Verbrennungsmotoren bringen Elektroautos weiter

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Hannover, 2. April 2009 – Bei Hybridantrieben wird heute im Allgemeinen zwischen den drei Grundtypen parallel, leistungsverzweigt und seriell entschieden. Während Toyota den leistungsverzweigten Hybridantrieb in großen Stückzahlen im Markt etabliert hat und der Parallelhybrid derzeit an Bedeutung gewinnt, spielt der serielle Hybrid im Automobilbau keine Rolle – noch nicht. Dabei gab es ihn in den Frühzeiten des Automobils schon einmal, der junge Ferdinand Porsche hatte ihn bereits 1901 entwickelt. Als Nachteil des seriellen Hybrids gilt sein ungünstiger Wirkungsgrad, weil der Verbrennungsmotor nur einen Generator betreibt und nicht direkt mechanisch antreibt. Daher muss die Energie zweimal umgewandelt werden, was jedes Mal mit Verlusten verbunden ist.

Reichweitenverlängerer
Dennoch steht der serielle Hybridantrieb vor seiner Rückkehr. General Motors will ihn im Chevrolet Volt 2010/2011 auf den Markt bringen, ein ähnlicher Opel-Ableger soll als Ampera Ende 2011 auch nach Europa kommen. GM spricht ungern von einem seriellen Hybrid, sondern lieber vom Elektroauto mit verlängerter Reichweite. Denn man kann im Regelfall rein elektrisch fahren, der mitgeführte Verbrennungsmotor muss nur aushelfen, wenn die Batterie schwächelt. Für diese Art des seriellen Hybridantriebs hat sich der Begriff Range-Extender etabliert – ein Reichweitenverlängerer also, der möglichst selten zum Einsatz kommt. Besonders für amerikanische Kunden ist das beruhigend, weil sie im Alltag größere Entfernungen gewohnt sind und auch Großstädte oft eine größere Flächenausdehnung haben als in Europa.

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Verbrennungsmotoren bringen Elektroautos weiter (8 Bilder)

Die kompakte Bauform des Wankelmotors prädestiniert ihn für Range-Extender. (Bild: Mazda)

Fiat 500 mit Range-Extender
GM wird wohl das Privileg haben, die ersten Range-Extender in Serie zu bringen. Doch auch an anderen Stellen wird intensiv an dieser Technik geforscht. So hat die Aachener FEV Motorentechnik GmbH im vergangenen Herbst einen umgebauten Fiat 500 vorgestellt, der immerhin 100 km rein elektrisch fahren kann. Das dürfte die meisten Berufspendler völlig zufriedenstellen. GM belässt es bei 60 km, spätestens danach kommt ein Vierzylinder-Benziner zur Hilfe, der in seiner Auslegung als Hubkolbenmotor mit 1,4 Liter Hubraum und Turboaufladung einem normalen Antriebsmotor gleicht.

Verbrennungsmotoren bringen Elektroautos weiter

Die FEV dagegen legt den Fokus noch stärker auf den rein elektrischen Betrieb. Der Elektromotor im kleinen Fiat leistet 45 kW, die Lithium-Ionen-Batterie hat eine Kapazität von 12 kWh. Das Range-Extender-Modul ist extrem kompakt dimensioniert. Es umfasst einen kleinen Wankelmotor mit 20 kW Leistung, der im Bedarfsfall – also bei zu geringer Batterie-Restenergie – zum Leben erwacht. Dabei treibt er den Generator an, um die Batterie im Fahrbetrieb nachzuladen, oder direkt Strom an den Antriebs-Elektromotor zu liefern. In diesem Fall ersetzt er die Batterie als Stromlieferant. An den genannten Leistungswerten lässt sich erkennen, dass im Range-Extender-Betrieb nicht die volle Motorkraft zur Verfügung steht, aber dafür kommt man immerhin 300 km weit – mit Nachtanken natürlich noch weiter.

Skalierungsfragen
Die zwei unterschiedlichen Ansätze von GM und der FEV zeigen, dass ein serieller Hybrid völlig unterschiedlich ausgelegt werden kann. Wie Batterie, Elektro- und Verbrennungsmotor dimensioniert werden, hängt auch von der vorgesehen Anwendung ab. Doch es gibt noch ganz andere interessante Fragen: Ist es zum Beispiel wirklich sinnvoll, einen konventionellen Antriebsmotor einzusetzen, wie es GM vorhat? Oder sind möglicherweise andere Motorenkonzepte sinnvoll – wie der Wankelmotor beim FEV-Prototyp? Und wie sollte man eigentlich die Komponenten auslegen, damit das Kosten-Nutzen-Verhältnis stimmt? Diese und weitere Fragen stellten wir Dr. Christoph Bollig, der bei der FEV Motorentechnik GmbH die Forschung leitet. Dabei erhielten wir zum Teil überraschende Antworten …

