4000 EUR Zuschuss beim Kauf eines neuen Hybrid- oder Elektroautos, das ist doch schon was. Kommt jetzt endlich der Durchbruch bei der Elektromobilität, oder soll man noch auf bessere Batterien warten? Oder vielleicht einen Hybrid kaufen? Wie funktioniert eigentlich ein Hybrid-Antrieb? Natürlich kann man ein Hybridauto fahren, ohne zu wissen, was sich unter der Motorhaube abspielt. Wenn man sich damit aber als besonders umweltfreundlich und zukunftsorientiert präsentieren will, macht man sich leicht lächerlich. Deshalb will ich hier mal ein wenig auf die technische Wirkungsweise eingehen – in einem zweiten Beitrag kommt dann der reine Elektroantrieb dran.

Zwei Motoren in einem Auto

Hybridautos nennt man Autos, die neben dem traditionellen Benzin- oder Dieselmotor noch einen Elektromotor haben, der stark genug ist, um das Fahrzeug auch ganz allein bewegen zu können. Ein Vollhybrid-Auto läuft ausschließlich mit der Energie die im Treibstoff gespeichert ist und lädt damit auch die Batterie auf. Beim Plug-in-Hybridauto kann die Batterie auch über die heimische Steckdose aufgeladen werden. Der Sinn des Ganzen ist, den Treibstoffverbrauch und damit auch die Abgase des Verbrennungsmotors zu verringern. Das wollen wir uns jetzt mal genauer ansehen.

Die Komponenten des Hybridantriebes
Die Komponenten des Hybridantriebes

Fangen wir mit dem Vollhybridauto an. Es hat einen Treibstofftank und eine große Batterie (eigentlich: Akkumulator), und das Auto kann entweder mit dem Verbrennungsmotor fahren oder mit dem Elektromotor, der auch als Anlasser dient. Der Elektromotor wird von der Batterie gespeist, diese wiederum muss über einen Generator aufgeladen werden, der – wie die Lichtmaschine beim konventionellen Auto – vom Verbrennungsmotor angetrieben wird. Der Unterschied zum traditionellen Auto besteht vor allem darin, dass Anlasser, Lichtmaschine und Batterie sehr viel größer und leistungsstärker ausgelegt sind, so dass das Auto über eine begrenzte Strecke auch rein elektrisch fahren kann. Das macht Sinn, wenn man im Stadtverkehr bei häufigem Stop-and-go auf den abgasfreien Elektroantrieb umschalten kann, aber auf Langstrecken nach wie vor die große Reichweite des Treibstoffes zur Verfügung haben will.

Aber den abgasfreien Elektroantrieb hat man nur, weil die Batterie mit dem Abgas produzierenden Verbrennungsmotor aufgeladen wurde. Die Gesamtmenge an Energie, die zur Verfügung steht, bleibt also konstant, sie entspricht dem Treibstoffinhalt des Tanks. Wie soll dabei der Verbrauch und das Abgas verringert werden? Was man im Stadtverkehr durch elektrische Energie einspart, muss doch im Überlandverkehr durch das Laden der Batterie wieder reingesteckt werden? Wird also die Abgasproduktion lediglich vom Stadtverkehr in den Überlandverkehr verlagert?

Auf den Wirkungsgrad kommt es an

Jetzt wird es etwas kompliziert. Wir müssen den Wirkungsgrad der Energieumwandlung einbeziehen. Der Wirkungsgrad, um den es hier geht, ist das Verhältnis von Bewegungsenergie des fahrenden Autos zur im Tank und in der Batterie gespeicherten chemischen Energie. Das ergibt eine Zahl zwischen Null und Eins: Der Wirkungsgrad ist Null, wenn das Fahrzeug steht (keine Bewegungsenergie) und der Motor läuft (es wird Treibstoff verbraucht). Der Wirkungsgrad wäre Eins, wenn die Energie im Treibstoff vollständig in Bewegungsenergie umgesetzt werden würde – das gelingt aber nie, weil immer Wärmeverluste entstehen. In der Realität schwankt der Wirkungsgrad von Benzinmotoren im gemischten Fahrbetrieb zwischen etwa 0,16 und 0,28 (das ist das Gleiche wie: 16 und 28 Prozent), je nach Drehzahl und Belastung. Dieselmotoren sind etwas effizienter und verbrauchen deshalb etwas weniger Treibstoff. Der Wirkungsgrad ist bei hoher Motorbelastung besser, weil das Treibstoffgemisch besser verbrannt wird.

Elektrische Maschinen haben deutlich höhere Wirkungsgrade als Verbrennungsmotoren: Hier kann man von 0,8 bis 0,9 ausgehen, muss allerdings im Auge behalten, dass die elektrische Energie ja auch erst hergestellt werden muss. Strom aus der Steckdose kommt aus Kraftwerken mit Wirkungsgraden von 0,48 (Kohlekraftwerk, Windkraftwerk) oder Wasserkraft (0,8) oder Photovoltaik-Anlagen (0,15).

