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Dreel

Wir bauen ein Fahrzeug für zwei Personen mit minimalem Luftwiderstand.

Konzept

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

Über etwa 50 km/h wird der Luftwiderstand zur entscheiden Größe, denn er steigt mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, der Rollwiderstand dagegen nur linear.
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

Luftwiderstand

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 Verkleidung 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 bei etwa 2 m² recht konstant blieb.

Der Trend zum Sport Utility Vehicle (SUV) brachte eine neue Wendung. Die Stirnfläche (A) stieg nun - demonstrativ - an, verursacht durch ungewisse sozio-psychischen Motive - vom Golf VI mit etwa 2,2 m² Stirnfläche zum Range Rover mit 3 m²; ein Mensch auf einem Sitz hat etwa 0,6 m², auf dem Boden sitzend 0,4 m². 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.

Fossile Treibstoffe

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

Elektro-Ökonomie

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 - 1/60 der Verbrenner. Damit werden Gewicht und Volumen des Akkus und somit die Reichweite zu einer kritischen Größe.

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

Batterie-Strategie

Bisherige BEV

Der US-Herstellers Tesla antwortete auf diese Bedingungen mit einer simplen Idee: Lasst uns soviele Zellen in das Auto packen, dass eine Batterie für die typischen Fahrleistungen 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 m³ 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 für 225.000 km oder 140.000 Meilen reicht - im Rahmen der üblichen PKW-Lebensdauer.

Dreel
  • Komfort, Raum, Fahrleistungen, Design- und andere Traditionen werden gekippt, und stattdessen alles auf die Senkung des Luftwiderstands ausgerichtet, der wesentlichen Energie-Senke beim Individualverkehr.
  • Zwei Menschen können transportiert werden - hintereinander, denn Länge kostet beim Luftwiderstand (fast) nichts.
  • 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 (Tropfen).
    Ein Zweirad ist zwar schmaler, muss aber den Schwerpunkt höher bauen, um akzeptabel um Kurven zu fahren.
  • Fahrleistung - ein Dreel soll mittelfristig auf der Autobahn fahren können, denn viele Ziele sind in Deutschland 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.
  • Für Steigungen ist das Gewicht kritisch - bei 300 kg und 8% braucht es dann zusätzliche 5,9 kW.
  • 10 kW Antriebsleistung reichen somit für alle praktischen Fahr-Bedingungen aus.
  • Leichtbau ist wegen der Steigungen notwendig, aber bei dem geringen umbauten Raum, und entsprechend kleinen Hebeln und Kräften auch gut realisierbar - Zielwert ohne Passagiere: 150 kg
  • Reichweite - 100 km reichen für Pendler - bei 90 km/h braucht es dafür nur 2,65 kWh; 4 kWh liefern genug Puffer, und ermöglichen einen kleineren Ladehub (> Zyklenzahl).

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