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Fahrzeuge mit Hybridantrieb – die Technik der Zukunft?

(Dieser Artikel ist in ähnlicher Form erschienen in Energie & Umwelt 1/2007, dem Magazin der Schweizerischen Energiestiftung.)

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Bemerkung: Inzwischen gibt es einen Lexikon-Artikel über Hybridantriebe, welcher einen ähnlichen Inhalt hat.

Hybridantriebe für Autos finden zur Zeit einige Beachtung. Hier soll diskutiert werden, welche technischen Varianten es gibt und in wieweit diese sinnvoll sind.

Ein Hybridantrieb arbeitet mit einer Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor. Hier gibt es eine Vielzahl von Varianten. Ein Voll-Hybrid kann für einige Zeit auch rein elektrisch betrieben werden, wobei die Energie aus einer aufladbaren Batterie kommt. Ein Mild-Hybrid verzichtet auf diese Betriebsart und hat den Elektromotor nur als Unterstützung für den Verbrennungsmotor. Ein Voll-Hybrid kann ferner als Parallel- oder Serien-Hybrid ausgeführt sein. Beim Parallel-Hybrid (Bild 1 links) können beide Motoren das Fahrzeug antreiben, während beim Serienhybrid (Bild 1 rechts) der Verbrennungsmotor einen Generator zur Stromerzeugung antreibt und das Fahrzeug dann elektrisch bewegt wird –- mit Strom vom Generator oder bei geringem Leistungsbedarf aus der Batterie. Eine andere Variante ist die Leistungsverzweigung: Ein Teil der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors geht direkt an die Räder, ein anderer Teil in den Generator.

Parallel-Hybridantrieb
Abbildung 1: (long): Das Konzept des Parallel- und Serienhybridantriebs. Beim Parallelhybrid treibt der Verbrennungsmotor (VM) direkt die Räder an. Er kann aber über eine Kupplung (K) vom Antrieb getrennt und abgestellt werden. Stattdessen oder zusätzlich kann der elektrische Motor (M) die Räder antreiben, oder umgekehrt als Generator arbeiten und Bremsenergie (oder Antriebsenergie des VM) in die Batterie (B) einspeisen. Beim Serienhybrid treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an. Elektrische Energie geht zum Motor, der das Fahrzeug antreibt, und/oder zur Batterie. Der Motor kann auch Energie von der Batterie erhalten, oder beim Bremsen als Generator arbeiten und Energie in die Batterie einspeisen.

Manche Fahrzeuge mit Vollhybrid bieten die Möglichkeit, die Batterie mit Energie aus dem Stromnetz (also nicht nur mithilfe des Verbrennungsmotors) aufladen zu lassen; man spricht in diesem Fall von einem Plug-in-Hybrid. Das macht nur Sinn, wenn die Batterie groß genug ist, um mehr als nur wenige Fahrkilometer zu ermöglichen, weil sich das Aufladen sonst kaum lohnt. Genau deswegen sind solche Fahrzeuge aber leider erheblich teurer. Im Idealfall kann man dann einen großen Teil der meist auftretenden Kurzstrecken rein elektrisch fahren, und der Verbrennungsmotor wird nur für längere Strecken benötigt oder wenn es einmal nicht möglich war, rechtzeitig nachzuladen. Oft wird der Verbrennungsmotor auch für höhere Geschwindigkeiten (auf der Autobahn) benötigt, wo die Batterie sonst recht schnell entladen wäre.

Vorteile von Hybridantrieben …

Die möglichen Vorteile sind vielfältig, werden aber von verschiedenen Varianten in sehr unterschiedlichem Maß realisiert. Ein Vollhybrid vermeidet den Betrieb des Verbrennungsmotors mit geringer Auslastung, bei der die Energieeffizienz sonst drastisch absinkt; der Motor läuft nur, wenn er wirklich gebraucht wird, und kann dann gleichzeitig Energie zum Laden der Batterie liefern (vor allem bei eher schwacher Auslastung). Außerdem erlaubt jeder Hybrid, dass beim Bremsen die Bewegungsenergie teilweise in elektrische Energie zurückverwandelt wird, um die Hybridbatterie nachzuladen. Trotz gewisser Verluste in Generator, Batterie, Elektromotor und Elektronik und trotz des höheren Gewichts spart man so einiges –- je nach Fahrzeug und Betriebsweise mit Vollhybrid vielleicht 20 bis 30 % im Stadtverkehr, weniger auf der Landstraße und auf der Autobahn.