Und nun der Trick beim Hybridmotor: In den besonders ineffizienten Betriebszuständen, also im Leerlauf, bei sehr langsamer Fahrt und im Stop-and-go Betrieb, schaltet der Verbrennungsmotor aus und der effizientere Elektromotor übernimmt den Antrieb. Wenn es wieder zügiger vorangeht, übernimmt der Verbrennungsmotor und arbeitet in einem effizienten Leistungsbereich, indem er zusätzlich zum Antrieb noch einen mehr oder weniger großen Teil seiner Leistung zum Aufladen der Batterie abzweigt. Auch Bremsenergie kann, nach Umwandlung in elektrische Energie, zum Aufladen der Batterie genutzt werden. Durch diese Nutzung effizienter Motorkennwerte und Vermeidung besonders ineffizienter Betriebszustände können insgesamt geringerer Treibstoffverbrauch und geringere Schadstoffemissionen erreicht werden.

Hummer H3 Hybrid
Hummer H3 Hybrid

„So macht Umweltschützen Spaß“

Hybridmotoren wurden seit den 1990er Jahren in den USA vor allem in den großen SUV eingesetzt. Zielgruppe war die gehobene Mittelklasse, die bereit und finanziell in der Lage war, etwas in „die Umwelt“ zu investieren. „So macht Umweltschützen Spaß“ war ein Ausspruch des kalifornischen Gouverneurs Schwarzenegger, als er seinen mit Hybridmotor ausgestatteten Hummer (ein besonders voluminöser Geländewagen) der Öffentlichkeit vorstellte. Die Treibstoffeinsparung bei den Hybrid-SUV liegt im gemischten Fahrbetrieb bei durchschnittlich 15 – 25%. Bei einem Durchschnittsverbrauch von 15 Liter im reinen Benzinbetrieb ist die Einsparung im Hybridbetrieb also 2,25 bis 3,75 Liter je 100 km – lohnt das den Aufwand und die Mehrkosten? Ein kleineres, sparsames Auto ohne Hybridtechnik würde wesentlich mehr Sprit sparen und wäre wesentlich billiger!

Zusatztreibstoff aus der Steckdose – spart das Kosten?

Die Fahrzeuge mit Plug-in-Hybrid polieren diese Energiebilanz etwas auf, indem die Batterie nicht vollständig während des Fahrbetriebs aufgeladen werden muss, sondern an der Haushaltsteckdose geladen werden kann. Man tankt dann nicht nur Benzin oder Diesel, sondern auch Strom. Ein Liter Benzin enthält etwa 10 kWh Energie und kostet zur Zeit etwa 1,35 EUR. Aus einem Liter Benzin lassen sich mit dem Wirkungsgrad 0,3 etwa 3 kWh elektrische Energie für die Batterie gewinnen. Aus der Steckdose braucht man etwa 4 kWh, um die Batterie mit 3 kWh zu laden. 4 kWh elektrische Energie kosten ab Steckdose etwa 1 EUR, das ist also etwas billiger als Benzin. Trotzdem ist es eine Illusion, zu glauben, man könne die Mehrkosten für den Hybridantrieb über die Treibstoffeinsparung wieder einfahren.

Porsche 918 Spyder mit Hybridtechnologie
Porsche 918 Spyder mit Hybridtechnologie

Taugen Hybridautos dann nur zum Angeben?

Die Hybridautos der Premium-Klasse (Porsche Cayenne Hybrid, Audi Q5 hybrid, BMW ActiveHybrid …) sind reine Prestige-Objekte und zielen vor allem auf den amerikanischen Markt. Ein Hybridmotor im schweren SUV bringt der Umwelt keinen Gewinn, aber er bringt einen zusätzlichen Schub beim beschleunigen, wenn 60 PS Extrapower den Puls hochjagen: „So macht Umweltschützen Spaß“ (Zitat Schwarzenegger). Im Stadtverkehr, also vor allem für Taxis und gewerbliche Fahrzeuge im Kurzstreckenverkehr, reduzieren Hybridfahrzeuge die Abgasbelastung. Auf Überlandstrecken wird weder Treibstoff gespart noch Abgas verringert.

Der innerstädtische Verkehr ist aber auch genau der Einsatzbereich, in denen der reine Elektroantrieb schon jetzt Fuß fasst.

Die deutsche Autoindustrie hatte schon gute Gründe, als sie sich in den 1990er Jahren dafür entschied, nicht in den Hybridantrieb einzusteigen, sondern in den voll elektrischen Antrieb sowie in neue Antriebe wie Brennstoffzellen und Wasserstoff. Die Rechnung ist leider noch nicht ganz aufgegangen: Hybridautos sind vor allem im Luxussektor sehr beliebt, während es um die Brennstoffzellenautos von Mercedes und den Wasserstoffantrieb von BMW erst einmal still geworden ist.

Mehr zum Elektroantrieb beim nächsten Mal.

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Bilder: BMW (1, 2), German Medeot (flickr.com),

Ulrich Graf

Studium der Elektrotechnik/Nachrichtentechnik an der TU München. Nach 6 Jahren Junior-Professur an der Universität Bremen 5 Jahre tätig als Fachgutachter in Entwicklungshilfeprojekten (Schwerpunkt ländliche Energieversorgung und angepasste Technologie), dann wieder Dozent und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Bremen im Lehrerstudiengang Wirtschaft-Arbeit-Technik. Jetzt im Ruhestand, Tätigkeit unter anderem als Gastdozent an der Universität von La Paz / Bolivien.

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