Voiture propre: le nouveau plan Hayek

Exclusif. La pile à combustible est l’avenir de l’automobile. Dix ans après la Smart, Nicolas Hayek et ses partenaires veulent positionner la Suisse en pointe des énergies propres. Par Bruno Giussani et Alain Jeannet.

(Cet article peut aussi être téléchargé ici en format PDF)

Décidément, Nicolas Hayek ne renonce jamais. On savait qu’il jouait, depuis son retrait de l’aventure Smart, avec l’idée d’un moteur révolutionnaire. Le voici enfin, son nouveau plan: la production de voitures propres, fonctionnant grâce à une pile à combustible (PAC). Ses partenaires: l’entreprise d’électricité fribourgeoise Groupe E et les Ecoles polytechniques fédérales – plus spécifiquement l’Institut Paul Scherrer. Une société commune devrait être créée ces prochains jours. Son nom? Il reste à trouver. L’actionnaire majoritaire? Nicolas Hayek. «Regardez par la fenêtre, explique le légendaire entrepreneur. Le climat est devenu fou. Parce que l’homme n’a pas su soigner sa planète. Parce qu’il n’a pas compris la responsabilité qui est la sienne. Je veux faire tout ce qui est en mon pouvoir pour accélérer le développement des énergies alternatives et renouvelables. En Suisse comme partout dans le monde, nous allons beaucoup trop lentement.»

Combien Swatch Group, Nicolas Hayek (à titre privé) et ses partenaires vont-ils investir ensemble dans cette entreprise? Dans un premier temps, une somme relativement modeste en regard de l’ambition du projet. Soit entre 20 et 30 millions de francs. Quand ces automobiles vertes seront-elles disponibles sur le marché? Et quelle allure auront-elles? Trop tôt pour le dire. Surtout, le fondateur et président du géant horloger n’envisage pas, cette fois, de construire l’entier du véhicule. Il a tiré les leçons de son difficile partenariat avec DaimlerChrysler et préfère se concentrer sur la fabrication d’un moteur qui sera vendu aux grandes marques automobiles, ou aux futurs constructeurs. Il précise: «Cette technologie existe depuis plusieurs années. Le problème? Elle reste extrêmement onéreuse et peu fiable.» L’objectif consiste donc à faire baisser le coût de revient d’un moteur (actuellement plus de 50 000 francs) à moins de 10 000 francs. Et à le rendre plus résistant.

A L’HORIZON 2010

C’est là qu’intervient l’Institut Paul Scherrer. Les chercheurs zurichois ont développé une technologie PAC particulièrement performante, d’ailleurs déjà testée sur un autre projet avec le fabricant de pneus Michelin celui-là, dont un prototype a été exposé au Forum des 100. Il s’agit maintenant, grâce au savoir-faire et à l’expérience de Nicolas Hayek, de Swatch Group et de l’entreprise Hayek Engineering, de passer, par étapes, au stade de la production industrielle et de la commercialisation. Horizon 2010.

Bien sûr, Swatch Group et ses partenaires ne sont pas les seuls sur le coup – tous les grands constructeurs automobiles travaillent sur leur version d’une voiture fonctionnant sur le principe de la pile à combustible. Ce qui différencie le projet Hayek, c’est qu’il intègre la problématique du ravitaillement en carburant. Le nerf de la guerre, puisque la grande faiblesse des piles à combustible, c’est l’approvisionnement en hydrogène: de grandes quantités d’énergie sont nécessaires pour le produire à partir de l’eau (lire l’encadré).

La beauté et l’originalité du projet Hayek, donc? Grâce aux développements des ingénieurs du Groupe E et au dynamisme de son patron, Philippe Virdis, la nouvelle société n’offrira pas seulement des moteurs automobiles, mais aussi un système d’électrolyse permettant de séparer l’eau en hydrogène et en oxygène, les carburants nécessaires au fonctionnement de la pile à combustible. Et, pour alimenter cet appareil, une installation de panneaux photovoltaïques fixée, par exemple, sur le toit de la maison. En résumé, l’énergie d’origine solaire, combinée à l’eau, permet de faire rouler des voitures sans aucune émission de CO2. La boucle écologique est bouclée.

L’ATOUT DE LA SUISSE

Mais attention: l’ambition de Hayek, Virdis & Co. n’est pas seulement d’appliquer cette technologie à l’automobile. En effet, le même procédé peut être utilisé pour satisfaire les besoins en électricité d’un ou de plusieurs ménages. Objectif: développer et commercialiser une espèce de minicentrale. «Et la faire tenir, à terme, dans un volume équivalent à celui d’une machine à laver le linge», explique Philippe Virdis (un électrolyseur aujourd’hui occupe la taille d’un garage). Un pas de plus est franchi, qui nous rapproche d’une production décentralisée de l’énergie! Qu’il s’agisse de faire fonctionner un fer à repasser, un poste de télévision, un ordinateur... Ou de remplir son réservoir.

On l’ignore trop souvent: la recherche et l’industrie helvétiques sont bien armées pour jouer un rôle de pionnier dans le développement et la production de voitures de nouvelle génération. «Nous sommes à la pointe des technologies de la pile à combustible, souligne encore Alexander Zehnder, le président des Ecoles polytechniques. Et nous devons tout faire pour conserver cette avance.» Il y a plus: l’industrie helvétique exporte déjà chaque année pour 7 milliards de francs de composants automobiles, la plupart à forte valeur ajoutée, sans pourtant abriter de grandes marques. Ce qui lui assure cet avantage précieux: contrairement à ce qui se passe dans d’autres pays, l’introduction de technologies d’avant-garde ne se heurte pas au lobby des constructeurs automobiles établis et à leur réticence à adopter les idées les plus audacieuses. «Si nous voulons vraiment inverser le cours des choses à l’échelle du globe, conclut Nicolas Hayek, il faut repenser de toute urgence et fondamentalement notre manière de nous déplacer. La façon aussi que nous avons de produire et de gérer l’énergie consommée quotidiennement. Je vous le dis: nous, les Suisses, nous sommes sans aucun doute les mieux placés du monde pour provoquer ce changement.»

