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Zwei Herzen unter der Haube

Hybridfahrzeuge waren die Stars auf der diesjährigen Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt. Sie kombinieren Verbrennungs- und Elektromotor miteinander – das spart Sprit und reduziert klimaschädliche Abgase. Doch bislang haben nur japanische Hersteller Hybridmodelle im Angebot.

Was heute an Hybrid zu haben ist

Für die Automobilexperten aus Deutschland war es ein Besuch in einer fremden Welt: vermummte Arbeiter, bis zu den Haarspitzen durch Schutzanzüge und Mundschutz verdeckt. Hermetisch hinter Glasscheiben abgeschirmt hantierten sie in gelbem Licht mit silbern glänzenden Scheiben aus Silizium. Autofabriken sehen für gewöhnlich anders aus, werden beherrscht von surrenden Robotern, mannsgroßen Metallteilen und klackernden oder zischenden Schweißautomaten. Doch die deutschen Autotechniker befanden sich – trotz des fremden Ambientes – durchaus auf gewohntem Terrain: in der Fabrik Hirose des Automobilkonzerns Toyota, wo sie als erste Ausländer die Produktion eines Glanzstücks japanischer Fahrzeugtechnik live miterleben durften – die elektronische Steuerung des Hybridmotors für den Toyota-Mittelklassewagen Prius.

Der Erfolg der japanischen Automobilbauer beruhte bisher auf solider Technik, Komfort und einem günstigen Preis-Leistungsverhältnis. Was Qualität und Wirtschaftlichkeit angeht, konnten sie mit jedem Konkurrenten weltweit mithalten. Die technologischen Trends der Automobilbranche dagegen wurden in Europa bestimmt – meistens in den deutschen Entwicklungslabors, etwa von DaimlerChrysler, BMW, Volkswagen oder dem Zulieferer Bosch. Drehfreudige Dieselmotoren, spurtstarke Benzinmaschinen, umfassende Sicherheitstechnik und elektronische Fahrerunterstützung, bis hin zum Bordcomputer mit Internet-Anschluss – viele technische Leistungen, die weltweit bei Autokäufern begehrt sind, hatten in diesen Entwicklungsstätten ihren Ursprung. Japans Hersteller dagegen machten als solide Produzenten und nur selten als Technologieführer Schlagzeilen.

Das ändert sich jetzt. Mehr und mehr setzen japanische Autohersteller nicht nur mit guten und preisgünstigen Produkten, sondern auch mit innovativer Technik ihre europäischen Konkurrenten unter Druck. Der Münchner Patentanwalt Heiko Barske, früher Forschungschef bei Volkswagen, fühlt sich bereits an das Schicksal der deutschen Fotobranche erinnert. Die deutsche Kameraindustrie war einst weltweit deutlich führend, heute aber ist sie weit hinter die japanische Konkurrenz zurückgefallen, und die technischen Ideen der Kamerabauer aus Fernost beherrschen die Entwicklung der Branche. Mit einer geschickten Strategie haben sie im Verlauf von zwei Jahrzehnten die Führungsrolle übernommen. Das geschah in drei Schritten: erst imitieren, dann zuverlässige Produkte zu günstigem Preis geschickt vermarkten und schließlich die Technologieführerschaft übernehmen – um fortan das Geschehen auf dem Markt zu bestimmen. Der entscheidende Vorsprung in der dritten Stufe der Überholstrategie war in den Siebzigerjahren die kreative Nutzung von Elektronik.

Bei den Autos, fürchtet der Automobiltechniker Barske, könnte die Beherrschung des Hybridantriebs eine ähnliche Rolle spielen. Denn im Gegensatz zu ihren deutschen Wettbewerbern setzen japanische Fahrzeughersteller nicht auf immer stärkere Motoren oder immer mehr elektronische Spielereien. Die Autobauer aus Nippon haben vielmehr die beiden großen gesellschaftlichen Probleme der Zukunft im Blick, zu deren Lösung gezwungenermaßen auch die Automobilhersteller beitragen müssen: zum einen die wachsende Umweltbelastung und zum anderen der globale Verteilungskampf um das nur begrenzt verfügbare Erdöl.

