Was wird die Lücke zwischen ICE und Elektromotoren überbrücken?

Elektromotorbetriebene Fahrzeuge sind die Zukunft. Ob dies durch den Einsatz von Batteriepacks, Wasserstoff‑Brennstoffzellen oder einer anderen innovativen Lösung geschieht, das Endergebnis ist dasselbe – Verbrennungsmotoren (ICE) gehen zu Ende.

Dies ist jedoch keine Veränderung, die über Nacht eintritt. Seit Jahrzehnten investieren Länder weltweit stark in den Ausbau von Infrastrukturen, die speziell für flüssige Kraftstoffe wie Benzin und Diesel ausgelegt sind. Obwohl es naheliegend erscheint, dass das Potenzial von ICE‑basierten Fahrzeugen bereits ausgeschöpft sei, ist dem nicht so, und unser wachsendes Verständnis der Materialwissenschaft ermöglicht eine Zukunft, in der die Lebensdauer von ICEs verlängert wird, sodass sie jahrelang harmonisch neben ihren elektrischen Gegenstücken existieren können.

Da die ICE‑Industrie noch auf Wachstum von etwa 55 Mrd. $ im Jahr 2021 auf etwa 70 Mrd. $ bis 2028 mit einer CAGR von 3,71 % zusteuert, gibt es weiterhin Investitionspotenzial, das noch nicht ausgeschöpft wurde.

Im Folgenden ein kurzer Überblick über einige Innovationen, die ICE‑basierten Fahrzeugen neues Leben einhauchen und die Lücke zur unvermeidlichen Dominanz von Elektrofahrzeugen schließen könnten.

Hersteller und Innovatoren

Bevor wir uns einige der neuen Innovationen ansehen, die die Lebensdauer von ICEs verlängern sollen, sollten Sie sich die folgenden börsennotierten Unternehmen anschauen; jedes von ihnen spielt eine aktive Rolle bei der Entwicklung bzw. Förderung solcher Produkte.

Porsche (P911)

Unter den Automobilherstellern ist Porsche eines der ikonischsten. Die Bemühungen des Unternehmens gehen jedoch über das Schaffen beweglicher Kunstwerke hinaus und sind verantwortlich für die Entwicklung und Förderung neuer Technologien, die sowohl die Leistung als auch die Effizienz seiner Fahrzeuge verbessern sollen (z. B. synthetische Kraftstoffe).

Porsche hat seinen Sitz in Stuttgart, Deutschland. Das Unternehmen beschäftigt fast 40.000 Mitarbeiter und erzielte im letzten Geschäftsjahr einen Umsatz von über 37 Mrd. $.

Tesla (TSLA)

Obwohl Tesla (TSLA ) bei der tatsächlichen Herstellung seiner Batteriepacks auf Drittanbieter angewiesen ist, sind die Anforderungen und Bedürfnisse des Unternehmens im Alleingang für einen Großteil der Innovationen im EV‑Sektor der letzten 20 Jahre verantwortlich.

Während 2022 einen starken Rückgang der TSLA‑Aktie verzeichnete, hat sich das Blatt gewendet, und 2023 markierte zum Zeitpunkt dieses Schreibens eine beeindruckende Erholung von +55,48 % im Jahresverlauf. Trotz eines schwierigen Jahres 2022 konnte das Unternehmen einen Umsatz von 81,46 Mrd. $ in diesem Zeitraum vorweisen.

Tesla hat seinen Sitz in Texas, USA.

Künstliche Intelligenz

Die erste Innovation, die ICE‑Fahrzeugen ermöglicht, weiterhin effizienter zu werden und ein paar zusätzliche Jahre vor ihrer Veralterung zu überstehen, ist das autonome Fahren mittels Künstlicher Intelligenz (KI).

KI ermöglicht dies, indem sie menschliche Fehler und Gewohnheiten aus der Gleichung entfernt. KI erlaubt die Kommunikation zwischen Fahrzeugen im Straßenverkehr, reduziert Staus und den daraus resultierenden übermäßigen Emissionen; KI hält sich an Geschwindigkeitsbegrenzungen und vermeidet ineffizientes Beschleunigen von Ampel zu Ampel; KI kann eine gleichmäßige Geschwindigkeit halten, ohne das Gaspedal zu überlasten.

