NZZ Folio 10/07 - Thema: Auto der Zukunft   Inhaltsverzeichnis

Fahrt ins Grüne

© Qilai Shen / Panos
Staus strapazieren die Nerven der Autofahrer und kosten die Volkswirtschaft Milliarden. Ein flächendeckendes Roadpricing soll Abhilfe schaffen. Linktext
Von allen neuen Antriebstechniken ist der ­Hybrid, der an der Steckdose tanken kann, die zukunftsträchtigste. ­Warum ist er noch nicht auf dem Markt? ­­

Von Andreas Hirstein
Noch fährt die Zukunft erst auf zwei Rädern. Aber immerhin hat sie schon die Städte Rom und Mailand erreicht. Dort flitzen im Auftrag der Stadtwerke seit einigen Monaten Hybridroller durch die engen Gassen und Strassen - Zweiräder also, die gleichzeitig einen Benzin- und einen Elektroantrieb haben. Zugegeben, das allein tönt seit dem Erfolg des ebenfalls hybrid angetriebenen Toyota Prius noch nicht nach einer technischen Revolution. Doch die Hybrid-Scooter (HyS), wie der Hersteller Piaggio seine Prototypen nennt, können noch ein bisschen mehr als das zum Lifestyle-Attribut avancierte Meisterwerk des grössten Autobauers.

Auf den ersten Blick ist es nur ein winziges Detail, das die technische Revolution ausmacht, und noch dazu eines, von dem niemand erwartet hätte, dass es Autos und Motorrädern ihre klimaverändernde Wirkung nehmen und quasi nebenbei auch die gesamte elektrische Energieerzeugung grundlegend verändern könnte: ein elektrischer Stecker. Das gleiche Bauteil, das man heute zu Dutzenden in jedem Haushalt findet.

Der Hybrid-Scooter gehört dank seinem Stromanschluss zu einer neuen Generation von Hybridfahrzeugen, den sogenannten Plug-in- oder Steckdosen-Hybriden. Während Prius und Co. ihre Energie zu hundert Prozent aus fossilem Benzin beziehen - die Batterie wird ausschliesslich vom Verbrennungsmotor aufgeladen -, saugt der Plug-in-Hybrid den Ladestrom auch aus einer gewöhnlichen Steckdose.

Im Idealfall sind es also der Wind, die Sonne und die Wasserkraft oder die ebenfalls klimaneutrale Kernenergie, die den Steckdosen-Roller in Bewegung versetzen. Und wenn der CO2-freie Ladestrom auch noch zum billigen Nachttarif fliesst, dann entpuppt sich der Stecker als eingebautes Halbtaxabo des motorisierten Individualverkehrs: Studien zeigen, dass bis zu 75 Prozent niedrigere Kilometerkosten möglich sind (die höheren Anschaffungskosten des Fahrzeugs nicht mitgerechnet).

Die Rechnung geht allerdings nur dann auf, wenn die Batterien genug Energie für grössere rein elektrisch zurückgelegte Strecken speichern. Beim Piaggio-Roller HyS ist dies gelungen: Bis zu 20 Kilometer weit soll der Roller abgasfrei fahren, sagt der Hersteller. Der Serien-Prius dagegen ist ein Kurzstreckensprinter. Er bringt es nur gerade auf ­einen bis zwei Kilometer elektrische Fahrt, bevor sich der Benzinmotor einschalten muss. Seit Ende Juli testet Toyota nun aber auch einen Steckdosen-Prius, der, von einer grösseren Batterie angetrieben, bis zu 13 Kilometer zurücklegt. Ähnliches hatten zuvor schon unabhängige Forschungs­institute und kleinere Technologiefirmen in den USA erreicht, womit sie den Benzindurst des Autos auf 2,3 Liter pro 100 Kilometer senken konnten – allerdings ohne die aus dem Stromnetz bezogene Energie mitzurechnen.

