Das Brennstoffzellensystem EMILY 3000 hat eine Nennausgangsleistung von 125 W und eine tägliche Ladekapazität von 6 kWh. Es kann mehrere Batterien aufladen oder als Feldgenerator fungieren. Das System wurde speziell für militärische Anwendungen entwickelt, darunter auch Testszenarien, in denen Daten zu neuen Verteidigungssystemen im Feld gesammelt und ausgewertet werden müssen.
Letztlich bieten Hybridkraftwerke vergleichbare oder sogar bessere Vorteile wie gepanzerte Fahrzeuge. Obwohl die Kraftstoffeffizienz, zumindest in der Vergangenheit, nicht ganz oben auf der Liste der obligatorischen Eigenschaften von gepanzerten Fahrzeugen stand, erhöht sie dennoch die Laufleistung und / oder die Lebensdauer für eine bestimmte Kraftstoffkapazität, erhöht die Nutzlast, den Schutz oder die Feuerkraft für eine bestimmte Gesamtmenge Gewicht und reduzieren im Allgemeinen die gesamte Logistikbelastung der Flotte
Der Hybrid-Elektroantrieb mag in der Zukunft von Militärfahrzeugen eine wichtige Rolle spielen, aber die entsprechende Absage und Reduzierung des Volumens vieler Verteidigungsprogramme (nicht zu vergessen die berühmten FCS und FRES) und der Kampf um dringende Anforderungen an geschützte Fahrzeuge haben sich verschoben seine Umsetzung in Militärfahrzeugen auf unbestimmte Zeit.
Als jedoch im Januar 2011 Bewerber für das amerikanische Bodenkampffahrzeug GCV (Ground Combat Vehicle) bekannt gegeben wurden, war darunter ein Projekt des Teams BAE Systems / Northrop Grumman mit einem Hybrid-Elektroantrieb mit dem E-X-DRIVE-System von Qinetiq. Dies kann als eine Art Glücksspiel angesehen werden, denn keiner der Anwärter auf das leichte taktische Fahrzeugprogramm JLTV (Joint Light Tactical Vehicle), zu dem auch ein Hybrid-Elektroantrieb gehörte, konnte sich nicht für das Finale qualifizieren, da laut vorliegenden Daten ist die Technologie für diese Maschine zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht ausgereift. Dennoch gibt es in der Geschichte hybrider Elektroantriebe in Bodenkampffahrzeugen genügend Programme, um diese Technologie zu entwickeln und zu demonstrieren. Das weltweite Streben nach Technologien, die Kraftstoff sparen, Leistung und Überlebensfähigkeit verbessern und gleichzeitig den wachsenden Bedarf an Bordstrom decken, haben etwas Unnachgiebiges und Unvermeidliches an sich. Dies wird zweifellos durch parallele Entwicklungen in der Automobilindustrie untermauert, die durch die Umweltgesetzgebung getrieben werden.
Hersteller von Militärfahrzeugen und Systemanbieter haben stark in diese Technologie investiert, oft vorangetrieben durch einige der oben genannten ehrgeizigen Regierungsprogramme, bevor sie sich der besonderen Unsicherheit, die mit langfristigen Regierungsplänen verbunden ist, konfrontiert sahen. AM General, BAE Systems, General Dynamics, Hagglunds, MillenWorks und Qinetiq haben Hybrid-Elektroantriebe für die britischen, US-amerikanischen und schwedischen Programme entwickelt, während Nexter am ARCHYBALD-Technologieentwicklungsprogramm für schwere Nutzfahrzeuge, Zivil- und Militärfahrzeuge arbeitet.
Elektrisches Antriebsgetriebe E-X-DRIVE für Kettenfahrzeuge von QinetiQ, leichtes, kompaktes und effizientes System
Hybrid-Vorgänger
Hybridantriebe haben sich in Kriegsschiffen, insbesondere auf U-Booten, Zügen und schweren Lastkraftwagen im Steinbruch und Tagebau, fest etabliert. Bei diesen Anwendungen treibt eine Antriebsmaschine, wie beispielsweise ein Dieselmotor, eine Gasturbine oder sogar beides, einen Generator an, der Strom zum Antrieb von Motoren und zum Laden von Batterien liefert. Einige Systeme enthalten ein Getriebe zur Übertragung der mechanischen Kraft auf die Achsantriebe, andere nicht.
