Hier werden die Herausforderungen für die Mobilität von morgen identifiziert und gemeinsam konkrete Lösungen entwickelt. Die Ergebnisse tragen zu einem zukunftsfähigen Verkehrssystem in Deutschland und Europa bei, von dem Gesellschaft und Wirtschaft gleichermaßen profitieren. In den Forschungsprogrammen Energie und Verkehr untersucht das DLR die Optimierung von Energieflüssen, speziell zwischen Energienetz und Fahrzeugen mit alternativen Antriebskonzepten.
Die geschickte Vernetzung der Sektoren Energieversorgung und Mobilität ist wichtig für den Erfolg der Energie- und Verkehrswende. Fahrzeuge mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb können bei Bedarf Strom und Wärme in stationäre Verteilernetze einspeisen oder als mobile Stromquelle oder Heizung zum Einsatz kommen, beispielsweise auf Campingplätzen oder bei Veranstaltungen. In Notfällen, nach Erdbeben oder Überschwemmungen, ließe sich auf diese Weise auch eine lokale Stromversorgung herstellen. Wie Sektorenkopplung im Alltag funktionieren kann, zeigt das interaktive DLR-Modell anhand des Ladezustands eines Batterieautos: Die Ladestationen zu Hause laden die Fahrzeugbatterien auf oder speisen bei Bedarf Strom zurück ins Netz. Ein intelligentes Lademanagement steuert die einzelnen Ladeströme. Dadurch wird das Stromnetz nicht überlastet. Schnellladen ist unterwegs ein wichtiger Aspekt: zum Beispiel entlang von Autobahnen, wenn Elektrofahrzeuge weite Strecken zurückgelegen. In Städten lassen sich an Schnelllade-Stationen mit hohen Ladeleistungen in kurzer Zeit eine große Zahl von Elektrofahrzeugen aufladen. Mobile Ladestationen ermöglichen das Aufladen von Elektrofahrzeugen an Orten ohne eigenen Stromanschluss. Dadurch lässt sich die Ladeinfrastruktur für batterieelektrische Fahrzeuge flächendeckend verbessern. Vor allem der ländliche Raum kann davon profitieren.
Fahren und heizen mit Wasserstoffautos
Durch die Kopplung eines Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Gebäudeenergiesystem/Netz, kann die Nutzungszeit des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Das Fahrzeug wird nichtmehr nur als Fortbewegungsmittel, sondern auch als Lieferant für elektrische und thermische Energie genutzt, wodurch sich der Mehrwert der Investition erhöht. Um Strom und/oder Wärme vom Fahrzeug in ein Gebäude einzuspeisen müssen auf beiden Seiten die Schnittstellen dafür vorhanden sein und beide Seiten müssen auch miteinander kommunizieren. Das Fahrzeug muss z.B. dem Gebäude mitteilen, wieviel Energie es abgeben kann, so dass es die nächste anstehende Fahrt auch problemlos schafft. Für das Rückspeisen von Energie muss eine räumliche Nähe des Parkplatzes und des Gebäudes gegeben sein. Beispiel Brennstoffzellenfahrzeuge sind mit Wasserstoff beladen und können bei Netzengpässen elektrische Energie rückspeisen.
Thermoelektrische Sektorenkopplung
Thermoelektrische Sektorenkopplung beschreibt eine neuartige, CO2-neutrale und wirtschaftliche Technologie, welche das Potenzial hat die sektorübergreifende Energieversorgung im Winter zu gewährleisten. Die Technologie beruht auf der Integration von Thermoelektrischen Generatoren (TEGs) in Wärmeerzeuger wie beispielsweise Pelletkessel: Die bei der Pelletverbrennung entstehende Wärme wird durch die TEGs in das Heizwasser geleitet und die TEGs wandeln dabei durch einen Festkörpereffekt einen Teil der Wärme in Strom um. Durch die gleichzeitige Nutzung der Wärme und des Stroms wird der hohe Gesamtwirkungsgrad des Systems und insbesondere die Brennwertnutzung erhalten.
Im aktuellen Projekt „PellTEG“ wird die hohe Wirtschaftlichkeit der Technologie in typischen Ein- und Mehrfamilienhäusern demonstriert und damit eine marktnahe Entwicklung ermöglicht. Die dafür gesetzten Zielwerte sind 600 W elektrische Nennleistung und damit 1000 kWh/a elektrische Energiebereitstellung pro Jahr. Außerdem soll eine sehr geringe Amortisationszeit erreicht werden und keine zusätzliche Wartung nötig sein. Das System kann in verschiedene Wärmeerzeuger integriert werden und somit Strom für die Elektromobilität im eigenen Haus, kostengünstig und weitgehend klimaneutral erzeugen.
Induktives Laden
Induktives Laden ermöglicht es, das Elektroauto auf der Ladespule zu parken und die Batterie lädt sich dann von selbst auf. Das macht den Ladevorgang wesentlich komfortabler und praktischer. Der Nutzer muss Kabel und Stecker nicht mehr dabeihaben und von Hand anschließen. Vor allem an öffentlichen Stromtankstellen entfällt die durch das Kabel entstehende Stolperfalle, schmutzige beziehungsweise beschädigte Kabel sind künftig kein Thema mehr. Induktives Laden kann so dazu beitragen, die Akzeptanz alternativer Antriebskonzepte auf Batteriebasis beim Verbraucher zu erhöhen. Interessant ist die Technologie auch im Kontext des automatisierten Fahrens: Wird der Fahrer zum Passagier und nimmt wie beim Taxifahren eine Dienstleistung in Anspruch, will er sich nicht darum kümmern, wie und wo ein Fahrzeug aufgeladen wird. Das automatisierte Fahrzeug findet die Ladespule von selbst und parkt sich, wie bereits heute schon technisch möglich, automatisch auf der Spule.
