Antrieb der Zukunft – der serielle PlugIn-Hybrid

Es ging wie ein Lauffeuer durch die Presse: Der Autoriese General Motors baut den `Chevrolet Volt` in Serie und schmeisst Produktlinien wie den „Hummer“ raus.

Doch was ist der Chevrolet Volt für ein Auto? Hybridautos kennen wir ja schon, wie z.B. den Toyota Prius.

Hybrid ist nicht gleich Hybrid!

Es gibt einen grundsätzlichen Unterschied zwischen einem Prius (Parallelhybrid) und einem Chevy Volt (serieller PlugIn-Hybrid):

  • Beim Parallelhybrid teilen sich der Elektromotor und der Verbrennungsmotor den Antrieb der Räder. Er bezieht seine Energie, wenn auch etwas effektiver, immer noch ausschliesslich aus Sprit. Der Aufbau ist sehr komplex.
  • Ein serieller PlugIn-Hybrid ist ein Elektroauto mit bis zu 100 km rein elektrischer Reichweite und einem Reichweitenvergrößerer in Form eines Generators (künftiges Kürzel: E-REV, Extended Range Electric Vehicle)

Elektroautos

Reine Elektroautos hatten in der Vergangenheit immer wieder mit folgenden Problemen und Vorurteilen zu kämpfen:

  • „zu langsam“
  • geringe Reichweite
  • lange Ladezeiten
  • „Pappschachtel“-Bau

In den letzten Jahren hat sich jedoch die Akkutechnologie durch eine Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie rasant weiterentwickelt und ist nun an einem Punkt angekommen, bei dem Großbatterien im Kapazitätsbereich von bis zu 50 kWh in Autos eingebaut werden können. Mit „explodierenden Handyakkus“ hat die heutige Akkutechnologie für Fahrzeuge nichts mehr zu tun.

Warum elektrisch fahren?

Der elektrische Antrieb geht weitaus effizienter mit der an Bord gespeicherten Energie um.

  • Ein Elektromotor hat über 85% Wirkungsgrad. Ein Verbrennungsmotor unter optimalen Bedingungen höchstens 35%, im Stadtverkehr gar unter 10%.
  • Beim Bergabfahren und Bremsen wird ein Teil der Energie verbrauchten Energie wieder in die Akkus zurückgeladen. Beim Verbrennungsmotorantrieb verpufft die Bremsenergie sinnlos als Wärme in glühenden Bremsscheiben.
  • Der Antrieb ist emissionsfrei

Was ist ein serieller PlugIn-Hybrid (E-REV)?

Ein E-REV ist ein elektrisch angetriebenes Auto. Es besitzt Elektromotoren zum Antrieb der Räder, eine Steuerung und Lithium-Ionen Akkus als Energiespeicher, mit einer Kapazität um 20 kWh (Beim Volt sind es 16 kWh).
Der elektrische Antrieb hat eine Leistung vergleichbar mit heutigen Verbrennungsmotoren, beim Volt sind das z.B. um die 100 kW (136 PS). Der Chevrolet Volt kommt damit gut 60 km weit. Will man weiter fahren, wird die Batterie durch den Motorgenerator nachgeladen. Dieser hat beim Volt eine Nennleistung von 52 kW und lädt die Batterie mit einer geschätzten Dauerleistung von 20-30 kW konstant nach. Dieser Motorgenerator läuft als Verbrennungsmotor immer mit einer konstanten Drehzahl und immer im optimalen Lastpunkt (höchster Wirkungsgrad), unabhängig davon, ob das Auto steht, sich im Stadtverkehr bewegt oder auf der Autobahn fährt. Die benötigten Leistungsspitzen liefert die Batterie als Energiepuffer den 100kW-Antriebsmotoren. Die Generatorleistung muss also nur knapp über dem Durchschnittsverbrauch des Autos liegen, der bei ca. 15-20 kWh/100 km liegt. Ein sehr sinnvolles und einsichtiges Konzept. Heutzutage schleppen wir unnötigerweise viel Leistungsreserven in Form eines Verbrennungsmotors im Auto herum, die wir höchstens für Beschleunigungsvorgänge brauchen.

Wie das alles funktioniert, wird hier schön erklärt.