Aus all diesen Gründen und weiteren hat KI das Potenzial, traditionelle ICE‑Fahrzeuge so lange wie möglich wettbewerbsfähig gegenüber Elektrofahrzeugen zu halten.

Synthetische Kraftstoffe

Das Hauptproblem von ICE‑Fahrzeugen ist ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Nicht nur, dass diese Ressource zur Neige geht, ihre Gewinnung aus der Erde sowie die anschließende Verarbeitung und Verbrennung sind schädlich für die Umwelt.

Unter diesen Umständen ist es nicht überraschend, dass eine der vielversprechendsten Innovationen zur Verlängerung der Lebensdauer von ICE‑Fahrzeugen die Herstellung synthetischer Kraftstoffe oder „eFuel“ ist. Tatsächlich sind synthetische Kraftstoffe so vielversprechend, dass Regionen wie Europa bereits beschlossen haben, in den kommenden Jahren Ausnahmen von ihrem Verbot emissionsintensiver CO₂-Motoren für Fahrzeuge, die eFuel verbrennen, zuzulassen.

Was also sind synthetische Kraftstoffe oder „eFuel“? Es ist eine Energiequelle, die anstelle von aus fossilen Brennstoffen gewonnenem Benzin in herkömmlichen ICE‑Fahrzeugen verwendet werden kann. Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zu ihrer Herstellung, nämlich:

• Durch einen mehrstufigen Prozess, bei dem H₂O mittels Elektrolyse gespalten wird, wodurch diatomare Wasserstoffmoleküle entstehen, die anschließend durch Kombination mit aus der Luft gewonnenem CO₂ zu Methanol umgewandelt werden. Das resultierende Methanol wird dann bei hohen Temperaturen mittels Katalysatoren zu eFuel (synthetischem Benzin) konvertiert.
• Aufbau von Kohlenwasserstoffen, die als Grundbausteine von Benzin aus CO₂ und H₂ dienen.

Es sollte beachtet werden, dass eFuels derzeit keineswegs eine perfekte Lösung darstellen. Die oben genannten Prozesse zur Herstellung von eFuel sind sehr energieintensiv. Darüber hinaus bleibt das resultierende „Benzin“ ein „Abgasemitter“. Der Prozess ermöglicht jedoch, den entstehenden Kraftstoff kohlenstoffneutral zu machen, indem CO₂ aus der Luft entfernt und nachhaltige Energiequellen im Herstellungsprozess genutzt werden.

Während Porsche diese Innovation als Mittel vorantreibt, ICE‑Fahrzeuge – die trotz der EV‑Durchdringung noch Jahrzehnte auf den Straßen sein werden – deutlich umweltfreundlicher zu machen, sind es Unternehmen wie HIF, die daran arbeiten, den Kraftstoff und die dafür notwendigen Prozesse zu perfektionieren.

Reibung – Freund oder Feind?

Im Straßenverkehr ist Reibung gleichzeitig ein Segen und ein Fluch. Reibung ist notwendig, damit Leistung über die Fahrzeugreifen auf den Boden übertragen wird. Sie ermöglicht es Fahrzeugen, beim Bremsen und Lenken die Kontrolle zu behalten. Dort, wo sie jedoch zum Nachteil wird, ist im Antriebsstrang eines Fahrzeugs, wo Reibung einen erheblichen Teil der potenziellen mechanischen Energie in Wärme verschwenden kann.

Zwei Lösungen zur Überwindung von Reibung sind Oberflächentexturierung und der Einsatz synthetischer Schmierstoffe.

Durchgeführte Studien zur Oberflächentexturierung haben vielversprechende Ergebnisse gezeigt, indem sowohl Rillen als auch Vertiefungen in den Zylinderwänden von ICEs verwendet wurden, was zu einer deutlichen Reduktion von Reibung und der daraus resultierenden Wärme führte.

Synthetische Schmierstoffe sind nichts Neues. Als sie vor Jahrzehnten erstmals eingeführt wurden und das herkömmliche Motoröl ersetzten, boten sie eine Alternative mit besserer Schmierung, Verschleißcharakteristik, variablen Viskositäten und mehr. Die Wissenschaft hinter diesen Schmierstoffen hat jedoch nicht aufgehört. Mit unserem ständig wachsenden Verständnis der Materialwissenschaften werden synthetische Schmierstoffe kontinuierlich robuster und effektiver in ihrer Aufgabe.