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„Im Range-Extender ist der Verbrennungsmotor völlig anders belastet als man das bisher kennt”

Herr Dr. Bollig, der serielle Hybrid erlebt derzeit ein erstaunliches Revival. Dabei gilt er im Vergleich zu anderen Hybridantrieben als wenig effizient …
Der serielle Hybrid hat beim Wirkungsgrad tatsächlich einen deutlichen Nachteil. Daran wird man auch nicht viel ändern können, weil die Energie zweimal gewandelt werden muss. Bei einem Parallelhybrid ist das anders, weil hier der Verbrennungsmotor nicht einen Generator antreibt, sondern parallel zum Elektromotor das Fahrzeug. Allerdings soll der Range-Extender ja in der Regel rein elektrisch fahren, sodass die Frage nach dem Gesamtwirkungsgrad nicht entscheidend ist. Wenn man davon ausgeht, dass der Verbrennungsmotor zu etwa zehn Prozent des Fahrzeuglebens als „Reichweitenverlängerer“ dient, rückt der Kraftstoffverbrauch etwas in den Hintergrund.

Es liegt nahe, dass ein Motor, der quasi stationär läuft, ganz anders ausgelegt wird als ein Antriebsmotor. Welche Anforderungen muss denn ein Verbrennungsmotor für Range-Extender erfüllen?
Ich will das am Beispiel des Fiat 500 erläutern, den wir zum Elektrofahrzeug mit Range-Extender umgebaut haben. Er soll vor allem rein elektrisch in der Stadt fahren können, denn das dürfte zunächst die Hauptanwendung sein. Vor einem reinen Elektroauto schrecken aber viele Kunden zurück, weil sie auf kleine Reichweiten festgelegt werden. Es muss also ein Hilfsaggregat vorhanden sein, damit man im Ausnahmefall noch voran kommt. Das Paket aus Generator und Verbrennungsmotor muss klein sein, wenig wiegen und eine gute Akustik bieten. Diese Anforderungen könnte aus unserer Sicht ein Wankelmotor erfüllen.

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Der Wankelmotor gilt nicht gerade als sparsam ...
Der Verbrauch ist wie gesagt nur dann entscheidend, wenn der Motor häufig benötigt wird. Dann allerdings ist aufgrund des schlechteren Wirkungsgrad der serielle Hybrid ohnehin nicht die beste Wahl. Für längere Strecken kommen andere Hybridkonzepte infrage, bei denen die Batterie kleiner ausgelegt wird und dafür der Verbrennungsmotor kräftiger – und bei denen rein elektrisches Fahren nicht absolut im Vordergrund steht. Für mich ist übrigens der VW TwinDrive ein gutes Beispiel – für meine Begriffe ein sehr cleveres und nicht einmal besonders aufwendiges Konzept. Er kann ja beides: sowohl seriellen als auch parallelen Betrieb.

Dennoch wird man auch Motoren für Range-Extender sparsam auslegen wollen. Ist es denn möglich, den Verbrauchsnachteil des Wankelmotors zu mildern, wenn man ihn nur auf einen bestimmten Betriebsbereich optimiert?
Das wird uns sicherlich gelingen. Da der Motor beim Range-Extender möglichst im Bereich des besten Wirkungsgrads betrieben wird, kann man ihn auf einen engen Betriebsbereich optimieren. So werden wir wohl zumindest einen Teil des Verbrauchsnachteils kompensieren können. Ein relativer Nachteil wird aber bleiben, denn dieses Optimierungspotenzial gibt es natürlich auch beim Hubkolbenmotor. Der Wankel hat einen Nachteil, den er einfach nicht los wird – das ist seine ungünstige Brennraumform.

Außerdem müsste man einen Wankelmotor völlig neu konstruieren. Wäre es nicht naheliegend, auf bewährte Technik zurückzugreifen, zum Beispiel Boxermotoren, die schon als Zweizylinder einen guten Massenausgleich bieten – oder vielleicht sogar Zweitakter, die wenig wiegen und einfach konstruiert sind?
Der Boxermotor wäre tatsächlich eine Möglichkeit, der Zweitakter wahrscheinlich eher nicht. Er ist wegen hoher Emissionen mittlerweile kaum noch zu vertreten, selbst aus dem Kartsport sind Zweitakter weitgehend verdrängt. Ich glaube deswegen nicht, dass er noch große Chancen hat. Dennoch wird man aufgrund des eingeschränkten Betriebsbereichs beim Range-Extender-Betrieb und vor allem wegen der Möglichkeiten der Direkteinspritztechnik auch den Zweitakter noch einmal genauer betrachten. Und es stimmt, der Wankelmotor ist nicht ganz billig, weil man nicht wie beim Hubkolbenmotor auf bestehende Komponenten zurückgreifen kann. Konventionelle Hubkolben zum Beispiel werden in riesigen Stückzahlen gefertigt, das ist beim Kreiskolben für nicht der Fall – andererseits kommt dem Wankelmotor aber auch zugute, dass er unterm Strich deutlich weniger Teile hat.

