AUTO&Technik Ausgabe 06/2021 by A&W Verlag AG

6 | JUNI 2021

www.auto-wirtschaft.ch NEWS Ende-zu-Ende-Netzwerklösung «Vorausschauende» Scheinwerfer dank GPS-Daten Hocheffiziente magnetfreie E-Maschine Technische Online-Informationsplattform

FACHWISSEN Wiener Motorensymposium 2021 Das Wiener Motorensymposium geht mit der Zeit und öffnet sich den alternativen Antrieben noch mehr. So wurden dieses Jahr auch verschiedene Vorträge zu synthetischen Treibstoffen gehalten. Rohprodukte, Zwischen- und Endprodukte werden vorgestellt.

TECHNIK Sensortechnologie Ein integriertes Sensorsystem in Form von Siliziumchip zur Temperaturmessung, einem nicht klonbaren Sicherheitsmerkmal sowie einem äusseren Manipulationsschutz mit partikelbasierter Fluoreszenz-Identifikation erhöht die Sicherheit in Fahrzeugen. Elektrischer Antriebsstrang Um die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen, reicht es nicht, nur die Batterie isoliert zu betrachten; vielmehr muss der gesamte Antriebsstrang optimiert werden. Neuartige Wechselrichter etwa könnten bis zu sechs Prozent mehr Reichweite ermöglichen.

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CONTINENTAL

ENDE-ZU-ENDE-NETZWERKLÖSUNG VORGESTELLT In einem eingeschränkten Umfang können so auch verschiedene Funktionen aus der Fahrerassistenz in das System integriert werden. Continentals selbstentwickeltes 5GMobilfunkmodul als Network Access Device bietet dafür eine skalierbare Rechenleistung mit verbesserter Cybersicherheit an. Zudem werden verschiedene Hardware-Optionen unterstützt, um den Anforderungen der unterschiedlichen Kunden und Regionen gerecht werden zu können. Continentals System erlaubt dabei flexible Optionen bei der Systemintegration für Automobilhersteller und Zulieferer – diese reichen von eigenständigen Network Access Devices bis hin zur vollständigen Integration in Telematik-Steuergeräte oder intelligente Antennenmodule. (pd/sag)

Bild: Continental

ontinental hat auf der Auto Shanghai seine Ende-zuEnde-Netzwerklösung für vernetzte Fahrzeuge präsentiert, die vom Sensor über den Hochleistungsrechner und die Vernetzungseinheit bis in die Cloud eine zuverlässige Funktionsintegration realisiert. Die schnelle und latenzarme Anbindung des Fahrzeugnetzwerks an die Aussenwelt ermöglicht eine Echtzeitverarbeitung aller Daten, die ins Fahrzeug gelangen und dort durch hochleistungsfähige Recheneinheiten verarbeitet werden. Softwarefunktionen werden dabei zwischen der Cloud, dem Hochleistungsrechner und sogenannten Zone Controllern verteilt. Dadurch ermöglicht Continental höchste Flexibilität und zugleich funktionale Sicherheit.

Vom Sensor über den Hochleistungsrechner bis in die Cloud – die Ende-zu-EndeNetzwerklösung realisiert Funktionsintegration für vernetzte Fahrzeuge.

FORD

«VORAUSSCHAUENDE» SCHEINWERFER DANK GPS-DATEN Bild: Ford

ngenieure von «Ford Research and Advanced Engineering Europe» testen eine Technologie, die mithilfe des bordeigenen Navigationssystems die vorausliegende Strassengeometrie kennt und die eigenen Standortdaten in Echtzeit nutzt, um die Scheinwerfer vorausschauend dem Strassenverlauf anzupassen. Das innovative System schwenkt das Scheinwerferlicht in Kurven und leuchtet diese damit besonders effektiv aus. Der Fahrer kann daher auch bei Dunkelheit frühzeitig den Strassenverlauf überblicken und mögliche Gefahren sowie andere Verkehrsteilnehmer wie beispielsweise Radfahrer oder Fuss gänger erkennen. Der Prototyp dieses Beleuchtungssystems verwendet GPS-Standortdaten und hochpräzise Informationen

GPS-Standortdaten identifizieren Kurven, und ein Algorithmus berechnet Werte, um das Scheinwerferlicht für eine optimale Ausleuchtung der Kurven anzupassen (links).

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zur Strassentopographie, um Kurven auf der vorausliegenden Strecke exakt zu identifizieren. Ein Algorithmus berechnet entsprechend der Strassengeometrie und der Fahrzeuggeschwindigkeit Werte, um das Scheinwerferlicht für eine optimale Ausleuchtung der Kurven und Kreuzungen anzupassen. So können sogar Gefahren erkannt werden, die quasi um die Ecke lauern und mit herkömmlichen Systemen erst später für den Fahrer sichtbar im Scheinwerferlicht auftauchen. Wenn unterwegs keine Standortdaten verfügbar sein sollten, verwendet das System kamera- und lenkwinkelbasierte Scheinwerfer-Abbiegetechnologien, um die Strecke weiterhin bestmöglich auszuleuchten, bis wieder GPSStandortsignale empfangen werden können. (pd/sag)

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MAHLE

HOCHEFFIZIENTE MAGNETFREIE E-MASCHINE Bild: Mahle

ahle entwickelt derzeit einen neuartigen magnetfreien Elektromotor, der ohne seltene Erden auskommt. Zentrales Merkmal der fremderregten Synchronmaschine ist die induktive und damit kontaktlose Leistungsübertragung, durch die der Motor verschleissfrei und speziell bei hohen Drehzahlen besonders effizient arbeitet. Der Wirkungsgrad soll in den meist genutzten Fahrzuständen des Antriebssystems über 95 Prozent betragen. Mahle ist es damit gelungen, die Stärken verschiedener E-Motoren-Konzepte in einem Produkt zu vereinen. Die Neuentwicklung ist einfach skalierbar und kann daher vom Kleinwagen bis hin zum Nutzfahrzeug eingesetzt werden. «Man kann unseren magnetfreien Motor durchaus als Durch-

