegt<br />
haben. Der Zweisitzer ist mit den von Ovonics patentierten<br />
NiMH-Akkumulatoren ausgestattet. Spitzengeschwindigkeiten<br />
von 129 km/h und Reichweiten von über 200 km stellen einen<br />
echten Durchbruch in der Elektroauto-Technologie dar.<br />
Exponat 2 - Meilensteine der Elektromobilität 11
Umweltschutz-Organisationen kündigen an, große Stückzahlen<br />
abzunehmen. Warum also ist der EV1 nur unter<br />
einer Rückrufvereinbarung zu bekommen? Was bewegt den<br />
Konzern?<br />
9. September 2009, Forum Elektromobilität e.V., Spree<br />
Palais, Berlin<br />
Her mit den neuen Erfindungen!<br />
Eine Million Elektrofahrzeuge sollen bis 2020 auf Deutschlands<br />
Straßen unterwegs sein.Die Herausforderungen sind klar<br />
umrissen. Anlässlich der festlichen Eröffnung des Forums<br />
Elektromobilität werden sie vielstimmig aufgerufen. Neue<br />
Konzepte auf allen Wertschöpfungsstufen im Bereich Elektromobilität<br />
sind gefragt. Energie-Erzeugung, Verteilung und<br />
Transport, Betankung, Speicherung, Infrastruktur, Nutzung,<br />
Abrechnung und Ausbildung müssen überdacht und aufeinander<br />
abgestimmt werden. Um auf diesen Gebieten Visionen<br />
zu entwickeln und sie auch mit Leben zu erfüllen, müssen<br />
Menschen unterschiedlicher Gruppen zusammen kommen.<br />
Zu diesem Zweck wurde das Forum als Verein und Teil der<br />
Fraunhofer Systemforschung gegründet, dem 33 Institute<br />
und ein Beirat aus Vertretern der Wirtschaft angeschlossen<br />
sind. Neue Ideen und Kenntnisse sollen hier gebündelt und<br />
in Umlauf gebracht werden.Im Rahmen des „Nationalen<br />
Entwicklungsplans Elektromobilität“ unterstützt die deutsche<br />
Bundesregierung das Vorhaben mit 30 Millionen Euro.<br />
1. Mai 2010, Expo, Shanghai, China<br />
Wenn der nächste Bus kommt, steigen wir zu!<br />
Die Megacities von morgen stehen im Fokus der Expo 2010<br />
in Shanghai. Das Thema der diesjährigen Expo ist die Suche<br />
nach der harmonischen Stadt. Angesichts der Vielfalt urbaner<br />
Kulturen stellt Elektromobilität eine übergreifende und<br />
internationale Herausforderung dar. Die Zahl der Städte mit<br />
mehr als 5 Mio Einwohnern wird wachsen. Weltweit werden<br />
deshalb lokale Entwicklungsziele für die Anpassung der<br />
Verkehrsaufkommen angepeilt. Hier in China sollen es jährlich<br />
1.000 Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen sein.<br />
Seit fünf Jahren (2005) zeichnet sich mit der Entwicklung<br />
und Massenproduktion von Lithium-Ionen Akkumulatoren<br />
tatsächlich ein neuerlicher „Hype“ ab.<br />
Elektro-Kleinbusse der Firma Volvo und Spezialfahrzeuge der<br />
Nanjing Automobile Groupe prägen das Bild der Weltausstellung.<br />
SAIC-General Motors stellt im eigenen Pavillion mobile<br />
Einzeller vor. Insgesamt aber, bemerken Kritiker, verhalte sich<br />
die Automobilindustrie gegenüber der Expo-Öffentlichkeit<br />
eher zurückhaltend.<br />
3. Oktober 2039, Hackescher Markt, Berlin<br />
Machen Sie sich ein Bild, überzeugen Sie sich selbst!<br />
Obwohl die Zeit längst reif war, hat die Geschichte des Elektromotors<br />
einige Umwege genommen.Alles ist leiser geworden.<br />
Die Wege sind dieselben, doch wer sich erinnert, atmet auf.<br />
Staubschutzmasken, Ölpest und Grubenunglücke sind<br />
Geschichte. Auch die Angst vor dem Supergau ist im Strudel<br />
der Zeiten entschwunden. Der Strom in Deutschland wird aus<br />
Windenergieanlagen im Norden, von Sonnenkollektoren und<br />
Wasserkraftwerken im Süden in intelligente Netze eigespeist.<br />
Gegenwärtige Akkumulatoren verfügen über eine optimale<br />
Energiedichte. Als dezentrale Speicher erlauben sie das Abfedern<br />
natürlicher Produktionsschwankungen. Verbraucher sind<br />
aktive Teilnehmer am Energiemarkt. So hat sich das Zusammenleben<br />
insgesamt verändert. Unterschiedliche Bedürfnisse<br />
können kurzfristig aufeinander abgestimmt werden. Mit<br />
dem Technologiewandel hat sich auch das Zusammenleben<br />
verändert. Auto-Staus haben dank effizienter öffentlicher<br />
Nahverkehrsangebote Seltenheitswert. Es geht uns gut.<br />
12 Exponat 2 - Meilensteine der Elektromobilität
Exponat 3<br />
Geschichte und<br />
Grundlagen der<br />
Batterie<br />
Text der Aufsichtsgrafik am Exponat 3<br />
Geschichte der Batterietechnologie<br />
1789 Luigi Galvani<br />
Frosch-Experiment: Die Entdeckung des animalischen Magnetismus.<br />
Galvani fiel bei Experimenten 1789 auf, dass Froschbeine zu<br />
zucken beginnen, wenn sie mit zwei verschiedenen Metallen<br />
in Berührung kommen. Er schloss daraus auf einen Zusammenhang<br />
zwischen Elektrizität und Muskeltätigkeit.<br />
1831 Michael Faraday<br />
Aus Bewegung entsteht Strom: Entdeckung der Induktion<br />
Zehn Jahre nach seiner Erkenntnis, dass aus Strom mechanische<br />
Bewegung entstehen kann, entdeckte Faraday 1831 das<br />
Prinzip der elektromagnetischen Induktion: Bewegt sich ein<br />
elektrischer Leiter quer zu einem Magnetfeld, so wird in dem<br />
Leiter eine elektrische Spannung induziert.<br />
1836 John Frederic Daniell<br />
Entdeckung des Daniell-Elements/Galvanische Zelle<br />
1800 Alessandro Volta<br />
Voltasche Säule: Die erste funktionierende Stromquelle<br />
Voltas bahnbrechende Erfindung ist die um 1800 konstruierte<br />
Voltasche Säule. Dieser Vorläufer der Batterie besteht aus<br />
übereinander geschichteten Kupfer- und Zinkplatten, zwischen<br />
denen sich mit Salzwasser getränkte Papp- oder Lederstücke<br />
befinden.<br />
1802 Johann Wilhelm Ritter<br />
Rittersche Säule: Der erste Akkumulator<br />
Ritter entwickelte 1802 den ersten Stromspeicher. Die<br />
Rittersche Säule besteht aus übereinander geschichteten<br />
Kupfer- und Kartonscheiben, die in einem Gefäß mit einer<br />
Salzlösung liegen. Sie kann mit Strom aufgeladen werden und<br />
gibt beim Entladen Strom ab.<br />
1820 André Marie Ampère<br />
Entdeckung des Elektromagnetismus<br />
Ampère bemerkte 1820, dass sich zwei parallele, vom Strom<br />
in die gleiche Richtung durchflossene, Drähte anziehen. Fließt<br />
Strom durch ringförmige Drähte, dann entsteht ein Magnetfeld.<br />
Je mehr Wicklungen die Spulen haben, desto stärker ist<br />
das Magnetfeld.<br />
Daniell entdeckte 1836 das nach ihm benannte Daniell-<br />
Element. Er tauchte eine Zinkelektrode in eine Zinksulfatlösung<br />
sowie eine Kupferelektrode in eine Kupfersulfatlösung und<br />
verband beide leitend miteinander, so dass ein elektrischer<br />
Strom floss. Es war in den folgenden Jahren eine der wichtigsten<br />
Stromquellen.<br />
1850 Josef Sinsteden<br />
Erfindung des Bleiakkumulators<br />
Sinsteden entwickelte 1850 den ersten Bleiakkumulator. Er<br />
gab zwei Bleiplatten, die sich nicht berührten, in ein Gefäß mit<br />
verdünnter Schwefelsäure und schloss eine Spannungsquelle<br />
an. Durch ständiges Laden und Entladen entstand daraus ein<br />
Akkumulator, der bereits eine nennenswerte Kapazität besaß.<br />
1859 Gaston Planté<br />
Weiterentwicklung des Bleiakkumulators<br />
Der Bleiakkumulator wurde von Planté durch die spiralförmige<br />
Anordnung der Bleiplatten erheblich weiterentwickelt. Diese<br />
ist auch heute noch in Akkumulatoren zu finden.<br />
Bis zu einer industriellen Nutzung vergingen allerdings noch<br />
zwanzig Jahre (1887 wurde von Adolph Müller die erste<br />
Akkumulatorenfabrik Deutschlands gegründet, heute bekannt<br />
als VARTA).<br />
Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie<br />
13
1866 Georges Leclanché<br />
Erfindung der „Leclanché-Zelle“/Braunstein-Zink-Element<br />
1990<br />
Kommerzialisierung von Nickel-Metallhydrid-Batterien<br />
Leclanché erfand das Leclanché-Element, das er 1866 patentieren<br />
ließ. Das Leclanché-Element besteht aus einer Anode<br />
aus Zink, einem Elektrolyt aus Ammoniumchlorid, und einer<br />
Kathode aus Graphit. Die Kathode ist zum Elektrolyt hin durch<br />
Mangandioxid (Braunstein) umgeben, der als Depolarisator<br />
wirkt. Verbesserungen führten zu einem gelierten Elektrolyt<br />
und machten es zu einem Vorläufer der heute üblichen<br />
Trockenbatterien.<br />
Nickel-Metallhydrid-Batterien werden seit 1990 in leistungsfähigen<br />
Elektroautos und Hybridfahrzeugen eingesetzt und<br />
serienmäßig hergestellt. Der Toyota Prius NHW11 verfügt<br />
über einen solchen Speicher mit über 200 V und 6,5 Ah zur<br />
Versorgung eines 33-kW- Elektromotors.<br />
1991<br />
Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren<br />
1887 Carl Gassner/Paul Schmidt<br />
Erfindung von Trockenzellen<br />
Die Trockenbatterie in ihrer heutigen Form geht auf die Erfindung<br />
von Gassner im Jahre 1887 zurück. 1901 entwickelte<br />
Schmidt die Trockenbatterie für Taschenlampen. Trockenbatterien<br />
sind die häufigsten Energiequellen für transportable<br />
elektrische Kleingeräte.<br />
Bereits 1989 wurde in Deutschland ein Patent fr einen Lithium-<br />
Ionen-Akkumulator angemeldet. Der erste kommerziell<br />
erhätliche Li-Ionen-Akku wurde allerdings erst im Jahr 1991<br />
vom Hersteller Sony auf den Markt gebracht und in einer<br />
Videokamera eingesetzt.<br />
1992<br />
Kommerzialisierung von Alkali-Mangan-Batterien<br />
1899 Waldemar Jungner<br />
Erfindung der Nickel-Cadmium-Batterie<br />
Jungner entwickelte 1899 den Nickel-Cadmium-Akkumulator.<br />
Neu war nicht nur die Wahl der Elektrodenmaterialien,<br />
sondern dass der Elektrolyt sich kaum verändert und dadurch<br />
weniger schnell altert. Für den Betrieb eines Fahrzeugs war die<br />
Batterie noch zu schwach.<br />
Die Alkali-Mangan-Batterie ist ein technischer Nachfahre des<br />
Leclanché Elements. Dank ihrer deutlich höheren Kapazität,<br />
besseren Belastbarkeit und längeren Lagerfähigkeit ist sie in<br />
vielen Anwendungsbereichen an die Stelle der Zink-Kohle-<br />
Batterie getreten.<br />
1947 Georg Neumann<br />
Erfolgreiches Versiegeln der Nickel-Cadmium-Batterie<br />
Dieses 1947 von Georg Neumann zur technischen Reife<br />
geführte Herstellungsverfahren ermöglichte es erstmals Nickel-<br />
Cadmium- Akkumulatoren gasdicht zu verschließen. Blitz,<br />
Kamera, Radio oder Hörgerät konnten nun mit diesem kleinen<br />
Akku betrieben werden.<br />
14 Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie
Anwendungstext im Exponat 3<br />
Geschichte und Grundlagen der<br />
Batterie<br />
Einführung: Zurück in die Zukunft<br />
Strom macht mobil. Vor gut zweihundert Jahren begann ein<br />
neues Zeitalter: Der italienische Physiker Alessandro Volta<br />
hatte entdeckt, dass in bestimmten Flüssigkeiten zwei Metalle<br />
Ladungen tauschen – eine stete elektrische Kraft.<br />
Kurz danach entdeckte der Brite Michael Faraday den<br />
Elektromagnetismus. Damit legte er die Grundlagen für<br />
den Elektromotor. Schon in den 1830er Jahren sollen erste<br />
elektrische Fahrzeuge gerollt sein, wenn auch nur als Modelle<br />
Im Jahr 1881 stellte der französische Erfinder Gustave Trouvé<br />
dann auf der Internationalen Elektrizitätsausstellung in Paris<br />
ein dreirädriges Elektromobil vor. Als 1892 der Dieselmotor<br />
kam, setzte der sich erst mit der Erfindung des elektrischen<br />
Anlassers, dem Angebot billigen Öls und vor allem nach<br />
intensiver Werbung durch: In ihm finden viele kleine Explosionen<br />
statt. Die Menschen hatten Angst vor dem Knallen.<br />
Nach einem Jahrhundert Verbrennungsmotor startet nun das<br />
Elektroauto wieder voll durch. Der Schlüssel: die Batterie.<br />
Grundlagen<br />
Funktionsweise<br />
Typisch Batterie<br />
Das Prinzip ist stets gleich: Eine Batterie speichert chemische<br />
Energie und wandelt sie in elektrische um. An einen Stromkreis<br />
angeschlossen, stellt die Batterie elektrische Energie nach<br />
außen zur Verfügung. Im Inneren läuft eine chemische Reaktion<br />
ab. Sie liefert stetig neue Energie nach – bis die Batterie<br />
entladen ist. Ewig Strom liefert sie also nicht, aber ausreichend<br />
lang, um Taschenlampen, Handys und heute sogar Autos für<br />
eine gewisse Zeit anzutreiben.<br />
Sauer macht Strom<br />
Was macht eine Batterie aus? Zum Beispiel Säure und zwei<br />
verschiedene Metalle – etwa zwei Nägel aus Kupfer und Zink<br />
in eine saftige Zitrone gepiekst. Werden die Nägel außen verkabelt,<br />
startet in der Frucht eine chemische Reaktion: Es sind<br />
elektrische Ladungen unterwegs. Zink gibt sie ab und Kupfer<br />
sammelt sie ein und so fort. Durch den Zitronensaft fließt<br />
Strom – ein recht schwacher allerdings: Die Zitronenbatterie<br />
schafft gerade einmal 1,1 Volt. Dabei fließt auch nur ein sehr<br />
geringer Strom von wenigen Milliampere. Um damit ein Auto<br />
voranzutreiben, müsste man viele Hundert Zitronenbatterien in<br />
Reihe und wahrscheinlich Tausende parallel schalten – zumindest<br />
theoretisch.<br />
Vom Frosch zur Gleichspannung<br />
Jede Stromquelle aus zwei unterschiedlichen Metallpolen<br />
und einer leitenden Lösung heißt „galvanisches Element“.<br />
Namenspate ist ein italienischer Arzt: Luigi Galvani hatte 1789<br />
Froschschenkel elektrisch zum Zucken gebracht. Wie das? Der<br />
Forscher hatte zufällig mit zwei verschiedenen Metallen einen<br />
Nerv berührt. Über das Salzwasser im Froschbein floss Strom,<br />
die Muskeln zogen sich spontan zusammen.<br />
Info-Box – Grundprinzip<br />
Zwei Nägel, eine Zitrone, ein äußerer Draht – und die<br />
Glühlampe brennt: Zwischen den Nägeln gehen elektrische<br />
Ladungen auf Wanderschaft.<br />
Elektrochemische Reaktion<br />
In einer Batterie findet eine Tausch-Reaktion statt: Die<br />
einzelnen, winzigen Bausteine eines „unedlen“ Metalls<br />
„verschenken“ negative Ladungen.<br />
Der Stoff selbst löst sich dabei nach und nach auf.<br />
Ein anderes, „edleres“ Metall, das vergleichsweise positiv<br />
geladen ist, sammelt die Ladungen ein. Dazwischen baut sich<br />
eine Spannung auf, die weitere Elektronen in Bewegung setzt:<br />
Es fließt Strom bis das gebende Metall aufgelöst ist.<br />
Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie<br />
15
Infoboxen<br />
Oxidation<br />
Die Zinkbausteine werden oxidiert und gehen als positiv<br />
geladene Teilchen in die Lösung über: Dabei gibt die Zinkelektrode<br />
negative Ladungen ab – die Elektronen. Diese können<br />
elektrische Arbeit über den äußeren Stromkreis verrichten, der<br />
elektrischen Verbindung zwischen den beiden Metallen. Weil<br />
das Zink dabei aber so viel positive Ladung „verschenkt“, lädt<br />
sich der Nagel negativ auf.<br />
Reduktion<br />
Der Kupfernagel sammelt über den äußeren Stromkreis<br />
dagegen ständig Elektronen ein. Die positiv geladenen<br />
Säureprotonen im Zitronensaft ziehen diese Elektronen an und<br />
neutralisieren sie zu Wasserstoff, der entweicht. Das Kupfer<br />
lädt sich dabei positiv auf und die Säure wird bei diesem<br />
Aufladevorgang „verbraucht“.<br />
Ladungstausch<br />
Die beiden verschiedenen Ladungen wollen sich ausgleichen.<br />
Wird außen ein Verbraucher angeschlossen, zum Beispiel eine<br />
Glühlampe, wandern Elektronen über diese Brücke vom Zinkzum<br />
Kupfernagel – vom Minus- zum Pluspol. In der Zitrone<br />
wandern dagegen positive Ladungen: Ionen aus dem Zink in<br />
den Elektrolyten und dessen Protonen zum Kupfer.<br />
Die Bausteine<br />
Ohne äußeren Verbraucher sind die Ladungen im Gleichgewicht.<br />
Der Kupferdraht ist „satt“ an Elektronen, der Zinknagel<br />
liefert keine neuen nach – bis der Schalter kippt: Ein äußeres<br />
Gerät zieht Energie ab. Die chemische Reaktion kommt in<br />
Gang. Sie läuft und läuft und läuft – bis man ausschaltet oder<br />
bis der Zinknagel aufgelöst ist beziehungsweise die Protonen<br />
verbraucht sind.<br />
So laden sie auf<br />
Geht das Ganze auch umgekehrt? Kann man von außen<br />
neue Energie in die Batterie bringen? Das geht – zumindest<br />
bei speziellen Batterien. Elektrolyse heißt dieser umgekehrte<br />
Prozess. Dabei zwingt ein äußerer elektrischer Strom die<br />
Entladungsreaktionen in die Gegenrichtung. Bei der Zitronenbatterie<br />
allerdings ist nach einmal Entladen Schluss.<br />
Infoboxen<br />
Anode<br />
Auf Griechisch sind an der Anode negative Ladungen wörtlich<br />
„nach oben unterwegs“: Der Zinkpol leitet negative Ladung<br />
nach außen ab – und gibt zugleich positiv geladene Zink-Ionen<br />
die Elektrolytlösung nach.<br />
Kathode<br />
An der Kathode „steigen“ griechisch wörtlich Elektronen „hinab“:<br />
Der Kupferpol nimmt negative Ladungen von außen auf<br />
und gibt sie wieder zurück an die Protonen, an die positiven<br />
Teilchen in der Batterieflüssigkeit.<br />
Elektrolyt<br />
Fachleute nennen eine Flüssigkeit mit frei beweglichen<br />
Ladungen Elektrolyt. In reinem Wasser sind keine Ladungen<br />
unterwegs: Reines Wasser leitet nicht. Das tut es erst, wenn<br />
darin Stoffe gelöst sind: beim Zitronensaft die positiv geladenen<br />
Teilchen der Säure, die Protonen.<br />
Separator<br />
Der Separator trennt die beiden Pole, damit es in der Batterie<br />
keinen „Kurzen“ gibt. Elektronen kommen nicht durch,<br />
positive Ladungen, die Ionen, aber schon. Die Zitrusbatterie<br />
hat gleich mehrere Separatoren: die Häutchen zwischen den<br />
Fruchtfleischkammern.<br />
16 Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie
Das Wichtigste ganz kurz<br />
Das System Batterie<br />
In allen Batterien findet eine chemische Reaktion statt. Zwei<br />
Materialien tauschen Ladungen aus. Auch die Bausteine sind<br />
immer gleich. Es gibt die zwei Elektroden: Die Anode, die Elektronen<br />
nach außen abgibt, und die Kathode, die Elektronen<br />
von außen holt. Innerhalb der Batterie leitet ein Elektrolyt die<br />
positiven Ladungen. Damit wirklich ein Stromkreis entsteht<br />
und Anode und Kathode nicht direkt miteinander reagieren,<br />
sind sie durch einen Separator getrennt.<br />
Die Bunte Welt der Batterie<br />
Wenn sich doch alles gleicht – warum dann überhaupt<br />
verschiedene Batterien? Unterschiedliche Elemente und Materialien<br />
reagieren verschieden miteinander. Je nachdem, woraus<br />
die einzelnen Bausteine der Batterie bestehen, ändern sich ihre<br />
Eigenschaften: Sie leisten anderes, sie arbeiten unter anderen<br />
Bedingungen oder sie „leben“ unterschiedlich lang. Heute<br />
gibt es ein ganzes Arsenal verschiedener Batterien – jede kann<br />
etwas anderes gut und jede hat ihr eigenes Zipperlein.<br />
Systeme<br />
Die Welt der Batterien<br />
Die ideale Batterie ist klein und leicht. Sie lässt sich preisgünstig<br />
herstellen und speichert möglichst viel Energie. Die gibt sie<br />
