Zwei Antriebe – ein Ziel

Spätestens mit der globalen Wirtschaftskrise sind die Rufe nach sparsamen Fahrzeugen und alternativen Antriebsformen noch lauter geworden. Neben konventionellen Kleinwagen stehen dabei besonders Elektrofahrzeuge im Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Vor allem der Hybridantrieb spielt eine herausragende Rolle. Doch so schnell lassen sich die technischen Herausforderungen nicht bewältigen, als dass bereits in kürzester Zeit E-Mobile in großer Zahl auf unseren Strassen fahren. Vor allem im Bereich der Batterietechnologie müssen noch grundlegende Probleme bei der Energiespeicherung  gelöst werden.

Volkswagen forscht im Rahmen seiner Kraftstoff- und Antriebsstrategie bereits seit mehreren Jahren mit zahlreichen Partnern am Elektroantrieb. Zum Start des „Flottenversuch Elektromobilität“ im Sommer 2008 stellten Professor Dr. Martin Winterkorn, Vorstandsvorsitzender der Volkswagen AG, und Bundesumweltminister Sigmar Gabriel im Berliner Automobil Forum den Golf twinDRIVE® vor. twinDRIVE® ist ein neuartiges Plug-In-Hybridkonzept, dass zwar wie üblich Elektro- mit Verbrennungsmotor kombiniert, doch kann der Prototyp Strecken von bis zu 50 Kilometern auch rein elektrisch zurücklegen. Seine Batterien können problemlos am gewöhnlichen Stromnetz aufgeladen werden.

 
„Die Gegenwart des Automobils ist ohne hocheffiziente Benzin- und Dieselmotoren nicht denkbar. Die Zukunft aber, das ist sicher, wird den emissionsfreien Elektromotoren gehören – betankt an der Steckdose“, sagte Prof. Dr. Winterkorn bei der Präsentation des twinDRIVE®. Der erste in Berlin vorgestellte Prototyp war verbrennungsseitig  mit einem Dieselmotor (1.5 l TDI) ausgestattet. Ab dem kommenden Jahr wird eine Testflotte aus weiteren 20 Versuchsfahrzeugen mit 1.4 l TSI-Benzinmotor in Berlin und Wolfsburg unterwegs sein, um den Elektrobetrieb im Alltag zu testen. In dem bis 2012 angelegten Projekt, an dem sich sieben weitere Unternehmen und Forschungseinrichtungen beteiligen, sollen auch spezielle langlebige Batterien entwickelt werden.

Von der Politik gefördert
Initiator des Forschungsprojekts ist die deutsche Bundesregierung, die den Testlauf im Rahmen ihrer Klimaschutzinitiative fördert. Umweltminister Gabriel sagte dazu: „Der mit Partnern aus Forschung und Wirtschaft gestartete Flottenversuch zeigt die Zielrichtung der künftigen Mobilität: der effiziente Einsatz erneuerbarer Energien im Verkehr. Mit modernsten Antriebskonzepten im Stile des twinDRIVE® kann der Nutzer dabei zukünftig die Alltagstrecken mit Strom aus Sonne, Wind und Wasser zurücklegen, ohne dabei Einschränkungen gegenüber konventionellen Fahrzeugen in Kauf nehmen zu müssen.“

Generell weitet Volkswagen mit diesem Engagement das Forschungs- und Entwicklungsprogramm zur langfristigen Elektrifizierung des Antriebs aus. Drei wesentliche Ziele des Flottenversuchs sind:

• Die Elektromotoren der Testflotte sollen mit regenerativ erzeugtem Strom angetrieben werden.
• Die Speicherung dieser Energie in den Testwagen erfolgt mittels neuester Batterietechnologien.
• Diese Batterien sollen besonders langlebig und kostengünstig sein, um so den Durchbruch des elektrischen Antriebs in der Großserie zu ermöglichen.

Mit den nächsten Versuchsfahrzeugen soll der erste Schritt auf dem Weg zum vollständig elektrisch angetriebenen Auto vollzogen werden. Der twinDRIVE® bietet dabei dank der großen Reichweite im elektrischen Modus neue Perspektiven für den Nahverkehr, da im E-Betrieb keine Emissionen anfallen. Darüber hinaus ermöglicht das System durch die Hybrid-Funktion auch auf langen Strecken niedrige Verbrauchswerte. Der Verbrauch des Prototyps mit Dieselmotor liegt bei etwa 2,5 Liter Diesel und acht Kilowattstunden auf 100 Kilometern im Mixbetrieb. Die für den Flottentest eingesetzte TSI-Variante kommt auf 3 Liter und ebenfalls 8 Kilowattstunden auf 100 Kilometer.

