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Hybrid-, Plug-in-Hybrid- oder Elektrofahrzeuge mit Range-Extender

21 November 2021

Eintauchen in das High-Tech-Umfeld der alternativen Antriebsarten.

Schon früh tauchen auf dem Automobilmarkt alternative Technologien zum Verbrennungsmotor auf. Die ersten Versuche gehen zurück in das 19. Jahrhundert, etwa mit dem Hybrid-Elektroauto des belgischen Herstellers Pieper im Jahr 1899.  Doch erst seit den letzten fünfzehn Jahren zeigt sich die Automobilindustrie am Thema “nachhaltige” Mobilität interessiert. Jüngste Studien zeigen auf, dass das  öffentliche Bewusstsein für die Alternativen zum Verbrennungsmotor wächst. Zusätzlich ist der ökologische Eifer einiger Hersteller gedämpft, denn das bisherige Geschäftsmodell muss als Ganzes neu überdacht werden. 

Hybridisierung

Ein Hybridauto ist ein Fahrzeug, das zwei Energiearten nutzt, eine davon elektrisch. Die gebräuchlichste Bauweise kombiniert einen Elektromotor mit einem Verbrennungsmotor, in der Regel einen Benziner (aber nicht ausschliesslich). Die Hybridisierung erfüllt daher zwei Hauptziele:

  • zum einen den Verbrauch von fossilen Brennstoffen und den Ausstoss von Treibhausgasen zu vermindern
  • und zum anderen die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu optimieren und damit die Betriebskosten zu senken.

Die verschiedenen Varianten der Hybridisierung

Der Mildhybrid oder Mild Hybrid Electrical Vehicle (MHEV)
Das ist die erste Stufe der Hybridisierung. Der Verbrennungsmotor läuft kontinuierlich, ausser im Stand.
Der Elektromotor gewinnt die kinetische Energie des Bremsens zurück (regeneratives Bremsen) und fungiert dann als Generator von Hilfsenergie bei den Starts und Schaltvorgängen, beide sind energieintensiv.

Der Vollhybrid Full Hybrid Electrical Vehicle (FHEV)
Das ist die Stufe der konventionellen Hybridisierung, welche von Toyota entwickelt und 1997 auf den Markt gebracht wurde. Die konventionelle Hybridisierung ermöglicht den Antrieb des Fahrzeugs durch ein komplexes Getriebemanagement und verstärkt so die Synergie der beiden Motoren in
Abhängigkeit von der Drehzahl. Der Prozentsatz der Nutzung im “rein elektrischen” Modus hängt von der Kapazität der Batterie sowie ihrer Reichweite ab. Wie beim Mild Hybrid benötigen herkömmliche Modelle keine externe Aufladung.

  Quelle : afdc.ernergy.gov

 

 

Der Plug-In Hybrid Electrical Vehicle (PHEV)
Ein Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) wird wie seine Hybrid-Verwandten von einem Benzinmotor und einem Elektromotor angetrieben. Der Bordakku ist jedoch viel grösser und kann sowohl über eine externe Quelle als auch in geringerem Umfang durch regeneratives Bremsen aufgeladen werden.
Ein Plug-in-Hybridauto verhält sich daher wie ein vollelektrisches Fahrzeug (BEV), solange die Batterie ihren dedizierten Motor ausreichend antreibt. Der Verbrennerblock erwacht wieder zum Leben, wenn die Batterie eine bestimmte Schwelle unterschreitet, dadurch fährt das Fahrzeug ohne Unterbrechung..

 

Seriell Hybrid

Wiederaufladbarer Hybrid mit erweiterter Reichweite oder Extended-Range Electric Vehicle (E-REV)
Das Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite ist ein Fahrzeug, dessen gesamte Antriebskraft von einem Elektromotor bereitgestellt wird. Es unterscheidet sich von einem Elektroauto mit Batterie durch seinen zusätzlichen Verbrennungsmotor.

Erreicht die Batterie ihre kritische Ladezustandsschwelle, aktiviert der Verbrennungsmotor einen Generator, dieser stellt elektrische Energie für den Elektromotor bereit oder lädt die Batterie. So wird die Reichweitenbeschränkung eines herkömmlichen Hybrid- oder Plug-in-Hybrid-Fahrzeugs überwunden.

Quelle : afdc.ernergy.gov

 

Parallel-Hybrid: Elektrische Reichweite, Lade- und Batterielebensdauer

Die Fragen rund um das Aufladen und der Reichweite der Lithium-Ionen-Batterien sind komplex und multifaktoriell. Sie drehen sich im Wesentlichen um das unterschiedliche Fahrverhalten, die elektrochemische Spezifikation und die Ladespannung. Generell gilt:

  • Die Batterien von wiederaufladbaren Fahrzeugen haben eine 7 bis 13 mal höhere Ladekapazität als bei der konventionellen Hybridisierung
  • Ihr Einsatz im “vollelektrischen” Modus überschreitet kaum die Strecke von 40 km im realen Fahrbetrieb;
  • Sie reduzieren den Verbrauch fossiler Brennstoffe, die Treibhausgas-Emissionen und die Geräusche des Verbrennungsmotors auf kurzen Strecken erheblich;
  • Die Ladespannung (von einer Ladestation oder dem Stromnetz) beeinflusst direkt die Ladezyklen und die Ladekosten.
 