Der neuentwickelte Traktionsmotor von Mahle ist verschleissfrei und damit wartungsfrei, kompakt und kommt ohne seltene Erden aus.

bruch bezeichnen, denn er verbindet gleich mehrere Vorteile, die bislang nicht in einem Produkt dieser Art zusammengebracht werden konnten», sagt Dr. Martin Berger, Leiter der Mahle-Konzernforschung und -Vorentwicklung. Bei der Entwicklung der neuen E-Maschine wird ein innovatives Simulationsverfahren eingesetzt, bei dem verschiedene Auslegungen des Motors entlang verschiedener Parameter variiert werden, bis ein Optimum erreicht wird. Gegenüber herkömmlichen Verfahren ist dieser Ansatz deutlich schneller und kostengünstiger. So will Mahle dazu beitragen, die notwendigen tech nischen Voraussetzungen rasch zu schaffen, um die Elektromobilität flächendeckend und nachhaltig voranzubringen. (pd/sag)

NGK SPARK PLUG

er Zündungs- und Sensor spezialist NGK Spark Plug hat eine neue und optimierte Version seiner im Jahr 2016 eingeführten und seither ständig verbesserten technischen Online-Informationsplattform TekniWiki (www.tekniwiki.com/de/) veröffentlicht. Das offene Internetportal wurde speziell für Werkstattpersonal, Lehrer, Bildungseinrichtungen und alle Personen mit allgemeinem Interesse an Zündungs- und Sensortechnologie entwickelt und bietet eine breite Palette an technischen Inhalten zu den Produkten des Un ternehmens. Die aktualisierte Informationsplattform bietet ein neues Erscheinungsbild und optimierte Benutzerfreundlichkeit auf allen Geräten. Sie besteht aus vier benutzerfreundlichen Themen-

Bild: NGK Spark Plug

TECHNISCHE ONLINE-INFORMATIONSPLATTFORM

NGK Spark Plugs überarbeitete Online-Informationsplattform TekniWiki bietet ein neues Erscheinungsbild und eine optimierte Benutzerfreundlichkeit auf allen Geräten.

bereichen: Im Bereich «Technisches Know-how» können Benutzer die E-Learning-Anwendung des Unter nehmens nutzen, die interaktive Kurse zu Zündkerzen, Glühkerzen, Lambdasonden, Zündkabeln, Zündspulen und Luftmassenmessern bereithält. Zudem kann anhand des Menüpunktes «Videos» auf den YouTube-Kanal von NGK Spark Plug zugegriffen werden, der zahlreiche technische Videos bietet. Darüber hinaus stehen Kataloge und Broschüren des Unternehmens zum Download bereit. Und schliesslich können sich interessierte Benutzer im Themenbereich «Ihre Wissensquelle» über die neuesten Informationen aus der Welt der Marken NGK Ignition Parts und NTK Vehicle Electronics auf den neuesten Stand bringen. (pd/sag)

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Das Thema «Zukünftige flüssige Treibstoffe» kam auch dieses Jahr nicht zu kurz: Über die synthetischen Treibstoffe oder E-Fuels sprach der deutsche Ingenieur und Gründer der Firma Emitec, Wolfgang Maus, schon vor zehn Jahren in Wien. In der Zwischenzeit ist er auch Herausgeber eines Fachbuches zu diesem Thema (Rezension in AUTO&Technik 12/2019). Einen Tag vor dem Symposium fand ebenfalls virtuell in Wien eine spezielle Tagung zu den synthetischen Treibstoffen statt. Organisiert wurde diese vom Österreichischen Automobil-, Motorrad- und Touring Club ÖAMTC. Bild 1. Die von Porsche und Siemens gebaute Anlage zur Produktion von E-Fuels in Chile. 1 Direct Air Capture (DAC) – 2 Kontrollzentrum – 3 Wassertank – 4 Wasserstoff- und CO2-Lager – 5 Tanklager – 6 Methanol-Tankstelle – 7 Windenergiepark – 8 Methanolsynthese – 9 Kühleinrichtung – 10 Wasserelektrolyse.

Internationales Wiener Motorensymposium 2021

TREIBSTOFF AUS SONNENENERGIE Das Wiener Motorensymposium geht mit der Zeit und öffnet sich den alternativen Antrieben noch mehr. So wurden dieses Jahr auch verschiedene Vorträge zu synthetischen Treibstoffen gehalten. Rohprodukte, Zwischen- und Endprodukte werden in der Folge vorgestellt. Text: Andreas Lerch | Bilder: Nissan, Porsche, Saudi Aramco, Siemens, Thyssen-Krupp, Toyota, Lerch

as 42. Wiener Motorensymposium fand am 29. und 30. April 2021 erneut virtuell statt. Univ.-Prof. Dr. Bernhard Geringer begrüsste die Gäste aus einem Fernsehstudio über der Donau und kündigte 48 Livevorträge mit Diskussion und 28 voraufgezeichnete «Bonusvorträge» an. Damit wurden auch die Tagungsunterlagen auf drei Bände ausgeweitet (Bestelladresse: wiener-motorensymposium.at). Im Gesamten wurde den Teilnehmern eine reiche Ausbeute an modernster automobiler Technologie angeboten. Aber auch das Wiener Motorensymposium wandelt sich vom reinen «Motorensymposium» zu einem Mobilitätssymposium. Es geht nicht mehr allein um Verbrennungsmotoren und ihre herkömmlichen Treibstoffe. Methangas, synthetisch hergestellte Treibstoffe und auch Wasserstoff gehören heute zum breiten Ange-

