Drei Wege, ein Ziel

Die Welt des Autoantriebs wird eine andere. Schritt für Schritt macht sich der Elektromotor daran, den Verbrennungsmotor zu verdrängen oder effizienzsteigernd zu ergänzen. Da ein Königsweg (noch) nicht erkennbar ist, gibt es eine Vielzahl von Elektrifizierungskonzepten.

Unser Bedürfnis nach individueller Mobilität wird sich in den kommenden Jahren weiter verstärken. Gleichzeitig gilt es aber, die ambitionierten Vorgaben des Pariser Übereinkommens von 2015 zu berücksichtigen. Danach ist die durchschnittliche globale Erwärmung im Vergleich zur vorindustriellen Zeit auf unter zwei Grad Celsius zu begrenzen und bis 2050 soll der Transportsektor klimaneutral werden. Das bedeutet, dass sich die Mobilität wesentlich verändern muss. Dabei spielt der Antriebsstrang unserer Autos eine wichtige Rolle. Die Fahrzeughersteller haben also technische Lösungen zu entwickeln, mit denen sich die ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Bedürfnisse verbinden lassen.

Nahe-Null-Emissionen: Bei den Schadstoffemissionen sind in den vergangenen Jahren grosse Fortschritte erzielt worden. Mit Katalysatoren, Partikelfiltern und Harnstoffeinspritzung konnten die Stickoxid- und Partikelemissionen der Verbrennungsmotoren auf Minimalwerte gesenkt werden; in vielen Fällen sogar auf «Zero-Impact-Niveau», also auf einen Wert, der unter der Konzentration in der Umgebungsluft liegt. Weitere, durchaus herausfordernde Fortschritte dagegen müssen bei den CO2-Emissionen erzielt werden. Und dazu sind die Antriebsstränge zwingend zu elektrifizieren.

Seit diesem Jahr gilt als CO2-Zielwert die Marke von 95 Gramm pro Kilometer. Diese wird bis 2025 auf 81 Gramm und bis 2030 auf 59 Gramm gesenkt. Da diese Grenzen mit herkömmlichen Antrieben unmöglich zu erreichen sind, werden in naher Zukunft mehr und mehr elektrifizierte Modelle auf die Strasse rollen. Angaben des Zulieferers ZF zufolge sind zurzeit noch 90 Prozent der neuen Autos mit konventionellen Antrieben unterwegs, während 6 Prozent Hybride und 4 Prozent rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind. Bis 2030 erwartet das Unternehmen noch 61 Prozent Modelle mit Verbrennungsmotor – davon allerdings praktisch alle mit Mildhybridisierung – rund 15 Prozent Voll- und Plug-in-Hybride sowie 24 Prozent Batteriefahrzeuge.

Kraftpaket

Das Innenleben des Volvo XC40 Recharge Pure Electric

Durch die Elektrifizierung der Antriebsstränge werden Fahrzeuge gleichzeitig sauberer und leistungsfähiger. Daher verkündete Håkan Samuelsson, Präsident und CEO von Volvo Cars, schon 2017, dass neu eingeführte Fahrzeuge von Volvo ab 2019 stets über einen Elektromotor verfügen würden. Als Ziel bis 2025 nannte er eine Million Hybrid- oder reine Elektromodelle von Volvo.

Meilensteine der Elektrifizierung: Obwohl die Forderung nach Elektroautos heute topmodern erscheint, ist dieses Antriebskonzept so alt wie das Auto selbst. Schon ausgangs des 19. Jahrhunderts haben Ferdinand Porsche und Kutschenfabrikant Ludwig Lohner ein Elektromobil mit Radnabenmotoren entwickelt, das im Jahr 1900 auf der Weltausstellung in Paris präsentiert wurde. Im Modell Semper Vivus, das ein Jahr später als erstes Hybridautomobil kam, vergrösserte Porsche die Reichweite, indem er nicht eine schwere Batterie als Energiequelle nutzte, sondern einen Verbrennungsmotor, der einen Generator antrieb und so die Radnabenmotoren an den Vorderrädern mit elektrischer Energie versorgte.

Wegbereiter des modernen Hybridautos ist der Toyota Prius. Bereits 1997 kam in Japan die erste Modellgeneration auf die Strasse. Das Auto war mit Vierzylinder-Benzinmotor und einem ausgeklügelten Hybridsystem ausgestattet.

Pionier des neuzeitlichen, rein batterieelektrisch angetriebenen Autos (BEV) ist Tesla. Der ab 2008 auf Basis des Lotus Elise gebaute Elektro-Roadster des US-Start-ups führte den technikaffinen Autointeressenten eindrücklich vor Augen, was Elektromotoren zu leisten imstande sind: (fast) lautlose, heftige Beschleunigung, die beim Ampelstart so manchen konventionellen Sportwagen alt aussehen liess. Mit dem Oberklassefahrzeug Model S schliesslich gelang den Kaliforniern der Durchbruch auf praktisch allen Märkten weltweit. Volvo begann die Elektrifizierung seiner Modellpalette bereits im Sommer 2011 mit dem C30 Electric.

«Wir sind der einzige Hersteller, der für alle Modellreihen einen Plug-in-Hybridantrieb anbietet. Und ab 2021 werden wir jedes Jahr ein neues batterieelektrisches Fahrzeug lancieren.»

