Die Kreuzung zweier Antriebe ergibt ein umweltfreundliches Auto

Von Gero von Randow

Die ewig Unzufriedene" – La Jamais Contente – hieß das erste Auto, das schneller als hundert Kilometer in der Stunde fuhr. Das war im Jahre 1899. Die Konkurrenten des Rekordautos wurden von Dampfmaschinen und Benzinmotoren angetrieben, die Siegerin indessen fuhr elektrisch. Elektroautos galten damals als besonders elegant: Leise glitten sie über die Pariser Avenuen, vorbei an schwitzenden und ölverschmierten Chauffeuren, die fluchend unter ihre fossil befeuerten Kraftwagen krochen, weil diese trotz entschlossenen Kurbeins nicht anspringen mochten. Doch in den folgenden Jahren wurden die Benzinmotoren zuverlässiger und stärker als die batteriegetriebenen Maschinen. Gesellschaftsfähig wurden sie im Jahre 1912, als Cadillacs mit elektrischem Anlasser auf den Markt kamen: "Das machte sie zugänglich für die Bedienung durch Frauen", so die altväterliche Formulierung der Encyclopaedia Britannica. Die Herren wiederum erweiterten ihr Balz-Repertoire um den Kavalierstart.

Doch der Elektromotor kommt zurück. Verbrennungsmaschinen verpesten die Stadtluft und machen einen Lärm, den nach einer Umfrage des Umweltbundesamtes mittlerweile sechs Millionen Bürger als "unerträglich" einstufen. Zeit, sich an eine alte Idee zu erinnern: den Hybridantrieb, in dem sich Verbrennungs- und Elektromotor die Arbeit teilen.

Ferdinand Porsche (1875-1951), der später den Volkswagen baute, hatte zu Beginn seiner Karriere batteriegetriebene Autos konstruiert. Die immer stärker werdende Konkurrenz der Benziner wollte er mit einem Wagen abhängen, dessen Elektromotor seinen Strom von einem Generator beziehen sollte, den ein gleichmäßig laufender Ottomotor drehte. Aus dem Plan wurde nichts, weil Porsches Finanzier das Geld ausging. Nicht ganz ein Jahrhundert später kündigte die Neue Zürcher Zeitung voller Stolz an, daß ab Mai 1991 für den "weltweit ersten Großversuch" eine Flotte hybrid betriebener Autos durch die schweizerische Großstadt fahren werde.

Schlappe Batterien

Es gibt serielle und parallele Hybridantriebe. Der Serienhybrid entspricht dem Prinzip von Ferdinand Porsche: Der Verbrennungsmotor treibt einen Generator an, dessen Strom den Elektromotor speist. So funktionieren beispielsweise die dieselelektrischen Antriebe großer Schiffe. Beim Parallelhybrid hingegen sind die Motoren nicht hintereinander, sondern nebeneinander geschaltet; das Auto fährt mit dem batteriegetriebenen Elektromotor, mit dem Verbrennungsmotor oder gar mit beiden gleichzeitig, indem ihre Drehmomente addiert werden. Der Elektromotor kann auch umgekehrt genutzt werden: als Dynamo, der Bewegungsenergie in Strom verwandelt, wenn das Auto bremst.

Elektromotoren sind leise, abgasfrei und unverwüstlich. Doch leider sind ihre Batterien recht schlapp und werden es noch ein paar Jahre bleiben; Elektromobile beschleunigen deshalb langsam und fahren nicht weit. Soll das Auto schneller und weiter fahren, so bleiben Otto oder Diesel vonnöten. Parallelhybriden kombinieren die Vorteile beider Antriebe, so daß das Fahrzeug wie andere auch als Stadtauto und Reisekutsche benutzt werden kann. Das weite Anwendungsspektrum ist nicht nur praktisch, sondern auch nötig, um die umweltfreundlichen Hybriden in Großserien und damit kostengünstig produzieren zu können.

Das Ergebnis eines solchen Kreuzungsversuchs kann in Ingolstadt besichtigt werden. Wer in den hybriden Audi duo steigt, drückt auf die "E"-Taste und fährt mit elektrisch angetriebener Hinterachse in der Stadt umher. Beim Übergang zur Autobahn hält der Fahrer an, schaltet den Elektromotor ab und dreht den Zündschlüssel, um den herkömmlichen Otto- oder Dieselmotor für den Antrieb der Vorderachse anzuwerfen.

