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Alternative Antriebe

Welcher Antrieb löst den Ottomotor ab?

Foto: Mercedes-Benz 16 Bilder

Klar ist nur eines: Der vertraute Anblick unter den Motorhauben unserer Autos wird sich wandeln. Doch die Wege zu einer umweltschonenden Antriebs-Technologie der Zukunft sind vielfältig. Eco-Drive gibt einen Ausblick auf die möglichen Alternativen.

05.01.2010 Klaus-Ulrich Blumenstock

Der Rettungsschirm für die Mobilität der Zukunft, für Versorgungssicherheit in Sachen Energie und Treibstoff oder gar für das globale Klima ist reich an Alternativen. Noch nie standen so viele Antriebstechnologien in der Diskussion wie derzeit. Und dennoch: der Verbrennungsmotor wird auch die kommenden zwei bis drei Dekaden als Antriebsquelle dominieren.

Antriebstechnik von Morgen 5:12 Min.

Diesel- und Benzinmotoren sollen noch effektiver werden

Allerdings wird er nicht der bleiben, der er heute ist - ebensowenig wie er heute ist, was er früher war. Dabei lohnt der Rückblick beispielsweise auf die Entwicklung des Dieselmotors: Waren die Eckdaten eines VW Golf GTD mit 1,6-Liter-Motor, 70 PS, 133 Nm und einem Verbrauch von acht Liter/100 km im Jahr 1982 beeindruckend, wirkt er gegenüber einem hubraumgleichen TDI von 2009 (105 PS, 250 Nm und 4,5 Liter) geradezu antiquiert - und das bei einer Reduzierung der Schadstoffemissionen von über 90 Prozent. Moderne Common-Rail-Direkteinspritzung sowie eine Fülle von Detailverbesserungen haben es ermöglicht. Kein Wunder, dass Bernd Bohr, Chef des Unternehmensbereichs Kraftfahrzeugtechnik bei Bosch, vom Ende in der Entwicklung nichts wissen will: "Für den Diesel ebenso wie für den Benziner sehen wir noch erhebliches Effizienzpotenzial."

Diesotto - Diesel-und Benzinmotor in einem

Als Bausteine beim Benziner nennen Experten vor allem Downsizing mit Turboaufladung sowie eine strahlgeführte Benzin-Direkteinspritzung. Beim Dieselmotor sollen noch höhere Einspritzdrücke und eine kennfeldgenau an den Verbrennungsverlauf angepasste Einspritzung ("rate shaping") für weitere Einsparungen sorgen. Aufgabe der Motorenentwickler für die kommenden Jahre ist es zudem, nach Möglichkeit die Vorteile beider Brennverfahren zusammenzuführen. Es hat daher mehr als symbolische Bedeutung, wenn der im Forschungsauto F700 erstmals präsentierte Motor von Mercedes den Namen Diesotto erhielt. An den unter dem Sammelbegriff HCCI (Homegeneous Charge Compression Ignition) summierten Brennverfahren arbeiten Ingenieure weltweit. Diese homogene Kompressionszündung im Teillastbereich soll Benzinmotoren zu dieselähnlichen Verbräuchen bei stark minimierten Stickoxid-Emissionen verhelfen.

CCS-System von VW benötigt dieselähnlichen Kraftstoff

GM-Entwickler Uwe Grebe verspricht sich vom GM-HCCI-Konzept Verbrauchseinsparungen bis zu 15 Prozent. Eine vergleichbare Entwicklung treibt VW unter dem Begriff CCS (Combined Combustion System) voran, benötigt dazu jedoch maßgeschneiderten, dieselähnlichen Kraftstoff. Obwohl sich diese optimierten Brennverfahren bislang noch in keiner Serienanwendung finden, haben sie erste Priorität unter den Alternativen, da der Verbrennungsmotor, wie erwähnt, bis auf weiteres unverzichtbar bleibt. Interessant sind solche Verbrennungskonzepte auch wegen ihrer Flexibilität: Durch permanente Überwachung des Brennraums mit Hilfe von Drucksensoren lassen sich HCCI-Motoren praktisch mit einem beliebigen Mischungsverhältnis von Benzin und/oder Ethanol füttern. Das reduziert nicht nur die aktuelle Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, sondern ebnet auch den Weg für künftige, auf Bio-Ethanol basierende Kraftstoffe. Vor allem in solchen Bio-Kraftstoffen der zweiten Generation, bei denen die gesamte Biomasse verwertet werden kann, sehen Experten künftig eine spürbare Entlastung fürs Klima, wenn auch zumindest anfangs kaum zu wirtschaftlichen Bedingungen.