Der prominenteste Sponsor der Plug-in-Technik ist Google. Der weltgrösste Internet-Suchmaschinenbetreiber hat sich zehn modifizierte Hybridautos von Ford und Toyota vor die Tür gestellt. Auf dem Firmenparkplatz in Mountain View stehen sie unter mit Solarzellen gedeckten Dächern. Beteiligt ist auch Pacific Gas & Electric, der wie andere Energieversorger auf neue Absatzmärkte für seinen Strom hofft. Nachts brachliegende Kraftwerke könnten sich künftig rund um die Uhr auslasten lassen, was nebenbei zu generell niedrigeren Strompreisen führen würde.

Erstmals in der Geschichte der Industriegesellschaft würden Plug-in-Autos also zu einer Verschmelzung von bisher streng getrennten Energiesystemen führen: dem Verkehr und der Elektrizitätswirtschaft. Und da Autos durchschnittlich 22 von 24 Stunden stillstehen und am Stromnetz hängen könnten, wäre ein weiteres, bisher unüberwindbares Manko der Stromwirtschaft behoben: die Möglichkeit, elektrische Energie zu speichern.

Bis anhin müssen die Kraftwerke immer genau so viel Strom erzeugen, wie gerade verbraucht wird. Würde sich die Plug-in-Technik aber im Massenmarkt durchsetzen, dann würden alle Batterien zusammen einen gigantischen Stromspeicher abgeben. Damit wären sie eine ideale Ergänzung von Windkraftanlagen und Photovoltaik-Farmen, über deren Stromproduktion nicht der Mensch entscheidet, sondern der Wind und die Wolken. Die Batterien in den Autos würden überschüssigen Strom abnehmen und ihn bei Bedarf zurück ins Netz geben.

Für die grossen Automobilkonzerne hatte der Steckdosen-Hybrid trotz seinen Vorteilen bis vor kurzem keine Priorität. Schon die Entwicklung eines serienreifen gewöhnlichen Hybridantriebs ist alles andere als trivial, wie man an der seit Jahren unangefochtenen Führungsrolle Toyotas ab­lesen kann. Noch grösser sind die Herausforderungen an einen Plug-in-Antrieb, der nach sehr viel energiereicheren Batterien verlangt.

Daimler-Chrysler war 2005 der erste Grosskonzern, der einen Plug-in-Prototyp vorstellte - eine umgebaute Version des Mercedes-Kleintransporters Sprinter. Die Bühne betreten hat nun Anfang des Jahres auch General Motors, bisher vor allem bekannt für überdimensionierte, spritsaufende Geländewagen. Auf der diesjährigen North American Auto Show in Detroit präsentierten die Amerikaner einen Steckdosen-Hybrid. «Das Herzstück unseres Chevrolet Volt ist die Batterie. Sie liefert Strom für 60 Kilometer Fahrt», sagt der Chefingenieur Frank Weber. Ausschliesslich der 160 PS starke Elektromotor treibt die Räder des Autos an. Der kleine 3-Zylinder-Motor dient nur dem Aufladen der Batterie und ist daher nur mit einem elektrischen Generator, nicht aber mit den Antriebsrädern gekoppelt.

Ein ähnliches Konzept verfolgt der schwedische Hersteller Volvo, der auf der diesjährigen Automobilausstellung in Frankfurt ein Plug-in-Versuchsmodell vorgestellt hat. Auch im Volvo arbeitet der Verbrennungsmotor nur als elektrischer Generator, der die Räder nicht direkt antreibt. Statt nur einen Elektromotor hat der Volvo aber deren vier – für jedes Rad ein eigenes Aggregat. Technisch ist das System von Volvo und GM einfacher, beim Benzinsparen aber ist es weniger effizient als die hochkomplexe Steuerung im Toyota Prius, weil im japanischen Technikwunder permanent die Kräfte des Elektro- und des Benzinmotors im Antriebsstrang des Autos zusammengeführt werden müssen - ohne dass das Auto ruckelt wie in der ersten Fahrstunde.