nicht nur einmal ab, sondern sie lässt sich immer wieder aufladen<br />
und das möglichst jahrelang, am besten sogar ohne jeden<br />
Verlust an Speichervermögen. Sie arbeitet bei Hitze, aber auch<br />
wenn es friert. Wartung natürlich überflüssig. All das leisten<br />
Batterien – jeder Typ kann etwas anderes besonders gut.<br />
Ex und hopp! Oder zurück auf los?<br />
Manche Batterien spulen ihre chemische Reaktion einmal<br />
komplett ab, dann ist Schluss – wie beim Zitronenmodell. Sie<br />
heißen primäre Batterien. Sekundäre Batterien, Akkus, holen<br />
sich verbrauchte Energie zurück.<br />
Dazu wird eine umgekehrte Außenspannung gebraucht: Dabei<br />
läuft die chemische Reaktion quasi rückwärts ab. Die Batterie<br />
kehrt in ihren Ursprungszustand zurück.<br />
Infoboxen<br />
Zink-Kohle – Die Spielzeugbatterie<br />
Alkali-Mangan – Die Alltags-Konkurrenz<br />
Nickel-Cadmium – Das standhafte PowerPack<br />
Blei – Der Auto-Klassiker<br />
Natrium-Nickelchlorid – Die tierisch Heiße<br />
Nickel-Metallhydrid – Das Übergangsmodell<br />
Lithium-Ionen – Die Zukunftsträchtige<br />
Zink-Kohle-Batterie<br />
Kleine Taschenlampe, brenn – Die Spielzeugbatterie<br />
Mit ihr brummen Teddys, klingeln Wecker, leuchten<br />
Taschenlampen oder fahren Autos – Letzteres allerdings<br />
nur in Miniaturformat: Die Zink-Kohle-Batterie ist die ideale<br />
Spielzeugbatterie. Einmal leer, wirft man sie weg. Sie ist gut<br />
geeignet für nur zeitweise genutzte Geräte, die wenig Strom<br />
verbrauchen. Und sie lässt sich preiswert herstellen. Allerdings<br />
ist sie anfällig auszulaufen. Heute wird sie daher oft durch die<br />
Alkali-Mangan-Batterie ersetzt.<br />
Infoboxen<br />
Die Anode<br />
Die negative Elektrode ist ein Becher aus Zink: Beim Kontakt<br />
mit Salmiak-Lösung (Elektrolyt) löst er sich auf. Die Zinkatome<br />
stoßen negative Ladungen ab und gehen dann als positive<br />
Teilchen in die Lösung.<br />
Deswegen bekommen diese Batterien oft ein Leck.<br />
Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie 17
Die Kathode<br />
Die positive Elektrode ist ein Kohlestab, eingehüllt in Braunstein<br />
– chemisch Manganoxid: Die Manganteilchen nehmen<br />
negative Ladungen auf. Dafür ist Wasser nötig. Das steckt in<br />
der Elektrolyt-Lösung.<br />
Der Elektrolyt<br />
Dickliche, ätzende Salmiaksäure: Beim Kontakt damit löst sich<br />
der umgebende Zinkbecher auf. Deswegen bekommen diese<br />
Batterien oft ein Leck.<br />
Der Separator<br />
Eine Pappe kleidet den Zinkbecher aus: Sie ist mit der Salmiak-<br />
Lösung getränkt und trennt zugleich die Elektroden. Die Papp-<br />
Poren lassen geladene Teilchen durch (Ionen), aber einfache<br />
negative Ladungen nicht, doch die Pole berühren sich nicht.<br />
Alkali-Mangan-Batterie<br />
Mehr Leistung, weniger Verlust – Die Alltagskonkurrenz<br />
Leistungsfähiger und jahrelang lagerbar: Gegenüber dem<br />
Zink-Kohle-Modell hat die Alkali-Mangan-Batterie im Alltagsgebrauch<br />
eindeutig die Nase vorn. Sie arbeitet bei hohen und<br />
niedrigen Temperaturen, läuft praktisch nie aus und speichert<br />
doppelt so viel Energie. Vor allem bei Geräten, die lange ohne<br />
Batteriewechsel laufen sollen oder die kurzzeitig viel Energie<br />
brauchen, macht sie dem Zink-Kohle-Modell Konkurrenz.<br />
Doppelt begabt<br />
Die Alkali-Mangan-Batterie ist eine Wegwerfbatterie, die am<br />
weitesten verbreitete sogar. Doch sie kann auch anders: Sie<br />
lässt sich durchaus wieder aufladen. In dieser Form ist sie als<br />
Rechargeable Alkaline Manganese-Batterie (RAM) im Handel.<br />
Allerdings quillt beim Laden oft ätzende Lauge heraus. Die<br />
RAM-Batterie hat sich deswegen nicht durchgesetzt.<br />
Infoboxen<br />
Die Anode<br />
Die negative Elektrode ist Zinkpaste: Das Zink zerfällt und gibt<br />
negative Ladungen ab. Ein Nagel aus Messing oder Kupfer<br />
leitet diese über den Batterieboden nach außen.<br />
Die Kathode<br />
Gepresstes Pulver, gemischt aus Braunstein (Manganoxid)<br />
und Grafit, getränkt mit Alkalilauge. Die Braunstein-Teilchen<br />
nehmen die negativen Ladungen auf.<br />
Der Elektrolyt<br />
Als Elektrolyt dient konzentrierte Kalilauge, mit der der<br />
Separator sowie Plus- und Minuspol getränkt sind.<br />
Der Separator<br />
Zwischen der Anode im Kern der Batterie und der Kathode<br />
außen sitzt ein Faservlies: Die Reaktions-Elektroden berühren<br />
sich nicht, die Laugen-Ionen (OH-) kommen aber durch.<br />
Nickel-Cadmium-Akku<br />
Wenn andere aufgeben – Das standhafte PowerPack<br />
Er ist einer der Helden unter den Stromspeichern: Für seine<br />
Größe liefert der Nickel-Cadmium-Akku vergleichsweise viel<br />
Strom. Er kann Jahre lagern und arbeitet trotzdem noch gut.<br />
Obendrein ist er enorm kältefest: Selbst Temperaturen von bis<br />
zu minus vierzig Grad trotz er noch! Weil er so unempfindlich<br />
ist, benutzt ihn zum Beispiel das Militär häufig als<br />
Starterbatterie.<br />
Auf und nieder, immer wieder<br />
Die Nickel-Cadmium-Zelle ist wieder aufladbar – sogar<br />
mehrere Tausend Mal und schnell: 15 Minuten, dann ist zum<br />
Beispiel ein Bohrmaschinen-Akku voll wieder da. Nicht immer<br />
allerdings. Es kann ein Memory-Effekt eintreten: Der Akku<br />
merkt sich, wenn er nicht vollständig entladen wurde. Dann<br />
liefert er weniger und meldet rascher Ladebedarf an.<br />
18 Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie
Für schnurlose Telefone, elektrische Zahnbürsten und schweres<br />
Elektrowerkzeug hieß das rauf auf die Ladestation und weiter<br />
ging’s – bis vor einigen Jahren das Alltags-Aus für den Akku<br />
kam.<br />
Ausgedient: Verbot für den PowerPack<br />
Cadmium ist giftig und krebserregend. Es belastet die Umwelt<br />
dauerhaft: Denn das Element baut sich nicht ab, sondern<br />
reichert sich an. Deswegen hat der Nickel-Cadmium-Akku<br />
heute weitgehend ausgedient. Die EU hat Akkus verboten,<br />
deren Cadmiumanteil mehr als 0,002 Prozent der Batteriemasse<br />
ausmacht – ausgenommen Akkus für Notstromsysteme,<br />
medizinische Geräte oder Werkzeuge.<br />
Infoboxen<br />
Die Anode<br />
Ein feines Stahlblech mit einem Überzug aus Cadmium-Pulver:<br />
Das metallische Cadmium wird oxidiert und gibt Ladungen ab.<br />
Es entsteht Cadmiumhydroxid, ein weißer, fester Belag.<br />
Die Kathode<br />
Eine Platte mit fein verteiltem Nickeloxid-Hydroxid: Diese<br />
Verbindung nimmt Ladungen auf und wird reduziert. Dabei<br />
bildet sich Nickelhydroxid.<br />
Der Elektrolyt<br />
Der Ladungstausch zwischen Nickel und Cadmium passiert<br />
nur, wenn der pH-Wert hoch ist – also in einer starken Lauge.<br />
Der Elektrolyt ist deswegen eine 20 Prozentige Kaliumlauge.<br />
Der Separator<br />
Kalilauge ätzt sehr stark. Die Trennschicht zwischen Anode<br />
und Kathode muss das aushalten können. Es sind fast immer<br />
Faserstoffe aus beständigen Kunststoffen.<br />
Blei-Akku<br />
Bei Stromfluss Start – Der Auto-Klassiker<br />
Der Blei-Akku wurde 1850 das erste Mal gebaut. Damit ist<br />
er der älteste kommerziell eingesetzte wieder aufladbare<br />
Stromspeicher überhaupt. Damals interessierte sich als erstes<br />
die verarbeitende Industrie für ihn, dann die Autobranche: Die<br />
Blei-Batterie liefert kurzzeitig sehr hohe Stromstärken – genau<br />
richtig für den klassische Autostarter bei Verbrennungsmotoren.<br />
Auch für Elektrofahrzeuge war der Blei-Akku zunächst der<br />
Standardtyp.<br />
Schwer was drauf<br />
Der Blei-Akku treibt Autos zuverlässig an. Doch Blei hat eine<br />
hohe Dichte und ist deswegen schwer. Das schränkt den<br />
Einsatz ein: Was ein Liter Diesel schafft, braucht ungefähr<br />
300 Kilo Blei. Um allein die zu bewegen, geht schon wieder<br />
viel Energie drauf. Autos können mit einem Blei-Akku daher<br />
nur vergleichsweise kurze Strecken fahren.<br />
Infoboxen<br />
Die Anoden<br />
Der klassische Blei-Akku als Starterbatterie besteht aus mehreren<br />
Einzelzellen. Die Anoden sind jeweils Platten aus reinem<br />
Blei: Die Blei-Teilchen geben bei Kontakt mit Säure jeweils zwei<br />
negative Ladungen ab. Die positiven Teilchen-Reste verbinden<br />
sich mit Sulfat-Teilchen aus der Schwefelsäure (Elektrolyt) zu<br />
Bleisulfat.<br />
Die Kathoden<br />
Die Kathoden sind Platten aus Bleioxid. Hier verbinden sich<br />
Blei-Teilchen mit Sulfat-Teilchen aus der Schwefelsäure zu<br />
Bleisulfat. Doch jetzt kommt der Trick: Anders als reines Blei<br />
muss Bleioxid dafür negative Ladungen aufnehmen.<br />
Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie 19
Der Elektrolyt<br />
Für die Reaktion muss es freies Sulfat geben – wie in Schwefelsäure.<br />
Aber Vorsicht! Nicht anfassen! Etwa wenn nach einem<br />
Unfall aus einem Bleiakku Flüssigkeit sickert. Schwefelsäure<br />
ätzt sehr stark.<br />
Der Separator<br />
Zwischen der Negativ- und der Positivplatte steckt jeweils<br />
noch eine Platte: aus Glasfasern, Mikroglas oder PVC. Diese<br />
Materialien halten der aggressiven Schwefelsäure (Elektrolyt)<br />
stand. Und sie haben feine, mit bloßem Auge unsichtbare<br />
Poren – gerade groß genug für geladene Teilchen.<br />
Natrium-Nickelchlorid-Batterie<br />
Manche mögen es heiß – Die Zebrazelle<br />
Getauft nach dem Lieblingstier? 1999 hat der Südafrikaner<br />
Johan Coetzer die Zebrazelle gebaut. Tatsächlich stammt ihr<br />
Name aber von dem Projekt „Zero Emission Battery Research<br />
Activity“, in dessen Rahmen sie entstand. Wie das Steppenpferd<br />
mag es auch die Zebrazelle gern heiß. Bei 280 bis 350<br />
Grad Celsius legt sie so richtig los – seit 2007 etwa im Smart<br />
durch den Londoner Stadtverkehr. Dort hatte Daimler Benz<br />
hundert kleine „Stromer“ versuchsweise auf Tour geschickt.<br />
Sie rollten pro Ladung immerhin 135 Kilometer weit.<br />
Infoboxen<br />
Die Anode<br />
Bei jeder einzelnen Zelle sitzt jeweils direkt unter dem<br />
Außenmantel aus Stahl flüssiges, reines Natrium. Das gibt<br />
negative Ladungen ab, die über den äußeren Stromkreis zur<br />
Kathode wandern. Die nun positiv geladenen Natrium-Teilchen<br />
bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode.<br />
Die Kathode<br />
Der Keramikbecher (Separator) ist bei hohen Temperaturen für<br />
positiv geladene Natrium-Teilchen durchlässig. Sie wandern<br />
durch den Becher ins Innere. Dort verbinden sie sich mit dem<br />
Nickelchlorid zu Natriumchlorid – Kochsalz also. Metallisches<br />
Nickel bleibt zurück.<br />
Der Separator<br />
Ein Becher aus Keramik trennt die Elektroden.<br />
Der Elektrolyt<br />
Der Keramikbecher (Separator) ist zugleich der Elektrolyt: Bei<br />
mehreren hundert Grad Celsius leitet das Material geladene<br />
Natrium-Teilchen. Deswegen muss die Zebra-Zelle ständig beheizt<br />
werden – auch wenn der Akku zeitweise nicht arbeitet.<br />
Ihn neu aufzuheizen dauert 24 bis 48 Stunden.<br />
Gut im Test, praktisch zu schwach?<br />
Der Zebra-Akku liefert dreimal so viel Energie wie das<br />
Blei-Modell. Selbst, wenn mehrere der Zebra-Zellen im<br />
Akku ausfallen, arbeitet er noch. Obwohl die Zebra-Batterie<br />
gegenüber dem Blei-Akku viel mehr Energie pro Größe<br />
beziehungsweise pro Gewicht speichern kann, wiegt sie im<br />
Smart immer noch 100 Kilogramm. Es dauert zwischen 4 und<br />
8 Stunden um die Batterie voll aufzuladen. Dazu kommt, dass<br />
sie vor Inbetriebnahme erst auf Temperatur gebracht werden<br />
muss – immerhin etwa 300 Grad Celsius. Auch das benötigt<br />
seine Zeit. Eine andere Batterie schafft das leichter – mit<br />
Lithium-Ionen-Technik.<br />
Nickel-Metallhydrid-Batterie<br />
Schwestern mit Potenzial – Das Übergangsmodell<br />
Schwermetall adé – seit Cadmium-Batterien weitgehend<br />
verschwunden sind, übernehmen deren 1990 geborene<br />
Schwestern den Dienst in Telefonen oder Laptops: Nickel-<br />
Metallhydrid-Zellen speichern Energie in Form von Wasserstoff.<br />
Das ist umwelttauglicher und liefert etwa ein Drittel mehr<br />
Energie als das veraltete Cadmium-Pendant. Dafür sind diese<br />
Batterien nicht ganz pflegeleicht:<br />
Bei Frost fallen sie aus, im Hochsommer entladen sie sich<br />
schnell selbst.<br />
20 Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie
Groß in Sachen Automobil<br />
Der Nickel-Metallhydrid-Akku steckt zum Beispiel seit 2005 im<br />
Toyota Prius – zunächst mit 228 Einzelzellen und voluminös<br />
wie ein Schrankkoffer und etwa 50 Kilo schwer, heute mit nur<br />
noch 168 Zellen, aber immer noch fast einen Meter breit. Der<br />
Akku im Honda Insight arbeitet sogar nur mit 84 Einzelzellen<br />
und wiegt auch nur noch 20 Kilogramm. Als alleinige Antriebe<br />
reichen diese Batterien allerdings bei weitem nicht aus: Beide<br />
fahren vielleicht 1 bis 3 Kilometer weit – wenn nicht ein<br />
Benzinmotor mit einspringt.<br />
Lithium-Ionen-Batterie<br />
Nummer 3 siegt – Die Zukunftsträchtige<br />
Laptop, Digitalkamera, Auto, Akku-Schrauber: Wo viel tragbare<br />
Energie gebraucht wird, ist die Lithium-Ionen-Zelle vorn<br />
dabei. Der Akku auf Basis des dritten Elements im Periodensystem<br />
kam Anfang der 1990er Jahre auf den Markt und soll<br />
fürs Elektroauto den Durchbruch bringen: Im Mercedes-Benz<br />
S-400-Hybrid ist er weltweit erstmals in Auto-Serie gegangen<br />
– wenn auch erst einmal als „kleine“ Hybrid-Batterie.<br />
Infoboxen<br />
Die Anode<br />
Eine Metalllegierung, in der Wasserstoff steckt. Der wird<br />
oxidiert: Dabei werden negative Ladungen frei (Elektronen),<br />
positiv geladene Wasserstoff-Teilchen (Protonen) und reines<br />
Metall. Die Wasserstoff-Teilchen verbinden sich mit Teilchen<br />
aus der Lauge zu reinem Wasser. Und die negativen Ladungen<br />
machen die Anode zum Minuspol.<br />
Was hat er, was anderen fehlt?<br />
Lithium-Ionen-Akkus sind wahre Kraftbündel. Und sie entladen<br />
sich kaum selbst. Das Auto bleibt startklar, auch wenn es<br />
länger steht. Winterfrost und Sommerhitze? Kein Problem. Der<br />
Akku arbeitet zwischen -30 Grad und +60 Grad zuverlässig.<br />
Das schafft keine andere Batterie – zumindest theoretisch.<br />
Denn auch manche Lithium-Ionen-Batterien schwächeln bei<br />
extremer Temperatur und diese Einbußen können durchaus<br />
dramatisch sein…<br />
Die Kathode<br />
Blech aus schwarzem Nickeloxid-hydroxid: Das Nickel löst sich<br />
aus dieser Verbindung und geht eine neue ein. Dabei nimmt<br />
es freie negative Ladungen auf. An der Kathode verschwinden<br />
also negative Ladungen, was diesen Pol positiv macht.<br />
Der Elektrolyt<br />
In dem Akku schwappt 20-prozentige Kalilauge. Achtung –<br />
extrem ätzend!<br />
Der Separator<br />
Kalilauge ätzt sehr stark. Die Trennschicht zwischen Anode<br />
und Kathode muss das aushalten können. Wie beim Nickel-<br />
Cadmium-Akku ist der Separator ein Kunststoffvlies.<br />
Wo hapert es dann noch?<br />
Die Lithium-Ionen-Batterie will „gestreichelt“ werden: So<br />
braucht es eine spezielle Schutzschaltung, um Überladungen<br />
und Tiefentladungen abzufangen. Außerdem muss ein recht<br />
enger Temperaturbereich eingehalten werde, wenn die<br />
Batterie über zehn Jahre und ca. 3.000 Lade- und Entladezyklen<br />
lang funktionieren soll. Ein weiterer Punkt sind die<br />
Kosten: Für den Einsatz im Auto müssen es sehr hochwertige<br />
Lithium-Ionen-Zellen sein. Hier ist allerdings Besserung in<br />
Aussicht: Während bei der Nickel-Metallhydrid-Konkurrenz<br />
das Preis- und Entwicklungspotenzial bereits am Ende ist, sind<br />
die Möglichkeiten des Lithium-Ionen-Akkus noch lange nicht<br />
ausgeschöpft.<br />
Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie<br />
21
Sonderinfo Lithium<br />
Aussichtsreich: Stromspeicher Lithium<br />
Lithium ist das leichteste Metall. Es lässt sich am stärksten<br />
oxidieren. Damit hat es das höchste Energiepotenzial pro<br />
Gewicht. Zudem geht es mit fast allen anderen Elementen<br />
Verbindungen ein: Aktuell gibt es bereits eine Reihe von unterschiedlichen<br />
Akkus mit verschiedenen Lithium-Chemien – und<br />
Schluss ist noch lange nicht.<br />
Infoboxen<br />
Die Anode<br />
In den negativen Elektroden ist das Lithium jeweils als<br />
positiv geladenes Teilchen, als Ion, in das Kristallgitter einer<br />
Kohlenstoffverbindung eingelagert. Fachleute nennen das<br />
Interkalation. Bei der Grafitelektrode im Beispiel sitzt das<br />
Lithium zwischen den einzelnen Grafitlagen.<br />
Die Kathode<br />
Oft sind es Mischverbindungen mit drei Metallen, zum Beispiel<br />
Kobalt, Nickel und Mangan. Auch hier sind die Lithium-<br />
Teilchen in den Schichten des Kristallgitters eingelagert, hier<br />
im Oxidgitter.<br />
Der Elektrolyt<br />
Lithium kann man mit vielem kombinieren – bloß nicht mit<br />
wasserhaltigen Elektrolyten. Stattdessen nimmt man wasserfreie,<br />
organische Lösungsmittel. Bestimmte Zusätze machen es<br />
den Lithium-Teilchen leichter, sich zu darin zu bewegen.<br />
Der Separator<br />
Polyethylen – ein Kunststoff mit eingebauter Notbremse: Das<br />
Material schmilzt bei hohen Temperaturen und seine Poren<br />
setzen sich zu. Es fließen keine Ladungen mehr. Das Not-Aus,<br />
falls der Akku durchzugehen droht.<br />
Forschung<br />
Die Übermorgenbatterie<br />
Forscher unter Strom<br />
Die eine Batterie für alle Elektromobile wird es nicht geben,<br />
zeigt eine aktuelle Fraunhofer-Studie. Elektrofahrräder, reine<br />
Batterieautos oder Hybridmodelle – alle haben ihre eigene<br />
beste Batterie. Noch schlimmer: Einen weltweiten Universalstecker<br />
für alle Autos gibt es auch noch nicht! Internationale<br />
Standards für den Einbau der neuen Batterien und verbindliche<br />
Sicherheitsstandards fehlen ebenso. Forscher, Techniker,<br />
Prüfgremien und die Industrie haben noch viel zu tun.<br />
Gut, besser, optimal: Was gibt’s zu tun?<br />
Das Tankladen dauert stundenlang: Stellen Sie sich vor, Sie<br />
fahren laden und nehmen einen Schlafsack mit! Obendrein<br />
kommt man pro Ladung noch nicht allzu weit. 300 Kilometer<br />
und noch mehr? Für diesen Reichweitentraum müssen<br />
Batterien noch viel mehr speichern können und dabei zugleich<br />
schlanker werden. Noch sind sie viel zu schwer. Allein um sie<br />
zu bewegen, geht zu viel Energie drauf. Dann ist da auch noch<br />
das Wärm- und Kühlproblem: Temperaturtoleranz heißt das<br />
Zauberwort für das Übermorgenmodell.<br />
Endlich gut: Wo ist technisch Schluss?<br />
Der aktuelle Wunderstoff ist Lithium. Wegen ihrer sehr hohen<br />
Energie- und Leistungswerte wird an Lithium-Batterien viel<br />
geforscht. Aus den bisherigen chemischen Verbindungen mit<br />
