07/2016: Mobility Systems Are Much More Than Just Oil and Engines

Die Zeichen sind nicht zu übersehen: Über 300 000 Vorbestellungen für das Elektroauto Tesla; das Bundeskabinett beschließt die Änderung des Wiener Übereinkommens und schafft Rechtssicherheit für das automatisierte und vernetzte Fahren; schon rund eine Million Deutsche nutzen Angebote von Carsharing-Anbietern. Drei Schlaglichter die zeigen, dass die Geschichte der Mobilität vor einer Zeitenwende steht, wie sie vielleicht seit der Erfindung des Automobils nicht erlebt wurde. Diese Umwälzungen bringen große Herausforderungen für Gesellschaft und Umwelt mit sich, denen sich das KIT in seiner ganzen interdisziplinären Breite stellen will. lookKIT hat mit Professor Dr.-Ing. Holger Hanselka, Präsident des KIT , Professor Eric Sax, Leiter des Instituts für Technik der Informationsverarbeitung und ehemaliger Leiter Entwicklung Elektrik/ Elektronik bei Daimler Buses sowie mit Professor Frank Gauterin, Leiter des Instituts für Fahrzeugsystemtechnik und wissenschaftlicher Sprecher des KIT –Zentrums Mobilitätssysteme und der Profilregion Mobilitätssysteme Karlsruhe über die Entwicklung der Mobilität gesprochen.

LookKIT: Laut Dachstrategie KIT 2025 wird neben Energie und Information das Thema Mobilität noch stärker in den Fokus gerückt. Was beschreibt den besonderen Wert dieses Forschungsfeldes für das KIT?

Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka: „Im Zuge der Dachstrategie KIT 2025 haben wir uns die Frage gestellt, was sind die Disziplinen in denen wir gut sind und wir uns weiterentwickeln wollen? Da wir als Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft sowohl den disziplinären Ansatz einer Universität verfolgen, als auch den gesellschaftlichen Bedarf bedienen, der aus unserer Rolle als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft erwächst, haben wir die Frage diskutiert, was sind die Grand Challenges, die großen und langfristigen Herausforderungen in unserer Gesellschaft? Durch die Historie unserer Vorgängereinrichtungen sind wir auf den Gebieten Energie, Mobilität und Information traditionell stark, man denke nur an die Energieforschung am Campus Nord des KIT. Die erste Informatik-Fakultät Deutschlands wurde 1972 in Karlsruhe gegründet und wir sind nach wie vor in diesem Gebiet sehr erfolgreich. In der Mobilität reicht die Stärke der Region Karlsruhe und in Baden-Württemberg insgesamt bis auf Carl Benz und Karl Drais zurück. Heute ist das Land Baden-Württemberg ein herausragender Mobilitäts- und Automobilstandort. Am KIT haben wir im Bereich Mobilität sehr hohe Kompetenzen, verteilt über viele Institute, von der Antriebstechnologie über Design bis zu intermodalen Mobilitätskonzepten. Ein weiterer Aspekt ist, dass sich die gesamte Welt der Mobilität mehr und mehr mit anderen Bedarfsfeldern vernetzt. Mobilität ist ohne IT heute undenkbar. Und wenn wir die drei Felder Energie, Mobilität und Information betrachten, stellen wir fest, es gibt zwischen diesen ganz große Verbindungen. Genau an diesen Schnittstellen und mit der perfekten Verknüpfung dieser Themenfelder arbeiten wir, mit dem Ziel, nachhaltige Lösungen für drängende Zukunftsfragen zu entwickeln.“

lookKIT: Gibt es auch innerhalb der Mobilitätsforschung eine Art übergeordnete Zielsetzung?

Professor Frank Gauterin: „Uns geht es um effiziente, integrierte und intelligente Mobilität. Ziel ist, Mobilität so zu gestalten, dass die Nachteile, also Platzverbrauch, Sicherheitsrisiken, Lärm, aber auch Emission, deutlich verringert werden. Wir wollen erreichen, dass das Umfeld, in dem Mobilität stattfindet attraktiv ist, zum Arbeiten, zum Leben. Die Stadt und ihre Umgebung sollen trotz hoher Mobilitätslast als attraktives Umfeld bestehen bleiben. Das heißt, Mobilitätssysteme, auf die wir uns fokussieren, müssen genau diesem Anspruch gerecht werden.“

lookKIT: Ein nicht unerheblicher Aspekt ist im Zusammenhang mit Industriepartnern die Ausbildung im Bereich Mobilität, die das KIT leistet. Stichwort „forschungsnahe Lehre“, welchen Stellenwert hat das für Sie?

