"Schlüsseltechnik künftiger Antriebe besteht in der Simulation"

Zwischen Hybridantrieb und Brennstoffzelle, Erdgas und synthetischem Kraftstoff, Achtganggetriebe und CVT: Die industriellen Ansätze für den Antrieb der Zukunft sind vielfältig. all4engineers sprach mit Professor Michael Bargende, Leiter des Bereichs Verbrennungsmotoren am Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS), über die Zukunft des Antriebsstrangs.

Herr Professor Bargende, es wird ständig über künftige Lösungen für den Individualverkehr, über alternative Antriebe und Kraftstoffe diskutiert. Was macht für Sie den Antrieb der Zukunft aus?
Das ist die klassische Frage, auf die man entweder gar nichts antworten oder Stunden lang referieren kann. Zunächst einmal macht den Antrieb der Zukunft für mich aus, dass wir von Entwicklungen reden, die wirklich realistisch sind und den "Mainstream" darstellen. Wir erleben momentan, dass etwas, was man für realistisch gehalten hat, sich zusehends als weniger realistisch herausstellt. Dazu gehört auch das Thema Brennstoffzelle. Ich denke, man kann mit Fug und Recht sagen: Die große Euphorie ist verflogen. Ich sehe mich heute außer Stande, einzuschätzen, ob die Brennstoffzelle in wirklich so großen Stückzahlen produziert werden kann, dass sie eine nennenswerte Substitution der heute bekannten Antriebe darstellt. Ich kann weder sagen, wann noch ob sie als "Massenmotorisierung" überhaupt je kommen wird.
Wenn über den Antrieb der Zukunft gesprochen wird, muss man sich darüber im Klaren sein, über welche Stückzahlen wir reden. Und da verschätzt man sich doch ganz gerne. Wenn wir uns vorstellen, dass in Deutschland jeden Monat eine viertel Million Pkw zugelassen werden, kann man herunterrechnen, dass lediglich 5 Prozent eine Tagesproduktion von etwa 800 Fahrzeugen nur für den deutschen Markt bedeuten. Das macht klar, dass das, was heute als Vorboten einer Serienproduktion von Brennstoffzellenfahrzeugen betrieben wird, sehr weit von einer wirklichen Serienproduktion entfernt ist. Insofern ist für mich die Brennstoffzelle - beziehungsweise das Brennstoffzellensystem - nach heutigem Stand nicht der Antrieb der Zukunft. Der Antrieb der Zukunft hat einen Verbrennungsmotor. Ändern wird sich, dass wir in Zukunft eine wesentlich höhere Diversifizierung bei den Fahrzeugantrieben erleben werden. Die Vielfalt wird größer, wir werden sehr viel stärker anwendungsbezogen den jeweils richtigen Kompromiss suchen und dem Kunden anbieten.

Bleibt denn dabei noch Raum für Fahrspaß?
Immer. Grundsätzlich immer. So lange wir eine Individualmobilität haben, wird das mit Fahrspaß einhergehen. Sogar ein Nutzfahrzeug ist ein emotionaler Gegenstand. Höchstens die Fahrzeuge aus dem Verteilerverkehr nicht. Aber selbst wenn Sie sich einen Heavy-Duty-Truck anschauen, der von seinen Fahrern mit Licht und Chrom geschmückt wird, dann sehen Sie: Das ist auch ein emotionaler Gegenstand. Die Langschnauzer, die in den USA durch die Gegend fahren, sind ja nicht aus technischen, sondern aus emotionalen Gründen Langschnauzer. Das ist die schiere Verkörperung der Kraft.

Bei diesem Bild denke ich automatisch an einen Verbrennungsmotor. Gehört er dazu?
Natürlich. Man könnte zwar sicher auch mit einer aktiven Noise-Control aus einem Elektro-Brennstoffzellenfahrzeug per Taster auswählen, ob man Sechszylinder-, Achtzylinder- oder Zwölfzylindersound haben möchte. Aber natürlich gehört eigentlich der Verbrennungsmotor dazu. Das ist auch der Grund, weshalb uns der Motorsport immer erhalten bleiben wird und "Motor" für "Verbrennungsmotor" stehen wird. Sicherlich wird es manche Wettbewerbe mit Elektrofahrzeugen oder ähnlichem geben. Aber ganz plakativ gesagt: Ein brüllender Verbrennungsmotor ist als emotionales Erlebnis durch nichts zu ersetzen.

