Als Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung.
Man unterscheidet im Allgemeinen zwischen drei verschiedenen Hybridisierungsstufen
- Micro-Hybrid: verfügt ausschließlich über eine Start-Stop-Funktionalität mit einem Rekuperationsanteil für das Bordnetz.
- Mild-Hybrid: Die eine Antriebsform dient nur zur Unterstützung der Hauptantriebsform.
- Full-Hybrid: Jede der zur Verfügung stehenden Antriebsformen agiert autonom.
- Es gibt zudem unterschiedlichste Zwischenformen.
Hybridautos
Für Personenwagen sind insbesondere die folgenden Hybridkombinationen marktreif oder als Prototypen in Entwicklung:
Ein Motor - verschiedene Kraftstoffe
Die am weitesten verbreiteten Hybridfahrzeuge sind Automobile, die mit einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind, der sowohl mit Benzin und Diesel als auch mit Erd-, Biogas oder Flüssiggas betrieben werden kann. Dabei ist der Gasbetrieb im Regelfall wirtschaftlicher und verursacht einen geringeren Kohlendioxid-Ausstoß. Der Betrieb reiner Gasfahrzeuge (monovalent) ist in Deutschland eher unüblich, obwohl ein Gastankstellennetzes dort ausgebaut wird (im Juli 2006 etwa 1600 Tankstellen mit Autogas, 700 Tankstellen mit Erdgas). Gasfahrzeuge, speziell Erdgasfahrzeuge werden dennoch heute auch noch serienmäßig wie Fahrzeuge mit zwei getrennten Kraftstofftanks ausgeführt. Das Fahrzeug kann so mit Benzin oder Gas fahren, und nur bei Gasmangel wird auf Benzin umgeschaltet. Diese Betriebsform wird bivalent genannt. Fahrzeuge in Deutschland mit einem Ersatztank von max. 13 Litern Benzin werden aber als monovalentes Fahrzeug bezeichnet. Auch bei Dieselfahrzeugen, die den Kraftstoff Pflanzenöl verwenden, wird zum Teil ein Zweitanksystem eingesetzt. Der herkömmliche Dieselkraftstoff wird dort verfügbarkeitsabhängig bzw. während der Warmlaufphase genutzt. Die Wasserstofftechnologie für den Fahrzeugantrieb befindet sich noch im Versuchsstadium. Prototypen werden schon mit Benzin oder Wasserstoff betrieben.
Verbrennungsmotor und ein oder mehrere Elektromotoren
Je nach Konfiguration kann entweder die Verbrennungskraftmaschine nur den elektrischen Energiespeicher laden (serieller Hybridantrieb) oder mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt sein (paralleler Hybridantrieb) oder beides, wobei dann zusätzlich eine weitere elektrische Maschine notwendig ist (leistungsverzweigter Hybridantrieb).
Funktion des Verbrennungs-/Elektroantriebs
Der Verbrennungsmotor kann beim Hybridantrieb in einem sehr günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie wird über einen Generator für die Batterieladung verwendet (Phlegmatisierung). Beim Beschleunigen arbeiten Verbrennungs- und Elektromotor gemeinsam. Bei gleicher Beschleunigung kann also ein kleinerer Verbrennungsmotor verwendet werden („Downsizing“). Beim Bremsen und im Schubbetrieb wird ein Teil der Bremsenergie in die Batterie zurückgeführt (Nutzbremsung, Rekuperation). Insbesondere im Stadtverkehr und beim bergabwärts Fahren trägt die Rückgewinnung zur Verbrauchsminderung bei. Wird keine oder wenig Antriebsleistung benötigt, wird der Verbrennungsmotor ganz abgeschaltet. Dies ist im Schubbetrieb, bei Stillstand oder bei Langsamfahrten (Einparken) mit voll geladener Batterie der Fall. Auf einen separaten Anlasser kann verzichtet werden, weil der Elektromotor diese Funktion übernimmt.
Ein Verbrennungsmotor liefert in einem bestimmten Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. Der Elektromotor dagegen stellt schon beim Anfahren das maximale Drehmoment zur Verfügung, und lässt bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Durch Kombination der beiden Motoren kann das Fahrzeug um etwa 10–20 % schneller beschleunigen (elektrisches Boosten).