Hybridkraftwerke erlauben in Kriegsschiffen den Einsatz komplexer und stark variierender Geschwindigkeitsprofile, während die Antriebsmaschinen in einem effektiven Drehzahlbereich betrieben werden: Elektromotoren für den lautlosen Antrieb, Dieselmotoren für den Normalantrieb, Gasturbinen für die Beschleunigung etc. Ein U-Boot, das mit der traditionellen Methode angetrieben wird, kann seinen Hauptantrieb während eines Tauchgangs nicht starten (wenn es keinen Schnorchel hat) und in dieser Hinsicht ist man hauptsächlich auf Batterien oder andere luftunabhängige Antriebssysteme angewiesen. Riesige Erdbewegungsmaschinen sind für den Antrieb auf ein enormes Drehmoment von null U/min angewiesen, das von Elektromotoren erzeugt wird, da manuelle Getriebe, die diese Art von Arbeit erledigen könnten, riesig, komplex und teuer wären. Noch mehr stehen Züge vor dem gleichen Problem, da sie aus dem Stillstand mehrere hundert Tonnen mit sich bringen müssen, in vielen Fällen bis zu Geschwindigkeiten von über 250 km/h.
Ein Hybridantriebssystem kann Kraftstoff sparen, indem eine kleinere, kraftstoffeffizientere Antriebsmaschine ohne Beeinträchtigung verwendet werden kann, da das System den Hauptmotor durch batteriebetriebene Elektromotoren ergänzt, wenn der Fahrer das Gaspedal vollständig durchdrückt. Elektrische Antriebe ermöglichen auch eine Dämpfung der Antriebsmaschine beim Fahren mit niedrigen Geschwindigkeiten, wenn diese relativ wirkungslos sein kann. Moderne Hybridautos können auch kinetische Energie (zum Beispiel aus einem regenerativen Bremssystem) speichern und damit ihre Batterien aufladen. Zusätzliche Einsparungen werden dadurch erzielt, dass die Antriebsmaschine die meiste Zeit im effizientesten Geschwindigkeitsbereich betrieben wird sowie zusätzliche Energie zum Laden von Batterien und / oder zur Stromversorgung von elektrischen Bordverbrauchern verwendet wird.
Moderne Militärfahrzeuge benötigen immer mehr elektrische Energie, um Kommunikationssysteme, Befehls- und Kontrollausrüstung, Überwachungs- und Geheimdienstsensoren wie Optoelektronik und Radar, ferngesteuerte Waffenstationen und improvisierte Sprengkörper (IED) Jammer zu betreiben. Fortschrittliche Systeme wie elektrische Panzerung werden den Verbrauch weiter erhöhen. Die Nutzung der gesamten installierten Leistung für den Betrieb elektrischer Systeme ist theoretisch zumindest effizienter als ein System für den Antrieb und ein anderes für spezielle Geräte.
Bei Missionen zur Aufstandsbekämpfung wird zunehmend Wert auf die Überwachung und das Sammeln von Informationen gelegt, und infolgedessen werden in einer zunehmenden Zahl von gepanzerten Fahrzeugprogrammen Anforderungen an die stille Überwachung gestellt. Dies erhöht die Bedeutung des Stromverbrauchs weiter und macht Brennstoffzellen attraktiver.
Hybride elektrische Antriebssysteme lassen sich in zwei große Kategorien einteilen: parallel und in Reihe. In parallelen Systemen drehen ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor (oder Elektromotoren) die Räder oder Ketten durch ein Getriebe, entweder getrennt oder zusammen. Bei seriellen Hybridsystemen treibt die Antriebsmaschine nur den Generator an. Ein sequentielles System ist einfacher, die gesamte Antriebsleistung muss über die Elektromotoren laufen und daher müssen diese größer sein als die Elektromotoren in einem parallelen System mit den gleichen Anforderungen an die Maschinenleistung. Es wurden Systeme beider Typen entwickelt.
Innovationen bei hybridelektrischen Antrieben und der Brennstoffzellentechnologie können aus der kommerziellen Technologie gezogen werden. BAE Systems stellt beispielsweise Hybrid-Elektrobusse her, mit deren Technologie die Energieeffizienz und die verbesserten Abgaseigenschaften moderner Hybrid-Elektrofahrzeuge für schwere Bedingungen demonstriert werden können.
