Die Hybridantriebstechnik. Welche Vor- und Nachteile hat sie für Energieeffizienz?

Inhaltsverzeichnis

1.0 Einleitung

2.0 Hybrid(Begriffserklärung)

3.0 Herkunft/Geschichte
3.1 Hybridfahrzeuggeschichte Europa

4.0 Hybridantriebsarten
4.1 Hybrid
4.2 Serieller Hybrid
4.3 Mischhybrid (leistungsverzweigter Hybrid
4.4 Plug-in-Hybrid

5.0 Hybridtypen
5.1 Vollhybrid
5.2 Mildhybrid

6.0 Vor- und Nachteile von Hybrid-PKW
6.1 Nachteile Hybrid-PKW
6.2 Vorteile Hybrid-PKW

7.0 Fazit/Eigene Meinung

9.0 Anhang 1
9.1 Anhang 2

1.0 Einleitung

Im Rahmen des Seminarfachthemas „Globale Energieversorgung“ stelle ich mit dieser Hausarbeit die sogenannte Hybridtechnik vor. Nach einer Begriffserklärung folgt ein kurzer geschichtlicher Überblick und die Vorstellung unterschiedlicher Hybrid-Systeme. Der Bewertung der Vor- und Nachteile der Hybridtechnik im Allgemeinen in Bezug auf die Energieeffizienz zur Ressourcenschonung schließt sich ein Zukunftsausblick mit einer persönlichen Bewertung an.

2.0 Hybrid (Begriffserklärung)

Hybrid stammt aus dem Lateinischen und bedeutet „von zweierlei Herkunft“.

Ein Hybridfahrzeug hat standardmäßig zwei verschiedene Antriebsysteme und zwei verschiedene Treibstoffe. Dieses trifft Beispielsweise auch für ein Fahrrad mit Elektromotor zu, hier ist einmal der Mensch und einmal der Elektromotor der Antrieb mit jeweils verschieden „Treibstoffen“.

Ein Hybrid-PKW hat einen Verbrennungsmotor und mindestens einen Elektromotor. Durch ein effektives Motormanagement/Energiemanagement können Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren erzielt werden. Dadurch kann der Verbrennungsmotor im oder nahe am Wirkungsgrad-Optimum betrieben werden. Durch den Einsatz von Elektromaschinen, kann bei Beschleunigungs- und Anfahrvorgängen der Treibstoffverbrauch des Verbrennungsmotors nochmals reduziert werden. Der Einsatz von Elektromaschinen, macht es möglich, den Verbrennungsmotor meist durch eine Hubraumverkleinerung, sogenanntes „Downsizing“, eine Motorverkleinerung zu erreichen. Eine Rückgewinnung von kinetischer Energie (bei Bremsvorgängen/Bergabfahrten) verbessert den Gesamtwirkungsgrad des Hybrid-PKWs. So ist es möglich, dass sich der Full- Hybrid-PKW im elektrischen Betrieb emissionslos bewegt. Oft werden in Hybrid­PKWs die Zusatzaggregate passend zu dem Hybridantrieb optimiert, um größere Einsparungen an Treibstoffen zu erzielen. Hierzu werden die Zusatzaggregate vom Riementrieb auf elektrischen Antrieb umgestellt. Deswegen fallen Lichtmaschine und Anlasser weg (sind durch die Elektromaschinen nicht mehr notwendig). Lenkhilfepumpen, Kühlmittelpumpe, Klimakompressor werden elektronisch angetrieben. Ein elektrischer Klimakompressor macht eine Klimatisierung des Fahrzeuges im Stand möglich. Diese Zusatzaggregate werden nur bei Bedarf mit Energie versorgt. Bei einem Riemenantrieb werden diese Zusatzaggregate permanent angetrieben, egal ob Bedarf besteht oder nicht, und dies führt zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch¹,²,³.

