Nachgehakt Freikolbenmotor als Stromerzeuger im Elektrofahrzeug

Was ist eigentlich mit… dem Freikolbenlineargenerator (FKLG), einer Kombination aus Zweitaktmotor und Generator, der aus Kraftstoff direkt elektrische Energie erzeugt? Wir fragten Dipl.-Ing. Florian Kock, den Projektleiter Freikolbenlineargenerator am DLR, wo das System für zukünftige Elektroautos entwickelt wird.

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Novotechnik Messwertaufnehmer OHG

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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Der Freikolbenmotor, zu dem der Freikolbenlineargenerator zählt, ist schon lange bekannt. Warum kam er nie wirklich zum Einsatz?

Richtig kommerziell verwertet wurde der Freikolbenmotor eigentlich nie. Dafür gibt es zwei Gründe: Zum einen gab es damals keine Anwendung im großen Stil, zum anderen konnte man das System nicht realisieren. Man muss wissen, ein Freikolbenlineargenerator (FKLG) erzeugt immer elektrische Energie. Wir haben einen Verbrennungsprozess, am dessen Ende keine drehende Welle steht sondern elektrische Leistung.

Dafür gibt es heute eine neue Anwendung: die Elektromobilität. Hier kann das System im Fahrzeug zum Einsatz kommen, um Elektromotoren mit Strom zu versorgen. Diesen Trend gab es vor 20 oder 30 Jahren in diesem Umfang noch nicht. Zum zweite Punkt, der Realisierungsmöglichkeit, muss man sich vorstellen: Ein Freikolbenmotor ist ein Verbrennungsmotor ohne Kurbelwelle. Das heißt, bestimmte Größen, vor allem die Kolbenbewegung, müssen aktiv und elektronisch geregelt werden. Im klassischen Verbrennungsmotor gibt es dafür die Kurbelwelle, wir brauchen aber Elektronik. Um das zu realisieren sind heutige Rechenleistungen nötig.

Warum hat sich das DLR vor einigen Jahren des Systems angenommen?

Anfang der 2000er-Jahren zeichnete sich ab, dass sich das Problem der Rechenkapazität lösen wird. Damit erschien ein Freikolbenmotor wie der FKLG nun realisierbar. Zudem hat das DLR schon damals erkannt, dass die Elektromobilität ein wichtiges Thema werden und man dann eventuell Probleme mit den Batterien – also Kosten und Reichweite – bekommen könnte. Es war abzusehen, dass ein solcher FKLG als Stromerzeugungsaggregat an Bord eines Elektrofahrzeugs nützlich sein kann.

Was macht das DLR anders als bisherige Entwicklungsansätze zum Freikolbenmotor?

Was uns unterscheidet von Freikolben-Projekten aus der Vergangenheit ist vor allem die systematische Vorgehensweise. Von Anfang an war klar, dass hier kein weiteres „Bastelprojekt“ startet, sondern ganz systematisch die 3 Teilsysteme des FKLG, Verbrennungsteil, Lineargenerator und Gasfeder, aufgebaut und erforscht werden. Wir waren die ersten, die diese Teilsysteme zunächst separat entwickelt haben. Als sie soweit lauffähig waren, haben wir 2013 unser ganzes Gesamtsystem aufgebaut. Da konnten wir schon fast sicher sein, dass dieser „Proof of Concept“ auch gelingen würde. Genauso war es dann auch.

Fluidtechnik

Hydraulikzylinder simuliert Größen für einen Freikolbenmotor

Welche Potenziale bietet der Freikolbenlineargenerator?

Eines der Potenziale ist, dass die FKLG Flexfuel-tauglich sind. Das bedeutet, wir können unterschiedliche Kraftstoffe im selben Motor verwenden. Wenn man beispielsweise im klassischen PKW sowohl E10 als auch normalen Otto-Kraftstoff tanken will, muss der Motor auf den schlechtesten Kraftstoff ausgelegt werden. Beim FKLG geschieht diese Auslegung während des Betriebs elektronisch, sodass mit jedem Kraftstoff der Motor optimal arbeitet. Ein weiterer Vorteil bietet sich bei Vibrationen und Geräusche. Wir arbeiten immer mit zwei Kolben, die genau gegenläufig arbeiten. So wird unser System leiser und nahezu vibrationsfrei sein.

Wo könnte der Freikolbenlineargenerator eingesetzt werden?

Die Elektromobilität als Einsatzgebiet hatte ich ja bereits erwähnt. Es gibt aber noch viele weitere Anwendungsfelder. Letztendlich kann man einen solchen FKLG überall dort nutzen, wo Strom gebraucht wird – also auch in stationären Anwendungen wie in der Energiewirtschaft. Ein Trend ist das Thema erneuerbare Energien. Sie haben den Nachteil, dass sie nicht konstant Energie liefern. Je mehr erneuerbare Energien man im Netz hat, desto größer ist die Schwankung der Leistung. Um diese auszugleichen kann man viele kleine, steuerbare Stromerzeugungsanlagen einsetzen. Das könnten FKLG sein. Es gibt auch konventionelle Technologien, die das gleiche machen. So können beispielsweise ein Verbrennungsmotor und ein Generator zusammen ebenfalls Strom erzeugen. Das ist dann aber weniger effizient und von der Bauweise größer und teurer.

Das Interview führte MM-Redakteurin Stefanie Michel

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