bot, um Verbrennungsmotoren zu betreiben, und werden als Symposiumsthemen aufgenommen. Bat teriespeicher, Hybridantriebe und Brennstoffzellen gehören ebenfalls zum Programm und gestalten die Tagung offen, zukunftsorientiert und vielfältig. Yorihisa Tsuchiya, Chief power train Engineer of gasoline engine bei der Nissan Motor Co. stellte, ganz im Sinn des konventionellen Motorensymposiums, einen hochtechnisierten turboaufgeladenen 1.5l-Dreizylinder-Benzinmotor mit Direkteinspritzung (Einspritzdruck bis 35 MPa) und variabler Kompression (VCR nach Multilinkverfahren) vor. Durch das Multilinkverfahren kann der Hub stufenlos zwischen 88.9 und 90.1 mm verändert werden. Daraus resultiert ein veränderbarer Hubraum zwischen 1477 und 1497 cm3 und ein Verdichtungsverhältnis von 8:1 bis 14:1. Das maximale Drehmoment von 300 Nm liegt zwischen 2800

und 4400/min an und die maximale Leistung von 150 kW bei 5600/min (Bild 2). Am Symposium widmeten sich mehrere Referenten dem Wasser stoff-Verbrennungsmotor im Nutzfahr zeugbereich. Auch bei den Dieselmotorneuentwicklungen gab es einiges von der Nutzfahrzeugfront zu hören. Offensichtlich steht die Industrie den batterieelektrischen Antrieben bei Nutzfahrzeugen nach wie vor sehr skeptisch gegenüber. Verschiedene andere Vorträge zum Thema Wasserstoff gingen auf die Brennstoffzelle ein. Während sich Referenten bis anhin vor allem dahingehend äusserten, dass die Tank-to-Wheel- oder die Well-to-Wheel-Messmethode für die CO2-Emissionen nicht ausreichend seien und das Klima damit nicht verbessert werden könne, wurden dieses Jahr echte Vorschläge zur ganzheitlichen Lebenszyklusanalyse (Cradle-to-Grave) gemacht.

Mobilität der Zukunft Es ist nach wie vor nicht klar, wie der Individualverkehr in Zukunft angetrieben werden soll. Geht es nach den Politikern, muss es einfach elektrisch sein; geht es aber nach der Wissenschaft und der Industrie, kann es nicht eine Energie sein, weil die Nachteile jeder einzelnen Energie zu gross sind und den Einsatz einer «Monoenergie» eigentlich verunmöglichen. Deshalb hört man häufig das Wort «Technologievielfalt». Sowohl bei den Treibstoffen wie auch bei den Hybridarten (HEV, PHEV) bis hin zu den batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) gilt es vor einem Kaufentscheid, sehr gut zu überlegen, wozu ein Fahrzeug benutzt werden soll. Am schwierigsten wird dieser Entscheid (natürlich) für

Bild 2. Der kleine Nissan-VCR-Motor zeigt, dass sich im Verbrennungsmotor durchaus noch Potenziale verbergen.

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zielführend, da die zu speichernden Energiemengen dafür wohl zu gross sind.

Bild 3. Grundlegende Strategie für die E-Fuel-Herstellung. Während die linke Rohproduktespalte eigentlich immer ähnlich aussieht, können sich die Zwischen- und die Endprodukte unterscheiden und damit auch die Syntheseverfahren. den «normalen» Alltagsverbraucher. Er braucht ein Auto zum Einkaufen, um auf die Arbeit zu fahren, für den Sonntagsausflug oder im Winter das Skiwochenende und dann noch für die Ferienfahrt, allenfalls sogar mit einem angehängten Wohnwagen. Für jede einzelne Anwendung würde es dazu wohl eine optimale Antriebsart und einen optimalenTreibstoff geben. Aber alles in Kombination? Wirkungsgradkette Natürlich weisen die BEV heute den höchsten Wirkungsgrad auf; wenn sie zusätzlich direkt an der Windanlage oder der Solarstation ihre Batterien aufladen würden, könnten noch mehr Verluste vermieden werden. Die elektrifizierte Eisenbahn macht da ja durchaus etwas richtig: Der Strom muss kein einziges Mal zwischengespeichert werden. Der Generator wird von der Wasserturbine im Fluss angetrieben und der erzeugte Strom dann direkt in die Leitung oberhalb der Schiene gespiesen. Von dort kann er von der E-Maschine in der Lokomotive abgenommen und in Vortriebsenergie umgewandelt werden.

Da aber ein BEV nicht direkt zum Generator der Windanlage fahren kann, muss der Strom produziert und dann zur Ladeanlage transportiert werden. Da die meisten Fahrzeuge wohl nachts aufgeladen werden, muss die elektrische Energie auch noch zwischengespeichert werden. Und da es sich dabei um unvorstellbar grosse Energiemengen handelt, muss dieses Problem zumindest als Hemmung für die rein elektrische Mobilitätslösung angesehen werden. Zwischenspeicher Die Schweiz weist einen grossen Wasserkraftanteil bei der elektrischen Energieerzeugung auf. Die

Flusskraftwerke produzieren Tag und Nacht eine ähnliche Energiemenge. Mit einem Bypass-Wasserkanal kann die Produktionsmenge geregelt wer den. Wenn mehr Wasser kommt, als die Turbinen verarbeiten können, wird dieses Wasser ungenutzt neben dem Kraftwerk vorbeigeleitet. Wird trotzdem zu viel Strom erzeugt, kann über Pumpen Wasser in einen höhergelegenen See gepumpt werden. Diese Speichermöglichkeiten sind aber begrenzt; das Grimselprojekt eines grossen Schweizer Stromanbieters, welches seit Jahren be- und wohl mit der Zeit verhindert werden wird, spricht dazu eine deutliche Sprache. Batterien sind sicher nicht

