Rückgewinnung von Energie kein explizites Fahrzeug-Thema
Bedeutung von regenerativer Energie im Alltag
Grundlagen für die Rekuperation im Auto
So funktioniert Rekuperation bei Elektroautos
So funktioniert Rekuperation bei Hybridautos
Vorteile von regenerativer Bremsenergie
Wirkungsgrad von regenerativen Bremsvorgängen
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Rekuperation ist ein Begriff, der aus dem Lateinischen stammt. In die deutsche Sprache übersetzen lässt sich das Wort als Rückgewinnung. Angewendet auf ein mobiles Fahrzeug bedeutet es, dass ein Auto eine technische Vorrichtung dafür nutzt, um verbrauchte Energie zurückzugewinnen.
Darstellbar ist das an einem abstrakten Beispiel: Ein Auto fährt eine Strecke zu 100 Prozent rein elektrisch und gewinnt über einen Generator 70 Prozent der Energie zurück. Durch Rekuperation verbraucht das elektrische Fahrzeug insgesamt nur 30 Prozent der ursprünglich eingesetzten Energie.
Abhängig vom realistischen Wirkungsgrad des Elektroantriebs unterstützt das regenerative Bremsen die effiziente Verwendung von Strom beim elektrischen Fahren und spart somit Energie ein.
Weißt du eigentlich, wie Rekuperation entstanden ist? Vielleicht klingt es überraschend, aber das Prinzip der Rückgewinnung von Energie ist keine Erfindung der Autoindustrie. Rekuperation wird seit über 100 Jahren bereits in vielen Bereichen angewendet.
Alles begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit der regenerativen Bremse bei Eisenbahnen. Die Bremsen wurden damals auch als Nutzbremse bezeichnet. Die Lokomotiven schalteten beim Bremsvorgang ihre Motoren in Generatoren um und nutzten die entstehende Reibung, um elektrische Energie zu erzeugen. Der dadurch gewonnene Strom gelangte durch Einspeisung in das Betriebsnetz zurück und reduzierte den Stromverbrauch der Züge.
Noch heute kommt dieses Prinzip zum Einsatz, auch bei Grubenbahnen und Seilbahnen. Wendet eine Seilbahn die Energie auf, um auf einen Berg zu fahren, entsteht auf der Talfahrt abhängig vom Gewicht des Fahrzeugs potenzielle Energie, die rekuperiert werden kann.
Allgemein ist Energierückgewinnung überall dort nutzbar, wo ein Fahrzeug beschleunigt und abbremst. Das passiert sowohl bei Personenfahrzeugen als auch Schienenfahrzeugen. Das Prinzip der Rekuperation hat durch die zunehmende Elektromobilität und mehr elektrische Autos im Straßenverkehr eine höhere Aufmerksamkeit im privaten Umfeld erhalten.
Interessant ist der Einsatz von regenerativer Energie im Zusammenhang mit Systemen, die keine Batterie aufladen, sondern die gewonnene Energie anders nutzen. In Linienbussen existieren elektrische Kreisläufe, die den Strom für das Betreiben der Heizung verwenden. Dadurch verbrauchen Busse selbst im Winter weniger Strom, obwohl die Kabine für Fahrgäste beheizt ist.
Rekuperation lässt sich auch bei der Heizung in Gebäuden nutzen. Wird ein Raum durch regenerative Systeme geheizt, ist es möglich, einen Teil dieser Wärmeenergie zurückzugewinnen. Zudem ist das Prinzip auch in kleinen Geräten in der Dusche integriert. Dabei leitet das System die Wärme des verbrauchten Wassers in die Armatur zurück, um damit neues Wasser vorzuwärmen. Rekuperation ist daher kein neues Trendthema, das eingesetzt wird, um Energie effizient zu verwenden.
