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 im Allgemeinen zwischen verschiedenen Hybridisierungsstufen:

Mild-Hybrid:Verwendung der Elektro-Maschine als Starter-Generator, kurzzeitig zusätzliches Boost-Moment mit der Elektro-Maschine stellbar, Rekuperation von Bremsenergie mittels der E-Maschine (Beispiel: Honda Accord IMA)
Voll-Hybrid: Die installierte Elektro-Leistung ist deutlich höher als beim Mild-Hybrid, sodass zusätzlich noch rein elektrisches Fahren in nennenswerten Betriebsbereichen möglich ist, z.B. Stadtfahrt bis 50 kmh, solange der Akku nicht leer ist. (Beispiel: Toyota Prius, Lexus RX400h) Weiterentwicklungen zum so genannten "Plug in Hybdrid" ermöglichen ein Aufladen über die Steckdose.
Serieller Hybrid: Die Leistung des Elektromotors kann nicht mechanisch zur Leistung des Verbrennungsmotors addiert werden, sondern dient ausschliesslich zum Auf- bzw. Nachladen der Batterien.
Paralleler Hybrid: Verbrennungsmotor und Elektromotor sind so miteinander verbunden, dass die Drehmomente sich mechanisch addieren können, aber nicht müssen. Es ist ein rein elektrischer, rein verbrennungsmotorsicher aber auch addierender Betrieb möglich. (Siehe VW Golf Hybrid im Zürcher Flottenversuch 1988]

Der Übergang von Mild- zu Voll-Hybrid ist fliessend und mit einer zusätzlichen Kupplung läßt sich ein Serieller- mit einem Parallelen Hybrid kombinieren. Dadurch kann die dem Antrieb zugeführte Leistung von der für den Vortrieb abgerufenen Leistung entkopplet werden. Der Stromerzeuger (Verbrennungskraftmaschine, Brennstoffzelle o.ä.) muss nicht auf die maximal abrufbare Leistung ausgelegt werden. Maschinen mit höheren Wirkungsgraden aber geringerer Elastizität (Abrufbarkeit von Leistung) sind wesentlich am höheren Nutzungsgrad des Systems (geringeren Verbrauch) beteiligt, da nur ein Teil der Bremsenergie rekuperiert (wiedergewonnen) werden kann.

Das erste Hybridauto wurde jedoch schon 1902 von Ferdinand Porsche gebaut. 1990 brachte Audi den Doppelantrieb dann in einem Audi 100 Avant, genannt "Duo". Mit dem Audi duo auf Basis des Audi A4 Avant wurden 1997 Flottenversuche mit zehn biodieseltauglichen Fahrzeugen mit zusätzlichem Elektroantrieb durchgeführt. 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.

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 Dieselkraftstoff mehr und mehr verteuern, 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/Diesel + 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 zum einen dadurch bewirkt, dass der Verbrennungmotor so geregelt werden kann, dass er im optimalen Wirkungsgradbereich läuft und überschüssige Energie wird über einen Generator zur Batterieaufladung verwendet (Phlegmatisierung). Bei gleicher Leistung kann also ein kleinerer Motor als im Basismodell gewählt werden (Downsizing). Zum anderen wird beim Bremsen Energie in die Batterie zurückgeführt (Rekuperation). Insbesondere im Stadtverkehr trägt die Rückgewinnung der Bremsenergie maßgeblich zur Verbrauchsminderung bei.
geringere Emissionen: dies gilt sowohl für toxische Emissionen (CO, CHn, NOx, Partikel), als auch für das Treibhausgas CO2. Dies ist eine unmittelbare Folge des geringeren Kraftstoffverbrauchs.
bessere Beschleunigung: Ein Verbrennungsmotor liefert im unteren Drehzahlbereich wenig Drehmoment, das Drehmomentmaximum liegt im oberen Drittel des Drehzahlbereichs. Beim Elektromotor ist es umgekehrt. Er hat vom Stand an das maximale Drehmoment und lässt 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 hauptsächlich in Ballungsräumen und auf Landstraßen ausspielen, da es dort zu häufigen Beschleunigungs- und Bremsvorgängen kommt, wodurch Rekuperation ausgenutzt werden kann. Im Autobahnbetrieb und bei gleichmäßiger Geschwindigkeit entfällt die Rekuperation. Durch das zusätzliche Gewicht von Elektromotor und Batterie kann hier der Verbrauch sogar höher als bei einem nur durch einen Verbrennungsmotor angetriebenen Fahrzeug sein. 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, einen elektrischen Antriebsmotor und einen Generator, 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, beispielsweise in Ortschaften, 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 Schiebebetrieb (Motorbremsbetrieb) kann Energie rekuperiert werden. Die Energieeinsparung beim Prius gegenüber Benzinern der gleichen Fahrzeugklasse beträgt gemäss Werksangaben rund 30% (lt. Webseite 40% Stand 08/2005 für das aktuelle Modell). Eine Version mit Nachlademöglichkeitam Stromnetz und gößerer elektrischer Reichweite existiert als Prototyp.

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.

Mercury Mariner Hybrid

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/Atkinson-Prozess und einem 70 kW Permanentmagnet-Elektromotor.

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 Generator und einem Elektromotor der Vorder- und einem Elektromotor an der Hinterachse angetrieben (elektrischer Allradantrieb). Der Antrieb basiert auf dem bereits verfügbaren Hybridantriebsstrang des Toyota Prius THS II, und wurde mit leistungstärkeren Elektromaschinen an der Vorderachse und zusätzlich einer elektrischen Hinterachse ausgestattet. 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. 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 herkömmlichen Hydraulikaggregat.

3,5 Tonner

Neben Mercedes mit dem Hybrid Sprinter von Daimler Chrysler hat IVECO die größten Erfahrungen mit Hybridantrieben. Ein weiterer Anbieter ist Micro-Vett SPA mit dem Daily Bimodale.

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 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. Seit mehreren Jahren fährt dieses System auch in Karlsruhe, die Straßenbahn kann ebenfalls im eigenen sowie im Deutsche Bahn - Netz fahren. Mit Hilfe eines Umschalters kann während der Fahrt der "Strom" gewechselt werden. Sowohl Railpower als auch GE bieten hybride Dieselelektrische Loks (also mit Sekundärbatterien) an. JR-East hatte 2003 einen hybrid angetrieben Triebwagen erfolgreich getestet.

Muskel/Elektro

Das bekannteste Muskel-hybrid-Fahrzeug ist das Twike für 2 Personen. Das Alleweder-E ist ein Velomobil mit Elektrounterstützung mit einer Spitzengeschwindigkeit von ca. 50 km/h (je nach Fahrer). Das Alleweder-E verbraucht nur 1-2 kwh Strom (Benzinäquivalent 0,1 - 0,2 Liter) auf 100 km, das Twike ca. 4-8 kwh Strom.

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 den 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).

Alternative Antriebe

Weblinks

WDR Q21 Was ist dran an hybrid?
Spiegel online über das Forschungsprojekt "Faszination Hybrid" (22. Aug. 2005)
Prius+

Schienenfahrzeuge mit Hybridantrieb

Nutzfahrzeuge mit Hybridantrieb