Professor Eric Sax: „Für mich spielt Lehre und vor allem das Arbeiten mit jungen, hochengagierten Menschen eine sehr große Rolle. Da erlebe ich das Funkeln in den Augen. Aber es spielt nicht nur rein akademisch-wissenschaftlich eine Rolle, sondern ich halte es insgesamt für spannend, die jungen Menschen auf einen Beruf vorzubereiten. Das müssen auch nicht immer die gleichen Tätigkeiten sein, die sind sogar sehr unterschiedlich. Da gibt es junge Menschen, die wollen bei einem Automobilhersteller arbeiten, es wird jemand in der Stadtplanung im Bereich Mobilität gesucht oder es gibt den Chemiker, der die nächste Batterie entwickelt. Wir haben ein sehr breites Berufsspektrum, das letztlich Nachwuchs aus unseren Reihen braucht, wo wir junge Menschen vorbereiten müssen und dürfen. Das ist eine unglaublich tolle Sache, wenn man die Erfahrung, die man aus der Industrie mitbringt, wieder zurückspiegeln darf.“

Frank Gauterin: „Es gibt eine ganze Reihe von Modellen, die wir anbieten, in denen die Ausbildung besonders innovationsintensiv ist. Wir suchen die Nähe zur Industrie, beispielsweise im Company on Campus-Projekt mit Schaeffler, das sich sehr erfolgreich bei uns etabliert hat und das von beiden Seiten als sehr inspirierend erlebt wird. Da findet Ausbildung in einem Umfeld statt, in dem Fragestellungen, die sowohl für die Industrie als auch für die Forschung relevant sind, im Austausch in alle Richtungen bearbeitet werden.“

Holger Hanselka: „In der Dachstrategie KIT 2025 streben wir an, den Anteil der Studentinnen auf 40 Prozent zu erhöhen, was nicht ganz einfach ist, wenn wir klassische Felder wie den Maschinenbau betrachten. Aber Mobilitätsforschung ist ein weites Feld mit vielen neuen Ansätzen. Für Carsharing-Projekte brauchen wir unter anderem betriebswirtschaftliche Kenntnisse, junge Menschen, die sich mit Geschäftsmodellen auseinandersetzen und diese auf eine Anwendung anpassen. Viele dieser Themen, insbesondere wenn es auch um Logistik und Managementfragestellungen geht, sprechen Frauen genauso an. Denn Mobilitätssysteme sind viel mehr als Öl und Motoren. Da erhoffen wir uns eine Entwicklung hin zu mehr Frauen auf diesem Feld.“

Frank Gauterin: „Ich stimme voll und ganz zu, dass Mobilitätsfragestellungen weit über rein technische Fragestellungen hinausgehen. Ich denke, das ist auch die Stärke des KIT, dass wir die Breite haben, vollständige Antworten geben zu können. Wir haben neben den MINTDisziplinen die Sozialwissenschaften und die Gesellschaftswissenschaften. Und die braucht man, um zukünftige Lösungen so zu gestalten, dass sie auch die Akzeptanz im Markt finden. Prominentestes Beispiel im Moment ist automatisiertes, vernetztes, kooperatives Fahren. Da stellen sich Fragen, zum Beispiel wie interagiert ein solches System eigentlich mit einem Menschen? Wie agiert ein automatisiert fahrendes Fahrzeug mit einem anderen Fahrzeug, das von einem Menschen nach klassischer Art und Weise gesteuert wird? Wie einigen die sich im Verkehr? Dienstleistungen spielen eine immer größere Rolle, wenn es um die Mobilität als Gesamtprodukt geht. Ich will als an der Mobilität teilnehmender Mensch von A nach B kommen und habe bestimmte Erwartungen an diesen Weg. Er soll komfortabel sein, er soll mich nicht zu viel Zeit kosten, ich will vielleicht die Zeit zwischendurch für was anderes nutzen können, ich will nicht an zugigen Haltestellen stehen müssen, wenn ich vom Bus in die Bahn umsteige und dann nachher wieder in den Mietwagen. Da bieten vernetzte Dienste und automatisierte Systeme die Möglichkeit für völlig neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle.“

lookKIT: Ist das nicht auch eine Bedrohung für die klassischen Automobilhersteller?