Elektrolyse Daher könnte mittels Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und in Sauerstoff zerlegt werden. Die Was serstoffherstellung erfolgt heute noch mehrheitlich durch das effizientere Aufspalten von Methan (Erdgas). Diese ist aber natürlich nicht CO2-neutral. Die Wasserelektrolyse funktioniert mit einem Wirkungsgrad von knapp 70 %. Das heisst, dass mit 4.5 kWh elektrischer Energie 1 m3 Wasserstoff gewonnen werden kann. 1 m3 Wasserstoff enthält 11’000 kJ oder 3.05 kWh Energie. 1 m3 Wasserstoff sind aber nur gerade 90 g. Das sieht für ein Speichermedium doch richtig gut aus. Wasserstoff ist aber in Transport und Speicherung heikel und aufwändig; da es sich um das kleinste bekannte Atom handelt, diffundiert es sehr gerne durch viele Materialien. Daneben ist es als Knallgas extrem reaktionsfreudig und explosiv. Aus diesen Gründen wäre eine Weiterverarbeitung zu Methangas (CH4) oder zu Ammoniak (NH3) grundsätzlich zu begrüssen. CH4 ist nichts anderes als Erdgas, und Erdgasmotoren sind seit langem bekannt. Ammoniakmotor-Entwicklungen laufen (zumindest im maritimen Sektor) auf Hochtouren. Synthetische Flüssigtreibstoffe Eine Weiterverarbeitung von Wasserstoff und aus der Luft gewonnenem Kohlenstoff (oder Synthesegas) zu

Bild 4. Industrielle Elektrolyseeinrichtung der Firma Siemens.

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Bild 5. Toyota arbeitet mit dem Mirai an vorderster Brennstoffzellenfront. flüssigem, benzin- oder dieselähnlichem Treibstoff wäre auch eine gute Option und immer noch CO2-neutral – vorausgesetzt, die dazu benötigte Energie wird ebenfalls nachhaltig und CO2-frei gewonnen. Da es dazu mehrere Verarbeitungsschritte braucht, wird der Wirkungsgrad schlechter. Dafür ist weltweit einTankstellennetz verfügbar und damit kann die gesamte Infrastruktur einfach übernommen werden. Energie umsetzen Um diese verschiedenen Energiesorten wieder dem Individualverkehr zuführen zu können, sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen, da alle diese Energien ihre speziellen Eigenschaften haben. Der direkte Stromverbrauch wurde oben beschrieben. Der Wirkungsgradvorteil kann von Verbrennungsmotoren kaum eingeholt werden, aber das Ladenetz ist im Moment noch zu dünn, die Ladezeit zu lang und die Reichweiten der Elektrofahrzeuge sind zu kurz. Wann dazu genügend grüne Energie im Inland produziert werden wird, ist im Moment auch nicht bekannt. Der Verbrauch von Wasserstoff wäre toll. Im Fahrbetrieb werden ähnliche Betankungszeiten wie bei fossilen Treibstoffen erreicht und die Reichweiten sind auch kein Kriterium. Doch das

Handling ist komplex und im Moment gibt es noch kaum Tankstellen. Ob der Wasserstoff dann in Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren umgesetzt wird, ist heute noch nicht entschieden – oder ist heute weniger entschieden als auch schon. Im Moment wird bei verschiedenen Forschungsinstituten, Zulieferern, aber auch bei Fahrzeugherstellern der Wasserstoffmotor exakt unter die Lupe genommen. Gerade im Nutzfahrzeugbetrieb könnte dies die interessantere Variante sein als der Strombetrieb über die Brennstoffzelle. Im Streckenverbrauch ist das Brennstoffzellenfahrzeug dem Fahrzeug mit Wasserstoff-Verbrennungsmotor noch überlegen. Dabei enthält es eine zusätzliche Energieumformung, welche aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie bildet. Gemäss allen physikalischen Erkenntnissen gibt es keine Energieumwandlung ohne Verluste. Beim Brennstoffzellenantrieb sind aber die gesamten Verluste kleiner als beim Verbrennen des Wasserstoffs in einem Verbrennungsmotor. Da jedoch die Herstellung von Verbrennungsmotoren bekannt und die Entwicklung weit fortgeschritten ist, bei Brennstoff zellen, Elektromotoren und Energiespeichern jedoch noch ständig mit neuen Erkenntnissen gerechnet wird, welche sofort umgesetzt werden

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Bild 6. Toyota zeigt sich auch beim Wasserstoff-Verbrennungsmotor innovativ. Im Bild ein 3-Zylinder-Rennmotor. müssen, könnte der Verbrennungsmotor trotzdem im Rennen bleiben. Zudem sind die in E-Motoren und Brennstoffzellen zu verbauenden Materialien zum Teil selten oder teuer. Synthetische Treibstoffe Im Bild 3 sind einige Beispielschritte zur Herstellung von verschiedenen synthetischen Treibstoffen dargestellt. Grundsätzlich kann der Vorgang in drei Zonen eingeteilt werden. Zuerst muss regenerativ sehr viel elektrische Energie erzeugt werden. Damit wird über die Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Sauerstoff wird in die Atmosphäre entlassen oder verkauft und der Wasserstoff zwischengelagert. Schwieriger ist die CO2-Produktion: Entweder können direkt die Abgase der Schwermetall-, Zement- oder Abgasverbrennungsindustrie angezapft werden, da diese Abgase einen grossen CO2-Anteil enthalten (CCS). Da derartige Anlagen in einer CO2-freien Gesellschaft auch keinen Platz mehr haben werden (oder sollten?), kann das CO2 auch der Luft entnommen werden (DAC). Dort sind im Moment im Durchschnitt etwas mehr als 400 CO2-Moleküle mit 999’600 anderen Luftmolekülen homogen vermischt (= 400 ppm CO2). Der Aufwand, um