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Sie sprachen zu Anfang des Gesprächs die Akustik an. Warum ist diese beim Range-Extender so wichtig?
Das Fahrzeug mit Range-Extender soll ja normalerweise elektrisch fahren. Der Verbrenner springt nur an, wenn die Batterien geladen werden müssen oder absehbar ist, dass der Restenergiegehalt der Batterie für die geplante Fahrstrecke nicht mehr ausreicht. Sie müssen sich das einmal praktisch vorstellen: Sie fahren elektrisch vor sich hin, plötzlich springt der Verbrennungsmotor an. Das Geräusch passt nicht zum aktuellen Fahrerlebnis des Fahrers und irritiert vielleicht sogar Passanten. Deswegen ist die akustische Optimierung in der Entwicklung eine der schwierigsten Herausforderungen.

Kommen auch Motorenkonzepte infrage, die bisher gar keine Rolle im Fahrzeugbau spielen?
Prinzipiell sind auch Motoren denkbar, die wenig spontan sind, zum Beispiel der Stirling-Motor. Man weiß ja beim seriellen Hybrid, wann die Batterie geladen werden muss, und dieser Vorgang kann bei weitgehend konstanter Drehzahl erfolgen. Bis dahin kann der Motor also in aller Ruhe anlaufen und steht dann rechtzeitig bereit, um im Bereich seines besten Wirkungsgrades zu laufen. Der Stirling-Motor hat übrigens auch den Vorteil, für verschiedene Kraftstoffe geeignet zu sein. Denn bei einer externen Verbrennung ist es egal, welchen Kraftstoff man verbrennt. Prinzipiell kann ich mir das durchaus vorstellen.

Woran liegt es, dass man sich in der Automobilindustrie so schwer tut, solche Ansätze zu verfolgen?
Die Automobilindustrie ist eine relativ konservative Industrie, und dafür gibt es auch nachvollziehbare, wirtschaftliche Gründe. Man möchte auf vorhandenen Produkten und Einzelteilen aufbauen; diese Skaleneffekte braucht man einfach, um konkurrenzfähig zu bleiben. Bei völlig neuen Motorkonzepten funktioniert das natürlich nicht. Erst durch die aktuelle Krise beginnen einige, auch etwas exotische Ideen wieder aufzugreifen – mit durchaus hohem Risiko, denn keiner weiß genau, was am Ende dabei herauskommt.

Zurück zum Range-Extender, der ja eigentlich in erster Linie ein Elektroauto sein soll: Was bedeutet es eigentlich für den Verbrennungsmotor, wenn er nicht ständig in Betrieb ist?
Er ist natürlich völlig anders belastet als man das bisher von reinen Antriebsmotoren kennt. So ein Motor springt plötzlich an und wird dann vielleicht drei Wochen nicht mehr gebraucht. Oder manchmal läuft er nur kurz, wird kaum warm und ist dann schon wieder aus. Es gibt also ganz neue Probleme im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit, die noch gelöst werden müssen. Wir werden zum Beispiel viele Kaltstart-Tests machen müssen, weil bei kaltem Motor unter anderem ungünstige Schmierungsverhältnisse gegeben sind – übrigens führen häufige Kaltstarts auch zu deutlich höheren Emissionen. Oder es könnten nach häufigem Kurzbetrieb des Motors, der nicht zum Erreichen der normalen Betriebstemperatur führt, Versottungsprobleme auftreten.

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Auch der Startvorgang selbst ist nicht ganz einfach: Wir schleppen den Motor mit dem Generator erst einmal auf eine Drehzahl, die durchaus höher liegen kann als die übliche sonst Leerlaufdrehzahl. Es gibt also eine Menge Neuland. Deswegen ist es eigentlich kaum realistisch zu glauben, dass diese Fahrzeuge nächstes Jahr auf den Markt kommen – man hätte Liegenbleiber und eine Menge Rückrufaktionen, das wäre sehr kontraproduktiv für die Akzeptanz dieser neuen und vielversprechenden Technologie.