(Publié dans L'Hebdo du 23 août 2007) 

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[Rédigé par : Hauert Ulrich]

Vision
Mai-07

Das Automobil der Zukunft.

Die Entwicklung des Automobils ist seit der ersten industriellen Produktion durch viele Neuerungen immer wieder verbessert worden. Trotzdem muss man feststellen, dass im Grossen und Ganzen die wesentlichen Elemente am Auto immer noch ähnlich sind wie sie im Ford Modell T zu beginn des 20. Jahrhunderts waren. Angefangen vom Ottomotor, Kupplung, Schaltgetriebe, Kardanwelle, Differenzial, Räder bis zu den Bremsen. Abgesehen vom äusseren Erscheinungsbild, sind in den allermeisten Autos von heute immer noch die erwähnten elementaren Bestandteile vorhanden. Seit rund 100 Jahren also ist das Automobil was den Antrieb betrifft, nahezu unverändert geblieben. Das ist doch einigermassen erstaunlich und wirft diesbezüglich einige grundsätzliche Fragen auf wie zum Beispiel:

Ist der Ottomotor im Auto als zentrales Antriebselement noch zweckmässig oder gibt es heute bessere Alternativen?

Sind das Schaltgetriebe und die Kupplung notwendig oder geht es auch ohne?

Ist das Differenzialgetriebe ein alter Zopf den es abzuschneiden gilt?

Ist es etwa intelligent wenn die Bremsen (als Energiewandler genauer als Wärmeerzeuger) immer noch für das Reduzieren der Geschwindigkeit verwendet werden müssen?

Wenn man jedes Autorad mit einer eigenen Bremse ausrüstet, liegt es nicht nahe, auch jedes Rad mit einem eigenen Motor anzutreiben?

All diese Fragen sind nicht neu und viele Tüftler und Ingenieure haben sich über die Jahre darangemacht endlich etwas zu bewegen. Leider sind viele gute Ideen zwar von den grossen Autokonzernen bestenfalls aufgekauft, aber leider nie industrialisiert worden. Man beschränkte sich dort immer wieder auf die Optimierung der „bewährten“ Elemente vermutlich weil die Risiken auf diese Weise am kleinsten und der finanzielle Gewinn für die Konzerne und die ganze Automobilbranche berechenbar und vor allem grösser waren.
Andererseits scheint es die allermeisten Autofahrer kaum zu interessieren wie die Autos im Detail gebaut sind. Wichtig sind ganz andere Kriterien wie zum Beispiel die zur Verfügung stehende Kraft oder die prestigeträchtige Erscheinung des Fahrzeugs. Möglichst gross, schwer und augenfällig teuer, sind leider heute hierzulande die Faktoren beim Kaufsentscheid. So genannte „Offroader“ zum Beispiel, sind für viele „Autofreaks“ so scheint es wenigstens, ein muss um entweder dabei zu sein oder je nach dem um sich von den anderen abzuheben. Das Geld scheint keine Rolle zu spielen denn die allermeisten dieser Strassenkreuzer werden auf Pump beschafft. Dabei ist es weder zweckmässig noch vernünftig mit einem tonnenschweren Geländefahrzeug auf längst befestigten und mit Belag versehenen Strassen zu fahren. Die Verkaufszahlen sind so hoch, dass die Autohersteller diesem blödsinnigen Trend Folge leisteten, nur um das gewinnträchtige Geschäft zu machen.

Der Lichtblick!

Nach über 100 Jahren industriellem Automobilbau hat Toyota, einer der grössten Automobilbauer endlich den Mut aufgebracht ein Auto nach ökologischen, umweltfreundlichen Gesichtspunkten zu konstruieren und auf den Markt zu bringen. Entgegen aller Modetrends und scheinbar unabhängig von dem üblichen Gewinnstreben, ist es Toyota gelungen, ein Auto mit hervorragenden ökologischen Eigenschaften zu bauen und sogar erfolgreich zu vermarkten.
Das Auto heisst Prius und ist mit einem raffinierten Hybridantrieb ausgestattet. Die erste Serie kam im Jahr 1998 in Japan auf den Markt. Inzwischen hat das Auto weltweit Erfolg. Seit 2002 ist die 2. verbesserte Version auf dem Markt und an der 3. Generation wird gearbeitet.

Nicht mehr der finanzielle Gewinn, die Modekriterien wie die grösstmögliche zur Verfügung stehende Kraft oder die prestigeträchtige Erscheinung waren die bestimmenden Kriterien sondern der möglichst geringe Energieverbrauch und die möglichst geringe Umweltbelastung.

Es ist kaum zu glauben dass es über 100 Jahre gedauert hat bis das schwere komplizierte Schaltgetriebe und die Kupplung endlich abgeschafft werden konnten. Der Prius hat keine Kupplung und kein Schaltgetriebe. Es geht also auch ohne!
Sogar ein Teil der Bremsenergie kann beim Prius zurück gewonnen werden um beim Beschleunigen erneut verwendet zu werden.
Es ist zu hoffen, dass Toyota die Entwicklung in diese Richtung weiter treibt und schon bald die nächste Generation auf den Markt bringt, welche hoffentlich in der Lage sein wird möglichst die ganze anfallende Bremsenergie abzuspeichern.

Der innovative Antrieb.

