Elektro-Auto und Einzelradmotoren
Generator-Elektrischer Antrieb und Zwei-Liter-Auto
Aktualisiert: 2022-01-13
Themen auf dieser Seite:
Nur der
Einsatz von Radnaben-Motoren bzw. Einzel-Radmotoren kann das Potenzial
des Elektroautos voll ausschöpfen.
Bislang stehen die veraltete Mechanik und die Batterie-Probleme dem Erfolg im
Weg. - Der Hybrid-Antrieb ist
halbherzig und ineffektiv. Wasserstoffantrieb
und Brennstoffzelle haben derzeit
(noch?) keine ökologischen Vorteile. In dieser Situation erweist sich der hier
beschriebene Generator-Elektrische
Antrieb
in Verbindung mit Einzelradmotoren als kurzfristig realisierbare Ideallösung: Das Zwei-Liter-Auto!
- Die Bedeutung des Einzelradantriebs für Elektro-Autos
- Halbierung der CO2 -Emissionen
im Straßenverkehr durch Generator-Elektrischen-Antrieb GED
- Fahrzeugantrieb ohne CO2-Emission – machbar, aber nicht kurzfristig
Die meisten zur Zeit angebotenen Elektro-Autos leiden an
einer völlig ungeeigneten
Konzeption, da man hierbei nur den Verbrennungsmotor durch einen
Elektromotor ersetzt hat, der seine wertvolle Energie durch die langen und
überflüssigen Kraftübertragungswege bis zu den
Rädern schleusen muss, wo nur noch ein Teil der Energie ankommt. Eine
Neuentwicklung des Fahrwerks mit Einzelradantrieb könnte die flächendeckende
Markteinführung der Elektro-Autos beschleunigen. Die herausragenden Vorteile des Elektro-Antriebs
können sich erst entfalten, wenn der überflüssige Ballast der mechanischen
Kraft-Übertragung über Bord geworfen wird und die Kraft da erzeugt wird, wo sie gebraucht wird,
nämlich an bzw. in den Rädern, und zwar direkt, ohne jegliche Zahnräder!! Die
Lösung: Der Direkt-Antrieb
durch Radnaben-Motoren, also Motoren im Inneren der Räder. Das ist keine
Zukunfts-Utopie sondern schon lange Realität und
bewährte Technik.
Wie leistungsfähig ein reiner
Elektro-Antrieb mit Radnabenmotoren in Verbindung mit einem Lithium-Ionen-Akku
sein kann, konnte man schon an dem 2007 in Großbritannien von Chris Dell vorgestellten Super-Sportwagen Lightning-GT
mit 652 PS bewundern:
Der Lightning GT: Elektroantrieb mit Radnaben-Motoren, 652 PS
Bild-Quelle: wikipedia -> Elektroauto - JimboJimbo
online
Als Argument gegen
Radnaben-Motoren werden zuweilen die größeren
ungefederten Massen vorgebracht; dies ist jedoch kein unlösbares Problem,
wie das Beispiel Lightning zeigt (s.o.). Aber die meisten Hersteller scheinen die
Beibehaltung der altbewährten Mechanik einer Weiterentwicklung des Fahrwerks
und der Federungstechnik vorzuziehen, die den Erfordernissen eines effizienten
Elektroantriebs gerecht wird.
Bevor dieses Konzept aber übereilt verworfen
wird, weil die Masse der Motoren in den Rädern tatsächlich zu Problemen führt,
stelle ich hier gleich eine Lösung
vor, die alle Vorteile der
Radnaben-Motoren bietet und gleichzeitig die Rad-Massen reduziert: Jedes
Rad erhält seinen eigenen Motor, der jeweils nahe beim jeweiligen Rad auf dem
Fahrgestell montiert und über eine kleine Gelenkwelle mit dem Rad verbunden
ist; auch hierbei kommt man ohne Differential-Getriebe und ohne jegliche
Zahnräder aus! Die elektronische Ansteuerung und alle positiven Begleit-Effekte
bleiben dabei identisch mit denen der Radnaben-Motoren. Wir müssen nur das Wort
„Naben“ streichen und kommen so zu der Bezeichnung „Rad-Motoren“
bzw. „Einzelradmotoren“, womit der unverzüglichen
Realisierung nichts mehr im Wege stehen dürfte!!