Das sieht General Motors aber anders, und will den Volt schon Ende 2010 auf den Markt bringen ...
Nicht nur beim Range-Extender ist es so, dass die meisten Hersteller jetzt erst einmal in Feldversuche gehen. Das geht auch nicht anders, weil man einfach mit zu vielen ungeklärten Fragen konfrontiert ist. Wenn der ein oder andere von Serienanläufen im Jahr 2010 oder 2011 redet, ist das für meine Begriffe sehr ambitioniert, wobei es natürlich ein Unterschied ist, ob man einen bereits bekannten Vierzylindermotor oder einen Exoten wie einen Wankelmotor als Range-Extender verwendet.

Auch die Batterietechnik steht ja erst am Anfang. Einmal provokativ gefragt: Könnte man nicht mit den guten alten Bleibatterien anfangen, um überhaupt erst einmal einen Einstieg zu finden?
Nein, für Elektroautos oder Elektroautos mit Range-Extender brauchen wir moderne Batterietechnik. Ich komme noch einmal zurück auf unseren kleinen, umgebauten Fiat 500: Er wiegt etwa 1000 kg, für eine Strecke von 100 km benötigen wir 12 kWh im Stadtzyklus. Bleibatterien erreichen zurzeit etwa 25 Wh pro Kilogramm, NiMh-Batterien liegen bei etwa 70 Wh/kg und Li-Ion-Batterien vielleicht bald bei etwa 150 Wh/kg. Mit anderen Worten: In unserem kleinen Stadtauto wäre eine Bleibatterie schlicht zu schwer und selbst NiMh bereits problematisch. NiMh wird allerdings bei Mild- und Vollhybriden weiter seine Berechtigung haben, denn die Technik ist günstig und bewährt. Vor allem die Japaner haben große Praxiserfahrungen, die sie noch eine Weile nutzen werden.

Reichen denn eigentlich die Rohstoffe für neue Batterietechnik aus, zum Beispiel das Lithium?
Beim Lithium geht man zurzeit von Reserven um 15 Millionen Tonnen aus, von denen etwa die Hälfte nutzbar ist. Da sehe ich eigentlich kein Problem. Allerdings könnte noch der ein oder andere Engpass auftauchen, den man bisher überhaupt nicht auf der Rechnung hatte, zum Beispiel beim Kupfer: Wenn man davon ausgeht, dass im großen Maßstab Elektroautos gebaut werden, braucht man für die Wicklungen der Elektromotoren, für die Kabel etc. sehr viel Kupfer – und die Vorräte sind durchaus endlich.

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Könnte sich nicht ohnehin die Stimmung wieder in Richtung zu Verbrennungsmotoren drehen, falls es gelingt, fossile Kraftstoffe zu substituieren, ohne die Nahrungsmittelproduktion zu beeinträchtigen?
Das ist prinzipiell möglich. Ich persönlich glaube allerdings, dass die Elektrifizierung sich trotzdem durchsetzen wird, weil es immer mehr Metropolen gibt und die Forderungen nach lokaler Null-Emission eine große Rolle spielen wird. Und noch etwas sollte man nicht unterschätzen: Als ich mein erstes Diesel-Fahrzeug mit Direkteinspritzung bekam, so vor etwa 15 Jahren, war ich richtig stolz – es war en vogue, so ein Fahrzeug zu haben. Dabei ging es nicht nur um rationale Fragen wie die Kraftstoffkosten auf langen Strecken, sondern auch um Image, Drehmoment usw. Diesen „Drive“ hat der Dieselmotor aber verloren, und daran werden auch alternative Kraftstoffen voraussichtlich nichts ändern. Bei der Elektrifizierung könnten wir einen ähnlichen Effekt haben wie damals beim Diesel mit Direkteinspritzung: Das ist hip, das ist green, das ist sexy. Ich glaube, dieser Aspekt hat einen nicht zu unterschätzenden Einfluss und wird die Elektrifizierung vorantreiben.

Welche Chancen hat denn der Verbrennungsmotor überhaupt noch?
Es wird schwierig, in großen Stückzahlen Fahrzeuge zu verkaufen, die nur sehr begrenzte Reichweite von zum Beispiel 100 km haben, dann wieder an die Steckdose müssen oder einen Batteriewechsel benötigen. Auch zukünftig werden wahrscheinlich vor allem Fahrzeuge verkauft, die mindestens 250 km oder weiter kommen. Da die Batterietechnologie auf absehbare Zeit aber teuer sein wird, wird man versuchen, mit kleinen Batterien auszukommen. Und dann braucht man eben ein Zusatzaggregat – in der ersten Stufe werden das Verbrennungsmotoren bleiben. Außerdem lässt sich auch beim konventionellen Antrieb mit Otto- und Dieselmotoren, vor allem in Verbindung mit elektrifizierten Getrieben, noch einiges an Effizienz herausholen. Ich glaube, der Verbrennungsmotor wird uns noch mindestens 20 Jahre begleiten.

Vielen Dank für das Gespräch! (ggo)