www.energie-lexikon.info
Das RP-Energie-Lexikon
Hybridantrieb | <<< | >>> | Feedback |
Der aktuelle Film "Bulb Fiction" über Energiesparlampen betreibt Panikmache – ein Artikel über Quecksilber in Lampen und eine Kritik des Films klären die Fakten.
Dieser Artikel lädt ein, Ansichten über die chinesischen CO2-Emissionen sowie über unsere Beiträge zum Klimaschutz zu überdenken.
Sie können den Aufbau dieses Lexikons als Sponsor unterstützen. Damit leisten Sie einen Beitrag für die Allgemeinheit, der von vielen Lesern wahrgenommen wird.
Tipp: Neben den Lexikon-Artikeln gibt es noch diverse interessante Extra-Artikel!
Definition: ein Antriebssystem eines Fahrzeugs, welches mit unterschiedlichen Energieträgern arbeiten kann
Ein Hybridantrieb erlaubt den Antrieb eines Fahrzeugs – beispielsweise eines Autos oder eines Stadtbusses – mit unterschiedlichen Energieträgern. In der Regel handelt es sich um Systeme mit einer Kombination von Verbrennungsmotor (z. B. Ottomotor oder Dieselmotor) und Elektromotor, und genau diese Systeme werden im Folgenden diskutiert. Manchmal wird die Bezeichnung Hybridantrieb aber auch verwendet, wenn lediglich ein Verbrennungsmotor vorhanden ist, der mit zwei unterschiedlichen Kraftstoffen (z. B. Erdgas und Benzin) betrieben werden kann. Ein Hybridantrieb kann auch als bivalentes System betrachtet werden.
Der höhere technische Aufwand für einen Hybridantrieb wird in der Regel im Interesse eines niedrigeren Energieverbrauchs, also einer höheren Energieeffizienz eingesetzt. Durch die Kombination zweier Motoren versucht man die spezifischen Vorteile dieser Antriebsarten zu vereinen:
Die Kombination beider Motoren ermöglicht eine hohe Reichweite durch den Kraftstofftank, gleichzeitig aber eine gute Energieeffizienz auch bei kleinem Leistungsbedarf, wenn dieser über den Elektromotor abgedeckt werden kann (während der Verbrennungsmotor abgestellt wird).
Die Summe der möglichen Vorteile erreicht man nur mit einem Vollhybrid, d. h. einem Hybridantrieb, bei dem zeitweise allein mit dem Elektromotor gefahren werden kann, während der Verbrennungsmotor abgestellt bleibt. Das erste Großserienfahrzeug mit dieser Technik war der Toyota Prius. Mit seiner Hybridbatterie kann er zwar nur wenige Kilometer rein elektrisch fahren, aber damit lässt sich meist bereits ein großer Teil des Stop-and-Go-Verkehrs überbrücken, ohne dass der Benzinverbrauch nennenswert ansteigt.
Kostengünstiger realisierbar sind Mildhybride, bei denen der Verbrennungsmotor immer für den Antrieb gebraucht wird und er lediglich von dem Elektromotor unterstützt werden kann. Der Elektromotor dient also vorwiegend zur Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) und außerdem zur Leistungserhöhung bei kurzzeitiger Spitzenlast, so dass der Benzinmotor etwas schwächer sein darf (und damit tendenziell effizienter arbeitet). Da jedoch der ineffiziente Teillastbetrieb des Verbrennungsmotors so kaum vermieden werden kann, ist die Verbrauchsersparnis geringer als beim Vollhybrid – vor allem unter erschwerten Bedingungen wie zähflüssigem Stadtverkehr. Ein Beispiel für ein Fahrzeug mit dieser Technik ist der Honda Civic Hybrid.
Eine weitere Unterscheidung ist die zwischen dem Parallelhybrid und dem Serienhybrid.
Beim Parallelhybrid (Abbildung 1 links) können beide Motoren das Fahrzeug direkt antreiben. Der Verbrennungsmotor kann, solange er nicht benötigt wird, ausgekuppelt und abgestellt werden.
Abbildung 1: 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. (Ebenfalls wird ein Getriebe benötigt, was hier nicht gezeigt wird.) 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.