Motoren können auch mit Gas gefüttert werden

Günstiger sieht das - schon wegen der steuerlichen Entlastung - bei den gasförmigen Alternativkraftstoffen für Verbrennungsmotoren aus. Ohne gravierende Änderungen lassen sich  wahlweise auch mit Erdgas (CNG) oder Autogas (LPG) füttern. Mit Blick aufs Klima haben die Gas-Alternativen, die heute gebräuchlicher Stand der Technik sind, zwar Vorteile, CO2- neutral sind sie wegen ihrer fossilen Herkunft allerdings nicht. Lediglich die Erdgas-Hauptkomponente Methan ließe sich auch als Biogas aus Zersetzungsprozessen gewinnen - ein Verfahren, das jedoch aufwendig und kaum für einen Einsatz in großem Stil tauglich ist. Zudem ist Methan, wenn es unverbrannt in die Atmosphäre gelangt, ein äußerst wirksames Treibhausgas, 20 bis 30 Mal wirksamer als CO2.

Mikro-Hybride sollen Kosten sparen

Da der Verbrennungsmotor zumindest bis auf weiteres unverzichtbar ist, lässt sich Sprit auch dadurch einsparen, dass man ihn eine Nummer kleiner wählt und ihn in friedlicher Koexistenz mit einem Elektromotor und einer Speicherbatterie zusammenarbeiten lässt. Denn ineffizient ist der Verbrenner vor allem dort, wo E-Motoren ihre Stärke haben: beim Anfahren und im Teillastbereich. Solche Hybride gibt es inzwischen in einer Fülle von Spielarten mit Vor- und Nachteilen ganz unterschiedlicher Ausprägung. Generelles Manko bei der Kombination zweier Motorkonzepte ist der zusätzliche technische und damit finanzielle Aufwand. Ihn in engen Grenzen zu halten ist eine Zielsetzung von Mikro-Hybriden, die sich neuerdings als Start-Stopp-Systeme zunehmender Verbreitung erfreuen. Entweder riemengetrieben oder als Ritzel-Starter ausgelegt, sorgen drei bis fünf kW starke Elektro-Aggregate für schnellen Start von Motoren, die in Stillstandsphasen automatisch abgeschaltet wurden. Daraus ergibt sich ihr Haupt-Spareffekt. Der bemisst sich im genormten Verbrauchszyklus in der Größenordnung von rund drei bis vier Prozent, kann allerdings im extremen Stauverkehr verstopfter Innenstädte durchaus um den Faktor zwei oder drei steigen, vor allem dann, wenn begrenzt auch Bewegungsenergie zurückgewonnen wird, was jedoch nur in der riemengetriebenen Auslegung möglich ist.

Mild-Hybride sparen besonders im Stau Kraftstoff

Daraus ergibt sich eine klare Priorität solcher kostengünstiger Systeme für den urbanen Verkehr. Je länger die Standphasen, desto größer der Spareffekt: Diese grundlegende Erkenntnis gilt natürlich auch für Mild-Hybride, bei denen Elektromotoren von etwa zehn bis 20 kW Leistung den Verbrenner in seinen ineffizientesten Phasen - also im leerlaufnahen bis mittleren Drehzahlbereich - unterstützen. Immer häufiger etabliert sich in diesem Anwendungsfall die platzsparende Verbindung zwischen E-Aggregat und Kurbelwelle. Weil der Elektromotor zugleich Starter und Generator ist, ergeben sich zusätzliche Spareffekte durch das Rückführen von Bewegungsenergie in die Batterie, sobald das Fahrzeug ausrollt oder bremst.

