Hybridantrieb


Hybridantrieb

Hybridantrieb bezeichnet allgemein die Kombination verschiedener Techniken für den Antrieb. Der Antrieb ist also hybrid.

schematische Unterteilung Hybridantriebe

Ein Hybridfahrzeug ist nach UNO-Definition ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben. Energiewandler sind beispielsweise Elektro-, Otto- und Dieselmotoren, Energiespeicher sind beispielsweise Akkumulator oder Kraftstofftank.

Nebenstehende Grafik bietet hierzu einen Überblick. Es werden schematisch - ausgehend vom konventionellen Antrieb - verschiedene Ausprägungen von Hybridantrieben gelistet, die sich hinsichtlich ihrer Energiespeicher und hinsichtlich ihrer primären/sekundären Energiequelle unterscheiden.

Es wurden aber auch andere Kombinationen realisiert, z. B. Stirlingmotor mit hydraulischem Antrieb und pneumatischem Akkumulator.[1]

Eine ausführliche technische Definition erarbeitet die WIPO, in der die Patentämter der Mitgliedsstaaten Definitionen zur Klassifikation der eingereichten Patente erarbeiten. Die aktuellen Unterscheidungsmerkmale stellt beispielsweise das deutsche Patent- und Markenamt zur Verfügung.[2]

Inhaltsverzeichnis

Hybridfahrzeuge

Die aktuell stark thematisierten Hybridelektrokraftfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge entsprechend der UNO-Definition. In ihnen können die einzelnen Motoren auf unterschiedliche Weise zusammenarbeiten, parallel, dann wirken die Antriebe gleichzeitig auf den zu bewegenden Teil, oder seriell, dann wirkt nur ein Antrieb unmittelbar auf den zu bewegenden Teil, während der andere nur Leistung bereitstellt, die umgewandelt, dem direkt wirkenden Antrieb zugeführt wird. Auch Mischformen sind möglich.


Serielle Hybridantriebe wurden lange Zeit nicht realisiert, weil man davon ausging, dass die angestrebte maximale Leistung des Fahrzeugs sowohl vom Verbrennungsmotor als auch vom Elektromotor bereitgestellt werden muss. Davon würde der gesamte Antrieb jedoch sehr schwer und teuer. Bei den aktuell diskutierten Range Extendern ist die Zielsetzung jedoch eine andere. Hier ist die Aufgabe des Verbrennungsmotors, nur im Notfall den Akkumulator aufzuladen, um die Reichweite zu vergrößern. Er muss daher nur eine deutlich geringere maximale Leistung aufweisen.

Leistungsverzweigte Hybridantriebe enthalten neben dem Verbrennungsmotor eine Kombination zweier elektrischer Maschinen, die als Generator und Motor und so als elektrisches Getriebe arbeiten. Ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors wird dann mechanisch auf die Antriebsräder übertragen, ein weiterer Teil der Leistung wird über die als elektrisches Getriebe arbeitende Motor-Generator-Kombination auf die Räder übertragen. Der Vorteil einer solchen Konstruktion liegt darin, dass der Verbrennungsmotor in einem verbrauchsgünstigen Lastbereich arbeiten kann unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Der Hybrid Synergy Drive von Toyota ist ein Beispiel für ein derartiges Konzept.

Kombinierte Hybridantriebe lassen sich mittels einer (automatisch betätigten) Kupplung zwischen parallelem und seriellem Betrieb umschalten. Als zweite Energiespeicher werden meist Akkumulatoren eingesetzt.

Bivalente Antriebe

Bivalente Antriebe sind in der Lage, in einem Motor zwei unterschiedliche Kraftstoffe zu verbrennen; das sind aber keine Hybridfahrzeuge. Motivation ist die Nutzung alternativer Kraftstoffe wie Erd-, Biogas, Flüssiggas und zukünftig Wasserstoff in Fahrzeugen, die weiterhin auch mit Benzin fahren können, bzw. der Antrieb mit dem alternativen Kraftstoff Pflanzenöl in Dieselfahrzeugen, die nicht immer einen Kaltstart mit Pflanzenöl erlauben. Weit verbreitet ist vor allem der Einbau von Autogasanlagen.

Bivalente Motoren haben neben den beschriebenen Vorzügen einen gravierenden Nachteil: Viele Eigenschaften des Motors lassen sich nicht auf beide Kraftstoffe optimal auslegen. Ist es bei der Einstellung eines bedarfsgerechten Zündzeitpunktes noch möglich, dies über die digitale Motorelektronik zu realisieren, lassen sich beispielsweise geometrische Grunddaten des Motors wie Hub, Bohrung, Kompressionsvolumen und Verdichtungsverhältnis nicht während des Betriebes ändern, so dass diese Daten immer eine Kompromisslösung darstellen und nie verbrauchsoptimal ausgelegt werden können.

