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München, 25. Januar 2013 – Genügend gemeinsame Erfahrungen haben Bosch und PSA Peugeot Citroën durchaus, immerhin haben sie bereits drei Hybridfahrzeuge miteinander entwickelt. Doch nun wollen die beiden Entwicklungspartner das Graphit, die Lithium-Metalloxide und die Elektrolyte gegen Stickstoff, die Kabel gegen Hydraulikleitungen und die E-Maschine gegen eine Pumpe tauschen. Der von Bosch „hydraulisch“ genannte Antrieb nutzt statt eines chemischen Akkus einen Druckspeicher, in dem die Bremsenergie in Form hydraulisch komprimierten Gases gespeichert wird. Der leistungsverzweigte Hybridantrieb, Bosch nennt das „Powersplit-Konzept“, soll den Antrieb des Fahrzeugs konventionell mechanisch, rein hydraulisch oder mit einer Kombination beider Antriebsarten ermöglichen. Wie beim elektrischen Hybrid soll dadurch der Verbrennungsmotor bei niedriger Last in einem verbrauchsgünstigeren Betriebspunkt betrieben sowie rein hydropneumatisch angefahren und kurze Strecken sollen emissionsfrei zurückgelegt werden können. Daraus ergeben sich laut Bosch CO2-Sparpotenziale von durchschnittlich 30 Prozent im neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) und bis zu 45 Prozent in einem rein städtischen Fahrzyklus.

Aus der Schublade

Die Blaupausen für diesen etwas anderen Hybridantrieb liegen schon in den Schubladen bei Bosch, denn bereits seit 2008 bewährt sich der hydraulische Hybridantrieb im Lieferverkehr, Bussen und in Baumaschinen so erfolgreich, dass er seit 2010 vermarktet wird. Mit dem „Hydrostatisch Regenerativen Bremssystem“ (HRB) hat Bosch Rexroth nach eigener Auskunft die „Vorteile von Hybridkonzepten mit der hohen Leistungsdichte hydraulischer Speicher für den wirtschaftlichen Einsatz in Nutzfahrzeugen“ verbinden können. Der Chef der Forschungsabteilung bei PSA Peugeot Citroën, Guillaume Faury, kündigt nun marktreife Kleinwagen mit einem ähnlichen Antrieb bis 2016 an. Bei PSA heißt die Technologie „Hybrid Air-System“, was wegen der Betonung auf „Air“ (Luft) genauso halbrichtig oder halbfalsch ist wie der Name bei Bosch-Rexroth, der den hydraulischen Zweig als Namensgeber benutzt. Natürlich könnte man Luft als Speichermedium benutzen, tatsächlich ist es reaktionsträger Stickstoff, der die Oxidation im System verlangsamt. Beim herunterskalieren der Technologie, die ursprünglich in Maschinen großer Industrieanlagen eingesetzt wurde, sieht Bosch folgende Vorteile: „Grundsätzlich lässt sich diese Technik mit allen konventionellen Antrieben kombinieren. Mit dem hydraulischmechanischen Antriebssystem kann ein kostengünstiger, robuster und servicefreundlicher Hybridantrieb realisiert werden, der keine spezielle Infrastruktur erfordert und weltweit einsetzbar ist“. Zunächst soll das Konzept im Kleinwagen-Segment eingesetzt werden, ist aber auch für weitere Pkw-Segmente sowie leichte Lieferfahrzeuge im städtischen Verkehr geeignet.

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Physik statt Chemie

Ob elektrisch oder hydraulisch – der Aufbau eines Hybridsystems mit Antrieb, Steuerung der Leistungsaufteilung zwischen Antrieb und Verbrennungsmotor, Energiespeicher und deren Verbindung sind im Prinzip gleich. Unterschiedlich sind aber wichtige Komponenten wie Energiespeicher und Leistungsbereitstellung. Gewohnt ist man vom elektrischen Hybrid eine E-Maschine zur Umwandlung der Bewegungs- in elektrische Energie beim Bremsen und Ausrollen. Umgekehrt setzt sie den Strom beim Anfahren in Bewegung um. Gespeichert wird die Energie bekanntermaßen chemisch – in einem Akku.

Analog dazu erfolgt die Energieumwandlung bei einem hydraulischen Hybrid durch eine Pumpe, Bosch spricht von einer „Axialkolbeneinheit“. Das ist eine Bauform, die prinzipiell wie ein Taumelscheiben-Kolben-Verdichter einer handelsüblichen Auto-Klimaanlage aufgebaut ist, aber höhere Kräfte und Drücke verträgt. Im Prototypen von PSA ist die Pumpe mit dem Automatikgetriebe verbunden und setzt beim Ausrollen oder Bremsen mittels Hydraulikflüssigkeit Stickstoff in einem so genannten Hydraulikspeicher unter Druck. Das Bremsmoment dabei wird an den Fahr- und Speicherladezustand über das eingestellte Fördervolumen an der Pumpe angepasst.

