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Foto: Robin Aron/Volvo

Rekuperation

Energie gewinnen beim Bremsen

Viele hybride Antriebssysteme nutzen das Prinzip der Rekuperation, um die Energie zu erhalten, die beim Bremsen eigentlich verloren geht. 

Sowohl bei der normalen Betriebsbremse, sei es per Scheibe oder Trommel, als auch bei Dauerbremsen wie beispielsweise einem Retarder wird Bewegungsenergie entsprechend des Energieerhaltungssatzes in Wärme umgewandelt. Das ist reine Physik. Während die Wärmeenergie im Abgas aber beispielsweise mit einem Turbolader noch genutzt werden kann, verpufft sie beim Bremsen in der Regel ungenutzt.  

Vom Elektromotor zum Generator

Hier setzt die Rekuperation (lateinisch: recuperare = zurückgewinnen) an. Neben der Betriebsbremse nutzen mit derartigen Systemen ausgestattete Fahrzeuge die Lichtmaschine oder – bei Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb – Elektromotoren als Generator. Zwar treibt der konventionelle Verbrennungsmotor grundsätzlich immer die Lichtmaschine an. Bei manchen Herstellern, zum Beispiel BMW, legt die Steuerelektronik die Hauptladearbeit der Lichtmaschine in Schubphasen. Das soll den Motor beim Fahren entlasten und so Kraftstoff sparen. Um Kraftstoff geht es letztlich auch, wenn vollelektrische oder Hybridautos rekuperieren. Statt aber einfach nur die Fahrzeugbatterie für Radio, Licht und so weiter zu laden, speisen die Generatoren hier die Akkus, aus denen sich der batterieelektrische Antrieb bedient. Bevor die Betriebsbremse zupackt, sorgen zunächst die Elektromotoren für Verzögerung. 

Funktionsweise des Elektromotors

Ein Elektromotor besteht aus einem Rotor sowie einem Stator und macht sich den physikalischen Effekt zu Nutze, dass sich gleich geladene Magnetpole abstoßen. Beide Teile umgibt ein Magnetfeld. Zumindest der bewegliche Rotor, der sich im Inneren des feststehenden Stators dreht, ist als Elektromagnet ausgeführt. Hierzu umfließt der Strom eine Spule um einen Kern und erzeugt so ein magnetisches Feld. Je nach Richtung des Stroms ändert sich die Polarität des Feldes. In dem Teil des Rotors, der auf den Pluspol des Stators gerichtet ist, wird der Strom in der passenden Richtung eingeleitet, um im Rotor ebenfalls ein positives Feld zu erzeugen. Rotor und Stator stoßen sich ab und der Rotor dreht sich weg. Auf der Minus-Seite geschieht dasselbe. Um die Bewegung aufrecht zu erhalten, wechselt nach einer halben Drehung das Feld erneut. Auf diese Weise kann der Rotor also magnetisch erzeugte Bewegungsenergie weitergeben und das Fahrzeug antreiben. Für einen ruhigeren Lauf kommen teilweise mehr als nur zwei Pole zum Einsatz. Am grundsätzlichen Prinzip ändert dies jedoch nichts. Beim Rekuperieren läuft der Prozess genau spiegelverkehrt ab. Da sich der Rotor dreht, reiben sich die Magnetfelder quasi aneinander. Dies induziert wiederum Strom, der aus dem Elektromotor zurück in die Batterien fließen kann. Gleichzeitig bremst das Fahrzeug ab, da der Elektromotor auf diesem Wege überschüssige Bewegungsenergie abschöpfen und umwandeln kann. 

Zwar lassen sich auch auf diese Weise die Batterien eines Elektroautos nicht komplett laden. Trotzdem belohnt die Technik einen vorausschauenden Fahrstil und spendiert dem Fahrer zumindest ein paar zusätzliche Kilometer Reichweite. 

Weitere Ansätze: Druckspeicher und Leistungsplus

Statt per Rekuperation Strom zu erzeugen und in Batterien zu speichern, nutzen andere Ansätze die gewonnene Energie, um Druck aufzubauen. Bereits seit Jahrzehnten sind Dampfspeicherlokomotiven mit dieser Technik unterwegs. Sobald der Lokführer bremst, steuern die Ventile um. Die Antriebszylinder werden so zur Pumpe und führen den Druck, der die Lokomotive sonst eigentlich antreibt wieder zurück in den Speicherkessel.

Weniger um Reichweite als um einen Leistungsboost geht es bei Systemen, die teilweise in Sport- oder Rennwagen zum Einsatz kommen. Das physikalische Prinzip dahinter bleibt dasselbe. Der Elektromotor als Generator übernimmt die Schlüsselrolle. Gerade bei diesen Anwendungsfällen könnte statt einer Batterie auch ein Schwungrad oder ein Kondensator die Aufgabe übernehmen, die rekuperierte Energie zwischen zu speichern. 

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6. April 2017
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