diese Moleküle herauszufiltern, ist gross und braucht viel Energie. Synthesegase Im zweiten Schritt wird aus den «Rohstoffen» entweder Synthesegas oder Methanol hergestellt. Synthesegas besteht zum Beispiel aus einem Kohlenmonoxid-WasserstoffGemisch und wird für verschiedene Synthesen herangezogen. Da CO2 ein inertes Gas ist (es verbindet sich kaum mit anderen Stoffen), ist die Verbindung sehr beständig und das Molekül muss zur Herstellung von Synthesegas unter Einsatz von viel Energie in CO aufgespaltet werden. Mit der «Wassergas-Shift-Reaktion» wurden vor 100 Jahren Abgase entgiftet und aus Kohlenmonoxid und Wasser wurden Kohlendioxid und Wasserstoff hergestellt. Mit der «reversen Wassergas-Shift-Reaktion» kann diese Reaktion umgekehrt und so das Kohlenmonoxid hergestellt werden. Das Synthesegas besteht dann aus einer bestimmten Mischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Ein anderes Synthesegas besteht aus Wasserstoff und Stickstoff. Der Stickstoff kann dazu aus der Luft gefiltert werden. Da die Luft mehr als 78 % Stickstoff enthält, ist dieser Vorgang weniger aufwändig als die Filterung von CO2.

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Bild 7. Die Produktschritte und das «Verbrauchsmaterial» für einen Liter E-Fuel nach der Aufstellung von Porsche. 1 Wasserdestillationsanlage – 2 Elektrolyseanlage – 3 Direct Air Capture – 4 direkte Methanolsynthese – 5 Methanol-to-Gasoline-Synthese – 6 Fertigstellung. Die dritte Synthese ist die Methanolsynthese. Die heute gängige Methanolherstellung erfolgt über das Kohlenmonoxid-Synthesegas. Die direkte Methanolsynthese aus Wasserstoff und Kohlendioxid ist jedoch auch möglich und kommt in Demonstrations- oder kleinen industriellen Anlagen zum Einsatz. Power-to-Liquid (PtL) Im letzten Schritt oder der dritten «Spalte» in Bild 3 werden die flüssigen Treibstoffe gefertigt. Mit dem Haber-Bosch-Verfahren kann das Stickstoff-Wasserstoff-Synthesegas zu Ammoniak (NH3) verbunden werden. Der Prozess erfolgt bei Drücken von 150 bis 350 bar undTemperaturen zwischen 400 und 500 °C in einem eisenhaltigen Katalysator. Methanol (MeOH) sieht aus wie Methan (CH4), hat aber an einer Stelle eine OH-Gruppe anstelle eines Wasserstoffatoms. Daraus können verschiedene Treibstoffe hergestellt werden: DME (Dimethylether), OME (Oxymethylenether), Octanol, Butanol oder MtG (Methanol-to-Gasoline). Während DME bei Normaltemperatur gasförmig ist, wird OME bereits zum Teil dem Dieseltreibstoff beigemischt oder kann sogar als Dieselersatz dienen. Bei der Fischer-Tropsch-Synthese entstehen aus dem Synthesegas

in Anwesenheit eines eisen- und kobalthaltigen Katalysators Kohlenwasserstoffe unterschiedlicher Kettenlänge. Diese werden durch Isomerisierung und Hydrocracking in die gewünschten Treibstoffe verwandelt. Die Methanol-Benzin-Synthese (MtG – Methanol-to-Gasoline) wurde durch mehrere Chemiker seit 1880 nach und nach entwickelt. Der Mineralölhersteller Mobil hat in der vorläufigen Endversion ein Verfahren entwickelt, um aus Methanol über eine katalytische Umsetzung an einem Zeolith-Katalysator Benzin herzustellen. (Zeolithe sind kristalline Aluminiumsilikate; es sind 60 natürliche und mehr als 150 synthetische Zeolithtypen bekannt). Die Katalysatorzusammensetzung kann variiert werden, um mehr Olefine zu erhalten (Olefine sind Kohlenwasserstoffe mit mindestens einer Kohlenstoffdoppelbindung). Porsche-Pilotanlage Porsche hat mit Siemens und anderen Partnern im südlichen Chile eine Anlage aufgebaut, welche bis in einigen Jahren mehr als eine halbe Milliarde Liter Treibstoff herstellen soll (Bild 1). Die Region ist gemäss Karl Dums aus dem Haus Porsche sehr geeignet für einen Windpark, da der südwestliche Zipfel von Südamerika eine der besten

Windregionen auf der Welt darstelle. Wasser ist auch genügend vorhanden, und weil das Wasser für die Elektrolyse rein sein muss, spielt es keine Rolle, wenn auch das Meersalz herausgefiltert werden muss. Vor der Elektrolyse wird das Wasser destilliert und entweder sauer oder alkalisch ionisiert. Die CO2-Analyse wird aus der Umgebungsluft nach dem DirectAir-Capture-Verfahren gefiltert. Die Betreiber sind der Meinung, dass mit dieser Anlage dargestellt werden kann, dass es tatsächlich möglich ist, Otto-Treibstoff ökologisch herzustellen. Für einen Liter synthetischen Treibstoff werden ca. 6000 m3 Luft, 3 l Wasser und 20 kWh elektrische Energie eingesetzt. Nach der Analyse der Rohstoffe Wasserstoff und Synthesegas wird Methanol in der direkten Methanolsynthese hergestellt. Anschliessend wird Treibstoff durch eine Methanolto-Gasoline-Synthese hergestellt und in der abschliessenden «Refining/ Finishing»-Arbeit fertiggestellt. Solange die Anlage als Pilotanlage betrieben wird, will Porsche den hergestellten Treibstoff in der eigenen Renn- und Entwicklungsabteilung einsetzen. Während die momentan hergestellten Treibstoffe noch durch ein Gemisch von 200 bis 300 verschiedenen Kohlenwasserstoffen dargestellt werden, sollen