Lithium können nur noch wenige Prozent Speicherkapazität<br />
rauszuholen sein, schätzen Experten. Erst neue Kombinationen,<br />
wie Lithium-Luft oder Lithium-Schwefel versprechen noch<br />
einmal einen Kapazitätssprung nach vorn. Doch dann hat die<br />
Chemie Grenzen gesetzt: Ein elektropotenteres Element oder<br />
Material gibt es nicht.<br />
22 Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie
Infoboxen<br />
Batteriesystem eingebaut<br />
Sicherheit<br />
Speziell im Auto müssen Lithium-Ionen-Akkus auch Unfällen<br />
standhalten können: Einige enthalten einen brennbaren Elektrolyt.<br />
Zudem besteht Entzündungsgefahr, wenn metallisches<br />
Lithium Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Dazu kommt, dass feste<br />
Standards für Crashtests noch ausstehen. Auch nach dem ersten<br />
Leben der Akkus im Auto spielt die Sicherheit der Systeme<br />
eine große Rolle, etwa beim Recycling.<br />
Elektrofahren, aber bitte mit System<br />
Zwei Kabel, zwei Klemmen – und die klassische Starterbatterie<br />
funktioniert. Bei Autos, die nicht nur per Stromstoss anrollen,<br />
sondern komplett mit Strom fahren, sieht es viel komplizierter<br />
unter Kühlerhaube und Kofferraumdeckel aus. Denn die<br />
Batterie allein bewegt das Fahrzeug nicht. Kühlen, heizen,<br />
managen: Batterien für Elektroautos brauchen ein ganzes,<br />
technisches Versorgungssystem.<br />
Kosten<br />
Der Preis trübt den elektromobilen Fahrspaß noch stark.<br />
Aktuell sind Fahrzeug-taugliche Lithium-Zellen noch zu teuer:<br />
Die ganze Batterie gibt es zum Kleinwagenpreis – nur ohne<br />
den Wagen dazu.<br />
Energie- und Leistungsdichte<br />
Zu groß und zu schwer: Ein Auto-Akku vom Nickel-Metallhydrid-Typ<br />
zum Beispiel wäre heute ein hunderte Kilo schwerer<br />
Koloss – kaum, dass er knapp in die Autohülle passt. Morgen<br />
sollte die Batterie deutlich schlanker sein.<br />
Lebensdauer<br />
Die Lithium-Ionen-Batterie ist klein und stark. Doch dafür altert<br />
sie schnell: Nach einigen Jahren baut sie merklich ab – ob sie<br />
im Dienst war oder nicht. Gleiches bei höheren Temperaturen.<br />
Alltagstaugliche Auto-Akkus müssen höchste Ansprüche<br />
erfüllen: Sie müssen auch zuverlässig Leistung bereitstellen,<br />
auch bei Temperaturen wie im amerikanischen Death Valley<br />
von knapp 50 Grad im Schatten oder im sibirischen Frost.<br />
Zudem sollten sie mindestens zehn Jahre und 3.000 Ladungen<br />
aushalten können.<br />
Infoboxen<br />
Batteriepack<br />
Eine Einzelzelle reicht allenfalls für wenige Meter Autofahrt.<br />
Ein Batteriepack besteht daher aus hunderten Zellen: Je<br />
nachdem, wie sie verschaltet sind, addieren sich die Spannung<br />
beziehungsweise die maximal mögliche Stromstärke.<br />
Kühlung<br />
Damit die Batterie nicht überhitzt und zu schnell altert, wird<br />
sie bei Betrieb durch einen eigenen Kreislauf gekühlt. Im<br />
Sommer springt oft sogar zusätzlich noch die Kühlung der<br />
Klimaanlage mit ein.<br />
Heizung<br />
Bei Frost machen viele Batterien schlapp. Unter minus 20 Grad<br />
Celsius kann der Elektrolyt von Lithium-Ionen-Batterien sogar<br />
einfrieren. Die Akkus müssen daher zusätzlich beheizt werden.<br />
Batteriemanagement<br />
Hunderte Zellen und alle entladen anders: Fraunhofer-Forscher<br />
arbeiten an einem Elektronik-System, das ständig Stromfluss,<br />
Spannung und Temperatur in jeder Zelle misst und daraus<br />
regelmäßig deren Lade- und Alterungszustand berechnet.<br />
Exponat 3 - Geschichte und Grundlagen der Batterie 23
Exponat 4<br />
Batterie der<br />
Zukunft<br />
Anwendungstext im Exponat 4<br />
Batterie der Zukunft<br />
Spannungsfeld Batterietechnik<br />
Der günstige, Schnellsprint-Sicherspeicher für Langstrecken<br />
– die Übermorgenbatterie hat viel zu tun: Kosten, Gewicht,<br />
Energieinhalt, Lebensdauer, Ladezeit und Sicherheit – schon<br />
bis 2015 sollen die elektrischen Auto-Antreiber deutlich fitter<br />
sein. Dafür tüfteln Fraunhofer-Forscher an neuen Materialien<br />
und deren Elektrochemie, je nachdem, welche Rohstoffe und<br />
wie viel davon künftig vermutlich zu haben sein wird. Ob das<br />
Zauberwort dann weiterhin „Lithium-Ionen-Technik“ heißt?<br />
Dafür gibt es noch viele Hürden zu bewältigen.<br />
Anforderungen<br />
Energie- und Leistungsdichte<br />
Vorbild Skifliegen: Was schafft ein Energiespeicher pro Größe und<br />
Gewicht?<br />
Per stop and go in die Zukunft bummeln wegen ständiger<br />
Ladestopps? Womöglich mit großen Batterien, die einer<br />
Treckerkarosserie Ehre machen? Die Übermorgenbatterie sieht<br />
anders aus. Sie liefert viel Energie und ist möglichst schlank<br />
und leicht – genau wie ein Skispringer. Wie er muss die Batterie<br />
ihre Energie in angemessen kurzer Zeit mobilisieren. Nur<br />
so kann ein Elektroauto wie gewünscht beschleunigen. Dabei<br />
gibt die Energiedichte an, wie viel Energie eine Batterie im<br />
Vergleich zu ihrem Gewicht speichert, und die Leistungsdichte,<br />
wie viel Energie der Speicher pro Zeit und Gewicht abgeben<br />
kann.<br />
Kosten<br />
Nicht billig, aber viel Wert: Das teuerste Stück Elektroauto<br />
Batt’ries are the Girls’ best Friend – so würde Marilyn Monroe<br />
heute hauchen. Tatsächlich ist eine Batterie fürs Elektroauto<br />
wertvoll wie ein Diamant: Sie kostet etwa so viel wie ein<br />
Kleinwagen, je nach Preis für Rohstoffe und Fertigung.<br />
Mit 350 bis 650 Euro ist man dabei – pro Kilowattstunde<br />
allerdings. Davon braucht es etwa 20–40, um längere Strecken<br />
von ca. 200 Kilometern fahren und das Auto im Winter auch<br />
noch heizen zu können. Seit gut zehn Jahren werden Lithium-<br />
Ionen-Batterien zwar günstiger. Und vermutlich sinkt der Preis<br />
auch weiterhin. Doch selbst optimistisch geschätzt bleibt der<br />
Energiespeicher wohl das teuerste Stück Eektroauto – The<br />
Girls’ best Friend von morgen eben.<br />
Zyklenfestigkeit und Lebensdauer<br />
Auf und nieder, immer wieder: Wie oft und lang hält eine Batterie<br />
das aus?<br />
Ein Auto hält gut ein Jahrzehnt, für diese Spanne ist es<br />
jedenfalls ausgelegt. So lange sollte auch die Batterie tüchtig<br />
sein und dabei immer wieder neu Strom abgeben und<br />
aufnehmen können – und Letzteres möglichst schnell. Sie<br />
muss lange leben und zyklenfest sein, wie der Fachmann sagt.<br />
Dafür müssen Forscher und Techniker ganz schön jonglieren:<br />
Soll das Auto pro Ladung weit fahren, ist es mit von-Null-auf-<br />
Hundert vorbei. Sprintet der Wagen dagegen los, kostet das<br />
Reichweite. Ganz zu schweigen, dass eine Batterie kurzfristige<br />
Leistungsspitzen aushalten muss: etwa beim Bremsen, wenn<br />
Energie geballt rückgeführt wird.<br />
Sicherheit<br />
Fraunhofer-Forscher arbeiten am richtigen Sicherheitskonzept<br />
Leistung top – aber nicht ohne Risiko: Lithium-Ionen-Akkus<br />
mit einem flüssigen Elektrolyt könnten auslaufen. Zum<br />
Beispiel, wenn dessen Hülle bei einem Unfall Schaden nimmt.<br />
Sie zu überladen, zu stark zu entladen oder eine Überhitzung<br />
können auch gefährlich sein. Vor allem wenn es dann zu einem<br />
„thermischen Runaway“ kommt – wenn die Temperatur<br />
in einer einzelnen Zelle unkontrolliert auf über Hundert Grad<br />
hochkocht: Die Elektroden zersetzen sich und reagieren mit<br />
dem Elektrolyten. Dabei wird wieder Hitze frei. Der Separator<br />
könnte schmelzen und es könnte einen „Kurzen“ geben<br />
24 Exponat 4 - Batterie der Zukunft
Material und Zelle<br />
Die Qual der Wahl<br />
Fast richtig ist auch vorbei: Batteriebauer tüfteln am Material<br />
Die Anforderungen an die Sicherheit, Kapazität und Langlebigkeit<br />
stehen in Konkurrenz: Alles hängt zusammen und alles<br />
steht in Konkurrenz. Mehr vom Einen, kostet Anderes. Ein<br />
Dilemma – und das Mekka der Materialforscher: Sie tüfteln<br />
hin und her und probieren neue Stoffe für die einzelnen<br />
Batteriebausteine aus oder entwickeln Materialien einfach<br />
neu. Wie die Materialwürfel auch fallen, welcher Stoff wo<br />
sitzt, bestimmt, mit welchen Eigenschaften die Batterie an den<br />
Start geht.<br />
Keine Rose ohne Dorn…<br />
Lithium-Ionen-Akkus geben eine große Vielfalt an chemischen<br />
Möglichkeiten her. Lithium-Kobalt-Oxid liefert hohe Spannungen,<br />
aber sonst ist eher wenig dahinter. Ein Lithium-Nickel-<br />
Kobalt-Akku dagegen ist ein Energiekraftprotz. Allerdings<br />
besteht Brand- und Explosionsgefahr, wenn er überladen wird.<br />
Für ganz schnelle Akkus könnte die Anode aus Lithium-Titanat<br />
bestehen – bloß geht diese Variante ordentlich ins Geld und<br />
kostet Spannung. Derzeit könnte eine Kathode aus Lithium-<br />
Eisen-Phosphat der Kandidat mit den besten Aussichten für<br />
die nahe Zukunft sein.<br />
Lithium-Ionen: Bombige Technologie<br />
Leistungsstarke Technik stellt Forscher vor Herausforderungen<br />
Der Lithium-Ionen-Akku ist heute der aussichtsreichste<br />
Kandidat, reine Elektroautos rollen zu lassen. Deswegen<br />
konzentrieren sich Batterietechniker vor allem auf ihn. Er<br />
ist knapp ein Drittel kleiner und um die Hälfte leichter als<br />
Nickel-Metallhydrid-Batterien. Trotzdem sind sie gleich gut,<br />
was schnelles Laden, Langlebigkeit und hohe Leistung betrifft.<br />
Nur: Bei Schäden oder zu viel Hitze kann der Akku hochgehen<br />
– mit Bombenwirkung womöglich. Dann stehen nicht nur<br />
Laptops, sondern ganze Autos in Flammen.<br />
Neue Materialien für mehr Sicherheit<br />
Das Schicksal bestimmt allein die Batteriechemie: So genannte<br />
„eigensichere“Zellen sind kurzschlussfest, brennen oder<br />
explodieren nicht. Auch der thermische Runaway ist gebannt.<br />
Das schaffen allerdings nur neue Materialien. Hier haben<br />
Forscher noch viel zu tun. Für den Elektrolyten stehen derzeit<br />
flüssige Salze hoch im Kurs. Sie sind elektrochemisch stabil,<br />
entfIammen schwer und ihr Dampfdruck ist gering: Das<br />
Explosionsrisiko ist sinkt.<br />
Neue Materialien erkunden<br />
Fraunhofer-Forscher entwickeln besonders effektives<br />
Kathodenmaterial<br />
Je mehr hopp, desto top: Alles dreht sich darum, dass ein<br />
Auto-Akku möglichst viel Ladung speichern kann. Dafür untersuchen<br />
Fraunhofer-Forscher, welches Material zum Beispiel für<br />
die Kathode am besten ist. Sie testen, was ein Stoff kann. Das<br />
allein reicht aber nicht. Wie gut sich ein Material verarbeiten<br />
lässt, haben die Wissenschaftler auch im Blick.<br />
Dünn und porös – Die neue Zukunftsformel<br />
Die erste Generation von Lithium-Ionen-Batterien, mit der heute<br />
Laptops laufen, Smartphones klingeln oder Kameras blitzen,<br />
hat eine Kathode aus Kobalt-Oxiden. Sie machen einen Akku<br />
langlebig und die Energiedichte liegt immerhin schon bei<br />
120 Wattstunden je Kilogramm – und das soll noch besser<br />
werden. Fraunhofer-Forscher testen nun ein eigenes Patent:<br />
Ein besonders dünnes, poröses Lithium-Kobalt-Oxid-Material<br />
soll die Energiespeicherung steigern.<br />
Elektroden und Elektrolyt<br />
Batterie trifft Nanotechnik: Die Winzigkeit macht’s<br />
Nicht nur der Kathodenstoff, auch bestimmte Materialien<br />
für die Anode sorgen für einen energetischen Kick: Hier ist<br />
Winzigkeit Trumpf. Als Speicher für die Lithium-Ionen werden<br />
klitzekleine Graphitteilchen eingesetzt – jedes nur wenige<br />
Nanometer groß, etwa 700-mal kleiner als eine Haardicke.<br />
Hier liegen die Lithium-Teilchen nicht nur zwischen den<br />
Exponat 4 - Batterie der Zukunft 25
Graphitschichten, sondern sitzen auch direkt auf den Schichtflächen<br />
und lagern sich auch entlang von Kanten an. So lassen<br />
sich viel mehr Lithium-Teilchen auf viel mehr Grahpit-Schichten<br />
unterbringen. Das bedeutet mehr Entladekapazität. Allerdings<br />
entladen sich diese Elektroden allerdings auch sehr schnell –<br />
ein grundsätzliches Problem solcher Materialien.<br />
Sicherheitskonzepte<br />
Separator: Schmelze sorgt für Sicherheit<br />
Viel energetischer Wumms macht eine Batterie fürs Elektroauto<br />
attraktiv. Eine poröse Kunststoff-Folie als Separator etwa<br />
sorgt dafür, dass sich Ladungen rasch zwischen Anode und<br />
Kathode bewegen können. Im Notfall muss das aber schnell<br />
gestoppt werden. Dafür sorgen zum Beispiel sogenannte<br />
„Shutdown“-Separatoren: Bei etwa 130 Grad Celsius schmelzen<br />
sie. Dabei verschwinden ihre Poren: Sie setzen sich einfach<br />
zu. Vorbei ist die Ionenwanderung. So heizt sich die Batterie<br />
bei einem „Kurzen“ nicht weiter auf.<br />
Anode: Zugedeckt mit einer Sicher-Schicht<br />
Als Elektrolyte werden oft flüssige, organische Elektrolyte<br />
eingesetzt. Sie zersetzen sich bei Kontakt mit der Anode<br />
beziehungsweise Kathode – auch, wenn die Batterie gar<br />
nicht arbeitet. Hierbei bildet sich auf den Graphit-Anoden in<br />
Lithium-Ionen-Batterien eine Deckschicht oder auch Passivierungsschicht:<br />
Sie verhindert, dass sich der Elektrolyt übermäßig<br />
weiter zersetzt. So funktioniert der Akku auch nach längerer<br />
Lagerung sicher ohne Problem.<br />
Gehäuse: Sicher nicht geplatzt<br />
Auch das Gehäuse trägt zur Sicherheit bei. Es darf nicht<br />
platzen – auch nicht, falls sich in der Batterie zum Beispiel<br />
Gas bildet und sich deswegen womöglich ein hoher Druck<br />
aufbaut. Hier springt eine Berst-Sicherung ein: Sie öffnet die<br />
betroffene Zellen, sodass ab einem bestimmten Überdruck<br />
kontrolliert Gas entweicht. Zusätzlich kann auch der Stromkreis<br />
unterbrochen werden. Ein eingebautes Not-Aus, quasi.<br />
Zellenlayout: Gestapelt, nicht gereiht<br />
Stark dank Folienstapel: Fraunhofer-Forscher entwickeln bipolare<br />
Batterie<br />
Der berühmte Tropfen auf dem heißen Stein: Eine einzelne<br />
elektrochemische Zelle richtet beim Elektroauto nur wenig aus.<br />
Nur gemeinsam sind Batterie-Zellen stark. Deswegen werden<br />
viele Zellen in Reihe hintereinander geschaltet. So summieren<br />
sich die Spannungen – doch leider auch Größe und Gewicht.<br />
Das bremst natürlich wieder. Wie also lassen sich Platz und Kilos<br />
sparen? Fraunhofer-Forscher arbeiten an einer Batterie aus<br />
Elektroden mit Zweifachfunktion: Der negative und positive<br />
Pol sitzen auf der gleichen Trägerfolie. Ein Stapel solcher Folien<br />
mit nur einem Gehäuse ist leichter und kleiner als andere Batterien<br />
– und schafft mindestens genauso viel. Problematisch<br />
ist jedoch, die Einzelzellen zu überwachen. Dafür muss eine<br />
geeignete, robuste Materialkombination gefunden werden.<br />
Die Redox-Flow-Batterie<br />
Elektrolyt statt Benzin – So tankt man morgen<br />
Neue Aufgabe für alte Zapfsäulen: Statt Sprit sprudelt morgen<br />
womöglich Elektrolyt-Flüssigkeit in die Tanks. Fraunhofer-<br />
Forscher haben eine Redox-Flow-Batterie für Autos entwickelt.<br />
Die Idee stammt aus den 1970er Jahren: Zwei Flüssigkeiten<br />
mit gelösten, geladenen Metall-Teilchen fließen durch eine<br />
Batterie-Zelle, wo diese Teilchen Ladungen tauschen. Sind die<br />
Lösungen verbraucht, tauscht man sie einfach an der Tankstelle<br />
gegen frische aus: Abpumpen, tanken, fertig aus. Der<br />
abgepumpte Elektrolyt kann dann wieder geladen werden,<br />
etwa durch Windkraft oder Solarenergie.<br />
Stop and Go? Das war einmal<br />
Gegenüber Bleiakkus scheint die Redox-Flow-Batterie in<br />
einen Jungbrunnen gefallen zu sein: Ihre Lebensdauer ist<br />
etwa zehnmal so hoch. Gegenüber der Lithium-Ionen-Technik<br />
fiel der neue Akku allerdings zunächst durch: Er speichert<br />
deutlich weniger Energie. Nach nur 25 Kilometern hätte der<br />
nächste Tankstopp angestanden. An diesem Nachteil wird nun<br />
geforscht:<br />
26 Exponat 4 - Batterie der Zukunft
Mit einigen ersten Kniffen konnten die Fraunhofer-Wissenschaftler<br />
die Reichweite bereits auf das Vier- bis Fünffache<br />
bringen.<br />
Konzept zur Nachhaltigkeit<br />
Aus alt mach neu – Oberstes Gebot für weltweite Elektromobilität<br />
Eine gigantische Zahl: Weltweit sind etwa eine Milliarde Autos<br />
unterwegs. Allein in Deutschland kurven über 45 Millionen<br />
herum. Wenn künftig nur die Hälfte davon elektronisch durch<br />
die Straßen schnurren soll, würden rasch die Rohstoffe knapp<br />
– immerhin werden teilweise sehr seltene Materialien in Batterien<br />
und Elektromotoren verbaut. Zuerst würde es vielleicht<br />
Kupfer, Kobalt und Nickel treffen, kurz darauf vermutlich auch<br />
Lithium.<br />
Recycling heißt also das Zauberwort: Altautos sind quasi<br />
Lagerstätten auf Rädern.<br />
Batteriesystem<br />
Mobil mit System<br />
Zellen, Module, Strang – Alles ist mit allem vernetzt<br />
Zwei Klemmen, eine Batterie, fertig aus. Solch Übersichtlichkeit<br />
war einmal. Das elektrische Innenleben vom Übermorgenauto<br />
sieht deutlich komplizierter aus: Mehrere einzelne Zellen<br />
bilden Module und die sind zu einem Strang hintereinander<br />
geschaltet. Diese Stränge wiederum werden zum Batteriesystem<br />
zusammengeschaltet. Doch damit nicht genug. Das<br />
Ganze braucht einen eigenen Heiz- und Kühlkreislauf und<br />
ein Not-Aus-System fürs Abschalten bei einer Fehlfunktion.<br />
Wer behält da den Überblick? Das erledigt ein ausgeklügeltes<br />
Managementsystem. Es hat ständig alle Abläufe bis runter zur<br />
Einzelzelle im Blick.<br />
Batterien im Test-Labor<br />
Auf Herz und Nieren geprüft: Was passiert wann, wie und warum?<br />
Alle Systeme im Elektroauto müssen miteinander im Einklang<br />
stehen, damit es sicher und zuverlässig rollt. Um vorab zu<br />
testen, was wann womöglich passiert, untersuchen die<br />
Fraunhofer-Forscher alle Bestandteile des Systems. Sie spielen<br />
alle erdenklichen Fahrszenarien durch – vom Normalbetrieb<br />
bis zur skurrilen Fehlfunktion, vom jungfräulichen Wagen<br />
bis zur alten Kiste, vom Billigbauteil bis zum teuersten Stück.<br />
Die Daten fließen dann in Modelle ein, die das Verhalten der<br />
Bestandteile unter allen möglichen Bedingungen simulieren<br />
müssen. Hierauf kann dann das Batteriemanagement<br />
zurückgreifen. So weiß es, wann alles in entspanntem Stand-<br />
By laufen kann oder wann es mit einem Not-Aus beherzt<br />
eingreifen muss.<br />
Wärmemanagement und Kühlkonzept<br />
Temperatur rauf, Temperatur runter: Wie und warum?<br />
Ein Lithium-Ionen-Akku ist äußerst leistungsstark – wenn denn<br />
seine Temperatur-Animositäten beachtet sind. Am liebsten hat<br />
er es gleichbleibend warm. Nur spielen das Wetter und der Betrieb<br />
nicht mit: Allein durch den Betrieb heizt sich das System<br />
