Adieu Verbrennungsmotor – oder doch nicht?

Fahrzeugantriebe der Zukunft

Eines der ersten von Ferdinand Porsche entwickelten Fahrzeuge, der Lohner-Porsche, war ein Elektroauto mit einer Akku-Masse von rund 1.800 kg. Wegen Überlastung platzende Reifen und die geringe Reichweite ließen den Tüftler den „Mixte“ entwickeln, bei dem ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor zusammenwirkten. Dieser Hybrid war allerdings viel zu teuer, so dass schließlich auch Porsche den reinen verbrennungsmotorischen Antrieb einsetzte. Mit dem VW-Käfer gelang es ihm, ein preiswertes, zuverlässiges Massenprodukt zu entwickeln und der Verbrennungsmotor setzte sich als dominierende Antriebstechnologie weltweit durch. Aber wie sieht die Zukunft aus?

Das Automobil wurde in der Industriegesellschaft zum unverzichtbaren Bestandteil von Lebensqualität, was zu einer weltweiten Massenmotorisierung führte. Durch Schadstoffemissionen bedingte Umweltprobleme insbesondere in Ballungsgebieten (Smog) und die vermutete Klimaerwärmung durch CO2 führten zu drastischen Auflagen der Gesetzgeber zur Verbrauchs- und Emissionsreduzierung, die durch einen immensen technischen Aufwand beim klassischen Verbrennungsmotor erfüllt werden konnten. Mit jeder weiteren Verschärfung der Grenzwerte steigt jedoch der technische Aufwand, die Entwicklung alternativer Fahrzeugantriebe war die Folge.

Bei einem Elektroantrieb mit Brennstoffzelle werden Wasserstoff (H2) oder Methanol als Energieträger in einer Brennstoffzelle in elektrischen Strom umgewandelt. Bei Verwendung von Wasserstoff entsteht kein schädliches Abgas. Die Speicherung von H2 ist zwar technisch aufwendig aber gelöst, so dass bereits attraktive Prototypen existieren. Reichweite und Zeitdauer für die Betankung sind kein Problem. Die Herstellung von H2 mit Hilfe von regenerativ erzeugtem Strom ist in der Entwicklung und scheint technisch machbar.

Interessant ist auch ein Elektroantrieb mit elektrochemischem Speicher (Akku). Viele in den letzten Jahren auf den Markt gekommene reine Elektrofahrzeuge sind durchaus attraktiv: Hohe, ruckfreie Beschleunigung aus dem Stand, ein kaum wahrnehmbares Motorengeräusch sowie keine Schadstoffe an der Quelle zeichnen sie aus. Nachteile sind allerdings die begrenzte Reichweite, das hohe Mehrgewicht der Batterien, die erforderliche Zeitdauer der „Betankung“ und die Kosten. Möglicherweise werden diese in den nächsten Jahren auf ein erträgliches Maß reduziert, so dass auch der reine Elektroantrieb für Überlandfahrten nutzbar werden könnte. Nicht lösbar ist jedoch die Tatsache, dass der Primärenergieverbrauch (Herstellung des Fahrzeugs und Stromherstellung eingerechnet) wahrscheinlich keineswegs niedriger sein wird als bei vergleichbaren Fahrzeugantrieben mit Otto- und Dieselmotor. Elektrische Energie kann wegen der permanent notwendigen Verfügbarkeit nicht zu 100% regenerativ hergestellt werden, so dass dabei auch CO2-Emissionen anfallen. Selbst bei optimistischer Annahme eines hohen regenerativen Anteils an der Energieerzeugung wird der CO2-Ausstoß des reinen Elektroantriebs im Vergleich zum klassischen Verbrenner wohl noch lange Zeit höher liegen [1].

Die Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem Elektroantrieb zum Hybridantrieb erfordert einen sehr viel kleineren Batteriespeicher, der für die Nutzung der Bremsenergie und für kurze Fahrstrecken dimensioniert wird. Damit sind die Kosten und das Mehrgewicht des Speichers gegenüber dem reinen Elektroantrieb erheblich reduziert. Auch kann der Verbrennungsmotor kleiner dimensioniert werden, da in der Beschleunigungsphase beide Antriebe gleichzeitig arbeiten und ihre Leistung addieren. Der Hybridantrieb kann durch Nutzung der Bremsenergie Kraftstoff und Emissionen sparen und eine gewisse Strecke – beispielsweise im innerstädtischen Bereich – durch Abschaltung des Verbrennungsmotors emissionsfrei fahren. Er ist damit eine attraktive Kombination zweier Antriebsmaschinen. Sein einziger Nachteil besteht im hohen technischen Aufwand und den entsprechenden Kosten.

