Eine der entscheidenden Fragen der Verkehrswende lautet: Wie lassen sich
E-Fahrzeuge nachhaltig und zugleich ökonomisch herstellen? Gleich mehrere
Antworten kennt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen,
das gemeinsam mit Industriepartnern elektrisierende Lösungen rund um die
Lasertechnik entwickelt hat. Die Überwachung von lasergeschweißten
Verbindungen zeigen unter anderem nLight Plasmo, Precitec und 4D Photonics
auf dem LSE - Laser Symposium Elektromobility 2024 am 23. und 24. Januar
2024. Die Unternehmen demonstrieren live vor Ort wie ihre
Prozessüberwachung einwandfreie Schweißvorgänge gewährleistet.

Als »Herzstück des Elektroautos und Schlüssel für die Zukunft der
Mobilität« bezeichnete Herbert Diess, der ehemalige Vorstandsvorsitzende
des Volkswagenkonzerns die Batterie. Das schlägt sich auch im Preis
nieder: Bis zu 40 Prozent beträgt laut Bundesministerium für Wirtschaft
und Klimaschutz (BMWK) der Anteil des Akkus an der Wertschöpfung eines
E-Fahrzeugs. Kein Wunder also, dass allein in Europa aktuell 40 Battery
Gigafactories im Bau oder in Planung sind.

Jetzt kommt es darauf an, die bereits signifikant gesunkenen
Batteriekosten von knapp unter 100 US-Dollar pro Kilowattstunde noch
weiter zu reduzieren. Zwei wichtige Aufgaben nannte Prof. Arnold Gillner,
Abteilungsleiter Business Development am Fraunhofer ILT im Januar 2023 auf
dem Lasersymposium Elektromobilität LSE’23: »Wichtig ist neben dem Senken
des Energieverbrauchs bei der Fertigung von Batterien langfristig die
Erhöhung ihrer Energiedichte durch neue Materialien.«

Im hauseigenen Battery Lab steht dem Fraunhofer Team auf knapp 140
Quadratmetern modernste Technologie sowie verschiedenste Anlagen zur
laserbasierten Batteriefertigung zur Verfügung, um neue Materialien und
Verfahren zu erforschen. Es gibt elektrische und mechanische Teststände,
die eine direkte Bewertung der Laserprozesse zulassen sowohl von heute
üblichen Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten als auch
zukünftigen Festkörper-Akkumulatoren.

Das Battery Lab verfügt über ein mit Argon betriebenes GloveBox-System, in
das die vakuumbasierte PVD-Beschichtungstechnologie sowie ein
Hochtemperaturofen integriert sind. So lassen sich luftempfindliche
Festkörperzellmaterialien beschichten und anschließend zu Testzellen
verbauen.

Trocknung mit Diodenlaser halbiert Energieverbrauch

Wie sich der Energieverbrauch bei der Trocknung der Grafit-Elektroden von
Lithium-Ionen-Akkus drastisch senken lässt, demonstrierten die Aachener
auf der Hannover Messe 2023. Bisher trocknen mit Gas betriebene
Durchlauföfen beim Rolle-zu-Rolle-Verfahren die mit Grafitpaste
beschichteten Kupferfolien bei einer Temperatur von 160 bis 180 Grad
Celsius. Die Forschenden aus Aachen ersetzen dieses energieintensive
Verfahren durch eine Anlage mit Diodenlaser, der die Elektrode mit einer
Spezialoptik großflächig erwärmt. Samuel Fink, Gruppenleiter für
Dünnschichtverfahren am Fraunhofer ILT: »Die Trocknung mit dem Diodenlaser
senkt den Energiebedarf um bis zu 50 Prozent und den Platzbedarf für eine
Trocknungsanlage im Industriemaßstab um mindestens 60 Prozent.«

Die Forschenden haben außerdem die Energiedichte im Visier: In Hannover
stellte das Institut ein High Power Ultrakurzpulslaser vor, der den
infraroten, gepulsten Laserstrahl in 24 Teilstrahlen aufteilt, um die
Batterieelektroden zu strukturieren. Entwickelt und umgesetzt wurde die
Multistrahl-Optik in enger Zusammenarbeit mit der Pulsar Photonics GmbH,
einem 2013 gegründeten Spin-off des Fraunhofer ILT.

