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Antrieb & Energieträger

"Volkswagen Antriebs- und Kraftstoffstrategie: Koexistenz der Antriebstechnologien"

Die Antriebs- und Kraftstoffstrategie weist den Weg zu einer CO2-neutralen und nachhaltigen Mobilität. Im Fokus – und im Verantwortungsbereich für uns als Konzern – ist mit jeder neuen Modellgeneration die Effizienzsteigerung aller Antriebe: den Verbrennungsmotoren, den Hybriden und Plug-In-Hybriden, den reinen Elektrofahrzeugen, und gegebenenfalls zukünftig der Brennstoffzelle. Das Portfolio aus unterschiedlichen Antrieben wird sich dabei stark vergrößern. Was aber ist der Schlüssel zum Durchbruch nachhaltiger Mobilitätskonzepte? Ganz klar: Der Fokus richtet sich auf die Kunden und ihre zunehmend individualisierten Bedürfnisse. Denn die Kunden müssen die neuen Technologien akzeptieren und bereit sein, dafür einen angemessenen Preis zu zahlen. Um für sie immer die richtige Lösung anbieten zu können, ist eine Koexistenz der „klassischen“ Antriebe und der Elektromobilität der richtige Weg.

Als globaler Hersteller und vor dem Hintergrund unterschiedlichster länderspezifischer Förderszenarien und Bedingungen arbeitet der Konzern daran, für jeden Kunden exakt die Mobilität bereitzustellen, die er benötigt – und gleichzeitig auch in ökologischer Hinsicht die Nummer Eins zu werden.

Eine wichtige Rolle im Antriebsportfolio spielen Erdgasfahrzeuge. Sie stoßen aufgrund der chemischen Kraftstoffeigenschaften per se etwa 25% weniger CO2 aus als Benziner – die Kunden erleben dies bei Angeboten vom eco up! bis zum A3 g-tron. Bei den klassischen Antrieben hat die Einführung der BlueMotion Technik in TDI und TSI-Motoren, haben Leichtbau, Motormanagement und Aerodynamik in Verbindung mit dem DSG-Getriebe den Verbrauch bereits massiv gesenkt – seit dem Jahr 2000 um 30%. Und mit jeder neuen Generation werden die Fahrzeuge noch sparsamer.

Ergänzt werden die klassischen Antriebe um reine Elektrofahrzeuge wie den e-up! und den E-Golf, die lokal emissionsfrei sind und sich insbesondere für Kunden anbieten, die in Ballungsräumen im Alltag kurze Strecken zurücklegen. Die Möglichkeit, die Batterie zu Hause zum Beispiel per Wallbox aufzuladen, muss mittel- und langfristig um eine gute öffentliche Ladeinfrastruktur ergänzt werden. Hybride und Plug-In-Hybride verbinden das Beste zweier Welten, im Falle der Plug-In-Hybride hocheffiziente Verbrennungsmotoren mit einer elektrischen Reichweite von rund 50 Kilometern. In dieser Verbindung der Antriebskonzepte liegen für Volkswagen große Chancen: unseren Kunden aller Fahrzeugklassen eine für Lang- und Kurzstrecke gleichermaßen taugliche Elektrifizierung anzubieten, Vertrauen in die neue Technologie zu schaffen und der Elektromobilität so zum Durchbruch zu verhelfen.

„Der Fokus richtet sich auf die Kunden und ihre zunehmend individualisierten Bedürfnisse.“

Antriebskonzepte

Das Antriebskonzept stellt analog zum Fahrzeugkonzept den bestmöglichen technischen Kompromiss aus konkurrierenden Anforderungen an den Antrieb hinsichtlich Performance, Effizienz, Kundennutzen und Kosten dar.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Herausarbeitung der physikalischen Potenziale und Grenzen der einzelnen Komponenten wie Verbrennungsmotor, Elektromaschine, Getriebe, Batterie und Brennstoffzelle und Darstellung des technisch Machbaren im Gesamtkonzept für einem Zeithorizont nach 2030.

Im Fokus stehen die Steigerung der Effizienz, die Reduzierung der CO2-Emissionen und die Kompatibilität der Technologien zu nachhaltigen Energieträgern. Im Rahmen der Forschungsarbeiten zu Antriebskonzepten werden unterschiedliche Topologien betrachtet. Das Spektrum reicht von verbrennungsmotorischen Hybridkonzepten über PlugIn-Hybridarchitekturen bis hin zu reinen batterie- und brennstoffzellen-elektrischen Antrieben.

