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Hybridantrieb: Mythen und Fakten

Nicht nur an Stammtischen, sondern erstaunlicherweise auch in den gängigen Autozeitschriften und Magazinen, werden uralte Vorurteile und Mythen über den Hybridantrieb verbreitet. Toyota hat vor mittlerweile zwei Jahrzehnten den ersten Prius auf den Markt gebracht und verkauft mittlerweile die vierte Generation – da sollten doch wenigstens die Fachjournalisten verstanden haben, warum und wie der Hybridantrieb eigentlich Benzin sparen kann. Aber der Reihe nach…

TL;DNR: Hybridautos sparen Benzin, wenn man dem System die Freiheit lässt, den Verbrenner möglichst oft im effizientesten Last- und Drehzahlbereich zu betreiben. Das geht vor allem auf hügeligen Landstrassen, aber auch im Stadtverkehr. Rekuperieren trägt unwesentlich zum Spareffekt bei und ist sogar die schlechtere Alternative zu vorausschauendem Fahren. Hybridautos sind einfacher aufgebaut als Diesel, zuverlässiger, und sparsamer. Und sauberer noch dazu.

Mythos: elektrisch Fahren spart Benzin

Als erstes ist es wichtig, sich zu erinnern, dass bei einem normalen Hybrid im Gegensatz zum Plugin Hybrid alle Energie, die zur Fortbewegung genutzt wird, durch den Verbrenner und unter Einsatz von Benzin oder Diesel erzeugt werden muss. Wenn ich nun mein Hybridauto durch Knopfdruck zwinge, elektrisch zu fahren, verbrauche ich indirekt das Benzin, das beim Füllen der Batterie verbrannt wurde. Und ich erzwinge, sobald die Batterie leer oder fast leer gefahren wurde, dass der Verbrenner anspringt und nachlädt, selbst, wenn man ihn ansonsten gar nicht bräuchte, weil man steht oder gemächlich mitrollt. Durch den manuellen Eingriff zwinge ich dem System einen Rhythmus auf, der meistens nicht effizient ist.
Natürlich kann es sinnvoll sein, händisch den elektrischen Modus zu erzwingen – zum Beispiel bei der Schleichfahrt auf den letzten Metern durch’s Wohnquartier in die Garage. Aber sinnvoll heisst nicht gleich sparsam oder effizient.

Mythos: Der Spareffekt kommt aus der Rekuperation von kinetischer Energie. Je mehr ich rekuperiere, desto mehr Energie spare ich.

Die durch Rekuperation gewonnene Batterieladung macht je nach Fahrweise und Streckenprofil nur etwa 15 bis 25% des Spareffekts aus. Woher der Rest stammt, sehen wir uns später an. Ausserdem bedeutet Rekuperation (durch leichtes Bremsen), dass ich eigentlich schneller unterwegs bin, als ich müsste. Das bedeutet, dass ich vorher zu lang oder zu kräftig auf’s Gas gedrückt und somit Energie aufgewendet habe. Weil kein Motor und kein Generator mit 100% Effizienz betrieben werden kann, habe ich somit also zuerst beim Gas geben und dann beim Rekuperieren einen Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Natürlich ist das immer noch besser als konventionell mechanisch zu Bremsen, aber noch besser wäre es, durch vorausschauende Fahrweise und rechtzeitiges Rollen unnötigen Einsatz von Energie und leztendich auch das Rekuperieren zu vermeiden.
Ausnahme: ich finde mich auf einem Berg wieder und kann mich freuen, bergab durch Rekuperation die Batterie wieder zu füllen. Andererseits: wie kommt man auf den Berg, wenn nicht unter Einsatz von Energie?

Mythos: Hybrid spart nur in der Stadt – weil man da viel und oft bremst

Wie gerade besprochen spart Bremsen aka Rekuperieren durchaus nicht Energie. Hybridautos sparen überall dort, wo das Streckenprofil wechselnde Lasten vorgibt. Zum Beispiel auf hügeligen und kurvigen Landstrassen.