Muskelkraft und Elektroantrieb

Hybridfahrrad – Muskelkraft und Elektroantrieb

Elektroräder sind Fahrräder mit zusätzlichem Elektromotor, die variabel von Muskelkraft und Elektromotor angetrieben werden; sie besitzen parallele Hybridantriebe. Das Antriebssystem Bionx erlaubt Bremsenergierückgewinnung.[3]

Einen parallelen Hybridantrieb bestehend aus einem Elektromotor und einem Pedalantrieb gibt es sogar bei einem kleinen PKW, dem TWIKE.

Von einem seriellen Hybridantrieb spricht man, wenn der Pedalantrieb ausschließlich einen Generator betreibt, welcher einen Elektromotor antreibt oder den elektrischen Strom in einem Akkumulator zwischenspeichert.

Busse

Hauptartikel: Hybridbus

Hybridbusse werden von verschiedenen Verkehrsunternehmen in Nordamerika und Europa eingesetzt. Mit dem Hybridlinienbus Solaris Urbino 18 Hybrid hat Solaris Bus & Coach im Jahre 2006 den ersten europäischen Bus mit serienmäßiger Hybridtechnologie vorgestellt.

Duo-Busse

Hauptartikel: Duo-Bus

Busse, die sowohl wie ein Trolleybus (Obus) mit elektrischer Energie ab einer Fahrleitung oder aber unabhängig davon mit einem Dieselmotor verkehren können, werden Duo-Busse genannt. Sie entsprechen in einer strikten Auslegung nicht der UNO-Definition für Hybridfahrzeuge, da sie die elektrische Energie nicht selbst mitführen. Eingesetzt werden solche Busse beispielsweise im schweizerischen Freiburg im Üechtland. Außerdem haben die meisten Trolleybusse einen Benzin- oder Diesel-Hilfsantrieb, um stromlose Stellen zu überwinden und im Garagenbereich manövrieren zu können. Als Alternative für denselben Zweck wurden auch Akkumulatoren eingebaut. Da der Hilfsantrieb aber nur eine langsame Fortbewegung erlaubt, werden solche Busse nicht als Duo-Busse bezeichnet.

Schienenfahrzeuge

Dieselelektrische Schienenfahrzeuge und Mehrsystemfahrzeuge, die in unterschiedlichen Netzen betrieben werden können, sind keine Hybridfahrzeuge nach UNO-Definition, da sie nur einen oder keinen Energiespeicher an Bord haben. Dieselelektrische Lokomotiven mit leistungsfähigen elektrischen Pufferspeichern, die in bestimmten Situationen zur deutlichen Verbesserung der Fahrleistungen führen und zurückgewonnene Bremsenergie zum späteren Antrieb speichern, werden aber von Railpower und GE angeboten. JR East will Brennstoffzellen mit Lithium-Akkumulatoren kombinieren und testete 2003 erfolgreich einen hybrid, dieselelektrisch angetriebenen Triebwagen. Dies sind serielle Hybridantriebe.

Bimodale Schienenfahrzeuge

Lokomotiven und Triebwagen, die sowohl in elektrifizierten Netzen (ab Oberleitung oder Stromschiene) als auch unabhängig davon verkehren können, sind in einer strikten Auslegung der UNO-Definition keine Hybridfahrzeuge, da sie die elektrische Energie nicht selbst mitführen. Die klassische Bezeichnung für solche Triebfahrzeuge ist Zweikraftlokomotive oder Zweikrafttriebwagen.

Die Liste der Zweikraftloks ist lang, sie reicht von den nordamerikanischen FL9 und Genesis über die britische Class 73 oder die Gem 4/4 der Rhätischen Bahn bis zu der Reihe 1900 der FEVE und den Tem der SBB.

Zweikraftloks und -triebwagen können auf einfache Weise aus dieselelektrischen Fahrzeugen hergerichtet werden, wenn der Gleichstrom ab Fahrleitung eine ähnliche Spannung aufweist wie der vom fahrzeugeigenen Generator erzeugte. Bei der AKN sind dieselelektrische Triebwagen im Einsatz, die bei ausgeschaltetem Dieselantrieb Strom aus einer Stromschiene entnehmen können.

Die SNCF in Frankreich besitzen mit den Reihen B 81500 und B 82500 auch Zweikrafttriebwagen für den Regionalverkehr. Letztere können dabei neben dem Dieselantrieb zusätzlich zwei verschiedene Fahrleitungsspannungen nutzen, sind also Zweikraft- und Mehrsystemfahrzeug zugleich.