Eine einfache Lösung, zusammengebaut aus Standardkomponenten. Das Fahrgestell des Audi quattro sieht ohnehin zwei Antriebsachsen vor. Die Firma könnte sofort mit dem Bau einer kleinen Serie beginnen und sieht sich daher nach Interessenten um. Gemeldet haben sich bereits Taxibetriebe, Botendienste, die Fahrbereitschaft des Hessischen Landtags sowie die amerikanische Armee, deren Personenschutz-Einheiten des Nachts still und leise durch Wohngebiete streifen wollen.

Der Audi duo erfordert einige Geduld. "Der Elektroantrieb reicht zum Mitschwimmen im Stadtverkehr", umschreibt der Pressesprecher das Problem; Hybrid-Fachleute wie Professor Werner Freise (Universität Kaiserslautern) werden deutlicher: "Der duo ist eine Blindschleiche." Seine Spitzengeschwindigkeit beträgt 52 Stundenkilometer, und bis er auf 30 kommt, vergehen mindestens acht Sekunden. Fließt der Verkehr ein wenig zügiger, so wird der Wagen "zum Verkehrshindernis", spöttelt Professor Meinrad Eberle, Leiter des Labors für Verbrennungsmotoren an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETHZ), der zusammen mit der VW-Forschungsabteilung den Großversuch leiten wird.

Die Versuchsflotte wird aus verschiedenen Versionen eines neuen Hybrid-Golfs bestehen. Wie beim alternativen Audi teilen sich auch beim gekreuzten Golf Verbrennungs- und Elektromotor die Arbeit: Benzin für hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten, Strom für kleine Teillasten. Anders als der Audi ist der Golf jedoch ein "Einwellenhybride": Der Verbrennungsmotor ist über eine Kupplung mit dem Elektromotor verbunden, und dieser über eine zweite Kupplung mit dem Getriebe. Eine elektronische Steuerung übernimmt es, zwischen den Antrieben hin und her zu schalten, je nachdem, wie stark der Fahrer auf die Tube drückt. "Wie hoch die Leistungsanteile der beiden Motoren im normalen Stadtverkehr sind, das werden wir nach dem Züricher Versuch wissen", hofft Meinrad Eberle.

Die Ingenieure bei VW haben mit einiger Raffinesse Raum und Gewicht gespart. Sie integrierten die beiden Kupplungen in den Rotor des Elektromotors, das kompakte Gebilde wiegt nur 29 Kilogramm. Die Maschine ersetzt den Anlasser und das Schwungrad des Getriebes, auch die Lichtmaschine entfällt. Um wieviel schwerer der Hybride als ein normaler Golf sein wird, hängt damit nur noch vom Gewicht der Batterie ab. "Das muß nicht viel sein", sagt Eberle, "ich gehe von dreißig bis vierzig Kilogramm Batteriegewicht aus."

Der hybride Golf ist wie geschaffen für eine Produktion in großer Stückzahl: Das Fahrzeug braucht wie andere Golf-Typen nur eine Antriebsachse, und da einige Komponenten wegfallen, ist auch genügend Platz für die zusätzlichen elektrischen Aggregate. Die Hybrid-Version des Golf-Motors, so Adolf Kalberlah, Hybride-Spezialist bei VW, könne einfach in die herkömmliche Karosse eingebaut werden. Lediglich eine spezielle Bodengruppe wäre neu zu entwickeln, in der die Batterie und die Kabel genügend Platz finden.

Der Audi duo und der VW-Hybrid sind reine Parallelhybriden. Ihre Konstrukteure haben kein Zugeständnis an das serielle Prinzip gemacht. Das vor über zehn Jahren konstruierte VW-City-Taxi nutzte noch überschüssiges Potential des Verbrennungsmotors, um mit der Elektromaschine als Generator die Batterien nachzuladen. Es verbrauchte aber zuviel Benzin und demonstrierte damit den Nachteil serieller Hybriden: "Die Kette der Energieumwandlungen ist einfach zu lang", erklärt Meinrad Eberle, "auf dem Weg vom Tank zum Elektromotor geht zuviel Energie verloren." Schließlich muß die mechanische Energie, gewonnen mit dem Verbrennungsmotor, vom Generator erst in elektrische Energie umgewandelt werden, bevor der Elektromotor daraus wiederum mechanische Energie macht, die das Fahrzeug antreibt. Ein weiteres Argument gegen Serienhybriden: Sie brauchen zwei Elektromaschinen, nämlich jeweils einen Generator und einen Elektromotor.

