Eine echte Revolution ist auch immer eine Massenbewegung. Was das angeht ist Elon Musk, hier bei der Premiere des Tesla Model 3, ein echter Revolutionär. - (Bild: Tesla/Alexis Georgeson)
Die Spatzen pfeifen es längst von den Dächern: Lange Ladedauer der Batterien und geringe Reichweite – das sind immer noch die größten Kritikpunkte an der Elektromobilität.
Auch Elon Musk war es von Anfang an klar. Elektroautos kauft keiner, wenn eine volle Akkuladung gerade einmal der Tank-Reserve eines Autos mit Verbrennungsmotor entspricht. Deswegen lag der Fokus der Tesla-Entwickler immer auch auf der Batterietechnik
Tesla hat bisher Laptop-Zellen vom Typ 18650 in seinen Stromern verbaut. Die Energiedichte dieser Rundzellen liegt etwa 50 Prozent über denen, die die restliche Autoindustrie bisher eingesetzt hatte. Dadurch spare Tesla ein Drittel Material- und Herstellungskosten ein, sagen Batterieexperten.
Im Model 3 kommen erstmals neue 2170-Akkus zum Einsatz. Entscheidender Vorteil der kleinen Zylinder: Noch mehr Aktivmaterial im Verhältnis zur Hülle.
So können die Kalifornier ihre Energiedichte um weitere 50 Prozent steigern, die Kosten nochmals um ein Drittel senken. Oder wie Musk – ganz Musk – selbstbewusst sagt: "Die Zelle hat die höchste Energiedichte in der Welt, und sie ist auch die billigste."
Batterien mit großer Reichweite und entflammbaren Inhalt
Außer den Kaliforniern wagte bislang kein Autobauer, solch kleinformatige Rundzellen mit derart hoher Energiedichte einzusetzen.
Der Grund: Die reaktionsfreudige Zellchemie. Bei Notebooks und Smartphones gibt es selbst ohne äußere Eingriffe immer wieder fatale Kurzschlüsse.
Die Akkus können durch Fertigungsfehler überhitzen, sich aufblähen, sogar explodieren. Das kann katastrophale Folgen haben. In Lithium-Ionen-Batterien steckt nicht nur brennbares Material, sondern auch chemisch gebundener Sauerstoff. Ein derartiges Batteriefeuer kann die Feuerwehr mit herkömmlichen Methoden kaum bekämpfen.
Tesla verpackt die Akkus deswegen in separaten Stahlgehäusen. Das soll Kettenreaktion verhindern. Darüber hinaus ummanteln die Kalifornier die gesamte Batterie – ein Schutzschild bei Auffahrunfällen.
Diese Batteriestrategie hat sich in der Praxis bewährt. Auch, weil die Mini-Speicher platzsparend in den Unterboden der kalifornischen E-Autos passen.
Scharfe Kanten für flotte Elektromotoren
Klar, auch andere Autobauer und Batteriehersteller sind längst dabei, die Batterietechnik weiterzuentwickeln und somit den E-Autos zu größeren Reichweiten zu verhelfen.
Die Forscher der TU München hingegen haben sich einem anderen wichtigen Teil des Elektroautos gewidmet, mit dem Ziel, die Reichweite der Stromer signifikant zu erhöhen: dem Elektromotor. Entscheidend für die Effizienz eines jeden Elektromotors sind die magnetischen Eigenschaften seiner Hauptbestandteile. Das sind die sogenannten Elektrobleche.
In ihnen werden die Magnetfelder erzeugt, die den Motor durch die Anziehungs- und Abstoßungskräfte in Bewegung setzen. Je nachdem, wie der Motor aufgebaut ist, müssen Werkzeuge unterschiedliche Löcher in die Bleche schneiden. Beispielsweise, um Platz für Kupferspulen zu schaffen, die im Motor verbaut werden. Eine Presse stanzt dabei jedes Blech einzeln.
Das Prinzip ist vergleichbar mit dem eines Lochers. Das Schneiden erledigen spezielle Schneidwerkzeuge, die vorgegebene Geometrien in die Bleche einbringen. Zum Schluss werden die Bleche zu kompakten Paketen verbunden.
Elektromotoren werden super effizient
Für Laien mag das alles ziemlich banal klingen. Für die Forscher vom Lehrstuhl Umformtechnik und Gießereiwesen der TU München ist das ein Ansatzpunkt, den Elektromotor zu optimieren.
Projektleiter Hannes Weiss erklärt: „Wir wollten herausfinden, wie die Verarbeitung der Bleche durch den Stanzprozess die magnetischen Eigenschaften der Bleche beeinflusst.“ Die Forscher machten sich in der Werkstatt der TU München an die Arbeit – und sie machten eine Entdeckung.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Schärfe der entsprechenden Schneidstempel „einen sehr großen Einfluss auf die magnetisierbaren Bleche hat“, wie die Uni erklärt. Dieser Effekt lässt sich vergleichen mit einer Schere, die mit der Zeit stumpf wird. Es ist mehr Kraft nötig, das Papier zu schneiden.
In den Blechen entstehen durch die stumpferen Kanten größere Spannungen. Denn das Material wird gebogen und damit einer mechanischen Belastung ausgesetzt. Diese Spannungen beeinflussen die magnetischen Eigenschaften der Bleche. „Teilweise ist die vierfache Strommenge nötig, um die Magnetisierung zu erreichen“, kommentiert Weiss.
Video: Tesla Model X beim Goodwood Festival of Speed
Große Energieeinsparungen möglich
Laut den Forschern hat auch der sogenannte Schneidspalt, der Abstand zwischen den Schneidkanten, einen großen Einfluss. Auch hier ist die Bastelschere aus dem Kinderzimmer ein gutes Beispiel.
