Aus Freude am Sparen

Der Mensch lenkt. Das Auto denkt. Etwa Folgendes: Gleich kommt eine Autobahnauffahrt. Hier fahren wir jeden Morgen auf die A1. Doch halt: Da ist doch ein Stau bei Stuckenborstel! Also bleiben wir auf der Bundesstraße. Blöd nur, dass da vorn ein Lkw vor uns her zuckelt, und gerade hier sind ein paar Kurven. Zwei Kilometer weiter könnte es klappen, ein Stück geradeaus, kein Tempolimit, kein Überholverbot, und ich kenne meinen Pappenheimer – der Fahrer ist ein Heißsporn, die Chance lässt er nicht aus.

Fast beunruhigend, was ein modernes Auto über die Fahrstrecke, das Fahrzeug und insbesondere den Fahrer weiß. Wobei "wissen" bis dato noch etwas übertrieben ist: Die meisten Autos akkumulieren bloß Massen an Daten, ohne sie zu "verstehen". Unverbunden wird gehortet, was von Kameras und Sensoren, aus Steuergeräten, aus dem Radio und den digitalen Navigationskarten angeliefert wird. Doch die Automobilhersteller sind eifrig dabei, solche Daten zu verknüpfen. Einerseits für mehr Komfort und Sicherheit. Doch andererseits auch, um den Kunden an der Tankstelle eine Freude zu bereiten (und gleichzeitig versprochene CO₂-Ziele im Flottenverbrauch zu erreichen). Besonders engagiert ist hier ein Hersteller, dessen Produkte als sportlich-dynamisch gelten, was nicht ohne Grund mit spritdurstig assoziiert wird. Bei BMW rollt derzeit ein Forschungsfahrzeug, das nicht nur denkt, sondern auch Schlüsse zieht und eigenmächtig handelt. Seine Mission: Strom sparen durch "vorausschauendes Energiemanagement".

Strom im Auto – ist der nicht irgendwie gratis? Und ist der Verbrauch nicht ohnehin verschwindend gering? Das galt annähernd, solange nur Zündspule oder Glühkerze und gelegentlich ein Blinker, die Hupe oder gelbliche Funzeln zu versorgen waren. Heute schluckt die gleißende Rundumbeleuchtung 200 Watt, ebenso viel jede einzelne Sitzheizung, Strom fressen die beheizten Scheiben und das angewärmte Lenkrad im Winter wie die Klimaanlage im Sommer. Was aber mehr Komfort oder Sicherheit bringt, schlägt sich fast immer in der Stromrechnung nieder. Und so wurden mit den Jahren aus spillerigen "Lichtmaschinen" fette 2-Kilowatt-Generatoren. Plötzlich fiel sehr unangenehm auf, wie absurd und teuer Stromproduktion im Auto eigentlich ist. Zuerst wird unter Verlusten (Wirkungsgrad rund 30 Prozent) aus chemischer Energie (Sprit) kinetische. Und die wird dann auch noch verlustreich (ein Generator hat einen Wirkungsgrad von gerade 50 Prozent) in elektrische Energie umgewandelt.

Im Benzin- oder Diesel-befeuerten Fahrzeug ist Strom also keineswegs eine vernachlässigbare Größe. Er kostet sogar relevante Mengen an Treibstoff. Die dauerhafte Produktion einer Kilowattstunde für ein Komfortauto treibt den Spritverbrauch um etwa 5 Prozent in die Höhe.

Was tun? Strom sparen, ja klar, doch der Trend spricht eher dagegen: Er geht hin zu mehr Komfort und Sicherheit auch in kleineren Fahrzeugen. Also Strom gewinnen. Solardächer kommen da infrage, damit wird auch beim BMW experimentiert. Und nicht nur in Hybridfahrzeugen wird versucht, die Energie, die beim Bremsen zu heißer Luft wird, zu "rekuperieren", also über einen umgekehrt arbeitenden Generator wieder in Strom zu verwandeln. BMW bietet dieses Feature in seinem "efficient dynamic"-Paket für viele Modelle schon an.

Die Devise für die nähere Zukunft lautet dagegen: Strom klug verwalten. Mittels prognosemächtiger Intelligenz im Fahrzeug. Ein Beispiel: Ein Auto fährt bergauf. Es "weiß", dass es gleich wieder bergab geht, entweder, weil die Route im Navigationsgerät festgelegt wurde oder weil es die Bergabstrecke als die wahrscheinlichste Route berechnet hat. Daraufhin wird der Generator abgekoppelt, also stillgelegt. Das spart Sprit – oder spendet ein paar PS. Die Batterie entlädt sich dabei, was nicht weiter tragisch ist, denn bergab wird sie ja wieder "gratis" aufgeladen.

"Vorausschauendes Energiemanagement" umfasst absehbare Überholvorgänge, erwartbare Staus, Ortsdurchfahrten. Immerzu kalkuliert das System den most probable path, berechnet, ob und wann Rekuperationsenergie zu erwarten, das bordeigene Stromkraftwerk also verzichtbar ist. Oder ob die Batterie besser knallvoll sein sollte, weil man sich einem Stau nähert, in dem der Motor abgestellt wird, jedoch Radio, Videoplayer und insbesondere die Klimaanlage weiter laufen.