Mit den Methoden der Simulation und Konstruktion entstehen fahrzeugspezifische Entwürfe für alternative Antriebe, die mit neuen Betriebs- und Regelstrategien in präsentationfähigen Prototypen umgesetzt werden. Ein ganz erhebliches Potenzial liegt in der optimalen Nutzung der technologischen Möglichkeiten der Einzelkomponenten im optimalen Zusammenspiel von elektrischen und mechanischen Komponenten im Gesamtsystem Antriebsstrang .

Die Fahrzeuganwendung erstreckt sich von Kleinfahrzeugen über Mittelklasse und Oberklasse bis hin zum Sportwagensegment. Die physikalischen Zusammenhänge und Basistechnologien bieten die Grundlage für die Antriebskonzepte im leichten, mittleren und schweren Nutzfahrzeugbereich mit einer großen Bandbreite an Fahrprofilen und Einsatzzwecken.

Verbrennungsmotoren

Für die individuelle Langenstreckenmobilität hat der Verbrennungsmotor weiterhin eine zentrale Bedeutung, nicht zuletzt, weil er immer umweltfreundlicher und sparsamer wird. Gleichzeitig bleibt der Kundenanspruch an Fahrdynamik und Komfort bestehen. Volkswagen forscht dazu intensiv an Verbrennungsmotoren auf Basis innovativer Diesel-, Otto- und Gasbrennverfahren. Diese Verfahren profitieren von modernsten Abgasnachbehandlungs-, Thermomanagement-, Motormanagement- und Hybridsystemen mit dem Ziel, höchste Energieeffizienz bei ansprechender Fahrdynamik unter Einhaltung zukünftiger Emissionsanforderungen zu erreichen. Darüber hinaus werden die Triebwerke hinsichtlich Reibleistung und Gewicht mit Hilfe von neuen Werkstoffen und konstruktiven Ansätzen weiter optimiert.

Für diese vielfältigen Aufgaben werden spezielle Entwicklungsmethoden und Werkzeuge in den Bereichen Berechnung, Simulation, Versuchsplanung und Datenanalyse eingesetzt. Ziel ist es, die hochkomplexen Wechselwirkungen tiefer im Detail und gesamtheitlich zu erforschen, um die hybriden Antriebe für die Herausforderungen der kommenden Dekaden nachhaltig zu verbessern.

„Ziel ist es, die hochkomplexen Wechselwirkungen tiefer im Detail und gesamtheitlich zu erforschen, um die hybriden Antriebe für die Herausforderungen der kommenden Dekaden nachhaltig zu verbessern.“

Batterie

Volkswagen arbeitet intensiv an der Elektrifizierung des Antriebes. Ein zentraler Punkt ist die dabei das Batteriesystem.

Ein tiefergehendes Verständnis der Zellchemie ist bei Batterien von großer Bedeutung, um Themen wie Lebensdauer, Eigensicherheit, Energiedichte, Leistungsdichte, Temperaturabhängigkeit, und Kosten bewerten zu können. Unterschiedliche Batteriezellen werden in ihrer chemischen Zusammensetzung auf ihre Eignung für den elektrischen Antrieb untersucht. Die Arbeiten an den Batteriezellen umfassen dabei die Untersuchung, Potentialanalyse und Weiterentwicklung bereits verfügbarer Li-Ionen Zellen und ihren Materialien und zukünftiger Technologien wie Festelektrolytzellen, sowie die Ableitung eines physikalisch basierten Alterungsmodells. 

Zur Beurteilung der Batteriezellen und Zellmaterialien wird die Ausarbeitung, Anwendung und Standardisierung von Analysemethoden vorangetrieben. Die zur Anwendung kommenden Verfahren reichen von der elektrochemischen Charakterisierung im Prüfstand, über die Zellöffnung bis hin zur chemischen Analyse der einzelnen Zellbestandteile.

Beispielhaft seien hier die Methoden Impedanzspektroskopie, Ramanmikroskopie, Ionen- oder Gaschromatographie und optische Emissionsspektrometrie aufgeführt.