Investitionen im zweistelligen Millionenbereich
Insgesamt sind an dem Flottenversuch acht deutsche Kooperationspartner aus Forschung und Wirtschaft beteiligt. Neben Volkswagen als projektführendem Unternehmen gehören E.ON als Energieversorger sowie GAIA und Evonik/Li-Tec (Batterietechnologie) dazu. Aus dem Bereich der Forschung bringen die Fraunhofer Gesellschaft, das Heidelberger Institut für Energie- und Umweltforschung (Ifeu), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Westfälische-Wilhelms-Universität in Münster ihr Know-how in das Projekt ein.

Volkswagen lässt sich das Forschungsprojekt zur emissionsfreien Mobilität von morgen einen zweistelligen Millionenbetrag kosten. Darüber hinaus hat das Bundesumweltministerium für alle Projektpartner eine Förderung in Millionenhöhe bewilligt. „Der Flottenversuch kann dazu beitragen, Mobilität und Klimaschutz auf ganz neue Weise zu verbinden. Denn nur durch die enge Zusammenarbeit von Partnern aus der Automobilindustrie, der Batterieindustrie und der Energiewirtschaft können wir Strom aus regenerativen Quellen mit sehr hoher Effizienz im Individualverkehr einsetzen“, ist Bundesumweltminister Gabriel überzeugt. „Erstmals verschmelzen Energieerzeuger und Energieverbraucher zu einer noch leistungsfähigeren Einheit. Wenn dieser Flottenversuch gelingt, wäre das weltweit ein positives Signal für den Klimaschutz“, unterstrich Prof. Dr. Winterkorn die Bedeutung des Projekts.

Verbrennungsmotor unterstützt E-Antrieb

Der twinDRIVE® ermöglicht im Gegensatz zu anderen Hybridfahrzeugen in der Stadt mittlere Reichweiten im reinen Elektrobetrieb. Während bei einem Hybridmodell der E-Motor den Verbrennungsmotor ergänzt, ist es beim twinDRIVE® genau umgekehrt. Im Vordergrund steht in diesem Fall also nicht allein die Verbrauchssenkung, sondern das im urbanen Bereich elektrische und damit emissionsfreie Fahren mit möglichst regenerativ erzeugter Energie. Das effiziente TDI-Dieseltriebwerk stellt sicher, dass aber auch große Reichweiten möglich sind. Das intelligente Betriebssystem des Fahrzeugs wählt stets die optimale Betriebsart. Individuell auf die jeweilige Strecke und Fahrsituation zugeschnitten, steht so immer die effizienteste Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor zur Verfügung.
 
Neben dem reinen Elektromodus mit einer Reichweite zwischen 30 und 80 Kilometern bietet der Plug-In-Hybride noch weitere Betriebsarten: Im so genannten seriellen Modus arbeiten Verbrennungsmotor und Generator im Sinne eines Range Extenders – Reichweite vergrößernd – als Stromerzeuger zusammen. Dabei schaltet sich der Dieselmotor zu, um die Batterie wieder aufzuladen, während das Fahrzeug rein elektrisch angetrieben wird. Fordert der Fahrer beim Beschleunigen mehr Leistung, dann greift der Selbstzünder in den Antrieb ein und unterstützt den E-Motor. Beide sorgen zusammen für den erwünschten Vortrieb. Die Kraft wird immer über ein Ein-Gang-Getriebe an die Antriebsräder weitergegeben. Gewonnen wird elektrische Energie auch mittels Rekuperation. Dabei wird die Energie, die beim Bremsen gewöhnlich als Wärme verloren geht, im Akku gespeichert.

