Neuer Reichweitenverlängerer – Strom ohne Umwege

Das Elektroauto kommt derzeit nicht vom Fleck, hohe Kosten und geringe Reichweiten sind dafür die Ursache. Fahrzeuge mit Range Extender, wie etwa der Opel Ampera, haben zumindest das Reichweitenproblem im Griff. Eine neue Entwicklung könnte dieser Technik jetzt weiteren Anschub geben.

Nach achtjähriger Entwicklungsarbeit haben die Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart jetzt ein neues Antriebskonzept vorgestellt, mit dem die Reichweite von Elektromobilen deutlich verlängert werden kannl. Hinter der sperrigen Bezeichnung Freikolbenlineargenerator (FKLG) verbirgt sich ein Verbrennungsmotor, der direkt Strom für den Elektroantrieb liefert und dabei im Gegensatz zu konventionellen Reichweitenverlängerern (Range Extender) unterschiedliche Kraftstoffe nutzen kann.

Art des Kraftstoffs: egal

Die Palette reicht von Benzin und Diesel über Äthanol bis Erdgas und – einen entsprechenden Tank vorausgesetzt – auch Wasserstoff. Die Technik dieses neuen Antriebskonzepts ist zwar seit langem bekannt, doch erst den Stuttgarter Wissenschaftlern gelang es, Theorie in Praxis umzusetzen und zu beweisen, dass dieses Konzept alttagstauglich ist und in Zukunft in Elektromodellen eingesetzt werden kann. Bis allerdings der erste Prototyp tatsächlich auf die Straße rollt, werden noch mindestens drei bis vier Jahre vergehen, meint Frank Rinderknecht, einer der Entwickler. „Aber wir haben bewiesen, dass unser Konzept funktioniert, jetzt beginnen wir mit der Arbeit an einem Prototyp.“

Immerhin ist es der DLR erstmals gelungen, einen Energiewandler in Betrieb zu nehmen, der aus Verbrennungsteil, Lineargenerator und Gasfeder besteht. Wobei die Gasfeder den entscheidenden Durchbruch brachte und es ermöglichte, das System stabil zu betreiben.

Strom ohne Umwege

„Einfach gesagt, haben wir eine Maschine entwickelt, bei der man oben Treibstoff hineinschüttet, und unten Elektrizität herauskommt“, erläutert Rinderknecht die Arbeitsweise des neuen Antriebs. Der Freikolbenlineargenerator arbeitet wie ein konventioneller Verbrennungsmotor. Allerdings wird hier die Bewegung der Kolben nicht erst in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umgewandelt, sondern er erzeugt über einen integrierten Lineargenerator direkt Strom für den Elektroantrieb. Der Verbrennungsvorgang läuft wie in einem konventionellen Motor ab, allerdings schiebt die Zündung die Kolben in Richtung der Gasfeder, die die Kolben abbremst und zurückdrückt. Der Lineargenerator wandelt nun die Bewegungsenergie der Kolben in Strom um, versorgt den Elektromotor oder lädt die Energiespeicher auf.

Im Gegensatz zu konventionellen Antriebseinheiten lassen sich bei der neuartigen Technik das Verdichtungsverhältnis, die Kolbengeschwindigkeit und auch der Hubraum flexibel einstellen, was den Einsatz unterschiedlicher Treibstoffe ermöglicht. Dank seiner variablen Eigenschaften kann man den Reichweitenverlängerer je nach Geschwindigkeit auf die optimale Betriebsstrategie ausrichten. Zugleich besitzt der Freikolbenlinieargenerator weniger Bauteile als konventionelle Verbrennungsmotoren, kommt zum Beispiel ohne Nocken- und Kurbelwelle aus. Das wiederum ermöglicht eine flache Bauweise und die Platzierung unterhalb des Unterbodens. Freiheiten, die vor allem Designer zu schätzen wüssten.

Von der Serie noch weit entfernt

Dank der neuen DLR-Entwicklung könnte es möglich werden, Elektrofahrzeuge mit einer wesentlich kleineren Batterie als heute üblich auszurüsten. Ist die elektrische Energie aufgebraucht, übernimmt der Freikolbenlineargenerator die Energieversorgung. Bisher ist die Technik von einer Serieneinführung weit entfernt, haben die DLR-Wissenschaftler doch zunächst nur bewiesen, dass sich ihr Konzept grundsätzlich umsetzen lässt. „Im nächsten Schritt“, so der Leiter des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte, Professor Horst E. Friedrich, „wird es darum gehen, gemeinsam mit der Industrie diese Technologe weiterzuentwickeln und einen Prototypen zu bauen.“

In den kommenden Jahren stehen die DLR-Wissenschaftler vor der Aufgabe, das Gewicht und die Abmessungen des neuen Antriebs so zu optimieren, dass ein oder mehrere Aggregate im Unterboden eines Fahrzeugs Platz finden. Nach internen Berechnungen ist eine Reichweite von 600 Kilometern ohne zusätzliches Gewicht möglich.