Kombiniert haben der Einsatz von Oberflächentexturierung und die Verbesserung synthetischer Schmierstoffe das Potenzial, ICE‑Fahrzeugen zu helfen, einen erheblichen Teil der mechanischen Verluste im Antriebsstrang zu eliminieren. Zwar werden sie nie die hohe Effizienz von Elektrofahrzeugen erreichen, die nur etwa 5 % Verluste aufweisen, doch das Abschwächen des fast 50 %igen Verlusts von ICEs kann ihre Lebensdauer erheblich verlängern.

Neugestaltung des ICE

KI kann also den Fahrer ersetzen, synthetische Kraftstoffe können Energiequellen ersetzen, und moderne Schmierstoffe in Kombination mit Oberflächentexturierung können mechanische Motorverluste verringern. Das alles ist großartig, doch ein Unternehmen geht einen Schritt weiter, indem es den traditionellen ICE nahezu vollständig neu gestaltet.

Avadi Engines, die kürzlich eine Crowdfunding‑Kampagne auf StartEngine abgeschlossen hat, bei der das Unternehmen über 210.000 $ eingeworben hat, behauptet, dass durch die Eliminierung eines herkömmlichen Nockenwellenantriebs ihr neu gestalteter ICE kompakter, leichter, effizienter, vielseitiger und ein Drehmomentmonster ist.

Das einzigartige Design des Unternehmens nutzt einen rotierenden Kolben mit zwei Pleueln. Die Kolbenrotation ermöglicht die Eliminierung eines herkömmlichen Nockenwellenantriebs, indem sie die Integration von Ein- und Auslassventilen am Zylinderkopf erlaubt. Avadi behauptet, dass

“Laut interner Tests ist unser Avadi MA-250 etwa halb so schwer und liefert das Doppelte an Drehmoment und Pferdestärken im Vergleich zum nächstgelegenen Konkurrenzmotor, und verbraucht dabei etwa 30 % weniger Kraftstoff.”

Während Avadi angibt, dass sein erstes Modell, der MA-250, 15 PS und 22 lb‑ft (ca. 30 Nm) leistet und dabei nur 26 lb (ca. 12 kg) wiegt, kann es für unterschiedliche Anwendungen nach oben und unten skaliert werden.

Diese Skalierbarkeit ist wichtig, da ICE nicht nur im Straßenverkehr eingesetzt werden. Tatsächlich ist einer der Gründe, warum ICE noch jahrelang verbreitet bleiben wird, ihre umfangreiche Nutzung in zahlreichen Anwendungen. Ob Garten­traktor, ATV, Holzhäcksler oder andere Maschinen – ICE ist überall zu finden. Dies wird nun von Unternehmen wie Avadi und seinem MA‑250‑Prototypen angegangen.

Abschließendes Wort

Wie zu Beginn dieses Artikels bereits erwähnt, ist es nur eine Frage der Zeit, bis Elektrofahrzeuge die ICE ersetzen. Das ist mittlerweile keine offene Frage mehr. Interessant ist jedoch die anhaltende Ingenieurskunst, die es ermöglicht, dass ICE noch jahrelang eine brauchbare Energiequelle bleibt.

Obwohl Elektrofahrzeuge bereits vorhanden sind und in vielen Kennzahlen die Parität mit ICE‑Fahrzeugen erreichen, wird es noch einige Zeit dauern, bis die globale Infrastruktur nachzieht. In diesem Kontext bleibt für versierte Investoren noch ein beträchtlicher Zeitraum, um lukrative Investitionen im ICE‑Bereich zu tätigen. Sei es durch Brückentechnologien wie moderne Kraftstoffe, Schmierstoffe oder Motorneugestaltungen – die Gelegenheit ist vorhanden.

Vielleicht wird es in einigen Jahren einen Tag geben, an dem wir selbstfahrende Fahrzeuge mit einem Avadi‑Motor, betrieben mit eFuel, und dank außergewöhnlicher Effizienz durch den Einsatz von Next‑Gen‑Schmierstoffen und Oberflächentexturierung haben.