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Der Forschungsvorstand von Toyota, Akihito Saito, fasst seine Zielsetzung in zwei englischen Begriffen zusammen: „minimize“ und „maximize“. Im Klartext: eine best mögliche Umweltschonung und eine optimale Nutzung der knappen Energievorräte. „Die Herausforderung besteht für uns darin“, sagt Saito, „alle Belastungen aus dem Autoverkehr möglichst zu minimieren und gleichzeitig den Autofahrern die Freude am Auto zu maximieren.“ Seine Vision heißt „nachhaltige Mobilität“. Der Hybridmotor stellt in diesem Szenario das Kernelement dar.

Ein Hybridmotor vereinigt einen Verbrennungs- und einen Elektromotor in einem Fahrzeug miteinander, von denen je nach Anforderung entweder der eine oder der andere den Wagen antreibt. Diese Kombination zweier unterschiedlicher Aggregate ist eigentlich ein technisches Ungetüm. Sie bedeutet zunächst, dass ein Auto zwei Antriebsstränge braucht, zweimal die benötigte Energie speichern muss – in Tank und Batterie – und dass eine komplizierte Steuerung für das Zusammenspiel der beiden Antriebe nötig ist. Also mindestens zweimal die ganze Technik, zweimal das ganze Gewicht, zweimal der Platzbedarf und zweimal die Kosten. Dies alles, damit sich die Energie, die in einem fahrenden Auto steckt, zurückgewinnen lässt, und damit sich die beiden Motoren bei Bedarf gegenseitig unterstützen können.

Es hatte also einen guten technischen Grund, weshalb sich die deutsche Autoindustrie bloß am Rande mit dem Hybridantrieb beschäftigte: Angesichts des zusätzlichen Gewichts rechnete man nicht mit großen Benzineinsparungen – angesichts der höheren Kosten glaubte man schon gar nicht, dafür auch Kunden begeistern zu können. Außerdem hatten die deutschen Konstrukteure mit dem sparsamen Dieselmotor eine glänzende technische Lösung in der Hand. Zwar ist auch der Diesel schwerer und teurer als ein Benzinantrieb, aber in den letzten 20 Jahren hat diese Technik wahre Höchstleistungen an Fahrdynamik und Laufruhe vollbracht. Inzwischen haben sich auch sportliche Fahrer mit dem Diesel angefreundet. Allerdings ist er angesichts der Feinstaub-Emissionen offenbar doch nicht so umweltfreundlich wie erhofft. Dieses Problem bekommen die Produzenten erst allmählich in den Griff.

Der größte Nachteil des Dieselmotors ist, dass er einen anderen Kraftstoff braucht. Das spielt in Deutschland und in Westeuropa keine große Rolle, denn die Tankstelleninfrastruktur ist dicht ausgebaut und komfortabel. Ganz anders sieht das in anderen Regionen der Welt aus, etwa im Autoland USA. Hier ist Diesel vor allem ein Treibstoff für Lastwagen. Entsprechend weitmaschiger ist das Tanknetz, und die Zapfsäulen sind auf Berufsfahrer ausgelegt, die nicht im Anzug tanken, sondern in Arbeitskleidung. Ihnen macht es nichts aus, wenn der Tankwart fehlt und sie Schutzhandschuhe anziehen müssen, um die Hände vor Dieselkraftstoff und Ölgeruch zu schützen. Die Situation spiegelt sich in den Zulassungszahlen wieder: Im westlichen Europa haben 49 Prozent aller neu zugelassenen Pkw einen Dieselmotor, in den USA dagegen nicht einmal ein Prozent. Ähnlich ist es in Osteuropa und vor allem in den Zukunftsmärkten der Autoindustrie: China und Südostasien.

Vor allem dort bietet sich ein großes Potenzial für Hybridfahrzeuge – zumal es die japanischen Autohersteller Toyota und Honda fertig brachten, das technische Ungetüm Hybridmotor zu bändigen. Der Hybridmotor des Toyota Prius II mit integriertem Getriebe und elektronischer Steuerung ist nicht mehr schwerer und größer als ein vergleichbarer Dieselmotor mit Automatikgetriebe. Die Entwicklung kleiner und leichter Batterien schreitet außerdem rasant voran. Die Treibstoffeinsparungen der Hybridmotoren gegenüber einem reinen Benzin-Verbrennungsmotor erreichen beeindruckende 25 Prozent, wobei sich das doppelte Antriebskonzept insbesondere im Stadtverkehr und im Stau durch Benzineinsparungen und weniger Schadstoffe auszahlt.