Funktionsweise eines Plug-in-Hybrid-Fahrzeugs

Welches Konzept sich am Ende auch durchsetzen wird, der Trend zu Plug-in-Fahrzeugen beweist, dass der anfangs nur von den Japanern verfolgte Hybridantrieb keine kurzlebige Notlösung ist, keine technische Krücke, über die besonders europäische Ingenieure lange die Nase rümpften. Vielmehr setzen diese Fahrzeuge den seit langem anhaltenden Trend der Elektrifizierung und Computerisierung des Autos konsequent fort. Erstmals setzen Hybridautos die Elektrizität nicht mehr nur zur Erhöhung von Komfort und Sicherheit ein, sondern zum eigentlichen Zweck der Fortbewegung. Der Plug-in-Hybrid ist der nächste grosse Schritt der Automobiltechnik auf dem Weg vom Verbrennungsmotor zum reinen Elektrofahrzeug. Und tatsächlich preist General Motors den Chevrolet Volt auch nicht als Hybridauto an, sondern als Elektrofahrzeug, das dank einem zusätzlichen Verbrennungsmotor über eine erheblich grössere Reichweite verfügt.

Heutige Hybridautos beziehen ihre gesamte Energie aus fossilem Treibstoff. Denn auch die Batterie wird ausschliesslich vom Verbrennungsmotor aufgeladen. Bis zu 30 Prozent weniger Benzin verbrauchen sie nur deshalb, weil sie den Kraftstoff intelligenter nutzen. Das liegt daran, dass die Batterie der Motorsteuerung einen zusätzlichen Freiheitsgrad eröffnet. So hängt die vom Verbrennungsmotor abgerufene Leistung nicht mehr nur vom Fahrzustand ab – also mit welchem Tempo und in welchem Gang der Wagen bewegt wird –, was bei einem gewöhnlichen Auto zur Folge hat, dass der Motor zeitweise unter sehr ineffizienten Bedingungen ­arbeiten muss. Vielmehr kann die Elektronik in solchen ­Situationen auch dem Benzinmotor mehr Leistung abfordern, als zum Fahren notwendig ist, und die überschüssige Energie in der Batterie zwischenspeichern. Insgesamt ist die Energiebilanz dabei positiv, weil der Verbrennungsmotor dauerhaft unter günstigen Bedingungen arbeitet.

Speziell im Stadtverkehr mit seinen vielen Stop-and-Go-Phasen bewährt sich ein weiterer Energiespartrick von Hybridautos. Heutige Modelle gewinnen beim Bremsen rund die Hälfte der Energie zurück, die sonst als nutzlose Wärme in den Bremsscheiben verloren ginge.

Inzwischen hat sogar die Formel 1 diese Vorteile entdeckt. Nirgendwo ist die Vergeudung von Bremsenergie so augenfällig wie in den 2 Sekunden, die bei einer Vollbremsung der Boliden von 300 Kilometern pro Stunde bis zum Stand vergehen. Bei 800 Grad glühen dann die Bremsscheiben - würden sie nicht längst aus Keramik gefertigt, könnte man sie schmieden. Ab 2009 gelten in der Formel 1 aber andere Regeln, und dann könnten glühende Bremsscheiben und Auspuffrohre der Vergangenheit angehören. Denn es wird den Teams erstmals gestattet sein, Bremsenergie und Abwärme des Motors zurückzugewinnen.

Elektromotoren in Formel-1-Raketen – für die Fans mag das eine Horrorvorstellung sein, für die Konstrukteure von Ferrari, McLaren und den anderen Mannschaften aber der einzige Weg zum Sieg. Schliesslich wird die elektrische Unterstützung ein noch schnelleres Beschleunigen aus den Kurven heraus ermöglichen. Der reduzierte Benzinverbrauch wird aus den Rennwagen zwar nicht gerade Sparmobile machen, den Taktikern der Teams aber mehr Freiheiten bei der Wahl von rennentscheidenden Boxenstops lassen.