auf, Winter- und Sommergrade tun ein Übriges. Fraunhofer-<br />
Forscher haben hierfür ein Batteriemodul entwickelt, das über<br />
eine Flüssigkeit gekühlt beziehungsweise erwärmt wird – je<br />
nachdem ob die Zelle mitteilt, ob sie schwitzt oder friert.<br />
Batteriemanagement<br />
Schutzengel mit eingebaut: Sicher managen, sicher fahren<br />
Bei einigen Batterien sorgt die Chemie dafür, dass nicht<br />
überladen oder übermäßig entladen werden kann: es setzen<br />
natürliche Gegenreaktionen ein. Der Lithium-Ionen-Akku aber<br />
hat das nicht. Werden bestimmte Grenzen überschritten,<br />
bildet sich im Inneren Gas. Das Gehäuse platzt, die Batterie<br />
brennt ab – und womöglich nicht nur die. Ein äußeres<br />
Schutzengel-System muss her. Wie geht es der Batterie? Wie<br />
ist ihr Ladezustand? In welchem Alterungszustand ist sie?<br />
Müssen Zellen getauscht werden und welche genau? Im<br />
Batterie-Labor testen Fraunhofer-Forscher Systeme, die solche<br />
Daten erfassen und den Fahrer in Echtzeit informieren.<br />
Exponat 4 - Batterie der Zukunft 27
Laden, steuern, diagnostizieren<br />
Fraunhofer entwickelt intelligente Strategien<br />
Dass eine Batterie gut in das Autosystem eingepasst ist und<br />
zuverlässig arbeitet, ist eine Sache. Eine zweite ist, dass sie<br />
auch gekonnt und sorgfältig geladen ist. Tankdeckel auf, Benzin<br />
rein, Deckel zu wie beim herkömmlichen Verbrennungsauto<br />
klappt hier nicht. Das Laden einer Batterie und auch<br />
ihr Betrieb wollen fein gesteuert sein. Fraunhofer-Forscher<br />
entwickeln hierfür intelligente Strategien, die problemlos in<br />
die Feinsteuerung von Geräten und Managementsystemen<br />
integrierbar sind. So können zum Beispiel das Kühlsystem geregelt,<br />
Fehlerzustände entlarvt und angeschlossene Ladegeräte<br />
zentral angesteuert werden.<br />
Rundum geprüft<br />
Drei Labore für alle erdenklichen Tests<br />
In drei Laboren wird Batterien und deren Steuersystem<br />
ordentlich zu Leibe gerückt: Fraunhofer-Forscher untersuchen<br />
Batterien von der kleinsten Knopfzelle bis zu großen Akku-<br />
Systemen. Es gibt verschiedene Wärme- und Klimakammern,<br />
in denen quasi „echte“ Außenbedingungen herrschen. Zwar<br />
gibt es für das Prüfen von Batterien feste Normen – doch das<br />
reicht den Spezialisten nicht. Sie können jede erdenkliche<br />
Bedingung simulieren. Dabei schauen sie sich einzelnen<br />
Batterien über viele Monate hinweg an. So verfolgen sie, wie<br />
diese altern, wenn sie verschieden beansprucht werden.<br />
Hauptartikel II inkl. Subhead: Die Lithium-Batterie – ein<br />
spezieller Patient<br />
Manche Krankheiten sind tückisch. Ärzte brauchen bestimmte<br />
Untersuchungen, um sie entlarven zu können – so speziell,<br />
als seien sie für einen Patienten persönlich gemacht. So<br />
handhaben Fraunhofer-Forscher es auch mit Lithium-Batterien.<br />
Sie müssen besonders „gesund“ sein, damit das Fahren damit<br />
sicher ist. Deswegen werden die Hochleistungsspeicher in<br />
einem speziellen Labor unter frei wählbaren Testbedingungen<br />
untersucht. Eine perfekte Differenzialdiagnose, quasi.<br />
Text der Aufsichtsgrafik am Exponat 4<br />
Die Zukunft der Batterietechnologie<br />
Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien<br />
Artikel 1<br />
Die von Fraunhofer entwickelte Technologie-Roadmap bildet<br />
die zentralen Meilensteine zur Entwicklung von Lithium-<br />
Ionen-Batterien ab. Sie liefert einen grafischen überblick über<br />
künftige Zellkomponenten, Zelltypen und Zelleigenschaften<br />
von Lithium-Ionen-Batterien und des sie umgebenden Technologiefeldes<br />
bis ins Jahr 2030.<br />
Die Technologie-Roadmap<br />
bildet einen Marschplan, der allen zentralen Akteuren eine<br />
gemeinsame Orientierung auf dem Weg in die Zukunft bietet.<br />
Legende<br />
• Energiedichte<br />
• Leistungsdichte<br />
• Lebensdauer<br />
• Temperaturverträglichkeit<br />
• Zyklenfestigkeit<br />
• Sicherheit<br />
• Kosten<br />
• Besser<br />
• viel besser<br />
• schlechter<br />
• viel schlechter<br />
28 Exponat 4 - Batterie der Zukunft
Roadmapbereich<br />
2030<br />
• Li-Luft<br />
• Kathode/ Luft<br />
• Li-Zellen mit Hochkapazitätskathode<br />
• Kathode/ Fluor als MeFx, Me: Metall<br />
• Kathode/ Konversionskathodenmaterial<br />
• Li-Feststoff-Zellen (nicht Polymer)<br />
• Elektrolyt/ Festelektrolyt, nicht Polymer<br />
• Li-Polymer<br />
• Elektrolyt/ Polymermembran<br />
• Kathode/ -SO4F<br />
2020<br />
• Li-S<br />
• Casing/ Ableitelektrode als Gehäuse<br />
• Li-Me<br />
• Kathode/ Schwefel, strukturierte Elektroden/Sulfur<br />
• Anode/ Li-Metall<br />
• 5V Zellen<br />
• Elektrolyt/ 5V Elektrolyt<br />
• Anode/ Legierung, nicht Si<br />
• Kathode/5V Spinelli, Li (Ni) PO4 5V, Li (CO) PO4 5V, 4V MN<br />
Phosphat<br />
• Separator/ gecasteter Separator<br />
• Li-Zellen mit Hochkapazitäts-Anode<br />
• Separator / Gewebe Vlies<br />
• Anode/ C Metall-Komposite<br />
• Kathode/ Komposite (Kathode)<br />
• Separator / chemisch imprägniert<br />
2015<br />
• LTO 5V<br />
• Elektrolyt/ Gelpolymer<br />
• Kathode/ Li Ni Me Me O2 Hochvolt (HV)<br />
• Separator/ Zellulose<br />
• Elektrolyt/ Li PF 6 - frei + org. LM etc.<br />
• Anode/ Li-Titanat Soft Carbon<br />
• Anode/ modifizierte Graphite, Legierungen Si<br />
• Kathode/ Li Ni Me Me O2, Li Fe PO4<br />
Seitlicher Roadmapbereich (Busse)<br />
Casing<br />
kontinuierlich verbesserter Pouch - Aluminium Laminat<br />
Elektrolyt<br />
kontinuierliche Weiterentwicklung von Additiven<br />
Text der Stelengrafik<br />
Herausforderung Batterietechnik<br />
Die Batterie: Schlüssel zur Elektromobilität<br />
Die Grundlage für zukunftsweisende elektrische Antriebssysteme<br />
bilden Batterien und, aufgrund ihrer Vorzüge, vor<br />
allem Lithium-Ionen-Batterien. Sie können ein Schlüssel für<br />
die Elektromobilität sein. Vor dem Markterfolg sind allerdings<br />
große Herausforderungen zu bewältigen. Die gegenwärtigen<br />
Batteriesysteme müssen hinsichtlich Kosten, Energiedichte,<br />
Gewicht, Sicherheit, zyklischer und kalendarischer<br />
Lebensdauer sowie Ladegeschwindigkeiten noch deutlich<br />
verbessert werden.<br />
Energie- und Leistungsdichte<br />
Die Batterie in einem Elektroauto muss ausreichend Energie<br />
enthalten und darf dabei nur wenig wiegen, um die vom<br />
Verbraucher erwarteten Reichweiten zu ermöglichen. Darüber<br />
hinaus muss diese Energie aber auch kurzfristig abgerufen<br />
werden können, damit das Auto, etwa beim Anfahren, ausreichend<br />
beschleunigt werden kann.<br />
Exponat 4 - Batterie der Zukunft 29
Kosten<br />
Die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien liegen derzeit zwischen<br />
300 € und 600 € pro Kilowattstunde. Die Preisentwicklung<br />
hängt dabei von einer Reihe verschiedener Faktoren wie etwa<br />
den Rohstoffpreisen oder den Produktionsverfahren ab.<br />
Die Kosten sind wiederum auch verbunden mit den enormen<br />
Anforderungen an die Batterie. In den letzten Jahren sind<br />
Li-Ion-Zellen zwar immer günstiger geworden, doch selbst<br />
wenn dieser Trend anhält, bleibt die Batterie wahrscheinlich<br />
die teuerste Komponente im Elektroauto.<br />
Zyklenfestigkeit und Lebensdauer<br />
Über die Lebensdauer eines Elektroautos finden unzählige<br />
Auf- und Entladevorgänge der Batterie statt. Daher muss<br />
die Batterie über eine ausreichende Zyklenfestigkeit<br />
verfügen. Eng verbunden mit der Zyklenfestigkeit ist auch die<br />
Anforderung an die Lebensdauer. Idealerweise sollte die<br />
Batterie so lange halten wie das Auto. Und das ist nicht<br />
gerade kurz, denn heutige Fahrzeuge werden für einen<br />
etwa zehnjährigen Betrieb ausgelegt.<br />
Sicherheit<br />
Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien birgt eine Reihe<br />
von Gefahren. Eine mechanische Beschädigung der Zellen<br />
kann zum Auslaufen führen. Von Überladung und Überentladung<br />
sowie Überhitzung gehen ebenfalls hohe Risiken<br />
aus. Als besonders gefährlich gilt hierbei der „thermische<br />
Runaway“ der Zellen, worunter ein unkontrollierbarer<br />
Temperaturanstieg innerhalb einer Zelle verstanden wird.<br />
Status quo<br />
Energiedichte aktueller Batterien<br />
30 Exponat 4 - Batterie der Zukunft
Exponat 6<br />
Stadt der Zukunft<br />
Anwendungstext im Exponat 6<br />
Stadt der Zukunft<br />
Car-Sharing-Station<br />
Welchen nehmen wir heute?<br />
zur kurzfristigen Vermittlung von Mitfahrgelegenheiten. Nicht<br />
nur in städtischen Ballungsräumen, sondern gerade auch<br />
in ländlichen Gebieten, in denen das Angebot öffentlichen<br />
Personen-Nahverkehrs beschränkt ist, kann auf diese Weise<br />
die individuelle Mobilität gesteigert werden.Vergleichbare<br />
Projekte sind auch kommerziell interessant. In Ulm hat der Autohersteller<br />
Daimler den Pilotversuch „car2gether“ gestartet.<br />
Car-Sharing als Alternative zum eigenen PKW.<br />
Autohaus<br />
Wer ein Auto hat, fährt auch damit – schließlich müssen sich<br />
die Anschaffungskosten rentieren. Dennoch ist das Auto<br />
mehrheitlich eher „Stehzeug“ als Fahrzeug: 23 Stunden<br />
am Tag wird es gar nicht gebraucht. Unter dem Motto<br />
„mehr Mobilität, weniger Verkehr“ ist Car Sharing neben<br />
dem Ausbau des öffentlichen Verkehrs ein Schlüssel für ein<br />
nachhaltiges Mobilitätssystem. Car Sharing heißt nicht, auf<br />
das Auto zu verzichten, sondern im Gegenteil jederzeit den<br />
Sportwagen, den Smart oder den Minivan zu benutzen oder<br />
eben auch stehen zu lassen. In Zukunft wird die Dichte der<br />
Car-Sharing-Stationen zunehmen. Neue, kundenfreundliche<br />
Anwendungen können umgesetzt werden: Es wird möglich<br />
sein spontan, ohne langfristige Buchung ein Fahrzeug zu<br />
nutzen. Der Zugang könnte beispielsweise via SMS oder E-Mail<br />
geregelt werden. Große Netzwerke erlauben, das Auto an<br />
einem anderen als dem Ausgangsort zurück zu geben.<br />
Hier kommt der solidarische Verkehr!<br />
Zig Menschen haben täglich dieselben Wege.<br />
Wann kommt die Kaufprämie?<br />
Staatliche Förderungen als Motor für die Akzeptanz von<br />
Elektroautos.<br />
Vom Gratisparkplatz über Steuervergünstigungen bis zu<br />
direkten Prämien oder höheren Steuern auf herkömmliche<br />
Autos lässt sich eine ganze Menge tun, um die Durchsetzung<br />
des Elektroautos voranzutreiben. Einige Staaten wie etwa<br />
Frankreich bieten bereits Prämien von bis zu 5.000 EUR an. In<br />
Deutschland allerdings ist die Frage der Förderung von Elektroautos<br />
noch nicht geklärt. Bisher werden vor allem Gelder für<br />
die Erforschung der Elektromobilität bereit gestellt, staatliche<br />
Förderungen für den Kauf von Elektroautos sind vorerst nicht<br />
vorgesehen. Schätzungen der Industrie zufolge wird aber ein<br />
Elektroauto noch 2018 um rund 8.000 EUR teurer sein als<br />
ein herkömmliches Modell. Es bleibt daher fraglich, ob die<br />
Bundesregierung, ihr Ziel bis 2020 eine Million Elektroautos<br />
auf Deutschlands Straßen zu bringen, erreichen wird, ohne<br />
zusätzliche Anreize für die Käufer zu schaffen.<br />
Durchschnittlich sitzen 1,3 Personen in einem deutschen Auto.<br />
So werden in erster Linie Staus und Parkraumnot befördert. Ist<br />
die Voraussetzung individuellen Verkehrs, dass jeder einzelne<br />
Verkehrsteilnehmer über ein eigenes Fahrzeug verfügen muss?<br />
Fahrgemeinschaften lassen sich weit flexibler organisieren,<br />
wenn die Pools potentieller Teilnehmer wachsen. Mit dem<br />
Projekt „open ride“ testen Fraunhofer-Forscher ein System<br />
Exponat 6 - Stadt der Zukunft<br />
31
Leise überrollen sie die qualmenden Kolonnen:<br />
Elektroautos werden nach und nach die Straßen erobern.<br />
Es gibt sie schon: Elektroautos, die man kaufen kann.<br />
Während ihnen auf den großen Messen die Bühne gehört,<br />
lässt die serienmäßige Produktion allerdings noch auf sich<br />
warten. Deshalb werden die Vorzeigemodelle gelegentlich<br />
als Alibiprojekte kritisiert. Wer heute den Umstieg auf ein<br />
Elektroauto wagen will, ist nicht nur mit bis zu 50 Prozent<br />
höheren Anschaffungskosten konfrontiert, auch die Auswahl<br />
ist vergleichsweise mager. Ein breites Angebot wird es erst<br />
geben, wenn die Großhersteller mit ihrem Service- und<br />
Vertriebsnetz serienmäßig Elektroautos produzieren. Doch<br />
wer macht den ersten Schritt? Gerade mal 1.600 zugelassene<br />
Elektroautos gibt es in Deutschland heute. Geht es nach der<br />
Bundesregierung sollen es bis zum Jahr 2020 eine Million Elektroautos<br />
sein. - Das wäre immerhin jeder zehnte Zweitwagen,<br />
von denen es derzeit etwa 10 Millionen gibt. In New York um<br />
1901 war übrigens jedes zweite Auto ein Elektroauto.<br />
Autobahnauffahrt<br />
Brückentechnologie statt fauler Kompromisse.<br />
Hybridfahrzeuge sind eine vollwertige Lösung für den angstreckenverkehr.<br />
Elektroautos sind ideal für den Stadt- und Nah-Verkehr. Die<br />
meisten Deutschen fahren im Schnitt weniger als 50 Kilometer<br />
pro Tag. Hier stellen weder geringere Reichweiten noch<br />
niedrigere Spitzengeschwindigkeiten eine Einschränkung dar.<br />
Als „Universalautos“, die sowohl im Kurz- wie auch im<br />
Langstreckenverkehr eingesetzt werden können, eignen sich<br />
Plug-In-Hybridfahrzeuge. Diese kombinieren zwei Antriebsarten<br />
miteinander und besitzen neben einem Elektromotor<br />
auch einen Verbrennungsmotor. Letzterer kann entweder<br />
herkömmlich direkt auf die Antriebsräder wirken (Parallelhybrid)<br />
oder einen Generator antreiben, der dann den Strom für<br />
den Elektromotor liefert (Serieller Hybrid). Trotz gelegentlicher<br />
Fahrt mit dem Verbrennungsmotor erreichen die meisten Fahrzeuge<br />
dennoch einen hohen Anteil an elektrisch gefahrenen<br />
Kilometern. Damit verbreitern Plug-In-Hybridfahrzeuge die<br />
Basis für die Elektrifizierung unseres Individualverkehrs.<br />
Geräuscharme Brummis?<br />
Alternative Kraftstoffe und Antriebstechnologien sichern auch<br />
den Güterverkehr.<br />
Nicht nur in Ballungszentren und für den Personenverkehr,<br />
sondern ebenso im regionalen und überregionalen Logistikund<br />
Transportwesen gilt es neue Mobilitätskonzepte zu<br />
entwickeln. Eine Erweiterung des Schienennetzes ist aus<br />
Kostengründen in den kommenden Jahren nicht zu erwarten.<br />
Der Ausbau der Binnenschifffahrt hat natürliche Grenzen.<br />
Gefragt sind deshalb einerseits Technologien, die das Kombinieren<br />
unterschiedlicher Verkehrswege erleichtern, sowie<br />
andererseits Strategien zur Kosten- und Schadstoff-Reduktion<br />
im Fernverkehr. Wie in Innenstädten bereits üblich, sind auch<br />
auf Autobahnen abgasgekoppelte Mautgebühren denkbar.<br />
Tempolimits sind übrigens nicht nur auf Autobahnen sondern<br />
zum Beispiel mehr noch auf See ein effektives Instrument<br />
um Energie-Verbrauch und Emissionen zu reduzieren. Auch<br />
hier sind Fraunhofer-Institute mit der Erforschung alternativer<br />
Kraftstoffe und Antriebstechnologien befasst.<br />
32 Exponat 6 - Stadt der Zukunft
Energieleitzentrale<br />
Grüner Strom mehr als eine schöne Utopie.<br />
Noch wächst der Verbrauch während die Ressourcen schwinden.<br />
„Peak Oil“, der Zeitpunkt der maximalen Erdölförderung, ist<br />
möglicherweise schon erreicht. Von nun an sinken die förderbaren<br />
Mengen, bis in längstens 100 Jahren endgültig Schluss<br />
ist. Dennoch wird die Primärenergie kaum effizient genutzt:<br />
rund zwei Drittel gehen bei der Verbrennung in Kraftwerken<br />
und Motoren verloren. Die Folgen des ungezügelten Konsums<br />
für Klima und Gesundheit sind hinlänglich bekannt. Auch<br />
das spaltbare Material zum Betrieb der Kernkraftwerke ist<br />
erschöpflich.<br />
Der Rückgriff auf erneuerbare Energien und nachwachsende<br />
Rohstoffe ist also unvermeidlich. In Deutschland stammen<br />
heute bereits 16 Prozent des Stroms aus regenerativen<br />
Energien, in zehn Jahren soll sich dieser Wert verdoppeln. Die<br />
Ressourcen Sonne, Wind und Wasserkraft sind prinzipiell unerschöpflich.<br />
Die nötigen Technologien stehen heute bereits zur<br />
Verfügung. Die Kosten für die Installation sinken seit einigen<br />
Jahren kontinuierlich. 100 Prozent Ökostrom als Energieziel<br />
2050 ist machbar.<br />
Smart-Grid: Energieversorgung ohne Kapriolen:<br />
Nicht die Wetterprognosen müssen stabiler werden, sondern<br />
die Netze intelligenter.<br />
Die Integration von erneuerbaren Energien wie Solarenergie<br />
und Windkraft stellt für unsere Stromversorgung eine große<br />
Herausforderung dar. Die wetterabhängige Erzeugung lässt<br />
sich nicht immer mit dem aktuellen Verbrauch zur Deckung<br />
bringen. Derzeit werden vor allem Pumpspeicherkraftwerke<br />
eingesetzt, um Verbrauchsschwankungen und Erzeugungsspitzen<br />
abzufedern. In Zukunft bräuchte man aber ein Vielfaches<br />
der heute verfügbaren Kapazität, also sucht man intensiv<br />
nach Alternativen. Eine solche ist die intelligente Steuerung<br />
vieler elektrischer Verbraucher im sogenannten „Smart Grid“.<br />
Fraunhofer-Forscher entwickeln in diesem Bereich Lösungen<br />
zur Steuerung dezentraler Erzeuger und Verbraucher. Auch<br />
die Batterien unserer Elektrofahrzeuge werden ein Teil dieses<br />
intelligenten Netzes sein. Damit der Umbau unserer Elektrizitätsversorgung<br />
gelingen kann, müssen Stromnetze ausgebaut<br />
werden. Der Bundesverband Windenergie rechnet mit 850 km<br />
bis zum Jahr 2015.<br />
„König Kunde“ handelt am Strom-Markt<br />
Nur langsam werden die Versorgungsmonopole aufgeweicht.<br />
Die Dezentralisierung der Energie-Erzeugung bringt<br />
Bewegung in den Strommarkt:<br />
Mit der Umstellung auf erneuerbare Energien verlieren die<br />
gleichmäßig produzierenden Groß-Kraftwerke an Bedeutung.<br />
Schon jetzt ist für die Endverbraucher eine größere Auswahl<br />
zwischen Händlern und Tarifen durchgesetzt worden. Den<br />
tatsächlich bezogenen Strom-Mix kann der Kunde jedoch<br />
nicht bestimmen. Dezentralisierung ermöglicht beispielsweise<br />
Vereinen oder anderen Zusammenschlüssen Mit-Verantwortung<br />
für die Stromversorgung zu übernehmen. Private oder<br />
genossenschaftliche Solar- und Biogas-Anlagen sind keine<br />
Neuigkeit. Doch erst das „Smart Grid“ erlaubt es, was den<br />
momentanen Eigenbedarf übersteigt den übrigen Verbrauchern<br />
zur Verfügung zu stellen. Das intelligente Netz fördert<br />
die Angebotsvielfalt und erhöht durch „Smart Metering“ die<br />
Kostentransparenz. Preise können das reale Angebot abbilden<br />