Was für eine Rolle spielt das Getriebe im zukünftigen Antriebsstrang?
Zunächst einmal denke ich, dass die Zeiten endgültig zu Ende sind, in denen Motor und Getriebe getrennt betrachtet werden. Der Trend geht eindeutig zum integrierten Powertrain. Das bedeutet zum einen die mechanische Integration, um Kostenvorteile vom Fertigungsverbund her zu nutzen. Zum anderen übernehmen wir hier etwas aus dem Rennsport. In der Formel 1 ist es beispielsweise schon lange so, dass die Motoren auch auf dem Prüfstand nur mit dem Getriebe betrieben werden können.
Ansonsten wäre der Motor allein vom Schwingungsverhalten her sofort zerstört. Das gleiche vollzieht sich jetzt mehr und mehr auch im Gebrauchs-Powertrainbereich. Hier geht es auch aus akustischen Gründen nicht mehr anders. Und spätestens wenn wir uns in Richtung Hybrid bewegen, landen wir endgültig bei der integrierten Lösung. Dafür gibt es bereits schöne Beispiele, die allerdings auch aufzeigen, dass es schon schwierig wird zu verstehen, warum sich der Antriebsstrang so verhält, wie er sich verhält.

Wie beurteilen Sie die momentane Entwicklung zu immer mehr Fahrstufen - bis zu acht sind derzeit realisiert?
Da laufen wir jetzt so langsam an eine Grenze, denke ich. Die Abstufung wird so fein, dass in einem Zugkraftdiagramm kaum noch Stufen übrig bleiben. Mehr als sieben oder acht Stufen ergeben keinen Sinn mehr. Was hier interessant wird, ist die Frage: Brauchen wir überhaupt noch ein CVT? Wenn wir ein Achtgang-Automatikgetriebe haben, werden die Schaltstufen durch den Wandler nochmals kaschiert. Das Thema CVT kann man sich dann auch weiterhin vorstellen, wenn sowohl der Wirkungsgrad, als auch der Preis konkurrenzfähig sind.
Was künftig verschwinden wird, beziehungsweise sich nur noch im extrem sportlichen Segment finden wird, sind die reinen Handschaltgetriebe. Das hängt stark mit der Abgasgesetzgebung zusammen. Es ist heute schon ein großes Problem, im NEFZ mit einem Dieselmotor mit Handschaltung die vorgeschriebene thermische Regeneration des Russfilters zu realisieren, da die Schaltpunkte genau vorgegeben sind. Wenn dies zukünftig noch mit einem NOx-Speicherkat kombiniert wird, der auch regelmäßig regeneriert werden muss, ist das mit vorgegebenen Schaltstufen viel zu komplex, ohne Drehmomentsprung kaum machbar und außerdem nicht verbrauchsoptimal.

Viele Hersteller feilen an Hybrid-Lösungen. Sehen Sie da Potenzial für künftige Antriebe?
Wir haben eine interessante Situation. Weltweit werden rechnerisch Hybridauslegungen weitgehend ohne Rücksicht auf Emissionen entwickelt. Das liegt daran, dass wir heute noch keine Simulationsmodelle haben, die es uns wirklich erlauben, quantitativ vorherzusagen: Werde ich den Abgastest bestehen oder nicht? Demzufolge sind sämtliche Hybridauslegungen, die eine Emissionsrelevanz haben, heute rechnerisch nicht optimal machbar. Hierzu zählen alle Hybride mit Dieselmotoren und mager betriebenen Ottomotoren. Ich sag es mal überspitzt: Sämtliche Dieselhybride, die heute auf irgendwelchen Shows stehen, müssen froh sein, wenn sie die Euro-3-Norm erfüllen.
Oder es wurde bei der Betriebsstrategieauslegung auf eine Betriebspunktverschiebung verzichtet und damit ein hinsichtlich Verbrauchsminderung suboptimales System dargestellt. Ohne Emissionsberechnung ist eine Hybridauslegung im Test nur für lambda-1 geregelte Ottomotoren ab dem Katalysator Light-Off machbar. Als einzige Lösung aus diesem Dilemma kann heute eine kombinierte und sehr komplexe Auslegung dienen, die simultan rechnerisch und experimentell auf einem hochdynamischen Motorprüfstand stattfindet.

Sie sehen also ein Defizit in der virtuellen Motorentwicklung?
Alle reden von der virtuellen Motorenentwicklung und allesamt investieren meines Erachtens zu wenig in die hierfür erforderliche Forschung. Das muss man so ganz deutlich sagen. Eine Forschungsvereinigung wie die FVV müsste mit viel mehr Mitteln ausgestattet werden, um deutlich größere Projekte durchführen zu können als sie es heute kann, deren Ergebnisse dann alle Mitglieder nutzen können. Die Verfügbarkeit vorhersagefähiger Simulationsmodelle ist entscheidend für den Komplex Hybrid in seiner ganzen Bandbreite. Das ist ein großes Dilemma.
Die Schlüsseltechnik für künftige Antriebsstränge besteht in der Verbrennungsmotor-Modellentwicklung, unter anderem auch mit der rechnerischen Berücksichtigung alternativer Kraftstoffe. Wir sind heute vielfach noch auf einem Stand der Simulation, dass wir Versuchsergebnisse hinterher rechnen und stolz darauf sind, dass es uns gelingt, das Versuchergebnis durch Anpassung der Simulationsparameter sehr genau zu treffen.