Die Fahrzeuge haben aufgrund des leistungsärmeren Verbrennungsmotors häufig eine etwas geringere Höchstgeschwindigkeit. Dieser Fahrzustand (schnelle Autobahnfahrt) ist die einzige Situation, bei dem über lange Zeit eine hohe Motorleistung benötigt wird, die nur vom Verbrennungsmotor bereitgestellt werden kann. In dieser Betriebsphase wirken die Hybrid-Mechanismen nicht mit der gleichen Wirksamkeit wie z.B. im Stadtverkehr. Sie führen aber auch hier aufgrund des Streckenprofils zu Verbrauchseinsparungen. Das Beschleunigungsverhalten, für das beide Motoren verantwortlich sind, ist davon nicht betroffen.
Der Hybridantrieb ermöglicht es, den Verbrennungsmotor unter wesentlich günstigeren Bedingungen zu betreiben (z.B. in optimalen Drehzahlbereichen), weil der Elektromotor die für den Verbrennungsmotor ungünstigen Betriebsbereiche abfedern kann. Ein derart optimierter Verbrennungsmotor wäre als alleiniger Fahrzeugantrieb nicht geeignet.
Toyota betreibt z.B. den Verbrennungsmotor im Atkinson-Zyklus, Honda realisiert eine Zylinderabschaltung.
Entwicklungsgeschichte des Verbrennungs-/Elektroantriebs
- Bereits Ferdinand Porsche meldete 1896 ein Patent für elektrische Radnabenmotoren an und baute 1902 mit dem Wiener Fahrzeugbauer Jacob Lohner den "Mixte"-Hybridantrieb, einen benzinmotorangetriebenen Dynamo, welcher Strom für die Batterie liefert, die Radnabenmotoren ersparen Getriebe und Kraftübertragung.
- Studien für Elektro-Hybridfahrzeuge lassen sich bis in das Jahr 1972 zurückverfolgen, als der Amerikaner Victor Wouk einen Buick Skylark, der von General Motors zur Verfügung gestellt wurde, zu einem Hybridfahrzeug umrüstete. Grund war das 1970 ins Leben gerufene Federal Clean Car Incentive Program, das jedoch 1976 durch die Umweltschutzbehörde der USA gestoppt wurde.
- Toyota baute 1977 einen Toyota Sports 800 auf Gasturbinen- und Elektrohybridantrieb um.
- Mercedes-Benz zeigte 1982 einen ersten Hybrid-Prototypen. Seitdem wurden zahlreiche weitere Prototypen gefertigt, ohne dass es bis jetzt zu einer Serienfertigung kam.
- Volkswagen forschte jahrzehntelang an diversen Hybridkonzepten, diese Arbeit führte 1988 zu einem Flottenversuch in Zürich mit 20 Parallelhybrid-Fahrzeugen welche von Privatpersonen über einen Zeitraum von 3 Jahren betrieben wurden. Wissenschaftlich betreut wurde das Projekt von der ETH Zürich.
- Audi baute 1989 einen Prototyp eines Audi 100 Avant quattro mit einem 2,3-l-100-kW-Benzinmotor und einem 9,3-kW-Elektromotor, der statt der Kardanwelle die Hinterräder antrieb. Die Energie kam von einer Nickel-Cadmium-Batterie. 1991 wurde eine neuere Ausführung des Audi 100 quattro präsentiert. Der Wagen wurde mit einem 2,0-Liter-Motor mit 85 kW und einem 21-kW-Elektromotor angetrieben. Dieser Wagen hatte der Antriebsstrang, aber eine Kardanwelle zu den Hinterrädern.
- Erster gewerblicher Anbieter von Hybridfahrzeugen war Audi mit dem Audi 80 duo im Jahre 1994. Dieses Modell war jedoch so teuer, dass es praktisch unverkäuflich war. 1997 folgte der Audi A4 duo mit 66-kW-TDI- und 21-kW-Elektromotor, von dem 90 Exemplare gefertigt wurden. Der Verkaufspreis lag bei 60.000 DM. Audi zog aus der geringen Resonanz den Schluss, dass ein Markt für Hybridantriebe nicht vorhanden sei, und konzentrierte sich auf die Diesel-Direkteinspritzertechnik.