und den Kunden wirtschaftlicheren Konsum ermöglichen.<br />
Exponat 6 - Stadt der Zukunft 33
Transformator<br />
Keine Kohle – keine Marie?<br />
Einen Mangel an Energie braucht niemand zu befürchten.<br />
Knapp 16 Prozent des bundesweiten Stromverbrauchs werden<br />
in Deutschland aus erneuerbaren Energien erzeugt. Steinkohle,<br />
Braunkohle, Erdgas und Kernkraft sichern die übrigen 84<br />
Prozent. Schon mit diesem Strom-Mix weist das Elektroauto<br />
mit seinem hocheffizienten Antrieb niedrigere Emissionwerte<br />
auf. Lokal sind die Schadstoffemissionen nahe null, was<br />
besonders in Groß- und Megastädten ein ganz entscheidender<br />
Vorteil ist. In der Stadt der Zukunft sind Energiebedarf und<br />
Schadstoffbelastung erheblich gesunken. Windparks, vor der<br />
Küste wurden errichtet, alte Anlagen zeitgemäß saniert. Auf<br />
den meisten Dächern wurden moderne, effiziente Solaranlagen<br />
installiert. Zu den bestehenden Wasserkraftwerken kamen<br />
neuartige Strömungsturbinen und Tidenhubanlagen hinzu.<br />
Biogasanlagen nutzen Gärungsprozesse. Auf Verbrennungsenergie<br />
wird weitgehend verzichtet. Erdwärme wird genutzt,<br />
wo sie direkt in einen Wärmekreislauf aufgenommen werden<br />
kann.<br />
Von der Jauchegrube zum Bürgerkraftwerk<br />
Eine Vielfalt an praktischen Ideen wird verknüpfbar.<br />
Auch Kleinvieh macht Mist – und hier sind längst nicht alle<br />
Optionen genutzt. Eine Tonne Bio-Abfall enthält über 100 m3<br />
Biogas. 130 kg Biomüll fallen pro Kopf und Jahr in Deutschland<br />
an.<br />
Der durchschnittliche Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlagen<br />
liegt bei 15 Prozent. Fraunhofer-Forscher haben vor Kurzem<br />
eine Solarzelle mit einem Rekordwirkungsgrad von 41,1 Prozent<br />
hergestellt. Selbst im wenig sonnigen Osnabrück würde<br />
die Nutzung der Dachflächen den Energiebedarf der Stadt<br />
ohne Probleme decken, zeigen die Berechnungen der dortigen<br />
Fachhochschule 2008.<br />
In einem Pilotprojekt unter Beteiligung von Fraunhofer-<br />
Wissenschaftlern wurde 2003 vor der Westküste Englands<br />
die erste Meereströmungsturbine „Seaflow“ gestartet. Rund<br />
100 Standorte kommen für den Einsatz dieser Technologie in<br />
Europa in Frage. Kleiner dimensioniert und flexibler einsetzbar<br />
ist die Strom-Boje. Sie kann schon in mittelgroßen Flussläufen<br />
verwendet werden. Diffusoren verstärken dann den Strömungsdruck.<br />
Fraunhofer-Studien belegen: Grüne Energie ist machbar.<br />
Die Vollversorgung ist technisch möglich und wirtschaftlich<br />
attraktiv.<br />
Im Auftrag des Umwelt Bundesamtes haben Fraunhofer-<br />
Forscher ermittelt, welche Auswirkungen mit Erreichen des<br />
Energieziels „100 Prozent Strom aus erneuerbaren Quellen<br />
bis 2050“ für den Wirtschaftsstandort Deutschland zu<br />
erwarten sind. Untersucht wurden die direkten und indirekten<br />
Systemkosten, Verteilungsaspekte, Auswirkungen auf Bruttoinlandsprodukt<br />
und Beschäftigung.<br />
Hier stehen Investitionskosten Einsparungen bei der Bewältigung<br />
von Folgeschäden gegenüber, niedrigeren Strompreisen<br />
geringere Gewinne der konventionellen Stromerzeuger.<br />
Verschiebungen bei den Akteuren in Industrie und Handel sind<br />
zu erwarten. Die Abhängigkeit von Rohstoffimporten und die<br />
Umweltbelastungen würden sinken. Eine Veränderung des<br />
volkswirtschaftlichen Profils wäre die Folge.<br />
Schon jetzt ist Deutschland führend in der Entwicklung unterschiedlichster<br />
Grüner Technologien. Deutsche Unternehmen<br />
dominieren hier mit bis zu 30 Prozent den internationalen<br />
Markt, damit verbinden sich große Wachstumschancen.<br />
34 Exponat 6 - Stadt der Zukunft
Siedlung<br />
Virtuelle Kraftwerke liefern echte Energie.<br />
Kleinsterzeuger werden zu wirtschaftlichen Einheiten<br />
zusammengefasst.<br />
In der Stadt der Zukunft werden Endabnehmer vielfach selbst<br />
zu Stromproduzenten, als Einzelpersonen oder in Zusammenschlüssen<br />
verschiedenster Art. Ein kleines Blockheizkraftwerk<br />
oder eine Wärmepumpe in der Wohnanlage, Photovoltaikanlagen<br />
auf Hausdächern, kommunale Windparks, kleine Biogasanlagen<br />
usw. – unterschiedliche Anteile des Eigenbedarfs<br />
können auf diese Weise erbracht werden.<br />
Aufmerksamkeit der Verbraucher im Rahmen ihrer Rolle als aktive<br />
Teilnehmer in der Energiewirtschaft und eine Umsetzung<br />
einer größeren Palette an Energiesparlösungen.<br />
In der Stadt der Zukunft, den so genannten Smart Cities,<br />
sind einzelne Haushalte bzw. Gebäude direkte Erzeuger-,<br />
Speicher und Verbrauchereinheiten. Für eine Optimierung<br />
der Energiebilanz sorgen darüber hinaus bedarfsgerechte<br />
Klima- und Lüftungstechnik, der Einsatz neuer Dämmstoffe,<br />
eine effektivere Nutzung bestehender Wärmekreisläufe sowie<br />
das „Smart-Metering“.<br />
Das Nervenzentrum zukünftiger Energieversorgung:<br />
Smart Grids müssen unterschiedlichste Informationsflüsse<br />
kombinieren.<br />
Überschüsse bei geringem Verbrauch oder beispielsweise<br />
wetterbedingten Produktionsspitzen können an der<br />
Strombörse verkauft und ins Versorgungsnetz eingespeist<br />
werden. Zu diesem Zweck werden Kleinsterzeuger zu so<br />
genannten virtuellen Kraftwerken zusammengefasst, um<br />
Schwankungen lokal auszugleichen. Intelligente Informationsund<br />
Kommunikationstechnologien wie das Internet sorgen<br />
zusammen mit speziellen Software-Entwicklungen dafür, dass<br />
die verschiedenen Verbrauchsanforderungen sowie aktuelle<br />
Wetterprognosen jederzeit aufeinander abgestimmt werden.<br />
Nehmen Sie den Netzstecker selbst in die Hand!<br />
Mehr und mehr Belange rund ums Wohnen müssen im Zusammenhang<br />
mit der Energiebilanz wahrgenommen werden.<br />
Um die Treibhausgase bis 2050 um 80 Prozent zu reduzieren<br />
und die Stromerzeugung komplett auf erneuerbare Energie<br />
umzustellen, muss in die Energieversorgungs-Infrastruktur und<br />
den Aufbau neuer Anlagen investiert werden. Zudem werden<br />
weitere Forschungs- und Entwicklungserfolge grüne Technologien<br />
in ihrer wirtschaftlichen Attraktivität steigern. Darüber<br />
hinaus sind zwei weitere Aspekte unbedingt zu beachten: Die<br />
Die Zukunft der Energienetze liegt in einer Dezentralisierung<br />
ihrer Struktur: mehr Anbieter drängen auf den Markt, zugleich<br />
soll bedarfsorientiert, effizient und kostentransparent gehandelt<br />
werden.<br />
Punktuelle Informationsflüsse in verschieden dichter<br />
Konzentration Ausrichtung zwischen Marktteilnehmern und<br />
Endkunden – die Anforderungen an die Netzinfrastruktur<br />
sind vielfältig und anspruchsvoll. Fraunhofer-Forscher arbeiten<br />
an einer standardisierten intelligenten Energiemanagement-<br />
Lösung. Eingespeiste und abgerufene Strommengen müssen<br />
in verschiedenen Kreisläufen gemessen werden. Schwankende<br />
Preise aufgrund der jeweils aktuellen Energiebedarfs- und<br />
-angebotslage müssen jederzeit in Form flexibler Tarife an<br />
Kunden übertragen, Speicherkapazitäten zu- und abgeschaltet<br />
sowie Wetterlagen berücksichtigt werden. Vertrauliche und<br />
öffentliche Daten müssen unterschieden und Sicherheits- bzw.<br />
Reparaturmechanismen vorgesehen werden.<br />
Exponat 6 - Stadt der Zukunft 35
Smart House<br />
Intelligent gezählt, ist halb gewonnen.<br />
Smart Meter helfen Energiekosten zu sparen und leisten einen<br />
Beitrag zum Klimaschutz.<br />
Wer kennt das nicht: Die Stromabrechnung ist da und man<br />
ist erstaunt, wie viel Strom man im letzten Jahr schon wieder<br />
verbraucht haben soll. Smart Meter, also intelligente Zähler,<br />
schaffen hier Abhilfe: Sie ermöglichen den Stromverbrauch in<br />
Echtzeit zu überprüfen. So können Endverbraucher Energie<br />
bewusster und effizienter verwenden. Es ist sogar möglich,<br />
Aufschluss über den Energiebedarf einzelner Geräte zu<br />
erhalten. Für die Netzbetreiber eröffnet das Smart Metering<br />
die Möglichkeit, Überschüsse in der Stromproduktion zu<br />
vermeiden oder diese gezielter zu verkaufen.<br />
Seit dem ersten Januar 2010 müssen in Deutschland in Neubauten<br />
sowie nach einer Generalsanierung auch in Altbauten<br />
intelligente Strom- und Gaszähler installiert werden. Der<br />
Smart Meter ist eine wichtige Voraussetzung für den Aufbau<br />
intelligenter Energienetze (Smart Grids), da er eine kommunikationstechnische<br />
Vernetzung aller Stromspannungsebenen<br />
bis hin in den Haushalt ermöglicht.<br />
Wenn das Windrad mit der Waschmaschine spricht.<br />
Im intelligenten Stromnetz sind alle Teilnehmer des Energiesystems<br />
miteinander verbunden.<br />
Die Waschmaschine dann einschalten, wenn der Strom am<br />
günstigsten ist, das Auto als Stromspeicher nutzen, auf<br />
kommunale Verkehrsangebote zurückgreifen und jederzeit<br />
über den eigenen Verbrauch und die aktuellen Preise auf dem<br />
Laufenden bleiben. Smart Grids ermöglichen genau das. Sie<br />
stellen ein Gleichgewicht her zwischen Stromverbrauchern,<br />
-herstellern und -speichern, Wetterdiensten und Energiemärkten.<br />
Um Energieverbrauch, -erzeugung und speicherung optimal<br />
aufeinander abzustimmen, müssen Dateninformationen in<br />
unterschiedliche Richtungen kommuniziert werden. Dasselbe<br />
gilt auch für den Strom selbst. Bidirektionales Laden nennen<br />
Techniker den Vorgang, den die Elektroautos als mobile<br />
Stromspeicher der Zukunft bewältigen sollen: Die Batterie<br />
lässt sich nach dem Entladen durch Verbrauch nicht nur neu<br />
“betanken“, sie kann Strom auch zurück ins Energiesystem<br />
abgeben. Wie stationäre Energiespeicher und Kraftwerke<br />
speist sie Strom ins Versorgungsnetz ein – von jeder beliebigen<br />
Ladestation.<br />
Bidirektionales Laden: Mal so, mal so.<br />
Das Auto als fahrbarer Energiespeicher kann Energie nicht nur<br />
zum direkten Verbrauch zur Verfügung stellen.<br />
Stellen Sie sich vor, Sie könnten mit Ihrer Autobatterie Geld<br />
verdienen. Was wie Zukunftsmusik klingt, ist technisch schon<br />
heute möglich: Elektroautos sollen nicht nur Strom aus dem<br />
Netz entnehmen, um zu fahren – sie sollen benötigte Strommengen<br />
auch zurück ins Netz speisen können. Autofahrer<br />
werden selbst bestimmen können, wie viel Strom ihr Akku<br />
speichern soll und wann er aufgeladen wird. Das Auto wird<br />
so zu einem Fahrzeug am Netz, auch „Vehicle to Grid“ V2G<br />
genannt, und schafft einen Übergang zwischen Verbraucher<br />
und Stromhändler. Ein solcher bidirektionaler Lade- und<br />
Entladezyklus funktioniert in der Praxis wie folgt: Ist der<br />
Stromtarif aufgrund hoher Strommengen im Netz niedrig, wird<br />
das Fahrzeug beladen. Ist der Strompreis hoch und das Auto<br />
steht, wird automatisch Strom in das Netz zurückgeführt. Es<br />
wird gewährleistet, dass je nach Bedarf genügend Energie zur<br />
Verfügung steht. Bei Stehzeiten von bis zu 90 Prozent ist das<br />
eine attraktive Option.<br />
36 Exponat 6 - Stadt der Zukunft
Supermarkt<br />
Parken Sie noch oder laden Sie schon?<br />
Regelmäßiges Aufladen beim Parken ersetzt lästige Stopps an<br />
der Tankstelle.<br />
Den größten Teil des Tages steht ein Auto. Zum Beispiel dann,<br />
wenn man im Supermarkt den Wochenendeinkauf erledigt.<br />
Während man also noch überlegt, ob man Lust auf Avocados<br />
oder Grapefruits hat, könnte das Auto im Parkhaus schon wieder<br />
aufgeladen sein. Die Batterie eines Elektroautos speichert<br />
weniger Energie, als man in einem Benzintank mit sich führen<br />
kann – die Reichweite ist geringer. Dieses Problem kann durch<br />
den Ausbau vielfältiger Lademöglichkeiten gelöst werden.<br />
Neben dem Laden zu Hause, dem Laden an halböffentlichen<br />
Plätzen wie z. B. am Arbeitsplatz, wird daher auch das Laden<br />
im öffentlichen Raum an Bedeutung gewinnen. So soll man<br />
am Flughafen von Denver in Zukunft im Parkhaus sein Auto<br />
gratis aufladen können.<br />
Am Auto-Salon in Genf 2010 präsentierte Protoscar seinen<br />
Elektrosportwagen Lampo, der dank seiner Schnellladefunktion<br />
für eine Strecke von bis zu 100 km nur zehn Minuten<br />
Ladezeit benötigt. Zu den Partnern des Lampo-Projekts gehört<br />
auch die Frauenhofer-Gesellschaft.<br />
Salatgurken sind unsere Bananen.<br />
Nicht nur die Menschen, auch die Waren legen immer größere<br />
Strecken zurück.<br />
Der Import exotischer Waren - Gewürze, Früchte, Textilien und<br />
anderer Kulturgüter - hat eine lange Tradition. Der Welthandel<br />
begründet den Reichtum und den Wohlstand unserer Gesellschaften.<br />
Doch der uneingeschränkte Verkehr regionaler Produkte hat<br />
auch seine Schattenseiten. Mitunter treten Produktionsweisen<br />
miteinander in eine Konkurrenz, die das Brachliegen weiter<br />
Landstriche und den Zusammenbruch ganzer Volkswirtschaften<br />
nach sich zieht. Die afrikanische Bäuerin und Mikrokreditnehmerin<br />
kann ihre Hühner nicht zu denselben Preisen auf<br />
den Markt bringen wie ein nordeuropäischer Geflügelproduzent.<br />
Auf diese Weise werden mitunter Kreisläufe in Gang<br />
gebracht, die nicht nur unter sozialen, sondern auch unter<br />
energiepolitischen Gesichtspunkten unverantwortlich sind. Die<br />
Preisaufschläge auf Transport, Kühlkette und Lagerung bilden<br />
in den seltensten Fällen die realen Energie- und Umweltkosten<br />
ab.<br />
Redox Flow Speicher<br />
Wenn das Wetter mal nicht mitspielt.<br />
Zeitgerecht auf Reserven zugreifen!<br />
Konventionelle Kraftwerke sind auf die zuverlässige und gleich<br />
bleibende Stromversorgung rund um die Uhr ausgelegt.<br />
Ein Sonnenkraftwerk hingegen liefert Strom, solange die<br />
Sonne scheint, ein Windkraftwerk, solange der Wind weht.<br />
Die größten Kapazitäten bündeln sich tagsüber in der kalten<br />
Jahreszeit – hier liegen auch die Verbrauchspitzen. Dennoch<br />
stehen sich variable Bedarfe und schwankende Leistungen<br />
gegenüber. Hier muss ein Ausgleich noch geschaffen werden:<br />
Um jederzeit auf Strom aus erneuerbaren Energie zurückgreifen<br />
zu können, braucht es daher intelligente Netze, Speicher<br />
und Akkumulatoren. Das „vehicle to grid“ ist in diesem<br />
Zusammenhang sicher das spektakulärste Konzept. Doch für<br />
die stationäre Großanwendung sind skalierbare Stromspeicher<br />
wie die Redox Flow Technologie ebenfalls sehr interessant. Ihre<br />
Speicherkapazität hängt im Wesentlichen von der Größe der<br />
integrierten Elektrolyte-Tanks ab. Ihr Wirkungsgrad liegt bei 80<br />
Prozent.<br />
Exponat 6 - Stadt der Zukunft 37
Weniger potent, aber zuverlässig:<br />
Redox Flow Batterien liefern Strom wenn er gebraucht wird.<br />
Die Idee ist über 40 Jahre alt: Zwei Flüssigkeiten, Elektrolyte<br />
mit Metall-Ionen, fließen aus Tanks durch eine Zelle, die in<br />
einem chemischen Prozess Strom erzeugt. Das funktioniert<br />
auch umgekehrt: Ist Energie übrig, wandelt die Batterie die<br />
elektrische wieder in chemische Energie um und speichert sie<br />
in den Tanks. Der Vorgang lässt sich bis zu 10.000 Mal wiederholen.<br />
Durch den Austausch der Elektrolytflüssigkeit lassen<br />
sich die Batterien innerhalb von Minuten wieder aufladen. Ein<br />
Vorteil ist außerdem, dass sie sich praktisch nicht entladen und<br />
so Energie sehr lange speichern können. Ihre Energiedichte<br />
kann aber mit Lithium Ionen Technologie nicht mithalten. Sie<br />
entspricht der eines Blei-Akkumulators – ihre Lebensdauer ist<br />
jedoch fast zehnmal so hoch. Forscher der Fraunhofer-Allianz<br />
Energie arbeiten an<br />
der Entwicklung größerer Anlagen von etwa 2 MW. Diese<br />
Stacks wären geeignet große Energiemengen aus der stark<br />
schwankenden Solar- und Wind-Energiegewinnung zu<br />
speichern.<br />
Haltestelle Autotram<br />
Immer unterwegs:<br />
Die Neubewertung des öffentlichen Nahverkehrs kommt<br />
auch den Anforderungen einer älter werdenden Gesellschaft<br />
entgegen.<br />
auf voraussichtlich mehr als ein Drittel bis zum Jahr 2030.<br />
Forschungen zeigen, dass die Möglichkeit, mobil zu bleiben,<br />
ein Schlüsselfaktor für ein zufriedenes, selbstbestimmtes Leben<br />
im Alter ist. Eine neue Mobilitätskultur, die den Anforderungen<br />
älterer Menschen entspricht, erhöht deren Lebensqualität,<br />
reduziert die Zahl von Unfällen und führt zu signifikanten<br />
Kosteneinsparungen. Gefordert sind barrierefreie Einstiege,<br />
ein dichtes Haltestellennetz oder Shuttles „on demand“ – zu<br />
bestellen über das Touch Screen-Handy mit großer Schrift.<br />
Straßenbahn oder Bus?<br />
Die Autotram vereinigt die Vorteile von beidem und wird<br />
elektrisch betrieben<br />
Sie ist so lang wie eine Straßenbahn und so beweglich wie<br />
ein Bus. Die Rede ist von der Autotram, die vom Fraunhofer-<br />
Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme entwickelt<br />
wurde. Die Autotram kann bis zu 200 Fahrgäste befördern.<br />
Es sind keine Oberleitungen notwendig, vielmehr rollt<br />
sie auf Gummireifen und folgt automatisch einer weißen<br />
Orientierungslinie auf der Straße. Ihr Antriebsystem entspricht<br />
einem seriellen Hybridfahrzeug. Aufgeladen wird bei Schnellladestationen<br />
in 90 Sekunden, während die Fahrgäste ein- und<br />
aussteigen. Durch die geringen Infrastrukturkosten, die gute<br />
Umweltverträglichkeit und die hohe Einsatzflexibilität wird sie<br />
zu einer kostengünstigen Alternative zu bekannten Verkehrssystemen.<br />
Und noch einen Vorteil bietet die Autotram: Wenn<br />
Sie morgens auf den Bus warten, wehen Ihnen keine Abgase<br />
mehr in die Nase!<br />
Die Menschen werden immer älter. Das ist eine gute Nachricht.<br />
Doch das Alter bringt es auch mit sich, dass die individuelle<br />
Bewegungsfähigkeit eingeschränkt wird. Neben ökologischer<br />
Mobilität als Antwort auf steigende Rohstoffpreise muss der<br />
öffentliche Nahverkehr also auch für die demografischen<br />
Veränderungen gerüstet sein. In Deutschland steigt der Anteil<br />
über 60 Jahre alter Menschen von gegenwärtig 21 Prozent<br />
38 Exponat 6 - Stadt der Zukunft
Arbeitsplatz<br />
Fuhrpark unter Strom.<br />
Elektrische Firmenautos erobern die Fuhrparks deutscher<br />
Unternehmen.<br />
Die Flotte der Firmenautos und Transporter steht geschützt unter<br />
einem Solarzellendach. Es gibt Autos für jede Gelegenheit:<br />
Elektroautos, Hybridautos und auch noch ein paar wenige<br />
Autos mit traditionellem Antrieb für Fahrten in Gebiete, wo<br />
es noch keine Ladestationen gibt. Noch sind zwar Autos mit<br />
alternativen Antrieben in deutschen Fuhrparks relativ selten<br />