3.0 Herkunft/Geschichte

Das weltweit erste Patent für ein benzin- elektrisches Motorfahrzeug wurde im Jahr 1905 angemeldet. Vorrangiges Ziel im Entwicklungsprozess war es die Beschleunigungswerte von 0 auf 40 km/h zu verbessern. Die Energieeinsparung hatte damals noch keine große Bedeutung. In dieser Zeit lag bei der Entwicklung das Hauptinteresse an der Geschwindigkeit. Ein 1914 angebotenes Hybridfahrzeug mit einem Verbrauch von 3,6 l. auf 100 km setzte sich in den USA nicht durch. Ab 1918 wurde im Laufe der Jahre auch ein Hybrid-LKW entwickelt. Schon 1966 förderte der US-Kongress elektrisch betriebene Fahrzeuge um die Luftqualität zu verbessern. Die Entwicklung von langlebigen Batterien in anderen Industriebereichen führte zum Einsatz von Hybridautos auf Fernstraßen. Durch die Ölkrise in den 1970ern stieg die Nachfrage von Hybrid-Antrieben das erste Mal. Die hohe Luftverschmutzung in den Städten führte dazu, dass die Autokonzerne Volkswagen und Toyota die Vorreiterrolle in der Produktion von Prototypen hybrider Taxis und Busse einnahmen. Der japanische Autobauer Toyota produzierte 1997 das erste serienmäßige Hybridfahrzeug, dass nur in Japan angeboten wurde. Der japanische Autobauer Honda war der erste Anbieter vom Hybridautos in den USA. 4

3.1 Hybridfahrzeuggeschichte in Europa

In Europa ⁴ herrschte ebenfalls ein sehr großes Interesse an dieser kombinierten Antriebstechnik. Die Firma Jacob Lohner & Partner aus Österreich spezialisierte sich auf Elektrofahrzeuge und entwickelte mit dem jungen Ingenieur Ferdinand Porsche erste Prototypen eines Hybrid Autos. Sie bauten an jedes Rad einen Elektromotor, die über einen Generator von einem Ottomotor betrieben wurden. Somit konnte man sich ein kompliziertes Getriebe sparen und hatte somit ein funktionsfähiges Hybrid Auto entwickelt.⁵

4.0 Hybridantriebsarten:

4.1 Paralleler Hybrid

Beim Parallel Hybrid besteht der Antrieb aus zwei voneinander unabhängigen Komponenten (Elektromotor und Verbrennungsmotor). Diese beiden Antriebseinheiten sind beide mit der Antriebsachse verbunden und können sowohl alleine als auch in Kombination genutzt werden⁶.

4.2 Serieller Hybrid

Beim Seriellen Hybrid erfolgt der Antrieb rein elektrisch: Energie wird von einem Verbrennungsmotor geliefert und treibt damit einen Generator an. Die Verbrennungskraftmaschine hat keinen direkten Anschluss an die Antriebsachse. Der Generator speist den Inverter (Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom), um den Elektromotor anzutreiben. Der Elektromotor treibt den Antriebsstrang über ein dazwischen liegendes Getriebe an. Der nicht benötigte Teil der Energie kann in die Akku- Einheit eingespeist werden und kann bei Bedarf abgerufen werden⁷.

4.3 Mischhybrid (leistungsverzweigter Hybrid)

Der Mischhybrid ist eine Kombination vom seriellem und parallelem Hybrid. Je nach Situation kann der Mischhybrid den Verbrennungsmotor, wie beim seriellen Hybrid, den Generator als Energiespender nutzen oder beide Motoren treiben, wie beim parallelen Hybrid, das Fahrzeug gemeinsam an⁸.

4.4 Plug-in-Hybrid

„Der Plug-in-Hybrid ist eine Weiterentwicklung des seriellen hybrides. Die Besonderheit: Der Akku kann auf drei Arten geladen werden - über Verbrennungsmotor, die Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) und über eine Ladesäule oder Steckdose“⁹.