Volvo Schweden

Hybrid ist nicht gleich Hybrid: Auch wenn die Wende zum Elektroantrieb nun von den meisten grösseren Autoherstellern konsequent eingeleitet wird, ist mit einem nur langsamen Abgesang des Verbrennungsmotors zu rechnen. Allerdings werden Otto- und Diesel-Triebwerke schon in wenigen Jahren elektrifiziert sein. Hybridkonzepte aller Ausprägungen werden neben den reinen Batterieantrieben eine grosse Rolle spielen. Denn die Verbindung von Verbrennungsmotor und Elektromaschine zu einem Hybridsystem bietet sich für den Antrieb eines Autos geradezu an. Damit lassen sich die Vorteile beider Antriebsquellen verbinden und die Schwächen ausmerzen: Der ausgereifte Verbrennungsmotor sorgt für grosse Reichweiten und hohe Geschwindigkeiten, während der Elektromotor beim Anfahren, im Stop-and-go-Verkehr und beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit in der Ebene – beim «Segeln» – Unterstützung bietet.

Grundsätzlich wird bei Hybridantrieben zwischen Mikro-, Mild- und Vollhybriden unterschieden. Mikro- und Mildhybridfahrzeuge beschränken sich bei den meisten Herstellern auf einen einachsigen Antrieb, bei Volvo gibt es für alle Allradantrieb. Vollhybride lassen sich sehr gut mit Allradantrieb verbinden.

Mikro- und Mildhybridfahrzeuge (MHEV, Mild Hybrid Electric Vehicles) arbeiten meistens mit 12- oder 48-Volt-Starter-Generatoren, die sowohl die Stopp-Start-Funktion und Antriebsunterstützung für den Verbrennungs-Kraftpaket Das Innenleben des Volvo XC40 Recharge Pure Electricmotor liefern (Boosten) als auch beim Bremsen kinetische Energie rekuperieren. Rein elektrischer Fahrbetrieb ist in den meisten Fällen derzeit noch nicht möglich. MHEV bringen durchschnittlich Verbrauchsminderungen von 5 bis 20 Prozent. Betankt werden diese Fahrzeuge konventionell, also an einer normalen Tankstelle.

MHEV

Die 48-Volt-Hybridisierung des Verbrennungsmotors verbessert Emissionswerte sowie Fahrleistungen und ermöglicht eine CO2-Reduzierung von bis zu 20 Prozent. Rein elektrischer Vortrieb über längere Strecken ist jedoch meistens nicht möglich. Mildhybride tanken Benzin oder Diesel, an die Steckdose kommen sie nicht.

PHEV

Plug-in-Hybride sind ideal, um Strecken von 50 bis 80 Kilometern elektrisch zu fahren und dank Verbrenner grosse Distanzen ohne lange Unterbrechungen zurückzulegen. Grössere Batterien ermöglichen höhere Systemleistungen. Geladen wird an der Wallbox, an der Schnellladestation oder an einer 230V-Haushaltsstackdose.

BEV

Batterieelektrische Fahrzeuge sind mit grossen Akku-Paketen ausgestattet und stellen in Bezug auf den Energieverbrauch die effizienteste Antriebsart dar. Dank kräftigem Drehmoment ab Start sorgen Elektromotoren für eine schnelle und gleichmässige Beschleunigung. Die Reichweiten pro Batteriefüllung werden laufend gesteigert. Je nach Fahrzeugkonzept liegen sie heute zwischen 200 und 600 Kilometern.

Vollhybride (HEV und PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicles) tragen elektrisch viel mehr zum Antrieb bei und funktionieren mit wesentlich höheren Spannungen als MHEV. Sie können als serielle, parallele oder leistungsverzweigte Hybride ausgelegt sein. Je nach Auslegung dienen diese Hybridsysteme mehr der Verbrauchsminderung oder der Leistungssteigerung. Ein Vorteil ist, dass sich die Autos sowohl rein elektrisch als auch hybridisch betreiben lassen. HEV werden ausschliesslich an der Tankstelle mit Energie versorgt, PHEV lassen sich zusätzlich an der Haushaltssteckdose, an der Wallbox oder an der Schnellladestation aufladen. Dazu sind sie mit den geläufigen Steckersystemen ausgestattet. Sie legen im Batteriebetrieb um die 50 bis 80 Kilometer zurück und sind dank dem Verbrennungsmotor auch problemlos langstreckentauglich. Wirklich sinnvoll ist ihr Einsatz aber nur dann, wenn die Fahrzeuge regelmässig geladen und elektrisch gefahren werden. Volvo präsentierte
seinen ersten Diesel-PHEV, den Volvo V60 D6 AWD, bereits im November 2012.

Die vollelektrische Fraktion: Rein batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge bilden den konsequenten Abschluss der Elektrifizierung der Antriebsstränge. Diese Modelle müssen mit grossen Batteriepaketen ausgestattet sein, um sowohl kräftige Antriebsleistungen als auch grosse Reichweiten zu gewährleisten. Die Entwicklung der Antriebsbatterien ist derzeit intensiv am Laufen, Leistungsdichte und Kosten werden Schritt für Schritt optimiert. Aus Gewichts- und Kostengründen bieten heute noch viele Hersteller Elektroautos nur in den unteren Segmenten an, während Premium-Hersteller leistungsstarke Reisefahrzeuge in den weniger preissensiblen Segmenten mit entsprechend gross dimensionierten Batteriepaketen bestücken.

Volvo bietet bereits heute eine breite Palette von Hybridmodellen und mit dem kommenden XC40 Recharge Pure Electric auch ein rein elektrisch angetriebenes Fahrzeug an. «Wir sind der einzige Hersteller, der für alle Modellreihen einen Plug-in-Hybridantrieb anbietet», betonen die Schweden. «Und ab 2021 werden wir jedes Jahr ein neues batterieelektrisches Fahrzeug lancieren.»