Mythos: Hybridautos heulen zuerst auf, und erst dann geht es langsam vorwärts

Hier fallen Gelegenheits-Hybridfahrer einfach nur auf ihre Gewohnheit herein. Bei einem „normalen“ Auto, insbesondere bei einem mit handgeschalteten 5 Gängen, ist eine im Rhythmus der Gangwechsel ansteigende Drehzahl normal und prinzipbedingt. Wenn man das gewohnt ist, erwartet man dieses Auf- und Ab und assoziiert damit Rasanz. Bruuuum – bruuuuum – bruuuum… Besonders schnell ist das aber nicht, da der Motor ja „fast immer“ bei einer Drehzahl läuft, die eben nicht ideal ist – weder in Bezug auf Effizienz noch in Bezug auf maximaler Durchzug.
Weil die Autohersteller das wissen, bauen sie neuerdings Automatik-Getriebe mit 8 oder 9 Stufen ein. Ideal wären noch mehr Stufen, oder besser ein stufenloses Getriebe. In diesem Fall kann das System immer bei der für die jeweilige Sitution optimalen Drehzahl betrieben werden. Zum Beispiel beim Beschleunigen bei eher hoher Drehzahl.
Genau das machen die Hybridfahrzeuge, die mit einem stufenlosen Getriebe ausgestattet sind. Sie fahren beim Abruf von viel Leistung die Drehzahl spontan hoch (und „heulen“, ja). Dabei geht es instantan flott voran, weil der Motor im optimalen Bereich läuft und der zugeschaltete Elektromotor von jetzt auf gleich reichlich Drehmoment zugibt. Man denke auch an ein beschleunigendes Motorboot oder Flugzeug: die Drehzahl geht spontan hoch und bleibt so, bis die Beschleunigungsphase abgeschlossen ist. Und Hybrid-Neulinge fallen auf ihre Hörgewohnheiten herein und empfinden die Beschleunigung als träge, weil die Gangwechsel und Drehzahländerungen ausbleiben.
Nach ein paar Wochen Gewöhnung empfindet ein Hybridfahrer dieses Auf-und Ab und die Gangwechsel schnell als vorsintflutlich und lästig.

Diesel sind genauso sparsam wie Hybride

Das täuscht gewaltig. Die Täuschung kommt zustande, weil Liter Benzin mit Liter Diesel verglichen werden. Diesel enthält aber etwa 20% mehr Energie (Brennwert) pro Liter. D.h. Wenn man die Effizienz des Antriebs anschaut, muss man schon kWh vergleichen, und da sieht der Diesel dann nur sehr wenig besser als ein Benziner aus, aber deutlich schlechter als ein Hybrid.
Der finanzielle Spareffekt hängt ausserdem von den jeweiligen Spritpreisen und damit von der Steuerpolitik ab. Das mag für den Verbraucher interessant und wichtig sein, aber beim Systemvergleich Auto 2.0 gegen Auto 1.0 zählt Effizienz und nicht die Kosten.

Man sollte ein Hybridsystem besser mit einem Diesel statt einem Benziner kombinieren

Siehe oben. Diesel sind in konventionellen Autos kaum sparsamer als Benziner. Bei einem Hybrid kommt aber noch etwas dazu. Dieselmotoren haben folgende Vorteile gegenüber einem Benziner:

  • Mehr Drehmoment, vor allem aus dem Drehzahlkeller. Genau das bieten Elektromotoren aber im Überfluss. Ein Hybrid geht aus dem Stand deutlich besser als ein nackter Benziner.
  • (und hier ist schon das Ende der Liste)

Jetzt zu den Diesel-typischen Nachteilen:

  • Diesel sind schwer, das erhöht den Verbrauch
  • Diesel sind kompliziert: teure Einspritzpumpe, Turbolader, Luftmassenmesser, Harnstoffeinspritzung, Harnstofftank („AdBlue“), Russfilter mit all seinen Problemen.
  • Wegen der höheren Verdichtung braucht es einen stärkeren Anlasser, der wiederum eine grössere Batterie benötigt, die wiederum eine stärkere Lichtmaschine braucht, was alles zusammen nochmal reichlich Gewicht mitbringt.
  • Diesel laufen rauh und etwas zäh.
  • Diesel sind vergleichsweise schmutzig (Stickoxide, Russ/Feinstaub…)

Da sind nicht viele Vorteile übrig geblieben.

Hybridautos sind komplex und anfällig

Hier mal eine Liste von Bauteilen, die ein Hybridauto gar nicht hat:

  • Anlasser
  • Normale Batterie
  • Lichtmaschine
  • Turbo, Luftmassenmesser
  • Hochkomplexe und teure Dieseleinspritzpumpe
  • Harnstoffsystem
  • Russfilter
  • Getriebe (jedenfalls kommen die japanischen Hybride ohne ein hochkomplexes, schweres und teures 8- oder 9-Gang-Getriebe aus).