Auch für dieses Konzept der
Radmotoren gibt es bereits „lebende“ Vorbilder, z.B. den Elektro-Sportwagen Rimac C_Two, bei dem die weiter
unten beschriebene Einzel-Steuerung der vier Motoren mit überzeugendem Erfolg
zur Anwendung kommt. Hier hat man allerdings (um ein Drehmoment von 2.300
Newtonmeter zu erreichen) jedem Motor noch ein zusätzliches
Untersetzungsgetriebe hinzugefügt, auf das man beim Bau von Alltags-Fahrzeugen
getrost verzichten kann; denn hier geht darum, alle Rekorde zu brechen, mit
einer elektrischen Leistung von 1.914 PS den Wagen in 1,85 Sekunden auf 100
km/h zu beschleunigen und mit 412 km/h alle zu übertrumpfen. Aber immerhin
zeigt dieses Beispiel, dass Einzelrad-Motoren nicht nur realisierbar sind
sondern auch unschlagbare Vorteile bieten.
Inzwischen
schlägt der rein elektrische Rimac C_Two sämtliche Rekorde im Sportwagen-Segment und stellt
die unübertroffenen Vorteile der vier einzeln angesteuerten Rad-Motoren
eindrücklich unter Beweis:
Der Rimac C_Two auf dem Genfer Auto-Salon 2018
Bild-Quelle:
wikipedia.org/wiki/Rimac_Automobili
Warum Radnabenmotoren bzw. Einzelradmotoren?
Bekanntlich lässt sich der
Treibstoffverbrauch eines Kraftfahrzeugs durch die Reduzierung des Fahrzeug-Gewichtes senken.
Also lassen wir doch die schwersten und technisch aufwändigsten Teile erst
einmal weg: Motor, Schaltgetriebe, Kupplung, Kardanwelle, Differenzialgetriebe,
Antriebs-Achsen usw. brauchen wir nicht mehr. Stattdessen setzen wir elektrische Rad-Motoren
an bzw. in jedes Rad und betreiben sie konsequent
elektrisch. Nur so kann der Elektro-Antrieb sein Potenzial erst richtig
entfalten. Und allein durch diese Gewichts-Reduzierung kann man die Batterie
bereits kleiner dimensionieren, was wiederum Gewicht einspart.
Nachfolgend sehen wir (längst nicht alle, aber) die
wesentlichen und schweren Bestandteile eines konventionellen Fahrzeug-Antriebs
mit Verbrennungsmotor und Allrad-Antrieb. Diese Abbildung zeigt offensichtlich
ein teilweise transparentes Anschauungsmodell. Die Räder wurden in der rechten
Bildhälfte weggelassen, damit man die Radnaben sehen kann.
Bild-Quelle:
Das Ausgangsmaterial stammt aus http://www.kfz-tech.de/
Fast alles, was hier zu sehen ist, kann entfallen !!!
Die Verwendung von Rad-Motoren macht alle
Kraft-Übertragungselemente überflüssig und benötigt kein einziges Zahnrad !
Um eine
Vorstellung von den aufwendigen Teilen zu geben, die beim Direktantrieb durch
Radnaben-Motoren nicht mehr gebraucht werden, habe ich hier ein paar Details
sichtbar gemacht. Alle werden überflüssig, wenn man die unten rechts
abgebildeten Elektromotoren in die Radnaben integriert.