Zusammen kann sich das auf 15 bis 18 Prozent summieren - je nach Einsatzprofil. Vollhybride gehen in ihrem Leistungszuschuss (etwa zwischen 30 und 60 kW) und damit auch der Batteriegröße noch einen - kostspieligen - Schritt weiter. Entscheidender Unterschied zu den Mildhybriden bei diesem Konzept ist die Möglichkeit mehr oder weniger kurzer, rein elektrischer Fahrstrecken. Die haben oft zwar eher symbolischen Charakter, dennoch sind mit solch aufwendigen Konzepten Einsparpotenziale bis zu 25 Prozent und mehr drin. Vor allem natürlich im Stop-and-go-Verkehr, auf gleichmäßig gefahrenen Langstrecken liegt der Spareffekt nahe Null.

Opel Ampera oder Mercedes Blue Zero mit Range Extender

Wenn Autoexperten die verschiedenen Varianten des Hybridantriebs als Brückentechnologie beim allmählichen Übergang zum Elektroauto ansehen, dann stehen so genannte Plug-in-Hybride oder auch jene Reihen-Hybride in Form eines Range Extenders (Reichweiten-Verlängerung) bereits näher beim Elektroantrieb. Hybrid-Pionier Toyota plant noch 2009 die Einführung der bereits seit einiger Zeit in Feldversuchen erprobten ersten Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge. Mit dem Einsatz energiereicherer Lithium-Ionen-Batterien, die sich auch über Steckdosen aufladen lassen, sollen sich die Einsatzstrecken noch weiter zu einer in etwa verdoppelten elektrischen Reichweite verschieben. Der Benzinmotor greift dann nur noch bei niedrigem Ladestand helfend ein. Noch einen Schritt weiter gehen Reihenhybrid-Konzepte (Range Extender) à la Opel Ampera oder Mercedes Blue Zero E-Cell Plus, bei denen Elektromotor und Batterie für Reichweiten von 50 bis 70 Kilometer gut sind.

Hohe Kosten verhindern Wettbewerbsfähigkeit

Dem Konzept liegt die Erkenntnis zugrunde, dass 80 Prozent der täglichen Fahrstrecken kürzer als 60 Kilometer sind und demnach mit einer aus der Steckdose entnommenen Batterieladung abgedeckt werden könnten. Um das Auto dennoch nicht auf solche Elektroreichweiten zu beschränken, ist ein Generator an Bord, der im Bedarfsfall von einem kleinen, mit Benzin oder Bio-Ethanol gespeisten Verbrennungsmotor bewegt wird. Eine mechanische Verbindung zum Antrieb besteht demnach nicht mehr, Generator und Motor sind sozusagen als Hilfseinrichtung zur Bekämpfung eventueller Reichweitenängste vorgesehen. So soll der Opel Ampera, wenn er denn wie geplant 2011 auf den Markt kommt, seine Reichweite auf über 500 Kilometer erweitern. Notwendig sind solche Umwege nur, weil der Energieinhalt der Batterien und damit rein elektrische Reichweiten trotz aller technologischer Fortschritte nach wie vor der limitierende Faktor sind. Der andere sind die derzeit zu hohen Kosten, die einer Wettbewerbsfähigkeit zum herkömmlichen Auto im Wege stehen.

Eine Batterie kostet mindestens 8.000 Euro

Bei Bosch geht man bei einer angestrebten Mindestreichweite von 200 Kilometern davon aus, dass selbst bei optimiertem Stromverbrauch eine Batteriekapazität von etwa 35 Kilowattstunden benötigt wird. Mit der heute verfügbaren Technik würde das dann einen gut 250 Kilogramm schweren Lithium-Ionen-Akku voraussetzen. Das klare Entwicklungsziel der nächsten Jahre heißt also Energiedichte steigern und Gewicht verringern - und natürlich auch die Batteriekosten. Die werden selbst in einigen Jahren noch zwischen 8.000 und 12.000 Euro liegen, schätzt Bernd Bohr und sieht deshalb das dringende Gebot von Großserienproduktion im Rahmen von Kooperationspartnerschaften. Für Bosch scheint sich das auszuzahlen. Das mit Samsung eingegangene Joint Venture SB LiMotive trägt jetzt Früchte, der erste Kunde heißt BMW.