Ich hoffe dass es den Konstrukteuren gelingen wird, einen direkten Einzelradantrieb ganz ohne Getriebe zu realisieren. Wenn jedes einzelne Rad mit einem individuellen Elektromotor sowohl angetrieben als auch gebremst werden kann, sind nämlich teure, schwere und komplizierte Getriebe inklusive das Differenzial, nicht mehr notwendig. Der Bordcomputer wird die Steuerung der 4 Motoren koordinieren und kann so die Funktionen des Differenzials, des Getriebes der kontrollierten Bremsfunktion (ABS) sowie der Traktionskontrolle übernehmen. Die Scheibenbremsen werden dann nur noch als Notbremsen dienen.

Das Auto der Zukunft wird aus diesem Grunde mit grosser Wahrscheinlichkeit rein elektrisch angetrieben. Jedes Rad wird durch einen eigenen Elektromotor vermutlich über eine Kardanwelle direkt angetrieben. Die Motoren sind für den Direktantrieb (1:1) ausgelegt und funktionieren zugleich beim Bremsen als Generatoren.
Damit die Bremsenergie beim „Stop and Go“ Betrieb möglichst alle abgespeichert und zur Wiederverwendung abgerufen werden kann, braucht es eine Batterie welche einerseits sehr schnell geladen und andererseits ebenso schnell die Energie wieder an die Motoren abgeben kann.

Die Nickel-Metallhydridbatterie welche im Toyota Prius verwendet wird, ist zwar wesentlich schneller aufladbar als ein Nickel/Cadmium oder gar ein Blei-Akku. Um die in der Regel sehr spontan anfallende Bremsenergie aufzunehmen reicht das leider immer noch nicht. Zum Glück sind heute neu entwickelte Energiespeicher auf dem Markt!

Die Supercaps.

Seit kurzem gibt es sehr schnelle Batterien man nennt sie Supercaps. Es handelt sich um Batterien von Kondensatoren mit extrem hoher Kapazität. Die Supercaps sind in der Lage relativ grosse Mengen elektrischer Energie innerhalb von Sekunden abzuspeichern und ebenso schnell wieder an einen Verbraucher abzugeben. Es handelt sich um Energiespeicher welche im Gegensatz zu den bekannten Batterien ohne chemische Prozesse funktionieren. Die Elektronen können auf einfachste Weise und extrem schnell in die Supercaps geladen werden. Die Supercaps sind in der Lage, den elektrischen Strom welcher beim Bremsen oft sehr spontan und in grossen Mengen anfällt, abzuspeichern und für das beschleunigen, ebenso schnell wieder an die Elektromotoren abzugeben. Das alles mit minimalen Verlusten versteht sich!!

Um das Auto sportlich, schnell, leise und komfortabel zu machen, braucht es vermutlich beide Batterie Typen, nämlich die „Supercaps“ als Zwischenspeicher für den „Stop and go“ –Betrieb einerseits und die Nickel-Metallhydrid Batterie andererseits zum abdecken oder ausgleichen der Bedarfsspitzen im normalen Fahrbetrieb.

Die Brennstoffzelle.

Es liegt also in der Luft, dass das Auto der Zukunft mit grosser Sicherheit elektrisch angetrieben wird. Die Frage der Energieversorgung ist nur noch eine Frage der Marktreife der Brennstoffzellen und dem Ausbau des entsprechenden Energie Versorgungsnetzes (Tankstellen). Brennstoffzellen sind nicht nur wegen der Umweltverträglichkeit der Emissionen wie Abgase, Abwärme und Lärm sondern auch wegen der einfachen Bauart, und des sehr hohen Wirkungsgrades, dem Verbrennungsmotor haushoch überlegen. Die Brennstoffzelle kommt fast ohne Bewegliche Teile aus, was eine nahezu unbeschränkte Lebensdauer und grosse Wartungsintervalle verspricht. Zusammen mit einer Brennstoffzelle kann man sagen, dass das schadstoff- und geräuschlose Automobil keine Utopie mehr ist.
Die Tankstellen umzurüsten für die Abgabe von Wasserstoff als Energieträger, ist eine Frage der Zeit und des Willens. Vermutlich wird das nicht vielmehr Aufwand geben als seinerzeit die Umstellung auf bleifreies Benzin. Das Brennstoffzellen Auto wird in den nächsten Jahren das konventionelle Auto und das Hybrid Auto vom Markt verdrängen.

Die Sicherheit.

Die Aussenspiegel sollen dem Fahrer die Sicht nach hinten ermöglichen. Das unvollständige Bild, die toten Winkel, das leidige komplizierte Anpassen der Aussenspiegel, die Enteisung im Winter und das Reinigen bei Regenwetter und nicht zuletzt die teuren Reparaturen an den sehr exponierten und deshalb oft beschädigten Aussenspiegeln, müssen endlich durch ein besser geeignetes System ersetzt werden. Eine Videokamera nach hinten gerichtet überträgt ein vollständiges Bild der rückwärtigen Verkehrssituation ohne jegliche Obstruktion, blendfrei auf einen Monitor im Armaturenbrett so wie es übrigens bei vielen LKW heute schon angewendet wird. Der Innenspiegel ist nur noch aus Sicherheitsgründen da falls das Videosystem einmal ausfallen sollte. Die Anwendung des Videosystems stellt nicht nur eine echte Verbesserung des Komforts dar sondern erhöht die Sicherheit ganz entscheidend.

Tachometer und Tempomat sind generell mangelhaft und stellen ein Sicherheitsrisiko dar.

Was nützt ein Tachometer welches wie vor 100 Jahren immer noch vom Durchmesser der Räder abhängig die Geschwindigkeit misst?
Die Geschwindigkeitsangaben am Tachometer im Auto müssen eine vergleichbare Genauigkeit aufweisen wie die Messinstrumente der Polizei und allen übrigen Radaranlagen. Der Autofahrer und der Bordcomputer müssen jederzeit über die genaue Geschwindigkeit informiert sein damit diese den Vorgaben angepasst werden kann.

