GRUNDIDEE
Wie aus mehreren Umfragen bekannt ist, fährt der durchschnittliche Autonutzer täglich 50–100 Kilometer und unternimmt nur selten längere Reisen. Die Herstellung eines für alle Zwecke geeigneten Elektrofahrzeugs (EV) ist daher widersprüchlich. Wenn ein Akku mit hoher Kapazität (der also auch für lange Strecken ausreichend Energie speichern kann) in das Auto eingebaut wird, ist dieser teuer, schwer und belastet in der Mehrheit der Nutzungsszenarien unnötig das Fahrwerk, die Reifen und die Motoren. Bei einem kleinen Akku hingegen müssen auf langen Autobahnfahrten (z. B. im Urlaub) häufiger als gewünscht Ladepausen eingelegt werden. Dieses Problem ist in EV-Kreisen seit langem bekannt. Beispielsweise versucht Tesla beim Cybertruck mit einer auf die Ladefläche montierbaren, großen und schweren (ca. 50 kWh Kapazität) Zusatzbatterie (Range-Extender) die Autobahnreichweite zu verbessern.
Man könnte annehmen, dass dieses Dilemma automatisch gelöst wird, wenn – wie viele in naher Zukunft erwarten – Akkus mit höherer Energiedichte entwickelt werden, die zugleich günstiger, leichter und sicherer sind. Zahlreiche Nachrichtenkanäle betrachten Feststoffbatterien als den „Heiligen Gral“. Wer sich jedoch tiefer in die wissenschaftliche Literatur zur Batterieforschung einarbeitet, kommt meist zu dem Schluss, dass die zu verbessernden Parameter von Akkus in gegensätzlichen Richtungen liegen. Wenn beispielsweise die Energiedichte eines Akkus verbessert wird, verschlechtert sich oft die Ladeleistung oder die Lebensdauer, während die Herstellung erheblich komplexer (und teurer) wird. Wenn es gelingt, die Kosten eines Akkus zu senken, verschlechtert sich in der Regel die Energiedichte und die Ladeleistung. Ich verfolge dieses Forschungsfeld seit Jahren, und obwohl fast wöchentlich Artikel mit Titeln erscheinen, die einen „großen Durchbruch“ suggerieren, sind die tatsächlichen praktischen Fortschritte eher gering. Die seit mindestens 10 Jahren bekannte NCM-Chemie weist nach wie vor die höchste Energiedichte auf. Die vor drei Jahren als großer Durchbruch angekündigte LFP-Chemie ist zwar günstiger, hat aber eine geringere Energiedichte. Die neuesten Natrium-(Salz-)basierten Akkus, die viel Aufmerksamkeit erhalten, werden noch günstiger, aber auch noch weniger energiedicht sein. Experimentelle Silizium-Nanostruktur-Akkus zeigen eine erhebliche Steigerung der Energiedichte, sind jedoch extrem teuer in der Herstellung und haben eine stark begrenzte Lebensdauer. Daher glaube ich, dass das im Einleitungsteil skizzierte Problem auch in Zukunft bestehen wird und es sich lohnt, über eine langfristige Lösung nachzudenken.
Die hier vorgestellte Idee bietet eine Lösung für das durch das Dilemma zwischen großem und kleinem Akku entstandene Problem.
[1] NACS
[2] Schwanenhals
[3] Seitenkamera
[4] Rückleuchten
[5] E-Motor-Generator
[6] Rad
UMSETZUNG DES RANGE-EXTENDER-AKKUS ALS ANHÄNGER
Ein Range-Extender-Akku könnte auch als eigenständiger Anhänger realisiert werden. In einem mittelgroßen Anhänger könnte ein Akku mit erheblicher Kapazität untergebracht werden. Auf der Oberseite könnte zusätzlicher Stauraum geschaffen werden. Um eine gute Aerodynamik zu gewährleisten, wäre es sinnvoll, die Ladefläche des Anhängers mit einem stromlinienförmigen, öffnenden/schließenden Deckel auszustatten, ähnlich wie bei Dachboxen. Dieser Anhänger könnte an größeren Ladestationen gemietet, ausgetauscht oder zurückgegeben werden. Wer jedoch häufig Langstrecken fährt, könnte natürlich auch einen eigenen Range-Extender-Anhänger (RET) kaufen. Die Reservierung des RET, die Zahlung der Mietgebühr und der Kosten für den verbrauchten Strom könnten über bereits etablierte Apps abgewickelt werden.
