Move Institut

Wir bauen ein Leicht-Fahrzeug mit minimalem Luftwiderstand.

Prototyp A1

Die für ein Fahrzeug benötigte Energie ergibt sich aus vier Fahr-Widerständen, die überwunden werden müssen:

1. Luftwiderstand
2. Rollwiderstand
3. Steigungswiderstand
4. Beschleunigungs-Widerstand

Beim PKW wird über 50 km/h der Luftwiderstand zur entscheidenden Größe, denn er steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, der Rollwiderstand dagegen nur linear; beim Fahrrad bereits bei 15 km/h.
Steigung und Beschleunigung sind vorübergehend; ihre Energie wird zudem im Fahrzeug gespeichert - potentiell oder kinetisch - und kann nach dieser Phase wieder als Schwung genutzt oder in elektrische Energie zurückverwandelt werden: Rekuperation

Dreel

Der Luftwiderstand errechnet sich aus der Stirnfläche - anschaulich: die Größe des Schattens - multipliziert mit dem Luftwiderstands-Beiwert (cw). Der cw-Wert hängt davon ab, welche Wirbel die Fahrzeug-Hülle verursacht - ideal ist ein Tropfen mit einem cw-Wert von 0,02, ein Pinguin hat 0,03, eine Kugel 0,45, eine rechteckige Platte 2,0.
Bei PKW wurde der Wert bis in die 1990er stetig verbessert, danach schien nicht mehr viel Optimierung möglich zu sein. In der gleichen Zeit stieg das Gewicht neuer PKW immer weiter an, während die Stirnfläche mit etwa 2m² recht konstant blieb.

Der Trend zum Sport Utility Vehicle (SUV) brachte eine Wendung. Die Stirnfläche (A) stieg nun - demonstrativ - an, verursacht durch allerlei sozio-kulturelle Motive - vom Golf VI mit etwa 2,2 m² Stirnfläche zum Range Rover mit 3m²; ein Mensch auf einem Sitz hat etwa 0,6m², auf dem Boden sitzend 0,4m². Durch die Kastenform der SUV entstehen zudem mehr Turbulenzen, sodass der cw-Wert wieder zunimmt. Der Golf kam mit cw 0,3 auf ein cw*A von 0,66, der Rover schiebt sich mit 3,0 * cw 0,37 = cw*A 1,1 durch die Landschaft, und auch ein aktueller Smart hat mit 0,85 einen erstaunlich hohen Wert.

Bei Verbrenner-PKW ist der Treibstoffverbrauch lange schon eine wichtige Größe, weil er - jedenfalls bei EU-typischen Steuern - über die typische Lebensdauer eines PKW die größten Kosten ausmacht. Durch immer effizientere Motoren - Einspritzung, Verdichtung, Ventilsteuerung, Elektronik - konnte der Wirkungsgrad stetig gesteigert werden, von anfangs ~10 auf inzwischen bis zu 42 Prozent unter idealen Bedingungen. Diese Entwicklung geriet wiederum seit etwa 2000 durch die Verschärfung der Abgas-Regelungen unter Druck; siehe Dieselskandal.

Konstruktiv kann steigender Verbrauch aber ganz einfach kompensiert werden - durch größere Tanks. Denn die Energiedichte von Benzin, Diesel oder Erdgas liegt mit 40..50 MJ/kg so hoch, dass Masse und Volumen des Tanks keine kritische Größe darstellen.

Bei Elektro-Fahrzeugen (BEV) sieht das anders aus - die aktuellen Batterien mit der höchsten Energiedichte, basierend auf Lithium, erreichen etwa 700 kJ oder 200 Wh pro Kilogramm - ein Sechzigstel der Verbrenner. Der Wirkungsgrad des Antriebs liegt zwar Faktor 5 bis 10 über jenem eines Verbrenners, es bleibt jedoch immer noch Faktor 6 bis 12, was Masse, Abmessungen und Reichweite zur zentralen Herausforderung von BEV macht.

Weiterer Grenzwert der BEV-Ökonomie ist die begrenzte Zyklenzahl der Lithium-Zellen, die Zahl der Ent-/Lade-Vorgänge, nach der ein deutliches Absinken der Kapazität auftritt. Zellen-Hersteller geben diesen Wert - typisch bezogen auf 80% Restkapazität - traditionell mit 1.000 an. Aber schon die Aufzeichnung der Zyklen bei Laptop-Akkus verdeutlichte den Optimismus dieser Zahl - real wird meist gerade die Hälfte erreicht.
Durch die hohe Ladungsdichte werden die chemischen Verbindungen schnell abgebaut, hinzu kommen unvermeidliche Ausfälle (catastrophic failure) einzelner Zellen. Der 'Verschleiss' einer LiIon-Batterie steigt zudem jeweils, wenn einer der Leistungsparameter ausgeschöpft wird: Kapazität, Leistung, Schnell-Ladung und auch Kalenderzeit und ungünstige Temperaturen.
Die begrenzte Lebensdauer ist damit wesentlicher Kostenfaktor von BEV. Dies wird auch im Rahmen des metacell Projekts betrachtet: Zahlenspiele.

