Shell Lkw-Studie bis 2030

IV ANTRIEBE, KRAFTSTOFFE, TECHNIK
4.5 hyBRid- uNd elektROANtRieB
In der jüngeren Vergangenheit ist es zu einer immer stärkeren
Elektrifizierung und Hybridisierung des Antriebsstrangs
gekommen. Von Hybridtechnologie und Elektromobilität
werden große technologische Impulse für die Fahrzeugentwicklung
erwartet.
Hybridtechnologie zeichnet sich durch zwei Motoren, einen
Elektromotor und einen Verbrennungsmotor sowie zwei
Energiespeicher (einen Kraftstofftank und einen Akkumulator)
aus. Mit diesen Komponenten sind verschiedenste Fahrzeugkonfigurationen
möglich, denn beim Hybrid müssen mehrere
Varianten unterschieden werden (siehe Abbildung 26).
So können die Fahrzeuge zum einen nach der Art der
Kombination von Elektromotor und Verbrennungsmotor in
serielle, parallele und Mischhybride und zum anderen nach
der Leistungsfähigkeit des Elektromotors in Micro-, Mild-,
Full- und Plug-in-Hybride eingeteilt werden. Allen Kombinationen
ist jedoch gemeinsam, dass sie mit dem Ziel konstruiert
sind, Kraftstoff einzusparen und eingesetzte Energie effizient
zu verwenden.
Mit dem gleichen Ziel wird die Entwicklung von reinen
Elektrofahrzeugen vorangetrieben. Diese Fahrzeuge werden
ausschließlich mit einem Elektromotor angetrieben und
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hyBRidteChNik
Verbrennungsmotor und Elektromotor wirken gemeinsam
auf die Antriebswelle. Bei Leistungsspitzen werden Verbrennungsmotor
und Elektromotor gemeinsam mit hoher Leistung
betrieben. So ist es möglich, Verbrennungs- und Elektromotor
jeweils kleiner und sparsamer auszulegen. Diese Technologie
erfordert eine komplizierte Leistungselektronik sowie ein
Getriebe und kommt bei heutigen Hybrid-Lkw bevorzugt zur
Anwendung.
verfügen über einen Akkumulator als Energiespeicher. Da
Hybrid- und Elektrofahrzeuge Technologien wie Elektromotor
und Akkumulator teilen, können sie auch von ähnlichen
Vorteilen profitieren, haben andererseits aber auch Nachteile,
die minimiert werden müssen. Neben dem Vorteil der
geringeren Schadstoffemissionen vor allem bei einer rein
elektrischen Betriebsweise – diese erlaubt je nach der Form
der Hybridisierung nur eine begrenzte Entfernung zurückzulegen
– sind als Nachteile insbesondere die Kosten und Alltagstauglichkeit
heutiger Batteriesysteme zu nennen.
Als alternative Antriebsform stehen Hybrid- und Elektroantrieb
im Nutzfahrzeugbereich erst am Anfang ihrer Entwicklung.
Diese Tatsache bestätigt sich auch in den Zulassungszahlen
von 79 Hybrid- und 874 Elektro-Nutzfahrzeugen in allen
Fahrzeugklassen zum 1. Januar 2009. 73) Im Gegensatz zum
Pkw-Bereich werden im Nutzfahrzeugbereich noch keine
Hybridfahrzeuge serienmäßig angeboten. Das Angebot
beschränkt sich noch auf einige Vorserienfahrzeuge und
Prototypen.
Für verschiedene Hybridkonzepte und Fahrzeugklassen
ergeben sich unterschiedliche Kraftstoffeinsparungspotenziale;
diese sind in Tabelle 27 auf der nächsten Doppelseite brutto,
73) Vgl. Kraftfahrt-Bundesamt, Fahrzeugzulassungen – Bestand, Emissionen, Kraftstoffe,
a.a.O., S. 28.
FuNktiONSPRiNZiP deS PARAllel-hyBRidS FuNktiONSPRiNZiP deS ReiheN-hyBRidS MiSChFORMeN
Tank
Batterie
Elektrische
Leistungsübertragung
Verbrennungsmotor
Elektronisches
Steuergerät
Elektromotor/
Generator
Getriebe
Mechanische
Leistungsübertragung
Räder
Achse/
Differential
Räder
Tank
Verbrennungsmotor
Generator
Elektronisches
Steuergerät
Elektrische
Leistungsübertragung
Batterie
Elektromotor/
Generator
Mechanische
Leistungsübertragung
Räder
Achse/
Differential
Räder
Der Verbrennungsmotor treibt ausschließlich einen Generator
an, dessen elektrische Energie direkt dem Elektromotor oder
dem Akkumulator zugeführt wird. Der Verbrennungsmotor
ist vergleichsweise schwach ausgelegt, da Leistungsspitzen
durch Energie aus dem Akku abgefedert werden. Der Elektromotor
muss dagegen so stark sein, dass er alle Leistungsanforderungen
des Fahrzeuges bedienen kann. Beim
seriellen Hybrid, wie er in Stadtbussen zum Einsatz kommt,
ist kein Getriebe notwendig.
das heißt ohne Gegenrechnung von Fahrstrom, dargestellt.