Da das Ziel die Verlängerung der Autobahnreichweite ist, wäre der RET mit eigenen Elektromotoren ausgestattet, sodass er das Zugfahrzeug nicht belastet und sogar aus seinem eigenen Akku das ziehende Elektrofahrzeug mit Strom versorgen könnte. Der Anhänger würde nicht auf herkömmliche Weise, sondern über eine neu zu entwickelnde „Schwanenhals“-Kupplung fest mit dem Zugfahrzeug verbunden werden. Für die Übertragung von Energie und die notwendige Kommunikation erscheint Teslas eigener Anschlussstandard (NACS) geeignet. Aufgrund des Gewichts der Akkus wäre der Anhänger schwer, weshalb ein hochwertiges Fahrwerk und eine entsprechend programmierte Steuerelektronik sicherstellen könnten, dass er auch bei hohen Geschwindigkeiten (bis zu 130 km/h) stabil bleibt, ohne zu schwingen, zu hüpfen oder zu resonieren. Durch aktiv angetriebene und gebremste Räder könnte das bei Anhängern gelegentlich auftretende „Aufbäumen“ (Jackknifing) verhindert werden. Die Nutzbarkeit der Idee hängt stark davon ab, dass die Behörden die höhere zugelassene Geschwindigkeitsgrenze dieses Anhängers prüfen und genehmigen.
Der Anhänger wäre mit Rück- und Seitenkameras ausgestattet, sodass der Fahrer beim Ziehen über diese Kameras sehen könnte, was sich hinter und neben dem Anhänger befindet. Die beiden Räder des Anhängers würden jeweils separate Motoren erhalten, wodurch beim Rückwärtsfahren in jede beliebige Richtung (bzw. entsprechend dem Lenkwinkel des Zugfahrzeugs) gelenkt werden kann (z. B. indem ein Rad vorwärts und das andere rückwärts angetrieben wird). Dies erleichtert das Rückwärtsfahren mit einem solchen Anhänger erheblich, da die Richtung und der Winkel der Kurve nicht durch die relative Position von Zugfahrzeug und Anhänger bestimmt werden.
Dieser Anhänger wäre auch eine hervorragende Grundlage für die Herstellung anderer aktiver (das Zugfahrzeug minimal belastender) Wohnwagen. Ein Wohnwagen mit einem großen internen Akku wäre nicht nur beim Ziehen vorteilhafter, sondern könnte auch beim „Boondocking“ (Parken abseits von Stellplätzen) Strom ohne Dieselgeneratoren liefern. Wenn die größeren Flächen des Wohnwagens mit Solarmodulen bedeckt wären, könnte der Akku auch wieder aufgeladen werden.
GESCHÄFTSMODELL
Neben den derzeitigen Ladestationen an stark frequentierten Routen könnten RET-Stationen (Range-Extender-Trailer-Stationen) betrieben werden. Hier könnten die Anhänger gemietet und nach Gebrauch abgegeben werden. Während die RETs auf den nächsten Mieter warten, könnten sie mit Solarzellen oder dem vorhandenen Stromnetz der Ladestationen aufgeladen werden. Da die RETs über eine erhebliche Akkukapazität verfügen, könnten sie bei Bedarf zusätzlichen Strom für die normalen Ladegeräte bereitstellen. Somit könnten sie die Belastung des Stromnetzes für den Betreiber der Ladestation ausgleichen, was eine geringere gebundene Kapazität (und damit Kostensenkung) bedeutet.
