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Effiziente Antriebe für umweltschonende Mobilität

Antriebskonzepte im Überblick
Effiziente Antriebe für umweltschonende Mobilität

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Unterschiedliche Antriebe in Elektroautos, von den verschiedenen Varianten des Hybridfahrzeugs bis zum reinen Elektroauto (Akku oder Brennstoffzelle), wetteifern derzeit um den Erfolg am Markt. Eine Prognose dazu wäre unsicher; es ist schwer vorherzusagen, in welche Richtung die Entwicklung steuert.

Karl Ferdinand Gutzkow lässt in seinem 1846 uraufgeführten Schauspiel »Uriel Acosta« die fiktive Figur des weisen Ben Akiba das inzwischen sprichwörtliche, abgewandelte Bibel-Zitat sagen: „Alles schon mal dagewesen.“

Gut 50 Jahre später gilt das auch für Elektroautos, denn um 1900 wurden die Straßen von Elektroautos dominiert, bei denen die Fahrer, nicht die Motoren, Zylinder hatten. Beispiel: das Lohner-Porsche Elektromobil mit 7-PS-Radnabenmotoren an den Vorderrädern, Höchstgeschwindigkeit rund 50 km/h. Am Gesamtgewicht von 1 t war die Batterie mit immerhin 410 kg beteiligt; der 44-zellige Akku mit 300 Ah und 80 V ließ das Auto bis zu 50 km weit fahren. Bald aber übernahmen die Verbrennungsmotoren die bis heute andauernde Vorherrschaft. Die Otto- und Diesel-Mobile mussten keine schweren Akkus mit sich herumschleppen und konnten schon allein deshalb weiter und länger fahren als die Alt-Stromer.
Doch wurde inzwischen die Batterietechnologie weiterentwickelt vom weniger leistungsfähigen Blei-Akku über Nickel-Metallhydrid (NiMH)-Akkus hin zur leichteren Lithium-Ionen-Batterie höherer Energiedichte – auch gekennzeichnet durch kürzere Ladezeiten – und ihren unterschiedlichen Varianten, wie der Li-Phosphat-, Li-Titanat- oder Li-Eisen-Phosphat-Batterie. So bietet sich seit einigen Jahren die Chance, die mit fossilen Kraftstoffen betriebenen „Schadstoffschleudern“ durch Elektroautos abzulösen. Es müssen nur noch die passenden Automobile dazu entwickelt und produziert werden – was momentan zumindest in Deutschland trotz allerlei Aktionismus verzögert geschieht. Gleichwohl investieren viele Autohersteller, aber auch Markteinsteiger erhebliche Entwicklungsressourcen in Elektroautos – wegen ihres Zukunftspotentials. Erst ab 2012 aber wird man wohl von einer nennenswerten Serienfertigung sprechen können (siehe Tabelle Seite 8).
Der Elektroantrieb ist dem Antrieb mit Verbrennungsmotoren in vielen Punkten überlegen: Dazu zählen etwa der viel höhere Wirkungsgrad sowie die günstige Drehmoment- und Leistungscharakteristik des Elektromotors – sowie die fast vollständige Emissionsfreiheit in Bezug auf Schadstoffe und Lärm während der Fahrt. Von Nachteil sind derzeit noch die erheblich geringeren Reichweiten von Elektroautos wegen der nur für Kurzstrecken ausreichenden Batteriekapazität. Grund ist die deutlich unter der Energiedichte von Flüssigbrennstoffen wie Benzin liegende Energiedichte moderner Akkus.
Ein Vergleich der Energieffizienz eines dieselgetriebenen Fahrzeugs mit der eines reinen Elektroautos spricht mit 40 % Nutzung der Primärenegie beim E-Mobil gegenüber einem Diesel mit nur 15 % (am Rad) deutlich für den Stromer.
Per Definition werden Elektroautos durch elektrische Energie angetrieben und nach der Art katalogisiert, wie dem Elektroantrieb die notwendige elektrische Energie zur Verfügung gestellt wird: Zumeist wird sie in aufladbaren Akkus im Fahrzeug mitgeführt; serielle Hybridelektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge nutzen unterschiedliche Kraftstoffe als Primärenergie, um daraus den Antriebsstrom zu gewinnen.
Hybridantrieb
Hybridautos werden von mindestens einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor angetrieben; sie beziehen die Energie aus einem Kraftstofftank und einem Akku für elektrische Energie. Man kann nach dem Anteil des elektrischen Antriebs generell unterscheiden zwischen Mikro-, Mild- und Vollhybrid. Da diese Einteilung also eher leistungsbezogen ist, kann man zusätzlich nach Parallel-, Seriell- und Leistungsverzweigten Hybriden unterteilen.
Serieller Hybrid
Bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb hat der Verbrennungsmotor keinerlei mechanische Verbindung zur eigentlichen Antriebsachse, er treibt lediglich einen elektrischen Generator an, der die E-Maschine(n) oder die Antriebsakkus mit Strom versorgt. Man kann einen schwächeren Verbrennungsmotor einsetzen, da die Akkus bei erforderlichen Leistungsspitzen zusätzlichen Strom liefern. Der/die Elektromotor/en erbringen komplett Drehmoment und Leistung.
Beispiele: Chevrolet Volt, Opel Ampera
Paralleler Hybrid
Beim parallelen Hybridantrieb wirken der/die Elektromotor/en gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor auf den Antriebsstrang. Die Kräfte oder Drehmomente der einzelnen Antriebe sind in mindestens einem Betriebszustand gleichzeitig verfügbar. Günstig für das Downsizing, da Elektro- und Verbrennungsmotor schwächer ausgelegt sowie Kosten, Gewicht und Bauraum – sowie Treibstoff und damit CO2-Ausstoß eingespart werden können.
Beispiel: Honda Civic Hybrid
Mischhybrid/Leistungsverzweigter Hybrid
Mischhybride kombinieren den seriellen und parallelen Hybridantrieb während der Fahrt entsprechend den Fahrzuständen. Je nachdem, kann entweder die Verbrennungskraftmaschine mit dem Generator nur die Hybridbatterie laden und den Elektromotor antreiben (seriell), oder mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt sein (parallel). Mit einer (automatisch betätigten) Kupplung wird zwischen den beiden Betriebsarten umgeschaltet.
Demgegenüber wird beim Leistungsverzweigten Hybridantrieb ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors mechanisch, ein weiterer Teil über die als elektrisches Getriebe (seriell) arbeitende Motor-Generator-Kombination auf die Räder übertragen.
Beispiel: Toyota Prius
Mikro-, Mild- und Vollhybrid
Mikrohybrid
Mikrohybridfahrzeuge haben nur eine Antriebsquelle. Sie verfügen über eine Start-Stopp-Automatik und Bremsenergierückgewinnung zum Laden des kleinen Starterakkus. Die Elektro-Maschine wird aber nicht zum Antrieb des Fahrzeugs genutzt. Der Vorteil ist, wie bei allen Hybridfahrzeugen, eine Kraftstoffeinsparung.
Beispiel: Die BMW-1er-Baureihe ab Modelljahr 2007 mit Schaltgetriebe
Mildhybrid
Der Elektroantriebsteil unterstützt den Verbrennungsmotor zur Leistungssteigerung. Die Bremsenergie kann in einer Nutzbremse teilweise wiedergewonnen werden. So werden parallel arbeitende Hybridantriebe oft als Mildhybrid ausgeführt.
Beispiel: Honda Insight (ab 2009)
Vollhybrid
Vollhybridfahrzeuge sind mit ihrer elektromotorischen Leistung in der Lage, auch rein elektromotorisch zu fahren (einschließlich Anfahren und Beschleunigen) – und daher die Grundlage für einen Seriell-Hybrid.
Beispiel: BMW ActiveHybrid X6 (rein elektromotorisch etwa 60 km/h)
Reiner Elektroantrieb
Diese Fahrzeuge haben keinen klassischen Antriebsstrang mehr, der die Bewegungsenergie vom Motor auf die Räder überträgt. Stattdessen sind die Elektromotoren unter anderem in den Radnaben, auch Varianten mit zentralem oder achsnahem Antrieb sind möglich. Die Energie kommt aus einem Akku, der an der Steckdose aufgeladen werden kann. Wegen der geringen Speicherkapazität der Batterien haben einige Elektromomobile einen sogenannten Range Extender (Reichweitenverlängerer) an Bord – einen Verbrennungsmotor, der die E-Motoren über einen Generator mit Energie versorgt, wenn der Akku leer ist. Für die weitere Entwicklung werden Reichweiten von 400 km sowie eine Infrastruktur von „schnellen“ Akku-Tauschstationen (mit Flatrate) angestrebt. Beispiele: Tesla Roadster, Think City
Brennstoffzellenantrieb
Bei diesen E-Mobilen tankt man statt Benzin oder Diesel flüssigen Wasserstoff. In einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff wird der Wasserstoff in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt, die das Fahrzeug über E-Motoren antreibt – übrig bleibt nur Wasserdampf. Die Infrastruktur für das Auftanken mit Wasserstoff ist dabei eine noch ungelöste Frage. Vorteil der Brennstoffzellenautos ist ihre größere Reichweite. Beispiel: Mercedes B-Klasse F-Cell
Klaus Diebold Fachjournalist in Nürnberg
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