die Komponenten durch zusätzliche Entwicklungen im MtG-Prozess auf unter 10 vermindert werden. Dies werde höhere Oktanzahlen, weniger Aromaten, ein besseres Verdampfungsverhalten und in der Verbrennung verminderte Schadstoffemissionen ermöglichen. Was mit demTreibstoff geschehen wird, wenn die Anlage im Vollbetrieb läuft, wird sich herausstellen. Es kommt darauf an, was die Politik zu E-Fuels sagen wird; es kommt auch darauf an, wo der Preis im Vergleich zum fossilen Benzin liegen wird, und es kommt schliesslich darauf an, wie viel besser der synthetischeTreibstoff im Vergleich zum fossilen Treibstoff sein wird. FRAGEN

1. Auf der Welt fahren ungefähr 1.3 Milliarden Fahrzeuge. Wie viele Liter Treibstoff muss für diese Flotte bereitgestellt werden, wenn jedes Fahrzeug 5 l/100 km verbraucht und pro Jahr 20’000 km zurücklegt? 2. Warum muss Wasser zur Elektrolyse angesäuert werden? 3. Wozu kann der chemische Stoff OME (Oxymethylenether) im automobilen Bereich eingesetzt werden?

LÖSUNG ZUR AUSGABE 4/2021

1. Von oben nach unten: 001, 010, 002, 020, 100, 220 2. Der Verbrennungsmotor treibt direkt über Schaltmuffe B den 4. Gang an. Über die Schaltmuffe C versucht er, ebenfalls das Achsantriebsrad anzutreiben. Da es sich um zwei verschiedene Drehzahlen handeln wird, blockiert diese Schaltstellung das Getriebe. 3. Muffenschaltung

Prüfung und Instandsetzung von Common Rail Injektoren und Hochdruckpumpen

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Projektziel: Technologiedemonstrator mit vertrauenswürdiger Sensorik zur Temperaturmessung in Leitungen für die Elektromobilität.

Sichere, integrierte Sensortechnologie

ERKENNEN, WENN JEMAND «AUF DEM SCHLAUCH STEHT» Ein integriertes Sensorsystem in Form von Siliziumchip zur Temperaturmessung, einem nicht klonbaren Sicherheitsmerkmal sowie einem äusseren Manipulationsschutz mit partikelbasierter Fluoreszenz-Identifikation erhöht die Sicherheit in Fahrzeugen.

und es wird stärker als bisher möglich sein, Services und digitale Geschäftsmodelle über die gesamte Lebenszeit der Produkte anzubieten.

Text: Stefan Gfeller | Bilder: Continental, Alexander Scholz (HS Offenburg und KIT)

ine direkt in Bauteile wie etwa Gummi- oder Kunststoff-Produkte integrierte Sensorik zur Zustandsüberwachung, Effizienzsteuerung und Regelung von Prozessen kann dabei helfen, Manipulationen sofort zu entdecken. Allerdings stellen gerade Sensoren, die physikalische Zustände in Datenströme umwandeln, selbst exponierte Ziele für Angriffe und Manipulationen dar. Industrieunternehmen und Hochschulen kombinieren nun im Verbundvorhaben «Eindeutige Identifizierbarkeit für vertrauenswürdige Hybrid-Sensorelektronik mit Hilfe additiver Fertigung – senslC» additiv gefertigte, also gedruckte Elektronik mit Siliziumkomponenten und integrieren sie sicher direkt in Produkte. «Zurzeit basiert Informationssicherheit in diesen Anwendungen vor allem auf Software-Algorithmen. Aber keine Software ist perfekt.

Daher müssen wir auch über die Hardware für Sicherheit sorgen», erklärt Professorin Jasmin AghassiHagmann, Leiterin der Forschungsgruppe «Low Power Electronics with Advanced Materials» am Institut für Nanotechnologie des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Sensor im Kühlerschlauch Als konkrete Anwendung des Projekts werden Schläuche für das Thermomanagement bei Elektrofahrzeugen entsprechend ausgestattet: Continental möchte durch das Projekt sein Produktportfolio durch sichere Elektronik erweitern, indem es Temperatursensorik und Kommunikationsmodule in Schlauchsysteme integriert. Dabei soll die Elektronik keinerlei Manipulationen bei der Fertigung, innerhalb der Lieferkette oder bei der späteren Nutzung zulassen. So lassen sich zusätzliche Funktionen realisieren

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Nicht klonbare Sicherheitsmerkmale Am KIT entwickeln Forschende dafür eine zentrale Komponente: gedruckte Sicherheitsschaltungen mit speziellen hardwarebasierten Funktionen, sogenannte Physical Unclonable Functions (PUFs), also nicht klonbare Sicherheitsmerkmale. Bei PUFs handelt es sich um hardwarebasierte Funktionen, die aufgrund kleinster Schwankungen im Produktionsprozess entstehen. So

kommt es in der gedruckten Elektronik durch die grobe Druckauflösung sowie die verwendeten Materialien und Tinten zu Variationen. Eine PUF wertet diese Schwankungen aus und erzeugt daraus ein individuelles Signal, das gewissermassen als digitaler Fingerabdruck fungiert und eine eindeutige Identifikation des Bauteils oder die sichere Verschlüsselung von Informationen ermöglicht. Als elektronisches, nicht klonbares Identifizierungsmerkmal wird eine differentielle PUF-Schaltung basierend auf gedruckten Transistoren und einer siliziumbasierten Ein- und Ausleseelektronik mit einer Sensorschaltung integriert. Die Sensorschaltung enthält einen SiliziumIC, der mittels spezieller Aufbau- und Verbindungstechnik über eine entsprechende Schnittstelle mit der hybriden PUF verbunden wird und so das «sichere» Gesamtsystem bildet. Äusserer Manipulationsschutz Im Verbundprojekt sensIC werden die PUFs zusätzlich um optische Identifizierungsmerkmale, entwickelt von der Firma Polysecure, ergänzt, die einen äusseren Manipulationsschutz bieten: Eingebettete Fluoreszenzpartikel bilden prozess bedingt zufällige und daher nicht kopierbare Muster. Diese Partikelmuster werden während des Pro duktionsprozesses registriert und erlauben die eindeutige Identifizierung des Bauteils sowie einen zusätzlichen Tamperschutz gegen Hardwaremanipulationen.

