Interview mit Prof. Dr. Rolf Isermann von der TU Darmstadt zum Thema "E-Mobility: Auto Vision 2020"

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1 Interview mit Prof. Dr. Rolf Isermann von der TU Darmstadt zum Thema "E-Mobility: Auto Vision 2020" Welche wichtigen Entwicklungen im Automobilbau können wir in Zukunft erwarten? Isermann: Im Automobil kommt es zu einer weiter zunehmenden Elektrifizierung und Elektronisierung. Hier zeichnet sich ein klarer Trend zur Mikrohybridisierung ab. Immer mehr Nebenaggregate wie Klimakompressor, Kühlwasserpumpe oder Servolenkung werden mit Elektromotoren betrieben. Hinzu kommen Start-Stopp Funktionen. Dadurch lässt sich der Verbrauch der Verbrennungsmotoren weiter senken. Parallel wird der Leichtbau zunehmend wichtiger, da die Masse des Autos zusammen mit dem Luftwiderstand den Grundverbrauch bestimmt. Derzeit sind Vollhybrid- und Elektrofahrzeuge in aller Munde. Liegt nicht darin die automobile Zukunft? Isermann: Das kann man zurzeit noch nicht genau sagen. Das Thema Elektromobil wird leider von Nichtfachleuten völlig übertrieben. Sehr langfristig ist ein Elektroantrieb mit Batterien in Verbindung mit CO 2 -freier Stromerzeugung ein lohnendes Ziel. Mittelfristig können Hybridantriebe den Verbrauch von fossilem Kraftstoff besonders im Stadtbetrieb etwas reduzieren. Aber Toyota verzeichnet mit seinem Prius-Hybrid doch Erfolge? Isermann: Diese Hybridfahrzeuge sind bei uns bisher kein großer Markterfolg. Toyota hat damit jedoch wichtiges Know-How erworben. Der Hauptmarkt liegt derzeit in den USA, begleitet von einem entsprechenden Marketing, im Wettbewerb zu hubraumstarken Antrieben mit höherem Verbrauch und fehlenden Dieselmotoren für Pkw. Wer in Europa ein leichtes Fahrzeug mit einem Benzin- oder Dieselmotor kauft (Beispiel VW Polo oder Opel Corsa), kommt mit einem Verbrauch von 4,5 bis 5,5 Litern auf 100 Kilometern aus, also etwa wie kleinere Hybridfahrzeuge. Hinzu kommt, dass man durch entsprechende Fahrweise den Verbrauch auch ohne Hybridisierung stark reduzieren kann. Sehen Sie im Elektromobil gar eine Sackgasse? Isermann: Nein, eine Sackgasse ist es nicht. Aber wir müssen uns auf eine langsame, stetige Entwicklung einstellen. Bei schwereren Fahrzeugen scheint mit Hybridantrieben in der Tat eine Verbrauchsersparnis möglich zu sein. Das hängt ganz stark vom zugrunde gelegten Fahrzyklus ab. Wenn viel gebremst wird - eine eigentlich unnatürliche Fahrweise - lässt sich im Stadtbetrieb Treibstoff einsparen. Hybrid ist deshalb mehr geeignet für reine Stadtfahrzeuge. Über Land dagegen hat man kaum Ersparnisse, auf der Autobahn können diese Fahrzeuge bisher je nach Auslegung des Verbrennungsmotors sogar mehr verbrauchen.