Zur Erhöhung der Sicherheit und zur Entlastung des Fahrers muss die zulässige Geschwindigkeit automatisch überwacht und laufend automatisch den Vorgaben angepasst werden. Die zulässige Geschwindigkeit wird deshalb von einer zweiten nach vorne gerichteten Videokamera automatisch von den Geschwindigkeitstafeln abgelesen und vom Bildverarbeitungssystem aufbereitet an den Bordcomputer übertragen. Der Bordcomputer macht den soll/ist Vergleich und stellt die neue zulässige Geschwindigkeit am Tempomat ein. Der Fahrer soll sich nicht mehr mit Tempoüberschreitungen und deren Folgen herumschlagen müssen.
Der Fahrer kontrolliert nur noch ob alles stimmt und reduziert gegebenenfalls die Geschwindigkeit wenn die Verkehrssituation oder die Strassenverhältnisse dies erfordern.
Das Kamerasystem warnt zudem den Fahrer akustisch und visuell via Monitor und passt gleichzeitig durch den Tempo-Manager (Computer) die Geschwindigkeit an, wenn beispielsweise eine Stausituation entsteht oder eine andere Gefahr auf der Fahrbahn die Fahrt behindern könnte oder einfach wenn der Abstand im Verhältnis zur Geschwindigkeit zu klein wird.

Diese minimalen Anforderungen sind sicherheitstechnisch relevant und müssen deshalb endlich ohne wenn und aber realisiert und zur Standart Ausrüstung wie etwa der Sicherheitsgurt, erklärt werden.
Jedes 2. Handy hat eine eingebaute Kamera und einen Farbmonitor, fast jedes Schulkind braucht heute so ein Handy. Weshalb tut sich die Automobilindustrie so schwer mit den Sicherheitsmassnahmen? Was kosten schon 2 Videokameras und ein Monitor im Vergleich zu den beiden komplizierten unpraktischen Aussenspiegeln? Die beiden Kameras und der Monitor welche übrigens im geschützten Innenraum des Autos montiert werden können, dienen dem Fahrer entschieden mehr und erhöhen die Sicherheit ganz entscheidend.

Tote Kunden kaufen keine Autos mehr!

Es sind immerhin global einige tausend Menschen pro Jahr welche Opfer von Verkehrsunfällen werden, darunter sind bestimmt mehrere hundert welche nicht sterben müssten wenn obige Sicherheitsmassnahmen endlich realisiert würden.
Muss man den Automobilbauern mit einer Sammelklage drohen, bis endlich wirksame Massnahmen getroffen werden?

Ein Auto welches Sicherheitstechnisch nicht auf dem höchstmöglichen Stand ist, sollte gar nicht zugelassen werden. Wenn ein Auto schon beim Kauf Sicherheitsmängel aufweist, sollte man es nicht kaufen. Nur eben viele Mängel stellt man in der Regel erst fest wenn es zu spät ist und selbst dann nur, falls man den Unfall überlebt hat.

Zielvorgaben für das Brennstoffzellen Auto.

Der finanzielle Gewinn ist wichtig aber das Produkt muss qualitativ und vor allem innovativ und Sicherheitstechnisch überzeugen.

Das Auto soll vergleichbar mit der Swatch Uhr, mit möglichst wenigen Bestandteilen gebaut werden. Das heisst beispielsweise elektrischer Einzelraddirektantrieb mit 4 standardisierten Einzelradmotor-Generatoren (Motor zum Antrieb und Generator zum Bremsen) ohne Kupplung und ohne Schaltgetriebe und auch ohne Differenzialgetriebe. So kann die Anzahl Bestandteile sowie das Gewicht und nicht zuletzt die Herstellkosten auf etwa die Hälfte reduziert werden.

Das Antriebsystem soll für mehrere Modelle und Aufbauten, ohne grosse Änderungen angepasst werden können. Die Energie Abstufung der Brennstoffzelle und der Motoren kann auf etwa 2-3 Grössen beschränkt werden wie z. B. 50, 75 und 100 KW.

Das Auto muss bezüglich der Sicherheit, der Zuverlässigkeit und der Umweltverträglichkeit deutlich besser sein als die heute strengsten Vorgaben es verlangen.

Das Auto verfügt über eine Computergesteuerte Fehlerdiagnose und hat je ein Videosystem nach vorne, mit Bilderkennung für die automatische Geschwindigkeits- und Hindernisüberwachung und nach hinten, für die obstruktionsfreie rückwärtige Verkehrsüberwachung. Der Computer steuert ferner die Antriebsmotoren und übernimmt die Funktionen vom Differential, der Differenzialsperre, sowie die Funktionen vom ABS und der Traktionskontrolle.

Den Designern sollen die Möglichkeiten bezüglich Formgebung möglichst nicht eingeschränkt werden.

Der Fahrkomfort soll mindestens mit den Besten auf dem Markt vergleichbar sein.

Ulrich Hauert
CH-3253 Schnottwil

Das Automobil der Zukunft (von Ueli Hauert) Anhang 1

Bremsenergie ist geschenkte Energie.

Sobald die Geschwindigkeit eines Autos reduziert werden muss, oder wenn man bergab fährt, muss man gezwungenermassen bremsen. Dabei fällt Energie an. Es handelt sich oft um grössere Mengen Energie. Weil sie an Bord des Automobils anfällt, ist diese besonders wertvoll.

Diese (kinetische) Überschussenergie mit den Scheibenbremsen in Wärme umzuwandeln und an die Umgebungsluft abzugeben ist sinnlose Verschwendung.
Genau das geschieht aber sobald man die Bremsen bei einem konventionellen Auto betätigt. Und das ist schon seit über 100 Jahren so und deshalb ist es höchste Zeit, dass hier endlich etwas ändert.