- Der Toyota Prius wird seit 1997 serienmäßig hergestellt und ist mittlerweile in der zweiten Generation erhältlich. Er besitzt einen Benzin- und einen Elektromotor, die über ein Planetengetriebe an die Antriebsachse gekoppelt sind. Betriebszustände, in denen der Verbrennungsmotor nur geringen Wirkungsgrad aufweist (Anfahren, Stadtverkehr) werden vom Elektromotor mit seinem sehr viel höheren Wirkungsgrad übernommen. Bei Bedarf kann der Verbrennungsmotor auch komplett abgeschaltet werden. Bei Fahrt mit gleich bleibender Last (Marschbetrieb) treibt allein der Benzinmotor den Prius an, während die Batterie (Nickel-Metallhydrid-Akku) gleichzeitig vom Benzinmotor via Generator geladen wird. Bei stärkerer Last wird der Prius von beiden Motoren gemeinsam angetrieben. Im Motorbremsbetrieb kann Energie rekuperiert werden. Die Energieeinsparung beim Prius gegenüber Benzinern der gleichen Fahrzeugklasse beträgt gemäß Werksangaben rund 30 % (laut Webseite 40 % (Stand August 2005) für das aktuelle Modell). Der Prius ist das Hybridfahrzeug, das dieser Antriebsart den Durchbruch ermöglichte. Eine Version mit Nachlademöglichkeit am Stromnetz und größerer elektrischer Reichweite existiert als Prototyp.
- Der Toyota Highlander ist der erste SUV mit Hybridantrieb. Er besitzt, anders als der Prius, neben dem Benzinmotor bereits zwei Elektromotoren, je einen auf der Vorder- und auf der Hinterachse. Produziert wird das Fahrzeug bereits seit Ende der 1990er, jedoch nur für den japanischen und den amerikanischen Markt. Es wird jedoch vereinzelt auch in Europa gefahren, als Privatimport aus den USA. Ab 2006 wird der Highlander bereits in der zweiten Generation gefertigt. Die Systemgesamtleistung des Modells 2006 beträgt 268 PS/4500-5600 U/min in der Allrad-Version (Benzinmotor 155 kW/208 PS; Elektromotor vorne 123 kW/167 PS; optionaler Elektromotor hinten 50 kW/68 PS). Die Beschleunigung von 0-100 km/h beträgt 8,0 (2WD) oder 7,2 (4WD) Sekunden, und seine Fahrleistungen entsprechen denen eines antriebsstarken 8-Zylinder-Geländewagens.
- Mit dem Civic IMA bietet Honda eine viertürige Limousine mit Hybridantrieb an. Der Wagen ist mit einem 61-kW-Benzinmotor ausgestattet, der von einem 6,5-kW-Elektromotor unterstützt wird. Der kombinierte Verbrauch ist mit 4,9 Litern pro 100 km angegeben. Die neue Civic-Generation (Stufenheckversion mit Hybridantrieb ab März 2006) soll mit einer neuen IMA-Version angeboten werden. Seit 1999 ist auch der Honda Insight als Elektro-Hybridfahrzeug erhältlich.
- Ford bietet den in Europa als Maverick bekannten Geländewagen in den USA in einer Version als Ford Escape Hybrid an. Der Escape Hybrid verwendet eine von Ford weiterentwickelte Version des THS-I aus dem ersten Toyota Prius. Der Bauraum für die Hybrid-Bauteile wurde schon bei der Entwicklung und Konstruktion mit einbezogen. Der Allradantrieb des Escape wird konventionell über eine Kardanwelle realisiert.
- Die zum Ford-Konzern gehörende Firma Mercury bietet ab Frühjahr 2006 einen Geländewagen mit Hybridantrieb an. Angetrieben wird das Allradfahrzeug von einem 2,3-l-Benzinmotor mit Atkinson-Zyklus und einem 70-kW-Permanentmagnet-Elektromotor.
- Seit April 2005 bietet Lexus in den USA ein Oberklasse-SUV mit Hybridantrieb an. Markteinführung in Europa war Juni 2005. Der RX 400h wird von einem V6-3,3-Liter-Otto-Motor (155 kW) plus Generator und einem Elektromotor (123 kW) an der Vorder- und einem Elektromotor (49 kW) an der Hinterachse angetrieben (elektrischer Allradantrieb). Die Gesamtleistung des Hybridsystems wird mit 200 kW angegeben (die Motorenleistungen können nicht addiert werden, da die Batterie nur begrenzte Leistung abgeben kann). Der Antrieb basiert auf dem bereits verfügbaren Hybridantriebsstrang des Toyota Prius THS II. Das Fahrzeug kommt damit auf ein Systemdrehmoment von über 700 Nm bezüglich der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. Der Verbrauch bleibt bei moderater Fahrweise unter 10 Liter pro 100 km. Zusätzlich wurden die Elektromotoren mit dem ESP-System gekoppelt. Sie erlauben einen ca. zehnmal schnelleren Eingriff in die Fahrsituationsstabilisierung als ein ABS/ESP-System mit herkömmlichem Hydraulikaggregat. Mit dem Lexus GS 450h ist seit Ende 2006 ein neues Hybridfahrzeug auf dem Markt, das auf dem weiterentwickelten THS II System von Toyota basiert. Ein wesentlicher Unterschied zum RX 400h ist die zweistufige Übersetzung des Planetengetriebes am Elektor-Antriebsmotor. Diese Maßnahme erlaubt ob der höheren Drehzahl einen kleineren bzw. leistungsstärkeren Elektromotor.