Beispielsweise beträgt der Marktpreis eines 150-kWh-LFP-Akkus etwa 10 000 EUR. Ein einfacher Anhänger kostet 2000 EUR. Ein solcher aktiver RET mit zwei Motoren und Sensoren wäre natürlich teurer (z. B. 5000 EUR). Die Kosten für Reifen für 200.000 km betragen etwa 1000 EUR. Somit belaufen sich die Gesamtbetriebskosten des Vermieters für 200.000 Kilometer auf etwa 20 000 EUR.
Wenn der Betreiber erwartet, dass die Mietgebühr den vollen Preis des RET über diese Distanz deckt, ergibt sich eine Mietgebühr von etwa 12.5 EUR pro 100 km. Der Preis für die mitgeführte 150 kWh Strommenge könnte z. B. zu 0.5 EUR/kWh für den Nutzer verkauft werden, was bei einer vollen Ladung Stromkosten von 75 EUR ergibt. (Die Differenz zwischen Einkaufs- und Verkaufspreis des Stroms ist erheblich, was die Amortisationszeit deutlich verbessert.)
BEISPIELANWENDUNG
Nehmen wir an, dass die Infrastruktur für die RET-Vermietung mindestens so gut ausgebaut ist wie das Ladenetz für Elektroautos in Westeuropa. In dieser zukünftigen Umgebung plant eine Familie einen einwöchigen Urlaub in 1.300 km Entfernung mit ihrem Tesla Model Y. Der 75-kWh-Akku des Fahrzeugs begrenzt die Länge der Autobahnetappen. Selbst im besten Fall (bei einem Verbrauch von 25 kWh/100 km) sind Etappen von 250–270 km möglich, was 4–5 Ladestopps ergibt.
Vor der Abfahrt reserviert der Fahrer online ein 150-kWh-RET, das an einer (<20 km entfernten) Ladestation entlang der Route abgeholt wird. Am Abreisetag wird der RET an der bei der Buchung bestätigten Ladestation am Haus angeschlossen (und ggf. das Fahrzeug noch auf 100 % geladen), dann beginnt die Reise. Der Anhänger ist flach und stromlinienförmig, erhöht aber dennoch leicht den Gesamtverbrauch. Daher rechnen wir mit einem Autobahnverbrauch von 30 kWh / 100 km. Mit einer Gesamtkapazität von 75 kWh + 150 kWh ergibt sich eine Reichweite von 700–750 km. (Hoffentlich kommt die Familie mit den langen Pinkelpausen gut zurecht 😊.)
Ein längerer Stopp ist erforderlich, um das Auto zu laden und den RET auszutauschen (oder zu laden). Mit der aktuellen Technologie dauert dies etwa 40 Minuten, in denen die Familie zu Mittag essen kann. (Die Zeit ist knapp, daher wäre es sinnvoll, das Mittagessen online vor der Ankunft an der Ladestation zu bestellen.) Das Elektrofahrzeug, der RET und die Passagiere sind „aufgetankt“, und die Reise kann fortgesetzt werden.
In der Nähe des Ziels (und des Rückgabepunkts des RET) überträgt der Fahrer unterwegs die verbleibende Energie des RET in das Fahrzeug. Die Rückgabe des RET ist somit nur ein kurzer administrativer Vorgang.
Die Familie urlaubt an einem Ort mit Ziel-Ladegeräten, sodass sie auch die kleineren Ausflüge während des Urlaubs mit ihrem vertrauten Fahrzeug machen können. Die Rückreise beginnt ähnlich mit der Anmietung und dem Anhängen eines RET.
Die Gesamtkosten für die Hinreise über 1.200 km betragen 312.5 EUR. Dies entspricht etwa dem Preis eines Benzinverbrauchs von ~16 L/100 km. Das ist doppelt so viel wie der Autobahnverbrauch eines modernen Benzinfahrzeugs. Allerdings verursacht ein Benzinfahrzeug im täglichen Gebrauch deutlich höhere Kosten als ein zu Hause geladenes Elektrofahrzeug.