Das Automobil der Zukunft muss mit elektrischen Bremsen (Generatoren) ausgerüstet werden, damit beim Bremsen die Bremsenergie in Form von elektrischem Strom anstatt in Form von Wärme anfällt. Elektrische Energie kann man speichern, transformieren und vor allem kann man sie wieder verwenden für den Antrieb. Da die Bremsenergie in grossen Mengen und oft innerhalb von wenigen Sekunden anfällt, ist eine normale Batterie als Speicher nicht geeignet. Dazu braucht es extrem schnelle Batterien die so genannten Supercaps welche diese hohen Anforderungen erfüllen können.

Beim betätigen der elektrischen Bremsen, müssen die Supercaps allerdings stets leer sein damit die anfallende Bremsenergie darin gespeichert werden kann. Die Supercaps müssen also unmittelbar nach jedem Bremsvorgang entladen werden, indem der darin gespeicherte Strom laufend in die Nickel-Metallhydrid Batterie transferiert wird. Wenn dort das Speichervolumen nicht mehr ausreicht, wird der Strom direkt für die bordeigene Brennstoffproduktion verwendet. Auf diese Weise kann mit der Bremsenergie zusammen mit dem Abwasser der Brennstoffzelle erneut Wasserstoff und Sauerstoff produziert und abgespeichert werden. Diese beiden Stoffe können später der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung erneut zugeführt werden. Von wegen bordeigener Brennstoffproduktion, im Physikunterricht seinerzeit haben wir mit Strom auf sehr einfache Weise Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt warum sollte das an Bord eines Autos nicht auch möglich sein? Man darf nur nicht wie damals im Physikunterricht, die beiden Gase mischen und anzünden!
Dank der sehr hohen Energiedichte des Wasserstoffs und des Sauerstoffs, sind die Kapazitäten der bordeigenen Energiespeicher fast unbegrenzt. Damit kann selbst bei längeren Talfahrten die anfallende Bremsenergie in Form von Wasserstoff und Sauerstoff, zur späteren Verwendung als Brennstoff für die Brennstoffzelle, gespeichert werden. Das ist die geschenkte Energie welche immerhin etwa 20% des Gesamtverbrauchs ausmachen kann! Gelingt die Entwicklung und Industrialisierung dieser Idee, werden die Betriebskosten des Brennstoffzellen Autos fühlbar gesenkt.

Keine Emissionen

Emissionen wie Abgase, Feinstaub und andere gibt es beim Brennstoffzellenauto keine. Ein einziges Pferd produziert mehr Schadstoffe als eine Brennstoffzelle selbst wenn die Brennstoffzelle für mehrere 100 Pferdestärken ausgelegt würde.

Das Brennstoffzellenauto läuft geräuschlos und kann trotzdem wenn es sein muss, in weniger als 10 Sekunden von 0 auf 100 km/h beschleunigen. Honda wird, wenn alles gut geht im Jahr 2008 das erste serienmässig gebaute Brennstoffzellenauto den Honda FCX auf den Markt bringen. Ein Prototyp konnte man am diesjährigen Automobilsalon in Genf betrachten. Wir können uns darauf freuen!! Wo ist die europäische Autoindustrie geblieben? -------

Ein „Hy-Light“ gibt es schon nämlich im Paul Scherrer Institut (PSI) in CH-5232 Villigen AG. Dort wird emsig am Brennstoffzellenauto geforscht. Es wäre an der Zeit die Industrialisierung des Autos an die Hand zu nehmen und konkrete Entwicklungsaufträge für die Konstruktion und die Produktion beispielsweise der Einzelradmotorgenerator der Supercap Batterie und der Nickel-Metallhydrid-Batterie zu erteilen. Die Programme für das Energiemanagement mit den Bedienelementen müssen entwickelt werden. Ferner müssen die Brennstoffzelle, der bordeigene Brennstoffgenerator, die Wasserstoff und die Sauerstoff Behälter konstruiert und zur Produktionsreife gebracht werden. Um nur ein paar der Wichtigsten Baugruppen zu nennen. Da werden sich für die Schweizer Industrie eine ganze Reihe Möglichkeiten zumindest als Entwickler einzelner Baugruppen und später als Zulieferer öffnen. Wir können nur hoffen, dass Herr Hayek sein Projekt in diese Richtung vorantreibt. Skeptiker und Bremser gibt es genug.

Wenn man behauptet, das Hybridauto werde schon bald vom Brennstoffzellenauto überholt, geht man kein grosses Risiko mehr ein.

Schnottwil, im Mai 2007
Ueli Hauert

Mit freundlichen Grüssen
Albert Einstein ☺
Vision
Aug. 07

Rekuperieren der Bremsenergie beim Wasserstoffautomobil.

Mit rekuperieren (zurückgewinnen) der Bremsenergie könnte etwa 1/5 der gesamten Energie welche im Fahrzeug verbraucht wird, eingespart werden.
Nicht verbrauchte Energie muss man nicht erst beschaffen. Es handelt sich dabei deshalb um die umweltfreundlichste aller Energien überhaupt. (Zitat von Bundesrat Leuenberger)

Dass ein elektrisch angetriebenes Auto wesentlich weniger Energie verbraucht als ein konventionelles ist schon daran zu erkennen, dass das Elektromobil keinen Auspuff hat und dass die Elektromotoren und die elektrischen Rekuperationsbremsen vergleichbar wenig Wärme produzieren. Das ist beim Auto mit Verbrennungsmotor und Scheibenbremsen nicht so, ganz im Gegenteil die Scheibenbremsen werden bei einer Talfahrt glühend heiß und geben diese Energie nutzlos und endgültig an die Umgebungsluft ab. Der Verbrennungsmotor läuft nur dank einem aufwändigen Kühlsystem welches seinerseits ebenfalls nutzlos die Umgebungsluft aufheizt.

