Alternative Antriebe und alternative Kraftstoffe

Zahlreiche Gründe sprechen für Alternative Antriebe: die Abhängigkeit vom begrenzten Rohstoff Öl und der rasch wachsende Verkehr mit den zwangsläufig steigenden Emissionen sind wohl die wichtigsten.

Zudem beeinflussen zahlreiche Vorgaben die Suche nach dem optimalen Antrieb. Meilensteine sind durch die EU-Kommission und die Selbstverpflichtung der Automobilindustrie festgeschrieben: 2005 greift die Euro-IV-Norm und bis zum Jahr 2008 will die Automobilindustrie die Kohlendioxydemission pro gefahrenem Kilometer im Flottenverbrauch von jetzt 200g auf unter 140g drücken. Dieses Ziel versuchen die Automobilingenieure mit unterschiedlichen Systemen zu erreichen.

Verschiedene Hybrid-Antriebe

So genannte Hybrid-Antriebe unterteilen sich in parallele und serielle und verbinden die Vorteile von zwei Antriebssystemen, beispielsweise Elektro- und Dieselmotor. Beim parallelen Hybrid sind Elektro- und Verbrennungsmotor mechanisch mit den Antriebsrädern gekoppelt, sie können einzeln aber auch gleichzeitig genutzt werden. Vorteil: beide Motoren können klein und ohne Leistungsverlust ausgelegt werden.

Parallelhybrid aussichtsreich

Der serielle Hybridantrieb schaltet die Energiewandler – ohne direkten Anschluss an die Antriebsräder – in Reihe: Der Motor treibt den Generator an, der Strom für die Fahrt oder an die Batterie liefert. Seit Jahren beschäftigt sich das Institut für Kraftfahrwesen der Technischen Hochschule in Aachen mit der Entwicklung von Hybridfahrzeugen. Geschäftsführer Professor Henning Wallentowitz: „Die Tendenz geht ganz klar hin zum Parallelhybrid.“

Toyota Prius erster Serienhybrid

Das weltweit erste Parallel-Hybridfahrzeug in größerer Stückzahl ist der Toyota Prius. Sein Antriebsmanagement gliedert sich in: rein elektrisches Rollen bis etwa 20 km/h, normales Fahren, boostern, Bremsrückgewinnung und Batterie laden. Etwa 30.000 DM kostet der Wagen in Japan, nächstes Jahr steht er auch in europäischen Showrooms. Ende des Jahres will auch Honda mit dem zweisitzigen Coupe J-VX auf den europäischen Markt. Er hat einen Benzinmotor, der von einem Elektromotor unterstützt wird. Ebenfalls zum Jahresende soll der Multipla Ibrida bei Fiat die Hybrid-Generation einläuten, der erste europäische Groß-Serienwagen mit Hybridantrieb.

Fiat startet mit Ecodriver

Ganz auf Hybrid setzt deshalb die Fiat Entwicklungsabteilung: in drei Jahren soll das System „Ecodriver“ serienreif sein, mit dem bis zu 30 % Kraftstoffersparnis möglich sind. Ecodriver steht als Kürzel für „Energy Conversion and Driveline Efficient Reengineering“. Das heißt: während der Fahrt wird Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die dann beim Beschleunigen, während der Fahrt oder zum Laden der Batterie zur Verfügung steht. Technisch stellt Ecodriver eine Kombination aus einem Verbrennungs- und Elektromotor dar. Generell deuten zunehmende Umweltprobleme darauf hin, dass der Hybridantrieb sich bei den Käufern durchsetzen kann.

Zulieferer entwickeln neue Elektromotoren

Null Emissionen lassen sich im Straßenverkehr – nach heutigem Stand – nur mit reinem Elektroantrieb erreichen. So entwickeln auch die Zulieferer Elektromotoren, die als Fahrzeugantriebe genutzt werden können. Beispielsweise erprobt Mannesmann Sachs Antriebskomponenten für Elektro- oder Hybridfahrzeuge in einem Opel Astra ‚Impuls‘. Den parallelen Hybridantrieb testet man im Sachsenring Uni 1 und im Renault Hymne. Zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe ist dazu eine Sachs-Synchronmaschine integriert, die entweder als Elektromotor oder als Generator arbeiten kann.