Ein PUF-Kern zur eindeutigen Identifikation und Absicherung gegen Manipulation.

TECHNIK 6/21 71 Elektrischer Antriebsstrang

MEHR REICHWEITE DANK OPTIMIERTER WECHSELRICHTER Um die Effizienz und damit die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen, reicht es nicht, nur die Batterie isoliert zu betrachten; vielmehr muss der gesamte Antriebsstrang optimiert werden. Neuartige Wechselrichter etwa könnten bis zu sechs Prozent mehr Reichweite ermöglichen. Text: Stefan Gfeller | Bilder: Fraunhofer IZM, Porsche

Gut gekühlt und effizient: Wechselrichter mit Halbleitern aus Silizium-Carbid.

ährend Verbrennungsmotoren in den letzten über hundert Jahren stetig weiterentwickelt und in ihrer Effizienz gesteigert wurden, steckt der Elektroantrieb im automobilen Bereich vergleichsweise noch in den Kinderschuhen. Signifikante Verbesserungen wurden in letzter Zeit vorwiegend bei der Akkutechnik erzielt. Dabei liesse sich aus dem gesamten Antriebsstrang noch einiges herauskitzeln, weshalb sich Experten vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin nun den Wechselrichter (Inverter) vorgenommen haben, der den Gleichstrom der Batterie in Wechselstrom für den Antrieb des Elektromotors umwandelt. Durch den Einsatz von SiCTransistoren und einer entsprechend

optimierten Kühlung könnten sie die Fahrzeugreichweite um bis zu 6 Prozent erhöhen – doch der Reihe nach: SiC-Halbleiter Das Fraunhofer IZM setzt zusammen mit Industriepartnern im Projekt SiCeffizient für die Transistoren besonders effizient arbeitende Halbleiter aus Silizium-Carbid (SiC) ein, die beim Durchfliessen deutlich weniger Verluste haben – in Wechselrichtern treten vor allem beim Beschleunigen, Abbremsen und beim schnellen Fahren Verluste auf, wenn grosse Mengen Strom zwischen Motor, Wechselrichter und Batterie hin- und herfliessen. Diese Halbleiter sind aber recht teuer. Daher ist es sinnvoll, möglichst wenige Transistoren einzusetzen. Da diese dann aber pro Stück

mehr Verlustleistung erzeugen und sich stärker erhitzen würden, müssen sie besonders gut gekühlt werden. Um bei gleicher Verlustleistung den Halbleiter kälter zu halten, wurden die Kühlelemente der Wechselrichter jetzt völlig neu gestaltet. Kühlkörper aus dem 3D-Drucker Wechselrichter für Elektroautos werden mit Wasser gekühlt, und die Wärme, die in den Transistoren entsteht, wird normalerweise über einen massiven Kühlkörper abgeleitet, der Kühlstäbe (Finnen) aufweist, die ins Wasser ragen und die Wärme abgeben. Für die Kühlung der SiCTransistoren haben die Experten einen Kühlkörper mit vergleichsweise dünnen Wänden per 3D-Druck erzeugt. Dieser ist so gestaltet, dass die Transistoren auf einer nur wenige Millimeter dünnen Metallplatte sit zen. Damit rücken sie dichter an das Kühlmedium heran, was natürlich die Kühlwirkung verstärkt. Damit sich die dünne Metallplatte bei Belastung nicht verbiegt, werden die Kühl-Finnen im 3D-Druck so

Mechanische Spannung verringert Der neue Kühlkörper löst aber noch ein weiteres Problem: Die verschiedenen Werkstoffe, aus denen Leistungsmodule zusammengebaut sind, dehnen sich beim Erwärmen unterschiedlich stark aus, sodass es in dem Aufbau zu Spannungen kommt. Das kann zur Materialermüdung und in der Folge zum Ausfall des Wechselrichters führen. Da nun die Metallplatten des neuen Kühlkörpers recht dünn gehalten sind, können sie Spannungen bei der Erwärmung oder beim Abkühlen durch leichte Verformung ausgleichen. Damit ist der ganze thermoelektrische Aufbau sehr flexibel, was auch die teuren SiC-Halbleiter schont. In den kommenden Monaten wird der neue Wechselrichter beim Projektpartner Robert Bosch getestet. Porsche wird das Gerät zu einem späteren Zeitpunkt in einen neu konzipierten Antriebsstrang einbauen, der ganz auf den SiC-Aufbau abgestimmt ist.

Porsche wird den Wechselrichter in einen neu konzipierten Antriebsstrang einbauen. Im Bild: Prototyp des vollelektrischen Macan mit Messtechnik an Bord.

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gestaltet, dass sie die Metallplatte wie die Säulen in einem Dom stützen. Dieser Aufbau ist so stabil, dass der Kühlkörper sowohl dem Druck des Kühlwassers als auch den Kräften widersteht, die beim Aufsintern der Transistoren auf den Kühlkörper auftreten.