Der US-Hersteller Tesla antwortet auf diese Lage mit einer simplen Idee: Lasst uns soviele Zellen in ein Auto packen, dass eine Batterie für die typische Gesamt-Fahrleistung des Erstbesitzers ausreicht. Das ergab dann 90 kWh, die bis etwa 2015 grob 50$ct/Wh kosteten - also allein 45.000$ für die Zellen, ohne die Technik darum herum. Ein Tesla-S rückte damit zwangsläufig ins Premium-Segment, und wurde dann auch so vermarktet. Stirnfläche und Masse liegen mit 2,3 m² und 1,8 Tonnen hoch, entsprechen aber dem Segment und fielen daher nicht weiter auf. Die 90 kWh erlauben bei 20 kWh/100 km (auf US-Highways) etwa 450 km, was selbst bei nur 500 Zyklen 225.000 km oder 140.000 Meilen Gesamtfahrleistung ergibt - ganz im Rahmen des üblichen.
Diesem Konzept folgten im Kern ab 2020 auch deutsche Automobilhersteller, mit Modellen wie Porsche Taycan, Audi e-tron oder VW ID.3, deren Vertrieb politisch durch großzügige Prämien angeschoben wird. Letzterer hat einen cw-Wert von 0,27, ergibt bei 2,3 m² Stirnfläche einen recht hohen cw*a von 0,62.

Demgegenüber wurden die Grundparameter des Dreel ganz anders gesetzt:

• Platz, Komfort, Fahrleistungen, Design und andere etablierte Größen werden zurückgestellt, stattdessen alles auf die Senkung des Luftwiderstands ausgerichtet, der wesentlichen Energie-Senke beim Individualverkehr.
• Die Stirnfläche wird beim Liegen deutlich kleiner, den Kopf gerade so hoch, dass man über die Füße sehen kann - siehe Bobsport.
  Zielwerte: Stirnfläche 0,6 m², cw 0,25 = cw*A 0,15.
• Drei Räder - zwei vorn, ein angetriebenes hinten - sind aerodynamisch ideal, durch die Nähe zur Tropfenform.
  Ein Zweirad ist zwar schmaler, muss aber den Schwerpunkt höher bauen, um akzeptabel um Kurven zu fahren, was zusammen mit Turbulenzen einen ungünstigeren cWa-Wert als ein Dreel ergibt.
• Der Fahrer sitzt mit Helm unter freiem Himmel, da eine geschlossene Kabine (Energie-)aufwändig belüftet werden müsste
• Ein Dreel ist kein Sportfahrzeug. Zwei- und Vierräder erreichen typisch höhere Kurvengeschwindigkeiten, zumal für Leichtfahrzeuge optimierte Reifen bisher nicht angeboten werden; und diese lassen sich nicht in Kleinserie herstellen.

• Ein Dreel der Klasse L5e soll auf der Autobahn fahren, denn viele Ziele sind in der EU nur so sinnvoll erreichbar. Auf der rechten Spur sind 90 km/h üblich, wenn man nicht zum Hindernis werden will - auch an Steigungen (auf Autobahnen maximal 8%).
  Die Höchstgeschwindigkeit wird auf 120 km/h begrenzt, auf ebener Strecke genug zum Überholen von LKW.
  • Motorleistung - für 80 km/h reichen bei cw*A 0,20 bescheidene 2 kW, bei 90 sind es 2,65 kW.
  • Masse - kritisch bei Steigungen. Bei 300 kg und 8% braucht es dann zusätzliche 5,9 kW.
  • 10 kW Antriebsleistung reichen somit für die meisten praktischen Fahrbedingungen aus.
  • Leichtbau ist allein wegen der Steigungen angezeigt, ist aber bei dem geringen umbauten Raum mit - im Vergleich zum PKW ebenso wie Zweirad - kurzen Hebeln und kleinen Kräften auch gut realisierbar; Zielwert ohne Passagiere: 150 kg
  • Reichweite: 100 km reichen für Pendler, und bei 90 km/h braucht es dafür nur 2,65 kWh; 4 kWh liefern genug Puffer, ermöglichen einen kleineren Ladehub und damit höhere Zyklenzahl. Optional passt auch höhere Akku-Kapazität bis 10 kWh ins Fahrzeug.
  • Zwei Menschen können transportiert werden - hintereinander, denn Länge kostet beim Luftwiderstand (fast) nichts.
  • EU-Führerscheinklasse A1, ab 16 Jahren, wie für Motorräder bis 125 cm³

• Aktuell (2021 ff) wird die Entwicklung des Dreel-45 betrieben, der in der Klasse L2e maximal 45 km/h erreicht, dabei bessere Beschleunigung und Steigleistung bietet als ein Verbrenner (-Zweirad) dieser Klasse, bei weniger Verbrauch und besserem Unfallschutz als E-Zweiräder.
  • Bei 45 km/h braucht es etwa 500 W zur Überwindung von Luft- und Rollwiderstand
  • Maximal-Leistung 3 kW, die für Beschleunigung, Steigungen und bei Gegenwind abrufbar sind
  • Fahrzeug-Gewicht ~35 kg plus Batterie, je nach Kapazität und Technik 5 .. 15 kg
  • Reichweite 80 bis 150 km bei 45 km/h, je nach Batterie-Kapazität
  • Bessere Sturz-Sicherheit und Unfallschutz als ein Zweirad
  • EU-Führerschein Klasse AM, fahrbar ab 16, in einigen Ländern auch 15 Jahren

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