Beide Medien, das federnde Gas und die nicht komprimierbare Hydraulikflüssigkeit, sind in diesem Speicher durch eine Membran voneinander getrennt. Das Gas verhält sich wie eine Feder und lässt sich unter Energieeinsatz zusammendrücken. Die so gespeicherte Energie kann man über die Hydraulikflüssigkeit wieder abrufen, sobald sie benötigt wird. Im PSA-Prototyp gibt ein hydraulischer Motor die Kraft über das Automatikgetriebe in den Antrieb ab. Die Leistungsverzweigung im Getriebe ermöglicht in Verbindung mit einer intelligenten elektronischen Steuerung der Energieflüsse die verschiedenen Betriebsarten konventionell mechanisch, rein hydraulisch oder die Kombination aus beidem. Ein Unterschied des PSA-Prototypen zum HRB ist die Trennung von Pumpe und Hydraulikmotor.

Volle Blase

Eine E-Maschine im herkömmlichen Hybridfahrzeug und der Kompressor im hydropneumatischen sind vergleichbar schwer, allerdings ist der Druckspeicher leichter als ein Akku. Monsieur Faury sagt, der hydropneumatische Hybridantrieb für einen Kompaktwagen wird etwa 100 kg wiegen, also nur rund die Hälfte eines elektrischen. Zudem soll er weder im Kofferraum noch im Passagierabteil Platz kosten, wie das ja bei den Speichern elektrischer Hybridfahrzeugen bisweilen der Fall ist. Die Blasenspeicher erinnern in ihrer Größe an die Tanks in Erdgasfahrzeugen. Der äußerst simpel aufgebaute Zylinder (stellen Sie sich eine stählerne Gasflasche mit einem kräftigen Elastomerballon im Inneren vor, daher auch der Name „Blasenspeicher“) kostet zudem nur den Bruchteil eines Stromspeichers. Im Prototypen sieht man zwei Druckbehälter, einen langen längs eingebaut und einen kurzen hinten quer. Der Grund: Um bei kleiner Druckdifferenz ein möglichst großes Flüssigkeitsvolumen entnehmen zu können, wurde hier das Gasvolumen der Blase im langen Tank durch einen nachgeschalteten Stickstoffbehälter vergrößert.

Da er im Gegensatz zu Akkus zyklenfest ist, kann er ermüdungsfrei fast beliebig oft ge- und entladen werden, dank seiner Temperaturstabilität büßt er bei Kälte keine Kapazität ein wie ein elektrischer Speicher und muss daher weder gekühlt noch beheizt werden. Der Wirkungsgrad liegt laut Bosch Rexroth je nach Auslegung, Fahrzeug und Fahrzyklus bei rund 60 Prozent und damit fast doppelt so hoch wie bei der chemischen Energiespeicherung, bei der viel Energie durch die mehrfache Umwandlung verlorengeht. Weitere Vorteile des Druckspeichers: Für die Produktion von Akkus und Elektromotoren werden exotische Materialien wie Seltenerdmetalle (Neodym als Bestandteil der Dauermagnete in der E-Maschine oder Lanthan für NiMh-Akkus) benötigt. Zudem müssen die leistungsfähigen Lithium-Ionen-Speicher gut geschützt werden, damit es bei Unfall, Kurzschluss oder Fehlsteuerung nicht zu einer selbst verstärkenden chemischen Reaktion – dem sogenannten "thermal runaway" – kommen kann, bei dem es zu einem nur schwer löschbaren Brand kommt.

Eine Frage der Kapazität

Ein elektrischer Hybrid bietet hohe Energiedichte bei niedriger Leistungsdichte. Aufgrund ihres vergleichsweise hohen Innenwiderstands können Akkus nur eine begrenzte Bremsleistung speichern, das aber über eine längere Strecke. Er ist aus dem gleichen Grund nicht perfekt für Anfahrvorgänge geeignet, dafür aber in der Lage, Energie bei geringerer Leistung über einen längeren Zeitraum zu liefern – was eine Unterstützung des Verbrennungsmotors bei Konstantfahrt und rein elektrisches Fahren über weitere Strecken ermöglicht. Zudem kann er ungenutzte Motorleistung rekuperieren.

Ein hydraulischer Hybrid dagegen bietet hohe Leistungsdichte bei niedriger Energiedichte. Sein Innenwiderstand ist minimal, seine Stärke daher die häufige, kurzzeitig zyklische Speicherung von Energie bei hohen bis höchsten Leistungen. Das prädestiniert das System für den Stadtverkehr mit seinen tendenziell heftigeren Brems- und Anfahrvorgängen. Die meiste Energie kann hier gespart werden, wenn der Anfahrvorgang vollständig mit der gespeicherten Energie ablaufen und sofort danach für die (relativ langsame) Konstantfahrt auf den Verbrennungsmotor zurückgegriffen werden kann.