Eine Variante ist die Leistungsverzweigung, wie z. B. beim Toyota Prius praktiziert: Ein Teil der Antriebsleistung des Verbrennungsmotors geht direkt an die Räder, ein anderer Teil in den Generator. Der vom Generator erzeugte Strom kann einen zusätzlichen Elektromotor antreiben (ggf. mit Ergänzung durch zusätzlichen Strom aus der Batterie), oder er kann ganz oder teilweise zur Aufladung der Batterie verwendet werden. Der Bordcomputer entscheidet vollautomatisch über diese Betriebsarten unter Berücksichtigung vieler Umstände wie z. B. Leistungsbedarf und Ladungszustand der Batterie.
Beim Serienhybrid (Abbildung 1 rechts) treibt der Verbrennungsmotor einen Generator zur Stromerzeugung an, ist aber mit den Rädern nicht verbunden. Das Fahrzeug wird dann elektrisch bewegt – mit Strom vom Generator oder bei geringem Leistungsbedarf aus der Batterie. Bei dieser Konstruktionsart wird meist kein Getriebe benötigt und ebenfalls keine Kupplung, da der Verbrennungsmotor einfach abgestellt werden kann, wenn er nicht benötigt wird. Ebenfalls kann der Verbrennungsmotor immer bei der für die benötigte Leistung optimalen Drehzahl betrieben werden. Der Nachteil ist jedoch, dass alle vom Motor gelieferte mechanische Energie in elektrische Energie und wieder zurück in mechanische Energie umgewandelt werden muss, was gewisse Energieverluste (grob geschätzt 10 %) verursacht. Allerdings gibt es auch in mechanischen Getrieben, wie in konventionellen Fahrzeugen genutzt, Energieverluste von einigen Prozent. Ein weiterer Nachteil ist, dass Elektromotor und Generator sehr leistungsstark sein müssen, da sie die gesamte Antriebsleistung übertragen.
Ein “range extender”, also ein kleiner Benzinmotor zur Vergrößerung der Reichweite in nicht allzu häufigen Fällen, wird eher in einem Serienhybrid eingesetzt. Seine Leistung wird meist geringer sein als die maximal zum Antrieb benötigte Leistung.
Bei manchen experimentellen Modellen ist es auch möglich, zwischen der Serienhybrid- und Parallelhybrid-Betriebsart umzuschalten. Man wird dann den Serienhybrid eher im langsamen Stadtverkehr einsetzen, um eine zu niedrige Auslastung des Verbrennungsmotors zu vermeiden, dagegen den Parallelhybrid bei schnellerer Fahrt, um die Umwandlungsverluste zu verringern. Allerdings ist der technische Aufwand für diese Umschaltmöglichkeit hoch, und auch das Fahrzeuggewicht dürfte erhöht werden.
Ein Plug-in-Hybrid hat eine relativ große Batterie, die dann am Wohnort oder Arbeitsort an der Steckdose aufgeladen werden kann. Somit können kürzere Strecken zwischen den Ladezeiten rein elektrisch gefahren werden. Bisherige Hybridfahrzeuge haben eine zu kleine Batterie, so dass sich das Laden an der Steckdose nicht lohnt. Bei ihnen wird die Batterie allein mit Energie vom Verbrennungsmotor oder beim Bremsen aufgeladen.
Da die Stromerzeugung mit großen Kraftwerken wesentlich effizienter sein kann als mit einem Verbrennungsmotor, würde der Plug-in-Hybrid Vorteile für den Primärenergieverbrauch, die Betriebskosten und die Kohlendioxid-Emissionen bringen, selbst wenn die Kraftwerke mit fossilen Energieträgern betrieben werden. Zudem bietet sich die Möglichkeit, erneuerbare Energie z. B. aus Photovoltaik oder Windkraft zu nutzen.
Bisher sind noch keine Plug-in-Hybride am Markt erhältlich, da diese Technologie nur mit recht großen und entsprechend schweren und teuren Batterien sinnvoll wäre. Ebenfalls könnte die Lebensdauer der Batterie durch die häufigen Ladezyklen leiden. (Die Hybridbatterie eines bisherigen Toyota Prius hingegen wird im Normalbetrieb meist nicht voll geladen oder entladen.) Somit setzt die großflächige Einführung von Plug-in-Hybriden wesentliche Fortschritte bei den Batterien voraus, insbesondere betreffend die Energiedichte, die Kosten und die Lebensdauer.
