Hybridantrieb
Hybridantrieb bezeichnet allgemein die Kombination verschiedener Techniken für den Antrieb. Der Antrieb ist also hybrid.
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.[1]
Hybridfahrzeuge
Ein Hybridfahrzeug ist nach EU-Definition ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben.[2]
In einem Hybridelektrokraftfahrzeug sind ein Elektromotor und meistens ein Otto- oder Dieselmotor die beiden Energiewandler; ein Akkumulator und ein Kraftstofftank oder Gastank sind die beiden Energiespeicher. Es wurden aber auch andere Kombinationen realisiert, z. B. Stirlingmotor mit hydraulischem Antrieb und pneumatischem Akkumulator.[3]
Die einzelnen Motoren können auf unterschiedliche Weise zusammenarbeiten:
- Parallel: Die Antriebe wirken gleichzeitig auf den zu bewegenden Teil.
- Seriell: Nur ein Antrieb wirkt unmittelbar auf den zu bewegenden Teil. Der andere Antrieb stellt Leistung bereit, die umgewandelt und dem direkt wirkenden Antrieb zugeführt wird.
Auch Mischformen sind möglich.
Leistungsverzweigter Hybrid
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 Pflanzenölkraftstoff 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
Ein Elektrofahrrad mit Tretunterstützung ist ein Beispiel für Hybridantrieb. Jedoch handelt es sich nicht um ein Hybridfahrzeug, weil nur der Akku im Fahrzeug eingebaut ist, während die Muskelkraft von außen zugeführt wird.
Elektroräder sind Fahrräder mit zusätzlichem Elektromotor, die variabel von Muskelkraft und Elektromotor angetrieben werden; sie besitzen parallele Hybridantriebe. Einige Antriebssysteme erlauben Bremsenergierückgewinnung.
Einen parallelen Hybridantrieb, bestehend aus einem Elektromotor und einem Pedalantrieb, gibt es sogar bei einem Leichtfahrzeug, 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.
Hybridbus
Hybridbusse werden von verschiedenen Verkehrsunternehmen in Nordamerika und Europa eingesetzt. Mit dem Hybridlinienbus Solaris Urbino 18 Hybrid hat Solaris Bus & Coach im Jahr 2006 den ersten europäischen Bus mit serienmäßiger Hybridtechnologie vorgestellt.
Duo-Bus
Fahrzeuge, die sowohl wie ein Oberleitungsbus mit elektrischer Energie aus einer Oberleitung 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 Wagen beispielsweise beim Trolleybus Freiburg in der Schweiz und beim Oberleitungsbus Boston in den Vereinigten Staaten.
Außerdem besitzen viele Oberleitungsbusse einen zusätzlichen Diesel-Hilfsantrieb, um stromlose Stellen zu überwinden und im Depotbereich manövrieren zu können. Als Alternative für denselben Zweck werden auch Akkumulatoren eingebaut, in diesem Fall spricht man von einer Batterienotfahrt. Da der Hilfsantrieb nur eine langsame Fortbewegung erlaubt, werden Oberleitungsbusse mit Hilfsantrieb nicht als Duo-Busse bezeichnet.
Lastwagen
In Winterthur (Schweiz) verkehrt seit 2013 – vor allem im Stadtzentrum – ein Kehrichtsammelwagen mit leisem Hybridantrieb.[4]
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.
Von den zu DB Regio gehörenden Unternehmen Westfrankenbahn[5] und Erzgebirgsbahn[6] wurden seit Ende 2012 mit einem Hybridantrieb ausgestattete Fahrzeuge der Baureihe 642 erprobt.
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 technisch korrekte Bezeichnung für solche Triebfahrzeuge ist Zweikraftlokomotive oder Zweikrafttriebwagen. Das betrifft auch die konstruktiv Straßenbahnwagen entsprechenden Einheiten 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.
Es gibt ebenfalls Eisenbahn-Triebzüge, die mit Stromabnehmern und Traktionsbatterien ausgestattet sind, um sowohl auf elektrifizierten als auch nichtelektrifizierten (Teil)-Strecken fahren zu können, wie z. B. bei den Siemens Mireo. Allerdings sind alle derartigen Antriebe keine Hybridantriebe, weil es in den Fahrzeugen nur ein Energiespeichersystem gibt. Wegen der im Vergleich zum Straßen- und Seeverkehr einfachen Möglichkeit der Energieversorgung über Fahrleitungen blieben echte Hybridantriebe bei Schienenfahrzeugen reine Nischenprodukte.