Zumindest beim Vollhybrid können die Abgaswerte sogar deutlich stärker verbessert werden als der Kraftstoffverbrauch. Dies gilt zwar nicht für das klimaschädliche CO2, aber für die Smog bildenden Stickoxide (NOx) und Kohlenwasserstoffe (HC). Diese Verbesserung resultiert ebenfalls aus der Vermeidung von ineffizientem Teillastbetrieb.

Durch Kombination der Leistung von Verbrennungs- und Elektromotor kann die Beschleunigung trotz des höheren Gewichts mit Hybridantrieb besser sein. Je nach Prioritäten kann man aber auch den Benzinmotor entsprechend kleiner auslegen (Downsizing). Dann wird die Verbrauchsersparnis noch größer, weil der kleinere Motor noch besser ausgelastet wird und das Gewicht wieder sinkt.

… abhängig von den Prioritäten

Es kommt also auch beim Hybridantrieb sehr auf die Prioritäten an. Für überwiegenden Einsatz in der Stadt wäre ein sehr kleiner Benzinmotor (mit wenigen Kilowatt) in einem Serienhybrid sinnvoll. Der Elektromotor könnte dann vorübergehend höhere Leistungen aus der Batterie beziehen (wenn das deren Lebensdauer erlaubt), und der Benzinmotor müsste nur im Mittel die benötigte Energie nachliefern können. Er wäre sehr leicht und bestens ausgelastet, deswegen sehr effizient. Ein Kleinwagen käme so mit höchstens drei Litern Benzin pro 100 km im Stadtverkehr aus. In puncto Beschleunigung und vor allem Höchstgeschwindigkeit sind damit jedoch keine Wunder zu erwarten. Deswegen sind solche Fahrzeuge zwar bereits entwickelt worden, sind aber heutzutage kaum absetzbar.

Die bisher erhältlichen Hybridfahrzeuge sind auf andere Prioritäten ausgerichtet. Einen Kompromiss erreicht beispielsweise der Toyota Prius mit einem ausgefeilten Vollhybrid-System mit relativ starken Benzin- und Elektromotoren. Er bietet sehr gute Fahrleistungen, auch ein vorbildliches Abgasverhalten und dazu einen recht niedrigen Benzinverbrauch: im Stadtverkehr typisch knapp 5 l / 100 km (im Idealfall sogar unter 4 l / 100 km), auf der Landstraße und der Autobahn (außer bei hohen Geschwindigkeiten) ca. 4 bis 4,5 l / 100 km.

Der Honda Civic Hybrid beruht auf einer deutlich einfacheren Mild-Hybrid-Technik mit einem schwächeren Benzinmotor und einem wesentlich schwächeren Elektromotor. So wird ein kaum höherer Verbrauch als beim Prius zu niedrigeren Herstellungskosten erreicht, allerdings mit Nachteilen im Stop-and-Go-Verkehr, in dem der Prius besonders glänzt.

Eine ganz andere Stoßrichtung ist erkennbar bei schweren Geländewagen mit Hybridantrieb: Hier sorgt ein starker Elektromotor für enormen Schub bei niedrigen Drehzahlen, und das Hybridkonzept bringt einen moderaten, wenn auch absolut gesehen sicher nicht niedrigen Verbrauch trotz des sehr hohen Fahrzeuggewichts.

Ein Plug-in-Hybrid ist wegen des hohen Anschaffungspreises nur für relativ viel, und zwar besonders oft im Stadtverkehr und auf kurzen Strecken bewegten Fahrzeugen sinnvoll. Natürlich muss man darüber nachdenken, ob in diesem Fall ein reines Elektroauto nicht die bessere Lösung wäre. Gegenüber diesem hat der Plug-in-Hybrid aber den Vorteil, dass er auch für sehr lange Strecken, ggf. auch ohne Gelegenheit für das elektrische Nachladen, geeignet ist.

Es sei noch angemerkt, dass Fahrzeuge wie der Toyota Prius ihren Verbrauchsvorteil nicht allein durch das Hybridkonzept erzielen, sondern unter Umständen zu mehr als der Hälfte durch "klassische" Maßnahmen wie Leichtbau, reduzierten Luftwiderstand und raffinierte Motorenkonzepte (Atkinson-Prinzip, optimierte Kraftstoffeinspritzung, etc.). Dem Käufer kann freilich gleichgültig sein, wie genau die Resultate erzielt werden; der Image-Vorteil und die Technik-Faszination eines bei niedrigen Geschwindigkeiten geräusch- und abgasfrei betriebenen Fahrzeugs bleibt so oder so.

