Faszination und Wunder der Technik. Werner Dupont
Schuko-Steckdose mit 230-Volt-Haushaltsspannung aufgeladen werden. Zum Übertragen größerer Leistungen und damit zum Erzielen kürzerer Ladezeiten, steht in Europa das 400-Volt-Netz mit Dreiphasenwechselstrom (Kraft- oder Drehstrom) zur Verfügung. Gleichstrom-Schnellladung kann von den Herstellern in den Elektroautos bereits implementiert werden. Hierbei wird die teure Ladetechnik in die Stromtankstelle integriert und die Traktionsbatterie direkt mit angepasst starkem Gleichstrom aufgeladen. Die Gleichstromladetechnik bietet den Vorteil der Schnellladung, ohne in jedes Fahrzeug teure Ladetechnik integrieren zu müssen.
Die Entwicklung und der Einsatz von Elektroautos lassen sich grob unterteilen in Industriefahrzeuge, neu entwickelte Elektroautos, Elektroautos als Anpassung von Serienfahrzeugen und Elektroautos als Umbauten von Serienfahrzeugen. Bei den Industriefahrzeugen handelt es sich zumeist um elektrische Lastkarren und automobile Flurfördergeräte, die in vielen gewerblichen Bereichen, meist außerhalb des allgemeinen Straßenverkehrs oder innerhalb von Gebäuden fahren. Neu entwickelte Elektroautos betreffen Fahrzeuge, für die es keine Ausführungen mit konventionellem Antrieb gibt und bei denen daher keine konstruktiven Kompromisse eingegangen werden müssen. Das Fahrzeugspektrum umfasst Studien und Experimentalfahrzeuge als Prototypen, die mittels modernster Technik akzeptable Reichweiten beziehungsweise Höchstleistungen bei Geschwindigkeit und Beschleunigung erreichen. Stadtfahrzeuge wie Leichtelektromobile schließen die Lücke zwischen Roller und Auto. Es sind kompakte, leichte Fahrzeuge, die sparsam mit Energie umgehen und typischerweise im Alltag etwa 4 bis 10 Kilowattstunden elektrische Energie für eine Strecke von 100 Kilometern benötigen. Für eine Geschwindigkeit von mehr als 80 Kilometern pro Stunde werden autobahntaugliche Elektroautos angeboten und in beachtlichen Stückzahlen auf dem Pkw-Markt geordert. Mehrere große Automobilfirmen beschritten den Weg der Herstellung von Elektroautos als Anpassungen von Serienfahrzeugen an die Anforderungen eines Elektroantriebs. Derartige Fahrzeuge im Alltagseinsatz benötigen typischerweise etwa 12 bis 20 Kilowattstunden elektrische Energie für eine Strecke von 100 Kilometern. Bei den Elektroautos als Umbauten von Serienfahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird entweder ein in Serie gefertigter neuer Antriebsstrang verbaut oder es wird über eine Adapterplatte der Elektromotor an das serienmäßige Schaltgetriebe angeflanscht. Anstelle von Kraftstofftank und auch oft Reserverad wird die Traktionsbatterie verbaut. Sportliche Elektroautos mit hohen Fahrleistungen von deutlich über 200 Kilometern pro Stunde und Reichweiten von etwa 500 Kilometern, das heißt, vergleichbar zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, sind im oberen Preissegment angesiedelt.
Fahrzeuge mit supraleitenden Motorelementen benötigen natürlich entsprechende Kühlungen. Im Falle von Hochtemperatursupraleitern genügt zur Erzeugung des supraleitenden Zustands flüssiger Stickstoff, der bei minus 196 Grad Celsius siedet. Flüssigstickstoff wird industriell in großen Mengen zusammen mit Flüssigsauerstoff durch fraktionierte Destillation von flüssiger Luft hergestellt. Ausreichend isoliert von der Umgebungswärme kann Flüssigstickstoff in Isolierbehältern aufbewahrt und transportiert werden. Flüssigstickstoff ist somit eine kompakte und einfach zu transportierende Quelle von Stickstoffgas.
Seit Beginn des zweiten Jahrzehnts des dritten Jahrtausends beschäftigten sich Firmen mit der Entwicklung von Antrieben auf Supraleiterbasis. Anfangs beschäftigten sich die Hersteller vor allem mit Motoren, deren Rotor supraleitend ausgelegt war, denn durch ihn fließt Gleichstrom. Doch man erkannte, dass es Vorteile bringt, den Stator zu kühlen. Es stellte sich heraus, dass die befürchteten AC-Verluste gering blieben. Um das Verhalten von Autokarosserien zu testen, setzen sie die Hersteller auf Teststände. Alles, was sich im Bereich der Karosserie dreht, übernehmen Elektromotoren.