Bild-Quelle:
Als Grundlage
für diese Zusammenstellung dienten Auszüge aus
http://auto.pege.org/2007-iaa/volvo-radnabenmotor.htm,
http://www.hybrid-autos.info/Bilder/
Radnabenmotor_Mitsubishi_Lancer_MIEV_2005_gross.jpg, http://www.kfz-tech.de/
Um es noch einmal einfach und
übersichtlich auszudrücken: Bei einem Radnaben-Motor ist das Rad Teil des
Motors. Im gesamten Fahrzeug werden keine (!!) weiteren mechanischen
Komponenten für den Antrieb bzw. die Kraft-Übertragung benötigt.
Die konsequente Konzeption
von Autos mit Radnaben- oder Einzelrad-Motoren erfordert eine elektronische Steuerung,
die quasi als Nebenprodukt
komfortable und sicherheitsrelevante Komponenten softwareseitig, also
als App ohne zusätzlichen Aufwand bereits beinhaltet,
nämlich Bremsen (mit Bremsenergie-Rückgewinnung und Bremsassistenten), ABS
(Antiblockier-System), ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm),
Antriebsschlupfregelung (ASR), Differentialsperre (EDS) Allradantrieb (4WD) und
Ähnliches.
Eines Tages wird man vielleicht auch Lenkung, Federung
und Stoßdämpfung komplett elektrisch konzipieren (also Stoßdämpfer mit
Energie-Rückgewinnung, da Stoßdämpfer genau wie Bremsen nur die Aufgabe haben
Energie zu "vernichten"), was zu weiterer Gewichtsreduzierung
beitragen und damit die letzten mechanischen Komponenten eines Autos überflüssig machen könnte.
Insgesamt würden dadurch die Herstellungskosten weiter sinken, da Elektronik im
Gegensatz zu mechanischer Maschinen-Technik immer günstiger wird.
Generator-elektrischer Antrieb:
Wir können
aber auch auf die bei Elektro-Autos übliche riesig dimensionierte Batterie
verzichten: Verwenden wir als Stromquelle nur einen kleinen Akku, etwa ein Lithium-Akku in der Größenordnung
einer herkömmlichen Autobatterie. Damit könnte man immerhin schon ein paar
Minuten fahren. Während dieser Zeit wird ein Generator in Gang gesetzt, der den Akku fortan
kontinuierlich lädt bzw. seine Energie direkt an die Antriebsmotoren und die
gesamte Fahrzeug-Elektrik weitergibt. Ein solcher Generator braucht nicht die
gleiche Leistung zu erbringen wie ein normaler Automotor und kann daher
deutlich kleiner ausfallen. Der Akku dient als Pufferspeicher und trägt
wesentlich zur Entfaltung kurzfristiger Spitzenleistungen bei.
Dieses Konzept ist völlig anders als das des
verbreiteten Hybrid-Antriebs. Beim konventionellen Hybrid-Antrieb
wird ein normales Fahrzeug mit Verbrennungsmotor zusätzlich mit einem
Elektromotor ausgerüstet, der die Leistungsreserven aufstockt oder vorübergehend
den Antrieb des Fahrzeugs alleine übernimmt. Dadurch ist es nicht möglich, auf
die oben erwähnten schwergewichtigen mechanischen Antriebs-Elemente zu
verzichten. Außerdem können dabei die oben beschriebenen Vorteile des
Einzelrad-Antriebs nicht genutzt werden.
Der "Generator-elektrischer Antrieb"
(oder GED = Generator-Electric-Drive), hat sich übrigens bei
anderen Fahrzeugen schon hinlänglich bewährt. Inzwischen gibt es auch PKW mit
Generator-elektrischem Antrieb, z.B. verfolgt Nissan mit seinem e-Power genau dieses Konzept und
stellt eindrücklich unter Beweis, dass die Kraftstoff-Effizienz des
Generator-Elektrischen Antriebs signifikant besser ist als die eines
Hybridantriebs. Leider verwendet Nissan aber in seinen e-Power-Modellen keine
Einzelrad-Motoren. Ebenso ist der Opel Ampera mit einem
Generator-elektrischem Antrieb ausgerüstet; und auch bei diesem Fahrzeug hat
man nur einen zentralen Elektro-Motor und keine Radnaben-Motoren, so dass die
unschlagbaren Vorteile des Elektro-Antriebs nicht adäquat genutzt werden. Seit
Jahrzehnten betreibt die Bahn Diesel-elektrische Lokomotiven, bei denen der Dieselmotor nicht
die Räder antreibt sondern einen Generator, der den elektrischen Strom für die
Elektromotoren der Achs-Antriebe liefert. Dort hat man schon früh erkannt, wie
vorteilhaft es ist, wenn man auf Getriebe, Kupplung und Wandler verzichten
kann.