2 Wo sehen Sie das größte Hemmnis für wettbewerbsfähige Elektromobile? Isermann: Das Hauptproblem liegt in den Batterien. Sie sind noch viel zu teuer und zu schwer. Für ein Fahrzeug der Golf-Klasse kommt man heute mit einer Lithium-Ionen- Batterie von 100 Kilogramm gerade mal etwa Kilometer weit. Mit der Batterie steht und fällt das Elektroauto. Interessant wird der Elektroantrieb für Spezialfahrzeuge, zum Beispiel zur Verteilung der Post innerhalb einer Stadt. Elektrofahrzeuge machen langfristig dann Sinn, wenn die Stromerzeugung CO 2 -frei erfolgt, etwa durch Wasserkraft, Windkraft oder Kernkraft und auf fossile Kraftstoffe verzichtet werden kann. Stehen die Chancen zumindest für Hybridfahrzeuge besser? Isermann: Zunächst muss man unterscheiden: Mikrohybrid 3-5 kw, Mildhybrid 5-15 kw, Vollhybrid kw und Plug-in Hybrid kw. Mikrohybrid bieten demnächst oder heute schon viele Hersteller an, als Bordnetzerweiterung. Am ehesten zeigen die derzeitigen Entwicklungen einen Einsatz von mildhybriden und vollhybriden Antrieben in der Premiumklasse. Denn die Batterien mit Elektromotor und Leistungselektronik kosten mindestens Euro. Und dafür kann man schon einen Kleinwagen bekommen. Aber wenn ein Auto schon über Euro und mehr kostet, fällt der Aufpreis nicht mehr so ins Gewicht. Für Stadtbusse mit häufigem Anfahren und Bremsen sind Hybridantriebe jetzt schon wirtschaftlich. Man darf dabei nicht vergessen, dass die Energie bei Hybridfahrzeugen zu 100 % aus dem verbrannten Kraftstoff kommt, wenn man nicht elektrisch an einer Steckdose laden kann, was aber wegen der kleinen Batteriekapazitäten nicht sehr viel bessert. Steigen die Chancen mit leistungsfähigeren, leichteren und günstigeren Batterien? Isermann: Prinzipiell ja. So sind aber die Lithium-Ionen-Batterien für Fahrzeuge erst dabei, zur Serienproduktion für Fahrzeuge gebracht zu werden. Sie habe einen fast doppelt so großen Energieinhalt pro kg wie Nickel-Metall-Hybrid Batterien. Große Sprünge können wir jedoch bezüglich des Leistungsgewichtes zurzeit nicht erwarten. Dazu kommt der Sicherheitsaspekt: Je dichter eine Batterie elektrische Energie chemisch speichert, desto gefährlicher werden diese wegen höherer Brand- und Explosionsgefahr. Wird uns der Verbrennungsmotor folglich erhalten bleiben? Isermann: Ja, wahrscheinlich wird es noch lange der Hauptantrieb bleiben. Allerdings mit einem Verbrauch um drei bis vier Liter und sehr wenig Schadstoff-Emissionen. Dann kann auch der Sprit teurer sein als heute. So sehe ich bei uns nach wie vor eine Zukunft für den Diesel. Mit einem modernen Dieselmotor verbrauchen Fahrzeuge der Golfklasse schon heute gerade mal vier bis maximal sechs Liter auf 100 Kilometer. Ein Elektromobil mit Verbrennungsmotor betriebenem Stromaggregat (range extender) bietet sich ergänzend besonders als Stadtfahrzeug an. Machen da nicht zu hohe Abgaswerte einen Strich durch die Rechnung? Isermann: Nicht unbedingt: Auch die Verbrennungsmotoren werden weiter entwickelt. Beim Diesel wie beim Ottomotor können wir innerhalb der nächsten fünf Jahre eine weitere Verbrauchsersparnis von etwa 20 Prozent erwarten. Dazu muss man an mehreren

3 Stellen ansetzen: Kleinerer Hubraum, Turboaufladung, variable Ventiltriebe, neue Brennverfahren wie z.b. extremer Magerbetrieb bei Benzinmotoren. Der moderne Ottomotor erzeugt schon heute fast keine schädlichen Abgaswerte, aber natürlich CO 2. Beim Diesel helfen höhere Einspritzdrücke, ebenfalls variable Ventiltriebe und die so genannte Homogen- oder Kompressionszündung (HCCI). Damit hat man auch weniger Stickoxide und Russ im Teillastbereich, in dem am meisten gefahren wird. Dazu braucht man eine Brennraumdruckregelung. Das senkt zwar nicht primär den Verbrauch, aber die Emissionen gehen ein ganzes Stück zurück. Vor allem die Stickoxide, denn der Russ ist mit modernen Brennverfahren und den Partikelfiltern schon fast weg. Die Emissionen werden also noch weiter gesenkt; auch CO2, das durch den reduzierten Verbrauch geringer wird. Allerdings steigen die Kosten für die verbesserten Motoren. Aber die Ölvorräte gehen doch bald zur Neige? Isermann: Wenn wir langfristig denken, dann müssen wir den Verbrauch von fossilen Kraftstoffen reduzieren und ganz darauf verzichten. Ab 2020 in dem Jahr, in dem "peak oil" erwartet wird wird der Kraftstoff zunächst mal vermutlich teurer. Davon muss man ausgehen. Mit welchem Brennstoff fahren wir dann? Isermann: Die nächstliegende Möglichkeit ist die Anreicherung mit Biokraftstoffen. Südamerika erreicht bereits eine Beimischung von 20 bis 25 Prozent. Aber Biokraftstoffe müssen aus Holz und anderen Abfällen erzeugt werden und dürfen nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren. Diese Entwicklung für Biokraftstoffe der 2. und 3. Generation ist voll im Gange. Und Erdgas und Wasserstoff? Isermann: Erdgas bleibt wahrscheinlich eine Nische. Durch die Tanks wiegen die Autos 100 bis 150 Kilogramm mehr. Das ist mit einem Leichtbau und dem Platzbedarf nicht zu vereinen. Und Wasserstoff hat nur eine außerordentlich geringe Leistungsdichte. Die Tanks mit 700 bar sind mit Faserverbundwerkstoffen aufgebaut. Man kann das machen, aber Brennstoffzellenantriebe sind bisher noch sehr teuer. Dazu kommt der Aufbau einer neuen Infrastruktur mit Höchstdruck-Wasserstoff-Tankstellen. Auch die Wasserstoffverbrennung im Verbrennungsmotor gehört hierzu. Im Prinzip wäre das Fahren mit Wasserstoff ideal, wenn er CO2-frei erzeugt und leichter transportiert werden kann. Wie sieht nach Ihrer Meinung das Auto der Zukunft aus? Isermann: Es wird noch lange einen Verbrennungsmotor haben und, je nach Einsatzspektrum verschiedene Arten von Hybridantrieben, mit der Möglichkeit der externen Ladung an den Stromnetzen. Ein reiner Elektroantrieb kommt dann, wenn die Batterieentwicklung sehr große Fortschritte macht und dann besonders bei überwiegendem Kurzstrecken-Betrieb. Aber sehr langfristig ist ein reiner Elektroantrieb anzustreben.

