KERS
Abkürzung für Kinetic Energy Recovery System, ein Stromerzeugungs-, Speicher- und Antriebssystem der Formel 1, das beim Bremsen Strom erzeugt, Energie in Batterien speichert und die Beschleunigung durch Elektromotoren unterstützt.
KERS: Bremsenergie erfasst und zur Geschwindigkeitssteigerung wiederverwendet
Ein Kinetic Energy Recovery System (KERS) ist eine an Bord installierte Vorrichtung, die während des Bremsens normalerweise verschwendete Energie erfasst, zwischenspeichert und zur Unterstützung der Beschleunigung einsetzt. In der Formel 1, wo es um 2009 entstand, wandelt eine KERS-Einheit die Rotationsenergie der Räder beim Bremsen in elektrischen Strom um, lädt einen Akku oder einen Schwungmassenspeicher auf und gibt die gespeicherte Leistung über einen Elektromotor, der mit dem Antriebsstrang gekoppelt ist, frei. Dies gibt dem Fahrer einen kurzen Schub zusätzlicher Leistung auf Abruf.
Zwei Speicherarchitekturen beherrschen die KERS-Designs im Rennsport. Batteriegestützte Systeme (Lithium-Ionen-Pakete mit etwa 25 kg Gewicht) sind einfacher und besser steuerbar, bringen aber Wärmemanagementschwierigkeiten bei hohen Entladungsraten mit sich. Schwungmassensysteme speichern Energie mechanisch in einem rotierenden Rotor, der in einer Vakuumkammer aufgehängt ist. Sie ermöglichen schnellere Lade- und Entladezyklen, erfordern aber präzise Lagerenkonstruktion und Verwaltung der Kreiselwirkung in der Kurve. Die aktuellen F1-Vorschriften bevorzugen Batteriespeicher in Kombination mit Energierückgewinnung aus der Hinterachse (konventionelle Bremsreibung) und dem Turboladerabgas (Wärmeenergie), was eine Hybrid-Rückgewinnungsarchitektur schafft.
Einsatz im Rennsport und darüber hinaus
Ein Formel-1-Fahrer gewinnt typischerweise 160 PS aus KERS für etwa 6,67 Sekunden pro Runde, strategisch auf Geraden eingesetzt, wo der elektrische Boost die Gewichtsstrafe des Systems aufwiegt. Das System addiert etwa 35 bis 50 kg zum Auto, daher muss die rückgewonnene Energie die Massenzunahme rechtfertigen. Außerhalb des Rennsports testeten Verkehrsbetriebe in den 2010er Jahren KERS-ähnliche Rekuperationsbremsung an Bussen und Straßenbahnen und erzielten Kraftstoffeinsparungen von 10 bis 15 Prozent auf städtischen Strecken mit häufigen Bremszyklen. Die Anschaffungskosten und Komplexität der KERS-Hardware begrenzte jedoch die Verbreitung in Nutzfahrzeugen, bis Hybrid- und vollständig elektrische Plattformen zum Standard wurden.
Die zentrale Konstruktionsherausforderung bei KERS ist die Leistungsübertragungsrate, gemessen in Kilowatt. Ein Racing-KERS muss während starkem Bremsen elektrischen Strom mit Raten über 300 kW aufnehmen und gleichzeitig während der Beschleunigung 160 kW Leistung bereitstellen. Dies erfordert extrem niederohmige Verkabelung, schnelle Schaltelektronik und robustes Wärmeverhalten. Das Temperaturmanagement des Akkus oder der Schwungmasse während wiederholter Zyklen beeinflusst direkt die Systemzuverlässigkeit und die nutzbare Energiekapazität. Ineffizienzen im Umwandlungszyklus (mechanisch zu elektrisch, Speicherung, elektrisch zu mechanisch) verbrauchen normalerweise 15 bis 25 Prozent der rückgewonnenen Energie als Wärme.
Der Name widerspiegelt die wörtliche Funktion: Kinetische Energie, die Bewegungsenergie, wird erfasst, bevor sie im Bremssystem als Wärme verpufft, und dann als nützliche Arbeit zurückgeführt. KERS stellt einen geschlossenen Kreislaufansatz zur Energieeffizienz dar, der nur möglich wurde, als Stromspeicherung, Leistungselektronik und Motorsteuerungen ausreichende Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit erreichten. Das System bleibt in jeder Anwendung relevant, in der häufige Bremszyklen auftreten, vom Rennsport zum öffentlichen Nahverkehr. Kosten und zusätzliche Komplexität beschränken die Verbreitung jedoch weiterhin auf leistungskritische oder energierückgewinnungsoptimierte Fahrzeuge.