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74 6/21 VORSCHAU

LESEN SIE IN DER AUSGABE 7+8/2021: & Wirtschaft

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SCHWERPUNKT

FACHWISSEN

TITELTHEMA Onlinebörsen Occasionen werden heute vorwiegend übers Internet gehandelt. AUTO&Wirtschaft stellt die wichtigsten Plattformen vor.

WIRTSCHAFT E-Shops Auch Service-, Verschleissteile und Zubehör lassen sich bequem online bestellen. Wir präsentieren die E-Shops der verschiedenen Anbieter.

Stöchiometrie Mischungsverhältnisse sind bei Verbrennungsprozessen immer sehr wichtig. So ist in Verbrennungsmotoren die Stöchiometrie bei allen Treibstoffen wie Erdgas, Benzin, Diesel, Methanol, aber auch bei Wasserstoff eine Grundlage, um möglichst viel der in ihnen gespeicherten Energie in mechanische Arbeit umwandeln zu können. Gleichzeitig hat die Stöchiometrie natürlich direkten Einfluss auf die Schadstoffe, die während des Verbrennungsprozesses entstehen können.

Digitale Schadenabwicklung In kaum einem anderen Bereich in der Autobranche wirkt sich die Digitalisierung stärker aus als in der Schadenabwicklung. Schon heute geschieht das meiste online und per Smartphone – von der Schadenaufnahme über die Kommunikation mit der Versicherung bis hin zur Reservation des Ersatzwagens. Doch das ist längst nicht alles. So soll mit Hilfe von künstlicher Intelligenz der Schaden per Handy-Foto analysiert und kalkuliert werden. Und auch die Ersatzteile werden gleich beim günstigs ten Anbieter bestellt. Die AUTO&Carrosserie Ausgabe 3 erscheint Anfang Oktober.

AUTO-EVENTS 2021 Termin

Veranstaltung

15.07.21-16.07.21

Fredy Barth Motorsport Trackday Dijon (F)

Ort

08.08.21

Older Classics

12.08.21

Fredy Barth Motorsport Trackday Anneau du R. (F)

Kemptthal/ZH

Internet fredybarth.ch olderclassics.ch fredybarth.ch

14.08.21-15.08.21

Young Raiders Challenge

Safenwil/AG

raid.ch

18.08.21

Zürich Classic Car Award

Zürich

zcca.ch

18.08.21-20.08.21

Concours d'Elegance

Coppet/GE

concoursdelegancesuisse.ch

27.08.21-29.08.21

Passione Engadina

St. Moritz/GR

passione-engadina.ch

27.08.21-29.08.21

Raid - VP Bank Rallye

Bad Ragaz/SG

raid.ch

29.08.21

British Car Meeting

Mollis/GL

british-car-meeting.ch

01.09.21

Fredy Barth Motorsport Trackday Dijon (F)

fredybarth.ch

02.09.21-05.09.21

Arosa Classic Car

arosaclassiccar.ch

Arosa/GR

03.09.21-04.09.21

Swiss Automotive Show

Fribourg/FR

swissautomotiveshow.ch

03.09.21-05.09.21

SOC Weekend

Andermatt/UR

supercarownerscircle.com

03.09.21

Circular Economy Congress

Freienstein/ZH

circular-economy-congress. ch

08.09.21-09.09.21

Fredy Barth Motorsport Trackday Hockenheimring (D) fredybarth.ch

11.09.21

Concours d'Excellence

Luzern

autoconcours.ch

12.09.21

Older Classics

Kemptthal/ZH

olderclassics.ch

16.09.21-19.09.21

Bernina Gran Turismo

St. Moritz/GR

bernina-granturismo.com

18.09.21-21.09.21

Raid du Sud

Neuenburg/NE

raid.ch

26.09.21-29.09.21

Fredy Barth Motorsport Trackday Nürburgring (D)

fredybarth.ch

30.09.21-01.10.21

Fredy Barth Motorsport Trackday Red Bull Ring (A)

fredybarth.ch

01.10.21-03.10.21

Swiss Classic World

06.10.21

Fredy Barth Motorsport Trackday Anneau du R. (F)

Luzern

swissclassicworld.ch fredybarth.ch

PASSIONE ENGADINA 2021

ie Passione Engadina feiert Jubiläum und geht in ihre zehnte Ausgabe. Dabei wartet die Veranstaltung wie jedes Jahr mit beachtlichen Neuerungen auf. Und wie immer bringt sie das Beste italienischer Lebensart aus Tradition, Geschmack und Stil nach St. Moritz und ins Engadin. Das Treffen steht ausschliesslich sämtlichen bis 1991 gebauten historischen Automobilen italienischer Autohersteller offen – mit einer einzigen Ausnahme: Autos der Marke Aston Martin. Die

majestätischen Gipfel der Engadiner Bergwelt, das unvergleichliche Flair von St. Moritz, wunderschöne Autos, edle Weine, erlenes Essen, Fünfsternehotels und eine unglaubliche Liebe zum Detail. Dies alles ist die Passione Engadina. Ein einmaliges Motorenwochenende mit viel Emotion und atemberaubenden klassischen Automobilen, die vom 27. bis 29. August 2021 Farbe ins Engadin bringen werden. www.passione-engadina.ch

Wir feiern 75 Jahre. Feiern Sie mit uns!

Seit 75 Jahren sind wir als Lieferant im Bereich Auto Ersatzteile und Zubehör für Sie im Einsatz. Profitieren Sie im Jubiläumsjahr 2021 jeden Monat von unserer Jubiläumsaktion*.

Wir danken unseren Partnern herzlich für die Unterstützung unserer Jubiläumsaktion:

* Details zu den Bedingungen und Aktionen erfahren Sie über unseren Newsletter. Einfach QR Code scannen und Newsletter kostenlos abonnieren.

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