Rekuperation

Rekuperation – Energierückgewinnung durch Bremsen bei Hybrid- und Elektroautos

Inhalt des Wiki-Artikels

• Funktionsweise der Rekuperation bei Elektroautos
• Energierückgewinnung durch Bremsrekuperation
• Rekuperation im Stadtverkehr, auf Landstraßen und Autobahnen
• Auswirkungen auf den Verbrauch durch Rekuperation

Funktionsweise der Rekuperation bei Elektroautos

Der Begriff Rekuperation bezeichnet ein technisches Verfahren zur Rückgewinnung von Energie. Dieses Verfahren wird in verschiedenen Bereichen genutzt, zum Beispiel bei Feuerungsanlagen mit Luftvorwärmung und bei Elektroautos, die durch Ausrollen und Bremsvorgänge Energie zurückgewinnen. Abgeleitet ist der Begriff von dem lateinischen Wort „recuperare“, das mit „wiedererlangen“ oder „wiedergewinnen“ übersetzt wird. Im Stadtverkehr ermöglicht die Rekuperation besonders energieeffizientes Fahren.¹

Energierückgewinnung durch Bremsrekuperation

Durch Rekuperation wird die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöht, da die Batterie während Bremsvorgängen wieder aufgeladen wird. Aus diesem Grund ist für die Rekuperation bei E-Autos auch die Bezeichnung „regeneratives Bremsen“ gängig. Energie, die sonst verlorengehen würde, wird durch dieses Verfahren zum Teil wieder nutzbar gemacht. Sowohl bei reinen Elektro- als auch bei Hybridfahrzeugen wird dieses technische Verfahren eingesetzt. Bei Zügen und Oberleitungsbussen ist die Rekuperation bereits seit längerer Zeit etabliert, bereits seit gut 100 Jahren sind elektrische Lokomotiven mit einer Nutzbremse ausgestattet, Oberleitungsbusse speisen die beim Bremsen rückgewonnene Energie wieder in die Oberleitung ein.

Zum Antrieb von Fahrzeugen wird Energie benötigt, im Falle von E-Autos ist dies elektrische Energie, Hybride fahren auch mit Kraftstoffen wie beispielsweise Benzin, also mit chemischer Energie. Bei beiden Fahrzeugtypen wird die eingesetzte in kinetische Energie – Bewegungsenergie – umgewandelt. Während bei Autos mit Verbrennungsmotor die Bewegungsenergie beim Bremsen in nicht weiter nutzbare Wärmeenergie umgewandelt wird und verlorengeht, verfügen Fahrzeuge mit Elektromotor und Hybridfahrzeuge über einen in den Antrieb integrierten Generator, über den bei Bremsvorgängen Strom erzeugt wird. Das Verfahren beruht auf dem gleichen Prinzip wie der Dynamo bei einem Fahrrad.

Ein Fahrraddynamo erzeugt Energie für die Beleuchtung über ein Reibrad, das auf der Felge des Fahrrads aufgesetzt wird. Auf diese Weise wird ein Dauermagnet mit zwei oder drei in eine Spule integrierte Polen angetrieben. Die Drehung gegen den elektromotorischen Widerstand erzeugt durch ein Induktionsverfahren Energie. Aufgrund des im Dynamo entstehenden Widerstands bei der Energieerzeugung muss der Fahrradfahrer stärker in die Pedale treten. Diese Tatsache macht man sich bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen zunutze, zumeist mittels eines Spulenrings. Dieser Generator befindet sich zwischen Motor und Getriebe und dient dem Antrieb während der Fahrt.

Durch kinetische Energie erzeugter Strom kann von E-Autos zwischengespeichert werden. Sobald der Fahrer den Fuß vom Gaspedal nimmt, bremst das Fahrzeug aufgrund des Widerstands rasch ab und die Rekuperation setzt ein. Die Bewegungsenergie der rollenden Räder wird in Strom umgewandelt, der im Anschluss direkt wieder zum Beschleunigen genutzt werden kann. Bei einer starken Rekuperation ist es oft gar nicht notwendig, das Bremspedal zu betätigen. Die Bremse wird weitaus seltener als bei einem Auto mit Verbrennungsmotor gebraucht. Dadurch fällt weniger Bremsstaub an, was für die Umwelt von Vorteil ist, weil infolgedessen auch weniger schädlicher Feinstaub entsteht.²

Rekuperation im Stadtverkehr, auf Landstraßen und Autobahnen

Da im Stadtverkehr besonders häufig abgebremst und beschleunigt werden muss, lässt sich dort die meiste Energie durch Rekuperation rückgewinnen. Ein rekuperierbarer Energieanteil von 12,8 Prozent ist möglich, der größte Teil der Energie fließt in die Batterie des Elektroautos. Vom Akku wird die Energie zu einem Inverter geleitet, der sie auf den Motor und Nebenverbraucher aufteilt. In der Regel erhält der Motor einen größeren Energieanteil. Die Energiebilanz für Fahrten auf Landstraßen fällt ebenfalls zufriedenstellend aus, durch die Rekuperation können 10,2 Prozent der zugeführten Energie zurückgewonnen werden. Deutlich geringer ist die rekuperierte Energie bei Autobahnfahrten, sie liegt bei 4,5 Prozent der eingesetzten Energie. Der Vergleich der Werte verdeutlicht, dass das regenerative Bremsen im Stadtverkehr am effizientesten ist.³

Auswirkungen auf den Verbrauch durch Rekuperation

Mit Hilfe der Rekuperation lässt sich der Kraftstoff- oder Stromverbrauch bei Hybrid- beziehungsweise Elektroautos um bis zu 20 Prozent senken. Das Prinzip des regenerativen Bremsens findet auch bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor Anwendung, bei diesen wird die Lichtmaschine durch Rekuperation geladen. Auf diese Weise wird der Motor entlastet, denn ein gewisser Ladezustand der Autobatterie ist nicht nur beim Starten notwendig, sondern auch zum Betrieb von Heizung oder Klimaanlage. Diese Technik verringert allerdings die Leistung des Motors, weil die Umwandlung der Energie eine Gegenkraft und damit einen Bremseffekt an der Welle zur Folge hat. Unter Volllast ergibt sich daraus eine Reduzierung der Motorlast um fünf bis sieben PS, wodurch der Verbrauch steigt. Je 1000 Watt erzeugter Leistung muss mit einem Kraftstoff-Mehrverbrauch von einem Liter gerechnet werden.

Es ist allerdings auch möglich, durch die Rekuperation der Lichtmaschine die Effizienz zu steigern, nämlich indem der Generator sich nur dann einschaltet, wenn das Auto rollt und somit die Motorbremse nutzt. Diese Technik wird Micro-Hybrid genannt, wird sie angewendet, kann der Verbrauch um bis zu zehn Prozent reduziert werden. Sie wird von den deutschen Autoherstellern BMW, Mercedes, VW und Audi bereits in einigen Fahrzeugmodellen eingesetzt. So effizient wie bei Elektroautos ist die Rekuperation bei rein kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen jedoch nicht. Dies liegt vor allem daran, dass bei Autos mit Verbrennungsmotor lediglich die Starterbatterie geladen wird, während bei Hybrid- und E-Fahrzeuge die rückgewonnene Energie den Antriebsakku speist – und zwar sowohl beim Rollen als auch beim Bremsen. Wird bei Letzteren das Bremspedal leicht betätigt, werden nämlich nicht direkt die mechanischen Bremsen ausgelöst, sondern zunächst der Elektromotor oder Generator angesteuert, die während der Stromerzeugung schwerer drehen und dadurch das Fahrzeug schon merklich abbremsen.⁴