Seite 2: Neue Antriebskonzepte bei PKWs

Der Trend in der Modellpolitik geht bei PKWs zu immer komfortableren, größeren und damit schwereren Fahrzeugen. Damit die großen SUVs und Vans ein gutes Fahrverhalten haben, müssen mit steigendem Fahrzeuggewicht immer stärkere Motoren eingebaut werden, die dann auch entsprechend mehr Treibstoff verbrauchen. Das ist natürlich klimapolitisch indiskutabel und verursacht außerdem hohe Betriebskosten der Fahrzeuge. Deshalb sind treibstoffsparende Antriebskonzepte seit langem ein Forschungsobjekt bei allen großen Autokonzernen.

Hierbei gibt es drei Schwerpunkte: die weitere Optimierung der Verbrennungsmotoren, die Optimierung des gesamten Antriebsstranges (Motor, Getriebe, Räder) und neue Antriebskonzepte (E-Mobilität, Brennstoffzellenfahrzeuge).

Bei der Entwicklung neuer Verbrennungsmotoren ist das Potential fast ausgeschöpft, da man nach über 100 Jahren Entwicklung hier die Grenzen des physikalisch Möglichen weitgehend erreicht hat und Verbesserungen eines Parameters (Wirkungsgrad/Treibstoffverbrauch, Schadstoffemission, Drehmoment, Elastizität des Motors) meist nur zulasten der anderen geht.

Die Optimierung des gesamten Antriebsstranges ist für Fahrzeuge mit Schalt- und Automatikgetrieben ebenfalls weitestgehend ausgereizt. Verbesserungen lassen sich hier nur noch durch den Einsatz von stufenlosen Getrieben erreichen, allerdings nur, wenn der Getriebewirkungsgrad nicht schlechter ist als bei den Schaltgetrieben und sie keine anderen Nachteile (z.B. Gummibandeffekt, Geräuschentwicklung) aufweisen.

Die Idee des Elektroautos ist uralt. Von etwa 1900 bis in die dreißiger Jahre des vorigen Jahrhunderts wurden derartige Fahrzeuge auch in kleinen Serien gebaut. Allerdings ließen sich mit den damaligen Bleiakkus keine große Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten realisieren, weshalb diese Fahrzeuge wieder verschwanden.

Erst mit der Verfügbarkeit von Li-Ionen-Akkus, die sowohl bezogen auf das Gewicht als auch auf das Volumen eine sehr viel höhere Speicherkapazität aufweisen, erlebte das Konzept eine Renaissance. Damit lassen sich heute alltagstaugliche PKWs mit Reichweiten von 300 bis 400 Kilometer und Spitzengeschwindigkeiten von 180 - 200 km/h bauen. Allerdings ist die Größe der Batterie auch heute noch der Knackpunkt des Konzepts.

Das Vorhandensein von Batterie und Elektromotor ermöglicht die Nutzung der Bremsenergie, indem der Motor als Generator zum Bremsen verwendet und der so erzeugte Strom in der Batterie gespeichert wird. Das vergrößert die Reichweite und spart Energie (Rekuperation der Bremsenergie).

Brennstoffzellenfahrzeuge

Brennstoffzellenfahrzeuge sind im Prinzip E-Autos, bei denen eine Brennstoffzelle statt der Traktionsbatterie beim Fahren den Strom liefert. Dem Vorteil des Verzichts auf eine große Traktionsbatterie stehen hier allerdings einige schwerwiegende Nachteile gegenüber.

Erstens werden alle geplanten Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoff betrieben. Neben den, aus zahlreichen Unfällen mit Wasserstoff in der chemischen Industrie bekannten, Sicherheitsproblemen ist hier vor allem der schlechte Wirkungsgrad zu nennen. Brennstoffzellen können im Leerlauf durchaus Wirkungsgrade von 40% und mehr, bezogen auf den Energieinhalt des eingesetzten Wasserstoffs, erreichen.

Leider fällt dieser Wirkungsgrad mit steigender Belastung der Zelle stark ab, so dass man im Interesse des Wirkungsgrads sehr große Brennstoffzellen benötigt. Diese benötigen aber sehr viel Edelmetalle als Katalysator und haben dann außerdem ein hohes Gewicht.

Dazu kommt, dass man den Wasserstoff erst erzeugen muss. Das geschieht heute bei uns aus Kostengründen hauptsächlich durch partielle Oxidation von Methan, also aus Erdgas, was klimapolitisch kontraproduktiv ist.