Frank Gauterin: „Wir beobachten im Moment, dass die klassischen Fahrzeughersteller sich neu orientieren und vermeiden wollen, dass sich zwischen sie und den Kunden andere Dienstleister wie Mobility Provider drängen, die dann die Wertschöpfung im unmittelbaren Kundenkontakt abschöpfen. Deshalb kümmern sich Fahrzeughersteller mehr und mehr um den Mobility Service als Ganzes.“

lookKIT: Stichwort Geschäftsmodelle. Wo erwarten Sie in naher Zukunft die stärksten Impulse?

Eric Sax: „Ich bin historisch geprägt davon überzeugt, dass die Business Cases, wie wir sie im öffentlichen Personennahverkehr sehen, wie wir sie im Verteilerverkehr sehen, wie wir sie beim Truck sehen, uns sehr schnell Möglichkeiten eröffnen. Ein kleines Beispiel: Ich war kürzlich beim Technikleiter der Verkehrsbetriebe SSB, zuständig für die Stuttgarter Straßenbahnen und Busse. Der erzählte mir, er brauche mehrere tausend Reifen für seine Busse pro Jahr. Ich wunderte mich. So viele Reifen pro Jahr? Da sind die Fahrer aber flott unterwegs! Dann erklärte er mir, dass das Problem in der Mehrzahl der Fälle die Bordsteinkante an den Haltestellen sei, an die müssten seine Fahrer so nah ranfahren, damit auch ältere Damen mit Rollator einsteigen könnten. Unachtsamkeiten beim Anfahren führen dann häufig dazu, dass die Reifen an ihrer Seitenwand kaputtgehen. Dann waren wir uns schnell einig, dass es von Vorteil wäre, wenn seine Fahrer automatisiert ranfahren könnten. Das würde ihm eine große Menge Geld sparen. Andere Möglichkeiten: Auf dem Speditionshof wird weniger als zehn Kilometer in der Stunde gefahren, es gibt keine Straßenverkehrsordnung, da könnten viele Trucks automatisiert fahren. Was ich mit diesen Beispielen sagen will: Das sind Business Cases, die ich am Ende eines Jahres in Heller und Pfennig umrechnen kann. In diesen Bereichen, also Busse und Lkw, erwarte ich kurzfristig die stärksten Impulse.“

lookKIT: Bei der Elektromobilität ist ja eines der großen Probleme, dass es sich eben noch nicht rechnet und deshalb der entscheidende Impuls bislang ausbleibt. Wann kommt er?

Frank Gauterin: „Wir werden Elektromobilität haben und das wird möglicherweise gar nicht mehr so lange dauern, wie man vor ein, zwei Jahren gedacht hat. Ein Schlüssel bei der Elektromobilität ist die Batterie. Das war sie schon vor 130 Jahren, als das Auto erfunden wurde. Damals dachte man, das 20. Jahrhundert wird das Jahrhundert der Elektromobilität sein. Jetzt ist es doch das 21. geworden. Schon damals hatten wir das Problem: Die Batterien waren zu groß, zu schwer, zu teuer. Damit kämpfen wir heute noch, aber es ist deutlich besser geworden. Wir haben jetzt einen Preis von 275 Euro pro Kilowattstunde Batterie, ein Wert, der deutlich niedriger ist als zwei, drei Jahre davor, und der erst für 2020 erwartet wurde. Wenn es so weiterginge, hätten wir 2020 schon einen Preis von knapp über 100 Euro, der am Markt wesentlich leichter durchsetzungsfähig wäre. Es gibt schöne Elektroautos, auch von deutschen Herstellern, da muss man nicht unbedingt nach Amerika und zu Tesla schauen, aber das Problem ist einfach der Preis und der geht über die Batterie.“

lookKIT: Batterien sind auch ein Forschungsfeld, das am KIT eine große Rolle spielt. Wo stehen wir da aktuell?