Es bilden sich sogenannte Channels, die als Ionenautobahnen die Wegstrecke
der Ionen verkürzen und so den Ladeprozess beschleunigen. Das verhindert
das Entstehen von Defekten, steigert die Anzahl an Ladezyklen und erhöht
die Lebensdauer der Batterie. Neu ist das Verfahren nicht, aber den
Fraunhofer-Forschenden gelang es, das Verfahren vom Labormaßstab auf einen
skalierbaren, industriereifen Prozess zu transferieren. »Im nächsten
Schritt werden wir die Technik von dem Prototyp auf eine industrielle
Fertigungsstraße skalieren«, erklärt Matthias Trenn, Teamleiter Surface
Structuring am Fraunhofer ILT.

Inspirationen aus der Arktis

Das Laserschweißen von Batterien ist ein zentraler Aspekt der
industriellen Batteriefertigung und somit auch für die Aachener
Forschenden. Die Bandbreite der Projekte reicht vom großserientauglichen
Fügeprozess für Stromsammelschienen von schnell ladbaren und entladbaren
Batterien, einer Anlage zum Laserschweißen von großen zylindrischen
Lithium-Ionen-Zellen für Hochleistungsanwendungen (40 bis 50
Amperestunden) bis hin zur ganzheitlichen Lösung wie beispielsweise für
Aurora Powertrains aus Finnland.

Das lappländische Start-up hat für sein elektrisches Schneemobil eSled
eine wasser- und staubdichte Batterie mit IP67-Klassifizierung entwickelt,
die eine hohe Energiedichte von mehr als 190 Wh/kg besitzt. Die am
Fraunhofer ILT entwickelte, maßgeschneiderte Lasertechnik verbindet
hierfür den Aluminiumzellableiter mit dem Kupferableiter.

»Weil das Aluminium in der Produktion oben liegt, ist der Vorteil der
Absorption bei grüner oder blauer Laserwellenlänge nicht so gravierend wie
bei Kupfer«, erläutert Dr. Alexander Olowinsky, Abteilungsleiter Fügen und
Trennen am Fraunhofer ILT, die Details der Laserlösung. »Der Single Mode-
Infrarotlaser mit kleinem Strahldurchmesser ist die elegantere, schnellere
und deutlich kostengünstigere Lösung, weil die Strahlqualität bei Grün
oder Blau systembedingt aktuell noch schlechter ausfällt.«

DESY: Tiefe Einblicke in den Schweißprozess

Das Beispiel zeigt, wie die Wahl der richtigen Strahlquelle vom konkreten
Anwendungsfall abhängt. Um das Grundlagen-Know-how zu vertiefen,
untersuchten die Fraunhofer-Forschenden zusammen mit Forschenden des
Lehrstuhls für Lasertechnik LLT und dem Hightech-Unternehmen Trumpf am
Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, mit welcher Wellenlänge
sich elektrische Kupfer-Kontakte von Hochleistungselektronik für
E-Fahrzeuge prozesssicher, stabil und schnell laserschweißen lassen. Die
Antworten lieferte die hochbrillante Strahlung des Synchrotronrings PETRA
III am DESY, mit dem sich bis zu 20.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen
lassen.

Unterstützt von den Fachleuten des Helmholtz-Zentrum Hereon blickte das
Team mit einem Röntgenstrahl durch das geschmolzene Kupfer im Laserstrahl.
Die Versuche bewiesen nicht nur, dass sich das Buntmetall am besten mit
grünem Laserlicht schweißen lässt. Die gestochen scharfen Röntgenvideos
der Laserprozesse zeigten erstmals auch, wie sich kleinste Veränderungen
bei den Laserparametern auf Einschweißtiefe, Porenbildung und
Spritzerbildung auswirken.

Die Auswertung dieser Daten hilft, Laserschweißprozesse tiefgehender zu
verstehen und in den Projekten entsprechend zu optimieren. Das Fraunhofer
ILT geht aber noch einen Schritt weiter: In Aachen laufen bereits
Vorbereitungen für die nächste Strahlzeit. »Neben Schneiden, Schweißen und
Bohren wollen wir uns am DESY in Zukunft den 3D-Druck von Metallen genauer
ansehen«, verrät Alexander Olowinsky.