Wenn sogar die Formel 1 den Elektromotor entdeckt, dürfte die Elektrifizierung des Autos definitiv nicht mehr aufzuhalten sein. Tatsächlich steigt der Wert elektronischer Bauteile in den Autos seit Jahrzehnten kontinuierlich - ­jedes Jahr um rund 4 Prozent. Heute entfällt rund ein Fünftel des Fahrzeugpreises auf die Elektronik, bei Hybridautos liegt dieser Wert doppelt so hoch. Dahinter stecken einerseits gestiegene Komfortwünsche der Käufer: Sie wollen bessere Musikanlagen, Navigationssysteme und Klimaanlagen, elektronisch gesteuerte Fahrwerke und Motorsteuerungen, die gleichzeitig auch den Kraftstoffverbrauch senken. Andererseits ist auch der Sicherheitsgewinn durch ABS-Bremsen, Antischlupfregelungen und elektronische Stabilitätsprogramme gar nicht denkbar ohne die Hunderte von Sensoren, die permanent den Zustand des Autos er­fassen.

Auch die strengen Abgasnormen wären ohne elektronische Motorsteuerung nicht einzuhalten. In diesem Bereich versteckt sich heute die technologische Kompetenz eines Herstellers. Einen 300-PS-Motor bauen kann jeder, eine Steuersoftware zu entwickeln, die das Aggregat sauber und sparsam betreibt, das schaffen weltweit nur sehr wenige Unternehmen.

Der Elektrifizierungstrend wird sich nach Ansicht von Experten in den kommenden Jahren fortsetzen. Mechanische und hydraulische Bauteile werden durch elektrische Stellmotoren ersetzt, die ihre Funktion billiger, energieeffizienter und sicherer erfüllen. In Zukunft werden wir elektrisch unterstützt lenken, bremsen und Gas geben: Alle Bedienelemente werden im Grunde zu Joysticks, wie man sie von Computerspielen her kennt. Elektronisch geregelte Fahrwerke und elektrisch verstellbare Sitze werden kein Privileg von Fahrzeugen der Oberklasse mehr sein.

Hybridautos - ob als Plug-in oder nicht - passen ideal zu dieser Entwicklung, weil sie die leistungsfähige Elektrik ohnehin an Bord haben, die für die neuen Komfort- und Sicherheitsfunktionen notwendig ist. Das wird dem Hybridantrieb weiteren Schub verleihen, zumal sich diese Technologie ohne grosse Probleme in die bestehenden Produktionsstrassen der Autoindustrie integrieren lässt. Laut einer Untersuchung der Beratungsfirma Alliance-Bernstein erfordert der Zusammenbau des Prius lediglich vier neue Baugruppen und elf zusätzliche Prozeduren gegenüber herkömmlichen Autos.

Wenn also alles so schön und einfach ist, Hybriden so sparsam sind und Plug-in-Hybriden zusätzlich die Abhängigkeit von importiertem Rohöl reduzieren und dazu erneuer­baren Energien zum Durchbruch verhelfen können, muss die Frage erlaubt sein, warum wir denn solche Autos noch nicht kaufen können und bestenfalls mit einem zweirädrigen Plug-in-Roller aus Italien vorliebnehmen müssen.

Eine erste Antwort liefert der Blick auf die Kosten: Der Hybridroller dürfte in der Piaggio-Preisliste einen Spitzenplatz einnehmen, wenn er wie geplant nächstes Jahr auf den Markt kommt. Für die voraussichtlich rund 16 000 Franken könnte sich sein stolzer Besitzer auch einen Fiat Panda kaufen - und einen stinkenden Zweitaktroller obendrein. Die hohen Kosten entfallen praktisch allein auf ein einziges Bauteil: die Batterie. Sie soll elektrische Energie hochkonzentriert und sicher speichern und den Strom bei Bedarf schnell wieder abgeben - Anforderungen, die bis heute nicht erfüllt sind und die die elektrische Energietechnik begleiten, seit es sie gibt. Nicht umsonst sind elektrische Züge auf Oberleitungen angewiesen.

Wie gross die Herausforderung ist, zeigt der Vergleich zwischen dem Energieinhalt eines Benzintanks und der besten heute verfügbaren Batterie. Bei gleichem Gewicht steckt in einem gefüllten Tank hundert Mal so viel Energie wie in einer Hochenergiebatterie. Erschwerend kommt hinzu, dass nur rund 20 Prozent der Batteriekapazität effektiv zur Verfügung stehen, weil tiefere Entladezyklen die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Wie eklatant diese Unterschiede heute in der Serienherstellung noch sind, zeigt der Prius. Seine Batterie wiegt 39 Kilogramm. Mit einem vergleichbar schweren Tank würde ein Auto mehrere hundert Kilometer weit fahren, die Batterie im Prius reicht nur für einen bis zwei Kilometer.