Wenn die Schraube, die die Klingen der Schere fixiert, sich lockert, wird der Abstand zwischen den Klingen zu groß. Die Folge: Das Papier franst beim Schneiden aus. Weiss resümiert: „Um die besten magnetischen Eigenschaften und somit einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sind scharfe Schneidkanten und ein sehr kleiner Schneidspalt optimal.“
Weiss und sein Team haben Empfehlungen für den Produktionsprozess erarbeitet. Allerdings müssen dabei auch ökonomische Faktoren berücksichtig werden, erklärt der Ingenieur. Denn: Wenn die Werkzeuge sowie deren Wartung mehr Kosten verursachen, steigt auch der Gesamtpreis der Elektromotoren.
Gleichwohl ist Weiss vom Konzept überzeugt: „Ich denke schon, dass sich die gewonnenen Erkenntnisse stark, auf die Art und Weise, wie und unter welchen Randbedingungen ein Elektromotor gefertigt wird, auswirken. Man kann also gewissermaßen von einer Revolution in der Entwicklung und Fertigung von Elektromotoren sprechen.“
Und auch die Autoindustrie selbst hat Interesse an dieser Technologie. Die Forscher der TU München seien bereits mit Autobauern sowie mit Automobilzulieferern in Kontakt, erklärt Weiss gegenüber unserer Zeitung. Ob auch Ober-Revolutionär und Tesla-Boss Elon Musk schon mit Weiss und Co. gesprochen hat, ist nicht überliefert.
Interview mit Projektleiter Hannes Alois Weiss
Herr Weiss, wie hoch schätzen Sie die Wahrscheinlichkeit ein, dass Ihre Erkenntnisse in der Praxis umgesetzt werden?
Mittelfristig gesehen wird wohl kein Weg daran vorbeiführen. Wie auch beim klassischen Antriebskonzept, dem Verbrennungsmotor, wird auch die Effizienz von Elektromotoren zukünftig eine große Rolle spielen. Speziell die Nutzerakzeptanz wird davon stark abhängen. Automobilunternehmen werden sich auch weiterhin darum bemühen, Fahrzeuge mit guten Fahrleistungen bei geringem Energieverbrauch anzubieten. Beide Aspekte lassen sich durch unsere Forschungsergebnisse positiv beeinflussen.
Wenn man verhindern kann, dass der Strombedarf um 400 Prozent steigt, kann man da schon von ‚einer Revolution‘ in der Fertigung von E-Motoren sprechen?
Generell kann man nicht verhindern, dass der Spitzenstrombedarf sowie die Verluste durch den Fertigungsprozess ansteigen. Es ist lediglich möglich, diese negativen Auswirkungen zu reduzieren. Um dies umzusetzen, ist eine entsprechende Vorgabe der Fertigungsparameter seitens der Motorenentwicklung notwendig. Die Ergebnisse unserer Forschungsarbeit erlauben eine Berücksichtigung fertigungsbedingter Einflüsse bereits in der Entwicklung und Auslegung von Elektromotoren. Hierdurch wird sich letztendlich entscheiden, in welchen Bereichen der Schnittliniengeometrien eine Anpassung der Fertigungsparameter notwendig ist. Denn die Umsetzung solcher Maßnahmen in den eingesetzten Werkzeugen und während der Fertigung wird sich letztlich in den Produktkosten widerspiegeln. Ich denke schon, dass sich die gewonnenen Erkenntnisse stark, auf die Art und Weise wie und unter welchen Randbedingungen ein Elektromotor gefertigt wird, auswirken. Man kann also gewissermaßen von einer Revolution in der Entwicklung und Fertigung von Elektromotoren sprechen.
In welchem Umfang steigt die Reichweite eines E-Autos, wenn die Produktionsprozesse nach Ihren Empfehlungen gestaltet werden?
Es gibt Studien über hocheffiziente Elektromotoren, die zeigen, dass sich die Verluste beim Durchfahren eines europäischen Fahrzyklus (NEFZ) aufgrund des Schneidprozesses auf rund 5 Prozent der Gesamtverluste belaufen. Die Gesamtverluste betragen circa 20 Prozent der benötigten Energie. Demnach belaufen sich die Verluste aufgrund des Schneidprozesses auf 1 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs. Bei weniger effizienten Motoren, wie den in der Industrie häufig eingesetzten Asynchronmotoren, würde der Anteil noch deutlich höher ausfallen. Eine konsequente Umsetzung unserer Empfehlungen kann die Verluste durch den Schneidprozess um bis zu 50 Prozent senken. Im Falle eines hocheffizienten Elektromotors wäre so eine Reduktion des Gesamtenergieverbrauchs von 0,5 Prozent möglich. Bei einer Jahreslaufleistung eines Fahrzeugs von 10 000 km bedeutet das eine Erhöhung der Reichweite um 50 km.
Können Sie noch weitere Vorteile nennen?
Aufgrund des reduzierten Spitzenstromverbrauchs sowie der verringerten Verluste könnte zudem die Leistungselektronik, die Verkabelung und der benötigte Energiespeicher kleiner dimensioniert werden. Eine weitere Reduktion des Gesamtenergiebedarfs und des verringerten Fahrzeuggewichts ist die Folge. Eine Abschätzung, wie groß die Auswirkungen auf die Jahreslaufleistung sind, ist hier allerdings derzeit nicht bekannt. Die kleinere Dimensionierung der benötigten Komponenten führt jedoch zu deutlich verringerten Kosten der Einzelkomponenten und damit auch zu einer Reduktion der Gesamtfahrzeugkosten.