Vorzüge eines seriellen PlugIn-Hybrids (E-REV):

E-REVs wie der Chevrolet Volt räumen folgende Restprobleme des elektrischen Antriebs aus der Welt:

  • Problem geringer Reichweite: Der Volt fährt täglich gut 60 km elektrisch, für längere Strecken tankt man das Fahrzeug mit Sprit für den Generator – für praktisch bis 1000 km.
  • Problem langer Ladezeiten: Das Auto wird nachts in Ruhe geladen, für tägliche 60 km am nächsten Morgen, über die ganz normale 220V/16A-Steckdose. Lange Ladezeiten interessieren dann nicht mehr.
  • Problem Infrastruktur: Der Volt kann mit der bestehenden Infrastruktur problemlos betrieben werden (Haushaltssteckdose/Tankstellen). Ansätze wie Starkstromladestationen oder Batteriewechselsysteme braucht man nicht mehr.
  • Problem Gesamtgewicht: Der 16 kWh-Batterieblock des Volt wiegt ca. 150 kg. Der Motorgenerator ist klein und kompakt.
  • Problem Versorgung mit elektrischer Energie: Da die Energieversorgung mit elektrischer Energie nachts geschieht, muss entgegen allen Unkenrufen zum Trotz kein einziges Kraftwerk neu gebaut werden. Im Gegenteil: der bestehende Kraftwerkspark wird besser augelastet. Der Mehrenergieverbrauch betrüge übrigens nur 15%, selbst wenn ALLE(!) Autos in Deutschland auf allen Kilometern elektrisch fahren würden. Ergo ist in der Praxis der Mehrenergieverbrauch minimal, denn alle Autos werden sicher nicht aufs Mal umgerüstet.
  • Problem der Abhängigkeit von Primärenergie: Der Kunde hat endlich die Wahl, auch regenerativen Strom (selbsterzeugt oder aus dem Stromnetz eingekauft) zu laden. Das „Solarauto“ wird endlich Realität!
  • Problem Verbrennungsmotor: Der Generator lädt die Batterie immer im Betriebsoptimum des Verbrennungsmotors, der ihn antreibt. Auch im Stadtverkehr, wo der mechanisch gekoppelte Verbrennungsmotor mit unter 10% daherkommt. Als Motorgenerator kommen somit auch spezielle Bauformen wie Freikolben-Linear-Generatoren in Frage, welche mit ihrer Kolbenbewegung direkt Strom erzeugen (Wirkungsgrad: bis 50%!). Schöner Nebeneffekt: Ein Freikolbenmotor frisst so gut wie alle Kraftstoffarten.
  • Neues Problem „Unsinniges Mitschleppen“ des Motorgenerators: Bei E-REV-Konzepten wie dem schweizerischen „Mindset“ wird der Motorgenerator einfach daheim in der Garage abgestellt, wenn man ihn sicher nicht braucht.

Fazit:

  • Ein Pendler mit ca. 60 km Wegstrecke und längeren Urlaubsfahrten kann sein Auto übers Jahr fast ausschliesslich elektrisch fahren und weit über 90% fossilen Sprit sparen.
  • Investitionsschutz für den Automobilhersteller: Ein auf dem E-Flex-System des Volt aufgebautes Fahrzeugkonzept wird in seinen Grundlagen nicht mehr verändert. Werden beispielsweise DMFC/SOFC-Brennstoffzellen oder die von Automobilherstellern so geliebte, aber leider noch unerschwingliche Wasserstoffbrennstoffzelle als Stromgenerator erschwinglich, wird der Motorgenerator einfach durch diese ersetzt. Das Generatormodul wird ausgetauscht, der Rest des Fahrzeugaufbaus bleibt gleich!

Wann kann ich einen E-REV kaufen?

Die meisten E-REVs sind derzeit an der Schwelle zur Serie, mit einer breiten Markteinführung wird bis 2010 gerechnet.

Hier eine Auswahl:

General Motors/Chevrolet Volt – http://www.gm-volt.com
Aptera Typ-1 h – http://www.aptera.com
Mindset – http://www.mindset.ch
Venture One – http://www.flytheroad.com

