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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.

Dieser Artikel ist geeignet als ein Ratgeber für Autofahrer, die sich als ihr nächstes Auto eines mit Hybridantrieb vorstellen könnten.

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: 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.

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.

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

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