Auch die Verbrennungsmotoren dürfen bei der Zukunftsdiskussion nicht fehlen: Das Potential des Hubkolbenmotors nach dem Viertaktprinzip auf Otto- oder Dieselbasis ist noch lange nicht ausgeschöpft. Es sind noch deutliche Wirkungsgradsteigerungen und Emissionsverbesserungen möglich. Auch die Nutzung von Gas (LNG, CNG) insbesondere im Nutzfahrzeugbereich wirkt sich auf Emissionen, Verbrauch und Kosten günstig aus. Auch neuartige, synthetische Kraftstoffe sind in der Entwicklung, die Möglichkeiten zur Emissions- und Verbrauchssenkung bieten. Im Fahrzeugantrieb der Zukunft wird der Verbrennungsmotor daher noch lange die dominierende Rolle spielen. Die thermodynamische Verbrennung von Wasserstoff hat sich jedoch als Irrweg erwiesen.

Fahrzeugantriebe wie Gasturbine, Stirlingmotor, Verbrennungsmotoren nach dem Zweitaktprinzip, Rotationskolbenmaschinen (Wankelmotoren) konnten trotz intensiver Forschungsarbeiten nicht die für Fahrzeugantriebe notwendigen Eigenschaften erreichen und werden daher zukünftig keine Rolle mehr spielen.

Wie sieht also die Zukunft aus? In den nächsten 20 Jahren wird der Verbrennungsmotor weiterhin dominieren, teilweise in Kombination mit einem Elektromotor, also als Hybrid. Neuartige synthetische Kraftstoffe werden die Stellung des Verbrennungsmotors festigen. Der reine Elektroantrieb wird sich bei Kurzstreckenfahrzeugen mit einer Reichweite bis 200 km etablieren, aber nur einen Marktanteil von kleiner 10% erreichen. Der reine Elektroantrieb für Fahrzeuge mit großer Reichweite ist sowohl energetisch als auch bezüglich Herstellkosten Stand heute nicht sinnvoll.

Bleibt uns unser Wohlstand und auch die Überzeugung erhalten, dass CO2 das Weltklima negativ verändert, dann wird das Brennstoffzellenauto in den Industrieländern eine Chance haben. Die technische Machbarkeit ist bewiesen und attraktive Prototypen existieren. Der Umbau unserer Energieerzeugung auf regenerative Erzeugung, der Aufbau einer geeigneten Infrastruktur für Wasserstoff und passende gesetzliche Rahmenbedingungen zur Förderung dieser Technologie sind allerdings die Voraussetzung. Entwicklungsländer – und in solchen lebt die Mehrheit der Weltbevölkerung – werden sich derartig teure Technologien nicht leisten können und dort wird der Verbrennungsmotor wohl noch weitere Jahrzehnte dominieren.

Kontakt

Professor Dr.-Ing. Günter Willmerding und Dipl.-Ing. (FH) M. Sc. Jakob Häckh leiten gemeinsam die Steinbeis-Transferzentren Neue Technologien in der Verkehrstechnik und Verkehrstechnik. Simulation.Software in Ulm. Die Hauptarbeitsgebiete beider Steinbeis-Unternehmen umfassen die Verkehrsflussanalyse und -simulation, die Simulation des Antriebsstrangs, den Kraftstoffverbrauch, Emissionen, Schwingungen sowie die Gestaltung und Berechnung neuartiger Fahrzeugkomponenten unter Einsatz von FE-Methoden und Lebensdauervorhersage. 2004 erhielt das Steinbeis-Transferzentrum Neue Technologien in der Verkehrstechnik zusammen mit der Voith Turbo GmbH & Co. KG den Transferpreis der Steinbeis- Stiftung.

Professor Dr.-Ing. Günter Willmerding, Jakob Häckh
Steinbeis-Transferzentrum Neue Technologien in der Verkehrstechnik (Ulm)
su0089@stw.de

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