Mit dem «Prius» hat der japanische Autohersteller «Toyota» ein Auto gebaut, das als zukunftsfähiges Konzept gilt. Es spart dank Elektrohybridmotor Treibstoff und bietet dennoch den gewohnten Fahrkomfort. Nur hat dieses Fahrzeug ein paar gewichtige Nachteile. Es ist teuer und besonders für Konsumenten in aufstrebenden und sich rasch motorisierenden Ländern wie China und Indien unerschwinglich. Ausserdem ist die Batterie, die der Elektrohybrid als Energiespeicher braucht, schwer und teuer. Nicht zuletzt ist die Kopplung des Benzinmotors mit dem Elektroantrieb technisch aufwändig.

Vereinfachen und verbilligen

Für Lino Guzzella, Professor für Thermotronik, ist der Elektrohybrid deshalb nicht der Weisheit letzter Schluss. Als erfahrener Ingenieur hat er deshalb eine Lösung gesucht, die einfacher ist als ein Elektrohybrid und auch für weniger Kaufkräftige bezahlbar bleibt. «Der Apfel muss reif sein und gerade noch so tief hängen, dass er erreichbar bleibt», erklärt Guzzella. Eine solche Frucht ist derzeit in seiner Gruppe am Reifen: der pneumatische Hybridantrieb. Das Konzept ist einfacher als dasjenige eines Elektrohybrids. So verfügt der neue Hybridmotor anstelle eines Batterieblocks über einen Drucklufttank, der an den Motor angeschlossen ist. Bei Bedarf, wie etwa beim Anfahren oder nach dem Schalten, strömt die Druckluft über ein elektronisch geregeltes Ventil in den Motor. Wenn dann zusätzlich auch Treibstoff eingespritzt wird, spricht der Motor schnell an. Die Regelung des Ventils ist zwar ebenfalls aufwändig, aber diese Herausforderung lässt sich heute dank leistungsfähigen Algorithmen und Computersystemen beherrschen.

Die Zuführung von Druckluft ermöglicht den Motorenbauern um Lino Guzzella zudem ein extremes Downsizing. Die Motoren von herkömmlichen Autos verfügen über Spitzenleistungen von 150 PS und mehr, im Alltag brauchen sie jedoch meist nicht mehr als 30 PS. Durch das Downsizing des pneumatischen Hybrids halbiert sich die Zahl der Zylinder von vier auf zwei. Das halbiert auch Reibungsverluste und steigert den mittleren Wirkungsgrad des Motors. Damit die maximalen PS und damit der Fahrspass und –komfort für die Konsumenten gleich bleiben, lädt ein Turbolader – er nutzt den Druck der Abgase als Energiequelle und steigert die Leistung des Kolbenmotors – den Motor hoch auf.

Wirkungsgrad um einen Drittel verbessert

Erste Tests auf dem Prüfstand im Maschinenlaboratorium der ETH zeigen, dass Guzzella und seine Gruppe auf dem richtigen Weg sind. Sie konnten den mittleren Wirkungsgrad im Europäischen Testzyklus des Motors von 18 auf 24 Prozent steigern. Dies entspricht einer Treibstoffeinsparung von einem Drittel. Im reinen Stadtverkehr liegen Einsparungen von bis zu 50 Prozent in Reichweite, da der Motor beim Bremsen Luft in den Drucktank pumpt und so die kinetische Energie zurückgewinnen kann.

Der pneumatische Hybrid erreicht zwar nicht die gleich grosse Treibstoffeinsparung wie ein Elektrohybrid, sie beträgt aber immerhin 80 Prozent davon. Dafür ist das Preis-Leistungsverhältnis deutlich besser. So gut sogar, dass sich Guzzella vorstellen kann, dass der pneumatische Hybrid auch für den Einsatz in ärmeren Ländern taugt. Die Mehrkosten gegenüber einem herkömmlichen Bezinmotor schätzt er auf rund 20 Prozent. Bei einem Elektrohybrid rechnet man hingegen mit Mehrkosten von mindestens 200 Prozent.

Autobauer sind interessiert

Das neue Motorenkonzept hat das Interesse von mehreren grösseren Autofirmen und Zulieferern geweckt, die sich vor Ort informiert haben. Gewisse Ideen des neuen Konzepts sind zudem bereits patentiert. Einzig die Finanzkrise und die globale Rezession machen Guzzella etwas Sorgen. Die Zeiten, um ein neues Antriebskonzept zu lancieren, seien schwierig. Dennoch ist er überzeugt, dass sein System Abnehmer finden wird. Denn eine andere Technologie, die den Verbrennungsmotor ersetzen könnte, ist auch in den kommenden zwei Jahrzehnten nicht in Sicht. Der Weg führt deshalb über Hybridkonzepte, die bezahlbar bleiben und trotzdem die Vorteile eines Benzin- oder Dieselmotors haben.

Literaturhinweis

Dönitz C, Vasile I, Onder C, Guzzella L. Realizing a concept for high efficiency and excellent driveability: The downsized and supercharged hybrid pneumatic engine. Society of Automotive Engineers 2009. Voraussichtliche Publikation: April 2009.
http://www.sae.org/technical/papers/2009-01-1326