Gute Fahrdynamik im elektrischen Betrieb
Besaß der erste twinDRIVE® -Prototyp noch Allradantrieb mit zwei zusätzlichen Radnabenmotoren an den Hinterrädern, so werden die geplanten Testfahrzeuge nur über einen E-Motor und Vorderradantrieb verfügen. Die elektrische Antriebsleistung von insgesamt 90 kW verteilt sich beim ersten Versuchsträger auf drei Elektromaschinen mit je 30 Kilowatt (kW). Die erforderliche Energie kommt aus einer Lithium-Ionen-Batterie, die eine Nennspannung von 300 Volt besitzt, einen Energieinhalt von zirka 12 kW pro Stunde aufweist und etwa 150 Kilogramm wiegt. Mit einer nutzbaren Leistung von mehr als 60 kW wird im rein elektrischen Betrieb auch ohne Unterstützung des Verbrennungsmotors eine gute Fahrdynamik und eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h erreicht.

Für den Langstreckenbetrieb dient dem ersten Golf twinDRIVE® ein 1,5-Liter-TDI-Dieselmotor mit 75 kW. Damit schafft der Wagen eine Höchstgeschwindigkeit von über 170 km/h. Sowohl der Verbrennungsmotor als auch die elektrischen Komponenten des Antriebs haben die gleiche Drehachse und können als so genannte Inline-Lösung in heutigen Serienmodellen auf Golf- und Passat-Plattform verbaut werden. Dies ist nicht nur für die Allradvariante mit den zusätzlichen Radnabenmotoren, sondern auch für das reine Frontantriebskonzept möglich. „Auf dem Weg in die Zukunft verschmelzen unsere TDI und TSI mit Elektromotoren und höchst effizienten Batteriesystemen zu einem neuen Antriebssystem“, so Prof. Dr. Winterkorn. „Damit ist der twinDRIVE® für uns ein elementarer Schritt auf dem Weg zum vollständig elektrisch angetriebenen Auto.“

Umweltfreundlich erzeugter Energie gehört die Zukunft
Allerdings ist klar, dass dieser Weg nur über regenerativ erzeugten Strom umweltschonend möglich ist. Bereits jetzt werden mehr als 6 Prozent der in Deutschland benötigten elektrischen Energie durch Windkraft abgedeckt. Und dieser Anteil soll bis 2020 auf 20-25 Prozent ausgebaut werden. Parallel dazu wird mehr Strom aus Solar- und Wasserkraft erzeugt. Diese Energie auch für die Mobilität zu nutzen, ist mehr als sinnvoll. Allerdings unterliegt die so gewonnene Menge regenerativer Energien aufgrund natürlicher Einflüsse (Sonnenscheindauer, Windstärke) Schwankungen. Deshalb bedarf es stets einer Reserveenergie, die permanent vorgehalten wird. Im Rahmen des „Flottenversuch Elektromobilität“ wird deshalb auch analysiert, ob die Lithium-Ionen-Batterien der Autos diese Reserveenergie in Zukunft vorhalten könnten.

Der Kooperationspartner E.ON stellt als Energieversorger die Infrastruktur und das notwendige Know-how zur Verfügung, um die Versuchsfahrzeuge direkt an der Steckdose zu „betanken“ und die Batterien der Autos via zentraler Laststeuerung einzubinden. Die dazu benötigte lokale Infrastruktur ist simpel. Gebraucht werden nur haushaltsübliche Steckdosen. Allerdings müssen dafür öffentliche und private Parkplätze und Parkhäuser nach und nach mit „Stromtankstellen“ ausgestattet werden, um für eine flächendeckende Versorgung mit Ladestationen zu sorgen.

Lithium-Ionen-Batterie ist eine Schlüsseltechnologie
Damit zukünftig Elektrofahrzeuge in großer Zahl angeboten werden können sind allerdings Lithium-Ionen-Batterien mit einer hohen Energiedichte und langen Lebensdauer, die sich zum schnellen Laden eignen, nötig. Mit ihrer Hilfe könnte der Verkehr zuerst in den Großstädten schrittweise „elektrifiziert“, also mehr und mehr von Verbrennungs- auf Elektromobilität umgestellt werden. Der „Flottenversuch Elektromobilität“ dient nicht zuletzt dazu, den Umgang mit der zukunftsweisenden Lithium-Ionen-Technologie unter repräsentativen Einsatzbedingungen zu testen. Volkswagen arbeitet gemeinsam mit Unternehmen aus den verschiedenen Bereichen der Batterietechnologie an dem Ziel, bereits 2010 erste Fahrzeuge mit hocheffizienten Lithium-Ionen-Batterien vorzustellen.