Elektromobilität ist derzeit das zentrale Thema, wenn es um die Fortbewegung der Zukunft geht. Die Antriebstechnologie des Automobils muss sich verändern. Statt Benzin oder Diesel sollen regenerative Energien Fahrzeuge antreiben und somit Schadstoff- und CO2-Emissionen verringern. Dazu muss elektrische Energie in Batterien gespeichert oder es muss mittels Elektrolyse sauberer Wasserstoff erzeugt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen jedoch noch diverse Probleme gelöst werden. Genau daran arbeitet das Fachgebiet Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik (LEA) der Universität Paderborn.
Ein Problem ist der immer noch beschränkte Energieinhalt derzeitiger Lithium-Ionen-Akkus, der gegenüber einem vollen Benzintank sehr knapp bemessen ist. Ein gutes Beispiel ist eines der ersten elektromotorisch angetriebenen Serienfahrzeuge auf dem deutschen Automobilmarkt, der Opel „Ampera“. Das Fachgebiet LEA hat Gelegenheit, das Hybridfahrzeug im Alltagsbetrieb zu erproben.
Laut Hersteller ermöglicht das umgesetzte Hybridkonzept emissionsfreie Fahrten von bis zu 80 Kilometern mit der in der Batterie gespeicherten Energie. Danach wird ein an Bord befindlicher Verbrennungsmotor zugeschaltet, der über einen Generator die Batterie im Fahrbetrieb nachlädt. „80 km elektrische Reichweite klingt zunächst wenig, reicht aber für die meisten Fahrten bereits aus. Künftige elektrische Fahrzeuge werden konventionelle Autos nicht einfach 1:1 ersetzen, sondern auch andere, neue Qualitäten bieten.“, sagt Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker.
Der Leiter des Fachgebiets hält es aber für unumgänglich, die Effizienz nicht allein des elektrischen Antriebs, sondern des gesamten Systems, zu dem zum Beispiel auch das Ladegerät gehört, zu verbessern. LEAs langjährige Kompetenz auf diesem Gebiet – das Fachgebiet kooperiert bereits seit Jahren mit namhaften deutschen Automobilherstellern – sei gefragter denn je.
„Unsere Stärke sehen wir darin, nicht nur die wissenschaftlichen Grundlagen zu beherrschen, sondern durch unsere intensive Zusammenarbeit mit Industriepartnern auch die technischen und ökonomischen Anforderungen und Zwänge sehr genau zu verstehen. Wir müssen zum Beispiel genau abwägen, ob eine Maßnahme, die zwar den Wirkungsgrad verbessert, aber Mehrkosten verursacht, wirklich zu rechtfertigen ist“, so Böcker.
Besonders willkommen sind Verbesserungen, die fast nichts kosten. Gerade dies ist ein Schwerpunkt bei LEA, allein durch eine intelligente, verbesserte Steuerung des Motors oder des Energieflusses im Fahrzeug eine Einsparung zu erreichen. Derartige Steuerungen werden auf Mikroprozessoren realisiert, die verhältnismäßig günstig sind. Bei dieser Arbeit bedienen sich die Wissenschaftler ihrer fundierten Kenntnisse über das elektrische Verhalten des Elektromotors sowie mathematischer Verfahren aus der Systemtheorie und Regelungstechnik. Ob ein Lösungsansatz am Ende zielführend ist, wird zunächst durch ausgiebige Simulationen auf Computern und dann durch Versuche am Motorenprüfstand überprüft.
Doch die Forschungen des Fachgebiets LEA gehen noch weiter. So können durch eine geschickte Auslegung und Bemessung ganzer Antriebsstrukturen in Elektro- und Hybridfahrzeugen sowie durch den Einsatz intelligenter Energiemanagementsysteme weitere Effizienzvorteile erzielt werden. Auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Arbeiten des Fachgebiets im Rahmen eines interdisziplinären Sonderforschungsbereiches.
Ein Thema, das die Wissenschaftler auch nicht außen vor lassen, ist die grundlegende Frage, wie eine effiziente und zuverlässige Energieversorgung im Zeitalter erneuerbarer Energien sichergestellt werden kann. Die Forschungsarbeiten laufen im Rahmen des Spitzenclusters „it’s OWL“, das von der Universität Paderborn mit initiiert wurde. Besonders den intelligenten Stromnetzen (Smart Grids) fällt dabei eine immer größere Bedeutung zu. Auch hier spielt die Elektromobilität eine große Rolle.
Die in Elektrofahrzeugen eingebauten Energiespeicher könnten künftig als mögliche Puffer für fluktuierende Energieerzeuger wie Wind- und Solarenergie dienen. Auf diese Art und Weise würden Elektrofahrzeuge einerseits zur Stabilisierung der Stromnetze beitragen und andererseits helfen, den Anteil erneuerbarer Energien am Energiemix zu erhöhen.
Joachim Böcker: „Unseren Studentinnen und Studenten bietet sich auf jeden Fall ein vielfältiges und zukunftsweisendes Aufgabenfeld. Sie bekommen die notwendigen theoretischen und praktischen Hilfsmittel an die Hand und sind damit als Elektro-Ingenieure hervorragend für die Zukunft gerüstet.“
