Hybridantrieb

Ein Hybridfahrzeug ist nach EU-Definition ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben.[2]

In einem Hybridelektrokraftfahrzeug sind ein Elektromotor und meistens ein Otto- oder Dieselmotor die beiden Energiewandler; ein Akkumulator und ein Kraftstofftank oder Gastank sind die beiden Energiespeicher. Es wurden aber auch andere Kombinationen realisiert, zum Beispiel Stirlingmotor mit hydraulischem Antrieb und pneumatischem Akkumulator.[3]

Die einzelnen Motoren können auf unterschiedliche Weise zusammenarbeiten:

• Parallel: Die Antriebe wirken gleichzeitig auf den zu bewegenden Teil.
• Seriell: Nur ein Antrieb wirkt unmittelbar auf den zu bewegenden Teil. Der andere Antrieb stellt Leistung bereit, die umgewandelt und dem direkt wirkenden Antrieb zugeführt wird.

Auch Mischformen sind möglich.

• 
  Serieller Hybrid
• 
  Paralleler Hybrid
• 
  Leistungsverzweigter Hybrid

Serielle Hybridantriebe wurden um 1900 realisiert, weil es noch keine Batterien mit hoher Leistung und Kapazität gab. Eine befriedigende Reichweite ließ sich mit einer Kombination aus kleiner Batterie und verbrennungsmotorisch angetriebenem Generator leichter und billiger erreichen als mit einer großen Batterie. Diese Bauart ist auch als Range Extender bekannt. Der Verbrennungsmotor soll auf längeren Strecken den Akkumulator unterstützen, um die Reichweite zu vergrößern. Er muss daher nicht auf die maximale Beschleunigungsleistung ausgelegt sein.

Hybridantriebe mit Leistungsverzweigung enthalten einen Verbrennungsmotor, zwei elektrische Maschinen, die als Generator und Motor arbeiten können und ein Planetengetriebe. Je nach Fahrmodus wirkt diese Kombination in anderer Weise:

• als stufenloses elektrisches Getriebe, das den Verbrennungsmotor unabhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit verbrauchsgünstig unter möglichst hoher Last hält.
• Bei geringer Geschwindigkeit und Last treibt nur ein Elektromotor das Fahrzeug an.
• Beim rekuperativen Bremsen arbeiten beide elektrischen Maschinen als Generatoren.

Der Hybrid Synergy Drive von Toyota ist ein Beispiel für ein derartiges Konzept. Ein Teil der Leistung des Verbrennungsmotors wird mechanisch auf die Antriebsräder übertragen, ein weiterer Teil der Leistung wird über die als elektrisches Getriebe arbeitende Motor-Generator-Kombination auf die Räder übertragen oder in der Batterie gespeichert.

Kombinierte Hybridantriebe lassen sich mit einer (automatisch betätigten) Kupplung zwischen parallelem und seriellem Betrieb umschalten.

Bivalente Antriebe sind in der Lage, in einem Motor zwei unterschiedliche Kraftstoffe zu verbrennen; das sind aber keine Hybridfahrzeuge. Motivation ist die Nutzung alternativer Kraftstoffe wie Erd-, Biogas, Flüssiggas und zukünftig Wasserstoff in Fahrzeugen, die weiterhin auch mit Benzin fahren können, oder der Betrieb von Dieselfahrzeugen mit Pflanzenölkraftstoff. Manche Dieselmotoren brauchen zum Kaltstart noch Diesel und können erst Pflanzenöl verbrennen, wenn sie ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Weit verbreitet ist vor allem der Einbau von Autogasanlagen.

Bivalente Motoren haben neben den beschriebenen Vorzügen einen gravierenden Nachteil: Viele Eigenschaften des Motors lassen sich nicht auf beide Kraftstoffe optimal auslegen. Ist es bei der Einstellung eines bedarfsgerechten Zündzeitpunktes noch möglich, dies über die digitale Motorelektronik zu realisieren, lassen sich beispielsweise geometrische Grunddaten des Motors wie Hub, Bohrung, Kompressionsvolumen und Verdichtungsverhältnis nicht während des Betriebes ändern, so dass diese Daten immer eine Kompromisslösung darstellen und nie verbrauchsoptimal ausgelegt werden können.

Hybridfahrrad – Muskelkraft und Elektroantrieb

Ein Elektrofahrrad mit Tretunterstützung ist ein Beispiel für Hybridantrieb. Jedoch handelt es sich nicht um ein Hybridfahrzeug, weil nur der Akku im Fahrzeug eingebaut ist, während die Muskelkraft von außen zugeführt wird.

Elektroräder sind Fahrräder mit zusätzlichem Elektromotor, die variabel von Muskelkraft und Elektromotor angetrieben werden; sie haben parallele Hybridantriebe. Einige Antriebssysteme erlauben Bremsenergierückgewinnung.

Einen parallelen Hybridantrieb, bestehend aus einem Elektromotor und einem Pedalantrieb, gibt es bei dem Leichtfahrzeug Twike.

Von einem seriellen Hybridantrieb spricht man, wenn der Pedalantrieb ausschließlich einen Generator betreibt, der einen Elektromotor antreibt oder den elektrischen Strom in einem Akkumulator zwischenspeichert.

Hybridbusse werden von verschiedenen Verkehrsunternehmen in Nordamerika und Europa eingesetzt. Mit dem Hybridlinienbus Solaris Urbino 18 Hybrid hat Solaris Bus & Coach im Jahr 2006 den ersten europäischen Bus mit serienmäßigem Hybridantrieb vorgestellt.