Sachs entwickelt Transaxle

Beim seriellen Hybridantrieb, der beispielsweise in der Mercedes C-Klasse ‚Hybridantrieb‘ und im Renault ‚Vert‘ erprobt wird, wandelt ein Generator die mechanische Energie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie um, mit der ein Sachs-Transaxle an der Achse angetrieben wird. Alternativ auch möglich: ein reiner, völlig emissionsfreier Elektroantrieb. Der Transaxle-Antrieb ist eine Kombination von Elektromotor, Untersetzungs- und Ausgleichsgetriebe in einer kompakten Baueinheit. Einsatzgebiet: in Klein- und Mittelklasse-Fahrzeugen mit Elektro-, seriellem Hybrid- und Brennstoffzellen-Antrieb.

Ist die Brennstoffzelle der Antrieb der Zukunft

DaimlerChrysler setzt dagegen ganz auf die Brennstoffzelle. Mit der kleinen A-Klasse, die fünf Sitzplätze hat, gelang es DaimlerChrysler ein Serienfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb auszustatten. Das NECAR 4 wird mit Flüssigwasserstoff angetrieben, in Serie produziert soll Methanol zur Stromerzeugung dienen. Das Auto schafft Tempo 145 und bis zu 450 Kilometer weit. Nächstes Ziel: der Methanol-Prototyp NECAR 5 mit Mini-Reformereinheit, der kaum noch von einem normalen Serienmodell unterscheidbar sein wird. Ab 2004 laufen dann jährlich 100.000 Brennstoffzellen-Autos vom Band.

DaimlerChrysler produziert seriennahe Modelle

Bis es soweit ist, begnügt man sich mit Prototypen. Auf der Los Angeles Autoshow präsentierte DaimlerChrysler das Concept Car „Jeep Commander“ mit Brennstoffzelle: Allerdings läuft der Jeep derzeit noch mit elektrischem Antriebsstrang, der Brennstoffzellenantrieb fehlt noch. Bis Ende des Jahres soll ein funktionsfähiger mit Methanol gespeister Brennstoffzellen-Hybridantrieb im Jeep präsentiert werden.

Auch Brennstoffzellenautos brauchen Kat

Auch die Zulieferfirmen engagieren sich vermehrt mit DaimlerChrysler: Die BASF beispielsweise will einen Katalysator für das methanolbetriebene Elektroauto „Necar“ weiterentwickeln und vermarkten. Ein Vertrag mit der DBB Fuel Cell Engines sei unterzeichnet. Der Katalysator erzeugt aus Methanol Wasserstoff, der von Brennstoffzellen in Strom für den Motor umgewandelt wird. Bei dem neuen Projekt soll unter anderem die Lebensdauer des BASF-Katalysators verlängert und die Verträglichkeit gegen unterschiedliche Methanolqualität vergrößert werden.

Benzin als Kraftstoff für die Brennstoffzelle

Gleichzeitig arbeitet DC auch mit der Deutschen Shell zusammen, um Benzin für den Brennstoffzellenantrieb nutzbar zu machen. Gegenüber dem „normalen“ Benzin verträgt der Brennstoffzellenantrieb jedoch nur ein spezielles, wesentlich reineres. Dies ist heute noch nicht an deutschen Tankstellen vorhanden.

Weltweite Flottenversuche mit Bussen

Geht es um den praktischen Einsatz konzentriert sich die Aufmerksamkeit der Ingenieure momentan vor allem auf eine verbesserte Antriebstechnologie und auf Alltagstests mit Linienbussen in Chicago und Vancouver. Wie Brennstoffzellen-Experte Ferdinand Panik auf der Tagung des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) zum Thema „Innovative Fahrzeugantriebe“ referierte, ist 2004 auch mit der „breiten“ Markteinführung für Busse zu rechnen. An die erste Phase mit insgesamt 7 Fahrzeugen schließt sich jetzt das Versuchsprogramm mit 27 Bussen an. Sie werden in der Phase 4 in den nächsten zwei Jahren für kleine Flottenversuche gebaut. Die geplanten 120 Busse in 2002 und 2003 sind dann Vorseriefahrzeuge.