Historische Kombination: Verbrennungsmotor und Dampfmaschine
- Siehe Dieseldampflokomotive (Sowjetunion, 1930er Jahre)
Wasserfahrzeuge
Verbrennungsmotor und Elektroantrieb
Auch Wasserfahrzeuge werden oft dieselelektrisch angetrieben, ohne elektrischen Energiespeicher oder als Hybridantrieb mit Akkumulatoren. Die von Scandlines z. B. auf der Vogelfluglinie eingesetzten Fährschiffe verfügen über einen Hybridantrieb.[7] Die niederländischen Halve Maen oder City Supplier werden von Solarzellen und dieselelektrisch angetrieben, die Elektromotoren können auch ausschließlich aus den eingebauten Akkumulatoren gespeist werden. (siehe auch Integrierter elektrischer Antrieb)
Verbrennungsmotor und Gasturbine
Hier werden meist Dieselmotoren für die Marschfahrt verwendet. Zum Erreichen der Höchstgeschwindigkeit werden eine oder mehrere Gasturbinen zugeschaltet. Dabei gibt es mehrere Varianten:
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.
- Ein 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.[8]
In allen Fällen soll Kraftstoff gespart werden.
Nuklearantrieb und konventionell erzeugter Dampf
Der so genannte CONAS-Antrieb wurde bisher nur bei den Schlachtkreuzern der Kirow-Klasse eingesetzt. Das auf einem Rumpf der Kirow-Klasse basierende Kommando- und Aufklärungsschiff Ural (SSW-33) ging nie auf Einsatzfahrt.
Historische Kombination: Windkraft und Dampfmaschine
Robert Fultons 1807 gebauter Raddampfer North River Steamboat (von späteren Generationen allgemein Clermont genannt) war auch mit Segeln bestückt. Jahrzehntelang waren Dampfschiffe wegen des anfangs zu hohen Brennstoffbedarfs und der mangelnden Zuverlässigkeit der Maschinenanlage Hybridfahrzeuge (»Segeldampfer«), die weiterhin über eine vollwertige Takelage verfügten. Erst 1889 wurde mit dem von Alexander Carlisle (dem späteren Chefdesigner der Olympic-Klasse) konstruierten, 20 Knoten schnellen White-Star-Liner Teutonic das erste Hochseedampfschiff ohne Besegelung in Dienst gestellt.
U-Boot-Antrieb
U-Boote werden traditionell mit einem Hybridantrieb aus Dieselmotoren oder 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.
Flugzeuge mit Mischantrieb
Flugzeuge mit Mischantrieb verwenden vorrangig für militärische Zwecke eine Kombination aus unterschiedlichen thermodynamischen Antrieben, z. B. Kolbenmotor mit Propeller und Strahltriebwerk.
Zum Erzielen größerer Reichweiten für akkumulatorbetriebene Elektroflugzeuge gibt es Hybridelektroflugzeuge, bei denen Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen ergänzt sind. Siehe hierzu auch HY4 (Versuchsflugzeug mit Akkumulator und Brennstoffzelle).
Raketen
Bei Raketen versteht man unter einem Hybridantrieb ein Triebwerk, das festen Treibstoff (häufig HTPB) mit einem flüssigen Oxidator wie zum Beispiel Flüssigsauerstoff verbrennt. Diese Technik verbindet die einfachere Handhabbarkeit und längere Lagerbarkeit von Feststoffantrieben mit dem regelbaren Schub von Flüssigkeitsantrieben.
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. Im Bereich der Arbeitsbühnen ist für diese Art von Antrieb auch die Bezeichnung BI-Antrieb geläufig[9].
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.
Einzelnachweise
- Klasse B60K 6/42: Struktur des Hybridelektrofahrzeugs
- Richtlinie 2007/46/EG (PDF), S. 5 Absatz 3 Punkt 14
- Martin Werdich: Stirling-Maschinen ISBN 3-922964-35-4, S. 101
- Ein Brummer auf Samtpfoten in Der Landbote, Winterthur, 5. Juli 2013.
- Hybrid-Desiro der Westfrankenbahn. In: eisenbahnwelt.de. Abgerufen am 3. Januar 2016.
- Jan-Dirk Franke: Erzgebirgsbahn schickt bald ersten Hybridzug auf Testfahrt. In: Freie Presse. 3. November 2015, abgerufen am 3. Januar 2016.
- Michael Meyer: Scandlines setzt voll auf Batterie-Technik. In: Hansa, Heft 12/2015, S. 44–46
- Thomas Lang: Hybrid Zukunft, die schon heute fährt. Heel-Verlag, Königswinter 2007, ISBN 978-3-89880-825-5, Seite 31
- BI-Antrieb im Lexikon von kunze-buehnen.com
Weblinks
- Hybridantriebe: Strukturvarianten, Betriebsstrategien, Vor- und Nachteile
- Hybridantriebe: deutsches Informationsportal zu Hybridantrieben
- Evaluation of the 2010 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive System
- Ausführliche, technische Beschreibung sämtlicher Hybridantriebe