Resultate der Forschung und Entwicklung des Fraunhofer ILT rund um die
Elektromobilität erfahren Interessenten auf dem LSE - Laser Symposium
Elektromobility 2024 am 23. und 24. Januar 2024. Dort demonstrieren nLight
Plasmo, Precitec und 4D Photonics wie ihre Prozessüberwachung jeweils
einwandfreie Schweißvorgänge gewährleistet.

Das Ziel einer urbanen Verkehrswende ist klar definiert: mehr Fläche für
städtisches Leben, weniger Lärm und klimaschädliche Emissionen sowie eine
saubere Luft. Jedoch stellt sich dabei immer die Frage, wie nachhaltige
Mobilität attraktiver gestaltet werden kann. Dr.-Ing. Alina Wetzchewald
vom Wuppertal Institut ist sich sicher: Das gelingt nur mit Exnovation –
also restriktiven und reduzierenden Ansätzen – für den Autoverkehr. Dazu
setzt sie sich im aktuellen Zukunftsimpuls "Weniger ist Mehrwert" mit
bisher umgesetzten deutschen und europäischen Projekten auseinander,
identifiziert aufgetretene Hemmnisse und Chancen und leitet entsprechende
Strategie- und Handlungsempfehlungen ab.

Im Jahr 2022 hat der Verkehrssektor Treibhausgase im Umfang von rund 148
Millionen Tonnen CO2-Äquivalenten emittiert. Das entspricht rund 20
Prozent der Gesamtemissionen in Deutschland. Damit lagen die Emissionen
rund 1,1 Millionen Tonnen über dem Vorjahreswert – die Vorgaben aus dem
Klimaschutzgesetz wurden erneut verfehlt. Diese Entwicklung macht
deutlich: Ein “weiter so” darf es nicht geben.

Um die Verkehrswende voranzutreiben, setzen Bund, Länder, Städte und
Kommunen bislang meist auf innovative statt auf restriktive Ansätze. Ein
gutes Beispiel ist die Förderung neuer Verkehrsträger, wie die
Elektromobilität. Ein anderes gutes Beispiel ist das 9-Euro-Ticket, das im
Sommer 2022 für drei Monate deutschlandweit erprobt wurde. Konterkariert
wurde die Unterstützung des ÖPNV allerdings mit der zeitgleichen Senkung
der Energiesteuer auf Kraftstoffe – dem sogenannten „Tankrabatt”.
Unterschiedliche Studien zeigen zwar, dass das 9-Euro-Ticket durchaus
positive Effekte auf die allgemeine Nutzung öffentlicher Verkehrsmittel
hatte, allerdings führte es auch zu mehr Verkehrsaufkommen, da der
öffentliche Verkehr häufiger genutzt, das eigene Auto aber nicht in
gleichem Maße stehen gelassen wurde. Dieses Beispiel zeigt, dass das
eigentliche Potenzial von Innovationen nicht voll ausgeschöpft wird,
solange das Auto nicht im gleichen Zuge an Attraktivität verliert. Hier
kommt Exnovation ins Spiel.

Exnovative Maßnahmen sind wichtige Ergänzungen zu innovativen Verkehrs-
Ansätzen

Exnovation setzt darauf, nicht nachhaltige Infrastrukturen, Technologien,
Produkte und Praktiken auf ein notwendiges Minimum zu reduzieren und
stattdessen geeignetere Alternativen zu schaffen. Wenn der Autoverkehr
gezielt eingeschränkt und dadurch unattraktiver wird und gleichzeitig
alternative Mobilitätsoptionen attraktiver gestaltet werden, lässt sich
ein dauerhafter Verhaltenswandel herbeiführen.
In vielen deutschen Städten wird bereits über die Zukunft des Autos in der
(Innen-)Stadt diskutiert – einzelne Städte haben sich bereits konkrete
Ziele gesetzt, um den Autoverkehr zu reduzieren. Bisher wurden in
Deutschland jedoch eher Einzelmaßnahmen umgesetzt, etwa autofreie Straßen
oder Zonen im Rahmen von Pilotprojekten. Größere Projekte sind hingegen
eher im europäischen Ausland zu finden, beispielsweise in Barcelona,
London, Gent, Paris und Oslo: Dort werden ganzheitliche und integrative
Ansätze verfolgt, um den Autoverkehr zu reduzieren.