Batterie-Reichweite beim Plug-in-Hybrid

Wie bei Modellen mit Verbrenner hängt die Umwandlung der kinetischen Energie eines Plug-in-Fahrzeugs von den physikalischen Faktoren  wie Masse, Aerodynamik, Strassenzustand, Aussentemperatur usw. denen es ausgesetzt ist. Das ist zu vergleichen mit dem Besteigen des Matterhorns oder einem Spaziergang am Bodensee, die  nicht mit der gleichen körperlichen “Anstrengung” verbunden sind. Der Verbrauch des Fahrzeugs ist abhängig von dieser “Anstrengung” und beeinflusst somit direkt die Reichweite der Batterie. Die vom TCS 2016 durchgeführten Tests unter realen Strassenbedingungen zeigen einige interessante Grössenordnungen: Für alle analysierten Modelle schwanken die Verbrauchswerte im vollelektrischen Modus zwischen 11,6 und 15,1 kWh/Stunde für eine maximale Entfernung, die sich zwischen 40 und 43 km bei 20 Grad Celsius erstreckt.

 

Die folgende Abbildung illustriert die Optimierung der Energiequellen während der Fahrt:

Quelle: Song, P.; Lei, Y.; Fu, Y. – Multi-Objective Optimization and Matching of Power Source for PHEV Based on Genetic Algorithm. Energies 2020, 13, 1127. https://doi.org/10.3390/en13051127.

Die Studie zeigt auf, dass sobald die maximale Leistung der Batterie erschöpft ist, diese aufhört den Elektromotor anzutreiben und ihr Verbrenner-Gegenstück schnell bis zur vollen Unterstützung des Antriebs angefordert wird. Weiter kommt die Studie zum Schluss, dass der Parallel-Hybrid in erster Linie bei kurzen Distanzen einen Nutzen bringt, dieser sich aber schnell verringert, sobald der Verbrenner Modus aktiviert ist.

Lade- und  Lebensdauer sowie Reichweite  einer Plug-in-Hybrid-Batterie 

Bei Plug-in-Hybrid-Modellen sind zwei Lademethoden möglich. Die erste besteht darin, das Fahrzeug an eine einfache Haushaltssteckdose anzuschliessen, die andere über eine dedizierte Wallbox-Wandverbindung. Der Unterschied liegt in der abgegebenen Ladeleistung, diese beeinflusst die Ladezeit und die Reichweite des Lithium-Ionen-Akkus.

Bei einem Anschluss an das Hausnetz dauert die Ladezeit mehr als 6 Stunden, da die Kapazität des Netzteils in der Regel nicht mehr als 2 kW beträgt. Aus diesem Grund werden Installationen (Wallbox) mit höherer Ladeleistung verwendet. Hier sind einige Werte, die das Verhältnis zwischen der Ladeleistung des Netzteils und der elektrischen Reichweite für zwei beliebte Fahrzeugsegmente veranschaulichen:

 

Ladeleistung
Wallbox
Reichweite nach  1h Ladezeit  – Stadt Reichweite nach 1h Ladezeit  – über Land
2.2 kWh 10 km 7 km
3.7 kWh 25 km 15 km
7.4 kWh 50 km 25 km

 

Um die volle Ladezeit für einen PHEV (oder für jedes andere BEV-Fahrzeug) zu berechnen, genügt es, seine Speicherkapazität (gemessen in kW) zu nehmen und durch die Leistung des Netzteils (ausgedrückt in kWh) zu dividieren. Um mehr zu erfahren, laden Sie unsere Übersicht über die elektrische Leistung nach Modell herunter.

 

 

Ein unmögliches Paar:  Reduktion von Treibhausgasen und Plug-in-Hybrid-Fahrzeug?

In der Schweiz sind Privatautos für fast einen Viertel der CO2-Emissionen verantwortlich. Die Berechnungsmethoden der Automobilbranche einerseits und der Regulierungsbehörden andererseits sind unterschiedlich. Die Daten, die im realen Fahrbetrieb beobachtet werden, scheinen eine völlig andere Geschichte zu erzählen als die, diejenige der Laborprotokolle. Dies insbesondere seit der Einführung des WLTP-Standards von 2017, der von allen Mitgliedstaaten der Europäischen Union und der Schweiz verabschiedet wurde.

Übersicht der wichtigsten Standards:
  • Die NEDC Norm (New European Driving Cycle) regelt Laborprüfungen und ist seit 1992 in Kraft.
  • Der WLTP-Standard (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures) seit 2017 angewandt, ist ein Zulassungsprozedere mit doppelt so vielen Phasen und einer höheren Höchstgeschwindigkeit als der NEDC.
  • Der RDE-Standard (Real Driving Emission) ist ein realer Test auf der Strasse, im Gegensatz zum WLPT.