Rekuperation ist inzwischen auch ein Merkmal für Autos mit einem elektrischen Antrieb. Sowohl der Elektroantrieb in reinen E-Autos als auch der Hybridantrieb sind so aufgebaut, dass beide Motoren in der Lage sind, Energie über Rekuperation zurückzugewinnen. Wesentliche Komponenten sind ein Elektromotor, der auch als Generator fungiert, sowie ein AC/DC-Wandler und eine ausgeklügelte Leistungselektronik.
Der Inverter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um (und umgekehrt), während ein DC/DC-Wandler oder auch Gleichspannungswandler die Gleichspannung (DC) von einer Spannungsebene auf eine andere umwandelt, sodass Strom auch in verschiedenen Stromnetzen verwendbar ist (beispielsweise 12 V für Bordelektronik wie Radio, Armaturen und Bordcomputer).
Elektrofahrzeuge besitzen einen Elektromotor, der ausschließlich mit Strom betrieben wird. Im Leistungsbetrieb gelangt eine elektrische Ladung von der Batterie über den Inverter in den Motor und treibt diesen an. Die Aufgabe des Inverters ist es, die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung umzuwandeln, um den Motor in Bewegung zu bringen.
Durch Rekuperation oder Bremsenergierückgewinnung kehrt sich dieser Weg um. Die Autoräder erzeugen durch ihre Bewegungsenergie beim Bremsvorgang einen Widerstand, mit dem der Elektromotor als Generator eine Stromladung produziert. Diese Ladung wandelt der Inverter von Wechselspannung in Gleichspannung um und speichert sie in der Batterie. Die Rückgewinnung von Energie sorgt dafür, dass ein Teil der für die Beschleunigung vorgesehenen Ladung erneut genutzt werden kann. Trotz Rekuperation ist bei Elektroautos trotzdem das regelmäßige externe Aufladen der Batterie an einer Ladesäule oder Wallbox notwendig.
Bei Hybridfahrzeugen ist die Antriebstechnologie etwas anders aufgebaut. Diese Fahrzeuge haben sowohl einen konventionellen Verbrennungsmotor als auch mindestens einen Akku. Bei Vollhybriden besteht keine Option, das Auto an einer externen Ladesäule zu laden. Die Batterie lädt sich stattdessen während der Fahrt beim Bremsen über Rekuperation wieder auf. Diese Funktion ist ebenfalls aktiv, wenn sich das Hybridfahrzeug bergab nur rollend vorwärts bewegt, ohne das Gaspedal aktiv zu betätigen.
Auch Autos mit Plug-in Hybrid nutzen das Prinzip der Rekuperation zum Laden der elektrischen Batterie. Der Unterschied zum Hybridauto besteht jedoch darin, dass Plug-ins auch über eine externe Stromquelle laden können. In diesem Fall sorgt die Rekuperation dafür, dass weniger Strom zum Laden des Akkus nötig ist.
Das Prinzip der Rekuperation bringt zahlreiche Vorteile mit. Durch die intelligente Rückgewinnung sinkt die benötigte elektrische Energie des Elektromotors und der tatsächliche Stromverbrauch nimmt ab. Zudem erhöht sich auch die mögliche Reichweite einer einzigen elektrischen Aufladung. Der Ladevorgang an einer Ladesäule oder Wallbox nimmt weniger Zeit in Anspruch. Bei Hybridautos sind größere Strecken rein elektrisch fahrbar, sodass sich der CO₂-Verbrauch reduziert und die Umwelt weniger Emissionen ausgesetzt ist. Darüber hinaus gilt sowohl für E-Autos als auch Fahrzeuge mit Hybridantrieb, dass durch die Rückgewinnung von Bremsenergie auch der Bremsabrieb und der Ausstoß von Feinstaub sinken.
Möglich ist das, weil Rekuperation automatisch auch einen Bremseffekt bewirkt. Elektrische Autos lassen sich wahlweise mechanisch oder regenerativ bremsen, sofern die Funktion der Rekuperation vorhanden ist. Im mechanischen Modus greifen Bremsen auf das Rad und bremsen es ab. Dabei entstehen Wärme und Feinstaub, außerdem nutzen sich die Bremsen ab.