zu finden, doch das kann sich schon bald ändern. Nach einer<br />
aktuellen Umfrage unter 230 Fuhrparkentscheidern erwarten<br />
sich deutsche Unternehmen, dass der Anteil an alternativ<br />
angetriebenen Fahrzeigen in den nächsten Jahren stark<br />
steigen wird. Umweltschutz wird zunehmend großgeschrieben<br />
und dafür werden sogar Mehrkosten akzeptiert. Anschaffungskosten<br />
machen sich zudem durch mehrfache Nutzungsmöglichkeiten<br />
bezahlt: In Verbindung mit dem firmeneigenen<br />
Kleinkraftwerk, zum Beispiel aus Windenergie, können die<br />
Autobatterien überschüssige Energie zwischenspeichern.<br />
werden. In der U-Bahn wird dann über GPS der Treffpunkt mit<br />
Freundinnen geortet, die dort schon über Handy das passende<br />
Leihauto geordert haben. Bei aller Effizienzsteigerung darf<br />
eines nicht aus dem Blick geraten: Transport und Information<br />
sollen das Leben der Menschen verbessern, Freiräume schaffen<br />
und auch ungeplante Wege gangbar machen. Die Mobilität<br />
der Zukunft sieht auch Ruhezeiten vor.<br />
Dienstbare Technik?<br />
Neue Kommunikations- und Informationsmittel nehmen auch<br />
uns verstärkt in Dienst.<br />
Während das Fahrzeug am Parkplatz seine Arbeit als<br />
Stromspeicher verrichtet, können die Menschen in ihren Büros<br />
und Werkplätzen gewohnten Tätigkeiten nachgehen und<br />
zeitnah ihre Energie- und Mobilitätsbedürfnisse koordinieren.<br />
Arbeitgeber profitieren von flexiblen und gut informierten<br />
Mitarbeitern. Ein Schlüsselwort ökologisch nachhaltiger<br />
Mobilitätskonzepte ist Energie-Effizienz. Durch die Verbindung<br />
moderner Kommunikationstechnologien mit umfassenden<br />
Mobilitätskonzepten kann auch die Zeit effizient genützt<br />
Exponat 6 - Stadt der Zukunft 39
Exponat 7<br />
Das virtuelle<br />
Testzentrum<br />
Anwendungstext im Exponat 7<br />
Das virtuelle Testzentrum<br />
Nicht zusehen, probieren macht den Ingenieur!<br />
Herzlich willkommen! Sie befinden sich im virtuellen<br />
Testzentrum. Hier müssen Fahrzeugtechnik, Antriebe und<br />
Sicherheitskonzepte die Probe aufs Exempel bestehen. Wie<br />
sicher ist ein Auto? Läuft der Motor rund? Wie laut ist der Wagen?<br />
Was leistet die Batterie? Ob Crashtest, Antriebstest oder<br />
Batteriewechsel: Machen Sie mit und probieren Sie selbst, wie<br />
Autoentwicklung bei Fraunhofer funktioniert.<br />
Antriebskonzepte auf dem (Motoren-)<br />
Prüfstand<br />
Radnabenmotor<br />
Messung des Wirkungsgrades<br />
Um den Wirkungsgrad des Antriebs in unserem Testfahrzeug<br />
zu messen läuft dieses auf einer speziellen Antriebsrolle. An<br />
diesem Prüfstand können Sie die Geschwindigkeit gezielt<br />
regeln und so verschiedene Fahrzyklen simulieren. Der<br />
Wirkungsgrad des Antriebs errechnet sich aus dem Verhältnis<br />
von zugeführter und der abgegebener Leistung. Wie viel<br />
der eingesetzten Energie gelangt wird beim antreiben der<br />
Rolle wieder frei gesetzt? Je höher der in Prozent angezeigte<br />
Wirkungsgrad desto effizienter der Antrieb. Auf der digitalen<br />
Anzeige-Tafel unterhalb des Prüfstandes werden Ihnen gesondert<br />
Geschwindigkeit und Wirkungsgrad angezeigt.<br />
Starten Sie den Test! Wie effizient ist der Radnabenmotor?<br />
Antriebskonzepte<br />
Wohin mit dem Motor: Rad oder Achse – Wer hat die Nase vorn?<br />
Feedback Radnabenmotor<br />
Die kompakte Lösung mit einzeln steuerbaren Rädern<br />
Zylinder, Kolben, Kurbelwelle – im klassischen Motor hebt<br />
und senkt und dreht sich der Stahl immerzu. Dabei reiben<br />
die Teile aneinander, viel Energie geht verloren. Anders<br />
beim Elektromotor: Eine Reihe von Spulen umzingeln einen<br />
Rotor. Sobald Strom durch diese Spulen fließt, entsteht ein<br />
Magnetfeld, das sich dreht, und das treibt den Motor an. So<br />
kann der Elektromotor mehr als 90 Prozent der eingesetzten<br />
Energie nutzen, um das Fahrzeug vorwärts zu bewegen. Beim<br />
Verbrennungsmotor sind es nur mickrige 25 Prozent. Wo der<br />
Rotor im Fahrzeug am besten sitzt, ist noch nicht klar. Der<br />
Radnabenmotor im Rad konkurriert mit dem Achsmotor auf<br />
der Hinterachse.<br />
Versuchen Sie es selbst: Wie effizient sind Radnabenmotor<br />
und Achsantrieb?<br />
Radnabenmotoren sind direkt in die Räder eines Fahrzeugs<br />
eingebaut. Sie brauchen weder Getriebe noch Differenzial.<br />
Stattdessen überträgt der auf die Felge montierte Motor die<br />
Kraft direkt auf die Fahrbahn. Der Vorteil: Wo keine Zahnräder<br />
aneinander reiben, geht weniger Energie verloren. Außerdem<br />
geht es seltener in die Reparatur: Die Zahl der Verschleißteile<br />
sinkt, es geht einfach weniger kaputt. Auch die Designer<br />
freuen sich: Mit nichts mehr unter der Haube eröffnen sich<br />
ganz neue Möglichkeiten, Autos zu gestalten. Zu guter Letzt<br />
verbessert der direkte Radantrieb – wenn alles gut aufeinander<br />
abgestimmt ist – auch die Fahrdynamik und Sicherheit.<br />
40 Exponat 7 - Das virtuelle Testzentrum
Feedback Achsmotor<br />
Achsantrieb<br />
Mit Sicherheit gut ausbalanciert<br />
Achsantriebe sind nicht neu. Sie sind alte Bekannte aus<br />
Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Sie sind vor allem<br />
unkompliziert. Radnabenmotoren braucht man gleich vier,<br />
die alle gekonnt aufeinander abgestimmt sein müssen. Ein<br />
Achsmotor ist viel leistungsfähiger: Einer reicht, damit ein<br />
Auto fährt. Allerdings geht beim Motor direkt im Rad weniger<br />
Energie verloren und die Fahrdynamik verbessert sich. Noch<br />
besser ist ein System, das alle Vorteile vereint: Fraunhofer-<br />
Forscher arbeiten an einem Achsantrieb mit zwei Motoren,<br />
für jede Achse einen. Dieser treibt ebenfalls jedes Rad einzeln<br />
an – Leistung plus sichere Bewegung.<br />
Komponenten-Crashanlage/Crashsicheres Batterie-<br />
Modul<br />
Crashtests – Sicherheit aus dem Labor<br />
Ungebremst gegen eine Mauer prallen? Der Albtraum für<br />
jeden Autofahrer! Gegenüber hergebrachten Fahrzeugen birgt<br />
das Elektroauto noch eine zusätzliche Gefahr: Die Inhaltsstoffe<br />
des gewichtigen Lithium-Akkus sind stoßempfindlich. Um<br />
ihn optimal zu schützen, entwickeln Fraunhofer-Forscher ein<br />
aufprallsicheres Batteriepack. Im schützenden Heckrahmen des<br />
Demonstrationsfahrzeugs Frecc0 unterziehen sie das Modul<br />
allen möglichen Unfalltests. Um dafür nicht jedes Mal ein<br />
ganzes Auto zu Schrott zu fahren, werden die verschiedenen<br />
Situationen in einer speziellen Komponenten-Crashanlage<br />
simuliert. Versuchen Sie es selbst: Wie belastbar ist das<br />
Batterie-Modul?<br />
Prüfstände<br />
Prüfstände<br />
Prüfen auf Herz, Nieren und einiges mehr<br />
Eine technische Neuerung muss erst einmal rundum geprüft<br />
werden – mithilfe eines Prüfstandes. Das gilt für ein ganzes<br />
Auto genauso wie für seine Einzelteile. Den Fraunhofer-<br />
Ingenieuren geht es dabei stets darum, die Leistung, Reichweite<br />
und Effizienz der von ihnen entwickelten Motoren und<br />
Antriebe zu optimieren. Aber auch die Fahrzeugsicherheit bei<br />
extremen Belastungen kommt auf den Prüfstand, genau wie<br />
der Komfort und die entstehenden Geräusche und Abgase.<br />
Erkunden Sie das Elektroauto: Wie sicher ist es? Was leistet<br />
es? Und welche Geräusche macht es?<br />
Crashtest Batteriepack<br />
Gut Behütet dank crashsicherer Hülle<br />
Besonders bei Lithium-Batterien ist Sicherheit wichtig, denn Lithium<br />
ist ein recht reaktionsfreudiges Metall. Um es gefahrlos<br />
verwenden zu können, darf es weder zu warm werden, noch<br />
heftigen Stößen ausgesetzt sein. Darum haben Fraunhofer-<br />
Forscher eine Leichtbau-Sicherheitshülle aus einem Metall-<br />
Kunststoff-Gemisch entwickelt. Darin schlummert die Batterie<br />
sicher und bei strenger Temperaturkontrolle. Zusätzlich wurde<br />
auch der Heckrahmen des Demonstrationsfahrzeugs Frecc0<br />
optimiert. Beides muss Schussproben bestehen: Die Ingenieure<br />
lassen bis 3.000 Kilogramm schwere Stoßkörper mit mehr als<br />
80 Kilometern pro Stunde gegen das Batteriegehäuse knallen<br />
– und es hält: Die Batterie bleibt selbst bei einem starken<br />
Aufprall unversehrt und funktionstüchtig.<br />
Exponat 7 - Das virtuelle Testzentrum 41
Allrad-Akustikprüfstand<br />
Ein Test für jede Tonart<br />
Doch was man nicht hört, übersieht man auch schnell – die<br />
Unfallgefahr steigt.<br />
Autos sind laut: Ob man daneben steht oder drin sitzt – es<br />
brummt. Um den Lärmpegel so weit wie möglich verringern<br />
zu können, haben Fraunhofer-Forscher den Allrad-Akustikprüfstand<br />
entwickelt: Jedes Rad des Testautos wird einzeln<br />
angetrieben und Sensoren zeichnen Schall und Schwingungen<br />
auf. Bisher ging das nur auf Probefahrten – und das Wetter<br />
machte den Entwicklern so manchen Strich durch die<br />
Testrechnung. Auf dem Fraunhofer-Prüfstand wird die Freifahrt<br />
dagegen perfekt simuliert.<br />
Ein leises Auto hat viele Vorteile: Die Lärmbelastung der<br />
Umwelt sinkt, der Fahrer kann sich besser konzentrieren und<br />
auch angeregten Gesprächen während der Fahrt steht nichts<br />
mehr im Weg.Versuchen Sie es selbst: Wie unterscheiden sich<br />
Elektro- und Dieselfahrzeug in punkto Lautstärke?<br />
Feedback Allrad-Akustikprüfstand<br />
Auf leisen Sohlen<br />
Das sonore Brummen des Ferraris oder das Heulen einer Rennmaschine:<br />
Für den einen ist es Musik, für den anderen nichts<br />
als Getöse. Am Allrad-Akustikprüfstand werden die Außengeräusche<br />
eines vorbeifahrenden Fahrzeugs gemessen, genau<br />
wie das Klappern und Brummen einzelner Fahrzeugteile. Alles<br />
muss die vorgegebenen Klang-Richtlinien einhalten. Schließlich<br />
kann am Prüfstand ein runder Motorsound eingestellt werden.<br />
Das erhöht den Fahrkomfort und schont die Nerven der Insassen.<br />
Im Vergleich zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor<br />
ist das Elektroauto deutlich leiser. Bei genauem Hinhören fallen<br />
nach außen nur die Geräusche der Reifen auf der Fahrbahn<br />
bei höheren Geschwindigkeiten auf. Das ist schön für die<br />
Umwelt und empfindliche Mitbürger. Allerdings verlassen sich<br />
viele Verkehrsteilnehmer oft auch allein auf ihr Gehör.<br />
Einflussfaktor Temperatur<br />
Klimatisierbarer Allrad-Rollenprüfstand<br />
Heiß oder kalt – konstante Leistung zählt<br />
Sonne zaubert nicht nur ein Lächeln aufs Fahrergesicht – an<br />
einem schönen Frühlingstag erfüllt auch ein Elektroauto<br />
mühelos seine Reichweitenangaben. Doch wie sieht das bei<br />
Hundshitze aus oder einem winterlichen Kälteeinbruch? Spielt<br />
es womöglich eine Rolle, ob Heizung oder Klimaanlage laufen<br />
oder das Radio dudelt? Immerhin beziehen auch sie ihre Energie<br />
aus der Batterie. Um dem auf die Spur zu kommen, testen<br />
die Fraunhofer-Forscher ein Auto auf einem Allrad-Rollenprüfstand<br />
in einer speziellen Klimakammer.<br />
Versuchen Sie es selbst: Wie wirkt sich die Umgebungstemperatur<br />
auf die Leistung der Batterie aus?<br />
Feedback: Klimatisierbarer Allrad-Rollenprüfstand<br />
Einflussfaktor Temperatur<br />
Wie weit ein Elektroauto fahren kann, hängt nicht nur vom<br />
Fahrstil ab, sondern auch davon, wie kalt oder warm es ist.<br />
Zehn Grad mehr oder weniger als „lau“ – schon macht das<br />
Auto viel eher schlapp. Auch auf die Art der Strecke kommt<br />
es an. Eine flache, gerade Allee oder eine kurvige Bergstraße,<br />
beides bei Wüstenhitze oder Kühlschrank-Temperatur: Die vier<br />
unabhängig angetriebenen Rollen dieses Prüfstandes können<br />
jede Fahrbelastung und die Klimakammer jede Temperatur<br />
simulieren. Ob Front-, Heck- oder Allradmotor, ob PKW oder<br />
Kleinlaster: Im Modell durchfahren sie die verschiedensten<br />
Szenarien. Immer wieder messen die Wissenschaftler, was<br />
der Antrieb leistet, wie viel Energie das Fahrzeug verbraucht<br />
und wie weit es bei welchem Wetter rollt – bis es das Siegel<br />
„zuverlässige Leistung“ erhält.<br />
42 Exponat 7 - Das virtuelle Testzentrum
EMV-Prüfstand Elektromagnetische Verträglichkeit<br />
Elektromagnetische Strahlung unter Kontrolle<br />
Da steckt Power hinter: Das neue Hochvoltnetz unterscheidet<br />
sich gänzlich vom hergebrachten 12Volt-Netz, das natürlich<br />
auch mit an Bord ist. Die elektrische Leistung in Hybrid- und<br />
Elektrofahrzeugen liegt bis zu hundertfach über der herkömmlicher<br />
Autos. Wie gut vertragen sich die beiden? Und ist solch<br />
ein Elektro-Kraftpaket vielleicht selbst ein elektromagnetischer<br />
Störenfried für die Außenwelt? Das testen die Fraunhofer-<br />
Forscher in einem speziellen Raum: In einem Schirmraum,<br />
in den keine Störungen von außen eindringen und keine<br />
rausgehen. Versuchen Sie es selbst: Erfüllt das Testfahrzeug die<br />
Anforderungen an die Elektromagnetische Verträglichkeit?<br />
die anderen laden Strom. Letzteres kann durchaus einige<br />
Stunden dauern. Wer nicht so lange warten will, kann eine<br />
leere Batterie auch einfach gegen eine volle tauschen – zum<br />
Beispiel an einer vollautomatischen Wechselstation: Sie bleiben<br />
bequem sitzen, während ein Roboter die Batterien tauscht.<br />
Ein Schlitten, ein Battery Shuttle, baut die leere Batterie aus<br />
und transportiert sie zum Laden in ein Lager. Ein zweiter<br />
Schlitten setzt in dieser Zeit schon eine neue ein. Michael<br />
Schumacher wäre erstaunt: In knapp einer Minute kann die<br />
Fahrt weitergehen – schneller als beim herkömmlichen Tanken.<br />
Versuchen Sie es selbst: Wie kann der Batterie-Wechsel der<br />
Zukunft aussehen?<br />
Feedback Batteriewechsel<br />
Feedback: EMV-Prüfstand<br />
„Aufgetankt“!<br />
Strahlungssicher<br />
Im Auto klingelt ein Handy, oder es fährt gerade an einem<br />
Funkmast vorbei? Dann muss es trotzdem völlig unbeteiligt<br />
sein. Es darf nicht auf Störungen aus der Umwelt reagieren,<br />
sodass es womöglich unverhofft bescheunigt oder gar aus der<br />
Spur ausbricht. Umgekehrt sollen aber auch der Radiogenuss<br />
oder das Telefonat nicht gestört werden. Eine enorme Herausforderung!<br />
Jedes einzelne Gerät im Elektroauto braucht<br />
eine dichte Hülle und jedes Kabel muss metallisch abgeschirmt<br />
sein. Immer wieder suchen die Forscher nach Undichtigkeiten<br />
– bis die Bordelektronik das Siegel „elektrostrahlungssicher“<br />
verdient.<br />
Batteriewechsel-Technik<br />
Zeit ist Geld – daran halten wir beharrlich fest. Aber auch,<br />
wenn wir nicht so dächten, möchte wohl niemand mehr Zeit<br />
mit Tanken verbringen, als unbedingt nötig. Insofern kommt<br />
der Batteriewechsel wie gerufen, schnell wieder mobil zu<br />
sein. Der Tauschprozess sollte zudem sauber und bequem<br />
vonstattengehen. Kein Problem für das vollautomatische<br />
Robotersystem – allerdings legt es auch spezielle Ansprüche an<br />
den Tag: Noch kommt es nur mit ganz bestimmten Autobauweisen<br />
zurecht. Die Batterie muss bei allen Autos einheitlich<br />
groß sein, sie muss an der gleichen Stelle sitzen und gleich<br />
eingebaut sein. Sind verschiedene Systeme auf dem Markt, ist<br />
nur eine Teilautomatisierung möglich. Besonders vorteilhaft ist<br />
es natürlich, wenn es an den Wechselstationen auch gleich ein<br />
Lager zum wieder Aufladen gibt. Das spart Transportwege und<br />
Geld.<br />
Batteriewechsel-Station<br />
Mobil minutenschnell<br />
Fahrzeuge brauchen Energie – das gilt für Verbrenner wie<br />
fürs Elektromobil. Die einen schlucken Diesel oder Benzin,<br />
Exponat 7 - Das virtuelle Testzentrum 43
Exponat 8<br />
Neues Antriebskonzept<br />
mit<br />
Radnabenmotor<br />
Anwendungstext im Exponat 8<br />
Neues Antriebskonzept mit<br />
Radnabenmotor<br />
LE-Kühler: Schützt vor Motorhitze.<br />
Wenn sich etwas dreht, entsteht Wärme. Schlecht nur, dass<br />
die Elektronik des Motors das nicht verträgt. Durch die<br />
Wärmeleitplatte ist sie vor Überhitzung geschützt.<br />
Der Radnabenmotor – Die Hochkultur elektrischen Fahrens<br />
Der Radnabenmotor sitzt direkt im Rad und dreht sich mit.<br />
So setzt er die erzeugte Kraft fast eins zu eins in Bewegung<br />
um. Zudem bleibt die Reibung klein: Bauteile wie Getriebe,<br />
Differenzial oder Antriebswellen, die aneinander scheuern,<br />
fallen weg. Auch den klassischen Motorraum braucht es nicht<br />
mehr – Raum für andere Fahrzeuggestaltung. Derzeit arbeiten<br />
Fraunhofer-Forscher daran den Motor so auszustatten, dass<br />
sich Bremsenergie zurückgewinnen lässt. Effektiver geht<br />
Antrieb heute nicht.<br />
Rotor und Glocke: Bringt alles ins Rollen.<br />
Wie der Name sagt: Der Rotor dreht sich, und zwar um die<br />
Nabe herum. Er überträgt die Energie des Motors auf Welle,<br />
Lagereinheit und Felge: Das Fahrzeug rollt. Die Glocke ist sein<br />
Schutzgehäuse – aber sie sichert ihn nicht nur. Zum Beispiel<br />
leitet sie auch die Betriebswärme der Motor-Magnete nach<br />
außen ab.<br />
Welle: Lagert, was sich dreht.<br />
An der stabförmigen Welle sind die rotierenden Bauteile<br />
angelagert. Sie überträgt die Kraft vom Getriebe aufs Rad.<br />
Weichmagnetischer Ring mit Dauermagneten: Dreht<br />
richtig auf.<br />
Auch dieses elektromagnetische Ringelement dreht sich mit,<br />
samt hochleistungsfähigen Dauermagneten auf der Innenseite.<br />
Dank ihnen dreht der Motor richtig auf – und erlaubt sportliches<br />
Fahren.<br />
Leistungselektronik: Sorgt für Spannung.<br />
Ohne Strom tut der Motor nichts. Die Leistungselektronik<br />
sorgt ständig für die notwendige Spannung, das zugehörige<br />
Steuergerät für einen gleichmäßigen Fahrantrieb.<br />
Zwischenkreiskondensator: Verbindet Verschiedenheiten.<br />
Die Elektronik des Motors ist kompliziert. Mehrere Netze,<br />
unterschiedliche Polung, Wechselstrom, Gleichstrom – und<br />
alles ist verknüpft: Der Zwischenkreiskondensator speichert<br />
elektrische Ladung und bringt alle Elektronikelemente auf<br />
einer Spannungsebene zusammen.<br />
Jochring mit Spulen: Zieht an und stößt ab.<br />
Der Jochring gehört zum feststehenden Motorenteil. Er trägt<br />
das, was den Motor überhaupt laufen lässt – die Spulen.<br />
Sie sind von Wechselstrom durchflossen und erzeugen ein<br />
Magnetfeld, das sich zeitversetzt ändert – der Gegenpart zu<br />
den Rotormagneten: Gegenseitiges Anziehen und Abstoßen<br />
erzeugt die eigentliche Drehkraft des Motors.<br />
Statorträger: Hält das Innenleben fest.<br />
Der Statorträger hält den Jochring samt Spulen in der<br />
Maschine fest. Wie die Rotorglocke ist dieser Gehäuseteil nicht<br />
elektromagnetisch aktiv.<br />
