Hybridelektrokraftfahrzeug

Als Hybridantrieb bezeichnet man die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien oder verschiedener Energiequellen für eine Antriebsaufgabe innerhalb einer Anwendung. In der Energietechnik wird auch der Begriff "bimodale Energieversorgung" verwendet.

Dies ermöglicht, je nach Bedarf oder Verfügbarkeit, die Auswahl des gewünschten oder benötigten Antriebsprinzips.

Fahrzeugtechnik

Es werden auch Begriffe wie "Bimodale" im Italienischen oder "Dual-Mode-Vehicle" im Englischen verwendet um Fahrzeuge zu charakterisieren, die zwei Energiequellen nutzen, also in zwei Modi betrieben werden können. Das Konzept ist auch nicht auf die Verwendung von Sekundärbatterien als Energiespeicher beschränkt wie die derzeitigen Fahrzeuge vielleicht vermuten lassen würden (siehe z.B. Duo-Bus).

In der Fahrzeugtechnik unterscheidet man im Allgemeinen zwischen verschiedenen Hybridisierungsstufen:

Micro-Hybrid: Die Elektro-Maschine wird nicht zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt, sondern nur als Starter-Generator und zur Unterstützung des temporären Abschaltens des Verbrennungsmotors bei kurzen Stopps, etwa an Ampeln. Außerdem kann er bei Bremsvorgängen dazu benutzt werden, die Bordbatterie aufzuladen, so dass der Verbrennungsmotor von dieser Aufgabe entlastet wird. (Beispiel: Ford Fiesta-Versuchsfahrzeug)
Mild-Hybrid: Hier wird der Antrieb des Fahrzeugs unterstützt; ein Fahren ohne Verbrennungsmotor ist aber nicht möglich. Die Elektro-Maschine wird meist zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe gebaut, so dass immer alle gleichzeitig arbeiten. Sie wird meist als Starter-Generator ausgeführt, ersetzt somit Anlasser und Lichtmaschine, kann kurzzeitig ein zusätzliches Boost-Moment zum Vortrieb beitragen und ermöglicht in Grenzen die Rekuperation von Bremsenergie. (Beispiel: Honda Accord IMA)
Voll-Hybrid: Die installierte Elektro-Leistung ist deutlich höher als beim Mild-Hybrid, außerdem ist je nach Anforderungen ein rein elektrisches oder rein verbrennungsmotorisches Fahren möglich. Erreicht werden kann dies auf verschiedene Arten:
- durch einen mechanischen Kraftverteiler (z.B. ein Planetengetriebe) mit getrennten Eingängen für Verbrennungs- und Elektromotor(en). (Beispiel: Toyota Prius)
- durch die Verwendung von zwei Elektromotoren, jeweils einer vor und hinter der vorhandenen Kupplung (bzw. Wandler). Der erste Elektromotor arbeitet dabei wie beim Mild-Hybrid, der zweite Elektromotor ermöglicht den Fahrbetrieb durch Öffnen der Kupplung auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor. Die Elektromotoren sitzen dabei im Antriebsstrang auf der Motor- bzw. Getriebewelle und umschließen diese ringförmig. (Beispiel: Mercedes Benz neue S-Klasse)
- durch die Verwendung nur eines Elektromotors zwischen der vorhandenen Kupplung (bzw. Wandler) und dem Verbrennungsmotor, ähnlich dem Mild-Hybrid. Mit dem Verbrennungsmotor ist der Elektromotor allerdings über eine zusätzliche Trennkupplung verbunden, die durch Öffnen den reinen E-Betrieb ermöglicht. (Beispiel: Audi Q7)

Reiner Elektrobetrieb ist auf bestimmte Betriebsbereiche beschränkt, z. B. Stadtfahrt bis 50 km/h, solange der Akku nicht leer ist. Bei hohen Leistungsanforderungen (starkes Beschleunigen) unterstützt der Elektromotor den Verbrennungsmotor. (Beispiel: Lexus RX400h) Weiterentwicklungen zum so genannten Plug-in-Hybrid ermöglichen ein Aufladen über die Steckdose.

Serieller Hybrid: Die Leistung des Verbrennungsmotors kann nicht mechanisch zur Leistung des Elektromotors addiert werden, sondern dient ausschliesslich zum Auf- bzw. Nachladen der Batterien. Der Verbrennungsmotor hat keine mechanische Verbindung zum Antriebsstrang.
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 entkoppelt 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 schon 1902 von Ferdinand Porsche gebaut, der "Mixte" Wagen bei der Firma Lohner in Wien. 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.

Verschiedene Kraftstoffe mit gleichem Motor

Die zurzeit (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 häufig eine wirtschaftliche Alternative dar. Der geringere Kohlenstoffgehalt und der damit verbundene geringere Kohlendioxid-Ausstoß von Gasfahrzeugen spricht auch 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, bei dem die Kraftstoffe in voneinander getrennenten Tanks mitgeführt werden, 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.

Die Wasserstofftechnologie für den Fahrzeugantrieb befindet sich noch im Versuchsstadium. Prototypen werden schon mit Benzin oder Wasserstoff betrieben.

Verbrennungs- und Elektromotor

Daneben gilt auch die Kombination anderer Antriebsarten als Hybridantrieb. Kombinierte Verbrennungsmotor-Elektrofahrzeuge werden bereits von einigen PKW-Herstellern angeboten. Je nach Auslegung kann damit ein etwa 15-25 % geringerer Norm-Krafstoffverbrauch gegenüber einem reinen Verbrennungsmotor-Antrieb erreicht werden.