Noch beeindruckender sind die praktischen Vorteile des fossilen Treibstoffs, wenn man den Vorgang des Tankens energetisch betrachtet. Unter der Annahme, dass pro Sekunde ein Liter Benzin in den Tank gepumpt wird, ergibt das einen Leistungsfluss von 30 Megawatt, was einem Zehntel der gesamten elektrischen Leistung des Kernkraftwerks Beznau I (380 MW) entspricht. Kein Wunder, dass Volltanken kaum länger als eine Minute dauert. Das Aufladen einer leeren Batterie dagegen ist ein Geduldsspiel, für das man heute eine ganze Nacht veranschlagen muss.

«Wir alle in der Automobilindustrie warten auf die Li­thium-Ionen-Batterie», sagt Wolfgang Steiger, Leiter des Forschungsfelds Antriebe in der Konzernforschung von Volkswagen. Diese Batterien erreichen eine bis zu dreimal höhere Energiedichte als Nickel-Metall-Hydrid-Batterien, die in heutigen Hybridautos zu finden sind. Lithium ist ausserdem leicht und billig, beides ideale Voraussetzungen für die Autoindustrie. Wenn da nur nicht ein gefährlicher ­Makel wäre: «Lithium-Batterien sind heute noch nicht ­eigensicher, sie müssen aufwendig abgesichert werden», umschreibt der Ingenieur Steiger das Problem. Laien würden sagen: Die Batterien fliegen hin und wieder in die Luft. Die Computer- und Handyhersteller, die Lithium-Ionen-Batterien heute in fast allen portablen Geräten einsetzen, haben dies im letzten Jahr lernen müssen und mit Rückrufaktionen bezahlt, die Milliarden von Dollar kosteten. Hunderte von Unfällen mit explodierenden und brennenden Notebook-Batterien wurden verzeichnet, nicht selten mit Verletzungsfolgen.

Batteriehersteller und Autoindustrie sind sicher, dass die Probleme lösbar sind. Sie experimentieren mit neuen, nicht brennbaren Materialkombinationen, die aber vorläufig unter einer zu kurzen Lebensdauer leiden. Wie schwierig das Problem ist, zeigt die im August 2007 getroffene Entscheidung der erfolgsverwöhnten Japaner von Toyota: Die Lancierung der nächsten Prius-Generation, die erstmals eine Li­thium-Ionen-Batterie besitzen sollte, musste wegen der nicht gelösten Sicherheitsfrage um mindestens zwei Jahre auf 2010 verschoben werden.

«Mittelfristig sind die Probleme aber lösbar», sagt Konstantinos Boulouchos von der ETH Zürich. Er erwartet, dass leistungsfähige Batterien bis zum Jahr 2015 marktreif sind. In einem Plug-in-Hybrid könnten sie Reichweiten von bis zu 50 Kilometern ermöglichen, bevor der Verbrennungsmotor unterstützend einspringt. Auch Wolfgang Steiger ist optimistisch: «Ich wäre ein schlechter Ingenieur, wenn ich nicht optimistisch wäre.» Der Volkswagen-Manager glaubt aber nicht, dass elektrische Antriebe den Verbrennungsmotor gänzlich verdrängen werden. «Ich erwarte eine zweigeteilte Mobilität: Auf der Langstrecke wird weiter der Verbrennungsmotor dominieren, auf kürzeren Distanzen bis 200 Kilometer wird sich die Elektrifizierung des Autos schrittweise durchsetzen», sagt er.