Tatsache ist, dass heute die Bewegungsenergie welche vom Straßenverkehr verbraucht wird, fast zu 100% mit individuellen Verbrennungsmotoren auf den Fahrzeugen selbst erzeugt wird. Die meisten Autos haben eine Tankkapazität für eine Fahrstrecke von 700 km und mehr.
Der elektrische Strom ermöglicht allerdings einen viel effizienteren Antrieb für Fahrzeuge und verbraucht deshalb entsprechend weniger Energie bei gleicher Leistung.

Für Elektromobile muss logischerweise die elektrische Energie beschafft und in eine Form gebracht werden welche an der Tankstelle an die Fahrzeuge abgegeben werden kann.
Der Brennstoff (die Energie) muss wie beim Auto mit Verbrennungsmotor, an Tankstellen abgeholt werden und zwar muss die abgeholte Energiemenge für eine vergleichbare Fahrstrecke reichen.
Da es keine Batterien gibt, welche solche Energiemengen speichern können, muss für das Elektromobil ein anderes Speichermedium angewendet werden.
Ein Speichermedium mit einer sehr grossen Energiedichte ist der Wasserstoff. Dieser ist zwar in der Natur kaum in reiner Form vorhanden aber er ist relativ einfach herstellbar. Wasserstoff ist nicht gefährlicher als Benzin, muss jedoch in Behältern unter grossem Druck gespeichert werden.

Wasserstoff ist nicht giftig, ist geruchlos und kann in einer Brennstoffzelle direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden ohne nennenswerte Umweltbelastung zu verursachen. Auch die elektrischen Antriebsmotoren produzieren keine Schadstoffe.
Um grössere Energiemengen geht es auch beim rekuperieren der Bremsenergie.
Der mit den elektrischen Bremsen erzeugte Strom übersteigt die Kapazität jeder Batterie. Also liegt es auf der Hand, dass der Bremsstrom für die Produktion von Wasserstoff in einem so genannten Elektrolyseur verwendet wird. Der im Elektrolyseur produzierte Wasserstoff wird so lange in einem Niederdruckspeicher zwischengespeichert bis von den Antriebsmotoren wieder Strom gebraucht wird.

Erst wenn die Brennstoffzelle diesen zwischengespeicherten (rekuperierten) Wasserstoff aufgebraucht hat, wird wieder Wasserstoff aus dem (Hochdruck) Wasserstofftank bezogen. Der Niederdrucktank ist wieder bereit zur erneuten Aufnahme von Wasserstoff aus dem Elektrolyseur. Damit sind dank dem Wasserstoff gleich 2 wichtige Probleme gelöst nämlich das Problem der zu geringen Autonomie des Elektromobils und eben das Speicherproblem der rekuperierten Bremsenergie. Diese Erkenntnisse machen Wasserstoff zum geeigneten Energieträger für das Elektromobil.

Das Elektromobil ist dadurch mit einem Schlag wesentlich interessanter geworden.
Die gesparte Energie ist bekanntlich die sauberste und auch die billigste Energie!
Energie sparen kann man eindeutig am meisten mit elektrisch betriebenen Automobilen, schade dass das finanziell noch nicht zutrifft. Die Dreckschleudern mit Verbrennungsmotor sind leider noch immer zu billig.

Die Kapazitäten der Kraftwerke müssen mit Sicherheit nicht nur wegen den Elektromobilen vergrößert werden. Wichtig dabei ist vor allem, dass die Vergrößerung der Kapazität mit Wasser-, Sonnen--, Wind- und anderen erneuerbaren Energien erfolgt. Schon gibt es die ersten Wasserstofftankstellen welche den Wasserstoff vor Ort selber produzieren, sodass dieser nicht mehr über grosse Strecken zu der Tankstelle transportiert werden muss.

Der Zeitpunkt wo der Elektroantrieb für Automobile auch finanziell interessant wird, kommt immer näher. Es ist deshalb an der Zeit, dass die Technologie für den Einzelradantrieb, für die Allradlenkgeometrie, für die Rekuperationsbremse, für die Supercaps, für den Elektrolyseur sowie für die Speichermethoden für den Wasserstoff, entwickelt, gebaut und getestet werden.

Um Anreiz zu schaffen für die Lösung der folgenden Aufgabe müsste ein Geldbetrag ausgeschrieben werden in der Höhe beispielsweise eines Jahresgehaltes eines berühmten Bankmanagers:

Weltrekord im rekuperieren von Bremsenergie mit einem PKW

Es gilt einen normalen Mittelklassewagen für vier Personen (min. Bruttogewicht 1000 Kg) so zu bauen oder um zu bauen, dass dieser in der Lage ist, mit ausschliesslich unterwegs an Bord rekuperierter Bremsenergie, innerhalb von 3h, von der Susten Passhöhe bis nach Bern zu fahren. (ca. 120 km, durchschnittliches Gefälle 1.4%)

Die erste Person die mit einem Auto welches alle oben erwähnten Bedingungen erfüllt, die ganze Strecke ohne jegliche Fremdenergie zu verwenden in der vorgegebenen Zeit schafft, bekommt die ausgeschriebene Summe auf ihr Konto überwiesen.

Diese Leistung wäre etwa vergleichbar mit der Umfahrung der Erde im Heissluftballon von Branson und Piccard. Das schien damals im Vorfeld des Ereignisses auch ein unmögliches Unterfangen zu sein.

In Anbetracht der Menge Geld die für die Formel 1 Autos aufgewendet wird, sollte für die Entwicklung des Wasserstoffbetriebenen Autos auch Geld aufzutreiben sein insbesondere wenn der enormen Umweltbelastung durch Verbrennungsmotoren wirklich nachhaltig zu Leibe gerückt werden soll.