Erhöhte Überlebensfähigkeit
Hybridsysteme erhöhen auch die Überlebensfähigkeit durch ein flexibleres Layout und die Eliminierung von Übertragungskomponenten, die bei der Detonation durch eine Mine oder ein IED zu einem Seitenprojektil werden könnten. Davon profitieren besonders gepanzerte Radfahrzeuge. Durch die Integration der Antriebsmotoren in die Radnaben werden alle Kardanwellen, Differentiale, Antriebswellen und Getriebe, die bei herkömmlichen Handschaltgetrieben üblich sind, eliminiert und durch Stromkabel ersetzt und können somit nicht zu zusätzlichen Geschossen werden. Der Wegfall all dieser Mechanismen ermöglicht es auch, die Mannschaftskabine bei einer gegebenen Fahrzeughöhe über den Boden zu heben, wodurch die Passagiere weniger anfällig für Explosionen unter dem Rumpf werden. Diese Art der Konstruktion wurde beim General Dynamics UK AHED 8x8 Demonstrator und der Radversion der SEP-Maschine von BAE Systems / Hagglunds verwendet, deren Raupenversion ebenfalls hergestellt (und später sicher vergessen) wurde.
Die in die einzelnen Räder integrierten Elektromotoren regeln die an jedes Rad abgegebene Leistung sehr präzise, was laut GD UK den Vorteil von Raupen gegenüber Rädern im Gelände fast zunichte macht.
Das vielversprechende Bodenkampffahrzeug wird sich auf Schienen bewegen und der Vorschlag von BAE Systems / Northrop Grumman zeigt, dass das E-X-DRIVE-Elektrogetriebe von Qinetiq leichter, kompakter und effizienter sein wird als herkömmliche Getriebe. Es ermöglicht auch eine verbesserte Beschleunigung sowie Fehlertoleranz und ist für eine breite Palette von Maschinen- und Technologieanpassungsprogrammen konfigurierbar, so das Unternehmen.
Obwohl das System vier Permanentmagnetmotoren umfasst, ist der Antriebsstrang des E-X-DRIVE nicht vollelektrisch; Kraftrückgewinnung bei Kurvenfahrt und mechanischen Schaltvorgängen, letztere über eine Nockenkupplung. Dieses Design ist eine risikoarme Lösung, die die Belastungen von Motoren, Getrieben, Wellen und Lagern minimiert. Die Verwendung einer Querwellenanordnung zur Rückgewinnung mechanischer Leistung im Schwenkgetriebe ist eine Alternative zur Verwendung unabhängiger Antriebsräder in einem rein elektrischen Getriebe.
Eine der Innovationen im Herzen des E-X-DRIVE ist das Mittelgetriebe (sogenanntes Verstelldifferenzial), das das Lenkmotordrehmoment, das Hauptmotordrehmoment und die bereits erwähnte mechanische Rekuperationsmechanik kombiniert. Neben der Minimierung von Torsionsbelastungen eliminiert es die Masse und das Gewicht der externen Querwelle, die in herkömmlichen Lösungen und anderen Hybrid-Elektroantriebssystemen verwendet wird.
Fortschritte in der Elektrotechnik
Permanentmagnetmotoren sind ein Technologiebereich, der die Effizienz und Leistungsdichte elektrischer Antriebssysteme in allen Anwendungen in den letzten Jahren stark verbessert hat. Permanentmagnetmotoren basieren auf natürlich vorkommenden starken Seltenerdmagneten, um Magnetfelder in den Statorkomponenten zu erzeugen, und nicht auf stromdurchflossenen Wicklungen (Elektromagneten). Dies macht die Motoren effizienter, insbesondere weil nur der Rotor mit elektrischem Strom versorgt werden muss.
Moderne Leistungselektronik ist auch eine Schlüsseltechnologie für Hybrid-Elektrofahrzeuge aller Art. IGBT-basierte Motorcontroller steuern beispielsweise den Stromfluss von einer Batterie, einem Generator oder einer Brennstoffzellen, um die Drehzahlen und das Ausgangsdrehmoment von Elektromotoren zu bestimmen. Sie sind viel effizienter als elektromechanische Steuerungssysteme und verbessern die Leistung von Frequenzumrichtern erheblich – eine Technologie, die weitaus weniger ausgereift ist als Frequenzumrichter mit fester Drehzahl, die in der Industrie weit verbreitet sind.
TDI Power mit Sitz in New Jersey ist ein Beispiel für einen Investor, der in flüssigkeitsgekühlte Leistungselektronik für Elektro- und Hybridfahrzeuge für zivile und militärische Anwendungen investiert. Das Unternehmen stellt modulare Standard-DC/DC-Wandler und -Wechselrichter her, die die aktuellen SAE- und MIL-Standards übertreffen.