- PSA Peugeot Citroën hat einen serienreifen Diesel/Elektro-Hybrid-Antrieb als Demonstrationsmodell entwickelt, welcher in einem Serien-Peugeot 307 und im Citroën C4 derzeit getestet wird. 2010 soll der Antrieb im Peugeot 308 erstmals auf den Markt kommen. Das Antriebssystem unterscheidet sich, abgesehen vom Kraftstoff, von Hybriden wie dem Prius und dem Lexus RX 400 h hauptsächlich dadurch, dass der Elektromotor nicht auf einer Achse sitzt, sondern auf einem neu entwickelten Antriebsstrang zwischen Motor und Getriebe gekoppelt ist. Dadurch wird gegenüber Prius und Lexus wesentlich an Technik eingespart, was wiederum weniger Leistung verbraucht. Der Dieselmotor hat 66 kW (90 PS), der Elektromotor hat eine Dauerleistung von 16 kW bei einem Drehmoment von 80 Nm und einer Spitzenleistung von 23 kW bei einem Drehmoment von 130 Nm. Der Verbrauch soll sich auf 3,4 Liter auf 100 Kilometer belaufen. Die Fahrleistung soll einem 110-PS-Diesel-Fahrzeug der Mittelklasse entsprechen. Energierückgewinnung, Abschaltautomatik und elektronisches Antriebsmanagement funktionieren ähnlich wie beim Prius. Dieser parallele Hybridabtrieb kann jedoch die Batterien nicht während der Fahrt aufladen. Ein längeres rein elektrisches Fahren in sensiblen Zonen wird so nicht möglich.
Einordnung des Hybridantriebes
Der Hybridantrieb wird meist verwendet, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Bei ihm ergänzen sich die Leistungskennlinien eines Elektromotors mit seinem hohen Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und eines Verbrennungsmotors dessen Stärken im oberen Drehzahlbereich liegen. Zusätzlich kann durch Rekuperation ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden.
Beim Einsatz eines leistungsverzweigten Hybriden ist es darüber hinaus möglich, den Benzinmotor in einem besseren Wirkungsgradpunkt zu betreiben. Dieser Zusatznutzen ist bei Verwendung eines Dieselmotors nur in geringerem Ausmaß möglich, da der Dieselmotor bereits in den meisten Motorbetriebspunkten einen sehr guten Wirkungsgrad aufweist. Weil sich aber das Beschleunigungsdrehmoment des Verbrennungsmotors durch die Kombination mit dem Elektromotor verringert, kann beim Dieselmotor eine erhebliche Verringerung der Stickoxid-Emission (NOx) erreicht werden. Der Diesel-Hybridantrieb hat also neben dem Verbrauchsnutzen auch einen Emissionsnutzen vorzuweisen.
Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den Nutzen verringern. Das wird jedoch durch Einsparungsmöglichkeiten an anderer Stelle (z. B. vereinfachtes Getriebe, Entfallen der Lichtmaschine und des Anlassers) z. T. kompensiert. Es ist allerdings auch zu erwarten, dass moderne Akkumulatoren wie z. B. Lithium-Polymer-Akkus oder auch Hochleistungskondensatoren diesen Nachteil noch weiter verringern.
Derzeit hat der sogenannte Mild-Hybrid bei geringerem Aufwand ebenfalls ein erhebliches Einsparpotenzial. Diese Antriebsart ist mit weniger Aufwand in vorhandene Fahrzeugkonzepte zu integrieren, während für Voll-Hybride, wie den Toyota Prius mehr Entwicklungsaufwand vonnöten ist. Der einfachste Ansatz des Mild-Hybrid ist der sogenannte Starter-Generator, der den Anlasser und die Lichtmaschine in einem Elektromotor zusammenfasst und an den Antriebsstrang anbindet.