Längerfristig könnten Elektroautos von Brennstoffzellen mit Strom versorgt werden. Die Energie würde dann wieder in Form eines Kraftstoffs wie Wasserstoff, Erdgas oder Methanol mitgeführt, mit entsprechenden Vorteilen wie hoher Reichweite und geringem Gewicht. Bislang scheitert die Einführung dieser Technologie hauptsächlich daran, dass Brennstoffzellen noch zu teuer sind und eine Infrastruktur für neue Kraftstoffe fehlt. Sollte sich dies in der Zukunft ändern, so könnte die Einführung von Brennstoffzellenantrieben stark davon profitieren, dass bereits Hybridantriebe üblich sind. Gerade bei Serienhybriden müsste ja nur noch der Verbrennungsmotor mit Generator durch eine Brennstoffzelle ersetzt werden.
In welchem Ausmaß ein Hybridantrieb die Energieeffizienz eines Fahrzeugs erhöht, hängt zunächst einmal von den Betriebsbedingungen und der Art des Hybridantriebs ab. Insbesondere ein Vollhybrid (siehe oben) kann im zähflüssigen Stadtverkehr Verbrauchswerte erzielen, die fast so gut sind wie unter viel besseren Bedingungen. (Die höheren Verluste durch häufiges Beschleunigen und Bremsen werden teilweise durch den geringen Luftwiderstand bei niedrigen Geschwindigkeiten kompensiert.) Der Verbrauchsvorteil gegenüber einem konventionellen Fahrzeug kann dann u. U. mehr als einen Faktor 2 ausmachen. Andererseits muss ein Hybridantrieb bei einer Autobahnfahrt nicht unbedingt vorteilhaft sein, da dann der Verbrennungsmotor schon ohne Hybridisierung meist relativ effizient arbeitet und die Rekuperation selten einsetzbar ist. Somit ist klar, dass Vollhybride besonders nützlich sind, wenn das Fahrzeug viel im Stadtverkehr eingesetzt wird, während für Langstreckenfahrten ein möglichst effizienter Verbrennungsmotor (z. B. Dieselmotor mit Direkteinspritzung) besser geeignet ist.
Auch die bei der Fahrzeugentwicklung gesetzten Prioritäten sind entscheidend. Wird ein Hybridantrieb hauptsächlich mit Blick auf die Energieeffizienz optimiert, so benutzt man einen relativ kleinen, wenig leistungsstarken aber effizienten Benzinmotor, der ja immerhin kurzfristig vom Elektromotor unterstützt werden kann. Die Effizienz profitiert dann wesentlich von dem Umstand, dass ein kleiner Benzinmotor häufiger gut ausgelastet und damit effizient arbeiten kann. Liegt dagegen die Priorität auf einem enormen Beschleunigungsvermögen, fällt der Effizienzvorteil entsprechend geringer aus. Wird solche Technik gar in schweren Geländewagen verbaut, so erzielt man einen Verbrauch, der absolut gesehen keineswegs gering ist, sondern nur im Vergleich zu ähnlich schweren Fahrzeugen mit konventionellem Antrieb.
Für den vorwiegenden Einsatz im Stadtverkehr könnte auch ein Serienhybrid mit einem sehr kleinen Verbrennungsmotor eingesetzt werden, der nur z. B. 10 kW oder sogar weniger leistet. Ein solches System könnte sehr effizient, leicht und kostengünstig sein, würde allerdings keine hohen Spitzengeschwindigkeiten und keine sehr gute Beschleunigung ermöglichen. Bisher wird es am Markt nicht angeboten.
Ob der Einsatz von Hybridantrieben zum Klimaschutz (über die Verringerung von Kohlendioxid-Emissionen) kosteneffizient ist, hängt entscheidend von der weiteren Entwicklung der Kraftstoffpreise ab. Falls die Preise jahrelang nicht wesentlich anstiegen, würde sich der Hybridantrieb als eine meist ziemlich teure Klimaschutztechnologie erweisen, d. h. hohe spezifische CO2-Vermeidungskosten aufweisen (außer unter guten Bedingungen, wie z. B. Taxis mit hohen Fahrleistungen im Stadtverkehr). Falls dagegen die Treibstoffpreise z. B. wegen Peak Oil oder durch politische Krisen stark ansteigen, amortisiert sich der Hybridantrieb leicht über die Treibstoffkosten, und der zusätzliche Klimaschutzvorteil ist gratis.
| [1] | "CO2-Emissionen von Hybrid- und Erdgasfahrzeugen", eine vergleichende Studie der Empa |
Siehe auch: Verbrennungsmotor, Elektromotor, Energieeffizienz, bivalente und monovalente Anlagen