Zudem existieren vor allem im Straßenbahnbereich Fahrzeuge, die ihre elektrische Antriebsenergie sowohl aus einer Fahrleitung als auch aus einem Generator beziehen können, der durch einen Dieselmotor angetrieben wird. Als Beispiel seien hier die Wagen des Typs Siemens Combino Duo der Straßenbahn Nordhausen und die ALSTOM RegioCitadis des RegioTram Kassel genannt, daneben existieren weitere Fahrzeuge bei anderen Verkehrsbetrieben vorwiegend als Arbeitsfahrzeuge.

Wasserfahrzeuge

Verbrennungsmotor und Elektroantrieb

Auch Wasserfahrzeuge werden oft dieselelektrisch angetrieben, ohne elektrischen Energiespeicher oder als Hybridantrieb mit Akkumulatoren. Die niederländischen Halve Maen oder City Supplier werden von Solarzellen und dieselelektrisch angetrieben, die Elektromotoren können auch ausschließlich aus den eingebauten Akkumulatoren gespeist werden.

Verbrennungsmotor und Windkraft

Eine weitere Hybridform sind Schiffe, die sowohl die Antriebskraft von Motoren als auch die Windenergie nutzen.

  • Ein aktuelles Beispiel ist der vollautomatischen Zugdrachenantrieb der Firma SkySails in Ergänzung zum Schiffsdiesel. Ein System, das von der Bremer Reederei Beluga Group erprobt wird.
  • Eine weiteres Beispiel ist der Flettner-Rotor, wie ihn der Windkraftanlagenherstellers Enercon in seinem Transportschiff E-Ship einsetzt.
  • In den 1980er Jahren experimentierte eine japanische Reederei mit 17 Frachtschiffen, die mit Hilfssegeln aus Aluminium ausgestattet waren.[4]

In allen Fällen soll Kraftstoff gespart werden.

Historische Kombination: Windkraft und Dampfmaschine

Robert Fultons 1807 gebauter Raddampfer North River Steam Boat (von späteren Generationen allgemein Clermont genannt) war auch mit Segeln bestückt. Jahrzehntelang waren die Dampfer Hybridfahrzeuge, die immer noch über klassische Segel verfügten. Erst 1889 wurde mit dem von Alexander Carlisle (dem späteren Chefdesigner der Olympic-Klasse) konstruierten 20 Knoten schnellen White Star Liner Teutonic der erste Hochsee-Dampfer ohne jegliches Segel in Dienst gestellt.

U-Boot-Antrieb

U-Boote werden traditionell mit einem Hybridantrieb aus Dieselmotoren, Bleiakkumulatoren und Elektromotoren angetrieben. Ein besonderer Hybridantrieb ist in der U-Boot-Klasse 212 sowie der spanischen S-80-Klasse verbaut, er integriert zusätzlich eine Wasserstoff-Brennstoffzellenanlage.

Hybridrakete

Hybridraketen werden durch chemische Reaktion flüssiger, gasförmiger und fester Stoffe angetrieben.

Flugzeuge mit Mischantrieb

Mischantrieb ist der Antrieb von Flugzeugen mit einer Kombination aus unterschiedlichen Antriebsformen, z. B. Kolbenmotor mit Propeller und Strahltriebwerk.

Zur Gewinnung größerer Reichweiten für Elektroflugzeuge gibt es Bestrebungen auch Hybridflugzeuge zu entwickeln, bei denen ein Verbrennungsmotor nach Erschöpfung des Akkumulators über einen Generator Strom nachliefert. An einem solchen Prototyp arbeitet Konstrukteurslegende Burt Rutan.[5]

Baumaschinen

Bei Baumaschinen gibt es beispielsweise elektrische Hybridantriebe mit elektrischer Maschine die situationsabhängig als Motor oder Generator arbeitet, einem Akkumulator zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie und der Leistungselektronik, sowie den konventionellen Einheiten wie Getriebe, Hydraulikanlage und Dieselmotor.

Maschinenbau

Im Maschinenbau gibt es vielfältige Hybridantriebe, wie den Hochlast-Präzisionsversteller mit Hybrid-Antrieb, der Piezoantrieb und Spindelantrieb verbindet und somit große Verfahrwege mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich erlaubt.

Quellen

  1. Martin Werdich: Stirling-Maschinen. ISBN 3-922964-35-4, S. 101
  2. Klasse B60K 6/42: Struktur des Hybridelektrofahrzeugs
  3. http://www.efs-bs.ch/bionx/Technologie.html
  4. Thomas Lang: Hybrid Zukunft, die schon heute fährt. HEEL Verlag GmbH, Königswinter 2007, ISBN 978-3-89880-825-5, Seite 31.
  5. Jason Paur: Burt Rutan Designs a Hybrid Flying Car, Meldung in Wired vom 18. Juli 2011 http://www.wired.com/autopia/tag/electric-airplane

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Zweikraftlokomotiven – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Commons: Zweikrafttriebwagen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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