Besonders in China wird die Entwicklung stark gefördert

Wie andere Hersteller streben auch die Münchner bis spätestens in sechs Jahren die Serienproduktion eines Megacity Vehicles an, denn trotz des Reichweiten-Handikaps erwachsen dem Elektroauto aus dem globalen Trend zu weiterer Urbanisierung neue Chancen. Bis 2015 werden mindestens 60 Megastädte auf Einwohnerzahlen von mehr als fünf Millionen anwachsen - vorwiegend im asiatischen Raum. Kein Wunder also, dass man speziell in China die Entwicklung von E-Autos stark vorantreibt. Die Mobilitätsbedürfnisse in solchen Metropolregionen - kurze Wegstrecken und lokale Abgasfreiheit - lassen es aus chinesischer Sicht attraktiv erscheinen, stärker in eine Technologie auf aufsteigendem Ast zu investieren als auf konventionelle Konzepte.

Nur BMW und Mazda setzten auf Wasserstoff

Damit verlagert sich allerdings die Frage der Stromerzeugung, ihrer Effizienz und ihrer Folgen für das Klima in die Kraftwerke. Denn weitgehend klimaneutral ist die Stromerzeugung nur bei der Nutzung regenerativer Quellen wie Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft. Davon ist man in Deutschland mit einem regenerativen Anteil am Primärenergieverbrauch von gut sieben Prozent allerdings weit entfernt, weltweit insgesamt noch viel weiter. An dieser Erkenntnis kommen auch die Verfechter einer Wasserstoff-Zukunft nicht vorbei, die in dem Gas spätestens nach dem Ende des Erdölzeitalters einen finalen Energieträger sehen, der zudem vor Ort ohne Schadstoffe und klimarelevante CO2-Emissionen wäre. Für die Nutzung von Wasserstoff eröffnen sich zwei Richtungen: Molekularer Wasserstoff (H2) ist brennbar und erlaubt es daher, damit den Verbrennungsmotor direkt zu füttern. Mit dieser Vorstellung stehen allerdings BMW und Mazda ziemlich allein. Als technologischer Mainstream gilt der zweite Weg, die Verwertung von Wasserstoff im Brennstoffzellen- Antrieb.

Brennstoffzellenautos sind momentan viel zu teuer

Theoretisch hat das Gespann Brennstoffzelle plus Elektromotor gegenüber dem Verbrennungsmotor einen deutlichen Wirkungsgrad-Vorsprung. Zudem fallen dem Brennstoffzellen-Auto weitere Effizienz-Vorteile in den Schoß, da sich in Verbindung mit einer Speicherbatterie Bremsenergie rekuperieren lässt. Das Reichweitenproblem reiner Elektroautos lässt sich mit dem Brennstoffzellen- Antrieb sicherlich entschärfen. Aber da ist dann noch das Speicherproblem, das sowohl Geld als auch Wirkungsgradpunkte kostet. Denn der H2-Energiegehalt ist unter atmosphärischen Bedingungen nicht berauschend, weshalb das Gas durch Abkühlung auf minus 253 Grad verflüssigt oder auf meist 700 bar komprimiert und in Drucktanks gespeichert werden muss. Dass Brennstoffzellenautos, obwohl technisch inzwischen von hoher Reife, auch zum geplanten Start der Mercedes B-Klasse F-Cell noch viel zu teure Kleinserienprodukte sind, macht ihre Einführung aber nicht einfacher. Skeptiker gehen daher von einer echten Großserienfertigung nicht vor dem Jahr 2025 aus.

Bis dahin gilt es jedoch, noch einige entscheidende Fragen zu klären - zum Beispiel die einer funktionierenden Wasserstoff-Infrastruktur. Oder jene einer umweltgerechten Erzeugung des Energieträgers, die bisher bei der Gewinnung aus Erdgas wahrlich nicht gegeben ist. Und sie wäre es auch dann nicht, würde man Wasserstoff beim derzeitigen Kraftwerksmix mit einem Wirkungsgrad von 36 Prozent per Elektrolyse gewinnen. Kritiker halten den Wasserstoff-Umweg ohnehin für viel zu verlustreich, denn - so rechnen sie vor - die Wirkungsgradkette wäre im rein batterieelektrischen Betrieb mindestens um den Faktor drei günstiger als via Brennstoffzelle. 

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