Wird sich das Hybridfahrzeug durchsetzen?

Das Hybridauto ist nichts Neues. Das erste Exemplar, der Lohner-Porsche, wurde 1898 von Ferdinand Porsche entwickelt. Damals diente die Hybridfunktion als elektrisches Getriebe und nicht als Krafter-höhung. Mit Ferdinand Porsche als Fahrer stellte der Wagen mehrere österreichische Geschwindigkeits-rekorde auf, wie auf der Exelberg Rally im Jahre 1901. Ein weiteres Beispiel eines frühen Hybrids war das in Chicago gebaute 1915er Woods Motor Vehicle. In diesem Wagen kam ein vierzylindriger Verbrennungsmotor und ein Elektromotor zum Einsatz. Unter 25 km/h trieb der Elektromotor das Fahrzeug an, dann griff der Benzinmotor ein, um es bis zur seiner Höchstgeschwindigkeit von 55 km/h zu beschleunigen. Im Rahmen des Federal Clean Car Incentive Program installierte Victor Wouk einen Hybridtriebstrang in einen 1972er GM Buick Skylark; aber 1976 wurde das Programm von der Umwelt-schutzbehörde der USA eingestellt. Inzwischen haben Honda und Toyota bei der Kommerzialisierung attraktiver und kraftstoffsparender Hybridautos große Fortschritte gemacht.

Das Hybrid-Elekrofahrzeug (HEV) spart dadurch Kraftstoff, indem die beim Bremsen freiwerdende kinetische Energie gespeichert wird, die dann beim Beschleunigen einen Elektromotor zur Unterstützung des Verbrennungsmotors dient. Außerdem wird der Verbrennungsmotor bei Halts und während der Langsamfahrt abgestellt. Wird volle Leistung benötigt, treiben Verbrennungsmotor und Elektromotor gleichzeitig an. Diese Leistungsteilung bietet zwei Vorteile: Man kommt mit einem kleinerer Verbrennungsmotor aus und die Beschleunigung ist besser, da der Elektromotor ausgezeichnete Drehmomenteigenschaften aufweist.

Bei den meisten HEV kommt ein vom Verbrennungsmotor zu den Rädern verlaufender mechanischer Triebstrang zur Anwendung. Auch in Bezug auf Kurbelwelle, Kupplung und Getriebe gleicht das HEV einem normalen Fahrzeug; darüber hinaus verfügt es jedoch noch über einen Elektromotor und einen großen Akku. Diese Ausführung wird Parallelkonfiguration genannt. Bei den meisten neuen Plug-in-HEV wird jedoch die Reihenkonfiguration verwendet, bei der die Räder von einem oder mehreren Elektromotoren angetrieben werden. Statt einer mechanischen Verbindung zu den Rädern, treibt der Verbrennungsmotor einen Generator an, der den Strom für diese Motoren erzeugt. Wie beim Laptop oder Handy schließt der Fahrer sein Auto über Nacht zum Laden an eine Steckdose an. Die Reichweite mit einem voll geladenen Akku beträgt normalerweise 32 km. Auf längeren Fahrten versorgt der Verbrennungsmotor die Elektromotoren mit Strom.


Welcher Akku eignet sich am besten für Hybridautos?

Bei den frühen HEV-Modellen kamen Blei-Säure-Akkus zum Einsatz, weil es nichts anderes gab. Heute nehmen Honda und Toyota Nickelmetallhydrid-Akkus (NiMH). Diese Akkus sind gegenüber Bleiakkus leichter und umweltfreundlicher. Der Akku besteht aus zylindrischen Zellen, die in Reihenschaltun mehrere hundert Volt bringen. Die Zellen sind in räumlichem Abstand zueinander angeordnet, damit eine gute Luftkühlung möglich ist. Abbildung 1 zeigt ein Demonstrationspack eines frühen Akkus für Toyota-Hybrids.

Abbildung 1: Nickelmetallhydrid-Akku eines Hybridautos von Toyota. Die Zellen (orangefarben) sind luftgekühlt. Der Akku sitzt hinter dem Rücksitz. Mit freundlicher Genehmigung des Toyota-Museums in Nagaya/Japan

Eines der entscheidenden Anforderungen an einen Hybrid-Akku ist eine lange Lebensdauer. Wiederauf-ladbare Batterien für den Normalverbraucher halten normalerweise zwei bis drei Jahre. Diese kurze Lebensdauer ist kein großer Nachteil für Handys, Laptops und Digitalkameras, da die Geräte schnell überholt sind. Beim Preis eines Akkupacks von 2000 bis 3000 Dollar ist das Erneuern eines HEV-Akkus eine teure Angelegenheit.