Holger Hanselka: „Batterieforschung fängt vor allem mit Material an und die Materialwissenschaften sind sehr stark am KIT. Wir arbeiten daran, dass Batterien auf kleinerem Raum mit kleinerem Gewicht und zu niedrigerem Preis eine gewisse Ladungsmenge tragen können. Hier haben wir bereits gewaltige Fortschritte gemacht. Eine große Herausforderung bei der Elektromobilität und damit auch bei den Batterien ist neben der Energiedichte auch das Thema Zuverlässigkeit und Sicherheit. Wir haben am KIT ein über viele Jahre sehr gut laufendes Projekt, das sich unter anderem mit dem Thema Batteriesicherheit befasst. Und hier sieht man auch wieder die enge Verknüpfung: Mobilität ohne Energie und Energie ohne Mobilität macht heute keinen Sinn mehr. Und wenn Sie an das Batteriemanagement denken, brauchen wir dafür selbstverständlich auch noch die IT.“

Eric Sax: „Neben Batteriemanagement möchte ich auch auf Energiemanagement und Reichweitenoptimierung hinweisen. Wir haben komplett elektrifizierte Neben-Aggregate. Das heißt, wir haben steuerbare, regelbare Verbraucher und können aufgrund von Topologie, Verkehrsdaten bis hin zu Wetterdaten und energieintensiver Klimatisierung im Fahrzeug eine Fülle von Hebeln in Bewegung setzen, mit denen wir die Reichweite optimieren können. Diese Hebel, gepaart mit Informationsmanagement und Informationstechnik können die Kundenakzeptanz in der Elektromobilität ganz entscheidend nach vorne bringen.“

lookKIT: Nun haben wir über viele Dinge gesprochen, in denen unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schon sehr viel leisten. Wo müssen wir denn noch besser werden?

Holger Hanselka: „An dieser Stelle möchte ich das Argument von Herrn Sax aufgreifen. Mit viel Intelligenz im Auto können wir ein optimales Management der verfügbaren Energie sicherstellen, aber dennoch ist das Auto letztendlich nur ein Teil eines großen Energiesystems. Betrachten wir einmal das gesamte Energiesystem, wie wir das am KIT im Energy Lab 2.0 darstellen, welches als intelligente Energiewendeplattform elektrische, thermische und chemische Energieströme sowie neue Informations- und Kommunikationstechnologien verknüpft. Hier ist das Auto einer von vielen Verbrauchern. Spannend wird es dann, wenn der Verbraucher und das Gesamtsystem miteinander in Kommunikation treten. All diese Fragen können wir am KIT in besonderer Weise bearbeiten. Denn am Ende müssen die wissenschaftlichen Disziplinen – und „die Köpfe“ – zusammenkommen.“

Eric Sax: „Wenn ich mir etwas wünschen dürfte: Ich bin der festen Überzeugung, dass Technologie ungeheuer wichtig ist. Dass wir tolle Batterien haben, tolle Zellentechnologie, tolle Antriebstechnologie, tolle Funktionen uns ausdenken können. Aber wenn wir industrienah sein wollen und wenn wir das, was wir uns da ausdenken – eben haben wir von Informationstechnik gesprochen – machen wollen, dann brauchen wir Prozesse, Methoden und Tools. Und die sind jetzt noch sehr fakultätsspezifisch und müssen viel systemischer gedacht werden als in der Vergangenheit. Da gibt es ganz tolle Ansätze, aber das eigentliche Engineering muss noch besser werden. Damit meine ich, simulative Prozesse einzusetzen. Auch im Hinblick auf die Bedürfnisse der Industrie, die das Produkt am Ende bis zu eine Million Mal baut – vielleicht als Leuchtturm in Deutschland zuerst, aber auch in Sao Paulo fünf bis zehn Jahre später muss es noch funktionieren. Das heißt, wir haben in dem Umgang mit unserer Innovation, mit unserer Technologie, noch viele Herausforderungen, denen wir uns in der Entwicklung und speziell in der Absicherung widmen müssen. Damit wir auch guten Nachwuchs generieren und tolle Produkte auf die Straße bringen.“

lookKIT: Herr Sax sprach Methoden, Tools und Prozesse an. Der „Hardware-in-the-Loop“-Ansatz wird in der Mobilitätsforschung schon lange praktiziert und nun auch in der Energieforschung angewendet. Wo liegt der Mehrwert des Ansatzes und welche Wechselwirkung besteht zur Energieforschung?