Schnottwil, im August 2007
Ueli Hauert
Ist der Radnabenmotor wirklich die Lösung?

Die elektronische Keilbremse EWB von Siemens VDO ist im Vergleich zu der konventionellen hydraulischen Scheibenbremse, sehr interessant. (siehe Bild)

Allerdings ist die Scheibenbremse nur ein zweckmässiges Mittel wenn es darum geht ein Fahrzeug im Notfall sehr schnell abzubremsen. Die rotglühende Bremsscheibe stellt die enorme Energiemenge dar welche bei der Reibungsbremse unwiderruflich verloren geht. Im Normalfall sollte die wertvolle kinetische Bremsenergie nicht mehr in Wärme, sondern in elektrische Energie umgewandelt und abgespeichert werden, damit diese beim erneuten Beschleunigen verwendet werden kann. Das nennt man bei der Eisenbahn rekuperieren der Bremsenergie.
Um die Bremsenergie beim Automobil zu rekuperieren, braucht es einen Generator welcher in der Lage ist das Rad dynamisch abzubremsen. Dynamisch heisst, dass die Bremswirkung des Bremsgenerators von null bis zum maximalen Drehmoment stufenlos geregelt werden kann. Die Scheibenbremsen sollen erst zum Einsatz kommen, wenn die elektrische Rekuperationsbremse nicht mehr ausreicht. Die vom Bremsgenerator anfallende Energie muss möglichst zu 100% in einem sehr schnellen Speicher (z.B. in sogenannten Supercaps) temporär abgespeichert werden. Ein Bremsvorgang dauert in der Regel nur ein paar Sekunden und wird meistens gefolgt von einer erneuten Beschleunigung bei der die gespeicherte elektrische Energie aus den Supercaps erneut verwendet wird. Die Supercaps sind für den nächsten Bremsvorgang bereit sobald die darin gespeicherte Bremsenergie vom Antriebsmotor aufgebraucht ist. Falls bei einer Talfahrt die Bremsenergie nicht zum Beschleunigen verwendet wird, muss die anfallende Bremsenergie im bordeigenen Elektrolyseur zum Bereitstellen von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden. Diese beiden Stoffe werden in separaten Behältern an Bord gespeichert und werden umgehend als Brennstoff in der Brennstoffzelle wieder zu Strom umgewandelt.
Auf diese Weise kann eine grosse Menge wertvoller Bremsenergie rekuperiert und damit gespart werden.
Es gibt leider noch keine Batterien welche vergleichbare Energiemengen abzuspeichern in der Lage wäre. Beim Toyota Prius beispielsweise ist die Batterie nach 1-2 Minuten Talfahrt schon randvoll und alle weiter anfallende Bremsenergie geht nutzlos in Form von Wärme verloren.

Was allerdings zuerst entwickelt werden muss, ist ein hocheffizienter Elektromotor für den Einzelradantrieb, dazu ein ebenso hocheffizienter Generator für die elektrische Bremse sowie ein sehr schneller Temporärspeicher für die unregelmässig anfallende elektrische Bremsenergie. Wenn diese 3 Elemente optimal zusammen funktionieren, kann die Einsparung im „Stop and Go“ Betrieb gegen 20 % des Verbrauchs ausmachen.

Zur Entwicklung des optimalen Antriebsmotors und des optimalen Bremsgenerators ist ein geeigneter Prüfstand notwendig. Die Speicherelemente (sogenannte Supercaps) sowie die zentrale Stromversorgung (Brennstoffzelle, Batterie oder sonst ein Stromlieferant) müssen unter simulierten Fahrbedingungen auf dem Prüfstand optimiert und genau dimensioniert werden können.

Um die Antriebsmotoren und die Bremsgeneratoren auf dem Fahrzeug unterzubringen, braucht man geeignete Platzverhältnisse.
Die Kraftübertragung vom Differenzialgetriebe mit 2 Kardanwellen zu den Antriebsrädern ist über viele Jahre bis zur Perfektion entwickelt worden und hat sich entsprechend bewährt. Was schon entwickelt wurde und was sich bewährt hat, sollte man wenn immer möglich beibehalten. Das Differenzialgetriebe ist bei einem Auto mit Einzelradantrieb nicht notwendig. Man ersetzt dieses einfach durch zwei Elektromotor/Generatoren welche je eine Kardanwelle und damit je ein Rad antreiben bzw. abbremsen. Auf diese Weise sind die Elektromotoren und die Bremsgeneratoren auf der gefederten Seite des Fahrzeugs, wo die Platzverhältnisse vergleichbar besser sind, als wenn der Motor/Generator direkt ins Rad eingebaut werden muss. Auf der gefederten Seite kann der Elektromotor/Generator optimal platziert, gekühlt und vor Staub und Wasser geschützt werden. Die bestehende Radaufhängung (Federbein) und vor allem die Lenkvorrichtung andererseits werden nicht tangiert und können ohne Änderung von bestehenden Fahrzeugen übernommen werden.

Die Hinterräder auf gleiche Weise wie die vorderen zu bauen, dürfte weder grosse Schwierigkeiten noch grosse Mehrkosten verursachen im Gegenteil, die Hinterräder auch lenkbar zu machen, wurde schon mehrmals versucht aber leider nie weiter entwickelt.

Bietet der elektrische Einzelradantrieb mit lenkbaren Hinterrädern sogar eine machbare Lösung für das Reduzieren des Rollwiderstandes und wer weiss zum Ermöglichen eines intelligenten Parkiersystems?

Das Über- bzw. das Untersteuern könnte kompensiert und die Lenkgeometrie kann mit der Allradlenkung den Rollwiderstand automatisch korrigieren und optimieren.