Die meisten HEV-Akkus haben eine Garantiezeit von acht Jahren. Diese lange Lebenszeit wird dadurch erreicht, dass die Akkus im Hinblick auf Langlebigkeit und nicht auf kompakte Größe und leichtem Gewicht entwickelt werden, wie das bei Akkus für tragbare Geräte der Fall ist. Da der Akku auf Rädern läuft, ist das Mehr an Gewicht und Größe nicht entscheidend.
Ein NiMH für ein HEV kann 1000mal ent- und wieder geladen werden, wenn dies bei 80 % Entladungstiefe geschieht. Bei einem Hybridauto wird der Akku selten ganz entladen, es sei denn, der Besitzer wohnt auf einem Berg und benötigt den gesamten Akkustrom, um von der Arbeit nach Hause zu kommen. In solch einem Fall würde der Akku stark belastet und seine Lebenszeit verkürzt. Bei den meisten Anwendungen benötigt der Akku jedoch nur 10 % seiner Nennkapazität. So ist der Akku für tausende Ladezyklen gut. Die Akkus in Satelliten werden ganz ähnlich belastet: Während der Satellitennacht werden sie um nur 10 % entladen. Die Nasa erreicht dies durch eine größer als erforderliche Auslegung des Akkus.

Einer der Nachteile des NiMH ist der nicht gerade umwerfende Wirkungsgrad bei der Energieum-formung. Dies führt beim Laden und Entladen zur Erwärmung des Akkus. Der beste Ladewirkungsgrad liegt bei einem Ladezustand von 50-70 % vor. Über 70 % kann der Akku die Ladung nicht mehr gut aufnehmen, sodass viel Ladeenergie in Wärme umgesetzt wird. Soll ein Akku teilgeladen betrieben werden, ist eine größere Masse erforderlich, wodurch das Verhältnis Energie zu Gewicht und der Wirkungsgrad schlechter werden.

Die Japaner haben verschiedene Akkuchemien ausprobiert, darunter auch wieder Blei-Säure. Heute liegt der Fokus auf Lithiumion. Lithiumion auf Kobaltbasis ist eine der ersten Chemien der Lithium-Familie und bietet eine sehr hohe Energiedichte. Leider kann dieses Akkusystem keine großen Ströme liefern und ist darum auf tragbare Geräte beschränkt.

HEV-Hersteller experimentieren mit Mangan (Spinel) und Phosphat. Diese Lithiumion-Systeme haben einen extrem niedrigen Innenwiderstand, liefern hohe Ströme und vertragen Schellladungen. Entgegen der Kobalt-Version bleibt durch die gesamte Lebenszeit des Akkus hindurch der Widerstand gering. Um die Eigenschaften des Mangan-Lithiumion zu überprüfen, belastete ein Forschungslabor über sieben Jahre hinweg eine Zelle mit 30.000 Entlade/Lade-Zyklen. Obwohl die Kapazität von 100 % auf 20 % abfiel, bliebt der Innenwiderstand der Zelle gering. Der Nachteil von Mangan und Phosphat ist die niedrigere Energiedichte; auf der anderen Seite bieten diese Systeme jedoch 20 % mehr Kapazität pro Gewichts-einheit als NiMH und dreimal so viel wie Blei-Säure. Abbildung 2 zeigt die Energiedichte von Blei, Nickel und Lithiumion. Ich möchte darauf hinweisen, dass bei Lithiumion-Systemen auf Kosten der Sicherheit und des Zykluslebens eine höhere Energiedichte möglich wäre.

Abbildung 2: Energiedichte der herkömmlichen Akkusysteme. Kobalt-Lithium bietet die höchste Energie-dichte. Mangan und Phosphat sind thermisch stabiler und liefern höhere Lastströme als Kobalt.