Elektrische Antriebe in Militärfahrzeugen werden von umfangreicher Forschung und Entwicklung zu drehzahlgeregelten Antrieben für die Industrie profitieren, angetrieben durch die Aussicht auf eine Gesamtenergieeinsparung von etwa 15-30%, die erzielt werden kann, wenn für die meisten Industriemaschinen Festgetriebe durch drehzahlgeregelte Antriebe ersetzt werden wie in einer aktuellen Studie der University of Newcastle im Auftrag der britischen Science and Innovation Authority beschrieben. „Durch die Verbesserung der potenziellen Effizienz von Antriebslasten sollen in Großbritannien jährlich 15 kWh Milliarden Stunden eingespart werden, und in Kombination mit einer verbesserten Motor- und Antriebseffizienz insgesamt Einsparungen von 24 Milliarden kWh“, heißt es in der Studie.
Eine der wichtigsten Möglichkeiten, die Effizienz der Stromübertragung in jedem elektrischen System zu verbessern, besteht darin, die Spannung zu erhöhen, da das Ohmsche Gesetz vorschreibt, dass für jede gegebene Leistung der Strom umso niedriger ist, je höher die Spannung ist. Kleine Ströme können durch dünne Drähte fließen, wodurch kompakte, leichte elektrische Systeme die erforderlichen Lasten bereitstellen können. Aus diesem Grund verwenden die nationalen Stromnetze bei der Energieübertragung sehr hohe Spannungen; Britische Stromnetze beispielsweise betreiben ihre Übertragungsleitungen mit bis zu 400.000 Volt.
Es ist unwahrscheinlich, dass die Bordnetze von Militärfahrzeugen Spannungen dieser Größenordnung verwenden werden, aber die Tage von 28 Volt und ähnlichen Bordnetzen scheinen gezählt. 2009 wurde Qinetiq beispielsweise vom britischen Verteidigungsministerium ausgewählt, um die Erzeugung und Verteilung von elektrischem Strom mit der 610-Volt-Technologie zu erforschen. Qinetiq leitete ein Team, zu dem BAE Systems und der Elektromaschinenspezialist Provector Ltd gehörten, das den WARRIOR 2000 BMP in einen Demonstrator umwandelte, der sowohl 610-Volt-Hochleistungskunden als auch vorhandene 28-Volt-Geräte mit Strom versorgen kann. Die Maschine ist mit zwei 610-Volt-Generatoren ausgestattet, von denen jeder die doppelte Leistung der Originalmaschine liefert, wodurch die elektrische Leistung des Warrior effektiv vervierfacht wird.
Energie für ein Fahrzeug mit Brennstoffzellen von SFC
Soldaten im Feld brauchen eine zuverlässige Energiequelle für ihre Maschinen. Es muss Bordgeräte wie Funkgeräte, Kommunikationsgeräte, Waffensysteme und optische elektronische Systeme mit Strom versorgen. Bei Bedarf soll es aber auch als Ladestation für Soldaten im Einsatz fungieren.
Oftmals ist es nicht möglich, den Motor zu starten, um die Batterien während der Durchführung der Aufgabe zu laden, da dies den Standort des Geräts verraten kann. Daher brauchen die Soldaten eine Möglichkeit, Strom zu bekommen - leise, ständig und unabhängig.
Das EMILY 2200-System von SFC basiert auf der erfolgreichen EFOY-Brennstoffzellentechnologie. An der Maschine installiert sorgt die EMILY-Einheit dafür, dass die Akkus konstant geladen bleiben. Sein eingebauter Regler überwacht ständig die Spannung in den Batterien und lädt die Batterien bei Bedarf automatisch auf. Es arbeitet geräuschlos und sein einziger "Auspuff" ist Wasserdampf und Kohlendioxid in Mengen, die mit der Atmung eines Kindes vergleichbar sind.
Große Maschinen benötigen große Batterien. Dieses Lithium-Ionen-Zellenpaket ist Teil der Hybridbus-Antriebstechnologie von BAE Systems.
Sind Brennstoffzellen möglich?
Brennstoffzellen, die mittels chemischer Verfahren Kraftstoff mit hoher Effizienz direkt in elektrischen Strom umwandeln, gelten seit langem als eine weit verbreitete Technologie im militärischen Bereich, einschließlich des Antriebs eines Autos und der Stromerzeugung an Bord. Allerdings gibt es erhebliche technische Hürden, die es zu überwinden gilt. Erstens laufen Brennstoffzellen mit Wasserstoff und mischen ihn mit Sauerstoff aus der Luft, um als Nebenprodukt elektrischen Strom zu erzeugen. Wasserstoff ist nicht leicht verfügbar und schwer zu lagern und zu transportieren.