Beim Bremsvorgang mit Rekuperation sorgt der Widerstand im Elektromotor für das Abbremsen des Fahrzeugs, ohne dabei Abwärme und Abnutzung zu erzeugen. Je öfter das regenerative Bremsen zum Einsatz kommt, desto geringer wirkt der Verschleiß auf die Bremsen. Das regenerative Bremssystem ist dabei aber stets über die Bordelektronik mit dem mechanischen Bremssystem verbunden. Dadurch ist sichergestellt, dass auch die mechanische Bremsung eingesetzt wird, um das Auto langsamer werden zu lassen, wenn das rekuperative Bremsen nicht ausreicht.
Wer beim Fahren zum ersten Mal mit der Funktion der Rekuperation in Berührung kommt, benötigt zunächst etwas Zeit, sich an das veränderte Fahrverhalten des Autos zu gewöhnen. Vergleichbar ist das Gefühl mit der Verwendung eines Dynamos beim Fahrradfahren. Das Fahrzeug fährt und bremst einfach anders. Allerdings braucht es nicht lange, bis sich eine Gewöhnung einstellt.
Ein möglicher Nachteil kann zudem entstehen, wenn beim Fahren ausschließlich rekuperatives Bremsen zur Anwendung kommt. In Ausnahmefällen werden die mechanischen Bremsen dadurch anfälliger für Rost. Praktisch ist allerdings die Wahrscheinlichkeit dafür sehr gering. Moderne Steuerungssysteme lösen regelmäßig auch die mechanische Bremse aus. Darüber hinaus gestaltet sich alltägliches Fahren ausschließlich mit regenerativen Bremsvorgängen als kompliziert und ist in der Praxis deshalb kaum gegeben.
Der Wirkungsgrad des regenerativen Bremsens hängt vorwiegend von der eingesetzten Technik ab. In Abhängigkeit der Effizienz eines elektronischen Steuergeräts in der Anwendung sind Wirkungsgrade von 60 bis 70 Prozent theoretisch möglich. Das ist ein Wert, der sich in der technischen Entwicklung der Rekuperation erheblich gesteigert hat. Die ersten Eisenbahnen, bei denen Rekuperation zur Anwendung kam, erzielten lediglich einen Wirkungsgrad von etwa fünf Prozent.
Neben der genutzten Technik, die darüber entscheidet, ob bei einem Bremsvorgang die rekuperativen Bremsen oder die mechanischen Bremsen greifen, kommt es auch auf die Fahrweise an. Ein Bremsen bei hoher Geschwindigkeit erfolgt in den meisten Fällen durch starken Druck auf das Bremspedal. Dabei erreicht das regenerative Bremssystem schnell die Leistungsgrenze und die Bremskraft erfolgt durch die mechanische Bremse.
Der Wirkungsgrad lässt sich verbessern, wenn sich die Fahrweise vorausschauend gestaltet. Hier tragen die passende Beschleunigung und ein sanftes Bremsen dazu bei, vergleichsweise mehr Energie zurückzugewinnen. Das Gewicht eines elektrischen Autos unterstützt auf abschüssigen Straßen als Beschleuniger die regenerative Bremskraft und verstärkt das rekuperative System und seinen Wirkungsgrad.
In der umfangreichen Angebotspalette von elektrisch betriebenen Fahrzeugen finden sich einige Modelle, die das Prinzip der Rekuperation nutzen und Energie zurückgewinnen. Dazu gehören folgende Toyota-Modelle: bZ4X, Proace Electric, Proace Verso Electric, Proace City Electric und Proace City Verso Electric.
Auch die Hybridmodelle von Toyota lassen sich durch Rekuperation während der Fahrt aufladen. Der Yaris, der Yaris Cross, der Corolla sowie der RAV4 als Hybrid und Plug-in Hybrid können ebenfalls ohne externes Laden elektrisch fahren. Der Prius nutzt als Plug-in ebenfalls diese Möglichkeit, ebenso auch der Toyota C-HR und der Toyota C-HR Plug-in-Hybrid.
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