"In Deutschland scheitern exnovative Konzepte oft an fehlender
Rechtssicherheit und entsprechenden Klagen. Zudem dauern die Projekte zum
Teil nur wenige Wochen, wodurch sich das Verkehrsverhalten nicht dauerhaft
ändert", erklärt Dr.-Ing. Alina Wetzchewald, Researcherin im
Forschungsbereich Mobilität und Verkehrspolitik am Wuppertal Institut und
Autorin des Zukunftsimpulses. In einer so kurzen Zeit wird der Mehrwert
für die Betroffenen in aller Regel nicht deutlich, und die negative
Konnotation, dass das Auto verboten wird, bleibt bestimmend. Zudem reicht
die Zeit häufig nicht, um Kompromissbereitschaft auszuloten. Dadurch
zeigen die Maßnahmen nur wenig Wirkung, hinzu kommt eine mangelnde
Transparenz und die begleitende Kommunikation ist nicht auf den
partizipativen Prozess ausgelegt, wodurch Akzeptanzprobleme entstehen.
Auch der häufig fehlende breite Rückhalt der Politik sowie fehlende
Kontrollmechanismen spielen eine Rolle. Dies sind nur einige Beispiele,
die Projekte scheitern lassen.

Verbesserte Rahmenbedingungen und Erfahrungsaustausch schaffen

Stattdessen braucht es Rückhalt, Rechtssicherheit und einen ganzheitlichen
exnovativen Ansatz, begleitet von einer positiven, den Mehrwert in den
Vordergrund stellenden Kommunikation, damit Pilotprojekte Erfolg haben und
zu dauerhaften Verhaltensänderungen führen können. Auch sind Politik sowie
Stadt- und Kreisverwaltungen als zentrale Akteur*innen gefragt, den Wandel
aktiv mitzugestalten und auf kommunaler Ebene umzusetzen. Der Bund muss
die entsprechenden Rahmenbedingungen schaffen und auch gezielter
Erfahrungsaustausch kann helfen, aus erfolgreichen Beispielen zu lernen.
Die Wissenschaft kann hier einen wichtigen Beitrag leisten, indem sie über
eine systematische Begleitforschung die Projektergebnisse evaluiert und
den Weg zum Upscaling erfolgreicher Projekte ebnet.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
https://wupperinst.org/c/wi/c/s/cd/657 - Thorsten Koska, Co-Leiter des
Forschungsbereichs Mobilität und Verkehrspolitik

Originalpublikation:
https://wupperinst.org/fa/redaktion/images_hq/publications/impulse
/ZI26_Exnovation-Verkehr.pdf

Studierende der Technischen Universität München (TUM) haben das
reichweitenstärkste Elektroauto der Welt entwickelt. Das Team fuhr über
2573 Kilometer mit einer Akkuladung. Im Zuge der IAA Mobility kämpfte das
Team am Flughafen München um den neuen Weltrekord und konnte den Titel
erfolgreich nach München holen. Ganze sechs Tage dauerte der Versuch, für
den das Team auf Feldbetten im Flughafenhangar schlief.

Es war ein Marathon und kein Sprint, der dem TUfast Eco Team bevorstand,
um einen neuen Weltrekord an die TUM zu holen. Sechs Tage sollte es
schließlich dauern, bis feststand: Das reichweitenstärkste Elektroauto der
Welt kommt aus München. Für den Guinness-Weltrekord modifizierte die
Studierendeninitiative den „muc022“, mit dem das Team bereits an
Wettbewerben für effiziente Elektroautos teilnahm. Dabei setzen die
Studierenden vor allem auf eine durchdachte Aerodynamik und auf Leichtbau.
Damit das Fahrzeug weltrekordtauglich wurde, bauten die jungen
Ingenieur:innen einen größeren Akku ein, der 15,5 Kilowattstunden leistet.

