13. September 2007 Am Hybrid führt kein Weg vorbei, auch wenn sein Gesamtnutzen nach wie vor hinterfragt werden sollte. Das haben inzwischen auch die deutschen Automobilhersteller eingesehen, zumal die äußeren Rahmenbedingungen für Hybridtechnik immer „besser“ werden. „Klimawandel“, Feinstaubdebatte und restriktive Verkehrsbeschränkungen wie Fahrverbote oder City-Maut sprechen für die elektrisch unterstützte Antriebsalternative, zumal, wenn der Focus ausschließlich auf den Auspuff gerichtet ist. Diese öffentliche Wahrnehmung befördert ein Konzept, das schon bisher in der Technik verbreitet ist, in den Automobilbau aber wegen der hohen Kosten und der zu erwartenden Komplikationen noch keinen breiten Eingang fand.
Hybride sind im Prinzip nichts Neues, kamen bereits in der Mythologie vor. Centauer (Mensch/Pferd) und Minotaurus (Mensch/Stier) waren solche antiken Wunschwesen, die sich aus leicht nachvollziehbaren Gründen nicht durchsetzen konnten. Gleiches gilt für die Meerjungfrau. Das Wort „Hybrid“ ist griechischen Ursprungs und bedeutet „von zweierlei Herkunft“. Doch gibt es auch (wenige) erfolgreiche Hybride in der Tier- und Pflanzenwelt. Maulesel und Maultier sowie die Grapefruit sind die bekanntesten.
Schon lange üblich
Hybride sind demnach nicht ganz einfache Kombinationen, die es in vielen Bereichen des täglichen Lebens gibt, ohne dass sie als solche wahrgenommen werden. Auch in der Technik sind Hybride schon lange üblich: Die klassischen U-Boote des Zweiten Weltkrieges zählten ebenso dazu wie die diesel-elektrischen Lokomotiven der amerikanischen Fernzüge. Auch die meisten großen Baumaschinen arbeiten auf hybrider Basis, in der Regel diesel-hydraulisch. Frühe Versuche von Ferdinand Porsche einmal ausgenommen, fand die Hybridtechnik erst in den neunziger Jahren Eingang in den Automobilbau. Erster Serienhybrid (1996) war der Audi 80 Avant Duo, der so wenig Anklang fand, dass er nach einer Kleinserie (50 Stück) wieder eingestellt wurde. Ein Jahr später ging der erste Toyota Prius in Serie, gefolgt vom Honda Insight mit seinem IMA-Konzept (Integrated Motor Assist). Die beiden japanischen Hybride waren konsequent auf Verbrauchseinsparung ausgelegt und begründeten den Erfolg der Hybridtechnik.
Die freilich kann sehr unterschiedlich aussehen, wie schon die beiden Protagonisten zeigen. Beim Prius handelte es sich nämlich um einen Vollhybriden mit Leistungsverzweigung und stufenlos variablem Planetengetriebe, beim Honda Insight um einen Mild-Hybrid mit konventionellem Schaltgetriebe. Beide Konzepte verdienen uneingeschränkt das Prädikat Hybrid, da sie zwei Energieumwandler (Verbrennungs- und Elektromotor) sowie zwei Energiespeicher (Kraftstofftank und Batterie) nutzen.
Serielle und parallele Hybride
So viel zur grundsätzlichen Definition. Innerhalb der Hybridsysteme unterscheidet man zwischen seriellen und parallelen Hybriden. Im seriellen Hybrid erzeugt der Verbrennungsmotor mittels Generator Strom, der direkt oder über den Speicher (Batterie) an den Elektromotor abgegeben wird. Nur der ist für den Antrieb zuständig. Es handelt sich also um eine totale Entkoppelung des Verbrennungsmotors vom Antrieb. Die Maximalleistung für den Antrieb ist die des Elektromotors. Das führt zu großen Aggregaten (zwei E-Maschinen), hohem Gewicht und hohen Kosten. Der Gesamtwirkungsgrad ist durch die lange Umwandlungskette (insgesamt vier Wirkungsgrade) beeinträchtigt. Serielle Hybride werden in Automobilen bisher nicht benutzt. GM (General Motors) hat mit dem Chevrolet Volt erstmals einen seriellen Hybrid mit Plug-in-Technik (Nachladen an der Steckdose) vorgestellt. Er ist primär für den Stadt- und Kurzstreckenverkehr vorgesehen (elektrische Reichweite nur etwa 40 City-miles, trotz LiIon-Akku). Ein kleiner Dreizylinder-Benzinmotor sorgt für eventuell notwendige Nachladung während der Fahrt.