Der Hybridmotor macht sich die Tatsache zueigen, dass Verbrennungsmotoren im Auto bei normalem Verkehr über weite Bereiche nicht mit optimalem Wirkungsgrad betrieben werden. Dabei unterscheiden sich Benzin- und Dieselmotor zwar im Detail, doch im Prinzip gilt das für beide. Beispielsweise nutzen Automotoren bei Teillast ihren Treibstoff unwirtschaftlich: Nur ein Teil der Energie aus der Verbrennung lässt sich für die Fahrt verwenden, der Rest geht im Motor als Wärme verloren oder verschwindet durch den Auspuff. Ottomotoren entwickeln die volle Effizienz erst, wenn die Zylinder gut gefüllt sind. Deshalb verbrauchen sie bei Stop-and-Go im Stadtverkehr unnötig viel Benzin. Diese Defizite soll der Elektromotor ausgleichen. Er setzt die elektrische Energie praktisch in allen Drehzahlbereichen gleich effizient um und entwickelt vom Start an ein hohes Drehmoment. Es kommt auf eine geschickte Steuerung des Zusammenspiels beider Motoren an, um möglichst viel Sprit zu sparen. Das ist die Domäne der Halbleiterbausteine, die im Toyota-Werk Hirose nahe der japanischen Hafenstadt Nagoya entstehen. Sie steuern die Zusammenarbeit von Elektro- und Ottomotor im Toyota Prius II, mit über 200 000 Exemplaren weltweit das meist verkaufte Hybridauto.

Im Prinzip geht es darum, den Ottomotor nur dann anzuwerfen, wenn er seinen optimalen Wirkungsgrad ausspielen kann. Verlangt der Fahrer mit dem Druck aufs Gaspedal zu wenig Leistung, übernimmt entweder der Elektromotor allein den Antrieb oder aber der Benzinmotor dreht zusätzlich den Generator, der die Batterien auflädt. So springt beim Anfahren nur der Elektromotor an. Erst wenn der Wagen schnell genug ist, kommt der Verbrennungsmotor hinzu. Bei Höchstbelastung arbeiten beide Motoren zusammen. Fährt das Auto dagegen mit hoher, gleichmäßiger Geschwindigkeit auf einer flachen Strecke, hat der Verbrennungsmotor Kapazitäten frei und speist die Batterien. Beim Abbremsen wandelt der Generator zusätzlich Bewegungsenergie in Ladestrom um. Von alledem bemerkt der Fahrer nichts, nur beim Stopp an der Ampel könnte er das Geräusch des laufenden Motors vermissen. Doch an Fahrdynamik lässt es der Hybrid-Prius nicht fehlen: In 10,5 Sekunden beschleunigt er von 0 auf 100 Kilometer pro Stunde – ein ordentlicher Wert für einen Wagen dieser Klasse.

Neben der elektronischen Steuerung spielt die Kraftübertragung zwischen Verbrennungsmotor, Generator, Elektromotor und Achse eine entscheidende Rolle für den Fahrbetrieb. Denn natürlich soll das Hybridauto ohne Ruckeln fahren. Toyota hat dafür ein spezielles Planetengetriebe entwickelt, das es bei allen Drehzahlen erlaubt, die einzelnen Komponenten zu regeln sowie zu- und abzuschalten. Zugleich ersetzt es das automatische Getriebe. Alle Komponenten sind kompakt in einem einzigen Antriebsstrang verpackt, der quer in den Motorraum des Prius passt. Nur die eigens entwickelten Nickel-Metallhydrid-Batterien nehmen zusätzlich Platz weg. Sie sind etwa so groß wie eine Aktenmappe und befinden sich hinter der Hinterachse im Kofferraum.

Wie der doppelte Motor in die Autowelt kam

Autos, die von einem Elektromotor angetrieben werden, gelten heute als exotisch. Dabei haben Elektrofahrzeuge eine längere Geschichte als die Benzin- und Dieselautos. Bereits 1881 baute der Franzose M. Gustave Trouvé in Paris ein Auto mit Elektromotor – vier Jahre bevor Carl Friedrich Benz und Gottlieb Daimler unabhängig voneinander ihre ersten Motorkutschen präsentierten. Es wurde von einem wiederaufladbaren Blei-Akku mit Strom versorgt und erreichte ein Tempo von zwölf Kilometern pro Stunde. In den Jahren darauf kamen immer mehr Elektrofahrzeuge auf den Markt – und diese beherrschten rund 30 Jahre lang das Bild in den Straßen der Städte in Europa und Amerika. In den USA hatten sie um das Jahr 1900 einen Anteil von 38 Prozent an allen Straßenfahrzeugen. Benzinautos waren mit 22 Prozent Anteil in der Minderheit – die übrigen 40 Prozent besaßen eine Dampfmaschine als Antrieb.

