Pictures of the Future    Frühjahr 2007

Kampf den Abgasen

Die Qualität der Luft ist ein hohes Gut – bedroht wird sie beispielsweise durch Gase wie Kohlenmonoxid und Stickoxide, die Atemprobleme, Asthmaattacken und Bronchitis verursachen können. Ausgestoßen werden sie zu etwa 60 % durch den Verkehr. Grund genug für Europas Gesetzgeber, hier aktiv zu werden: Die Abgasnorm Euro 4 soll weiter verschärft werden. Ab September 2009 gilt die Euro-5-Norm für Neuwagen, die Kohlenwasserstoffe und Stickoxide von derzeit 300 mg/km auf 230 mg/km senkt, und mit Euro 6 – gültig ab 2014 – sollen die Werte nochmals um 27 % auf 170 mg/km sinken.

Auch beim Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid spielt der Verkehr eine wesentliche Rolle: Rund ein Fünftel aller CO₂-Emissionen stammt von Fahrzeugen – und deren Zahl könnte sich bis 2030 auf über zwei Milliarden mehr als verdreifachen. Die EU-Kommission sieht daher für Neuwagen ab 2012 einen CO₂-Grenzwert von 120 g/km vor, rund ein Viertel weniger als heute – 130 g/km sollen die Hersteller durch Verbesserungen der Fahrzeugtechnik erreichen, weitere 10 g/km sollen zusätzliche Maßnahmen wie die Beimischung von Biokraftstoffen bringen. Ähnliche Reduktionsziele um 20 % und mehr haben sich auch andere Länder wie die USA vorgenommen. Am Ende könnte das Null-Emissions-Auto stehen – Lösungsansätze dafür gibt es bereits, nicht zuletzt von Siemens.

Sportwagen mit Umweltmotor. Eines dieser zukunftsweisenden Projekte hat Siemens VDO (SV) mit einem Demonstrationsfahrzeug für den Hybridantrieb vor kurzem vorgestellt. Unter dem Blechkleid eines Mercedes C 230 K Sportcoupé haben die Experten aus Regensburg den Verbrennungsmotor mit einem Elektroantrieb kombiniert (siehe Fahrzeugtechnik in Pictures of the Future, Frühjahr 2006). Beide etwa gleich starken Motoren werden von einem integrierten Antriebsstrangmanagement je nach Fahrsituation gekoppelt oder wahlweise betrieben – der Fahrer merkt vom Wechsel zwischen den Aggregaten kaum etwas. Der Elektromotor leistet mit einer Lithium-Ionen-Batterie etwa 75 kW und beschleunigt das Fahrzeug in knapp sieben Sekunden von null auf 100 km/h. Die Entwickler mussten dabei tief in die Motor- und Getriebesteuerung eingreifen, um mit einer elektronisch gesteuerten Kupplung beide Motorentypen zu verbinden. Zusätzlich haben sie das 14-V-Bordnetz um ein so genanntes Traktionsnetz mit 380 V ergänzt, das die Leistungen des Elektromotors erst möglich macht.

Mit Erfolg: Messungen haben ergeben, dass ein solches Vollhybridkonzept mehr als 25 % Kraftstoff im Vergleich zu einem konventionellen Antrieb einsparen und die Emissionen entsprechend senken kann. Dass Hybridfahrzeuge Zukunft haben, beweist die starke Nachfrage in den USA und Japan. Etwa neun von zehn Vollhybrid-Fahrzeugen werden heute in diesen Märkten verkauft. Ende 2006 hat SV das Geschäftsfeld Elektroantriebe von Ballard Power Systems in Dearborn, Michigan, übernommen. An dem US-Standort wird Siemens ein Zentrum für die Weiterentwicklung von Leistungselektronik, Motordesign und elektrischen Antriebssystemen für Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge aufbauen.

Der Hybridantrieb ist jedoch nur ein Zwischenschritt auf dem Weg zum Antrieb der Zukunft, erklärt Dr. Klaus Egger, Mitglied des SV-Bereichsvorstands: "Wir sehen im Elektromotor die langfristige Antriebslösung, mit der auch strengste zukünftige Emissionsvorschriften erfüllt werden können." Beim Konzept des Radnabenmotors von Siemens könnten gleich vier Elektromotoren das Auto der Zukunft antreiben – in jedem Rad einer. Dieses Motorsystem setzt bis zu 96 % der eingesetzten elektrischen Energie in Vortrieb um und ist somit ein idealer Energieverwerter. Zum Vergleich: Künftige Vollhybride nutzen unter optimalen Voraussetzungen etwa 85 % der verfügbaren Energie aus, während Verbrennungsmotoren wie Otto- und Dieselmotoren maximal nur etwa 50 % der im Treibstoff enthaltenen Energie verwerten.