Der Parallel-Hybrid ist eine Form, an der die meisten Hybrid-Entwickler arbeiten. Verbrennungsmotor und E-Maschine können zusammen (parallel) oder auch einzeln den Antrieb übernehmen. Leistung und Drehmoment addieren sich im Bedarfsfall, so dass kleinere Maschinengrößen und Downsizing des Verbrennungsmotors möglich sind. Dies führt zu Verbrauchs-, Gewichts-, und Kostenvorteilen. Rein elektrisches Fahren ist (begrenzt) möglich. Der Parallel-Hybrid kann, muss aber nicht mit zwei E-Maschinen betrieben werden. Ein kräftiger Starter/Generator genügt.
Passt in normale Antriebsarchitekturen
Porsche hat gerade ein solches Hybridkonzept für den Cayenne vorgestellt. Der zusammen mit Audi und VW entwickelte Doppelantrieb verfügt über eine E-Maschine von 34 kW, die auch als Generator genutzt wird. Das sogenannte Hybridmodul sitzt zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe, einem üblichen Wandlerautomaten mit sechs Gängen. Die Verlängerung des Gesamtaggregates beträgt nur rund 120 Millimeter. Eine elektrohydraulisch betätigte Trennkupplung ermöglicht das automatische Ab- und Zuschalten des Verbrennungsmotors, so dass reiner Elektrobetrieb möglich ist. Als Kraftbasis dient der 3,6 Liter V6 DFI (mit Direkteinspritzung) des normalen Cayenne mit 206 kW (280 PS) und einem Drehmomentgipfel von 385 Nm bei 3000/min. Dazu gesellt sich der Elektromotor mit konstant 34 kW, der praktisch aus dem Stand ein Drehmoment von 285 Nm beisteuert. Gerade diese elektrische Drehmomentüberhöhung, die von 800 bis 3000/min (addiert) mindestens 500 Newtonmeter bereithält, macht aus dem Hybrid-Cayenne ein äußerst lebendiges Fahrzeug, das in den Fahrleistungen fast an den Cayenne S mit V8-Motor heranreicht, im Verbrauch aber (9,9 Liter je 100 Kilometer) einer sparsamen Limousine nahe kommt.
Diese Bauform hat den Vorteil, dass sie als Modultechnik in normale Antriebsarchitekturen passt und somit in bestehende Modellreihen (falls der Platz reicht) integriert werden kann. Dies ist mit der Mischform der beiden Hybridsysteme nicht ohne weiteres möglich. Der sogenannte Split-Hybrid ist eine Kombination aus seriellem und Parallel-Hybrid. Die aufwendige Bauart nutzt eine Leistungsverzweigung, die durch ein oder mehrere Planetengetriebe ermöglicht wird und benötigt grundsätzlich zwei Elektromaschinen. Ein Teil der Leistung wird direkt vom Verbrennungsmotor an die Räder geleitet, ein anderer Teil fließt über den seriellen Pfad und erzeugt im Generator elektrische Energie, die wiederum über den Elektromotor den Antrieb unterstützt. Beide Pfade lassen sich auch einzeln nutzen.
Toyota setzt auf leistungsverzweigte Hybride
Toyota setzt bisher als einziger Hersteller überwiegend auf leistungsverzweigte Hybride (Synergie Drive), der Komfortvorteile im Betrieb und, bei konsequenter Auslegung, auch Verbrauchsvorteile verspricht.