Fahrzeuge, die sowohl wie ein Oberleitungsbus mit elektrischer Energie aus einer Oberleitung oder aber unabhängig davon mit einem Dieselmotor verkehren können, werden Duo-Busse genannt. Sie entsprechen in einer strikten Auslegung nicht der UNO-Definition für Hybridfahrzeuge, da sie die elektrische Energie nicht selbst mitführen. Eingesetzt werden solche Wagen beispielsweise beim Trolleybus Freiburg in der Schweiz und beim Oberleitungsbus Boston in den Vereinigten Staaten.

Außerdem haben viele Oberleitungsbusse einen zusätzlichen Diesel-Hilfsantrieb, um stromlose Stellen zu überwinden und im Depot manövrieren zu können. Als Alternative für denselben Zweck werden auch Akkumulatoren eingebaut, in diesem Fall spricht man von einer Batterienotfahrt. Da der Hilfsantrieb nur eine langsame Fortbewegung erlaubt, werden Oberleitungsbusse mit Hilfsantrieb nicht als Duo-Busse bezeichnet.

In Winterthur (Schweiz) verkehrt seit 2013 – vor allem im Stadtzentrum – ein Kehrichtsammelwagen mit leisem Hybridantrieb.[4]

Dieselelektrische Schienenfahrzeuge und Mehrsystemfahrzeuge, die in unterschiedlichen Netzen betrieben werden können, sind keine Hybridfahrzeuge nach UNO-Definition, da sie nur einen oder keinen Energiespeicher an Bord haben. Dieselelektrische Lokomotiven mit leistungsfähigen elektrischen Pufferspeichern, die in bestimmten Situationen zur deutlichen Verbesserung der Fahrleistungen führen und zurückgewonnene Bremsenergie zum späteren Antrieb speichern, werden aber von Railpower und GE angeboten.

U-Boote werden traditionell mit einem Hybridantrieb mit Dieselmotoren und Elektromotoren angetrieben.

Die Boote der deutschen U-Boot-Klasse 212 und die der spanischen S-80-Klasse haben zusätzlich eine Wasserstoff-Brennstoffzelleanlage. Bei der schwedischen Gotland-Klasse wurde stattdessen ein Stirlingmotor verwendet, um unabhängig von der Außenluft Strom zu erzeugen.

Flugzeuge mit Mischantrieb verwenden vorrangig für militärische Zwecke eine Kombination aus unterschiedlichen thermodynamischen Antrieben, zum Beispiel Kolbenmotor mit Propeller und Strahltriebwerk.

Zum Erzielen größerer Reichweiten für akkumulatorbetriebene Elektroflugzeuge gibt es Hybridelektroflugzeuge, bei denen Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen ergänzt sind. Siehe hierzu auch HY4 (Versuchsflugzeug mit Akkumulator und Brennstoffzelle).

Bei Raketen versteht man unter einem Hybridantrieb ein Triebwerk, das festen Treibstoff (häufig HTPB) mit einem flüssigen Oxidator wie zum Beispiel Flüssigsauerstoff verbrennt. Diese Technik verbindet die einfachere Handhabbarkeit und längere Lagerbarkeit von Feststoffantrieben mit dem regelbaren Schub von Flüssigkeitsantrieben.

Bei Baumaschinen gibt es beispielsweise elektrische Hybridantriebe mit elektrischer Maschine, die situationsabhängig als Motor oder Generator arbeitet, einem Akkumulator zur Zwischenspeicherung der elektrischen Energie und der Leistungselektronik, sowie den konventionellen Einheiten wie Getriebe, Hydraulikanlage und Dieselmotor. Im Bereich der Arbeitsbühnen ist für diese Art von Antrieb auch die Bezeichnung BI-Antrieb geläufig.[9]

Im Maschinenbau gibt es vielfältige Hybridantriebe, wie den Hochlast-Präzisionsversteller mit Hybrid-Antrieb, der Piezoantrieb und Spindelantrieb verbindet und somit große Verfahrwege mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich erlaubt.

Commons: Zweikraftlokomotiven – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Commons: Zweikrafttriebwagen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Hybridantrieb – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Hybridantriebe: Strukturvarianten, Betriebsstrategien, Vor- und Nachteile
• Hybridantriebe: deutsches Informationsportal zu Hybridantrieben
• Evaluation of the 2010 Toyota Prius Hybrid Synergy Drive System
• Ausführliche, technische Beschreibung sämtlicher Hybridantriebe

1. Klasse B60K 6/42: Struktur des Hybridelektrofahrzeugs
2. Richtlinie 2007/46/EG (PDF), S. 5 Absatz 3 Punkt 14
3. Martin Werdich: Stirling-Maschinen. ISBN 3-922964-35-4, S. 101.
4. Ein Brummer auf Samtpfoten in Der Landbote, Winterthur 2013.
5. Hybrid-Desiro der Westfrankenbahn. In: eisenbahnwelt.de. Abgerufen am 3. Januar 2016.
6. Jan-Dirk Franke: Erzgebirgsbahn schickt bald ersten Hybridzug auf Testfahrt. In: Freie Presse. 3. November 2015, abgerufen am 3. Januar 2016.
7. Michael Meyer: Scandlines setzt voll auf Batterie-Technik. In: Hansa, Heft 12/2015, S. 44–46.
8. Thomas Lang: Hybrid Zukunft, die schon heute fährt. Heel-Verlag, Königswinter 2007, ISBN 978-3-89880-825-5, Seite 31.
9. BI-Antrieb im Lexikon von kunze-buehnen.com