Elektroantriebe für Nutzfahrzeuge
Im Fraunhofer-Innovationsprogramm „Hocheffizienter Antriebsstrang für Nutzfahrzeuge unter Berücksichtigung der nationalen Mobilitäts- und Wasserstoffstrategie – HANNAe“ setzen sich elf Fraunhofer-Institute für die CO2-Reduktion im Lastwagenverkehr ein. Das Fraunhofer IFAM in Bremen leitet das Projekt und entwickelt Traktionselektroantriebe für Nutzfahrzeuge. Ziel ist die Senkung der CO2-Emissionen und Total Cost of Ownership (TCO) durch die Wirkungsgradsteigerung der E-Motoren.
Lkw auf Autobahn bei Wiesbaden – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify
Verfolgt wurden Ansätze, welche die in der Wicklung und den Magnetkernen der elektrischen Antriebe entstehenden Verluste erheblich reduzieren. So verbessern hochwärmeleitfähige Vergussmassen die Entwärmung der elektrischen Maschine, insbesondere der Statorwicklung, und senken die temperaturabhängigen Stromwärmeverluste. Zudem werden Eisenverluste durch additiv hergestellte weichmagnetische Komponenten gesenkt, indem dünnere, gedruckte Bleche und Eisenwerkstoffe mit höherem Siliziumgehalt zum Einsatz kommen. Für die E-Maschinen wurden entsprechende Gestaltungs- und Dimensionierungsregeln abgeleitet.
Neue Technologien für Wasserstofftank, Brennstoffzelle, Batterie und E-Motor
Die Elektrifizierung ist der Schlüssel zur CO2-Reduktion im Mobilitätssektor. Die benötigten Technologien werden so vielfältig sein, wie der Mensch sich durch die Welt bewegt. Denn die Anforderungen an Antriebsstränge für Pkws, Lkws, Züge, Schiffe oder Flugzeuge sind unterschiedlich. Für die Speicherung der Antriebsenergie – Strom, Wasserstoff oder synthetischer Kraftstoff – und deren Umsetzung in Mobilität mit unterschiedlichen Antriebsvarianten hat das Fraunhofer IFAM neue Materialien und Fertigungsverfahren für den Bau von Wasserstofftanks, Brennstoffzellen, Batterien und E-Motoren entwickelt.
Vom Wasserstoff zum Strom
Zur Verstromung von Wasserstoff im Fahrzeug oder Flugzeug, werden Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellen benötigt. Bei den Tanks liegt höchstes Augenmerk auf die Sicherheit und die Dichtigkeit. Hierzu entwickelt das Institut neuartige Tankkkonstruktionen aus Faserverbundkunststoffen (FVK), spezifische Beschichtungen sowie Methoden zur Überprüfung der Dichtigkeit. Mit dem Einsatz von FVK wird dem Ziel der Energie- und Ressourcenschonung durch Leichtbau aus kreislauffähigen Kunststoffen verfolgt. Die Beschichtungen verhindern die Permeation des Wasserstoffmoleküls in und durch das Tankmaterial. Hierzu hat das Institut eine Barrierebeschichtung für FVK-Tanks zur Wasserstoffspeicherung bei Raumtemperatur oder unter kryogenen Bedingungen entwickelt. Für Flugzeuge und Schiffe werden in aktuellen Arbeiten die Bauweisen und Beschichtungen der Tanks auf die Sicherheitsanforderungen dieser Branchen überprüft.
Bei der Fertigung von Brennstoffzellen müssen sogenannte Stacks aus mehreren Hundert Abfolgen von Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten zusammengesetzt werden. Vorteilhaft kann zum Fügen und Dichten die Klebtechnik genutzt werden. Besondere Herausforderung ist die für die spätere Serienproduktion benötigte Dichtheit und Beständigkeit in Kombination mit einer sehr hohen Geschwindigkeit des Fügeprozesses. Im Fokus aktueller Arbeiten liegt die Deassemblierbarkeit der Klebungen zwecks Reparatur und Recycling der Rohstoffe aus der Brennstoffzelle.
Batterien für die Mobilität von morgen
Aktuell steigt die Nachfrage nach effizienten elektrischen Energiespeichern rasant. Hier gilt es, besonders hohe Energie- und Leistungsdichten bei gleichzeitig ausreichender Lebensdauer der Batterien zu ermöglichen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, erforscht das Institut insbesondere Festkörperbatterien. Diese kommen ohne brennbare Elektrolytbestandteile aus und versprechen höhere Energiedichten sowie kürzere Ladezeiten.
Effiziente und leistungsstarke E-Motoren
Für die zukünftigen E-Motoren beschäftigt das Institut sich insbesondere mit dem Design for Manufacturing von E-Antrieben für eine optimale Kombination von Materialien und Fertigungsverfahren. Gleichzeitig wird dabei die Steigerung des Wirkungsgrads von E-Antrieben verfolgt. Aktuelle Forschungen adressieren u. a. die magnetischen Eigenschaften von Elektroblechen: Zum einen werden Optimierungen durch anforderungsgerechtes Design und innovative Werkstoffe erzielt, zum anderen wird Additive Manufacturing als flexibles Herstellungsverfahren erprobt. Außerdem hat das Institut Gießtechnologien zur Integration von Kühlkanälen in das E-Motor-Gehäuse und die Spulen entwickelt. Damit werden die Wärmeabfuhr und der Wirkungsgrad erheblich verbessert.
->Quelle: ifam.fraunhofer.de/strom-und-wasserstoff-fuer-die-CO2-freie-mobilitaet