Lagereinheit: Schafft Beweglichkeit.<br />
In der Drehbewegung liegt die Motorkraft. Dazu müssen<br />
Jochring, Rotor und Felge gegeneinander beweglich sein.<br />
Dafür sorgt die Lagereinheit, die obendrein das gesamte<br />
Fahrzeuggewicht trägt.<br />
44 Exponat 8 - Neues Antriebskonzept mit Radnabenmotor
Bremsscheibe: Verzögert und stoppt.<br />
Stopp – im Notfall sofort! Die Bremsscheibe ist der äußere,<br />
radseitige Teil einer Scheibenbremse. Auf ihre Fläche wirken<br />
die Bremsbeläge, um die Drehung der Räder zu verzögern<br />
oder zu stoppen.<br />
Exponat 8 - Neues Antriebskonzept mit Radnabenmotor<br />
45
Exponat 9<br />
Innerstädtische<br />
Mobilitätskonzepte<br />
Anwendungstext im Exponat 9<br />
Innerstädtische Mobilitätskonzepte<br />
Nachhaltige Verkehrsentwicklung<br />
Wege zum umweltschonenden Stadtverkehr<br />
Der moderne Mensch ist mobil. Aber nicht auf Kosten der<br />
Umwelt. Der städtische Alltag bietet dazu gute Voraussetzungen.<br />
Elektromobile im öffentlichen Nahverkehr sollen<br />
allerhand leisten: umweltverträglich, zuverlässig und schnell,<br />
preiswert und praktisch – so will der Stadtbürger von einem<br />
Ort zum anderen reisen. Die Technologien dahinter sind<br />
komplex und vielfältig: von der Wahl der Energiequelle, über<br />
die Konstruktion langlebiger und kostengünstiger Batterien,<br />
bis hin zur Frage, wie genau Tankstellen gebaut sein sollen.<br />
Fraunhofer-Forscher arbeiten intensiv daran, Antworten auf<br />
diese und andere brennende Fragen der Elektromobilität zu<br />
finden.<br />
AutoTram<br />
Die Haltestelle als Tankstelle<br />
Straßenbahn, Bus, Metro, S-Bahn – an Auswahl mangelt es im<br />
öffentlichen Personenverkehr nicht. Doch oft ist das innerstädtische<br />
Reisen dadurch vor allem eins: kompliziert. Die AutoTram<br />
soll die Vorteile all dieser Fortbewegungsmittel vereinen:<br />
Die AutoTram ist sauber und flexibel, lang wie eine Straßenbahn,<br />
ohne Schienen und Oberleitungen und wendig wie ein<br />
Bus, zudem vielfältig kombinierbar zum Einsatz im Überlandverkehr,<br />
zu Stoßzeiten, bei Nachtfahrten oder auf sich verändernden<br />
Strecken – zum Beispiel, wenn mal ein Unfall oder<br />
eine Baustelle im Weg ist. Der Strom dafür kommt aus der<br />
Haltestelle – blitzschnell und ganz ohne Ruß und Gestank.<br />
Antrieb – seriell Hybrid<br />
Sparsam durch die Straßen der Stadt<br />
Ein Hybridmotor strotzt gleich doppelt vor Kraft: etwa die<br />
eines Dieselmotors mit der eines E-Motors. Eine Batterie dient<br />
als Energiespeicher. Die AutoTram nutzt einen “seriellen Hybrid”:<br />
Das bedeutet, dass die einzelnen Elemente nacheinander<br />
wirken: Der Verbrennungsmotor treibt einen elektrischen<br />
Generator an. Der lädt entweder eine Batterie oder erzeugt<br />
Strom für den Elektromotor, und der bewegt schließlich die<br />
Tram. Wenn‘s schnell gehen muss, schiebt die Batterie mit an.<br />
So reicht ein vergleichsweise kleiner Verbrennungsmotor aus,<br />
die AutoTram zu bewegen. Man kann damit keine Rennen gewinnen,<br />
aber AutoTram-Chaffeure sind ja auch keine Formel-<br />
1-Piloten.<br />
Brennstoffzellen-Cluster<br />
Die Brennstoffzelle als Energielieferant<br />
Aus Wasser- und Sauerstoff wird Wasser. Doch das ist nicht<br />
alles, was in einer Brennstoffzelle passiert. Sie setzt in einer<br />
elektrochemischen Reaktion Energie frei, die einen Elektromotor<br />
antreiben kann. Klingt einfach, ist es im Detail aber nicht.<br />
Den Tank voll Wasserstoff bitte? Keine leichte Aufgabe. Der<br />
Stoff muss als Gas bei sehr hohen Drücken (350 bar) in speziellen<br />
Flaschen gespeichert sein oder flüssig bei sehr niedrigen<br />
Temperaturen (-253 °C). Obendrein macht der Brennstoffzelle<br />
der hektische Stadtverkehr zu schaffen. Sie mag es eher<br />
gemütlich. Deshalb haben ihr die Fraunhofer-Forscher einen<br />
Kurzzeitspeicher zur Unterstützung an die Seite gestellt:<br />
Gemeinsam als Hybridsystem ein wirklich starkes Team!<br />
46 Exponat 9 - Innerstädtische Mobilitätskonzepte
Speichertechnologien<br />
Superbatterien für Superleistung<br />
Ohne leistungsfähige Speicher für Energie läuft bei der AutoTram<br />
nichts. Die Fraunhofer-Forscher setzen dabei auf mehrere<br />
Pferde, die die gleiche Kutsche ziehen: ein Hochleistungsbatteriesystem,<br />
Doppelschichtkondensatoren, ein Brennstoffzellencluster<br />
oder einen Schwungradspeicher. Zudem kann an<br />
Ladestationen entlang der Strecke, etwa an den Haltestellen,<br />
schnell ein wenig Energie nachgeladen werden. Allein das<br />
macht es möglich, dass die AutoTram bis zu zwei Kilometer<br />
rein elektrisch unterwegs ist – die Distanz zwischen zwei Haltestellen<br />
ist also kein Problem.<br />
Dualspeicher<br />
Energiespeicher für alle Fälle<br />
Die AutoTram braucht ordentlich Kraft unter der Haube. Aufs<br />
Gas und schon wieder abgebremst – manchmal geht es im<br />
Stadtverkehr ganz schön ruppig zu. Aber auch Ausdauer ist<br />
gefragt: schließlich soll der Tram zwischen den Stationen nicht<br />
der Saft ausgehen. Ein Dualspeicher ist beides: Kraftpaket und<br />
Ausdauersportler. Er enthält Doppelschichtkondensatoren und<br />
Lithium-Ionen-Zellen. Fraunhofer-Wissenschaftler berechnen<br />
und erproben, wie man solche Speicher in allen Situationen<br />
effizient betreibt. Zudem entwickeln sie Gehäuse, die alle Teile<br />
an ihrem Platz halten und ordentlich kühlen.<br />
Schwungradtechnologie<br />
Mit doppelter Schallgeschwindigkeit ans Ziel<br />
AutoTram und Fahrrad sind umweltfreundlich – und haben<br />
noch viel mehr gemein. Bei beiden wird ordentlich in die Pedale<br />
getreten: im Fall der AutoTram zugunsten eines Schwungradspeichers.<br />
Überschüssige Energie treibt ein Schwungrad an.<br />
Bei Bedarf wird das Rad gebremst und die Energie wieder frei.<br />
Dabei sind gewaltige Kräfte am Werk: Um 4 kWh Energie zu<br />
speichern, dreht sich ein etwa 250 kg schweres Schwungrad<br />
über 400 Mal pro Sekunde. Der äußere Rand des Rads bewegt<br />
sich dabei zweimal so schnell wie der Schall, und enorme<br />
Zugkräfte zerren daran. Sicherheit ist da oberstes Gebot! Der<br />
große Vorteil: Das Aufladen des Schwungradspeichers geht<br />
rasend schnell.<br />
Docking-Prinzip/Schnellade-System<br />
Hochstrom statt Oberleitung<br />
Vollgetankt, und dann erst mal Ruhe? Nicht bei der AutoTram.<br />
Wenn die Haltestelle als Tankstelle fungiert, darf das Aufladen<br />
nicht länger dauern als das Ein- und Aussteigen. Was in dieser<br />
Zeit aus der Dose gesaugt wird, muss bis zur nächsten Station<br />
reichen. Die AutoTram schafft das: In 20 Sekunden zieht sie<br />
genug Strom für eine Wegstrecke bis zu 2 Kilometer. Dazu<br />
braucht sie ein ausgeklügeltes Docking-Prinzip, ein leistungsfähiges<br />
Schnelllade-System und ein ausgefeiltes Energiemanagement.<br />
Wegseitige Zwischenspeicher der Hochleistungsklasse<br />
saugen den Strom aus dem konventionellen Stromnetz und<br />
übertragen ihn in die Energiespeicher der AutoTram.<br />
Betrieb<br />
Fahren ist nur der Anfang<br />
Die AutoTram zieht alle Register – nicht nur, was ihren Antrieb<br />
betrifft. Die Bus-Bahn der Zukunft kann deutlich mehr als<br />
nur vorwärts und rückwärts fahren. Die AutoTram denkt<br />
mit! Bergab und bergan, rasant und stop-and-go teilt sie<br />
ihre Kräfte vorausschauend ein und spart so Treibstoff. Ein<br />
ausgeklügeltes Leitsystem sorgt zudem dafür, dass sie auf der<br />
richtigen Spur bleibt. So kommen die Fahrgäste schnell, sicher<br />
und verkehrstechnisch mit gutem Gewissen an ihr Ziel, und<br />
das alles auch noch sehr komfortabel.<br />
Exponat 9 - Innerstädtische Mobilitätskonzepte 47
Energiemanagement<br />
Kräfte gut einteilen – das spart Energie<br />
Wenn Jan Ullrich den ersten Berg zu schnell hoch radelt,<br />
schafft er den zweiten nicht mehr. Denn wer lange durchhalten<br />
will, muss seine Kräfte einteilen. Das gilt für die AutoTram<br />
ebenso wie im Sport. Um besonders energiesparend unterwegs<br />
zu sein, lernt die AutoTram ihre Strecke auswendig.<br />
Dabei helfen GPS-Daten, Höhenprofile der Strecke und Datenbanken<br />
über tageszeit- und wochentagabhängige Verkehrsflüsse.<br />
Ein gutes Energiemanagement nutzt das doppelte Talent<br />
der AutoTram: Dank ihres Dualspeichers ist sie Kraftpaket<br />
und Ausdauersportler zugleich. Das spart Kraftstoff und hilft<br />
der Umwelt.<br />
Spurführung und Mehrachslenkung<br />
Schnittiger Trip mit der Computerassistentin<br />
Ein dickes Ding: 18 m lang, 2,5 m breit und bis zu 60<br />
km/h schnell – die AutoTram sicher durch die Straßen der<br />
Stadt zu lenken, ist gar nicht so einfach. Zum Glück ist<br />
der Tram-Chaffeur nicht allein. Unterstützt wird er von der<br />
“virtuellen Schiene”, einer besonders genauen, optisch und<br />
GPS-gesteuerten Spurerkennung. Sie erkennt Hindernisse,<br />
kontrolliert die Geschwindigkeit und könnte sogar alleine fahren.<br />
Außerdem ist die AutoTram wendiger als man vermuten<br />
mag: Drei einzeln lenkbare Achsen ermöglichen enge Kurven<br />
und gekonnte Ausweichmanöver.<br />
Modulares Prinzip<br />
Kombinierbare Einzelteile schaffen Flexibilität<br />
Erst nur ein paar frühe Vögel, dann die morgendliche Stoßzeit,<br />
gefolgt vom Einkaufsverkehr. Mittags wollen alle zum Essen<br />
und die Schüler nach Hause. Anschließend wieder Stoßzeit.<br />
Nachts noch ein paar Partywütige und Schichtarbeiter. Die<br />
AutoTram ist für alle Fälle gewappnet. Dank einzelner Module,<br />
die beinahe beliebig kombiniert werden können, passt sie sich<br />
allen Situationen schnell an. Nicht nur zu allen Tageszeiten,<br />
auch in allen Regionen ist die AutoTram eine gute Wahl – von<br />
der dichten Metropole bis zum einsamen Landidyll. Praktisch<br />
für die Fahrgäste, günstig für die Verkehrsunternehmen.<br />
EcoCraft-Transporter<br />
Robust und ökonomisch mit Alu, Plastik und Strom<br />
Wer geht heute noch einkaufen? Der “moderne Mensch”<br />
bestellt im Internet und lässt liefern: Der so genannte<br />
innerstädtische Güterverteilverkehr nimmt zu. Der EcoCraft-<br />
Transporter soll diesen Verkehr umweltfreundlicher machen.<br />
Der Kleintransporter mit Elektroantrieb hat auf seiner<br />
Ladefläche Platz für vier Europaletten – ideal für Lieferanten<br />
ebenso wie Handwerker. Rahmen und Karosserie bestehen<br />
aus Aluminium und Kunststoff, der Motor ist wartungsfrei.<br />
Mit 80 km/h Höchstgeschwindigkeit kann er problemlos 120<br />
km pro Stromtankladung fahren. Ganz ohne Schadstoffe und<br />
Gestank.<br />
MicroCarrier<br />
Der Micro-Carrier bringt allen was, und zwar immer<br />
Wer nicht nur im Internet bestellen will, muss sich auch mal in<br />
Einkaufsstraßen wagen. Nur leider sind selbst Fußgängerzonen<br />
oft übel riechende und gefährliche Moloche mit zig Lieferwagen.<br />
Der Micro-Carrier soll Abhilfe schaffen. Von vorne<br />
erinnert er an einen motorisierten Tretroller, doch hintendran<br />
bieten kleine Anhänger Platz für reichlich Ware. Der elektrisch<br />
betriebene Kleinverteiler stinkt nicht und braucht weniger<br />
Platz als herkömmliche Lieferwagen, Geschäftsleute wie auch<br />
Passanten freuen sich an dem adretten Gefährt. Das hat ein<br />
Pilotprojekt klar gezeigt: In Hannover hat das Logistikunternehmen<br />
DHL den Elektro-Flitzer getestet. Nur dessen Fahrer<br />
bleibt bislang im Regen stehen, eine Fahrerkabine muss erst<br />
noch entwickelt werden.<br />
48 Exponat 9 - Innerstädtische Mobilitätskonzepte
Frecc0<br />
Frecc0<br />
Wer baut das beste Elektroauto? Es sollte kein Wettkampf<br />
werden, denn alle ziehen am gleichen Strang. Deswegen erarbeiten<br />
Fraunhofer-Forscher ein herstellerneutrales Modellauto.<br />
Die Crème de la Crème - modernste Entwicklungen aus den<br />
einzelnen Bereichen – werden in ein auf dem Sportwagen<br />
ARTEGA basierendes Auto integriert und im Straßenverkehr<br />
Probe gefahren. Der sportliche Flitzer trägt den Namen<br />
Fraunhofer-Electro-Concept-Car, kurz Frecc0. Frecc0 soll neue<br />
Techniken und deren Zusammenspiel austesten. So können die<br />
einzelnen Bestandteile eines Elektroautos optimal aufeinander<br />
abgestimmt werden.<br />
Radnabenmotor<br />
Jedem Rad sein eigener Motor<br />
Kühlerhauben sind Schnee von gestern. Der Motor von<br />
morgen sitzt am Rad. Das hat viele Vorteile: Getriebe und<br />
Differenzial werden überflüssig – und können im Auto der<br />
Zukunft auch nicht mehr kaputt gehen. Außerdem kann<br />
jedes Rad einzeln angesteuert werden – zugunsten der<br />
Fahrdynamik und Sicherheit. Eine ausgefeilte Elektronik<br />
steuert den Radnabenmotor. Auch sie ist direkt in den Motor<br />
integriert – also kein unnötiger Kabelsalat. Die Schwäche des<br />
Radnabenmotors, die große ungefederte Masse und deren<br />
Auswirkung auf das Fahrverhalten, ist bei modernen Modellen<br />
behoben: Frecc0 fährt auf gut gedämpftem Fahrwerk.<br />
Leistungselektronik<br />
Ohne gute Leistungselektronik keine gute Leistung<br />
Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile. Ein guter<br />
Motor und eine starke Batterie reichen nicht. Mindestens<br />
genauso wichtig ist eine ausgefeilte Leistungselektronik. Die<br />
Leistungselektronik ist quasi das Herzstück des Elektroautos.<br />
Sie ist verantwortlich dafür, dass Motor und Batterie miteinander<br />
kommunizieren. Ihrer Herrschaft unterliegen ebenso<br />
Lade- und Entladevorgänge wie die Rückgewinnung der<br />
Bremsenergie – Rekuperation nennen Fachleute das. Mit einer<br />
guten Leistungselektronik, der unscheinbaren Königin des<br />
E-Autos, steht und fällt also, wie wirtschaftlich und effizient<br />
es ist.<br />
Crashsicheres Batteriesystem<br />
Optimaler Schutz für Mensch und Batterie<br />
Langlebig und effizient soll sie sein, außerdem kommunikationsfreudig,<br />
denn der Fahrer will stets wissen, in welchem<br />
Zustand sie ist: Die Batterie eines Elektroautos braucht ein<br />
gutes Management. Das sorgt auch für Sicherheit, beispielsweise<br />
bei einem Unfall. Dann darf die Karosserie nicht unter<br />
Spannung stehen, sonst sind Rettungskräfte gefährdet. Ein<br />
crashsicheres Batteriegehäuse soll dafür sorgen, dass es erst<br />
gar nicht so weit kommt. Dazu entwickeln und erproben<br />
Fraunhofer-Forscher metall- oder faserverstärkte Kunststoffe.<br />
Zudem ist die Lage der Batterie im Auto wichtig – nahe den<br />
Rädern findet sie einen sicheren Platz.<br />
Exponat 9 - Innerstädtische Mobilitätskonzepte<br />
49
Exponat 10<br />
Elektromobilität<br />
aus ökonomischer<br />
Sicht<br />
Anwendungstext im Exponat 10<br />
Antrieb<br />
Elektromobilität aus ökonomischer<br />
Sicht<br />
Forschung und Ökonomie verbinden.<br />
Das Auto der Zukunft entsteht im Spannungsfeld von Technologie<br />
und Wirtschaft. Die Fraunhofer-Forschung untersucht mit<br />
der Elektromobilität eine Schnittstelle dieser verschiedenartigen<br />
Systeme und bemisst daraus erwachsende Chancen und<br />
Herausforderungen.<br />
Technologische Lösungen müssen den spezifischen Anforderungen<br />
des Marktes entsprechen. Sie müssen wirtschaftlich<br />
effizient umsetzbar sein. Neue Nutzungsmöglichkeiten legen<br />
andererseits alternative Wege zur Verbreitung nahe.<br />
Industrie<br />
Antriebsstrang anpassen<br />
Aktuelles Fahrzeugdesign muss alte und neue Komponenten<br />
vereinen.<br />
Die Elektrifizierung des Antriebsstranges hat die Einsparung<br />
etlicher gewohnter Bauteile zur Folge – deutlich mehr als es<br />
neue Komponenten gibt. Überflüssig werden nicht nur direkt<br />
dem Antrieb geschuldete Bauteile, sondern auch zahlreiche<br />
hydraulische und mechanische Elemente, wie etwa im Falle<br />
der Bremskraftverstärkung und der Servolenkung. Die höhere<br />
Bordnetzspannung des Elektroautos erlaubt nämlich das<br />
elektromechanische Bremsen und Lenken, das „brake by wire“<br />
und „steer by wire“.<br />
Für die Hersteller eröffnen diese Umstellungen zwei gegensätzliche<br />
Planungsoptionen: die Anpassung bestehender Fahrzeugmodelle<br />
(„conversion design“) einerseits und die Kreation<br />
gänzlich neuer Auto-Typen („purpose design“) andererseits.<br />
Massentauglichkeit anstreben.<br />
Technische Herausforderungen müssen bewältigt werden.<br />
Ökologische Vorteile sind nicht genug. Erst ein deutliches<br />
Absenken des Anschaffungspreises und höhere Reichweiten<br />
werden Autofahrer zum Umstieg auf ein Elektrofahrzeug<br />
bewegen können. Aber auch Sicherheitsaspekte, die<br />
Aufladegeschwindigkeit und ein flächendeckendes Angebot<br />
an Lademöglichkeiten spielen eine Rolle. Tatsächlich werden<br />
die nötigen Versorgungstrukturen bereits in Modellversuchen<br />
erprobt.Die Akzeptanz der VerbraucherInnen bedingt wiederum<br />
die zukünftige Preisstruktur, da die Massenproduktion<br />
Kostensenkungen in Aussicht stellt.<br />
Was die technische Seite betrifft, ist die Batterie entscheidend:<br />
Die Kosten müssen um den Faktor 3 gesenkt, die Lebensdauer<br />
auf über 10 Jahre gesteigert und Sicherheitsfragen gelöst<br />
werden.<br />
Herkömmliche Komponenten einsparen: „Bye bye<br />
Schaltgetriebe!“<br />
Unabhängig vom Designkonzept, ob Adaption oder<br />
Neuentwicklung, müssen die Elemente des Antriebsstranges<br />
neu angeordnet werden. Es gilt die Zusammensetzung von<br />
Motor, Kupplung, Getriebe, Kardanwelle, Differential und<br />
Rädern neu und funktional zu definieren. So bestimmt zum<br />
Beispiel die Lage des Elektromotors bzw. der Elektromotoren,<br />
auf der Hinterachse oder nahe der Räder, den Verbleib der<br />
Kardanwelle und des Differentials. Tank und Kraftstoffpumpe<br />
sowie entsprechende Leitungen, Anlasser und Abgasanlage<br />
werden nicht benötigt. Eine Lichtmaschine ist im Elektroauto<br />
ebenfalls nicht mehr vorgesehen. Da das Drehmoment bereits<br />
bei Stillstand zur Verfügung steht, kann überdies auf Schaltgetriebe<br />
und Anfahrkupplung verzichtet werden.<br />
50 Exponat 10 - Elektromobilität aus ökonomischer Sicht
Systemlösungen entwickeln: Elektronische Bauteile werden<br />
im Bordnetz verknüpft<br />
Nischendasein aufgeben: Wie weit können Auflagensteigerungen<br />
die Preise senken?<br />
Nicht nur die Elemente des Antriebststranges müssen auf das<br />
Elektroauto neu abgestimmt werden: Als Energiespeicher<br />
ersetzt die Batterie den Treibstofftank. Sie versorgt den Antrieb<br />
aber auch vormals an den Verbrennungsmotor gekoppelte<br />
Vorgänge wie zum Beispiel die Kühlung der Antriebskomponenten<br />
und die Innenraumklimatisierung. Eine Traktionsbatterie<br />