Aus Freude am Sparen

Zu einem hochgradig geregelten Prozess wird dank vorauseilender Intelligenz das Überholen eines Lkw. Zunächst ermittelt der Bordrechner aus Navigationsdaten, aus den Daten der videogestützten Verkehrszeichenerkennung, aus der Differenzgeschwindigkeit zum Lkw und Informationen zum Straßenzustand die aktuelle Überholwahrscheinlichkeit. Hereingerechnet wird die "Fahrstilbewertung" (von öko bis sportlich). Das Brennverfahren im Motor wird auf "Leistung" eingestellt, Klimaanlage und Generator bekommen eine Pause. Nach dem Überholen fällt das System wieder in den Normalmodus.

Rund 10 Prozent Treibstoff soll weitsichtiges Energiemanagement einsparen können. Dabei darf man ausnahmsweise die Frage nach zusätzlichem Gewicht vergessen: Intelligenz wiegt nichts.

Eine eher visionäre Idee betrifft die heißen Verbrennungsprodukte von Otto- und Dieselmotor, die Auspuffgase. Die kesse Überlegung der BMW-Ingenieure lautet: Ist Wärme eigentlich schlecht? Könnte man nicht die Abwärme nutzen? Eine Zeit lang dachte man darüber nach, ob man mit den heißen Gasen nicht eine kleine Dampfmaschine betreiben könnte. Der sogenannte Turbosteamer würde aus Wärme wieder Bewegungsenergie machen, die, auf die Kurbelwelle geleitet, dem Vortrieb dienen könnte. Ein für Ingenieure sehr spannendes Thema, aber leider entschieden zu komplex. Außerdem wöge solch ein Aggregat 50 Kilogramm.

Seit ein paar Jahren setzt man lieber auf eine Technologie, die sowohl im Weltall erprobt als auch im Alltag vieler Menschen hilfreich ist: auf den thermoelektrischen Generator (TEG).

Seit über 30 Jahren sind die Raumsonden Voyager I und Voyager II im Weltall unterwegs; das Sonnensystem haben sie bereits verlassen. Ihre Energieversorgung beruht auf einem Effekt, den schon der Goethe-Bekannte Thomas Johann Seebeck beobachtet hat: Wenn in einer Metallstange ein Temperaturgradient vorliegt, also ein Ende warm, das andere kalt ist, misst man zwischen den Enden eine elektrische Spannung. Mit diesem Wissen baute Seebeck 1821 das erste Thermoelement zur Temperaturmessung. Wesentlich deutlicher wird der Effekt, wenn man Halbleitermaterialien einsetzt. Bei einem Temperaturgefälle bewegt sich darin elektrische Ladung – Strom fließt. So arbeiten thermoelektrische Generatoren.

Im All funktioniert das an Bord der Raumsonden erstaunlich zuverlässig, wobei hier die Differenz zwischen der extrem tiefen Außentemperatur und der Hitze eines zerfallenden radioaktiven Stoffes genutzt wird. Bei BMW steht jetzt ein Versuchsfahrzeug bereit, das immerhin schon 200 Watt elektrischer Leistung aus dem Abgas gewinnt. Allein mittels eines TEG, der im Auspuffstrang zwischen dem heißem Gas und dem (relativ) kalten Kühlwasser sitzt und als Stromlieferant arbeitet.

Weltweit liefern sich Forscher einen Wettlauf, um auf effizientere und wirtschaftlich interessante Weise Strom aus Abwärme zu gewinnen. Am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg versucht man in Zusammenarbeit mit BASF, den Wirkungsgrad von TEGs mittels Nanotechnologie zu verbessern. Bei BMW hält man gegenüber den aktuellen Generatoren eine drei- bis vierfache Ausbeute für möglich. Damit könnte man bei einer ganzen Reihe von Fahrzeugen von Tempo 130 an den Generator komplett abschalten. Strom wäre dann tatsächlich gratis; der Spritverbrauch ließe sich so, schätzt man in München, um weitere 5 Prozent senken.

Aus Freude am Sparen

Entsprechende TEG-Module muss man nicht bei der Nasa bestellen. Man findet sie zum Beispiel in manchen Armbanduhren; hier wird die Wärmedifferenz zwischen Körper- und Umgebungstemperatur genutzt. In großen Mengen wird der thermoelektrische Generator in umgekehrter Funktion gebraucht – das heißt dann Peltier-Effekt. Legt man an solchen Modulen Spannung an, wird ein Ende heiß, das andere kalt. Diesen Effekt benutzt man unter anderem zum Betrieb von Kühltaschen.

Stromgewinnung durch einen thermoelektrischen Generator ist durchaus Zukunftsmusik – "fünf Jahre plus x", sagt Johannes Liebl, bei BMW für Energiefragen verantwortlich. Für BMW ist sowohl bei intelligentem Energiemanagement als auch bei TEG entscheidend: Der Kunde spürt nichts von den Sparprogrammen. "Aus Freude am Sparen" war nämlich bislang gerade eben nicht das Motto des Hauses.