Hybridantrieb optimiert

Philipp Elbert und Sven Kühn haben den Hans-Eggenberger-Preis 2010 für ihre herausragenden Forschungsarbeiten erhalten. Der MAVT-Absolvent widmete sich der Erhöhung der Energieeffizienz von Hybridbussen für den öffentlichen Verkehr, Kühn forschte am D-ITET über die Risiken von elektromagnetischer Strahlung im Mobilfunk.

Nach den Elektrohybrid-Personenwagen kommen auch entsprechende Busse für den öffentlichen Verkehr auf die Strasse. Doch elektrische Hybridantriebe sind kompliziert. Zwar werden die Busse permanent von elektrischem Strom angetrieben. Aber ohne Dieselgenerator, der bei Bedarf elektrische Energie erzeugt, geht es nicht. Es braucht deshalb eine komplizierte Regelungstechnik, um den Antriebsstrang zu steuern.
In seiner soeben mit dem Hans Eggenberger-Preis gekrönten Masterarbeit erarbeitete Philipp Elbert, zurzeit Doktorand am Institut für Dynamische Systeme und Regelungstechnik, eine Methode, mit der sich der Antriebsstrang von elektrischen Hybridbussen optimieren lässt, um mehr Treibstoff zu sparen. Mit herkömmlicher Steuerungssoftware spart der Hybridbus etwa 15 bis 20 Prozent Energie gegenüber Dieselbussen. Mit Elberts Steuerungssoftware lassen sich ohne zusätzlichen Hardwareaufwand bis zu 25 Prozent einsparen.

Vorausschauendes System

Die Idee: Ein Energiemanagementsystem wird mit Daten über die zu fahrende Strecke, Steigungen, Gefälle etc. gefüttert. Das EMS wird nun den Energieverbrauch und die Speisung der Speicher, so genannte Superkondensatoren, sinnvoll und vorausschauend aufeinander abstimmen, so dass zum Beispiel die Energiespeicher auf dem Kulminationspunkt der Strecke nicht vollgeladen ist. Denn auf einem abschüssigen Streckenteil soll Bremsenergie zurückgewonnen und in den Superkondensatoren gespeichert werden können. Das Energiemanagementsystem definiert also zu jedem Zeitpunkt, welches Antriebselement – entweder der Dieselgenerator oder die Superkondensatoren - eine bestimmte Energiemenge abgibt oder aufnimmt.

Bei der Auslegung des Fahrzeugs, das heisst beim Bestimmen der Grössen der einzelnen Komponenten, ist es wichtig, diesen Sachverhalt zu berücksichtigen: Beim Fall «ohne Vorschau» neigen Busbauer dazu, mehr Speicherkapazität in das Fahrzeug einzubauen, da so weniger Energie verschwendet werden muss. Allerdings ist dieselbe Einsparung günstiger zu erreichen – durch den Einsatz des «prädiktiven Energiemanagements».

Basierend auf diesen Gedanken wurde in der Masterarbeit von Philipp Elbert eine Methode entwickelt, welche es erlaubt, verschiedene Fahrzeugauslegungen objektiv zu vergleichen. Diese Methode hilft der HESS AG, die maximal mögliche Treibstoffeinsparung mit möglichst geringem Material- und Kosteneinsatz zu erzielen. Die Masterarbeit diente als Pilotstudie für ein KTI-Forschungsprojekt. Zurzeit arbeitet der Preisträger in seiner Doktorarbeit nun daran, das vorausschauende Energiemanagement auf dem Fahrzeug einzusetzen.

Mobilfunk-Risiken erforscht

Der zweite Preisträger ist Sven Kühn, der den Hans-Eggenberger Preis für seine Doktorarbeit «EMF Risk Assessment: Exposure Assessment and Compliance Testing in Complex Environments». Kühn entwickelte in dieser Arbeit numerische und experimentelle Methoden zur Bestimmung der elektromagnetischen Exposition durch neue drahtlose Kommunikationssysteme. Diese Methoden wurden von ihm für die Sicherheits- und Typprüfung von drahtlosen Kommunikationssystemen optimiert. Weiterhin entwickelte er auch Modelle zur Charakterisierung der individuellen Expositionsdosis in epidemiologischen Studien. Dazu untersuchte der Elektroingenieur zahlreiche drahtlose Kommunikationsgeräte und eruierte anhand von Computer-Modellen, wie deren Strahlung vom menschlichen Körper absorbiert wird.

Basierend auf diesen Resultaten konnte er nachweisen, dass die bestehenden Expositionsgrenzwerte nicht für alle Menschen die gleiche Gültigkeit haben und bestehende Messstandards zur Expositionsbestimmung nachgebessert werden müssen. Seine Modelle zur Bestimmung der Expositionsdosis erlauben es erstmals, die Exposition in spezifischen Körperregionen, Organen, Geweben und bestimmten Hirnregionen zu ermitteln. Sie erlauben eine gewichtete Kombination verschiedener Strahlungsquellen in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie z.B. Nutzerverhalten, Quellentyp und Aufenthaltsort.

Elektromagnetische Strahlung gegen Parkinson

Sven Kühn arbeitet als Postdoc des D-ITET derzeit an einem Folgeprojekt, das die Hans-Eggenberger-Stiftung ebenfalls mit einer Anschubfinanzierung unterstützt. Im Rahmen dieses Projekts, das bei Professor Wolfgang Fichtner am Institut für Integrierte Systeme läuft, möchte der Forscher einen neuartigen Katheter entwickeln. Damit soll Gewebe in tief liegenden Hirnregionen mittels fokusierbaren elektromagnetischen Feldern, welche die lokale Temperatur kontrolliert erhöhen, verödet werden.

Zur besseren Kontrolle der Verödungsregion werden im Rahmen des Projektes auch numerische Methoden entwickelt, um die Operation am Computer im Voraus zu planen. Mit solchen Werkzeugen wird es möglich, Eingriffe bei Nerven-Krankheiten wie dem Parkinson wesentlich kostengünstiger und besser als mit heutigen Methoden durchzuführen.

Weitere Informationen:
ETH Zürich
Peter Rüegg, Hochschulkommunikation
Telefon: +41 44 632 45 32

E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt, Du musst JavaScript aktivieren, damit Du sie sehen kannst.

Bild: Ein Hybridbus der Firma Hess, unterwegs in Hamburg (P. Elbert)