Hybridelektrokraftfahrzeug
Als Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung.
Dies ermöglicht, je nach Bedarf oder Verfügbarkeit, die Auswahl des gewünschten oder benötigten Antriebsprinzips.
Fahrzeugtechnik
In der Fahrzeugtechnik unterscheidet man zwischen sogenannten Voll- und Halbhybriden.
Bei einem Vollhybridfahrzeug muss zwischen den beiden Antriebsarten, die nie gleichzeitig zum Einsatz gelangen, gewählt werden.
Beim Halbhybridfahrzeug können bei Bedarf beide Motoren gleichzeitig betrieben werden. So können beide Motoren kleiner dimensioniert werden.
Benzin/Gas/Pflanzenöl
Die zur Zeit (2004) am meisten verbreiteten Hybridfahrzeuge sind Automobile, die sowohl mit Benzin, als auch mit Erd- oder Flüssiggas betrieben werden können. Da sich Benzin und Dieselkrafstoff mehr und mehr verteuert, stellt Gas eine wirtschaftliche Alternative dar. Auch der geringere Kohlenstoffgehalt, und der damit verbundene geringere Kohlendioxid-Ausstoß von Gasfahrzeugen spricht für eine bessere Umweltverträglichkeit. Der Betrieb reiner Gasfahrzeuge ist in Deutschland jedoch aufgrund der im Vergleich zu Benzin geringen Verbreitung von Gastankstellen problematisch. Der Hybridantrieb erlaubt es im Normalbetrieb mit Gas zu fahren und nur bei Gasmangel auf Benzin umzuschalten. Diese Betriebsform wird bivalent genannt.
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.
Benzin/Wasserstoff
Die Wasserstofftechnologie für den Fahrzeugantrieb befindet sich noch im Versuchsstadium. Prototypen werden schon mit Benzin oder Wasserstoff betrieben.
Benzin/Elektro
Daneben gilt auch die Kombination anderer Antriebsarten als Hybridantrieb. Kombinierte Verbrennungsmotor-Elektrofahrzeuge werden bereits von einigen PKW-Herstellern angeboten. Diese Kombination bietet folgende Vorteile:
- geringerer Verbrauch: je nach Auslegung ca 15-25 % gegenüber dem Basisfahrzeug. Dies wird dadurch bewirkt, dass zum einen der Verbrennungmotor immer so geregelt wird, dass er im optimalen Wirkungsgradbereich läuft, überschüssige Energie wird über einen Generator zur Batterieaufladung verwendet. Ausserdem wird meist ein kleinerer Motor als im Basismodell gewählt. Beim Bremsen wird ebenfalls Energie in die Batterie eingespeist (Rekuperation).
- bessere Beschleunigung: Ein Verbrennungsmotor hat das Problem, dass er im unteren Drehzahlbereich wenig Drehmoment liefert, das Drehmomentmaximum liegt im oberen Drittel des Drehzahlbereichs. Beim Elektromotor ist es umgekehrt. Er hat von Null weg das maximale Drehmoment und lässt dann bei höherer Drehzahl im Drehmoment nach. Durch Kombination der beiden Motoren kann das Fahrzeug um etwa 10-20 % schneller beschleunigen (elektrisches Boosten).
Seine Vorteile kann ein Hybridauto aber hauptsächlich im Kurzstrecken- und Stadtbetrieb ausspielen, da es dort zu ständigen Beschleunigungs- und Bremsvorgängen kommt (Rekuperation kann ausgenutzt werden). Im Autobahnbetrieb hat er weniger Vorteile oder sogar Nachteile, da durch den Elektromotor und die Batterie mehr Gewicht mitgeschleppt wird. Auch wird häufig ein kleinerer Verbrennungsmotor im Vergleich zum Basismodell eingesetzt (Downsizing), wodurch die Endgeschwindigkeit sinkt.