Eine Alternative für die Familie wäre, für diese lange Reise ein Benzinfahrzeug zu mieten. Angenommen, die tägliche Mietgebühr beträgt etwa 50 EUR und der Verbrauch liegt bei 8 L/100 km. Ohne lokale Fahrten betragen die Gesamtkosten für den Urlaub 737.5 EUR (337.5 EUR Treibstoff + 400 EUR Mietgebühr), was immer noch mehr ist als die Gesamtkosten von 625 EUR für EV + RET.
[7] 800-V-Aktivkühlkabel
[8] Gummierte Außenhülle
[9] Schwanenhals-Wirbelelemente
[10] Befestigungsstift
SCHWANENHALS
Der Schwanenhals ist eine flexible Stange, die im vorderen Teil des Anhängers eingebaut ist und starr (aber lösbar) mit dem Zugfahrzeug verbunden wird. Es handelt sich um eine mechanische Lösung, die einer Wirbelsäule ähnelt und das darin verlaufende Hochspannungskabel schützt. Der Schwanenhals besteht aus wirbelartigen Metallelementen und ist von einer flexiblen Außenhülle umgeben, die ihn vor Verschmutzung schützt.
Er ermöglicht nicht nur den Energiefluss (mit einer maximalen Leistung von 40 kW), sondern auch den bidirektionalen Informationsfluss. Er kann die Videosignale der Kameras des Anhängers sowie den Status des RET an das Zugfahrzeug übermitteln. Außerdem kann er Befehle vom Zugfahrzeug empfangen, die das Antriebs- oder Bremsverhalten der einzelnen Räder oder die Steuerung der Rückleuchten betreffen.
Der Schwanenhals erlaubt Bewegungen mit drei Freiheitsgraden:
• Vertikal: ca. ±40 Grad Bewegung.
• Horizontal: ca. ±70 Grad Bewegung.
• Verdrehung: ca. ±50 Grad.
Das vordere Ende des Schwanenhalses wird an einen lösbaren Anschluss an der Rückseite des Elektrofahrzeugs angeschlossen.
• Mechanisch: Die Verbindung zwischen Zugfahrzeug und Schwanenhals ist starr. (Im Gegensatz zur Kugelkopfkupplung eines herkömmlichen Anhängers erlaubt sie keine Bewegung.)
• Elektronisch: Das Zugfahrzeug muss mit einem Anschluss ausgestattet sein, der dem NACS-Standard sehr ähnlich ist.
[11] Flexibler Gummibalg
[12] BMS + Steuerelektronik
[13] „Dachbox“-Deckel
[14] 100 – 150 kWh akku – 100–150 kWh Akku
[15] Hátsó lámpa – Rückleuchte
[16] Töltőfedél – Ladeklappe
[17] Hűtőborda – Kühlrippe
AUFBAU DES RET:
• Das mit Grün markierte Gebiet ist der Platz für den Akku.
• Der hellblaue Bereich (unter dem öffnenden/schließenden Dachbox-Deckel) ist der Stauraum, in den der Mieter/Eigentümer frei packen kann.
• Der RET verfügt über ein aktives Batteriemanagementsystem und Steuerelektronik, die mit der Elektronik des Zugfahrzeugs verbunden sind, um eine stabile Fahrt und Lenkung zu gewährleisten.
• An der Unterseite (türkisfarben markiert) befinden sich Kühlrippen, die für die thermische Stabilität des internen Flüssigkeitskühlsystems erforderlich sind. Über diese Oberfläche kann der Anhänger Wärme abgeben oder aus der Umgebung aufnehmen.
• Der RET ist mit zwei aktiven Rädern (die sowohl antreiben als auch bremsen können) ausgestattet, die mit Schwingarmen und Dämpfung versehen sind.
Beim Öffnen der Ladeklappe werden die Ladeanschlüsse zugänglich (in Europa CCS, in den USA NACS). Es wäre sinnvoll, auch eine RET-Version herzustellen, die bidirektionales Laden ermöglicht. Ein solcher Anhänger könnte einen Haushalt für bis zu eine Woche mit Energie versorgen. Dadurch könnte auch die Energieversorgung von Gebäuden ohne Anschluss an das Stromnetz gewährleistet werden.