Die Systemfrage: FVV forscht am nachhaltigen Hybridantrieb

Hybridantriebe, in denen Elektro- und Verbrennungsmotor zusammenarbeiten,
ermöglichen schnelle CO2-Einsparungen im Straßenverkehr – vorausgesetzt
das Antriebssystem eines solchen Fahrzeugs ist von Anfang an auf einen
möglichst effizienten Betrieb ausgelegt. Im neuen Hybridforschungsprogramm
der FVV erarbeiten Ingenieure über Firmengrenzen hinweg die dafür
notwendigen Methoden und Technologien.

Das vom FVV-Vorstand 2020 initiierte Hybridforschungsprogramm hat
inzwischen zu konkreten Projekten geführt, die sich mit der nachhaltigen
Auslegung von Hybridantrieben beschäftigen. Dabei stehen weniger konkrete
Einzeltechnologien als vielmehr deren Zusammenspiel im Fokus der Forscher.
So untersucht die Technische Universität Darmstadt in einem Vorhaben, wie
sich die theoretisch unendlich vielen Kombinationen aus Akkus,
E-Maschinen, Motoren, Getriebevarianten sowie softwarebasierter
Betriebsstrategie in ein modulares System überführen lassen (1). Ein
solcher Ansatz soll einerseits den Umweltnutzen maximieren, andererseits
aber die Produktionskosten durch Variantenreduzierung niedrig halten und
damit einer hohen Marktakzeptanz dienen. Ziel der Forscher ist es unter
anderem, ein Software-Programm zu entwickeln, das nach Eingabe der
Randbedingungen modulare Architekturen des hybriden Antriebsstrangs
berechnet und die Eigenschaften der Komponenten berücksichtigt. Die
Wissenschaftler verfolgen dabei einen objektorientierten Ansatz aus der
Informatik, der die Rechenzeit deutlich verkürzen soll. Das Programm soll
nach Abschluss des Projekts mit allen Unternehmen, die in der FVV
zusammenarbeitenden, geteilt werden. »Insbesondere mittelständische
Zulieferer können davon erheblich profitieren«, meint Martin Nitsche,
Stellvertretender Geschäftsführer der Forschungsvereinigung.

Hochflexibler Antrieb

Ziel jeder Hybridentwicklung ist der energieeffiziente Betrieb.
Gleichzeitig gilt es aber auch Abgasemissionen zu minimieren und einen
hohen Fahrkomfort zu ermöglichen. Doch in welchen konkreten Situationen
treten dabei Zielkonflikte auf? Und was bedeutet die hohe Flexibilität,
die vom Verbrennungsmotor erwartet wird, für dessen Technik? Solche Fragen
versuchen Forscher der RWTH Aachen innerhalb eines weiteren Projekts zu
klären (2). Dafür verknüpfen sie verschiedene Simulationsverfahren, mit
denen beispielsweise die Abgasnachbehandlung oder das Wärmemanagement
einbezogen werden können. Mit einem ›prädikativen Reisemanagement‹ soll es
möglich werden, Sonderemissionszonen sowie unvorhergesehene Ereignisse wie
Staus zu berücksichtigen. Am Ende des Forschungsprojekts steht die
Entwicklung einer herstellerneutralen, ganzheitlichen Entwicklungsmethodik
für Hybridantriebe, die die Arbeit an Effizienztechnologien auch für
kleine und mittelständische Unternehmen vereinfacht.

CO2-neutrale Hybridantriebe

Frei von klimaschädlichen Emissionen sind Hybridantriebe nur dann, wenn
der Elektromotor ausschließlich mit Grünstrom und der Verbrennungsmotor
mit synthetischen Kraftstoffen wie grünem Methanol betrieben wird. Dass
bei Methanolbetrieb in nahezu allen Betriebsbereichen des
Verbrennungsmotors ein Wirkungsgrad von mehr als 40 Prozent erreicht
werden kann, hatte bereits das 2020 abgeschlossene FVV-Projekt ›ICE2025+‹
gezeigt. Am Bestpunkt erreichte der auf den Hybridbetrieb optimierte Motor
mit dem synthetischen Kraftstoff sogar mehr als 46 Prozent. In dem nun
gestarteten Nachfolgeprojekt ›ICE2030‹ soll ein thermischer Wirkungsgrad
von mindestens 50 Prozent erreicht werden (3). Dafür untersuchen die
beteiligten Wissenschaftler der Universitäten Aachen, Braunschweig,
Darmstadt und Stuttgart, ob durch Zumischung von Wasserstoff eine extrem
magere Verbrennung mit hoher Stabilität möglich wird. Zudem wollen sie
untersuchen, wie sich der hohe Sauerstoffüberschuss auf die
Abgaszusammensetzung auswirkt.

Weitere laufende oder geplante Forschungsvorhaben rund um den
Hybridantrieb und dessen Betriebsstrategien beschäftigen sich mit den
Herausforderungen, die entstehen, wenn der Verbrennungsmotor nur sehr
selten, dafür dann aber sehr zuverlässig einspringen muss. Zu den
untersuchten Phänomenen gehören das Thermomanagement genauso wie
beispielsweise die akustische Wahrnehmung im Innenraum. Martin Nitsche
begründet die Relevanz dieser Forschung folgendermaßen: »Viele eigentlich
gelöste technische Fragen, etwa zu Korrosion und Betriebsfestigkeit,
stellen sich in Hybridantrieben ganz neu.«

Im Rahmen des Hybridforschungsprogramms erprobt die FVV zudem ein neues
Vergabeverfahren. Bei dem Call-for-Tender-Verfahren definiert eine
Expertengruppe zu Beginn nur das Ziel. Forschungsstellen können den
methodischen Weg selbst festlegen und entsprechende Projekte vorschlagen.
Nitsche zufolge hat sich das neue Vorgehen bereits bewährt: »Wir können so
das spezifische Know-how an den Forschungsstellen noch besser für die
vorwettbewerbliche Gemeinschaftsforschung nutzen.«

Auf ihrer Frühjahrstagung am 31.03.2022 in Würzburg widmet die FVV dem
neuen Forschungsschwerpunkt ›Hybridantriebe‹ eine eigene Session mit drei
Vorträgen.

Hinweise zum Forschungsprogramm

1 | FVV-Forschungsvorhaben Nr. 1428: Modulare objektorientierte
Architekturen für skalierbare Hybridantriebsstränge. Durchgeführt an der
TU Darmstadt (Prof. Dr. Christian Beidl, Institut für
Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe vkm). Abschluss erwartet
zum 31.12.2022.

2 | FVV-Forschungsvorhaben Nr. 1433: Hochflexible Verbrennungsmotoren für
Hybridfahrzeuge. Durchgeführt an der RWTH Aachen (Prof. Dr. Stefan
Pischinger, Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme
tme). Abschluss erwartet zum 28.02.2023.

3 | FVV-Forschungsvorhaben Nr. 1434: Grenzen der ottomotorischen
Wirkungsgradsteigerung in hybridisierten Antriebssträngen. Durchgeführt an
der RWTH Aachen (Prof. Dr. Stefan Pischinger, Lehrstuhl für Thermodynamik
mobiler Energiewandlungssysteme tme), TU Braunschweig (Prof. Dr. Peter
Eilts, Institut für Verbrennungskraftmaschinen ivb), TU Darmstadt (Prof.
Dr. Christian Beidl, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und
Fahrzeugantriebe vkm) und Universität Stuttgart (Prof. Dr. Michael
Bargende, Institut für Fahrzeugtechnik IFS). Abschluss erwartet zum
31.01.2023.