11 Kommentare

  1. Hallo,
    wenn ich mir die Beispiel-Fahrzeuge ansehe, sehe ich kaum brauchbares. Ich will kein Supersportwagen (Tesla), auch kein Dreirad. Ich brauche ein Alltagsfahrzeug wie meinen Vaneo. So etwas vermisse ich komplett. Ein Allzweckauto, das praktisch ist, komfortabel und nicht langsam; dafür aber elektrisch im Antriebssystem. Die hierfür nötige Technik gibt es solange es Autos gibt schon. Vor dreißig Jahren fuhr in meiner Heimat (Wolmirstedt bei Magdeburg (DDR)) ein Elektro-Fahrzeug Straßenabfälle etc. weg. Wenn Opel jetzt Pleite gehht, muß ich sagen, sie haben es nicht anders verdient, den den Zafira hätte es auch elektrisch geben müssen. Alle reden nur rum, oder präsentieren stylische Spielzeuge, keiner bringt etwas brauchbares zu einem bezahlbaren Preis. Grüße, HUKoether

  2. Nur ein paar Kleinigkeiten:
    „Ein Elektromotor hat über 85% Wirkungsgrad.“
    – …in (großen) Teilen des Kennfelds. Die Batterie hat ebenfalls Lade- und Entladewirkungsgrade.

    „Ein Verbrennungsmotor unter optimalen Bedingungen höchstens 35%, im Stadtverkehr gar unter 10%.“
    – Ein Diesel hat im Bestpunkt 45% Wirkugsgrad, Großdiesel sind noch mal deutlich effektiver. Was sich auf den Prüfständen befindet ist ebenfalls besser.

    „Der Antrieb ist emissionsfrei“
    – Je nach Energiequelle zumindest mal lokal emissionsfrei. Das Problem verlagert sich i.d.R. halt nur.

    „Problem Verbrennungsmotor: Der Generator lädt die Batterie immer im Betriebsoptimum des Verbrennungsmotors, der ihn antreibt.“
    – Es ist eine Optimierungsfrage, ob ich den Motor im Bestpunkt betreibe und u.U. zuviel Energie bereitstelle, welche dann wieder unter Wirkungsgradverlust in der Batterie zwischengespeichert wird, oder den Motor nicht im Bestpunkt betreibe, dafür dann aber einen besseren Gesamtwirkungsgrad habe.

    Zum Freikolben-Linear-Generator: Gibt’s dazu irgendwelche guten Infos/Paper? Alles, was ich bisher fand, verglich den Motor mit dem Otto, die angegebenen Wirkungsgrade waren im Bereich des Diesel, aber nichts wirklich konkretes. Ich weiß zwar nicht wirklich wie dieser Motor funktioniert, aber mit variabler/m Verdichtung/Hub sollte sich auf einfachste Art und Weise ein Atkinson Cycle realisieren lassen.

  3. @randomdude:
    – Zum Elektromotor/Akku: Natürlich gibt es hier Lade/Entladewirkungsgrade, in der Praxis liegen diese aber jetzt schon zusammen mit dem E-Motor um die 80% und höher. Da ist noch einiges an Entwicklungspotential. Die besten E-Motoren haben in weiten Drehzahlbereichen über 90%.

    – Auf jeden Fall ist sicher, dass man den Diesel doch besser als Range-Extender im Bestpunkt betrieben einen Generator laden lassen sollte, statt ihn z.. mit unter 10% im realen Fahrbetrieb in der Stadt rumeiern zu lassen.

    Meiner Meinung nach ist der Range-Extender-Betrieb im Schnitt trotz Wirkungsgradverluste für einen Teil der Energie (der größte Teil wird ja direkt genutzt) immer noch besser als der mechanisch gekoppelte Betrieb.

    Wichtig ist bei dieser Bauweise, dass das Auto rein elektrisch angetrieben wird und der Range-Extender so optional zugeschaltet werden kann ohne komplexe Teilung des Antriebsstranges. Wenn der dann sogar noch effektiver arbeitet als der klassische Antrieb, umso besser.

    Freikolben-Linear-Generator: Am ehesten auf der Seite des DLR (siehe Link in meinem Beitrag)

  4. Es gibt auch andere Hybrid-Varianten, wie parallel oder leistungsverzweigt. Hiermit lassen sich ebenfalls Lastpunkterhöhungen bzw. -verschiebungen realisieren. Auch wenn dies um einiges komplexer wird (s. Two-Mode-Getriebe), so stellt der mechanische Pfad noch immer den Pfad mit den geringsten Verlusten dar und man könnte mit entsprechender Lastpunktverschiebung einen besseren Gesamtwirkungsgrad erreichen.

    Macht natürlich die Applikation nochmal um einiges komplizierter, aber man umgeht gewiss andere Probleme, wie z.B. die Katalysator-Temperatur.