Eric Sax: „Der Grundgedanke ist, dass wir einen Regler und eine Strecke haben. Der Regler ist ein Steuergerät, das was wir vorhin als Intelligenz bezeichneten. Dort wird die Information verarbeitet. Die Loop kommt durch die Strecke, das heißt durch physikalische Umgebung. Und wenn ich jetzt den Regler oder einen Reglerverbund in einer physikalischen Umgebung testen will, bin ich in der Vergangenheit beim Automobil Ende des letzten Jahrtausends dauernd auf die Straße gegangen. Für eine E-Klasse brauchte man schon damals mehrere tausend Prototypen und so ein Prototyp kostet fast eine Million Euro. Und dann hat man im Feld mit dem Auto immer mehr Fehler gefunden und das war viel zu spät in der Entwicklung, man fuhr ja bereits! Und da dachte man, das darf nicht wahr sein, dass hier noch ein Fehler ist, das hält mich jetzt in meiner Sommer- oder Winterfahrerprobung in Granada oder irgendwo im Norden Finnlands auf, können die das nicht im Labor viel besser machen? Was ist also die Idee? Wir nehmen einen Regler, der schon früh in Software zur Verfügung steht. Der muss nicht zwingend aber so schnell wie möglich auf dem finalen Steuergerät, also dem Zielprozessor (der „Hardware“), laufen. Nun simuliere ich mein Umfeld durch mathematische Modelle. Es entsteht ein Regelkreis, bei dem der Regler stimuliert wird und die dann erzeugten Daten auf die simulierte Umwelt wirken. Das Ganze nennen wir Hardwarein-the-Loop, kurz HiL. Die sich ergebenden Änderungen wirken auf den Eingang zurück. Die Loop kommt somit daher, dass wir die Rückwirkung der Umgebung wieder als Eingang haben und somit also einen Regelkreis schließen. Und jetzt gehen wir weiter und sagen, wir haben einen Verbund von Steuergeräten, zum Beispiel bis zu 80 Steuergeräte in der S-Klasse. Wir bauen das ganze Netzwerk auf, stimulieren es mit simulierten Fahrzeugdaten, Fahrerinteraktionen oder Sensordaten und testen die Auswirkung auf die Aktuatorik. Ein schönes weil einfaches Beispiel ist die Wischersteuerung und der Regensensor. Der Wischer überwischt eben den Sensor, das heißt die Frequenz des Wischens als kalkuliertes Ergebnis des Reglers beeinflusst aktiv den Eingang, in dem Fall den Regensensor – und schon haben Sie ein in-the-Loop System, was nicht trivial zu realisieren ist, weil Sie die Rückwirkung ständig wieder haben und in Echtzeit die Kalkulation mit der Umwelt Schritt halten muss. Daher kommt der Loop-Gedanke und der ist nun übertragbar auf ganz viele Anwendungsfelder, auf simulative Umgebung mit realer Elektronik, mit realer Steuerung im Labor. Ehrlicherweise gibt es schon noch die ein oder andere Herausforderung, wenn man diesen Ansatz zum Beispiel auf autonomes Fahren hochskalieren will. Aber sonst wäre es auch langweilig.“

Frank Gauterin: „Ich möchte nochmals auf die Frage zurückkommen, wo wir besser werden können. Das KIT-Zentrum Mobilitätssysteme ist ein Beispiel, dass man über Vernetzung sehr viel strukturierter, koordinierter vorgehen kann. So ist es uns gelungen, eine ganze Reihe größerer Projekte zu akquirieren, die wir als Einzelinstitute nicht hätten bekommen können. Auf dem Weg müssen wir noch weitergehen. Es gibt noch mehr Vernetzungsmöglichkeiten, zum Beispiel vom universitären Bereich der Mobilitätsforschung hin zu der Zusammenarbeit mit dem Großforschungsbereich. Dort haben wir die Helmholtz-Programmwelt als ein zukünftiges Umfeld der Mobilitätsforschung vor uns.“

lookKIT: Bei dem Stichwort Helmholtz-Gemeinschaft und Mobilität liegt auch der Gedanke an das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sehr nahe. Gibt es in diese Richtung Pläne?