Der Wendekreisdurchmesser welcher bei Automobilen mit Frontantrieb (wegen dem Kardanantrieb) stets zu gross ist, könnte durch lenkbare Hinterräder wesentlich verkleinert werden.

Allradantrieb ist bei einem elektrisch angetriebenen Auto vorteilhaft, weil so die elektrische Bremse und das rekuperieren der Bremsenergie wesentlich besser zu realisieren ist, und weil das Antriebsdrehmoment und das Bremsdrehmoment auf alle 4 Räder nach belieben aufgeteilt werden kann.
Grundsätzlich ist es möglich, weitgehend standardisierte elektrisch angetriebene Radeinheiten für Automobile zu entwickeln, diese von spezialisierten Zulieferfirmen zu produzieren und an das Montagewerk des Automobilbauers zu liefern, so wie das mit andern Bauteilen üblich ist.

Ob sich allerdings der sogenannte Radnabenmotor durchsetzen wird, wage ich zu bezweifeln. Jedenfalls die von Siemens VDO vorgeschlagene Konstruktion wird sich kaum in einem schnellen Auto durchsetzen. (siehe Bild)

Für langsam fahrende Fahrzeuge (< 20 km/h) ist diese Konstruktion noch denkbar aber für Fahrzeuge mit grösseren Geschwindigkeiten ist die ungefederte Masse viel zu gross und der Federweg zu gering.
Mit dem Radlager, der Lenkung, und der Scheibenbremse, ist im Autorad schon genügend ungefederte Masse vorhanden sodass weitere Bauelemente wie der Antriebsmotor/Generator und die Federung mit Vorteil nicht in das Rad eingebaut werden sollten.

Juli 07 Ulrich Hauert, Konstruktionsbüro CH-3253 Schnottwil
Visionen
August 07

Ist die Lenkvorrichtung des Automobils veraltet?

Betrachtet man die Lenkvorrichtung des Automobils so stellt man fest, dass diese Konstruktion zwar sehr einfach ist und funktionell genügt um das Auto zu steuern und zu manövrieren. Hingegen wenn man die Lenkvorrichtung kritisch betrachtet sieht man schon noch Verbesserungsmöglichkeiten.
z.B.
Um mit einem Auto eine Kurve optimal zu fahren, muss es mit einer so genannten Allradlenkung ausgestattet sein, denn die Hinterräder sollten in einer Kurve genau in der Spur der Vorderräder fahren weil auf diese Weise der Rollwiderstand am geringsten ist und die Fliehkraft gleichmässig auf die Vorder- und die Hinterräder verteilt wird. Die zulässige Geschwindigkeit in der Kurve wird dadurch höher, und die Sicherheit und der Fahrkomfort werden spürbar verbessert. Der Neigungswinkel der Räder muss in den Kurven
geschwindigkeitsabhängig gesteuert werden damit die Kurven ähnlich wie mit einem Motorrad gefahren werden können. Mit Allradlenkung erreicht man neben der besseren Kurvenfahrt noch andere Vorteile wie etwa einen deutlich kleineren Wendekreis und die Möglichkeit seitlich zu parkieren.
Technisch sollte die Allradlenkung keine allzu grossen Probleme stellen. Mit einer numerischen Steuerung, können dem Fahrer bzw. der Fahrerin mit dem Bordcomputer die komplizierten Manöver etwa beim parkieren, weitgehend abgenommen werden. Die Anforderungen an den Fahrer werden so entscheidend gesenkt.
Mit der Allradlenkung kann die Lenkgeometrie während der Fahrt laufend automatisch optimiert werden, sodass der Rollwiderstand, der Energieverbrauch und der Reifenverschleiss auf ein Minimum reduziert wird. Der Rollwiderstand wird beim Weltrekordversuch im Rekuperieren von Bremsenergie von entscheidender Bedeutung sein.

Ulrich Hauert
Konstruktionsbüro
Gässli 11
CH-3253 Schnottwil

[Rédigé par : Niklaus Vögeli, 3427 Utzenstorf]

Sehr geehrter Herr Hauert,
vorerst mein Kompliment zu Ihrem Artikel 'Automobil der Zukunft', welcher zu wirklicher Innovationskraft auffordert.
Ist es doch nicht eine internationale "Katastrophe" wie wir alle seit 100 Jahren mit Motoren mit 30% Wirkungsgrad gedankenlos und auch hemmungslos umher 'tuckern'? ( gegen 70% produzieren wir ungenutzte Abwärme, welche zudem noch mit einem kräftigen Ventilator, welcher nochmals Energie verbraucht, regelrecht ohne Nutzen weggeblasen wird! ). Das Umwandeln von Wasser in seine Grundelemente mit Solarstrom oder Geothermischer Energie ist sicherlich ein richtiger Weg. Die Sonneneinstrahlung bietet uns im Sommer gegen 1000W/m2 und kann mit >10% in elektrische Energie gewandelt werden. Während hingegen Biomasse mit einem Sonnen-Wirkungsgrad von weniger als einem Promille entsteht. ( Eine Fichte im Berner-Mittelland produziert in 80 Jahren 5-8 m3 Holz mit einem Energieäquivalent von < 1 Tonne Rohöl! ). Biomasse hat es viel, aber nie genug für einen wesentlichen Beitrag an unseren Energiehunger! Nur für meine eigene Selbstversorgung beschäftige ich mich seit Jahren mit verschiedenen Methoden der Biomasse-Konvertierung in flüssige Brennstoffe! Denn ich muss seit ein paar Jahren zusehen, wie aus unserem eigenen Forst wertvolles Holz banditenartiger Verwertung zum Opfer fällt. Ich hoffe sehr, dass Herr Hayek mit seinen Partnern das geplante Wasserstoffprojekt in Angriff nimmt und dabei Erfolg verzeichnen darf!
Mit freundlichen Grüssen N. Vögeli, 3427 Utzenstorf