Na, klingelt’s? Sind das nicht gerade die Aggregate, die gern mal ausfallen und Kosten verursachen? Die Hybride am Markt dagegen zeigen seit zwei Jahrzehnten, dass sie sehr zuverlässig und langlebig sind. Siehe Langzeit-Tests, siehe TüV-Statistik…

Zeit für noch mehr Fakten:

Dazu schauen wir uns im Detail das sogenannte Muscheldiagramm oder auch Verbauchskennfeld an (die abgebildete Version stammt von Wikipedia):

 Verbrauchskennfeld (Muscheldiagramm), Autor 112BKS, Creative Commons BY-SA 3.0

Verbrauchskennfeld (Muscheldiagramm), Autor 112BKS, Creative Commons BY-SA 3.0

Die X-Achse ist leicht zu entschlüsseln: es ist die Drehzahl das Verbrenners. Die Y-Achse misst den Druck, quasi die anliegende Last des Verbrenners; ein Mass dafür, wieviel Gas man gibt. Die Isolinien markieren Zustände gleicher Effizienz. Effizienz bedeutet geleistete mechanische Arbeit pro eingesetzte Energie aus der Verbrennung des Treibstoffs. Natürlich verbraucht ein Motor bei kleiner Drehzahl und geringer Last absolut gesehen weniger Benzin als bei hoher Last und hoher Drehzahl. „Absolut“ meint ausgedrückt in l/100 km. Aber setzt man den Verbrauch in Relation zur Leistung, sind diese Zustände sehr ineffizient. Das Muscheldiagramm zeigt ein Maximum, d.h. einen optimal effizienten Betriebszustand, bei ziemlich hoher Last und mittlerer bis hoher Drehzahl. Das gezeigte Beispiel ist von einem 1.5 l Dieselmotor. Bei einem Benziner wäre das Maximum deutlich zu höheren Drehzahlen verschoben.
Ein konventionelles Auto muss die jeweils angeforderte Leistung instantan aus Benzin und mit dem Motor erzeugen. Das erfordert einen auf die maximal gewünschte Leistung ausgelegten vergleichweise grossen und kräftigen Verbrenner. Und weil man nur sehr selten die volle Leistung abrufen kann und meistens bei konstanter und oft niedriger Geschwindigkeit dahin dümpelt, arbeitet dieser eigentlich viel zu grosse Verbrenner meistens im sehr ineffizienten Niedriglastbereich.
Wie wäre es denn, wenn man den Verbrenner immer im Bereich nahe des Effizienzoptimums betreiben könnte? Dann würde er meistens viel zu viel Leistung erzeugen (wohin damit?). Da bietet es sich an, diese nicht benötigte Leistung zu speichern. Und dann, wenn mal mehr Leistung benötigt wird, wieder aus dem Speicher zu nehmen. Man kann dann auch gleich hergehen und die maximale Leistung des Verbrenners kleiner auslegen, denn bei Bedarf kann ja zusätzliche Leistung aus der Batterie eingesetzt werden. Man spart also gleich dreimal:

  • kleinere Motoren verbrauchen weniger Benzin
  • kleinere Motoren sind leichter und sparen schon dadurch
  • im Hybridsystem kann der kleine Motor immer nahe des Effizienzoptimums betrieben werden und kann, wenn die Batterie gut gefüllt ist, gar abgeschaltet werden

Voilá, da ist der Spareffekt! Jedenfalls überall dort, wo das Wechselspiel zwischen Laden der Batterie durch Überschussleistung und Entladen durch elektrisches Gleiten oder beim starken Beschleunigen durch Zuschiessen von Power aus der Batterie funktioniert. Auf der Autobahn geht das übrigens nicht. Hier muss auch ein Hybrid seine Leistung ad hoc, in real time, erbringen. Deswegen sparen Hybridautos vor allem bei höheren konstanten Tempi auf der Autobahn nicht mehr. Wer also gern lange Autobahnetappen bei hohem Tempo unter die Räder nimmt, ist mit einem Ölbrenner alter Schule wohl besser bedient (und verpasst etwas, ganz ehrlich).

Das nächste Diagramm zeigt die verschiedenen Betriebszustände eines Hybridantriebs:

  • (A): Der Verbrenner erzeugt mehr Leistung (rote Kurve) als der Fahrer gerade abruft (blaue Kurve). Der Überschuss wandert in die Batterie. Der Verbrenner läuft hier nahe des Effizienzoptimums. Ohne Batterie, also in einem herkömmlichen Auto, würde der Verbrenner im ineffizienten Bereich laufen und nur genau soviel Leistung erzeugen, wie gerade gebraucht wird.
  • (B): Der Fahrer gibt Vollgas. Der Verbrenner wird unterstützt durch den Elektromotor (grüne Kurve). Beide zusammen liefern mehr Leistung, als der bewusst klein gehaltene Verbrenner erzeugen kann.
  • (C): Die Batterie ist ausreichend geladen; Es wird nur wenig Leistung gebraucht (blau). Der Verbrenner macht Pause (rot), und das Fahrzeug wird allein durch den Elektromotor angetrieben (grün).