5.0 Hybridtypen:

5.1 Vollhybrid

Dadurch, dass der Elektromotor und Verbrennungsmotor sich sehr gut gegenseitig ergänzen ist es möglich einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen in dem die Motoren arbeiten. Das führt dazu, dass man Kraftstoff einspart. Darüber hinaus kann durch den leistungsfähigeren Elektromotor rein elektrisch gefahren werden, sofern die Akkus aufgeladen sind. Aufgeladen werden die Batterien grundsätzlich während des Betriebes durch Bzw. Rekuperation oder überschüssige Energie des Verbrennungsmotors. Grundsätzlich ist der Aufbau von den oben genannten Hybridarten möglich in einem Vollhybrid¹⁰,¹¹.

5.2 Mildhybrid

„Mildhybride sind von der Technik her weniger aufwendig, bringen aber auch geringere Verbrauchsvorteile als Vollhybride. Diese Fahrzeuge brauchen den Verbrennungsmotor immer für den Antrieb, der von einem leistungsschwächeren Elektromotor unterstützt wird. Auch Leistung und Kapazität des Akkus sind entsprechend kleiner. Der Elektromotor dient vorwiegend zur Rekuperation. Er kann auch die Leistung bei kurzzeitiger Spitzenlast geringfügig erhöhen. Dann kann der Benzinmotor ein wenig schwächer ausgelegt sein. Damit arbeitet er tendenziell effizienter"¹².

[...]

¹ Vgl. Dreier L. und Grill A.: Hybridelektrofahrzeug https://physikamautomobil.wordpress.com/beitrage-der-schuler/hybridelektrofahrzeug/ (abgerufen am 3.12.19)

² Vgl. J.: Mild-, Voll- und Plug-in-Hybrid https://forum-alternative-antriebe.de/index.php/topic,4375.0.html (05.12.19)

³ 2019 kfzversicherungsvergleich.ne: Vorteile und Nachteile des Hybridmotors https://www.kfzversicherungsvergleich.net/vorteile-und-nachteile-des-hybridmotors.html (05.12.19)

⁴ Vgl. Doll, C.: „Zukunftsmarkt Hybride Antriebstechnik“. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/3453.pdf (abgerufen am 10.12.19)

⁵ Vgl. Wunder, O.: „Hybrid- Die Geschichte der Hybridfahrzeuge“. http://alternative-antriebstechniken.de/hybrid-die-geschichte-der-hybridfahrzeuge (abgerufen am 02.12.19)

⁶ Vgl. Auto Scout 24.: Parallel-Hybrid https://www.autoscout24.de/informieren/ratgeber/e-mobilitaet/parallel-hybrid/ (abgerufen am 08.12.19)

⁷ Vgl. Auto Scout 24.: Serieller-Hybrid https://www.autoscout24.de/informieren/ratgeber/e-mobilitaet/serieller-hybrid/ (abgerufen am 08.12.19)

⁸ Vgl. EnBW Energie Baden-Württemberg: Hybridantrieb https://www.enbw.com/energie-entdecken/mobilitaet/hybridantrieb/technik.html (abgerufen am 08.12.19)

⁹ Vgl. Q https://www.enbw.com/energie-entdecken/mobilitaet/hybridantrieb/technik.html

¹⁰ Vgl. Auto Scout 24.: Vollhybrid https://www.autoscout24.ch/de/c/d/information/hybridantrieb?a=19542#mild-hybrid (abgerufen am 05.12.19)

¹¹ Vgl. EnBW Energie Baden-Württemberg: Vollhybrid https://www.enbw.com/energie- entdecken/mobilitaet/hybridantrieb/technik.html (abgerufen am 05.12.19)

¹² Vgl. EnBW Energie Baden-Württemberg: Mildhybrid https://www.enbw.com/energie- entdecken/mobilitaet/hybridantrieb/technik.html (abgerufen am 05.12.19)