Wie beeinflusst die Infrastruktur die Nutzung von Hybridfahrzeugen und Elektroautos?

Die Nutzung von Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybridfahrzeugen ist stark von der Infrastruktur abhängig, die ihnen zur Verfügung steht. Besonders im urbanen Raum und auf längeren Strecken zeigt sich, wie entscheidend das Vorhandensein einer leistungsfähigen Stromversorgung und ein gut ausgebautes Netz an Lade- und Tankstellen sind. Während konventionelle Fahrzeuge durch ein dichtes Netz von Tankstellen unterstützt werden, müssen Elektroautos mit einem begrenzten Angebot an Ladepunkten zurechtkommen. Auch wenn die Batterie-Technologie heutzutage zunehmend schnelle Ladezeiten erlaubt, sind die Ladezeiten an vielen Stationen aufgrund der begrenzten Ladeleistung von oft nur wenigen kW problematisch.

Darüber hinaus könnte die Einführung von Wasserstofffahrzeugen durch den Aufbau eines landesweiten Wasserstoffnetzes eine Lösung für den Energiemangel darstellen, insbesondere im Schwerlastverkehr und im Bereich der Bauindustrie, wo die Energiedichte von Batterien oft nicht ausreicht. Dennoch sind die Kosten für den Aufbau von Wasserstoff-Tankstellen enorm, und es bleibt fraglich, ob sich dieses Modell durchsetzen kann. Ein Blick auf Österreich verdeutlicht die Problematik: Im Jahr 2016 gab es dort lediglich fünf Wasserstofftankstellen, während herkömmliche Tankstellen zahlreich vertreten sind.

Eine weitere, durchaus interessante Technologie, die jedoch bislang keine breitere Marktakzeptanz gefunden hat, ist das "Luftauto" – ein Fahrzeug, das durch komprimierte Luft betrieben wird. Zwar handelt es sich um ein emissionsfreies Fahrzeug, aber der Mangel an öffentlichen Tankstellen und die begrenzte Verfügbarkeit von Luft als Energiequelle erschweren die Massenproduktion und den Verkauf.

Die unterschiedlichen Fahrzeugkonzepte, die in den letzten Jahren immer wieder vorgestellt wurden, spiegeln das ungelöste "Henne-Ei-Problem" wider: Wenn die Infrastruktur nicht vorhanden ist, kann auch das Fahrzeug nicht auf breiter Basis eingesetzt werden. Dieses Problem betrifft nicht nur Elektrofahrzeuge, sondern auch Wasserstoffautos und Luftautos, die aufgrund der fehlenden Tankstelleninfrastruktur noch weit entfernt von einer breiten Nutzung sind.

Die geografische Lage und die Infrastruktur eines Landes haben also einen erheblichen Einfluss auf die Art und Weise, wie sich alternative Antriebsformen durchsetzen können. In den USA beispielsweise wird das "SUV" mehr und mehr als urbane Alltagslösung genutzt, obwohl diese Fahrzeuge ursprünglich für den Offroad-Einsatz oder den Transport von schweren Lasten konzipiert wurden. Diese Fehlausrichtung ist ein weiteres Beispiel dafür, wie sich das Verhalten der Fahrzeugnutzer von den ursprünglichen Designzielen der Fahrzeuge entfernen kann.

Wichtig ist, dass die Einführung von Elektrofahrzeugen und alternativen Antriebsformen nicht nur eine Frage der technologischen Innovation ist, sondern auch der sozialen Akzeptanz und der Anpassung der Infrastruktur an neue Bedürfnisse. Die Akzeptanz bei den Nutzern hängt nicht nur von der Reichweite und Ladezeit eines Fahrzeugs ab, sondern auch von der praktischen Verfügbarkeit von Lade- und Tankstellen, der Kompatibilität der Ladesysteme und der Unterstützung durch die Politik. Langfristig gesehen ist es notwendig, ein integriertes Konzept zu entwickeln, das alle Aspekte der Energieversorgung, Infrastrukturentwicklung und Fahrzeugproduktion berücksichtigt, um die Verkehrswende wirklich voranzutreiben.

Welche Auswirkungen haben Unwuchten und thermische Belastungen auf Lager in Schwungradspeichern?

Ein zentrales Problem, das bei der Konstruktion von Schwungradspeichern auftritt, ist die Unwucht des Rotors, die durch eine produktionsbedingte Exzentrizität des Rotors verursacht wird. Diese Unwucht erzeugt Massenkräfte, die durch dynamisches Auswuchten verringert werden können. Aufgrund der begrenzten Genauigkeit von Auswuchtmaschinen bleibt jedoch ein gewisser Restunwucht unvermeidbar, der zusätzliche Belastungen auf das Lager ausübt. Diese Restunwucht muss durch spezifische Lösungen, wie etwa eine Anpassung der Lagerkonstruktion, berücksichtigt werden. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung eines resilienten Lagerhousings, das bei hohen Drehzahlen die radiale Lagerbelastung durch die Unwucht verringert, indem es eine superkritische Rotorbewegung ermöglicht. Passive Maßnahmen, wie flexible und dämpfende Strukturen, haben sich hierbei als äußerst wirksam erwiesen und bieten eine kostengünstigere Alternative zu komplexen aktiven Systemen, wie schnellen Aktuatoren zur Lagerverfolgung.

Ein weiteres Problem stellen die freien Trägheitskräfte des Rotors dar. Diese entstehen durch die lineare Beschleunigung des Fahrzeugs und werden auf die Lager übertragen. Um diese Kräfte zu eliminieren, bleibt die einzige Möglichkeit, die Masse des Rotors zu reduzieren, was eine Erhöhung der Geschwindigkeit bei gleichem Energieinhalt des FESS zur Folge hat. Diese Lösung stellt jedoch eine Herausforderung dar, da die Reduzierung der Rotormasse die Systemdynamik und die Effizienz der Energieübertragung beeinflussen kann.

In FESS-Anwendungen, bei denen der Rotor eine vertikale Achse hat, wie es bei den meisten Systemen der Fall ist, spielt die Schwertekraft des Rotors eine bedeutende Rolle. Hier kann die Gewichtskraft durch den Einsatz magnetischer Aufhängungen verringert werden. Diese Technologie reduziert die axiale Lagerbelastung und damit das Verlustmoment, was die Effizienz des gesamten Systems verbessert. Eine detaillierte Beschreibung dieser Lösung findet sich in Abschnitt 10.3.1 des Werks.

Die bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von Wälzlagern erfolgt experimentell, da theoretische Modelle, die auf einem Wärmeleitfähigkeitsmodell basieren, wesentliche Faktoren wie den Einfluss des Schmierstoffs nicht berücksichtigen. Ein zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit ist das Messen von Temperaturgradienten, bei dem der Wärmefluss von einer beheizten Welle über das Wälzlager zu einem gekühlten Lagergehäuse geleitet wird. Diese Methode ermöglicht es, die thermischen Eigenschaften der Lager unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu bestimmen und so die optimalen Parameter für den Betrieb in einem FESS festzulegen.

Für das Verständnis des thermischen Verhaltens von Lagern in Schwungradspeichern ist es entscheidend zu erkennen, dass die Kombination von mechanischen und thermischen Belastungen die Lebensdauer und Leistung der Lager direkt beeinflusst. Die präzise Kontrolle dieser Belastungen ist nicht nur eine technische Herausforderung, sondern auch ein entscheidender Faktor für die Energieeffizienz und Zuverlässigkeit von FESS.