Der Verbrennungsmotor kann beim beim Hybridantrieb hauptsächlich in einem sehr günstigen Wirkungsgradbereich betrieben werden. Anfallende überschüssige Energie 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“). Die Verkleinerung des Verbrennungsmotors kompensiert dabei zum Teil auch das zusätzliche Gewicht der Hybrid-Aggregate. Beim Bremsen wird ein Teil der Bremsenergie in die Batterie zurückgeführt (Rekuperation). Insbesondere im Stadtverkehr trägt die Rückgewinnung stark zur Verbrauchsminderung bei. Wird keine Antriebsleistung benötigt, kann nun auch der Verbrennungsmotor abgeschaltet werden. Dies ist im Schubbetrieb, bei Stillstand oder bei voll geladener Batterie der Fall.

Ein Verbrennungsmotor liefert nur im oberen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment. 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).

Der günstigere Betriebsbereich des Verbrennungmotors führt zu geringeren Emissionen. Dies gilt sowohl für toxische Emissionen (CO, CH_x, NO_x, Partikel), als auch für das Treibhausgas CO₂, als eine unmittelbare Folge des geringeren Kraftstoffverbrauchs.

Wenig bekannt ist über die Veränderung in der Gesamtenergiebilanz durch die zusätzlichen Komponenten. Die Kraftstoffeinsparung über die Lebensdauer eines Hybridfahrzeugs muss die Herstellung dieser Komponenten mit abdecken.

Die zusätzliche Technik steigert den Wartungs- und u.U. auch den Reparaturaufwand. Die Batterie hat ebenso wie viele andere Verschleißteile nur eine begrenzte Lebensdauer und muss nach einer gewissen Zeit ersetzt werden.

Die Fahrzeuge haben durch einen leistungsärmeren Verbrennungsmotor, der jetzt ja nicht mehr für alle Fahrzustände dimensioniert werden muss, häufig eine etwas geringere Höchstgeschwindigkeit. Dieser Fahrzustand (schnelle Autobahnfahrt) ist 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 die Hybrid-Mechanismen nicht und es kann keine Verbrauchseinsparung erzielt werden. Das Beschleungigungsverhalten, für das beide Motoren verantwortlich sind, ist davon nicht betroffen.

Seine Vorteile kann ein Hybridauto hauptsächlich in Ballungsräumen und auf Landstraßen ausspielen, wo es zu häufigen Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen kommt. Auch ist der Nutzen in bergigem Gelände größer als im Flachland. Auf langen Autobahnstrecken bei freier Fahrt hingegen fällt der Kraftstoffverbrauch meist geringfügig höher aus als bei vergleichbaren Fahrzeugen mit reinen Verbrennungsmotorantrieb.

Brennstoffzelle- und Energiespeicher

Sowohl die Mercedes A-Klasse Necar5 als auch der Honda FCX sind mit einer Brennstoffzelle und einem Energiespeicher ( Batterie bzw. Doppelschicht-Kondensator ausgestattet. Der Energiespeicher kann zum Starten und auch für Beschleunigungsvorgänge genutzt werden ( Boost-Betrieb ). Aufgeladen wird der Energiespeicher beim Bremsen (Rekuperation) bzw. direkt von der Brennstoffzelle.

PKW

Der Toyota Prius wird seit 1997 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, 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 % (lt. Webseite 40 % Stand 08/2005 für das aktuelle Modell). Eine Version mit Nachlademöglichkeit am Stromnetz und größerer elektrischer Reichweite existiert als Prototyp.

Mit dem Civic IMA bietet Honda eine 4-Türer-Limousine mit Hybridantrieb an. Der Wagen ist mit einem 61 kW (83 PS) Benzinmotor ausgestattet, der von einem 6,5 kW (9 PS) Elektromotor unterstützt wird. Der kombinierte Verbrauch ist mit lediglich 4,9 Litern/100km angegeben. Die neue Civic-Generation (ab 2006) soll mit weiteren IMA-Varianten angeboten werden.

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/Atkinson-Prozess 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 RX400h wird von einen V6 3,3 Liter Otto-Motor plus Generator und einem Elektromotor an der Vorder- und einem Elektromotor an der Hinterachse angetrieben (elektrischer Allradantrieb). 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. 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. Der E-Motor an der Hinterachse ist allerdings zu schwach, um beim RX400h echte Geländetauglichkeit zu erzeugen.

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. In Saarbrücken fährt seit 1997 die Saarbahn, welche sowohl mit 750 Volt Gleichspannung als auch mit 15 kV Bahnstrom arbeitet. Sowohl Railpower als auch GE bieten hybride Dieselelektrische Loks (also mit Sekundärbatterien) an. JR-East hatte 2003 einen hybrid angetrieben Triebwagen erfolgreich getestet.

Muskel- und Elektroantrieb

Das bekannteste Muskel-hybrid-Fahrzeug ist das Twike für 2 Personen. Das Alleweder-E ist hingegen 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. Bei Fahrrädern ist auch die Kombination Verbrennungskraftmaschine-Muskelantrieb oder Elektroantrieb-Muskelantrieb zu finden (z.B. Bavaria - Power Hybrid Bike,Mercedes Hybrid-Bike von Sachs, "City-Blitz" von KTM, Biketec Flyer,PAS XPC 26 von Yamaha, extra-energy-bikes, X-Drive sowie Selectric u.a. Elektrofahrrad-Konstruktionen ). Neue Konzepte versuchen den Einsatz von Brennstoffzellen zum Nachladen.

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

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).

Siehe auch

Weblinks

Schienenfahrzeuge mit Hybridantrieb

Nutzfahrzeuge mit Hybridantrieb