Es gibt viele Beispiele für Brennstoffzellen, die Elektrofahrzeuge antreiben, aber sie sind alle experimentell. In der Automobilwelt ist Hondas FCX CLARITY wahrscheinlich die nächstgelegene Verfügbarkeit eines kommerziellen Produkts, aber selbst dann ist es nur in Gebieten erhältlich, in denen es eine gewisse Wasserstoffbetankungsinfrastruktur gibt, und nur im Rahmen von Leasingverträgen. Selbst führende Brennstoffzellenhersteller wie Ballard Power erkennen die aktuellen Grenzen dieser Technologie für den Einsatz in Automobilen. Das Unternehmen sagt, dass „die Massenproduktion von Brennstoffzellenfahrzeugen langfristig ist. Heute glauben die meisten Autohersteller, dass die Serienproduktion von Brennstoffzellenfahrzeugen nicht vor etwa 2020 möglich ist, da die Branche mit Problemen der Wasserstoffverteilung, der Optimierung von Haltbarkeit, Energiedichte, Heißstartfähigkeit und Brennstoffzellenkosten konfrontiert ist.
Alle großen Automobilhersteller der Welt investieren jedoch stark in die Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellen, oft in Zusammenarbeit mit Brennstoffzellenherstellern. Ballard beispielsweise ist Teil der Automotive Fuel Cell Cooperation, einem Joint Venture zwischen Ford und der Daimler AG. Das Militär stellt der Einführung von Brennstoffzellen ein weiteres Hindernis in Form der Forderung, dass alles mit "logistischen" Kraftstoffen betrieben werden muss. Brennstoffzellen können mit Diesel oder Kerosin betrieben werden, müssen aber erst modifiziert werden, um den benötigten Wasserstoff zu gewinnen. Dieser Prozess erfordert eine komplexe und sperrige Ausrüstung, die die Größe, das Gewicht, die Kosten, die Komplexität und die Effizienz des Gesamtsystems beeinflusst.
Eine weitere Einschränkung von Brennstoffzellen beim Einsatz als Antriebsmaschine eines Militärfahrzeugs ist die Tatsache, dass sie bei konstanten Leistungseinstellungen am besten funktionieren und nicht schnell auf erforderliche Änderungen reagieren können. Dies bedeutet, dass sie mit Batterien und / oder Superkondensatoren und zugehöriger Leistungsregelungselektronik ergänzt werden müssen, um Leistungsspitzen zu erfüllen.
Im Bereich „Superkondensatoren“hat das estnische Unternehmen Skeleton Industries eine Reihe hochmoderner SkelCap-Superkondensatoren entwickelt, die pro Liter Volumen fünfmal leistungsfähiger oder pro Kilogramm mehr als viermal leistungsfähiger sind als Premium-Militärbatterien. In der Praxis bedeutet das 60 Prozent mehr Leistung und viermal mehr Strom im Vergleich zu den besten Militärbatterien. Die "Superkondensatoren" von SkelCap bieten einen sofortigen Kraftschub und werden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, von der Feuerkontrolle bis hin zu Turmpanzern. Als Teil der United Armaments International (UAI)-Gruppe erfüllt SkelCap verschiedene Spezialaufträge sowie erweiterte Programme über die UAI-Gruppe mit Sitz in Tallinn.
Superkondensatoren von Skeleton Industries
Dies bedeutet jedoch nicht, dass Brennstoffzellen keinen Platz in hybriden und elektrischen Militärfahrzeugen finden werden. Die vielversprechendste unmittelbare Anwendung sind Hilfsantriebe (APU) in Fahrzeugen, die stille Überwachungsaufgaben vom Typ ISTAR (Informationssammlung, Zielbestimmung und Aufklärung) ausführen.„Im stillen Überwachungsmodus müssen die Fahrzeugmotoren nicht laufen und Batterien allein können nicht genug Energie für den Langzeitbetrieb liefern“, sagt das US Army Engineering Research Center, das die Entwicklung von Festoxid-Brennstoffzellengeneratoren und APUs leitet, die kann mit Militärkraftstoffen, Dieselkraftstoff und Kerosin betrieben werden.
Diese Organisation konzentriert sich derzeit auf Systeme bis 10 kW, wobei der Schwerpunkt auf der vollständigen Integration von Brennstoffsystemen mit den Betriebsanforderungen eines Brennstoffzellen-Kits liegt. Zu den Aufgaben, die bei der Auslegung praktischer Systeme angegangen werden müssen, gehören die Kontrolle der Verdampfung und der Verschmutzung, insbesondere die Kontrolle des Schwefels durch Entschwefelung (Entschwefelung) und die Verwendung schwefelbeständiger Materialien sowie die Vermeidung der Bildung von Kohlenstoffablagerungen im System.
Hybrid-Elektroantriebe haben für Militärfahrzeuge einiges zu bieten, aber es wird noch einige Zeit dauern, bis die Vorteile dieser Technologie greifbar werden.