Diese
Abbildungen von Dieselelektrischen Lokomotiven habe ich zum Zweck der
Vereinfachung geringfügig verändert; sie stammen aus
http://de.wikipedia.org/wiki/Dieselelektrischer_Antrieb (oben) bzw.
http://vossloh-kiepe-mainline.com (unten).
In dieser schematischen Darstellung handelt es sich bei allen blau
gezeichneten Teilen um elektrische Komponenten, und dazu zählen - wie gesagt -
auch die Fahrmotoren!
Motor-Generator für Elektro-Autos:
Ein Motor, der nur den
Generator für die Akku-Aufladung und nicht die Räder antreibt, kann sehr
gleichmäßig laufen, er braucht keine Beschleunigung, keine Drosselung und kann
schon allein dadurch deutlich
sparsamer und verschleißärmer betrieben werden. Deshalb bieten sich
für diesen Zweck auch ganz andere Motor-Typen an, beispielsweise der
ausgesprochen sparsame, schadstoffarme und simple Stirling-Motor.
Außerdem braucht man, um einen Generator zu betreiben, nicht einmal zwingend
eine Dreh-Bewegung. Das bedeutet, dass man auf technisch aufwändige Bauteile
wie Kurbelwelle, Pleuelstangen u.ä. verzichten kann.
Ein mögliches Beispiel dafür ist der Stelzer-Motor,
der einen um Klassen besseren Wirkungsgrad als ein herkömmlicher Benzin- oder
Dieselmotor aufweist und wegen seiner "nur"-Hin-und-Her-Bewegung
für den Generator-Antrieb prädestiniert ist (s.u.: Stelzer-Motor). Damit ließen sich
sowohl das Gewicht als auch der Raumbedarf des Motors nochmals deutlich
reduzieren.
Vernünftige Autos statt Spaßmobil und
Stadtpanzer:
Darüber hinaus denke ich
gleichzeitig an ein Konzept der Vernunft in ökonomischer, ökologischer und
kultureller Hinsicht, bei dem die weltweit einzigartig geistlose Raserei auf
deutschen Autobahnen beendet wird.
Kultureller
Aspekt: Die Fahr-Kultur auf deutschen Autobahnen ist schändlich und beschämend!
Autofahren wird von vielen Verkehrsteilnehmern als Wettkampf verstanden und mit
Rücksichtslosigkeit und Aggression ausgetragen. Man muss schon ins europäische
Ausland (z.B. Frankreich, Schweiz, England) fahren um festzustellen, wie
entspannt das Fahren auf Autobahnen mit generellem Tempolimit sein kann, und
wie schnell man durch den gleichmäßigen Verkehrsfluss voran
kommt!
Wenn im Zuge einer (in diesem
Fall höchst wünschenswerten) europäischen Harmonisierung auch hierzulande ein Tempolimit von 110, 120 oder 130 km/h eingeführt wird
und gleichzeitig die zulässige Höchstgeschwindigkeit aller Fahrzeuge auf diesen
Wert technisch begrenzt
wird (dringend nötig!!), ist es nicht mehr sinnvoll und ebensowenig
erstrebenswert, ein Auto mit großem Hubraum und galaktischer Motorleistung zu
besitzen. Um 130 zu fahren, braucht ein konventioneller PKW etwa 30 KW (40 PS).