Autos mit Otto-Motoren hatten in der Anfangszeit der Automobile vor allem aus einem praktischen Grund einen schweren Stand: Man musste sie per Hand ankurbeln – eine mühselige und oft erfolglose Angelegenheit. Erst mit der Erfindung des elektrischen Anlassers im Jahr 1911 begannen Fahrzeuge mit Verbrennungsaggregat gegenüber den Elektroautos die Oberhand zu gewinnen. Auch der rasche Aufbau eines umfassenden Tankstellennetzes trug zur wachsenden Beliebtheit der Benzinautos bei. Außerdem waren sie billiger als Elektrofahrzeuge. So verschwanden die Elektroautos innerhalb kurzer Zeit fast ganz von den Straßen. Eine Renaissance des elektrischen Antriebs versprechen erst die neuen Hybridfahrzeuge.

Dabei ist auch die Idee des Hybridmotors alles andere als neu. Dem deutschen Automobilkonstrukteur Ferdinand Porsche war der Gedanke, Otto- und Elektromotor zu kombinieren, schon mit 28 Jahren gekommen, im Jahre 1903. Wegen der damit verbundenen Probleme – hohes Gewicht und großer Platzbedarf – wurden aber zunächst kaum Autos mit Hybridantrieb gebaut.

Toyota war 1996 der erste Automobilhersteller, der mit dem Prius I einen Wagen mit Hybridantrieb auf den Markt brachte. Das Auto wurde allerdings nur in Japan verkauft. Erst die Nachfolgeversion Prius II gibt es auch in Europa und in den USA zu kaufen. Mit dem Lexus RX400h baut Toyota inzwischen ein weiteres Fahrzeugmodell mit Hybridmotor, das seit Kurzem auch in Deutschland angeboten wird.

Die Zukunft des Hybrids

Der Verkaufserfolg des Toyota Prius II, vor allem in den USA, hat die deutschen Autobauer aus ihrer Diesel-Verliebtheit aufgeschreckt. Vom Hybridmotor hatten sie bisher keine gute Meinung. „Zu schwer und zu teuer“ lautete das Urteil. Noch im Jahr 2004 kanzelte VW-Chef Bernd Pischetsrieder den Hybridantrieb ökologisch als „eine einzige Katastrophe“ ab und hielt den Befürwortern vor: „Die Gesetze der Physik und Chemie wird auch eine noch so gute Propaganda nicht ändern.“ Ins gleiche Horn stieß DaimlerChrysler-Forschungsvorstand Thomas Weber, den ein US-Informationsdienst mit einer langen Liste von Gründen zitiert, warum er keine Hybridmotoren mag: „Alles in allem glauben wir, dass fortschrittliche Dieseltechnologie die bessere Lösung ist.“

Doch die Technologie „nicht aus dem letzten, sondern aus dem vorletzten Jahrhundert“ (Pischetsrieder) ist angesichts der Erfolge von Toyota plötzlich auch bei Deutschlands Autobauern salonfähig geworden. Jetzt verkündet DaimlerChrysler, Hybridtechnologie stehe schon „seit mehr als 20 Jahren im Fokus der DaimlerChrysler-Forschung“, denn „kein anderer Antrieb lässt sich so vielfältig variieren und so unterschiedlich maßschneidern“ . Ein Kooperationsvertrag mit dem amerikanischen Konkurrenten General Motors wurde geschlossen, ein Executive Director für Hybridantriebe ernannt und das erste Hybrid-Serienauto des Konzerns für 2007 angekündigt. Porsche überlegt, für seinen Geländewagen Cayenne die Toyota-Technik zu übernehmen. Und VW „ arbeitet intensiv daran, die Hybridtechnologie für eine mögliche Serienanwendung vorzubereiten.“ Freilich haben deutsche Hybridmotoren bisher nur Prototypen angetrieben. Möglicherweise ist das ein Grund dafür, dass das Bundesforschungsministerium ganze 3,6 Millionen Euro für ein neues Verbundprojekt Hybridkonzepte bereit stellte.