Intelligentes Lademanagement
Das Projekt eLISA-BW (elektrische Ladeinfrastruktur intelligent steuern und anbinden in Baden-Württemberg) wurde im Rahmen des Förderaufrufs INPUT (Intelligente Netzanbindung von Parkhäusern und Tiefgaragen) gefördert. Dabei wurde in der Tiefgarage Waldhornstraße der Parkraumgesellschaft Baden-Württemberg die vorhandene Ladeinfrastruktur um acht Ladepunkte erweitertet und ein intelligentes Lademanagementsystem implementiert. Dieses Lademanagement bietet eine Schnittstelle zum Buchungssystem des Regierungspräsidiums Karlsruhe sowie zum Backend der Ladesäulen. Über Messtechnik am Haupt- und Unterverteiler des Gebäudes wird der aktuelle Lastzustand erkannt, an das System übermittelt und die verfügbare Ladeleistung für die Fahrzeuge berechnet. Der entwickelte intelligente Algorithmus verteilt die verfügbare Leistung bedarfsgerecht auf die Fahrzeuge, so dass diese zum Einsatzzeitpunkt möglichst voll geladen sind. Dadurch kann die fast vollständig elektrifizierte Fahrzeugflotte des Regierungspräsidiums Karlsruhe (RPK), die zum größten Teil aus Plug-In-Hybridfahrzeugen (PHEV) und batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) besteht, zukünftig bedarfsgerecht geladen werden, ohne in neue Netzinfrastruktur investieren zu müssen. Eine Auswertung der Fahrtendaten ergab zudem, dass der größte Anteil der Fahrten für batterieelektrische Fahrzeuge geeignet wäre, obwohl auch PHEV eingesetzt werden. Die Ergebnisse des Projekts wurde u.a. in einem Leitfaden veröffentlicht:
Schnellladen
Reichweite und Ladeleistung bestimmen maßgeblich die Langstreckentauglichkeit eines Elektrofahrzeugs. Der vom Verbrennungsmotor geprägte Nutzer ist es gewohnt, nur kurze Tankstopps einzulegen. Eine weitere Verkürzung der derzeitigen Ladezeiten von 20 bis 30 Minuten ist daher anzustreben.
Insbesondere bei einer begrenzten Anzahl von Ladepunkten und gleichzeitig hohem Ladeaufkommen ist die Verkürzung der Ladezeit der Schlüssel zum Erfolg. DC-Ladestationen stellen derzeit Ladeleistungen bis 350 kW zur Verfügung - Tendenz steigend. Sowohl die Netzinfrastruktur als auch die Batteriesysteme in den Elektrofahrzeugen werden durch das Schnellladen stark beansprucht. Das DLR arbeitet daher an der Entwicklung von leistungsfähigen, effizienten sowie kompakte Temperiersystemen für die Schnellladung von E-Fahrzeugen.
Mobile Ladestationen
Bisher können Elektroautos ihre Batterien nur an fest installierten Ladestationen aufladen. Für mehr Flexibilität sorgt die am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte mobile Ladestation. Den Strom liefert ein Brennstoffzellensystem mit Wasserstofftank. Es ist so kompakt, dass es auf einen Autoanhänger passt. Im Forschungsprojekt L3-BW („Laden, landauf, landab für Baden-Württemberg“) bauen das DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte und die Firma Vector einen funktionsfähigen Demonstrator auf. Während einer Testphase erproben die DLR-Forscherinnen und -Forscher den Ladeanhänger im realen Einsatz.
Mit mobilen Ladestationen lässt sich die Ladeinfrastruktur für batterieelektrische Fahrzeuge flächendeckend verbessern. Elektroautos, E-Bikes oder auch Lastenräder lassen sich an den Ladeanhängern aufladen. Vor allem der ländliche Raum kann davon profitieren. „Mobile Ladestationen können zum Beispiel auf Wanderparkplätzen und saisonal genutzten Stellflächen zum Einsatz kommen, wo ein leistungsfähiger Netzanschluss nicht möglich oder zu aufwändig ist. Auch auf Campingplätzen, in Skigebieten oder bei großen Veranstaltungen lassen sich die Ladeanhänger einsetzen“, erläutert Markus Kordel, Leiter des Projekts L3-BW am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart.
H2-Expansionsmaschine
Schwere Baustellenfahrzeuge sollen künftig mit Wasserstoff auch längere Einsätze ohne Nachtanken bewältigen können. Möglich machen soll dies eine Wasserstoff-Expansionsmaschine. Diese Maschine nimmt den hohen Druck des Wasserstoffs aus dem Speicher und reduziert ihn für die Brennstoffzelle. Die bei dieser Expansion freiwerdende Energie wird an Bord der Fahrzeuge von einem Generator in Strom gewandelt. Der Strom kann wiederum in einem Elektromotor für den Antrieb des Wasserstofffahrzeugs genutzt werden. Bisherige Systeme nutzen Druckminderer für die Reduktion des Wasserstoffdrucks. In diesen ist jedoch keine Rückgewinnung der Energie aus dem Expansionsprozess möglich. Durch den Einsatz einer H2-Expansionsmaschine werden Effizienz, Einsatzzeit und maximale Systemleistung der Fahrzeuge erhöht. Baustellenfahrzeuge eignen sich aufgrund des hohen Leistungsbedarfs besonders für den Einsatz der Expansionsmaschine.
Die Innovationsidee „H2-Expansionsmaschine“ für die Mobilität der Zukunft hat das DLR mit dem DLR.IDEA AWARD ausgezeichnet, der anwendungsorientierte Ideen und kreative Lösungen für den Technologietransfer fördert.