4 Und die Autos werden noch genauer auf ihr Einsatzfeld zugeschnitten.? Isermann: Ja, genau. Ein Vertreter mit Kilometer Fahrleistung pro Jahr wird dann einen downgesizeten Diesel nehmen. Für Zweitfahrzeuge mit viel Stadtverkehr kommen dann Hybridfahrzeuge in Betracht. Somit ist ein Auto für die Ferne und den Urlaub und ein zweites Elektro-Stadtfahrzeug, auch nur mit Batterie denkbar. Welche weiteren Innovation werden im Auto der Zukunft stecken? Isermann: Eine Schlüsseltechnologie für alle mobilen Systeme ist die Mechatronik, die Kombination von Mechanik und Elektronik, z.b.bei Lenkungen, Bremsen und Einspritzsystemen. Das Entwicklungspotenzial ist groß und die deutschen Firmen sind international führend. Das ist nicht nur für den Automobilbau wichtig, sondern ein Trend im gesamten Maschinenbau. Die mechatronische Durchdringung des Fahrzeugs findet seit über 20 Jahren statt und ergreift immer mehr Komponenten. Die Elektronisierung eines Fahrzeugs ist dabei ein wichtiger Teil fielen etwa 20 Prozent der Produktionskosten eines Autos auf Elektrik und Elektronik. Bis 2005 ist dieser Anteil auf 30 Prozent angewachsen. Tendenz steigend. Mit welchen Vorteilen? Isermann: In einem normalen Mittelklassefahrzeug sind schon heute mindestens 50 elektronische Steuergeräte vorhanden. Das verbessert den Fahrkomfort, reduziert den Verbrauch und erhöht die Sicherheit. So ist mit der Einführung von ABS und ESP die Zahl der schweren Unfälle um mehr als 40 Prozent zurückgegangen, ein hervorragendes Ergebnis. Und heutige Verbrennungsmotoren wären ohne die elektronischen Steuerungen nicht zu realisieren. Was kommt als nächstes? Isermann: Die Vermeidung von Unfällen hat eine oberste Priorität. Fahrassistenzsysteme können immer mehr Unfälle vermeiden. Im Proreta-Projekt arbeitet beispielsweise die TU Darmstadt mit Continental zusammen an einem Fahrzeug, das Unfälle aktiv vermeidet z.b. in Gefahrensituationen vollautomatisch bremst und ausweicht. Die Informationen kommen über eine Kamera und ein Lidar-System und Computer (PRORETA 1). Zurzeit ist ein Fahrerassistenzsystem für den Überholvorgang bei uns in der Entwicklung, mit Kamera, Radar und elektronischer Signalverarbeitung (PRORETA 2). Insgesamt werden im Laufe der Zeit noch mehr aktive Sicherheitssyteme in die Fahrzeuge kommen. Aber werden Autos mit immer mehr Elektronik nicht auch anfälliger? Isermann: Maßnahmen gegen Anfälligkeit der Elektronik und Steigerung der Zuverlässigkeit sind natürlich wichtig. Das erreicht man durch intensives Testen, moderne Entwicklungsmethodik und Online Überwachung. Aber die meisten Fehler kommen vom elektrischen System, besonders von der Batterie und sind teilweise auf ungenügende Wartung zurückzuführen. Mittlerweile hat man auch die Elektronik viel besser im Griff. Vorübergehend gab es wegen der hohen Komplexität Probleme. Aber man hat erreicht,

5 dass die Elektronik jetzt relativ zuverlässig ist. Wie wichtig sind dabei redundante Systeme? Isermann: Teilweise sehr wichtig. Bei der hydraulischen Bremse (PKW) gibt es schon seit langem zwei Kreise. Einige Sensoren sind doppelt vorhanden, beispielsweise zur Messung des Lenkwinkels oder der Gierrate. Oder die doppelten Potentiometer bei der elektronischen Drosselklappe. Auch der Schritt von der Hydraulik zur Elektrik beim Bremsen ist nur mit mehrfach redundanten Systemen möglich. Vorne eine hydraulische und hinten eine elektrische Bremse ist bald denkbar. Die Entwicklungen zur Elektrifizierung und Elektronifizierung erfolgen meist in mehreren kleineren Schritten.