Mit dem Prototyp Zero Emission Drive Unit – Generation 1, kurz ZEDU-1 – hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Automobilunternehmen HWA ein Straßenfahrzeug entwickelt und erfolgreich getestet, das eine fast vollständig emissionsfreie Mobilität ermöglicht. Es ist damit im Betrieb das umweltfreundlichste Straßenfahrzeug der Welt. Denn das Elektroauto reduziert auch weitestgehend den Ausstoß von Feinstaub und Mikroplastik, der durch den Abrieb von Bremsen und Reifen entsteht. Den Prototyp haben DLR und HWA am 28. September 2022 in Stuttgart erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt. Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg hat das Projekt mit sechs Millionen Euro gefördert.
„Für uns stehen die Gesundheit der Menschen und eine unbelastete Umwelt im Vordergrund. Das Projekt ZEDU-1 konzentriert sich auf die Komponenten, die bislang eher wenig Beachtung gefunden haben und nun von der EU-Kommission nach und nach durch gesetzgebende Maßnahmen in ihren Emissionen geregelt werden: nämlich Bremsen und Reifen. Mit dem heute vorgestellten Prototyp ZEDU-1 zeigen wir Lösungen, wie wir in Zukunft auf der Straße so gut wie emissionsfrei unterwegs sein können. Unser Konzept besitzt einen hohen Wirkungsgrad, ist ausgesprochen kompakt, alltagstauglich und vielseitig einsetzbar ist. Es lässt sich direkt auf zukünftige PKW und Nutzfahrzeuge übertragen“, sagte Prof. Tjark Siefkes, Direktor des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart anlässlich der Vorstellung des Prototyps.
„Ich freue mich, dass das Forschungsvorhaben ‚Zero Emission Drive Unit – Generation 1‘ erfolgreich einen Prototyp entwickelt hat, der die Feinstaub-Emissionen als wichtigste Ursachen mobilitätsbedingter Umweltbelastungen angeht und damit den Grundstein für eine nahezu emissionsfreie Mobilität der Zukunft auf der Straße legt. Mit dem Ergebnis des sechs Millionen Euro schweren Forschungsprojekts liegt nun eine erstklassige Vorlage für unsere Industrie vor, um die Technologien in einen Serienstand zu überführen und die Abriebe zukünftiger Fahrzeuge weiter deutlich zu reduzieren“, erklärte die baden-württembergische Wirtschaftsministerin Dr. Nicole Hoffmeister-Kraut.
Neues Bremssystem sorgt für weniger Feinstaub
Technologisch hat das Projektteam komplett neue Wege beschritten: Die klassische Scheibenbremse im Radkasten gibt es nicht mehr. Stattdessen wird die Bremse aus dem Rad herausgenommen und über den innovativen Ansatz einer Lamellenbremse in die geschlossene Elektromotor-Getriebe-Einheit integriert. In Kombination mit einer speziell entwickelten Hochleistungselektronik kann die Bremsenergie nahezu vollständig zurückgewonnenen – also rekuperiert – werden. Das ermöglicht es, die Größe der Bremsenkomponenten auf ein Minimum zu reduzieren und die Antriebseinheit sehr kompakt zu bauen. Die Lamellen befinden sich in einem Ölbad. Der Abrieb landet im Öl, das laufend durch einen Filter gepumpt und gereinigt wird. Zusätzlich zur mechanischen Lamellenbremse hat das Team für den ZEDU-1-Prototyp eine Induktionsbremse entwickelt. Diese Induktionsbremse funktioniert fast bis zum Stillstand verschleißfrei und nutzt die Kraft von Magnetfeldern, um eine Bremswirkung zu erzeugen.
Fast magisch: umgestalteter Radkasten saugt Mikroplastik weg
Das Verlagern der Bremse vom Radkasten ins Fahrzeuginnere erzeugt den Platz für neue technologische Ansätze, um den Reifenabrieb deutlich zu verringern. Grundlage dafür ist die Einhausung der Räder. Der für das ZEDU-1 charakteristische geschlossene Radkasten ist aerodynamisch so ausgelegt, dass beim Fahren ein Unterdruck entsteht. Der Reifenabrieb sammelt sich dadurch an einer bestimmten Stelle. Eine Lüftereinheit in der Frontpartie des Fahrzeugs saugt die Partikel dort ab und schickt sie durch ein Filtersystem – ähnlich wie bei einem Staubsauger. So tritt ausschließlich gereinigte Luft aus dem Fahrzeug aus.
Rollenprüfstand und Teststrecke: ZEDU-1-Prototyp besteht Praxistest
„ZEDU-1 ist ein absoluter Prototyp. In diesem Fahrzeug sind alle Komponenten neu entwickelt, der Antrieb in Form einer Elektromotor-Bremseinheit genauso wie die Einhausungen der Reifen und die aerodynamisch angepassten Komponenten am Fahrzeug“, fasst Projektleiter Franz Philipps vom DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte zusammen. „Das zu testen, dafür gibt es nur zwei Möglichkeiten: auf speziellen Anlagen wie dem Rollenprüfstand des DLR in Stuttgart und auf Testgeländen.“
Auf dem Gelände des Prüfzentrums Boxberg und auf dem institutseigenen Rollenprüfstand untersuchten die Forschenden im Sommer 2022, wie gut die neuen Komponenten des ZEDU-1-Prototyp den Ausstoß von Feinstaub und Mikroplastik unter realen Bedingungen senken konnten. Für diese Tests arbeiteten sie mit den Kolleginnen und Kollegen des DLR-Instituts für Verbrennungstechnik zusammen. Das Institut ist ebenfalls in Stuttgart beheimatet und verfügt über modernste Messtechnik und ein mobiles Messfahrzeug. Dieses kann vor allem auch Feinstaub bis in den ultrafeinen Bereich nachweisen und bestimmen. Im Fokus der Analysen standen die Gesamtmenge an Feinstaubemissionen und die Größenverteilung der Partikel. „Wir haben dazu unterschiedliche Fahrprofile und Fahrzyklen nachgefahren. Dazu gehörte auch der sogenannte WLTC. Die Abkürzung steht für ‚Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycles’, ein von internationalen Fachleuten entwickeltes Messverfahren, um Emissionen zu bestimmen. Zudem haben wir auch spezielle Bremsmanöver durchgeführt und dabei ebenfalls Emissionsmessungen gemacht“, erklärt Franz Philipps.
Überzeugende Resultate: kein Bremsstaub, deutlich weniger Reifenabrieb auch bei hohen Geschwindigkeiten
Die Ergebnisse der ersten Testfahren haben das ZEDU-Team überzeugt: „Was wir jetzt schon sagen können, ist dass wir den Bremsabrieb komplett vermeiden können. Beim Reifenabrieb haben unsere Messungen gezeigt, dass wir bis zu einer Geschwindigkeit von 50 Kilometern pro Stunde, den Reifenabrieb komplett vermeiden und bei höheren Geschwindigkeiten um 70 bis 80 Prozent reduzieren können. Nächste Schritte sind, die Technologie gemeinsam mit der Industrie weiterzuentwickeln, um sie erfolgreich in Serie bringen zu können.“
Die nächste Gelegenheit für die Öffentlichkeit, den ZEDU-1-Prototyp live zu erleben, ist im Rahmen des Finales der ADAC GT Masters in Hockenheim vom 21. bis 23. Oktober 2022.