 

Betriebszustände eines Hybridantriebs (c) Ruth Ziethe

Betriebszustände eines Hybridantriebs (c) Ruth Ziethe

Ein zusätzlicher Spareffekt kann erreicht werden, wenn der Benziner im Atkinson-Zyklus betrieben wird. Dabei bleibt der Einlasstrakt auch noch während des ersten Teils der Kompressionsphase geöffnet. So ergeben sich einerseits Spülverluste (das Gemisch wird zurück in den Einlasstrakt gedrückt) und ein deutlich reduziertes Drehmoment, andererseits wird die zur Kompression benötigte Kraft herabgesetzt, was (Kraft mal Weg = Energie) wiederum Sprit spart. Das „fehlende“ Drehmoment steuert der Elektromotor bei. Solche im Atkinson-Tyklus betriebenen Motoren sind in Fahrzeugen ohne Hybridkomponente nicht geeignet, werden aber gern in  Generatoren eingesetzt, wo es auf runden effizienten Lauf und weniger auf maximales Drehmoment ankommt.

Zusammenfassung

Schauen wir noch mal die Mythen oben an und korrigieren sie bei der Gelegenheit:

  • Elektrisch fahren spart Benzin: Ja aber nur, wenn das System selbst entschieden hat, dass nun Zeit ist, den Verbrenner pausieren zu lassen.
  • Rekuperieren spart Benzin: Nur im Vergleich zu einem Nicht-Hybrid, der gar keine Energie zurück gewinnen kann. Bei einem Hybrid: Definitiv nicht. Rekuperieren hält nur den „Schaden“ klein.
  • Hybride lohnen sich nur im Stadtverkehr: Nein, Hybride lohnen sich überall, wo wechselnde Lastzustände ausgenützt werden können, um die Batterie zwischenzuladen und dann wieder ganz oder teilweise zu leeren. Insbesondere hügelige Landstrassen sind toll mit Hybridantrieb.
  • Hybride heulen erst mal auf, bevor es zäh voran geht: Nein, es geht sofort flott voran. Unser an Schaltvorgänge gewöhntes Hirn spielt uns einen Streich und interpretiert das stabile Drehzahlniveau als Stillstand.

Quintessenz: Hybridautos sind ganz schön clever, sparen Sprit und sind zuverlässig. So, und jetzt los schimpfen in den Kommentaren. Aber bitte immer schön höflich, sachlich bleiben. Troll-freie Zone…

2 Kommentare

    • ttha am 12. Juli 2017 um 12:56

    Antworten

    Hallo Karsten,
    bin eben aus dem Priusfreunde Forum heraus auf deinen Blog gestossen. Sehr schöne zusammenstellung der Fakten.
    Ein paar Korrekturen hätte ich aber noch:

    1) Typos:
    * TL;DNR im Anreisser; ist das Absicht, oder sind das Reste des Formatierungscodes?
    * „Diesel entält aber“; da fehlt ein „h“
    * „Turbolader, Lustmassenmesser, Harnstoffeinspritzung“; das sollte wohl eher ein „Luftmassenmesser“ sein 😉

    2) Inhalt
    da gibt es nicht viel, nur ein paar „nice to haves“
    * Soweit ich informiert bin haben auch Hybride einen Luftmassenmesser (sh. auch den Priusfreunde Thread zum RAV4h „Beschleunigung: Problem behoben“ http://www.priusfreunde.de/portal/index.php?option=com_kunena&Itemid=117&func=view&catid=57&id=408826#408826)
    * Bei der Betrachtung zur Auslegung des Benzinmotors im Hybriden könnte man noch den Atkinson Zyklus anführen
    * Bei der Aufzählung der „Vorteile des Dieselmotors“ gibt es nur einen einzigen Punkt, da sollte vielleicht bei „Vorteil“ eher der Singular als der Plural verwendet werden.

    Also wie gesagt, nur Kleinigkeiten.
    Ansonsten finde ich den Blogbeitrag super. Den werde ich bei jeder Gelegenheit als Referenz zum Hybridsystem angeben.

    Grüße
    Thomas (ttha)

    1. Antworten

      Merci für die positive und konstruktive Rückmeldung! Die Typos habe ich korrigiert, wobei ich kurzzeitug versucht war, den Lustmassenmesser zur allgemeinen Erheiterung und zu Ehren des Dr. Freud beizubehalten. Den Atkinson habe ich auch noch eingefügt.

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