Derzeit gibt es in der Schweiz keine Auswertung über die Auswirkung der Hybrid-Fahrzeuge auf die Treibhausgas-Emissionen.

Eine in den USA durchgeführte Studie gibt einen Überblick über die Verteilung der CO2-Emissionen nach Kategorien und Energiemix-Szenarien:

Quelle: Constantine Samaras, Kyle Meisterling, Environmental Science & Technology, American Chemical Society, 2008, https://bit.ly/3DWXIZY.

Diese US-Studie zeigt, dass Treibhausgas-Emissionsreduktion mit PHEVs direkt vom Kohlendioxidgehalt des lokalen Energiemixes abhängig ist. Sie errechnet eine mögliche Emissionsreduktion von 32 % im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen und stellt gleichzeitig einen vernachlässigbaren Unterschied fest zu anderen Hybridisierungsarten. Die Studie bestätigt die signifikante Gewichtung der Treibhausgas-Emissionen, die mit der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verbunden sind. Sie allein würden 2 bis 5% der Emissionen während des Lebenszyklus von PHEVs verursachen.

Betriebskosten (Total Cost of Ownership) von Hybridfahrzeugen

Die Betriebskosten eines Hybridmodells sind komplex zu ermitteln. Einige davon werden durch ähnliche Faktoren wie bei konventionellen Fahrzeugen beeinflusst (Anschaffungspreis, Rabatte, Wartungskosten, Kilometerleistung usw.), andere hängen mit der Optimierung der verschiedenen Antriebsarchitekturen zusammen. Die Analyse, die das Expertenteam auf dem 26. International Symposium on Electric Vehicles (EVS26) im Jahr 2020 präsentiert hat, favorisiert Plug-in-Hybrid-Modelle. Der Bericht kommt zum Schluss: “… Durch den Vergleich verschiedener jährlicher Kilometerdaten scheinen Plug-in-Hybridfahrzeuge für eine Vielzahl von Kunden eine günstige Option zu sein.” Die folgende Grafik veranschaulicht diese Aussage:

Quelle: Bernd Propfe, Martin Redelbach, Danilo. Santini, Horst Friedrich, Cost analysis of Plug-in Hybrid Electric Vehicles including Maintenance & Repair Costs and Resale Values, 2020, https://bit.ly/2YWOyxh.

Die Analysten aggregieren alle Kosten, die während des Lebenszyklus eines Verbrennungsfahrzeugs anfallen und vergleichen sie mit den Ergebnissen der alternativen Antriebe. Dieser Vergleich zeigt den steigenden Kaufpreises in Abhängigkeit des Elektrifizierungsgrads – hauptsächlich aufgrund der hohen Batteriekosten, die allein einen Drittel der Gesamtproduktionskosten ausmachen. Diese Kosten werden jedoch durch den Betrieb der elektrifizierten Antriebskette ausgeglichen. Dies gilt insbesondere für die Kosten der Endenergie[1], die in diesem Fall um bis zu 69% gesenkt werden können. Hinzu kommen die geringeren Kosten für Service und Wartung des Elektrofahrzeugs, das beispielsweise keinen Motorölwechsel erfordert und dessen Kosten für Bremsen durch die Energierückgewinnung teilweise kompensiert werden.

Alternative Antriebsarten entstanden dank dem politischen Druck zur Reduktion der fossilen Brennstoffe 

Hybrid- und Plug-in-Hybridmodelle werden von den Herstellern systematisch als Elektrofahrzeuge eingestuft, unabhängig vom tatsächlichen elektrischen Anteil des Antriebs. Einige mögen hier eine rhetorische Verrenkung der Automobilindustrie angesichts der Gesetze der Physik sehen, da im Falle eines MHEV beispielsweise der grösste Teil der Energie aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen resultiert.

Das bestätigt auch die 2020 erstellte Comparative Study of the Carbon Impact of the Vehicle Supply des französischen Think Tanks The Shift Project, die sich für eine Dekarbonisierung der Wirtschaft einsetzt: “Ohne die Batterie nach einer bestimmten zurückgelegten Strecke aufzuladen, ist es als wäre das Plug-in-Hybridauto ein Auto, das nur fossile Brennstoffe verwendet.”

Auch wenn die Betriebskosten für Plug-in-Elektrofahrzeuge sprechen, müssen unbedingt Mechanismen für die Incentivierung der Nutzer geschaffen werden, die ein regelmäßiges Aufladen und eine maximale Auslastung der Batterien fördern. Steuerliche Anreize für den Stromverbrauch und die Besteuerung der Verwendung fossiler Brennstoffe in Unternehmen, die PHEVs besitzen, sind nur einige Beispiele. Jetzt steht viel auf dem Spiel, vor allem wenn wir die Verpflichtungen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen erfüllen wollen, die die Schweizer Regierung in ihrer neuen Energiestrategie festgelegt hat. Es steht jetzt enorm viel auf dem Spiel, wenn die Auflagen zur Reduktion der Treibhausgasemissionen erfüllt werden sollen, die im revidierten Energiegesetz vom Mai 2017 festgelegt wurden.

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[1] Endstufe der an den Verbraucher zurückgegebenen Energie

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