Denn das Planentengetriebe dient nicht nur zur Leistungsverzweigung, sondern gleichzeitig als elektrisches CVT (stufenloses Automatikgetriebe), wobei der Generator als Übersetzungswandler eingesetzt wird. Damit können Motordrehzahl und Drehmoment spontan angepasst werden, was einen verbrauchs- und abgasoptimierten Betrieb ermöglicht. Der Verbrauchsvorteil dieses Konzepts liegt vor allem in der Betriebspunktverlagerung des Verbrennungsmotors und der intelligenten Verknüpfung der beiden Antriebe, die jeweils in ihrem besten Wirkungsgrad eingesetzt werden. Das E-CVT ersetzt zudem Kupplung und andere konventionelle Übersetzungsgetriebe und bietet so hohen Fahrkomfort.
In der „Global Hybrid Cooperation“, ein Zusammenschluss von BMW, Daimler-Chrysler und General Motors in Troy/Michigan, entwickeln über 400 Ingenieure den „ultimativen“ Split-Hybrid. Das „Two-Mode-Hybrid“ genannte System soll mit doppelter Leistungsverzweigung, zusätzlichem Getriebe und möglichem Wechsel auf Parallel-Hybrid Verbrauchsvorteile auch im Langstreckenbetrieb realisieren. Die Two-Mode-Technik benötigt insgesamt zwei E-Maschinen, drei Planetenradsätze und diverse Kupplungen, die alle in einem Getriebegehäuse untergebracht sind.
Die Vielfalt ist noch größer
Derzeit werden drei modulare Baugrößen entwickelt: eine für SUVs, die wohl zuerst im GM-Geländewagen Chevrolet in Serie geht. Die zweite Two-Mode-Variante ist für Fahrzeuge mit Hinterradantrieb vorgesehen, wird also auch bei BMW und Mercedes zum Einsatz kommen. Für Fronttriebler mit Quermotor ist die dritte Two-Mode-Version vorgesehen, die primär in der GM-Marke Saturn eingesetzt wird, später auch bei der GM-Tochter Opel. Noch sind die Kosten immens, und es ist unwahrscheinlich, dass sich der Aufwand jemals rechnet.
Die Vielfalt der Hybridantriebe ist damit aber keineswegs erschöpft. Je nach elektrischem Potential unterscheidet man zwischen Strong-Hybrid (hierzulande Voll-Hybrid), Mild-Hybrid und Micro-Hybrid. Beim Strong-Hybrid (es kann ein Parallel- oder Split-Hybrid sein) hat der Elektromotor nicht nur eine unterstützende Funktion, sondern kann auch als singulärer Antrieb dienen.
Im Mild-Hybrid kommt in der Regel nur ein (relativ) schwacher Startergenerator zum Einsatz, der den Verbrennungs-motor beim Beschleunigen unterstützt (Boosten). Der sogenannte Micro-Hybrid ist eigentlich kein Hybrid, da er keinerlei elektrischen Antrieb leistet. Er benötigt auch keinen Hochleistungsenergiespeicher und nutzt das normale 12-Volt-Bordnetz. Aber er kann andere, wichtige Hybridfunktionen wahrnehmen, wie Start/Stopp und eine (geringe) elektrische Rekuperation. BMW hat diese Form der „Elektrifizierung“ in der Einser-Baureihe erfolgreich realisiert.
Eine Daumenregel
Natürlich differiert der Spareffekt der unterschiedlichen Systeme. Im Micro-Hybrid liegt ein Potential von etwa zehn Prozent, auch unter der Voraussetzung, dass die zurückgewonnene elektrische Energie sinnvoll gespeichert und in elektrischen Nebenaggregaten genutzt werden kann. Der Mild-Hybrid mit Startergenerator schafft je nach elektrischer Leistung bis zu 20 Prozent. Arbeitet er wie im Honda Civic mit höherer Spannung (158 Volt) und (konventionellem) CVT-Getriebe, so sind dank hoher Rekuperationsleistung und Betriebspunktverlagerung des Verbrennungsmotors bis zu 25 Prozent möglich.