Favorit im Schwergewicht ...

Dieser Vorteil wächst mit dem Gewicht des Fahrzeugs, weil die elektrische Speicherung bei großen Fahrzeugen extrem große Akkus bedingen würde. Ein Beispiel: Das HRB an einem Berliner Müllsammelfahrzeug hat zwei Blasenspeicher mit jeweils 32 Liter Gasvolumen und einem maximalen Speicherdruck von 325 bar. Die Einzelkomponenten wiegen rund 500 kg. Damit erreicht es eine Speicherkapazität von lediglich 0,15 kWh, steuert beim Beschleunigen allerdings das gewaltige Drehmoment von 1113 Nm zu. Diese Energie reicht aus, um den Müllwagen mit stehendem Motor aus dem Stand heraus 150 Meter weit zu schieben. Dann ist der Speicher leer. Rexroth schreibt: „Der hydraulische Hybrid HRB ermöglicht die maximale Energieeinsparung bei hoher Fahrzeugmasse, starkem, aktivem Verzögern zur Speicherung von viel Energie in kurzer Zeit, häufigem Anfahren und Bremsen sowie geringem Rollwiderstand, um ein Maximum der Bremsenergie zu speichern“. Das passt bestens zum Müllsammelbetrieb, in dem pro Schicht jeder Lkw durchschnittlich rund 300 mal beschleunigt und wieder anhält, und das bei einem Gewicht von 17 bis 25 Tonnen je nach Beladung.

... aber für Stadtflitzer?

Bei leichten Kleinwagen sieht es naturgemäß anders aus. Wenn man mal vom Systemgewicht im Müllauto mit 500 kg und den von PSA für einen Kleinwagen veranschlagten 100 kg ausgeht, kommt man rechnerisch auf ganze 0,03 kWh, die in einem Kleinwagen maximal zwischengespeichert werden können – nach Adaption und Verfeinerung vielleicht das Doppelte, also 0,06 kWh. Zum Vergleich: Der Toyota Yaris Hybrid, ebenfalls ein Kleinwagen, kommt bereits mit einem vergleichsweise schwachen NiMh-Akku auf eine Kapazität von 0,9 kWh. Bosch und PSA muss also eine grundlegende Adaption des HRB gelungen sein. Das wird auch aus der hohen Effizienz ihres "Powersplit-Konzepts“ mit drei Antriebsarten ersichtlich: PSA verspricht für den Citroën C3, der mit seinem 1-Liter-Dreizylinder mit 68 PS normalerweise 4,4 l/100 km verbraucht, einen auf nur 2,0 l/100 km verbesserten Wert im Stadtverkehr, wo der Antrieb 60 bis 80 Prozent der Zeit mit gespeichertem Druck fahren soll und 2,9 l/100 km im NEFZ. Das wären nur 69 g/km Kohlendioxid.

Die Hydropneumatik wird trotz Betriebsarten-Mix wohl eher Spezialist für den Stadtverkehr werden. Man kann sich jedenfalls nur schlecht eine Funktion wie das "Segeln" denken, die bei Autobahntempo den Verbrenner abstellt und rein elektrisch über Kilometer die Geschwindigkeit hält. Dieses Extrem-Kunststück beherrschen zwar nur ein paar sehr gut motorisierte Elektrohybride. Dennoch werden sich sogar kleine Hybridautos vom Schlage eines Yaris vergleichsweise als Generalisten mit zusätzlicher Landstraßen-Eignung erweisen, weil sie dank größerer Kapazität nicht nur weitere Strecken elektrisch zurücklegen, sondern auch auf längeren Bergabstrecken rekuperieren können. Aber diese Betrachtung, bitte, ist reine Spekulation auf Basis der bisher veröffentlichten Daten.

... und wo ist Ihre Hydrauliksteckdose?

Der hydraulische Hybrid hat verschiedene Vorteile gegenüber einem elektrischen, etwa einen höheren Wirkungsgrad, geringere Kosten, weniger Gewicht, eine lange Lebensdauer. Damit ist er möglicherweise auch der Alternative "Schwungradspeicher" überlegen. Allerdings wird er seine Vorzüge am besten im Stadtverkehr mit vielen kurzen Beschleunigungsphasen ausspielen können. Das ist wahrscheinlich die Domäne, in der er sich zunächst am leichtesten etablieren könnte – künftige Verbesserungen nicht ausgeschlossen. Eines allerdings wird Ihnen auch der beste hydropneumatische Hybridantrieb nie bieten können: Eine mit dem Plug-In-Hybrid vergleichbare Ladefunktion. Oder haben Sie vielleicht eine 300-bar-Hydrauliksteckdose zu Hause? (fpi)