Japans Autobauer sind durch das in Deutschland grassierende Hybridfieber nicht beunruhigt. Inzwischen ist mit dem Geländewagen RX400h der Luxusmarke Lexus das zweite Hybrid-Serienauto von Toyota in Europa auf dem Markt. „Wir haben gegenüber den Europäern sieben Jahre Vorsprung“, sagen die Toyota-Entwicklungsingenieure hinter vorgehaltener Hand. Angesichts der schnellen Entwicklungszyklen in der Steuerungselektronik und Batterietechnik bedeutet das eine kleine Ewigkeit. In den deutschen Konzern-Etagen wird der Rückstand gern heruntergespielt, etwa mit dem Argument, bei der Hybridtechnik handle es sich „nur um eine Übergangstechnologie“ – Übergang in eine Epoche, in der die meisten Automobile mit Brennstoffzellen und mit Wasserstoff fahren würden.

Damit aber rechnen selbst Optimisten der Wasserstoffszene nicht vor 2040. Und auch in 35 Jahren wird nach den Vorstellungen der japanischen Autobauer die Hybridtechnik nicht ausgedient haben. Denn auch Brennstoffzellen arbeiten nicht in allen Bereichen mit vollem Wirkungsgrad. Ein Zusammenspiel mit Batterien könnte, erklärt Toyota-Konstrukteur Katsuhiko Hirose, die Nutzung der im teuren Wasserstoff steckenden Energie beträchtlich verbessern. Die Hybridtechnik hat nach Ansicht japanischer Ingenieure also auch eine Wasserstoff-Zukunft. Und die Autobauer aus Fernost sind nicht bereit, ihren Vorsprung zu verschenken: Schon kreuzt das erste Testauto für Brennstoffzellen-Hybridantrieb auf Japans Straßen. ■

Reiner Korbmann

Ohne Titel

Der Minotauros, jenes Ungeheuer mit dem Körper eines Menschen und dem Kopf eines Stiers in der griechischen Mythologie, ist das klassische Bild für ein Mischwesen, einen Hybriden. Dabei haftet dem Wort „Hybrid“ heute nichts Ungeheuerliches mehr an: von der Computertechnik bis zum Bauwesen und zur Architektur, von der konventionellen Tier- und Pflanzenzucht bis zur Molekularbiologie – überall hat es inzwischen Einzug gehalten.

Meyers Handlexikon von 1871 kannte bloß die biologische Bedeutung des Worts Hybrid: „von zweierlei Herkunft, Bastardpflanze, durch Vermischung verschiedener Gattungen erzeugt“ . Musterbeispiel: das Maultier, das Pferd und Esel als Eltern hat. In der Pflanzenzucht stehen hybride Pflanzen bei der Saatgut-Industrie hoch im Kurs: Aus dem Samen entstehen nur keimunfähige Früchte, die Bauern können ihr Saatgut nicht mehr selbst erzeugen, profitieren aber andererseits durch höhere Ernteerträge.

In der Technik bekam das Wort erst im 20. Jahrhundert eine Bedeutung. Heute gibt es kaum einen Bereich, der keine hybriden Lösungen kennt. Nur das Wort „System“ dürfte noch häufiger in unterschiedlichen Bedeutungen auftreten. So gibt es etwa Raketen mit Hybridtriebwerken und Computer als Hybridrechner, die sowohl analoge Daten verarbeiten können als auch digitale. Auch kombinierte Werkstoffe werden oft als hybride Werkstoffe bezeichnet, etwa Stahlbeton. Grundsätzlich geht es dabei immer um die Zusammenführung zweier Technologien. In der Vergangenheit waren diese Lösungen oft mit Nachteilen belastet, die durch die Vorteile nicht aufgewogen wurden. Nachdem immer mehr hoch spezialisierte Lösungen für bestimmte Technologien – etwa Verbrennungsmotoren – an ihre Grenzen stoßen, sich zugleich aber durch eine intelligente Verknüpfung und Steuerung die Nachteile einer Kombination verschiedener Technologien verringern lassen, steigen die Chancen der Hybride. Ein gutes Beispiel ist der Hybridantrieb im Auto.

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