Unter anderem wurde ein Typ konzipiert, dessen Stator supraleitend ausgelegt ist. Zuvor wurden vor allem Motoren entwickelt, deren Rotoren gekühlt wurden. Ein erster 575-Newtonmeter-Motor mit 40 Kilowatt zeigte, dass die Kraftdichte um den Faktor zwei höher als bei konventionellen Motoren liegt. Bei gleicher Leistung verringert sich das Gewicht um 40 bis 60 Prozent, der Wirkungsgrad liegt bei 99,7 Prozent. Die Drähte der zweiten Generation werden dabei auf minus 196 Grad Celsius gekühlt. Als das einzige gravierende Problem, das es zu überwinden galt, stellte sich die Kryotechnik heraus. Der für die Kühlung erforderliche Aufwand stellte sich als beträchtlich heraus. Er liegt um den Faktor drei höher als für den Motor selbst. Die Speicherung von großen Strommengen in supraleitenden Spulen, wie in der Medizintechnik bereits praktiziert, wäre die Erfüllung von Träumen vieler Technologen. Hierzu sind Supraleiter, die statt mit Helium mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, potenzielle Kandidaten.
Wenn es gelänge, HTSL-Generatoren, die für die zur Verfügung stehenden Raummaße entsprechend miniaturisiert angepasst sind, zu entwickeln und zur Serie zu führen, könnte der Automobilsektor hiervon sprungartig profitieren. Doch bis es so weit ist, könnte es noch der Vergabe des einen oder anderen Physiknobelpreises für hierzu erforderliche Entdeckungen bedürfen.
Das Thema Elektromobilität, so wie es öffentlich diskutiert wurde, ließ mir in den Jahren ab 2015 keine Ruhe. Um ein Gedankenmodell vor dem Hintergrund meiner wissenschaftlichen und industriellen Tätigkeiten hinsichtlich möglicher Anwendungen der Koexistenz von Supraleitung und Ferromagnetismus, wie ich sie in meiner Dissertation aus dem Jahre 1982 vorgestellt hatte, zu erstellen, befasste ich mich detailliert mit der Idee der Machbarkeit eines supraleitenden Elektrofahrzeugs und seiner Realisierungspotenziale. Mir war nämlich aufgefallen, dass es eine Reihe von Veröffentlichungen gab, die sich auf supraleitende Elemente, die meines Erachtens nach geeignet erschienen, konzentrierten, auf denen aufbauend ich meine Idee eines supraleitenden Elektroautos konzipieren konnte.
Es lagen Berichte über die Realisierung von Elektromotoren mit Hochtemperatursupraleitern für Leistungen bis zu einigen Hundert PS vor. Kühlsysteme für flüssigen Stickstoff waren ebenfalls Stand der Technik wie auch eine Tieftemperaturtankanlage und Radnabenantriebe. Darauf zurückgreifend und mit einer entsprechend angepassten Konzeptsteuerung, wie man sie aus dem Bereich der Systemtechnik kennt, war der Weg zu meiner Konzeptidee für ein supraleitendes Auto gelegt.
Das Vorhandensein von Hochtemperatursupraleitern (HTSL), deren Kühlung mit flüssigem Stickstoff erfolgen kann, war mein Motiv, supraleitende Autos ins Visier zu nehmen. Meine Erfahrungen durch eine Reihe von Projekten wie unsere Kooperationsforen zu diversen Gebieten, in denen ich mich mit meinen Mitarbeitern durch die von uns eingeladenen Fachleute zu Kernelementen wie Kühlung von HTSL und Umgang mit flüssigem Stickstoff unterrichten ließ, untermauerten das.
Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die sich mit der Kühlungsthematik mit flüssigem Stickstoff beschäftigen, waren meine Quelle zum Stand der Technik. Flüssigen Stickstoff gewinnt man durch Luftzerlegung nach dem sogenannten Linde-Verfahren. Carl von Linde entwickelte 1895 die nach ihm benannte Methode zur Gastrennung, welche die Verflüssigung von Gasgemischen wie Luft und einzelnen atmosphärischen Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff und Argon in großen Mengen ermöglicht und so der Kälteerzeugung im Temperaturbereich von minus 196,15 Grad Celsius bis minus 173,15 Grad Celsius dient.
Die Firma Linde Gas ist führender Gasanbieter in Deutschland und Europa und produziert ihre Industriegase an einer Reihe von Standorten. Ein weiteres führendes Unternehmen im Bereich Gase ist die Firma Air Liquide. Kryobehälter sind von diesen Firmen ebenfalls beziehbar. Flüssigstickstoffbehälter werden in Form von Lagerbehältern und Transportbehältern von der Cryotherm GmbH & Co. KG in Kirchen/Sieg zur Verfügung gestellt. Supraleitende Elektromotoren wurden und werden von der im bayrischen Miltenberg ansässigen mittelständischen Firma Oswald Elektromotoren GmbH entwickelt und produziert. Radnabenantriebe, wie sie ursprünglich von Ferdinand Porsche zur Weltausstellung 1900 präsentiert wurden, werden heutzutage von der Firma Schaeffler mit beachtlichen Drehmomenten von bis zu 700 Newtonmetern angeboten.
Mein Vorschlag zur Umsetzung eines supraleitenden Konzeptfahrzeugs enthält fünf Bauelemente:
B1): Mikroprozessorbasierte Konzeptsteuereinheit
B2): Supraleitender Elektromotor
B3): Tieftemperaturkühlsystem
B4): Tieftemperaturtankanlage
B5): Radnabenantriebe
Diese Elemente stehen miteinander in konzeptionellen und funktionalen Interdependenzen in Verbindung. Der Stand der Technik der aufgeführten Elemente stellte sich