Noch muss weiter geforscht werden; doch sind die Lithiumion-Systeme vielversprechende Kandidaten für die HEV und die Plug-in-HEV. Hier einige der noch zu überkommenden Hindernisse:

Dauerhaftigkeit: Der Käufer fordert mindestens zehn Jahre Garantie. Gegenwärtig können die Akkuhersteller NiMH-Akkus für Hybridfahrzeuge nur mit acht Jahren Garantie liefern. Die Langlebigkeit von Lithiumion ist noch nicht nachgewiesen und selbst acht Jahre sind gegenwärtig noch happig.

Kosten: Wenn mit 2000 bis 3000 Dollar die Kosten für den Ersatz von Nickelmetallhydrid-Packs schon zu hoch sind, so wird das bei Lithiumion noch teurer. Gegenüber anderen Chemien kostet die Herstellung dieser Systeme im Moment noch mehr; es ist jedoch damit zu rechnen, das es durch verbesserte Fertigungsmethoden billiger wird. NiMH hat das niedrige Preisniveau bereits erreicht. Die Kosten lassen sich durch die hohen Nickelpreise nicht weiter senken.

Sicherheit: Lithiumion auf Mangan- oder Phosphatbasis ist von Natur aus sicherer als Kobalt. Kobalt wird schon bei einer Temperatur von 150 °C thermisch instabil. Mangan- und Phosphatzellen können dagegen 250 °C erreichen, bevor sie instabil werden. Trotz der hohen thermischen Stabilität benötigt der Akku aufwendige Schutzkreise für die Überwachung der Zellenspannung und Begrenzung des Stromes im Fehlerfall. Weiterhin muss der Schutzkreis die Unterschiede in den Zellen, die sich mit den Jahren einstellen, kompensieren. Die vor kurzem aufgetretenen Probleme mit Lithiumion-Akkus in Mobilgeräten werden ihren Eintritt in den HEV-Markt möglicherweise verzögern.

Verfügbarkeit: Die Hersteller von Mangan- und Phosphatzellen können der Nachfrage kaum nachkommen. Ein rascher Anstieg des Bedarfs an Lithium für HEV-Akkus würde zu Engpässen in der Akkuproduktion führen. Bei 7 kg Lithium pro Akku würde es voraussichtlich zu einem Rohstoffmangel kommen. Die meisten Lieferanten von Lithium befinden sich in Südamerika, Argentinien, Chile und Bolivien.

Das Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV)

Stellen Sie sich einmal vor: Ein Plug-in Electric Vehicle, also ein Elektrofahrzeug mit Ladesteckdose, kann mit einer Akkuladung 32 km weit fahren. Es gibt keine Umweltverschmutzung und die Nachbarn hören kein Kommen und Gehen, da das Fahrzeug keinen Laut von sich gibt. Es gibt keine Bezinsteuer zu bezahlen und das Straßennetz ist ohnehin frei. Ist dies das Paradies der Autofahrer?

So gut es auch klingen mag, die Einsparungen sind gering oder null - wegen des Akkus. Laut Dr. Menahem Anderman, einem führenden Experten auf dem Gebiet hochentwickelter Fahrzeugakkus, gibt es bisher noch keinen geeigneten Akku für Plug-in-HEV, auch sei die Zuverlässigkeit der Lithiumion-Technologie für Automobilanwendungen nicht nachgewiesen. Im Gegensatz zu herkömmlichen HEV, die mit leichten Ladungen und Entladungen betrieben werden, kommt es bei Plug-in-HEV zu Tiefent-ladungen. Damit eine annehmbare Reichweite erzielt werden kann, müsste der PHEV-Akku fünfmal größer sein als der HEV-Akku. Mit einer geschätzten Lebensdauer von 1000 Vollentladungen muss der Akku alle drei Jahre ausgewechselt werden. Bei einem Preis von 10.000 Dollar für einen neuen Akkusatz sind die Einsparungen schnell aufgezehrt.

Moderne Autos sind nicht nur für die Beförderung da; sie sind auch im Hinblick auf Sicherheit, Komfort und Unterhaltung ausgestattet. Dazu gehören zuerst einmal die Scheinwerfer und die Scheibenwischer. Die meisten Käufer wollen auch Heizung und Klimaanlage. Diese Annehmlichkeiten sind in benzin-getriebenen Fahrzeugen eine Selbstverständlichkeit, müssen in PHEV jedoch sparsam genutzt werden.