Danach ergeben sich für den Einsatz im städtischen Liefer- und
Verteilerverkehr durchschnittliche Einsparpotenziale im
Vergleich zum konventionellen Diesel von etwa 5 % für die
Start-Stopp-Automatik, von 20 bis 30 % für Voll-Hybridfahrzeuge,
bis hin zu 40 % für Plug-in-Hybridfahrzeuge. Prinzipiell
lässt sich ableiten, dass sich die Kraftstoffeinsparungen
erhöhen, wenn leistungsfähigere Akkus und Elektromotoren auf
längeren Fahrabschnitten genutzt werden, ohne dass der
Dieselmotor zugeschaltet werden muss, und wenn das
Fahrmuster der Fahrzeuge häufige Starts und Stopps aufweist.
Die Bemühungen zum Einsparen von Kraftstoff führen auch zu
einem geringeren CO 2-Ausstoß von Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
Bei Hybridfahrzeugen entspricht die CO 2-Ersparnis
der Kraftstoffersparnis und bewegt sich demnach im Rahmen
von 5 bis 20 %.
Bei Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybriden hängt die
Treibhausgasbilanz von den Emissionen, die durch die
Bereitstellung des Stromes entstehen, ab.
Eine Beispielrechnung anhand eines leichten Nutzfahrzeuges
verdeutlicht diesen Zusammenhang: Ein elektrisch betriebenes
leichtes Nutzfahrzeug hat bei heutiger Technologie einen
Stromverbrauch von etwa 0,3 kWh/km. Verrechnet man dies
mit dem spezifischen CO 2-Ausstoß im deutschen Strommix
von etwa 596 gCO 2 / kWh (Wert für 2006), dann erhält
man CO 2-Emissionen von etwa 180 gCO 2 / km.
Es gibt noch weitere Hybridformen, welche die Eigenschaften von parallelen und seriellen Hybriden durch den Einsatz
komplexer Leistungselektronik und weiterer Getriebe variabel miteinander kombinieren:
Micro-hybrid – Start-Stopp-Automatik
Micro-Hybride sind mit einem sehr kleinen Elektromotor/-generator und einem Akku geringer Kapazität ausgestattet. Bei Stillstand wird
der Verbrennungsmotor abgestellt und bei Weiterfahrt mit Hilfe des Elektromotors gestartet. Geringe Mengen der Bremsenergie können
im Akku gespeichert und auch zum Betrieb von Nebenaggregaten verwendet werden. Die Verbrauchseinsparungen sind gering. Das
Fahrzeug kann nur bei laufendem Verbrennungsmotor fahren.
Mild-hybrid
Mild-Hybrid-Fahrzeuge besitzen leistungsfähigere Elektromotoren und Akkus, die es ermöglichen, die Traktion zu unterstützen. Dabei
unterstützt der Elektromotor den Verbrennungsmotor speziell beim Anfahren und Beschleunigen. Ein größerer Teil der Bremsenergie wird
rekuperiert und für den weiteren Antrieb nutzbar gemacht. Der Antriebsstrang ist als Parallel-Hybrid ausgelegt.
Voll-hybrid
Ein Voll-Hybrid verfügt über leistungsfähige Elektromotoren und Akkus, die es ermöglichen, zeitweise bzw. über längere Strecken rein
elektrisch zu fahren. Starke Elektromotoren und Akkus ermöglichen die Auslegung des Antriebsstranges als parallelen, seriellen oder
Misch-Hybrid. Bremsenergie wird rekuperiert.
Plug-in-hybrid
Eine Sonderform der Hybrid-Fahrzeuge stellt der Plug-in-Hybrid dar. Dem Aufbau nach handelt es sich um einen Voll-Hybriden,
der zur Ladung der Akkumulatoren nicht allein auf den fahrzeugeigenen Verbrennungsmotor, sondern auch auf extern erzeugten Strom
(„aus der Steckdose“) zurückgreift.
Quelle: Ricardo 2009, a.a.O., S.137ff.
Verglichen mit dem durchschnittlichen CO 2-Ausstoß leichter
Nutzfahrzeuge im Jahre 2005 auf Grundlage von Verbrauchsauswertungen
– real ca. 230 gCO 2/km – bedeutete dies
einen Rückgang der Treibhausgasemissionen von etwa 23 %.
Ein Faktor, der die Life-Cycle-CO 2-Emissionen von Hybrid- und
Elektrofahrzeugen zusätzlich belastet, ist der hohe Energieaufwand
zur Herstellung der Batterien. Legt man diesen Energieaufwand
für die Batterieherstellung auf die Fahrzeugkilometer
eines elektrisch betriebenen leichten Nutzfahrzeuges um, so
schlägt dieser Posten in Abhängigkeit von Fahrleistung und
Lebensdauer der Batterien deutlich zu Buche.
Als Richtwert gilt für heutige Bedingungen, dass reine Elektrofahrzeuge
ein CO 2-Minderungspotenzial von etwa 15 bis
30 % haben. 74) Erst die Verfügbarkeit von großen Mengen
CO 2-frei erzeugten Stromes wird dazu führen, dass Elektro-
und Plug-in-Hybridfahrzeuge größere CO 2-Einsparungen
erreichen können.
Der Vorteil für die Nutzer dieser Fahrzeuge besteht somit erst
einmal darin, die CO 2-Emissionen langfristig zu reduzieren
und innerhalb eines zum Beispiel von einer Stadt festgelegten
Gebietes vollkommen ohne Schadstoffemission fahren zu
können.
74) Vgl. Rolf Fischknecht, Marianne Lauenberger, Elektroauto – Königsweg oder
Sackgasse? Arbeitskreis Umwelt MitarbeiterInnen Daimler AG, Präsentation,
Sindelfingen 29.6.2009, S. 48.
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