  5. Der Aptera 1h heißt nun Aptera 2h. Steht für 2 Personen, hybrid, im Unterschied zum 2e.
    Außerdem: Dean Kamen stellte im November einen Think mit einem Stirlingmotor als range extender vor. Vorteile: Leise, verträgt alle möglichen Brennstoffe. Durch die kontinuierliche Verbrennung entstehen weniger Luftschadstoffe.
    Nachteile: Vor allem Höheres Gewicht und Volumen für gleiche Leistung.
    Schlechte Regulierbarkeit, aber das spielt für einen range extender ja keine große Rolle.
    Beim Wirkungsgrad hört man widersprüchliches, die Angabe von 30 Prozent klingt noch am glaubwürdigsten und wäre auch akzeptabel.
    Das größte Plus wäre in meinen Augen der Wegfall des Lärms. Denn das Knattern der Explosionsmotoren hat meiner Begeisterung für das E-REV-Konzept immer einen kleinen Dämpfer verpasst.
    Neben der Erkenntnis, dass ich mir so ein Auto möglicherweise nie werde leisten können.

  6. Der große Nachteil beim Parallelhybrid ist die fehlende Modularisierung der Energiequellen. Außerdem sind weit effizientere Bauformen des Verbrennungsmotors wie z.B. der direkt stromerzeugende Freikolben-Linear-Generator nicht mehr möglich. Auch der spätere einfache Austausch des Generators durch eine Brennstoffzelle ist ebenfalls nicht mehr möglich. Die Entwicklungskosten des rein elektrischen Antriebsstranges sind zukunftssicher und ressourcenschonend, auch bei der Entwicklung auf Generationen hin.

  7. @e-tracer
    Hmm.. ich dachte 2e und 2h stünden für die Version 2 des Aptera, der einige Design-Änderungen erfahren wird (Rückspiegel, Frontantrieb etc.) ?

    30% Wirkungsgrad beim Sterling ist nicht viel, das wird für einen effektiven Betrieb eines Range-Extenders nicht reichen. Das Ziel soll ja sein, dass der Wirkungsgrad eines Range-Extenders über dem optimalen Wirkungsgrad eines normalen mechanisch ans Rad gekoppelten Verbrennungsmotors (auch im Parallel-Hybrid!) liegt, um die Verluste der Zwischenspeicherung von Strom im Akku mehr als auszugleichen.

  8. @tachy
    ad Aptera: Kann man von einer Version 2 sprechen, wenn Version 1 nie in Serie (?) ging? Jedenfalls steht die „2“ definitiv für die Zahl der Passagiere (laut http://www.aptera.com).
    Ad Stirlingmotor: Natürlich hast du recht damit, dass sich der vermehrte Aufwand für einen seriellen Hybriden nur mit einem Wirkungsgradgewinn rechtfertigen lässt. Allerdings kann man das bei einem Plug-In-Hybriden etwas lockerer sehen, denn hier basiert die Treibstoffersparnis in erster Linie auf der Verwendung von Netzstrom.
    Ist der range extender besonders effizient, um so besser, aber Effizienz ist nicht alles was zählt (sonst würden ja alle Diesel fahren). Am Stirlingmotor für das Auto wird vor allem deshalb geforscht, weil er sehr gute Abgaswerte ermöglichen würde.
    Dafür dass mein range extender kein lauter Stinker ist würde ich schon auf ein paar Prozent Wirkungsgrad verzichten.

  9. @e-tracer:
    Interessant, das mit der „2“ beim Aptera 🙂
    Bei der Effizienz hast Du recht, auch mein Ansatz ist eher so, dass ich ein paar Prozent Wirkungsgradverluste hinnehmen würde, um auf dem Löwenanteil der Wegstrecke rein elektrisch fahren zu können. Deswegen tut’s auch zuallererst mal ein kleiner Hubkolbenmotor mit angeflanschtem Generator. Die hohen Optimierungspotentiale für einen brennstoffbetriebenen Generator sind vorhanden, und das finde ich weit wichtiger.

  10. Hallo ich sehe hier sind sehr viele mit KNOW HOW, vllt hat jemand lust mir zu helfen.
    Bez. parallel oder serielle Konfiguration.
    Ich möchte ein s. oder p. antrieb in ein herkömmliches Auto (virt) einbauen, und schauen bei ca. gleichen Motordaten, sprich Verbrauch etc. wie viel Krafstoff ich wo spare.

    ich freue mich sehr auf Antwort. Vielen Dank

    luimo19@web.de

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