Selbst wenn man etwas mehr Leistung haben möchte, um auch bergauf schnell
fahren zu können, ist man noch weit entfernt von den übertriebenen
Motorleistungen heutiger Mittelklasse-Wagen. Allein diese Tatsache könnte schon
den Aufwand der Motorisierung und vor allem den Flottenverbrauch drastisch
senken.
Kritik an aktuellen Entwicklungen:
Eine Brennstoffzelle
hat eine ähnliche Funktion wie ein Generator, da man ihr auch Brennstoff
zuführt, um elektrische Energie daraus zu beziehen. Allerdings ist der Wasserstoff sowohl für
die Brennstoffzellen wie auch als Treibstoff für Verbrennungsmotoren höchst problematisch.
Häufig wird damit geworben, dass als "Abgas" nur Wasserdampf entsteht
und somit das Null-Emissions-Auto bereits existiert. Das ist genau so
irreführend wie die Aussage, dass Elektroautos keine CO2-Emissionen
verursachen; denn die dafür notwendige Energie stammt letztlich auch aus
Kraftwerken, die noch lange nicht emissionsfrei arbeiten. Die Herstellung des
Wasserstoffs ist bisher so Energie-aufwändig, dass die dabei freigesetzten
Emissionen (u.a. große Mengen CO2)
mindestens so schädlich sind wie beim Betrieb von Benzin- oder Dieselmotoren.
Das wäre natürlich anders, wenn der Wasserstoff nur mit Wind- und Solar-Energie
produziert würde, aber das ist zum jetzigen Zeitpunkt illusorisch (nicht
technisch, aber mengenmäßig). Das zweite Riesenproblem des Wasserstoffs ist die
Lagerung: Der Wasserstoff hat die "penetrante" Eigenschaft, sich aus
allen Behältern zu verflüchtigen; ein normaler Tank ist nach ein paar Wochen
leer, auch wenn das Wasserstoff-Auto nur in der Garage stand. Oder der Tank
muss ständig gekühlt werden (und zwar auf minus 253 Grad Celsius!!!), was
natürlich auch nicht ohne beträchtliche zusätzliche Energie möglich ist. Da
wäre eigentlich nur die Herstellung des Wasserstoffs (z.B. aus Methanol)
sinnvoll, und zwar an dem Ort und zu dem Zeitpunkt, wo er auch gebraucht wird,
also beim Fahren im Auto. In dieser komplizierten Energie-Umwandlungskette sind
aber mehrere Komponenten noch völlig unausgereift und unwirtschaftlich;
außerdem glaube ich, dass dieser Umweg technisch und energetisch so
aufwändig ist, dass man besser gleich Methanol im konventionellen
Verbrennungsmotor (bzw. Generator) einsetzen könnte.
Der Hybrid-Antrieb ist, so wie er uns heute
angeboten wird, aus oben genannten Gründen eine sehr halbherzige Lösung, die
auch entsprechend wenig Einsparung an Treibstoff und Emissionen
ermöglicht. Außerdem sind Hybrid-Autos zwangsläufig schwer und teuer,
weil der elektrische Antrieb zusätzlich zum konventionellen eingebaut wird und
die ganze aufwändige Mechanik von Getriebe, Kupplung usw. nicht eingespart
werden kann.
Reine
Elektro-Autos
können zwar viele Vorteile nutzen, die ich auch für das hier vorgestelltes
Konzept beschrieben habe. Die Notwendigkeit einer großen, schweren und
teuren Batterie (Akkumulator) relativiert aber wiederum alle Vorzüge.
Außerdem werden zur Zeit die meisten Elektroautos mit
Achs-Antrieb, Kraftübertragung und allem überflüssigen Ballast gebaut,
anstatt die unübertroffenen Vorteile des direkten Radantriebs zu nutzen. Und
solange die Batterien nicht ausschließlich mit Sonnen- (oder Wind-) Energie
gespeist werden, werden durch das Elektro-Auto keine CO2-Emissionen
eingespart, genau wie beim Wasserstoff-Antrieb (siehe oben).