Eine große Herausforderung stellt ferner die Integration der Batterien in die Fahrzeugarchitekturen dar. Volkswagen forscht daher auch an Batteriesystemen, um die Integration von Batteriezellen in neue Fahrzeugkonzepte möglichst volumen-,  gewichts-, und kostenoptimiert  umzusetzen und für eine hohe externe Sicherheit der Batteriezellen zu sorgen. Es werden unter anderem neue Zellformate und neue elektrische Komponenten zum Aufbau von Batteriesystemen untersucht. Wichtig hinsichtlich der Entwicklung von neuen Batteriekonzepten für Hochenergie- und Hochleistungsanwendungen ist ein verlässliches Thermomanagement. 

Um die Kompetenzen hinsichtlich Fahrzeugzellen und besonders der Fertigungstechnik und Fertigungskosten  auszubauen, engagiert sich VOLKSWAGEN in dem Joint Venture VOLKSWAGEN VARTA Microbattery Forschungsgesellschaft.

Brennstoffzelle

Volkswagen arbeitet intensiv an der Elektrifizierung des Antriebes. Ein zentraler Punkt ist die kontinuierliche Weiterentwicklung der Batterie. Eine Herausforderung wird aber bestehen bleiben: Die Ladezeit.

Lade- bzw. Tankzeiten von 2 bis 3 Minuten wie beim Benziner oder Diesel sind beim batteriegetriebenen E-Auto nicht realisierbar. Vor diesem Hintergrund wird die Brennstoffzelle interessant. Sie arbeitet mit Wasserstoff, der ähnlich wie Erdgas in Tanks gespeichert wird und eine Reichweite von rund 500 km bei den HyMotion Modellen ermöglicht. 

Der Brennstoffzelle wird Wasserstoff aus den Tanks und Sauerstoff aus der Umgebungsluft zugeführt. Beide Stoffe reagieren mit Hilfe von Platin als Katalysator elektrochemisch und setzen dabei Strom für den E-Motor frei. Als „Abgas“ entsteht nichts anderes als reiner Wasserdampf.

Auf lange Sicht könnte die Brennstoffzelle zu einer weiteren Alternative der Elektromobilität werden. Letztlich ist das Brennstoffzellenfahrzeug eine andere Form der Elektromobilität.

2014 wurden auf der Messe in Los Angeles die Brennstoffzellen-Fahrzeuge der vierten Generation HyMotion4 vorgestellt. 

In der Forschung wird das Brennstoffzellensystem kontinuierlich weiterentwickelt. Ein zentrales Thema stellt dabei die Reduzierung der Edelmetallbeladung dar. Basis einer signifikanten Platinreduzierung ist ein tiefes Verständnis der Alterungsmechanismen. 

Mit diesem Wissen werden alle Bauteile des Systems weiter optimiert und ein robustes und kostenoptimiertes Brennstoffzellensystem ermöglicht.

„Auf lange Sicht könnte die Brennstoffzelle zu einer weiteren Alternative der Elektromobilität werden.“

Energieträger

Eine grüne, umweltschonende Mobilität ist ein fester Bestandteil in der Verantwortung von Volkswagen. Darum sollen unsere Fahrzeuge quasi CO2-frei werden. Da der Kraftstoffverbrauch von Verbrennungskraftmaschinen nur in begrenztem Maße reduzierbar ist, spielen erneuerbare Energieträger eine wichtige Rolle. 

Deshalb werden bei Volkswagen erneuerbare Energieträger mit ihren Herstellprozessen und ihren Anforderungen an die zukünftige Infrastruktur bewertet. Hierzu werden Potentiale und Kosten zukünftiger regenerativer Energieträger ermittelt und in Energieszenarien überführt. Wirkungsgrade unterschiedlicher Antriebe unter Einbeziehung der Herstellung der Energieträger werden gegenübergestellt und es erfolgt die Bewertung deren Speichertechnologien (z.B. Power-to-Gas, Wasserstoff).

Die abgeleiteten Erkenntnisse aus den Szenarien und Prognosen fließen in die Volkswagen Antriebs- und Kraftstoffstrategie ein. 

Dieses Thema ist Bestandteil der Volkswagen Konzernforschung, um die Machbarkeit zu studieren und nicht Serienumfang, bzw. ist derzeit kein Einsatz in Serie geplant.