Auch Skoda testet Busse

Laut einer Bloomberg-Meldung arbeiten die tschechische Skoda Pilzen AS „“ nicht identisch mit Skoda Auto a.s. – und DaimlerChrysler/Ballard bei der Vermarktung von Brennstoffzellen-Bussen zusammen. Skoda liefert Chassis, Karosserie und Steuersysteme für die neuen elektrischen Busse, Ballard die Brennstoffzelle. Skoda, das nach eigenen Aussagen einen Weltmarktanteil von 60% am Trolleybusmarkt hat, könnte die ersten Busse im Jahr 2000 in Vancouver fahren. Bei erfolgreichem Test soll Skoda pro Jahr 50 Busse nach Vancouver liefern.

Wasserstoffverbrennung bereitet noch Schadstoffprobleme

Antriebe und Kraftstoffe müssen aber als Gesamtsystem optimiert werden. „Da die Mineralölindustrie beispielsweise im Bereich Schwefelgehalt von Otto- und Dieselkraftstoffen nicht in die Gänge kommt, gilt es parallel intensiv mit alternativen Energieträgern zu arbeiten“, meint Klaus-Dieter Vöhringer, Entwicklungs-Vorstand von DaimlerChrysler. DaimlerChrysler erprobt nicht nur die Brennstoffzelle, sondern auch als eigenständiges System – mittlerweile über fast eine Million Kilometer – den Wasserstoff-Verbrennungsmotor. Wasserstoff bietet die Chance für einen generell umweltfreundlichen, insbesondere C02-freien Fahrzeugbetrieb. Problematisch sind Stickoxid-Emissionen, mangelnde Verfügbarkeit, fehlende Infrastruktur sowie die Speicherung des Wasserstoffs. Gegen den großflächigen Einsatz von Wasserstoff spricht auch die geringe Reichweite der Fahrzeuge.

BMW hat die Nase bei Wasserstoff vorn

Auch BMW steigt in den Wasserstoff-Markt ein. Mit verflüssigtem Wasserstoff (LH2) erreicht man bei einem Tankinhalt von 140 Litern Reichweiten bis zu 400 Kilometer. Seit Mai diesen Jahres ist am Flughafen München eine öffentliche Wasserstoff-Tankstelle in Betrieb. 20 Hydrogen-Limousinen sollen im Alltag erprobt werden. Das 34-Millionen-Mark-Projekt soll in zwei Jahren Erkenntnisse zum Wasserstoffbetrieb liefern. Als weltweit erster Hersteller präsentierte BMW schon 1995 dem 316g compact und dem 518 touring zwei Erdgasautos in Serie. Derzeit experimentiert BMW mit verflüssigtem Erdgas: Liquied Natural Gas (LNG). Da die Reichweite dreimal höher als bei komprimiertem Gas sein soll, benötigt man keinen Benzinmotor mehr.

Weltweit Erdgasautos im Einsatz

Erdgasoptimierte Fahrzeug haben heute den höchsten Entwicklungsstand: Weltweit sind annähernd eine Million Autos unterwegs, davon allein in Deutschland fast 4000. Nachteil: Nur rund einhundert Tankstellen in Deutschland. Und auch die Gasspeicherung ist problematisch, was geringe Nutzlast und Reichweite bedeutet. Vorteile: Erdgas stellt 20 Prozent der weltweit verfügbaren Energiereserven dar und verursacht 20 Prozent weniger Kohlendioxid-Emissionen als Benzin oder Diesel. Für Erdgasfreunde bietet der Gesetzgeber Steuervorteile bis zum Jahre 2010.

Volvo und Fiat mit Serienautos in Deutschland

Auf mehr Erdgasfahrzeuge setzt auch Fiat, die auf dem Topmarkt Italien über hohe Anteile verfügen. So bietet Fiat mit dem Multipla Bipower und dem Multipla Blupower zwei Kompaktvans an. Auch Volvo fährt erfolgreich mit Erdgas. Der V70 Bi-Fuel schafft mit einer Gasfüllung 250 Kilometer. Die knapp zwanzig Kilogramm Erdgas kosten etwa 20 DM. Der 140 PS (103 kw) Motor beschleunigt im Gasbetrieb den 1,6-tonner in elf Sekunden auf 100, Spitzengeschwindigkeit 195 km/h. Preis: knapp 60.000 DM.