Um der akuten
Klima-Problematik zu begegnen sollte man zu allererst Sofortmaßnahem ergreifen,
die nichts kosten und niemandem schaden. Die Förderung und Entwicklung der
Elektroautos und der Wasserstofftechnologie bringt zunächst einmal einen
enormen Anstieg des Ressourcen- und
Energie-Verbrauchs mit sich und zeigt erst längerfristig positive Auswirkungen
auf die Emissionen und den Klimaschutz.
Abschließend zu der Frage: Emissionsfrei Auto fahren - ist
das ein realistisches Nahziel oder Utopie?
Eine drastische Reduzierung der
Emissionen ist kurzfristig realisierbar, die Technik ist erfunden und marktreif. Die Ideen
liegen in den Schubladen, ihre Realisierung wird aber bei vielen Herstellern
durch Festhalten an etablierten Fertigungstechniken blockiert. Ein
Fahrzeugantrieb mit den gewohnten Fahrleistungen und ohne CO2-Ausstoß
ist aber derzeit noch nicht möglich, solange die globale Energie-Gewinnung
durch fossile und nukleare Quellen dominiert wird.
Fazit:
Die Reduzierung der CO2-Emissionen
ist absolut dringlich, und zwar drastisch. Mit dem hier beschriebenen
Generator-elektrischen Antriebskonzept GED könnte man dieses Ziel kurzfristig
erreichen. Wasserstoff-Antrieb, Hybrid-Antrieb und konventionelles Elektro-Auto
können gegenwärtig nicht annähernd nachhaltig zur Lösung der Klima-Probleme
beitragen.
Nachtrag: Das Funktionsprinzip des
Stelzer-Motors:
Um einen Generator zu betreiben
braucht man nicht unbedingt eine Dreh- Bewegung, es reicht eine
"Hin-und-Her-Bewegung“; genau die liefert der äußerst einfach konstruierte
Stelzer-Motor
(Erfinder Frank Stelzer, Patent 1964, siehe www.wikipedia. org/wiki/Stelzer-Motor), der einen um
Klassen besseren Wirkungsgrad aufweist als ein herkömmlicher Benzin- oder
Dieselmotor. Die Probleme, die beim Prototyp des Stelzer-Motors
aufgetreten sein mögen, lassen sich heute sicher durch ernsthafte Forschung und
Weiterentwicklung lösen.
Im nächsten
Bild sehen wir die Phasen des Stelzer-Motors, die
teilweise gleichzeitig rechts und links ablaufen. Einziges bewegliches Teil ist
der 3-fach-Kolben!!
Bild-Quelle: wikipedia -> Stelzer-Motor, Aqarius-BRE http://de.wikipedia.org/wiki/Stelzer-Motor
Wenn der Stelzer-Motor
nur einen Generator antreiben muss, könnte er ständig mit konstanter Schlagzahl
(„Drehzahl“) betrieben werden. Die Anpassung der Leistung in Abhängigkeit von
der jeweiligen Belastung lässt sich durch die Steuerung der Einspritzung
regeln. So könnte man den Motor in Resonanz betreiben (d.h. mit der ihm eigenen optimalen
Frequenz), was die Effektivität nochmals steigern würde.
Der Gedanke an einen Stelzer-Motor-Generator
regt mich (und hoffentlich auch manchen Leser) zu weitergehenden Überlegungen
an: Wenn man nämlich die Motor-Generator-Einheit
als Ganzes neu "erfindet" und nicht nur jede Komponente für sich
weiterentwickelt, könnten Ideen entstehen, bei denen Teile des Motors funktionale
Bestandteile des Generators sind und umgekehrt, mit anderen Worten, man
bräuchte in einer hocheffizienten und kompakten Maschine gar nicht mehr die
beiden Komponenten Motor und Generator separieren. Ein permanent-magnetischer
Kolben in einem Stelzer-Motor, der von einer Spule
ummantelt ist, wäre eine solche Einheit, soll aber nur als simples Beispiel
gelten, um das Prinzip einer Motor-Generator-Einheit zu verdeutlichen.
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