Gary Purcell, der das Hybrid-Projekt des Electric Power Research Institute in Palo Alto (Kalifornien, USA) leitet, findet den Serienhybrid à la Ferdinand Porsche trotzdem interessant: dann nämlich, "wenn ein schwacher Verbrennungsmotor eingesetzt wird, dessen einzige Aufgabe es ist, die Reichweite eines E-Mobils zu erhöhen". Fährt das Elektroauto hauptsächlich kurze Strecken, so lohnt es sich nicht, ständig eine schwere Batterie mitzuschleppen, die nur bei Langstrecken voll genutzt wird. Da ist es schon besser, meint Purcell, einen Mini-Diesel an Bord zu haben, der Strom nachliefert, falls der Saft ausgeht. Der leise und ruhig laufende (im Fachjargon: "phlegmatisierte") Motor könne überdies im Optimum betrieben werden: mit minimalen Abgasen, maximalem Wirkungsgrad oder auch genau dazwischen – jedenfalls entfielen die Lastwechsel, die den Betrieb von Verbrennungsmotoren normalerweise zu einer lauten und giftigen Veranstaltung machen.

So argumentiert auch der Starnberger Physiker Götz Heidelberg. "Sehen Sie sich außerdem einmal die bisherigen Hybriden an", fügt er abschätzig hinzu, "da werden ja mechanische Orgien gefeiert. Statt dessen könnten wir an jedem Rad Elektromotoren befestigen, die elektronisch, also ohne Schaltgetriebe, gesteuert werden. Die Stromversorgung übernähmen eine 200-Kilogramm-Batterie sowie für längere Fahrten ein kleiner Generator. Mit modernen Motoren und Steuerungen ließen sich die Übertragungsverluste sicherlich reduzieren." Seine Firma arbeitet bereits an solchen Antrieben, große Automobilkonzerne sind mit von der Partie.

Energie ins Schwungrad

Der umtriebige Konstrukteur hat außerdem eine geräumige Nische für die Anwendung des Serienhybrids gefunden: Stadtbusse, die immer wieder anfahren und bremsen müssen. In den beiden "Diesel-Elektro-Speicher-Bussen", die zur Zeit in München umherfahren, brummt ein gekapselter Kleindiesel von BMW, der einen Generator betreibt. Dessen Strom versorgt einen Elektromotor. Überschüssiger Strom landet nicht etwa in einer Batterie, sondern in einem Schwungradspeicher. Dieses trickreiche Gerät ist im Prinzip ein Rotor, der mit einem Elektromotor/Generator gekoppelt ist und je nach Bedarf Rotationsenergie aufnimmt oder abgibt. Wenn der Bus bremst, wird die Bremsenergie, hinter der immerhin sechzehn Tonnen Gewicht stehen, ebenfalls dem Schwungrad zugeführt. Noch fahren die beiden Busse ohne Passagiere, denn die TUV-Ingenieure müssen sich mit diesem Dreh erst einmal anfreunden und ein paar Busse aus Götz Heidelbergs Firma kräftig schütteln, umwerfen und gegen die Wand fahren.

Die meisten Hybriden, die zur Zeit entwickelt und erprobt werden, sind keine Exoten. Die Personenwagen wiegen nicht viel mehr als herkömmliche Autos, sind nicht viel komplizierter und fahren sogar etwas billiger. Allerdings werden sie 10 000 bis 20 000 Mark teurer sein, und das Nachladen der Batterien setzt eine neue Infrastruktur voraus. Für die Mehrheit der Autofahrer, die ihren Wagen nicht des Nachts acht Stunden an die Steckdose in einer Garage anschließen können oder wollen, müßte es Schnelladegeräte an Tankstellen sowie Steckdosen an Werks-Parkplätzen und Park-and-Ride-Plätzen geben.

Hybridfahrzeuge könnten die Stadtluft entlasten und die nationale Schadstoffbilanz verbessern. Gewiß, auch der Elektromotor fährt mit Energie, die nicht emissionsfrei zu haben ist. Doch läßt sie sich mit großen Kraftwerken allemal sauberer bereitstellen als mit Millionen kleiner Verbrennungsmaschinen. Nicht ganz so sicher vorauszusehen ist zwar die Wirkung des vermehrten Einsatzes von Elektromotoren auf den CO2-Ausstoß: den hohen Wirkungsgraden, die mit fossil befeuerten Kraftwerken in Zukunft erreicht werden können, stehen die Stromverluste gegenüber, die auf dem langen Weg vom Kraftwerk über die Batterie bis zum E-Motor unvermeidlich sind. "Aber denken Sie an die Zukunft", sagt der Züricher Motorforscher Eberle, "in der wir den Strom vielleicht mit Hilfe der Photovoltaik gewinnen können."