Fazit

Die Hybridtechnik eröffnet vielfältige Möglichkeiten, von der Kraftstoffeinsparung über Lärmvermeidung und verbesserte Abgaswerte bis hin zu attraktiven Fahrleistungen. In wieweit solche Vorteile realisiert werden, hängt jedoch stark von den gesetzten Prioritäten ab. Möglich wären ökologisch absolut vorbildliche und zu vertretbaren Kosten herstellbare Kleinwagen mit mäßigen Fahrleistungen. Später könnten solche Wagen übrigens leicht auf die Stromversorgung mit Brennstoffzellen umgestellt werden, sobald die Brennstoffzellen- und Wasserstofftechnologie weit genug entwickelt sind. Der Problemdruck durch Benzinpreise und Abgasbelastung ist jedoch bisher nicht hoch genug für eine nennenswerte Nachfrage nach solchen Fahrzeugen.

Heute angebotene Mittelklassewagen mit Hybridantrieb erreichen recht attraktive Verbrauchswerte, wenn auch bei Weitem nicht so günstige, wie sie mit anderen Prioritäten technisch erreichbar wären. Gegenüber konventionellen Fahrzeugen glänzen sie aber vor allem im Stadtverkehr, besonders beim Vollhybrid auch mit dem Abgasverhalten, während für überwiegenden Autobahn-Einsatz ein effizienter Dieselmotor (mit Rußpartikelfilter) eine bessere Lösung sein kann, wenn auch leider meistens mit wesentlich höheren Stickoxid-Emissionen. Hybrid-Geländewagen dagegen mögen für Förster sinnvoll sein, sind aber für den Straßenverkehr keine überzeugende Option –- auch wenn es ohne Hybrid noch deutlich Schlimmeres gibt.

Übrigens haben wir nützliche Ratgeber-Artikel auch zu diversen anderen Themen im Energiebereich.

Siehe auch: Hybridantrieb, Elektromotor, Verbrennungsmotor, Elektromobilität

Fragen und Kommentare von Lesern

12.06.2021

Leider sind beim Thema Auto die Ansprüche derart verbogen durch das völlig überdrehte Bewerben von "Fahrspass", "Power" und was noch alles an Komfort und Prestige. Deshalb glauben die Marketingstrategen, dass sie nur mit entsprechender Power bei den E- und HY-Konzepten punkten können. Dabei müssen wir bei Betrachtung der Gesamtsituation doch zurück kommen zu einem vernünftigen Fortbewegungsmittel, das nicht mehr Eigengewicht als nötig mit sich herum schleppt, und soweit "familientauglich" ist, dass man es sich auch leisten kann. Selbst im konventionellen Angebot sucht man dieses Konzept fast vergeblich. In absehbarer Zeit wird man das Tempolimit nicht mehr verhindern können, dann braucht man die schweren, übermotorisierten Panzer nicht mehr, und man kann wieder leichter bauen. Für die Langstrecke braucht es dann auch nicht mehr Leistung als 50 bis 70 kW / Tonne Blech und davon auch nicht viel mehr.

Mir schwebt dazu ein Konzept vor, das den Verbrenner (verbrauchsoptimiert bei 1 - 1,5 l Hubraum, also relativ leicht) für die Strecke direkt an die Achse koppelt (ab ca. 40-50 km/h) und für Anfahren, Kurzstrecke und Rangieren sowie Rekuperation der E-Antrieb dient. Spart schon mal das Getriebe, dafür so viel Batterie, wie für ca. 50 km nötig, gerne auch per Anschluss über Nacht zu laden (da dürfte es dann auch die Steckdose tun und nicht die ebenfalls recht teure Wallbox). Dafür ordentlich Innenraum, entsprechend variabel. Auf den ganzen elektronischen Spielkram, der derzeit die Lieferengpässe produziert mangels Chips, kann man ohnehin verzichten.

Antwort vom Autor:

Ich hoffe mit Ihnen, dass Vernunft und Verantwortung, die bislang im Bereich Auto oft einen sehr schweren Stand haben, zukünftig einen größeren Einfluss gewinnen. Ich stelle mir vor, dass es zukünftige Generationen nicht werden fassen können, mit welchen Prioritäten die Menschheit Jahrzehnte nach dem Erkennen des Klimaproblems noch agiert hat.

Ihr technisches Konzept wäre im Prinzip eine Kombination von Serienhybrid für niedrige Geschwindigkeiten und Parallelhybrid für höhere Geschwindigkeiten. Ohne Schaltgetriebe hätte es allerdings den Nachteil, dass man die Motordrehzahl nicht richtig optimieren kann – etwa mit abgesenkter Drehzahl nach dem Erreichen der Reisegeschwindigkeit.

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