Sie haben gerade alternative Kraftstoffe genannt - welche Kraftstoffe werden wir in 50 Jahren tanken?
In puncto Kraftstoffe hat sich meine Meinung, seit ich mich mit dem Thema beschäftige, ziemlich verändert. Ich habe noch nie sonderlich daran geglaubt, dass ich den Wasserstoff noch erlebe. Aber ich habe gedacht, so in 50 bis 60 Jahren könnte man sich das schon vorstellen. Dann habe ich gedacht, Erdgas würde sehr langfristig viel Sinn ergeben. Seit nicht allzu langer Zeit komme ich mehr und mehr dahinter: Beides ist langfristig eigentlich nicht sinnvoll. Flüssige Kraftstoffe sind hervorragend transportabel, die Sicherheitsaspekte sind in Ordnung, ich brauche keine Drucktanks dafür und die ganze Menschheit hat sich an den Umgang damit gewöhnt.
Zunächst zum Erdgas.
So seltsam es klingen mag: Erdgas macht als CNG-Kraftstoff solange Sinn, solange wir genügend Erdöl haben, weil es die energetisch sinnvollste Verwendung für Erdgas ist und tatsächlich eine Reduzierung der CO2-Emissionen bewirkt. Parallel dazu und für eine Nach-Erdölzeit müssen GTL-Prozesse aufgebaut werden, die Kraftstoffbeimischungen erzeugen mit ganz speziellen Eigenschaften, welche die Kraftstoffqualität so sinnvoll verbessern dass damit der energetische Nachteil der Erzeugung kompensiert wird. Die weitere Zukunft gehört dann meines Erachtens wieder ausschließlich flüssigen Otto- und Dieselkraftstoffen.

Synthetisch?
Zunehmend, ja. Das eigentlich realistische Hauptszenario - neben manchen Nischen-Erscheinungen - heißt Otto und Diesel mit steigender Zumischung. Das heißt, zunächst Erdöl basierte Kraftstoffe, ergänzt durch BTL- und GTL-Prozesse. Später dann ausschließlich Biomasse und Erd-, beziehungsweise Biogas basierte Herstellungsprozesse. Es wird sehr unspektakulär für Politik, Medien und Vermarktung, das ist fast schon der größte Nachteil daran. Aber es ist eine logische Zukunftsschiene für den Mainstream.

Denken Sie, dass sich die Forschung weiter mit Alternativen wie Wasserstoff auseinandersetzen sollte?
Wenn man in den Bereich Forschung geht, gelangt man auch zur öffentlich finanzierten Forschung. Und die glaubt immer noch sehr stark an den Wasserstoff. Unter dem Prädikat "nachhaltig". Die Aufgabe besteht darin, klar zu machen, dass wir Wasserstoff statt auf der Strasse sehr gut in BTL-Prozessen gebrauchen können. Die Ausbeute des Choren-Prozesses beispielsweise verdoppelt sich, wenn man externen Wasserstoff zuführt. Wenn wir noch weiter in die Zukunft blicken, könnte man ja auch fragen, was wir mit der ganzen Kohle machen, die noch unter der Erde liegt. In China wird man wahrscheinlich in absehbarer Zeit Wasserstoff in der Wüste Gobi produzieren. Zusammen mit den großen chinesischen Kohlevorkommen lassen sich hervorragend mit hoher Ausbeute synthetische Otto- und Dieselkraftstoffe herstellen. Wenn das Erdöl zu Ende geht, werden auch wir wahrscheinlich unsere Zechen wieder aufmachen. Ich hole - sehr plakativ dargestellt - im Prinzip Kohlenstoff aus dem Boden und brauche Wasserstoff, damit ich daraus Kraftstoff machen kann. Demzufolge wird man den "nachhaltig" produzierten Wasserstoff sinnvoll in großtechnischen Anwendungen zur Herstellung von flüssigen Kraftstoffen einsetzen. Die einfachste Lösung ist immer die beste Lösung. Die Zukunft der Kraftstoffe ist also ziemlich unspektakulär, aber nichtsdestotrotz sehr spannend.

Herr Professor Bargende, vielen Dank für das Gespräch!

Zur Person:
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende wurde am 26. Juli 1956 in Crailsheim geboren. Er studierte Luft- und Raumfahrtechnik und nach dem Vordiplom Maschinenwesen an der Uni Stuttgart, promoviert wurde er an der TH Darmstadt. 1984 begann er seine berufliche Laufbahn als Messingenieur bei der Daimler-Benz AG. 1989 wurde er zum Fachreferent für Thermodynamische Messsysteme im Pkw-Motorenversuch der Mercedes-Benz AG. 1992 wurde er Leiter Verbrennungsanalyse im Center Prüffeld, Berechnung, Analyse und Betrieb in der Pkw-Motorenentwicklung, 1993 übernahm er in Personalunion die Projektleitung "Verbrennungsanalyse". Seit April 1998 ist er C4-Professor für Verbrennungsmotoren am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgart und Mitglied des Vorstands der Stiftung Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS).

Autor(en): Ruben Danisch

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