| unizeit Nr. 63 vom 11.12.2010, Seite 4 |
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Doppelt gekoppelt
Langsam aber sicher erobern Hybridautos unsere Straßen. Bei ihrer Entwicklung geht es um effizientes Energiemanagement. Ein Projekt der Technischen Fakultät könnte dazu beitragen.
Neben dem Arbeitstisch im Elektrotechniklabor steht eine große Montageplatte. Darauf befestigt sind bunte Kabel, die mehrere Schaltkreise sowie einige große und kleine Bauelemente miteinander verbinden. Ole Mühlfeld und Björn Wittig sind wissenschaftliche Mitarbeiter an der Technischen Fakultät. Zusammen tüfteln sie im Rahmen des Kompetenzzentrums Leistungselektronik Schleswig-Holstein an einer neuartigen Schaltung für einen elektrischen Antrieb.
Noch passt der sperrige Versuchsaufbau nicht unter die Motorhaube eines Autos. Und dennoch soll dieses Bauteil eines Tages einen Beitrag zum effizienten Energiemanagement von modernen Autoantrieben leisten. »Das Herzstück des Aufbaus ist der Stromrichter, der aus der Gleichspannung der Autobatterie Drehstrom für den Elektromotor erzeugt«, erklärt Ole Mühlfeld. »Außerdem kann er überschüssige Energie an Kondensatoren weiterleiten, die als Zwischenspeicher dienen«, ergänzt Björn Wittig.
Warum dieser Zwischenspeicher nötig ist, erklärt sich aus der Funktionsweise eines Hybridautos: Es fährt mal mit Kraftstoff (Benzin oder Diesel), mal mit Strom und mal mit beidem gleichzeitig. Zwei Antriebssysteme arbeiten also unter einer Motorhaube Hand in Hand. Der Verbrennungsmotor treibt dabei nicht nur die Räder an, sondern – je nach Steuerung – auch einen Stromgenerator, der elektrische Energie erzeugt. Die beispielsweise beim Bremsen frei werdende Energie wird von diesem Generator aufgefangen, um sie später zum Anfahren und Beschleunigen zu nutzen (siehe Infokasten). Dazu muss die Energie zunächst in Akkus gespeichert werden. Hier stößt die Autobatterie an ihre physikalischen Grenzen. Sie funktioniert wie ein Schrank voller Schubladen, in denen kleine Energieportionen während des Ladens nach und nach verstaut werden. »Dieser Ladevorgang dauert einfach seine Zeit. Aber während einer Fahrt im Benzinmodus produziert der Stromgenerator weit mehr Strom, als die Batterie in der gleichen kurzen Zeit aufnehmen kann«, erklärt Professor Friedrich Wilhelm Fuchs, der die Arbeitsgruppe "Leistungselektronik und Elektrische Antriebe" leitet. Damit die erzeugte Energie trotzdem nicht verloren geht, muss sie zwischengespeichert werden. Deshalb werden an der Technischen Fakultät Stromrichter entwickelt, die Energie in speziellen Kondensatoren aufnehmen können. Diese dienen gewissermaßen als »Wartezimmer« für den Strom.
Hier in Kiel werden unter der Federführung von Fuchs Energiewandlungs- und Energiemanagementsysteme für den industriellen und regenerativen Sektor entwickelt. Wie wichtig deren Weiterentwicklung ist, zeigt die negative durchschnittliche Energiebilanz von konventionellen Verbrennungsmotoren: »Ein herkömmlicher Verbrennungsmotor hat einen Wirkungsgrad von maximal 40 Prozent. Im Gegensatz dazu erreichen Antriebe mit Elektromotoren 85 Prozent oder mehr«, so Fuchs. Beide Systeme sind im Hybridauto miteinander gekoppelt und ergänzen sich nahezu perfekt.
Michael Wieczorek
Stichwort Hybrid
Das Wort Hybrid bedeutet »etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Gemischtes«. Es stammt von dem lateinischen Fremdwort griechischen Ursprungs "Hybrida" ab. Im Unterschied zu einem rein batteriebetriebenen Elektroauto wird als Hybridauto ein Fahrzeug definiert, das mindestens zwei Energieumwandler und zwei Energiespeichersysteme hat. Gegenwärtig ist die Kombination aus einem Verbrennungs- und einem Elektromotor am häufigsten. So sitzt Stromgenerator mit Batterie neben Verbrennungsmotor mit Benzintank. Die genaue Anordnung dieser Bauteile kann je nach Typ variieren, wodurch es inzwischen viele verschiedene Hybridantriebe gibt. Das Grundprinzip ist, dass der Verbrennungsmotor die benötigte Energie liefert und der batteriebetriebene Elektroantrieb sich intelligent einmischt: beim Anfahren zur Leistungserhöhung oder beim Bremsen für die Aufnahme der Bremsenergie, ganz allein für die langsame Stadtfahrt oder sogar für längere Fahrphasen. (miw)
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