Zero Emission Drive Unit - Generation 1 (ZEDU-1)

Mission

Feinstaub- und Mikroplastikemissionen gehören neben den Abgasen zu den wichtigsten Ursachen mobilitätsbedingter Umweltbelastungen. Gemeinsam mit den Firmen HWA AG und Frenoza GmbH hat sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart (Institut für Fahrzeugkonzepte und Institut für Verbrennungstechnik) das Ziel gesetzt einen nachhaltigen, innovativen, kostengünstigen und alltagstauglichen Lösungsansatz zur Reduktion der Ultrafeinstaub, Feinstaub- und Mikroplastikbelastungen durch den Verkehr zu entwickeln und damit zur Realisierung emissionsfreier Mobilität beizutragen. ZEDU-1 ist somit ein Beitrag die wahrscheinlich ab 2025 notwendigen und verlangten Emissionswerte nach Euro-7-Standard zu erreichen.

 

Der Nutzen im Überblick

  • Vermeidung der Feinstaub- und Mikroplastikemissionen
  • Entwicklung innovativer Fahrzeug-Komponenten
  • Feinstaubfreie Bremsanlage ohne Performance-Verlust
  • Reduktion der Reifenabriebsemissionen auf ein Minimum
  • Energiemanagement mit hohem Wirkungsgrad
  • Reduktion der Umweltbelastungen durch den Fahrzeugverkehr
  • Verbesserung der Luftqualität
  • Reduktion Feinstaub, Ultrafeinstaub und Mikroplastik bedingter Gesundheitsbelastungen durch den Verkehr
  • Beitrag zur Erreichung zukünftig notwendigen und verlangter Emissionswerte
  • Demonstration und messtechnischer Nachweis der der Technologie auf Technology-Readiness-Level (TRL) 7
  • Skalierung Serie / Übertragung auf PKW, NFZ, Schiene, …
  • Stärkung des Technologie- und Wirtschaftsstandorts Baden-Württemberg

 

Hintergrund und Forschungsansatz

Der Abrieb von Reifen auf den Straßen ist weltweit für mehr als ein Viertel der Mikroplastik-Emissionen verantwortlich. Die kleinen Partikel gelangen bei Regen in die Kanalisation und damit in den Wasserkreislauf. Allein in Deutschland sind das rund 110.000 Tonnen im Jahr. Auch beim Bremsen entsteht Abrieb von Bremsscheiben und Bremsbelägen. Bremsabriebe sind für circa ein Drittel des Feinstaubs verantwortlich. Dieser besteht bei Bremsemissionen zu über 90 Prozent aus Teilchen mit geringer Größe (5.500-8.000 Tonnen pro Jahr), sogenannten ultrafeinen Partikeln (Durchmesser < 100 Nanometer). Ultrafeine Partikel gelten als besonders problematisch hinsichtlich ihrer Umwelt- und Gesundheitswirkung. Verkehrsbedingte Abriebe tragen somit zu einer schlechten Luftqualität in Städten sowie zur gesundheitlichen Belastungen durch den Straßenverkehr bei.

Im Fokus des Projekts steht die Entwicklung antriebsrelevanter Komponenten, die in diesem Kontext bislang wenig Beachtung fanden, jedoch gleichzeitig per se als Emissionsquelle für jede Form der Antriebsenergieerzeugung und den Betrieb relevant sind: Abrieb der Bremseinheit und des Reifens. Durch Emissionsreduktion dieser Quellen kann Mobilität, in Kombination mit Energie aus erneuerbaren Quellen und elektrischen Antrieben, nahezu komplett emissionsfrei werden.
Gemeinsam mit den Firmen HWA, die im Unterauftrag mit der Konzeption der Zero Emission Drive Unit der ersten Generation (ZEDU-1) als Antriebsachse und dem Aufbau des Erprobungsträgers betraut war und  Frenoza, die Hartmetallbeschichtungen für Bremsen herstellt, erfolgte die erfolgreiche Umsetzung im Projekt.

 

Bremssystem und Radkasten komplett neu denken

Technologisch beschreitet das Projekt neue Wege. Die Bremsanlage wandert vom Radträger in die Antriebseinheit und wir dort  integriert. In Kombination mit einer speziell abgestimmten Hochleistungselektronik, einer Leistungsbatterie und eines BBW Systems (Break by Wire) kann die Bremsenergie nahezu vollständig zurückgewonnen, also rekuperiert werden, so dass der mechanische Bremsanteil auf ein Minimum reduziert wird. Das ermöglicht es, die Antriebseinheit sehr kompakt zu bauen, diese in die Getriebe- Bremseneinheit zu integrieren und Bremsabriebsemissionen komplett zu eliminieren.
Analysiert und kombiniert wurden dazu unterschiedliche Bremskonzepte. Als innovativ und zukunftsweisend wurden dazu zwei Systeme realisiert und untersucht. Einerseits, eine speziell entwickelte Lamellenbremse: Sie arbeitet mechanisch und ist ein geschlossenes System. Der nur noch geringe Bremsabrieb, wird vom Öl, welches auch zur Kühlung und Schmierung eingesetzt wird, in einen Filter transportiert und dort gebunden.  Andererseits, eine Induktionsbremse: Sie funktioniert fast bis zum Stillstand verschleißfrei und nutzt die Kraft von Magnetfeldern, um eine Bremswirkung zu erzeugen.
Ein neu gestalteter Radkasten reduziert Reifenabriebsemissionen auf ein Minimum. Er ist aerodynamisch so ausgelegt, dass der beim Fahren entstehende beziehungsweise erzeugte Unterdruck den Abrieb über ein Filtersystem aufnimmt und sammelt.

Konstruktion der Radeinhausung

 

Prüfstand und Straße: Praxistests mit Demonstrator

Die im Projekt entwickelten Komponenten wurden realisiert und in einen eigens dafür aufgebautes Versuchs- und Messfahrzeug integriert. Bei Testfahrten auf der Straße, auf einem Testgelände und auf dem DLR-Rollenprüfstand wurden ein Referenzfahrzeug, sowie der ZEDU-1-Demonstrator vermessen und der messtechnische Nachweis zur Wirksamkeit der entwickelten Komponenten bezüglich des Ausstoßes von Ultrafeinstaub, Feinstaub und Mikroplastikabrieb unter praxisnahen Bedingungen geführt. Im Fokus der Charakterisierung steht die Einsatzfähigkeit der entwickelten Komponenten im Realbetrieb und bei den Analysen die Evaluation der Gesamtmenge an Feinstaub- und Ultrafeinstaubemissionen, die Größenverteilung der Partikel und derer morphologischen Bestimmung.

 

Fördergeber

Das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg fördert das Projekt mit insgesamt sechs Millionen Euro.

 

 

Projektpartner

Das DLR dankt für die Unterstützung:

 

Frenoza GmbH