Dies sind Werte, die sich bereits mit schwächeren Voll-Hybriden überschneiden, die in konsequenter Auslegung bis zu 30 Prozent Einsparung ermöglichen sollten. Damit kommt der Honda Civic Hybrid (15 kW Mild-Hybrid) mit 4,6 l/100 km (109 g CO2/km) im EU-Testzyklus ganz nahe an den Toyota Prius heran (4,3 l/100 km; 104 g CO2/km), der als leistungsverzweigter Vollhybrid mit wesentlich höherem Aufwand und einem Hochspannungsbordnetz (über 500 Volt) arbeitet, und bietet zudem noch bessere Fahrleistungen.
Für das Einsparpotential von Hybriden gilt ganz grob gerechnet folgende Daumenregel: Ein Drittel läuft über die Motorabschaltung im Stand (Start/Stopp), ein Drittel durch Bremsenergie-Rückgewinnung (Rekuperation) und ein Drittel durch Betriebspunktverlagerung des Verbrennungsmotors. Die Rekuperation spart dann beim Voll- und Mild-Hybrid durch elektrische Unterstützung (Boosten) beim Beschleunigen und durch kurzfristiges elektrisches Fahren Kraftstoff. Alle genannten Einsparpotentiale beziehen sich freilich stets auf den genormten Fahrzyklus, der überwiegend Stadt- und Kurzstreckenverkehr mit häufigem Stop and Go simuliert. Auf Langstrecken bleibt der Hybridnutzen minimal.
Die Kosten sind nach wie vor das größte Problem
Bisher gibt es nur Hybride mit Ottomotor, da dort der größte Spareffekt zu erzielen ist. Mit Diesel lassen sich höchstens nochmals zehn Prozent einsparen, was allerdings allein auf den Diesel-Bonus zurückzuführen ist. Denn im Gegensatz zum Benziner bringt die Betriebspunktverlagerung beim Diesel wenig, denn er läuft schon ungedrosselt. Insofern macht der Diesel auch nur als Mild-Hybrid Sinn, wie ihn Peugeot jetzt im 308 vorgestellt hat. Auch von den Kosten her wäre ein Diesel-Vollhybrid kaum tragbar, da man dann die beiden teuersten Antriebskonzepte zusammenführt.
Nach wie vor sind denn auch die Kosten das größte Problem der Hybridtechnik. Denn diese besteht ja nicht nur aus einer Elektromaschine, sondern aus einer Vielzahl von Komponenten. Allein die Leistungselektronik, in der hochgespannter Gleichstrom (150 bis 650 Volt) in Dreiphasen-Wechselstrom gewandelt wird, ist meist teuerer als die E-Maschine. Sie muss ebenso wie der Elektromotor extra gekühlt werden. Einen ebenso großen Kostenfaktor stellen die Energiespeicher dar (derzeit Nickel-Metallhydrid-Akkus, später Lithium-Ionen), die ebenfalls permanenter Kühlung bedürfen. Damit nicht genug, die perfekte Hybridisierung erfordert noch weiteren elektrischen Aufwand. Elektrischer Klimakompressor, elektrische Lenkhilfe sowie (zur optimalen Rekuperation) eine elektrohydraulische Bremsanlage (EHB) steigern die Effizienz. Dass all diese Systeme zu erhöhter Störanfälligkeit führen, darf man guten Gewissens unterstellen. Diese in Grenzen zu halten ist ein zusätzlicher Kostenfaktor.
So wird die Hybridtechnik, abgesehen vom Micro-Hybrid, auch bei stark sinkenden Komponenten-Preisen teuer bleiben und nur eine von mehreren Antriebsvarianten darstellen, zumal Diesel- und Ottomotoren ihr volles Sparpotential noch nicht ausgeschöpft haben. Welchen Anteil Hybride in den nächsten Jahren erobern, hängt dabei nicht allein vom Preis ab, sondern auch von den äußeren Rahmenbedingungen. Und die machen das Autofahren ohnehin immer teurer, für manche sogar unerschwinglich. Doch damit wäre der Umwelt ja auch geholfen.
Text: F.A.Z., 13.09.2007, Nr. 213 / Seite A2
Bildmaterial: F.A.Z. - Ursula Deleonibus