Holger Hanselka: „Eben haben wir diskutiert, wie das KIT-Zentrum Mobilitätssysteme eine Vernetzung innerhalb einer Einrichtung und mit der Industrie umgesetzt hat. Und selbstverständlich liegt die Frage nahe: Wie schaffen wir die Vernetzung zwischen uns und anderen Forschungseinrichtungen? Das DLR ist ein ganz wichtiger und starker Partner in der Mobilitätsforschung auf allen Ebenen. Und der große Vorteil ist, dass wir zur gleichen „Familie“ gehören, der Helmholtz-Gemeinschaft. Wir haben in den letzten drei Jahren intensive Gespräche auf der Fach- und Forschungsebene geführt, geleitet von der Frage, wie wir uns in unserer Forschung am besten ergänzen. Diese Themen haben wir nun herausgearbeitet. Das Präsidium des KIT und der Vorstand des DLR haben zudem vereinbart, in der nächsten POF (Programmorientierte Förderung, Anm. d. Red.) als Gemeinschaftsteam anzutreten. Wir müssen uns hier, gemessen an unserem weiten Themenspektrum, auf wenige Bereiche konzentrieren und uns an der Mission der Helmholtz-Gemeinschaft orientieren. Es geht hier also weniger um technische Einzellösungen, sondern vielmehr um die gesellschaftlichen Herausforderungen und den langfristigen Charakter der Projekte.“

Exerpt in English

“Mobility Systems Are Much More Than Just Oil and Engines.”

Translation: Maike Schröder

Mobility stands at the cusp of a changing era, perhaps the most significant since the invention of the automobile. Such historic changes are associated with big challenges for the society and the environment, which will be addressed by KIT using the complete scope of its disciplines. LookKIT spoke about the development of mobility with Professor Dr.-Ing. Holger Hanselka, President of KIT, Professor Dr.-Ing. Eric Sax, Head of the Institute for Information Processing Technology and former Head of Electric/Electronic Development of Daimler Buses, and Professor Dr. rer. nat. Frank Gauterin, Head of the Institute of Vehicle System Technology and Scientific Spokesman of the KIT Mobility Systems Center and the Karlsruhe Priority Region for Mobility Systems.

In the opinion of Holger Hanselka, Karlsruhe’s long tradition in mobility development and the fact that the state of Baden-Württemberg is the automotive locus of Germany make KIT predestined for conducting research in this area. According to him, KIT possesses vast competencies in the mobility sector, with many institutes covering a variety of mobility aspects, from drive trains to design of intermodal mobility concepts. Hanselka points out that mobility is increasingly interlinked with other research areas and disciplines. It is at these interfaces that KIT wishes to produce scientific added value and to identify and address relevant topics. Frank Gauterin adds that it is also one of KIT’s defined objectives to shape mobility such that its drawbacks, such as space required, safety risks, noise, and emissions, are reduced considerably. In spite of a high mobility load, the city and its environment must remain attractive. This means that tomorrow’s mobility systems will have to meet those objectives.

According to Eric Sax, particular attention has to be paid to education. Here, a variety of tasks have to be considered. Education has to address young people, who will work for automotive manufacturers, or as urban planners in the mobility sector, or even as chemists developing the next battery technology. The spectrum of future professions is very wide and qualified junior staff is needed. Sax personally enjoys having the opportunity to communicate to the students the experience he gained in industry.

All the professors unanimously agree that mobility research extends far beyond technical aspects. STEM disciplines, but also social sciences and the humanities, play an important role. Expertise in these areas is indispensable if future solutions are to meet acceptance in the marketplace.

Interview aus der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins LooKIT, Edition 2/2016, Schwerpunkt Mobilität

Interview within the current edition of the science magazine LooKIT on mobility at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 2/2016

Das Gespräch führte Domenica Riecker-Schwörer

Fotos: Markus Breig