Im Sommer 2006 starteten SV-Ingenieure mit einer Entwicklung, die sie eCorner-Modul nennen. In dem völlig neuartigen Antriebskonzept, das komplett auf Elektrik und Elektronik setzt, sind neben dem Motor auch Lenkung, Dämpfung und Bremsen direkt in die Räder integriert. Damit wird nicht nur Platz unter der Motorhaube frei, sondern auch viele Anbauteile nebst hydraulischer Lenksäule, Bremsen und Getriebe verschwinden – so sind einem neuen Autodesign kaum noch Grenzen gesetzt. Der erste Schritt auf dem Weg zum Radnabenmotor wird die elektronische Keilbremse sein, die vermutlich Ende 2010 in Serie gehen wird (siehe Der Wunderkeil in Pictures of the Future, Herbst 2005). Reine Drive-by-Wire-Autos, bei denen dann die Mechanik der Elektronik gewichen ist, sind frühestens in 15 Jahren serienreif.

Highspeed-Technik senkt Verbrauch. In näherer Zukunft werden die Automobilexperten aber auch noch den herkömmlichen Verbrennungsmotor in Sachen Leistung, Sparsamkeit und Schadstoffausstoß weiter optimieren. Entscheidend dafür ist die bestmögliche Verbrennung des Kraftstoffs. Elektronisch gesteuerte Einspritzsysteme spielen dabei eine Schlüsselrolle. Durch die bei Siemens erfundene Piezotechnik werden die Einspritzventile so schnell, dass sie den Treibstoff innerhalb eines Arbeitstakts in mehreren unterschiedlich großen Portionen direkt in den Motorzylinder spritzen können (siehe Piezotechnik in Pictures of the Future, Herbst 2005). Für Dieselmotoren hat SV die Piezo-Direkteinspritzung im Jahr 2000 und für Benzinmotoren im Jahr 2006 zur Serienreife gebracht. Dank der feinen Kraftstoffzerstäubung und der Mehrfacheinspritzung verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch wesentlich effizienter als bisher. Im Vergleich zu einem Saugrohreinspritzer spart die Piezotechnik beim Benzinmotor bis zu 20 % Kraftstoff.

Insgesamt sinken damit auch die Stickoxid- und Kohlenstoffpartikel-Emissionen des Motors und entlasten die nachgeschalteten Abgasreinigungssysteme. "Trotzdem wird es auch künftig nicht ohne Katalysatoren und Filter gehen", betont Wolfgang Maus, Geschäftsführer des Filterherstellers Emitec, eines Gemeinschaftsunternehmen von Siemens und dem britischen Autozulieferer GKN. Der Grund sind die Nanometer kleinen Partikel im Abgas, die ein gesundheitliches Problem darstellen. Entfernen lassen sie sich mit Emitecs Partikelfilter für Dieselabgase, der hinter einem herkömmlichen Oxidationskatalysator eingebaut ist: Der Abgasstrom wird hier durch ein Metallvlies geleitet, wo das mit dem Gas einströmende Stickstoffdioxid ein Sauerstoffatom abgibt, das dann den Kohlenstoff der winzigen Rußpartikel in Kohlenmonoxid verwandelt. Zusammen mit weiterem Sauerstoff verbrennt dieses dann zu Kohlendioxid. So vernichtet der Filter rund 80 % der weniger als 100 nm kleinen Feinstpartikel.

WLAN für die Autobahn. Verkehrsbedingte Schadstoffe lassen sich aber auch mit der Vermeidung von bestimmten Verkehrssituationen verhindern. Im Stau zum Beispiel qualmen die Auspuffe unnötig. "Gegen die Verkehrsdichte können wir wenig tun, aber wir können verhindern, dass der Verkehrsfluss durch Staus oder Unfälle zum Stillstand kommt", erklärt Dr. Abdelkarim Belhoula, Entwickler bei SV in Wetzlar. Wenn sich etwa Fahrzeuge untereinander früh genug vor drohenden Behinderungen wie Eis, Regen oder stockendem Verkehr warnen, könnten Auffahrunfälle und Staus verhindert werden. Automobilhersteller und Zulieferer haben sich daher seit 2004 in einem Car-to-Car Communication Consortium zusammengeschlossen, um Standards für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen festzulegen.