Man kann Wasserstoff natürlich auch durch Elektrolyse von Wasser herstellen. Dazu benötigt man aber große Mengen Strom und der Elektrolysewirkungsgrad dürfte in der Praxis unter 85% liegen. Daraus ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad des Systems von unter 30%, also pure Energievernichtung.

Die Brennstoffzelle kann für spezielle Anwendungen durchaus ihre Berechtigung haben. Aber der generelle Antrieb für die zukünftige Mobilität ist sie nicht.

Hybridautos

Die mangelnde Verfügbarkeit der Lithiumionenakkus hat die Ingenieure auf die Idee gebracht, Hybridautos zu konstruieren, die mit vergleichsweise sehr kleinen Batteriekapazitäten auskommen und es trotzdem ermöglichen, einige Vorteile des Elektroantriebs zu nutzen, um Treibstoff zu sparen.

Als günstigste Variante haben sich dabei Konzepte erwiesen, bei dem ein Verbrennungsmotor und mindestens ein E-Motor/Generator gemeinsam über ein stufenloses Getriebe das Fahrzeug antreiben (Parallelhybrid). Dabei können beide Motoren zusammen oder einzeln betrieben werden (der E-Motor natürlich nur, solange Strom in der Batterie ist).

Somit kann der Verbrennungsmotor klein ausgelegt werden und er muss auch nicht sehr elastisch und durchzugsstark sein, denn zum Anfahren und Beschleunigen wird der E-Motor zugeschaltet (auf den Anlasser kann auch verzichtet werden). Auch läuft der Verbrennungsmotor durch das stufenlose Getriebe und die elektronische Steuerung immer im optimalen Drehzahlbereich. Das spart Treibstoff, genauso wie die Rekuperation der Bremsenergie. Deshalb sind richtig ausgelegte Hybridautos die sparsamsten Autos mit Verbrennungsmotor.

Wenn Lithiumionenakkus zur Verfügung stehen, kann man die Fahrzeuge natürlich mit Batteriekapazitäten zwischen 8 und 15 kWh ausrüsten und kommt dann zum Plug-In-Hybrid. Die Batterie kann man an der Steckdose oder einer Ladesäule aufladen und hat so ein Elektroauto mit einer elektrischen Reichweite zwischen 30 und 70 km. Bei größeren Entfernungen bleibt man nicht liegen, sondern fährt einfach mit dem Verbrennungsmotor weiter.

Es wird z.Zt. oft behauptet, der Plug-In Hybrid sei ein Auslaufmodell, weil er im Prinzip zwei Antriebe hat. Das sei rausgeworfenes Geld und es sei besser, stattdessen gleich ein E-Auto mit größerer Batterie zu kaufen. Aber stimmt das wirklich?

In der ADAC-Motorwelt stand, dass der Kia E-Niro mit einer 64 kWh-Batterie 3.800 Euro mehr kostet als die Basisversion mit 39,2 kWh. Daraus ergibt sich ein Preis von 182 Euro/kWh.

Daraus und aus der Tatsache, dass reine Hybridautos bei uns in der Bundesrepublik heute etwa 1500 - 2000 Euro teurer sind als vergleichbare Fahrzeuge mit herkömmlichem Antrieb, geht hervor, dass es möglich sein sollte, Plug-In-Hybriden mit Batteriekapazitäten von 10 - 15kWh zu bauen und zu Preisen, die etwa 5.000 Euro über denen konventionell ausgelegter Fahrzeuge liegen, auf den Markt zu bringen. Die Frage ist nur, ob man das will?

Es ist auch gar nicht so dumm, zwei Antriebssysteme mit unterschiedlicher Energie zu haben. Dadurch ist man flexibler und kann ausweichen, wenn eine gerade nicht verfügbar ist oder die Preistreiberei bei einer der Energien zu groß wird.

Auch können für Plug-In-Hybriden Motoren und Getriebe in den vorhandenen Werken produziert werden. Natürlich kleinere Dieselmotoren und einfachere (Planeten-)Getriebe (Toyota TSH bzw. Hybrid Synergy Drive) statt der komplizierten Schaltgetriebe, aber damit können die vorhandenen Maschinen und Fertigungseinrichtungen weitergenutzt werden.

Da das Toyota-TSH erstmalig 1997 im Prius eingesetzt wurde, sollten die Patente zum power split device auch auslaufen, so dass es nicht notwendig ist, teure Lizenzen zu erwerben, wie das andere Hersteller tun mussten (Nissan, Ford und Mazda).