Berlingo Dynavolt von Citroen mit neuem Konzept

Liquied compressed Gas (LPG) – ein Flüssiggas-Gemisch aus Butan und Propan. Es fällt meist als Nebenprodukt in der Mineralölindustrie an und ist in den Benelux-Staaten weit verbreitet. Ein interessantes Konzept stellt die Studie des Citroen Berlingo Dynavolt dar. Grundlage des Concept Car ist der Berlingo Electrique mit Elektroantrieb, der in der Dynavolt-Variante zusätzlich über einen Flüssiggas-Hilfsantrieb (GPL) verfügt.

Kurbelwellen-Start-Generator liefert zusätzliche Energie

Das Energiesteuerungssystem regelt über verschiedene Funktionen Elektromotor, Hilfsaggregat, Batterien. Vorwiegend für Stadtfahrten ist ‚Citelogic‘ gedacht: Im Elektrofahrzeug-Modus schaltet sich der GPL-Hilfsantrieb erst bei etwa 70 km/h zu oder bei einem definierten Lastbetrieb. Damit steigt die Reichweite des Elektroautos von 80 km auf 150 km. Im ‚Autologic‘-Modus steuert der GPL-Hilfsmotor bis zu einer Reichweite von 260 km. Die Notfunktion ‚Secours‘ erlaubt selbst das Fahren bei komplett entladener Batterie, mit einer Höchstgeschwindigkeit von 60 km/h. Das Hilfsaggregat ist mit einem Kurbelwellen-Start-Generator ausgerüstet, der bei geringem Platzbedarf die thermische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die Citroen-Kombination (Elektro und Hilfsaggregat) scheint eine interessante Alternative zu sein.

Methanol viel versprechend

Methanol könnte der Stoff der Zukunft für Brennstoffzellenantrieb werden: geringe Kohlenwasserstoff-Emissionen und etwa 10 Prozent weniger Kohlenmonoxid bei der Verbrennung. Nachteil: bei der Herstellung des Methanols aus Erdgas, Kohle oder Schweröl treten Energieverluste von 30 bis 50 Prozent auf.

Ethanol in Brasilien erfolglos

Vor allem in Brasilien sollte Ethanol den Siegeszug antreten, erwies sich aber als unwirtschaftlich. Derzeit wird er nur nach angeboten in Mischungen von 20 bis 25 Prozent Ethanol im Benzin.

Taxiflotten erproben RME

Ein anderer erprobter Biokraftstoff ist Rapsölmethylester. Großversuche mit Taxiflotten ergaben: Rapsölmethylester kann in allen modernen Dieselmotoren nahezu problemlos eingesetzt werden. Die Rußemission liegt deutlich niedriger, und auch die anderen Abgasbestandteile CO, HC und NOx sind günstiger. Aus technischer Sicht wäre eine Serieneinführung möglich. Die weitgehende Verbreitung verhindert allerdings der hohe Flächenbedarf: Wollte man den Kraftstoffbedarf aller Dieselfahrzeuge in Deutschland mit Rapsölmethylester decken, so müsste die Hälfte der alten Bundesländer zum Rapsfeld werden.

Ölkrise der 70er Jahre treibt Forschung voran

Da es weder den optimalen Antrieb noch die entsprechende Energie gibt, laufen in den Labors auch weiterhin die Entwicklungsarbeiten auf Hochtouren. Denn der Straßenverkehr ist heute nahezu vollständig vom fossilen Primärenergieträger Mineralöl abhängig, obwohl jeder weiß: die weltweiten Erdölvorräte sind auf etwa 40 Jahre begrenzt. Klaus-Dieter Vöhringer: „Außerdem sind die gesicherten und wirtschaftlich erschließbaren Reserven zu rund zwei Dritteln im Vorderen Orient. Wie abhängig eine Volkswirtschaft von diesen Importen werden kann, zeigen die leidvollen Erfahrungen aus den 70er Jahren.“