Gerät ein Auto ins Schleudern oder bremst stark ab, registrieren dies die bereits heute im Wagen befindlichen Sensoren (etwa ABS oder ESP). Künftig könnten sie diese Information an nachfolgende Autos senden, die entsprechend reagieren. Eine solche Kommunikation ließe sich über ein spontan aufgebautes Funknetz mit Breitband-WLAN-Technik realisieren (Informationen tanken). "Wir wollen solche Ad-hoc-Netze stabiler und sicherer machen", sagt Dr. Christian Schwingenschlögl von Siemens Corporate Technology in München. Da diese WLAN-Netze nur 200 bis 300 m weit senden, müssen die Autos in Funkreichweite die Daten in Sekundenschnelle verarbeiten. "Wir optimieren daher auch die Software, um den Verbindungsaufbau und das Reaktionsvermögen der Systeme zu beschleunigen", ergänzt der Forscher. 2008 soll der WLAN-Standard fertig sein.

Doch die Siemens-Entwickler möchten nicht nur den Straßenverkehr umweltverträglicher gestalten. Auch bei Bahnen entdecken sie noch Einsparpotenziale, wie Walter Struckl von Siemens Transportation Systems in Wien bestätigt. Zusammen mit drei Kollegen wurde er kürzlich für die umweltgerechte Produktgestaltung einer neuen Metro in Oslo mit dem Siemens Umweltpreis (Produktentwicklung) ausgezeichnet. Die Entwickler konnten nachweisen, dass die neue Bahn etwa 30 % weniger Energie verbraucht als ihre Vorgänger. So kann die Metro ihre Bremsenergie beim Einfahren in die Haltestation wieder ins Strom-Netz zurückspeisen, außerdem ist der Wagenkasten aus leichten Aluminiumprofilen gebaut. Und am Ende ihres Bahnlebens müssen nur etwa 5 % des Materials deponiert werden, 95 % lassen sich verwerten.

Recycling auf hoher See. Seeschiffe sind dagegen eher schwarze Schafe. Laut Weltgesundheitsorganisation würden ohne ein Gegensteuern Emissionen wie Schwefeldioxid und Stickoxide auf hoher See bis zum Jahr 2020 alle übrigen Luftschadstoffquellen im Verkehrssektor übertreffen. Schon heute sei der Hochseeschiffsverkehr die größte Einzelquelle für SO₂ in Europa, stellte die EU-Kommission fest. Deshalb wurde 2005 ein Grenzwert definiert, um den SO₂-Ausstoß in der Nord- und Ostsee sowie im Ärmelkanal jährlich um mehr als 500 000 t zu senken. Trotzdem sind die Werte noch sehr hoch: Der neue Grenzwert für Schiffsdiesel beträgt 15 000 ppm (parts per million) Schwefel, der von Autobenzin ab 2007 gültige Wert nur 10 ppm.

Deshalb sieht Kay Tigges, Marine-Spezialist bei Siemens Industrial Solutions and Services in Hamburg, Energieeinsparen als den sinnvollsten Beitrag, um die Emissionen der Schiffe zu reduzieren. I&S hat daher ein System entwickelt, bei dem die bisher durch den Schornstein entweichenden Schiffsabgase Dampf erzeugen, der über eine Dampfturbine einen Generator antreibt. So lässt sich daraus Strom für die Bordelektrik mit einer Leistung von bis zu 7 MW gewinnen. Zum ersten Mal wurde dieses "Waste Heat Recovery System" im Jahr 2005 in das dänische Containerschiff Gudrun Maersk eingebaut. Der Trick mit der Abgas-Nutzung zeigt Wirkung: Die mit Diesel betriebenen Bordgeneratoren werden weniger gebraucht. Das spart bis zu 12 % Kraftstoff, und entsprechend weniger Kohlen- und Schwefeldioxid entweicht. Und nicht zuletzt – wie bei allen energiesparenden Systemen – erhöht dies auch die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems und damit den Anreiz, in solche neuen Anlagen und Produkte zu investieren.
                                                                                                                   Rolf Sterbak