Um die Rekordfahrt zu ermöglichen, stellte der Flughafen München einen
leeren Flugzeughangar zur Verfügung. Der Hangar garantierte dem Team, auch
bei schlechten Wetterbedingungen den Rekord einzufahren. Die Messlatte des
bisherigen Rekordhaltenden lag bei 1608,54 Kilometern. Diese Strecke
konnten die Münchner bereits nach vier Tagen zurücklegen. Da der Akku des
muc022 aber noch nicht leer war, fuhr das Team weiter. Am Ende standen
nach 99 Stunden Fahrzeit 2.573,79 Kilometer auf dem Tacho. Übersetzt
bedeutet das Resultat auch, dass das TUfast Eco Team einen Verbrauch von
0,6 Kilowattstunden auf 100 Kilometer verzeichnen kann. Zum Vergleich:
Extrem sparsame Serienfahrzeuge verbrauchen rund 13 kWh auf 100 Kilometer.

Wissenschaftsminister und TUM-Präsident gratulieren

Wissenschaftsminister Markus Blume gratuliert: „Weltrekord für die TUM!
Herzlichen Glückwunsch an das TUfast Eco Team zu diesem grandiosen Erfolg.
Wir sind stolz auf die Studentinnen und Studenten. Sie machen den
einzigartigen TUM-Spirit aus. Und wir sind stolz auf unsere
Spitzenuniversität, die Pioniergeist fordert und fördert. An der TUM gilt:
Studieren und Probieren. Das Ergebnis: Internationale Ingenieurskunst made
in Bavaria. Mit dem Weltrekord beweisen unsere Studentinnen und Studenten
nicht nur sportlichen Ehrgeiz. Dahinter steckt mehr: Sie wollen die
Zukunft der Mobilität nachhaltig gestalten.“

TUM-Präsident Thomas F. Hofmann gratuliert zum Weltrekord: „Das
reichweitenstärkste Elektroauto der Welt kommt aus München! An der TUM
fördern wir studentische Initiativen unterschiedlichster Fachrichtungen
und bieten Raum für Kreativität neben dem Studium. Dass unsere Teams dabei
immer wieder Spitzenleistungen erbringen, macht mich besonders stolz. Es
bestätigt aber auch, dass wir in der Lehre vieles richtig machen.
Studentische Gruppen bringen zusätzliches Leben auf den Campus und fördern
Talente zum Teil schon während des Bachelorstudiums. Meine Gratulation an
das TUfast Eco Team zu diesem Weltrekord!“

TUfast Eco Team erfolgreich in internationalen Wettbewerben

Neben Rekordversuchen nimmt das TUfast Eco Team regelmäßig an
internationalen Wettbewerben wie dem Shell Eco Marathon teil. Hier misst
sich die Gruppe mit Teams anderer Universitäten in unterschiedlichen
Disziplinen. Dabei spielen unter anderem auch die Möglichkeiten des
autonomen Fahrens eine Rolle. „Unzählige Stunden Arbeit neben dem Studium
sind in die Vorbereitung des Rekords geflossen. Umso mehr freuen wir uns,
dass wir den Weltrekord nun halten können. Der muc022 war schon bei
einigen Wettbewerben erfolgreich, nun folgte der Ritterschlag. Vielen Dank
an alle, die uns unterstützt haben“, freut sich das TUfast Eco Team.
Studentische Forschungsgruppen und Studierendeninitiativen haben an der
TUM eine lange Tradition. Teams wie TUfast bieten den Studierenden die
Möglichkeit, das im Studium erarbeitete Wissen direkt in die Praxis
umzusetzen und selbstständig zu forschen. Dabei können die Gruppen
regelmäßig in Wettbewerben überzeugen und standen oft an der Spitze.

Weitere Informationen:

Technische Daten des muc022 für den Weltrekord:
•       Antrieb: Ein permanent erregter Synchronmotor (PSM)
•       Leistung: 400 Watt
•       Widerstandsbeiwert (cW): 0,159
•       Gewicht: 170 Kilogramm ohne Fahrer:in

Der volle Titel des Rekords lautet: Greatest distance by electric vehicle,
single charge (non-solar)