Toyota Prius
Der Toyota Prius wird seit einigen jahren serienmässig hergestellt. Er besitzt einen Benzinmotor und einen elektrischen Antriebsmotor und einen Generator die über ein Planetengetriebe an die Antriebsachse gekoppelt sind. Im Normalbetrieb wird der Prius von beiden Motoren gemeinsam angetrieben, wobei der Elektromotor seine Energie, über einen Generator, vom Benzinmotor bezieht. Das Planetengetriebe eine weitgehend freie Vorwahl der Drehzahl des Verbrennungsmotors und damit einen Verbrauchs und Emissionsoptimalen Betrieb. Zusätzlich lädt der Benzinmotor über den Generator einen Nickel-Metallhydrid-Akku auf. Die in dieser Betriebsart auftretenden elektrischen Verluste in den elektrischen Systemkomponenten werden dabei durch den besseren Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine mehr als kompensiert. Bei Bedarf, beispielsweise beim Überholen oder bei Bergfahrten, bezieht der Elektromotor auch zusätzlich Energie aus dieser Batterie. Im Schiebebetrieb (Motorbremsbetrieb) und durch Bremsen rekuperierte Energie wird vom Generator in elektrischen Strom ungewandelt und ebenfalls in der Batterie gespeichert. Sie ist in der Lage, beim Anfahren oder bei langsamer Fahrt (z.B. im Stadtverkehr oder im Stop and go Betrieb) genügend Energie an den Elektromotor abzugeben, damit dieser das Fahrzeug in diesen Phasen allein antreiben kann. Die Energieeinsparung beim Prius gegenüber Benzinern der gleichen Fahrzeugklasse beträgt gemäss Werksangaben rund 30%. Betriebszustände in denen der Verbrennungsmotor nur geringen Wirkungsgrad aufweist (Anfahren, Stadtverkehr) werden vom Elektromotor mit seinem sehr viel höheren Wirkungsgrad übernommen. Bei Bedarf, beispielsweise in Ortschaften, kann der Verbrennungsmotor auch komplett abgeschaltet werden. Das erzieltbare Einsparpotential wird durch die optimale Auswahl der Komponenten und die hinsichtlich der Fahrzeuggröße und der gewünschten Fahrleistungen erzielt.
Ford Escape
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.
Lexus RX400h
Seit April 2005 bietet Lexus in den USA ein Oberklasse-SUV mit Hybridantrieb an. Markteinführung in Europa ist Juni 2005. Der RX400h wird von einen V6 3,3 Liter Otto-Motor plus zwei Elektromotoren - jeweils an der Vorder- und der Hinterachse - angetrieben und einem Generator, wobei ein E-Motor den Hinterachsantrieb übernimmt (elektrischer Allradantrieb). Der Verbrennungsmotor, der Generator und der Antriebsmotor an der Vorderachse werden wie beim Toyota Prius über ein Planetengetriebe gekoppelt. Die Antriebssteuerung - der Hybridkontroller - setzt den Fahrerwunsch (Gaspedal / Bremspedal) in Steuersignale für die Verbrennungskraftmaschine, den Generator und die beiden Antriebsmotoren um, wobei hier sowohl die aktuelle Fahrsituation, als auch die fahrzeugspezifischen Randbedingungen berücksichtigt (Temperatur, Bodenhaftung, Reifenschlupf, ... ) werden. Der Antrieb basiert auf dem bereits verfügbaren Hybridantriebsstrang des Toyota Prius THS II, der mit leistungstärkeren Elektromaschinen an der Vorderachse und zusätzlich einer elektrischen Hinterachse ausgestattet wird. 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. Die amerikanische Version ist auf eine Höchstgeschwindigkeit von 190 km/h begrenzt. Zusätzlich wurden die Elektromotoren mit dem ESP-System gekoppelt, so daß ein ca. 10 mal schnellerer Eingriff in die Fahrsituationsstabilisierung vorgenommen werden kann, als bei einem ABS/ESP-System mit herkömmlichen Hydroaggregat.
Oberleitungsbus
Oberleitungsbusse beziehen normalerweise ihre Energie über die Oberleitung, sie besitzen jedoch oft auch einen kleinen Dieselmotor um auch unabhängig vom Oberleitungsnetz (bei Schäden daran oder bei Stromausfall) die nächste Haltestelle anfahren zu können.
Schienenfahrzeuge
Seit 13. Dezember 2004 sind in der Region Kassel die ersten Elektrohybrid-Fahrzeuge des RegioTram-Projekts unterwegs, die sowohl mit 600 V 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.
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 statt der Akkumulatoren über eine Wasserstoff-Brennstoffzellenanlage.
Raketentechnik
Weitere Hybridantriebe bestehen aus einer Mischung von flüssigen und festen Treibstoff-Komponenten. Diese Variante des Hybridantriebes findet jedoch nur in der Militär- und Weltraum-Raketentechnik praktische Anwendung. Der Vorteil gegenüber der herkömmlichen Feststoffrakete liegt in der Steuerbarkeit. Ein Beispiel ist Lachgas(flüssig)/Kunststoff(fest).