Analysten rechnen damit, dass es noch 10 Jahre dauert, bevor ein marktfähiges Plug-in-HEV zur Verfügung steht. Die Aussicht auf eine sauberes Brennstoffzellenauto ist noch frisch in unserer Erinnerung. Heute rechnen Analysten damit, dass die Brennstoffzelle erst in 20 Jahren für die Massen-produktion reif sein wird. Gerüchten zufolge, wird die Brennstoffzelle nie ihren Weg in ein normales Auto finden. Wenn das wahr ist, wird sich ein weiterer Traum in Luft auflösen; so wie Mitte des 19. Jahrhunderts das dampfgetriebene Flugzeug, das zum Fliegen einfach zu schwerfällig war.

Das Paradox des Hybridfahrzeugs

Auf der Advanced Automotive Battery Conference in Hawaii behauptete ein Teilnehmer einem HEV-Hersteller gegenüber, dass ein deutscher Diesel weniger verbraucht als ein Hybrid. Der professionelle Verkäufer wies dies glatt zurück. Doch ist an der Behauptung ein Fünkchen Wahrheit. Auf der Autobahn verbraucht ein Diesel tatsächlich weniger, während ein HEV im Stadtverkehr besser abschneidet. Der Zusatzantrieb für schnelle Beschleunigung und das regenerative Bremsen sind Vorteile, die ein deutscher Diesel nicht bieten kann.

Jemand fragte darauf, was passieren würde, wenn der Akku eines HEV auf einem langen Bergpass leer wird. "Hat das Auto noch genügend Leistung?" Die Antwort lautete, dass das Auto es mit dem Verbren-nungsmotor allein schon schaffen würde, die Manövrierfähigkeit wäre allerdings eingeschränkt. Um diesen Eventualitäten vorzubeugen bieten einige HEV-Hersteller heute SUV mit 250-PS-Verbrennungs-motor und 150-PS-Elektromotor an, insgesamt also 400 PS. Solch ein Auto würde sicherlich Käufer finden, insbesondere wenn der Staat das "Grünsein" subventioniert. Leider haben die Käufer kleiner Autos oder die Benutzer öffentlicher Verkehrsmittel keinen Anspruch auf solche Geschenke.

Fazit

Wir nehmen an, dass bei Hybrid-Elektrofahrzeugen der Lithiumion- den NiMH-Akku langsam ver-drängen wird, auch wenn heute die kurze Lebensdauer, die hohen Fertigungskosten und die Sicherheits-probleme noch im Wege stehen. Wir dürfen dabei nicht vergessen, dass der Automobilmarkt für eine neue Akkutechnologie nur geringe Preiserhöhungen akzeptiert. Hinzu kommt, dass Lithiumion gegenüber NiMH nur 20 % mehr Energiedichte pro Gewichtseinheit zu bieten hat. Der NiMH-Akku hat sich in den heutigen HEV bewährt, und eine neue Chemie müsste mehr als nur geringe Vorteile aufweisen, damit sich Käufer finden.

Toyota, Honda und Ford sind in der HEV-Technik führend. Andere große Autohersteller werden voraussichtlich 2010 mit wettbewerbsfähigen Modellen herauskommen. Panasonic EV Energy und Sanyo liefern gegenwärtig 90 % der HEV-Akkus. Doch entwickeln beide Firmen auch Lithiumion-Akkus.

Während Japan und Korea sich auf Mangan konzentrieren, experimentiert man in den USA mit Phosphat, die Chemie die A123 Systems berühmt macht. Europa dagegen verlässt sich auf saubere Dieselmotoren. Die Abgase dieser Motoren sind so sauber, dass sie selbst ein über den Auspuffrohrauslass gehaltenes Papiertuch nicht verschmutzen. BMW arbeitet an einem Wasserstoffmotor mit Nullemission.

Die Zeit wird zeigen, wer das Rennen um das sauberste, sparsamste und dauerhafteste Fahrzeug gewinnt. Was die Dauerhaftigkeit angeht, so stände der Diesel heute auf dem Siegerpodest. Wir wollen hoffen, dass es eines Tages einen Akku gibt, der die Langlebigkeit des robusten Dieselmotors noch übertrifft.
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Literaturverzeichnis: Menahem Anderman, Status and Prospect of Battery Technologies for Hybrid Electric Vehicles, including Plug-in Hybrid Electric Vehicles, Januar 2007.

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Created: March 2007

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