Plug-In-Hybride versuchen, den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken, indem die Batterien nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor, sondern zusätzlich am Stromnetz aufgeladen werden. Hierzu wird die Batteriekapazität weiter vergrößert. Bei passender Reichweite können die üblichen Wegstrecken so im ausschließlichen Elektrobetrieb zurückgelegt werden, während der Verbrennungsmotor lediglich für größere Strecken benötigt wird.
Schienenfahrzeuge
Am 25. September 1992 verkehrten die ersten Elektrohybrid-Fahrzeuge der Karlsruher Straßenbahn auf der Regionalstadtbahnstrecke von Karlsruhe nach Bretten. Sie können sowohl mit 750 Volt Gleichspannung des Straßenbahnnetzes als auch mit 15 kV Wechselstrom des Bahnnetzes betrieben werden; die Umschaltung erfolgt beim Wechsel in das jeweils andere Netz automatisch. Inzwischen fahren im Großraum Karlsruhe viele solche Fahrzeuge des Karlsruher Verkehrsverbundes auf zahlreichen Linien und dieses "Karlsruher Modell" wurde inzwischen von vielen anderen Städten übernommen. Allerdings sind dies keine Hybrid-, sondern Zweisystemfahrzeuge.
In Saarbrücken fährt seit 1997 die Saarbahn, welche sowohl mit 750 Volt Gleichspannung als auch mit 15 kV Bahnstrom arbeitet. Das Netz der Harzer Schmalspurbahn wurde in Nordhausen mit der dortigen Straßenbahn verknüpft. Seit Mai 2004 fahren auf beiden Netzen Hybrid-Straßenbahnen des Typs Combino.
Seit 13. Dezember 2004 sind in der Region Kassel die ersten Elektrohybrid-Fahrzeuge der RegioTram unterwegs, die sowohl mit 600 Volt Gleichstrom im Straßenbahnnetz der Stadt Kassel als auch mit 15 kV Wechselstrom auf den Strecken der Deutschen Bahn betrieben werden. Ab Ende 2005 kommen als Weltneuheit Dieselhybrid-Fahrzeuge hinzu, die im Straßenbahnnetz ebenfalls mit 600 V Gleichstrom und auf den nicht-elektrifizierten DB-Strecken des Regio-Netzes Kassel mit Dieselgeneratorantrieb fahren. Die Umschaltung zwischen den Antriebssystemen geschieht unbemerkt vom Fahrgast in der neuen unterirdischen „Systemhaltestelle“ Kassel Hauptbahnhof.
Die Schienenfahrzeughersteller Railpower wie auch GE bieten hybride dieselelektrische Lokomotiven (also mit Sekundärbatterien) an. Die japanische Eisenbahngesellschaft JR East testete 2003 erfolgreich einen hybrid angetriebenen Triebwagen.
Schifffahrt
U-Boot-Antrieb
Auch jedes konventionelle U-Boot verfügt über einen Hybridantrieb. Es besitzt einen oder mehrere Dieselmotoren für die Überwasserfahrt und zum Aufladen der Bleiakkumulatoren für den Elektromotor, welcher bei Tauchfahrt zum Einsatz kommt.
Die in Deutschland gebaute U-Boot-Klasse 212 (Stand 2004 der modernste nichtatomare U-Boot-Typ) verfügt neben dem Dieselgenerator über eine Wasserstoff-Brennstoffzellenanlage.
Raketentechnik
Ein Hybridantrieb oder -triebwerk ist ein thermisches Triebwerk, das chemische Energie aus der Verbrennung einer festen und einer flüssigen Substanz gewinnt. Man bezeichnet diese Triebwerksart deshalb auch als Lithergoltriebwerk. Üblicherweise ist der Oxidator flüssig und der Brennstoff fest, es wurden aber auch Experimente mit inversen Hybriden durchgeführt, bei denen ein flüssiger Brennstoff durch einen festen Oxidator verbrannt wird. Hybridantriebe vereinigen Vorteile von Feststoff- und Flüssigantrieben, haben aber auch spezifische Nachteile.
Luftfahrt
huhu In der Luftfahrt bezeichnet man die Verwendung verschiedener Triebwerke als Mischantrieb. Ein historisches Flugzeug mit solch einem Antrieb war Anfang des 20. Jahrhundert die Entwicklung von Henri Marie Coandă aus Rumänien.
Siehe auch
Weblinks
- Deutsche Gesellschaft für elektrische Straßenfahrzege, mit Informationen zu Elektro-, Hybrid und Brennstoffzellenfahrzeugen
- Portal zum Thema Hybridfahrzeuge
- WDR Q21 Was ist dran an hybrid?
- Forschungsprojekt "Faszination Hybrid"