verfügt über eine Spannung von 300-500 V. Damit liegt<br />
die Bordnetzspannung deutlich über der eines konventionellen<br />
Fahrzeugs. Ein Gleichspannungswandler speist die Energie in<br />
die Leistungselektronik. Auch das Fahrwerk wird von der Elektrifizierung<br />
erfasst. Durch so genannte „Rekuperationseffekte“<br />
kann die Bremsenergie zurückgewonnen und genutzt werden.<br />
Ebenfalls neu sind elektromechanische Bremse und<br />
Servolenkung.<br />
Kosten<br />
Kostenfaktoren kalkulieren.<br />
Noch sind Elektroautos vergleichsweise teuer.<br />
Ein kleines Stadtauto wie zum Beispiel der Mitsubishi i-MiEV<br />
kostet heute ca. 36.000,- Euro. Mit durchschnittlich 50<br />
Prozent Mehrkosten sind Elektroautos in der Breite nicht<br />
konkurrenzfähig.<br />
Doch wie kommt dieser Preisunterschied zustande? Müsste<br />
die Einsparung diverser mechanischer Komponenten nicht die<br />
umgekehrte Folge haben?<br />
Kostenfaktor Nummer eins sind die kleinen Auflagen der<br />
wenigen markttauglichen Serien.Geringe Stückzahlen sind<br />
andererseits ein Ausdruck des derzeitigen Nischendaseins von<br />
Elektromobilität. Die meisten Fahrzeugkomponenten ließen<br />
sich durch Massenfertigung günstiger herstellen.Der zweite<br />
große Kostenfaktor ist die Batterie. Sie macht bis zu einem<br />
Drittel des Gesamtwerts aus.<br />
Eine ganze Reihe von Bauteilen ist für das Elektroauto<br />
verzichtbar: Anlasser, Abgasanlage Schaltgetriebe u.v.m. Für<br />
die verbleibenden konventionellen Komponenten gelten<br />
die gewöhnlichen Herstellungsbedingungen. Das heißt, bei<br />
entsprechenden Auflagen besteht zum Fahrzeug mit Verbrennungsmotor<br />
kein Unterschied. Kostensenkungen können<br />
auch bei Batterien erzielt werden. Ein weiterer Kostenfaktor<br />
ist allerdings der Grad der Standardisierung elektronischer<br />
und elektromechanischer Bauteile. Unklar ist auch die<br />
Preisentwicklung der Motoren. Wird sich jeder Hersteller eine<br />
eigene Entwicklung leisten? Komplexe Umstellungen stehen<br />
bevor, die für das Einzelunternehmen auch mit Unsicherheit<br />
verbunden sind.<br />
Werte entkoppeln: Autos mit einem Herz aus Gold?<br />
Für die Batterie sind ebenfalls Kostensenkungen zu erwarten.<br />
Dennoch wird sie auch in Zukunft einen wesentlichen Wertanteil<br />
des Fahrzeuges darstellen.<br />
Der Batteriepreis ist aufwändigen Produktionsverfahren sowie<br />
hohen Material- und Maschinenkosten geschuldet. Im Falle<br />
der Lithium-Ionen-Akkus, die aufgrund ihrer hohen Energiedichte<br />
von 140Wh/kg bevorzugt eingesetzt werden, kommt<br />
noch die teure Rohstoffgewinnung hinzu. Die Erzeugung<br />
metallischen Lithiums aus Verbindungen wie Lithiumcarbonat<br />
ist relativ aufwändig. Mittelfristig wird daher weiterhin<br />
auch an alternativen und kombinierten Entwicklungen wie<br />
Brennstoffzellentechnologie und Redox-Flow-Batterien und<br />
Hybridlösungen gearbeitet.<br />
Exponat 10 - Elektromobilität aus ökonomischer Sicht 51
Wertschöpfungskette<br />
Wertschöpfungskette aufgliedern.<br />
Wer baut was? Kernkompetenzen und Zulieferbedarfe müssen<br />
neu definiert werden.Veränderte Fahrzeugkonzepte bringen<br />
Verschiebungen in der Wertschöpfungskette mit sich und<br />
auch die Zulieferindustrie in Bewegung.Das Produkt, das mit<br />
einer Automarke verbunden wird, kommt nie aus einer Hand.<br />
Bei Massenmodellen bringen die Zulieferer gut drei Viertel<br />
des Endwertes hervor. Der Anteil der in Eigenproduktion<br />
gefertigten Bauteile ist bei Autos der Luxusklasse größer.<br />
Insgesamt gilt aber, dass die Kompetenzen der Hersteller<br />
neu gewichtet und weitere Branchen miteinbezogen werden<br />
müssen. Dies betrifft insbesondere die Erzeugung von Elektromotoren<br />
einerseits und Batterietechnologie andererseits,<br />
aber auch Lösungen im Bereich von Energiemanagement und<br />
Netzankoppelung.<br />
Handlungsbedarfe ermitteln: Die Karten werden neu gemischt<br />
Zulieferunternehmen stellen eine große Anzahl der erforderlichen<br />
Komponenten konventioneller Fahrzeuge her. Mit der<br />
Neuordnung des Antriebsstranges wird die Anzahl zunächst<br />
geringer. Einige Bauteile sind durch Neuentwicklungen zu<br />
ersetzen. So treten etwa elektromechanische Komponenten<br />
an die Stelle der hydraulischen Brems- und Lenksysteme.<br />
Systemlieferanten müssen sich auf das neue Energiemanagement<br />
einstellen. Die Batterietechnologie könnte in<br />
Deutschland wieder an Bedeutung gewinnen, sowohl was die<br />
Zellfertigung selbst, als auch was die Erzeugung chemischer<br />
Stoffe und Materialien betrifft.Nur wenige Autohersteller<br />
planen die eigenständige Entwicklung und Erzeugung von<br />
Elektromotoren. Hier entstehen neue Märkte.<br />
Neue Kompetenzen ausbilden: Einmal Umschulung für<br />
Alle?<br />
Auf dem gegenwärtigen Automarkt stellen die Motortechnik<br />
und der damit verbundene Antriebsstrang ein entscheidendes<br />
Differenzierungsmerkmal dar. Die Strategien der Leistungsoptimierung<br />
sind ein Verkaufsargument. Der Umstieg auf das<br />
Elektroauto könnte den Wettbewerb auf die Lösungen zum<br />
Energiemanagement im Fahrzeug verlagern. Es ist ein entsprechend<br />
anderes Know-how, das nun über den Erfolg einer Marke<br />
bestimmen wird. Neue Ausbildungen in handwerklichen<br />
wie akademischen Berufen sind gefordert. Andere Aspekte der<br />
Werkstoffkunde und in besonderer Weise die Elektrotechnik<br />
sind die Grundlagen des zukünftigen Profils. Die Integration<br />
der Faktoren Reichweite, Komfort und Fahrleistung gibt den<br />
Autos von morgen ein Gesicht.<br />
Branchenübergreifend kooperieren:<br />
Alle Mann an Bord bitte!<br />
Mit dem Batteriebetriebenen Elektroauto treten neue Akteure<br />
aus vormals fremden Branchen wie Chemie, Informations- und<br />
Kommunikationstechnologie, Energieversorger oder Mobilitätsanbieter<br />
auf den Plan. Hier sind Synergieeffekte mit Entwicklungen<br />
unterschiedlicher Zielsetzungen zu erwarten.<br />
Doch nicht allein im Herstellungsprozess werden neue Beziehungen<br />
angebahnt. Auch die Stromversorgung der mobilen<br />
Speicher muss sichergestellt werden: Es braucht flächendeckende<br />
Ladestationen. Die dezentrale Speicherung eröffnet<br />
wiederum neue Perspektiven für die Verbraucher. Dort sind<br />
insbesondere logistische und informationstechnologische<br />
Lösungen gefragt.<br />
Nachhaltigkeit<br />
Nachhaltig wirtschaften, langfristig planen.<br />
Fraunhofer analysiert Rohstoffbedarfe und Verfügbarkeiten.<br />
Die meisten Studien sind sich darüber einig, dass die<br />
52 Exponat 10 - Elektromobilität aus ökonomischer Sicht
zukünftige Verknappung und Teuerung des Rohöls den Takt<br />
für die Entwicklung der Elektromobilität vorgeben wird. Neue<br />
Technologien sollen das Ökosystem langfristig entlasten.<br />
Die Nachhaltigkeit dieser Entwicklungen bemisst sich nicht<br />
lediglich an Energieverbrauch und Emissionen. Auch die<br />
langfristigen Bedarfe spezifischer Rohstoffe wie insbesondere<br />
Lithium und Kupfer müssen in Betracht gezogen werden.<br />
Fraunhofer-Forschung analysiert, wie künftigen Engpässen<br />
vorgebeugt werden kann. Beispielsweise wurden Szenarien<br />
zu Lithiumnachfrage und -angebot bei unterschiedlicher<br />
Durchdringung des Marktes bis ins Jahr 2050 berechnet.<br />
Rohstoffversorgung sichern: Kupferreserven<br />
könnten mittelfristig erschöpft sein.<br />
Neben Eisen ist Kupfer mit 50-60 Prozent Hauptbestandteil<br />
der neuen Elektromotoren. In einem konventionellen PKW<br />
werden durchschnittlich 25 kg Kupfer verbaut. Für die<br />
Herstellung elektrifizierter Fahrzeuge werden ca. 30 kg Kupfer<br />
benötigt.Eine Studie des Bundesministeriums für Wirtschaft<br />
und Technologie rechnet mit einer jährlichen Wachstumsrate<br />
des Hybrid- und Elektrofahrzeugmarktes von 26 Prozent. Die<br />
stärksten Kupfer-Vorkommen liegen in Südamerika, wo Chile<br />
die weltweit größten Fördermengen erzielt. Eine erhöhte<br />
Nachfrage könnte ein Ansteigen der Preise nach sich ziehen.<br />
In jedem Fall verkürzt sie das Vorhalten der Reserven.Die<br />
wirtschaftlich gewinnbaren Kupfermengen werden auf 550<br />
Mio. Tonnen geschätzt.<br />
Recycling-Kreisläufe ankurbeln: Lithiumgewinnung<br />
bleibt aufwändig.<br />
Für den voll-elektrischen Fahrzeugantrieb gelten derzeit<br />
Lithium-Ionen-Akkumulatoren als die vielversprechendste<br />
Speicherlösung.Eine solche Batterie besteht je Kilowattstunde<br />
Leistung aus 0,3 kg Lithium. Geht man davon aus, dass<br />
der Elektrofahrzeugmarkt um 26 Prozent jährlich wächst,<br />
werden die derzeitigen Produktionskapazitäten bald um das<br />
12fache überschritten. Zusätzlich steigern auch viele der<br />
Consumertechnologien (Telefone, Kameras, u.ä.) den Rohstoffbedarf.<br />
Lithium ist weit verbreitet. Allein die Gewinnung<br />
ist aufwändig. In höherer Konzentration kommt das Metall<br />
hauptsächlich in Südamerika vor. Würde man die derzeit<br />
900 Mio. Kraftfahrzeuge auf dem Erdball durch Elektroautos<br />
ersetzen, hätte man 60 Prozent der wirtschaftlich nutzbaren<br />
Lithiumreserven verbraucht.<br />
Markt<br />
Wachstumsmärkte erkennen.<br />
Mit der Verknüpfung der einzelnen Wirtschaftsfelder<br />
entstehen neue Chancen. Die Durchsetzungsfähigkeit des<br />
Elektroautos hängt von vielen produktionsseitigen Faktoren<br />
rund um das Kosten-Leistungsverhältnis zusammen. Rohstoffpreise,<br />
Herstellungsverfahren und Design bestimmen über die<br />
Attraktivität alternativer Antriebe.Ebenso entscheidend für den<br />
weiteren Verlauf der Marktentwicklung sind Maßnahmen zur<br />
Netzintegration sowie neue Modelle für Nutzung und Vertrieb.<br />
An den Schnittstellen zwischen Elektrofahrzeug und Stromnetz<br />
liegen große Entwicklungspotentiale. Der nationale Entwicklungsplan<br />
Elektromobilität setzt hier mit Modellversuchen und<br />
Forschungsaufträgen bereits Akzente auf Markteinführung<br />
und Marktvorbereitung.<br />
Szenarien<br />
Umsichtige Vorhersagen entwickeln<br />
Wie stabil sind die prognostizierten Trends?<br />
Ausgehend von aktuellen Voraussetzungen und Rahmenbedingungen<br />
kann allenfalls mittelfristig mit einer Schwerpunktverschiebung<br />
in der motorisierten Mobilität gerechnet werden.<br />
Die bislang im Bereich der Kostensenkung und Leistungssteigerung<br />
erzielten Fortschritte reichen noch nicht aus.<br />
Exponat 10 - Elektromobilität aus ökonomischer Sicht 53
Dafür mögen fehlende wirtschaftliche Anreize und laut einer<br />
Studie des Deutschen Instituts für Wirtschaftsforschung zu<br />
einseitige Diskussionen der möglichen Alternativen verantwortlich<br />
sein. Brennstoffzellen, Biokraftstoffe, Hybridfahrzeuge<br />
– verschiedenste Technologien machten in den letzten Jahren<br />
von sich reden. Im marktwirtschaftlichen Zusammenhang<br />
stellen allerdings auch sichere Prognosen für das Systemganze<br />
einen Motivationsfaktor dar.<br />
Orientierungen vornehmen: Wo stehen wir zur Mitte<br />
des Jahrhunderts?<br />
Ausbau von Modellversuchen. Diese sind nicht nur für die<br />
Forschung von Interesse, sondern auch eine Möglichkeit, den<br />
Entwicklungsstand breit zu kommunizieren. Der künstliche<br />
Diesel-Boom der 1980er Jahre und die Null-Emissionspolitik<br />
Kaliforniens 1996 sind Beispiele effizienter Lenkungsmechanismen.<br />
Neben monetären Anreizen und Sanktionen sind aber<br />
auch stadtplanerische Instrumente sehr wirkungsvoll.<br />
Kundenakzeptanz<br />
Entscheidungsmotive abgrenzen.<br />
Der Grad der Elektrifizierung des Verkehrswesens bestimmt<br />
den zukünftigen Energiebedarf.<br />
Das Fraunhoferinstitut ISI hat diesbezüglich zwei Szenarien<br />
entwickelt. Geht man von der fast vollständigen Bewältigung<br />
derzeitiger Verkehrsaufkommen durch Plug-in-Hybrid und<br />
Elektrofahrzeuge im Jahr 2050 aus, ergäbe sich in Deutschland<br />
ein Bedarf von jährlich 70-90 Terrawattstunden (TWh). Das<br />
wohl realistischere Szenario nimmt einen Anteil von etwa<br />
17 Prozent alternativer Antriebe des Fahrzeugbestandes an.<br />
Damit stiege der derzeitige Strombedarf von jährlich 605 TWh<br />
um weitere 2,5 Prozent an.<br />
Entscheidend für die Emissionsbilanz in beiden Szenarien ist<br />
die Stromerzeugung aus regenerativen Energien oder CO2-<br />
armer Energieerzeugung.<br />
Kundenwünsche sind vielfältig und manchmal widersprüchlich.<br />
Die Anschaffungskosten für ein Elektrofahrzeug liegen derzeit<br />
bei rund 50 bis 100 Prozent über dem eines konventionellen<br />
Kraftfahrzeugs, wenn Subventionen nicht betrachtet werden.<br />
Geringe Reichweiten und mangelnde Lade-Infrastruktur stellen<br />
weitere Verkaufshemnisse dar. Trotz steigender Auflagen und<br />
möglicher Einsparungen in der Batterietechnologie ist nach<br />
Expertenmeinung auch noch 2020 mit einer erheblichen<br />
Kostendifferenz zu rechnen. Es müssen daher Anreize für die<br />
Kaufentscheidung geschaffen werden.Ein Umdenken könnte<br />
sich allerdings auch auf die Nutzungskonzepte erstrecken.<br />
Welche Wege werden mit dem Privatauto zurückgelegt? Auch<br />
die Alternativen zum eigenen Fuhrpark könnten über den<br />
öffentlichen Verkehrsbetrieb hinaus ausgebaut werden.<br />
Steuerungsmöglichkeiten wahrnehmen: Senkung des<br />
Energiebedarfs und Verringerung der CO2-Belastung geben<br />
die Richtung vor.<br />
Elektromobilität wird langfristig günstiger - wenn alle mitmachen.<br />
Doch wie die Verbraucher überzeugen?<br />
Angesichts der sinkenden Verfügbarkeit erdöl-basierter<br />
Kraftstoffe und der notwendigen Reduktion des weltweiten<br />
CO2-Ausstoßes sind Maßnahmen der öffentlichen Hand und<br />
Anreize für die Industrie dringend gefragt.<br />
Dazu gehören Aufklärung und Information genauso wie der<br />
Verantwortungsvoll konsumieren: Was wollen die Leute<br />
wirklich?<br />
Längst ist das Konsumverhalten als Ausdruck von gesellschaftlicher<br />
Verantwortung im öffentlichen Bewusstsein verankert.<br />
Ob biologischer, fairer oder nachhaltiger Handel, Kaufentscheidungen<br />
können nicht mehr allein aufgrund von Geschmack<br />
und Wirtschaftlichkeit getroffen werden. Doch ab welchem<br />
Schwellenwert kommt dieses Argument zum Tragen? Die<br />
Hälfte der Endkunden ist laut Umfragen bereit, einen Aufpreis<br />
von bis zu 2.000,- Euro für ein Elektroauto zu bezahlen.<br />
54 Exponat 10 - Elektromobilität aus ökonomischer Sicht
Zie verbleibende Lücke zwischen Zahlungsbereitschaft und<br />
realen Mehrkosten könnte jedoch durch zusätzliche Anreize<br />
geschlossen werden. Neben Prämien und Steuervorzügen<br />
sollten hier auch Vergünstigungen wie eigene Parkplätze und<br />
Fahrspuren in Betracht gezogen werden.<br />
Speichermedium oder unterschiedlicher PKW. Diese Modelle<br />
können weit mehr sein als eine Verlegenheitslösung.<br />
Zentrale Elemente standardisieren: Elektromobile Gemeinschaften<br />
versprechen ein besseres Leben.<br />
Vernünftig wirtschaften: Anschaffungen mit Folgen<br />
Nicht nur der Kaufpreis fällt bei der wirtschaftlich begründeten<br />
Kaufentscheidung ins Gewicht, sondern auch spätere Kosten<br />
wie der Energieverbrauch, Kosten für Strom bzw. Treibstoffe,<br />
Steuern und Versicherung, Wartungserfordernisse, Preise für<br />
Ersatzteile usw. spielen eine Rolle. In den „Total Costs of Ownership“<br />
(Gesamthaltungskosten) TCO werden alle Kosten, die<br />
mit der Haltung eines Fahrzeugs entstehen, zusammengefasst.<br />
Unter heutigen Bedingungen liegt nicht nur der Anschaffungspreis,<br />
sondern auch der TCO des Elektroautos über dem<br />
eines konventionellen Fahrzeugs. Das heißt, dass sich höhere<br />
Kaufpreise nicht über die Nutzungsdauer bezahlt machen.<br />
Bereits im Jahr 2020 kann es für bestimmte Kundengruppen<br />
allerdings anders aussehen.<br />
Geschäftsmodelle<br />
Verbreitungswege abwägen.<br />
Verschiedene Strategien der Markteinführung bieten sich an.<br />
Die beschränkten Reichweiten der Elektrofahrzeuge bleiben<br />
nicht nur eine Herausforderung für die technologische Weiterentwicklung<br />
von Batterien und Elektromotoren.<br />
An sie knüpfen sich andererseits Chancen zukünftiger Geschäftsmodelle.Für<br />
Netzbetreiber, Batteriehersteller, Mobilitätsanbieter<br />
und Leasingfirmen entsteht ein interessanter Markt.<br />
Noch wird der Automobilmarkt durch den Ankauf privater<br />
Fahrzeuge bestimmt. Aber nur wenige Hersteller orientieren<br />
sich für die Produktion der Elektroautos weiterhin an diesem<br />
Modell. Leasing-, Miet- und Carsharing-Konzepte ermöglichen<br />
den Wechsel und die temporäre Nutzung von Batterie, bzw.<br />
In Israel und Dänemark kann man bereits seit 2007 Teil einer<br />
Elektromobilen Gemeinschaft sein. „Better Place“ (Besserer<br />
Ort) bietet dort künftig Infrastrukturlösungen für Elektroautohalter<br />
an. Die Kunden erwerben ein Fahrzeug ohne eigenen<br />
Speicher. Auswechselbare Batterien und Ladestationen werden<br />
vom gleichnamigen Unternehmen zur Verfügung gestellt.<br />
Ähnlich wie beim Mobilfunkvertrag zahlt der Kunde die<br />
gefahrenen Kilometer. Strom, Service und Infrastruktur bezieht<br />
er vom selben Anbieter. Für dieses Modell ist die Standardisierung<br />
von Batterien von großer Bedeutung. Automobilhersteller<br />
haben jedoch wegen möglicher Wertschöpfungsverluste<br />
und Markenidentifikationsproblemen kaum ein Interesse an<br />
Einheitsbatterien.<br />
Nutzungsarten individualisieren: Kunden werden<br />
zu Anbietern, Autos zu dezentralen Speichern.<br />
Auch das Modell „Vehicle to Grid“ (Fahrzeug ans Netz)<br />
verknüpft sich als Chance mit einem zentralen Problem bei der<br />
Umstellung auf nachhaltige Energieversorgungs- und Mobilitätskonzepte.<br />
Produktivitätsschwankungen bei der Erzeugung<br />
regenerativer Energien gelten als Hindernis etwa beim<br />
Ausstieg aus der Atomenergie. Das derzeitige Stromversorgungsnetz<br />
kann Überkapazitäten nicht aufnehmen, fehlende<br />
Speicher entsprechende Flauten bei Windkraftanlagen nicht<br />
ausgleichen.<br />
Das Auto als mobiler Stromspeicher bringt den Kunden als<br />
aktiven Teilnehmer am Strommarkt ins Spiel. So könnte Energie<br />
dann bezogen werden, wenn sie ausreichend vorhanden<br />
und daher preisgünstig ist. Sie könnte darüber hinaus bei<br />
Bedarfsspitzen ins Netz zurückgespeist und verkauft werden.<br />
Exponat 10 - Elektromobilität aus ökonomischer Sicht 55
Fraunhofer-Institut für<br />
Chemische Technologie ICT<br />
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