Auch wenn das noch ein bisschen zurückhaltend tönt, die Folgen für den Strassenverkehr lassen sich kaum überschätzen. Denn «90 Prozent der Fahrten auf Schweizer Strassen sind ohnehin kürzer als 50 Kilometer», erklärt der ETH-Professor Boulouchos. «Das entspricht 70 Prozent aller gefahrenen Kilometer.» Sie könnten zukünftig rein elektrisch zurückgelegt werden, angetrieben von CO2-armem Strom aus Wind-, Wasser- oder Atomenergie. Und selbst wenn die Schweiz ihre alten Kernkraftwerke durch Gaskraftwerke ersetzte, würde sich zwar die CO2-Bilanz des Stromsektors verschlechtern, nicht aber die des Strassenverkehrs. Im Gegenteil: «Der Wirkungsgrad eines modernen Gaskraftwerks erreicht heute 60 Prozent, weitere Verluste bei der Stromübertragung und im Fahrzeug führen zu einem Gesamtwirkungsgrad von 35 Prozent beim Plug-in-Hybrid», sagt Boulouchos. Ein gewöhnliches Hybridauto kommt dagegen auf einen Wirkungsgrad von höchstens 25 Prozent. «Strom aus Gaskraftwerken würde daher den CO2-Ausstoss eines Autos um 40 Prozent senken», schätzt Boulouchos. Noch besser fiele die Bilanz aus, wenn die Schweiz auch in Zukunft ausschliesslich CO2-arme Kraftwerke betreiben würde, deutlich schlechter dagegen, wenn vermehrt Strom aus Kohlekraftwerken importiert würde.

Sollte sich also eine sichere und billige Batterie bauen lassen, dann könnte endlich auch der Strassenverkehr den Wandel vollziehen, den andere Energiesysteme längst hinter sich haben. Seit der Erfindung der Glühlampe ist die Elektrizität nicht mehr aus Haushalt und Industrie wegzudenken. Strom ist die hochwertigste Energie, die wir haben. Sie lässt sich problemlos und mit sehr kleinen Verlusten in andere Energieformen wie Wärme oder Bewegung verwandeln. Während die Holzöfen des 18. Jahrhunderts einen Wirkungsgrad von nur gerade 10 Prozent schafften, erreichen moderne Mikrowellenherde 70 Prozent.

Für den Verkehr wären Plug-in-Hybride und die später folgenden reinen Elektrofahrzeuge ähnlich revolutionär. Sie sind darüber hinaus eine schlichte Notwendigkeit: Denn würde der Pro-Kopf-Energieverbrauch in China und Indien bis 2050 das gleiche Niveau erreichen wie heute in Südkorea – von uns ganz zu schweigen –, würden die zwei Länder mehr Energie benötigen als heute die ganze Welt.

Plug-in-Hybriden könnten dieses Problem wirksam bekämpfen, wie die bereits erwähnte Studie von Alliance-Bernstein zeigt. Falls diese Fahrzeuge bis 2030 einen Marktanteil von 85 Prozent erreichen, würde der weltweite Rohölbedarf des Strassenverkehrs sinken - von 21 auf 16 Millionen Fass pro Tag, obwohl bis dahin fast doppelt so viele Autos auf den Strassen der Welt unterwegs sein werden und jeder Fahrer weitere Strecken zurücklegen wird. Angetrieben wird sein Auto dann aber von elektrischem Strom, der aus erneuerbaren Quellen und aus Atomenergie gewonnen wird, und nur noch bei sehr langen Fahrten von Benzin. Die Elektrifizierung des Autos wird die Welt verändern.

Andreas Hirstein ist Wissenschaftsredaktor bei der NZZ am Sonntag.

Leserbriefe:

Zu Fahrt ins Grüne - NZZ-Folio Auto der Zukunft (10/07)

Bravo! Dieser Artikel ist umfassend und erklärt gut und realistisch die Zukunftsoptionen im Bereich der Automoblibranche; leider habe ich sonst noch nirgendwo in deutschen Zeitungen solchen Weitblick finden können. Hoffentlich machen sich immer mehr Autohersteller diese Chancen zunutze. Wie viel Geld ist bei der Autoindustrie schon in die Entwicklung der Brennstoffzelle geflossen, wie wenig dagegen in die Entwicklung von neuen Akkutechnologien. Ausserdem: Der Litium- Titanat-Akku ist erfunden, er löst bereits die meisten vorgebrachten Probleme; er ist mehr eine Kostenfrage.
Martin Zeller, Wien



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