Was ist eigentlich Rekuperation?

Die Rekuperation von Energie beim Bremsen gehört bei Elektroautos zu den „heimlichen“ Energiesparmöglichkeiten und liefert ein weiteres unschlagbares Unterscheidungsmerkmal zu herkömmlichen Autos. Denn während bei herkömmlichen Autos die Bremsenergie fast vollständig von der Bremsanlage absorbiert und weitgehend zu Reibungswärme umgewandelt wird, können Elektroautos diese Energie problemlos zurückgewinnen, da sie alle dazu notwendigen technischen Einrichtungen von Hause aus an Bord haben.

Eine kleine Lehre von der Energie

Sie kennen das: Ihr (herkömmliches) Auto mag zwar effizient sein, dennoch verbraucht es in der Stadt deutlich mehr, als auf der Landstraße oder der Autobahn. Nun mag man im ersten Augenblick sagen, dass das damit zusammenhängt, dass im Stadtverkehr erheblich mehr geschaltet werden muss und der Motor deutlich öfters in höheren Drehzahlen wandelt. Doch das ist nicht das Problem, denn auf der Autobahn fährt ein Motor selbst in einem höheren Gang ebenfalls mit vergleichbaren Drehzahlen und das für eine durchweg längere Zeit.

Der Hauptgrund für einen deutlich höheren Verbrauch in der Stadt ist in der Physik zu finden, nämlich im Energieerhaltungssatz. Der Satz besagt nämlich, dass die Gesamtenergie in einem System immer gleich bleibt. Und wenn wir das auf das Autofahren herunterdividieren, fällt uns eine sehr große Ineffizienz auf, nämlich das Bremsen.

Die meiste Energie verbraucht ein Fahrzeug beim Beschleunigen. Bewegungsenergie ist mit harter Arbeit verbunden und kostet eine Menge Energie, abhängig davon, wie schnell ein Fahrzeug mit seiner Gesamtmasse bewegt werden soll. Am anschaulichsten sieht man das bei einem herkömmlichen Auto an den Abgaswolken. Beim Beschleunigen hat der Motor richtig etwas zu tun.

Und in der Stadt gehen wir mit dieser geleisteten Arbeit verschwenderisch um, denn an der nächsten roten Ampel ist all die Arbeit, die der Motor geleistet hat, wieder dahin. Wir müssen nämlich bremsen. Und das passiert bei fast allen Autos durch Scheibenbremsen. Bremsbacken werden auf Bremsscheiben gedrückt, die wiederum fest an die Achsen des Autos montiert sind. Der Reibungswiderstand dieser Bremsung bringt das Fahrzeug zum Stehen. Oder, aus energetischer Sicht gesehen: Dieser Vorgang sorgt wieder für die Rechtmäßigkeit des Energieerhaltungssatzes. Und weil Verbrennungsmotoren keinerlei Möglichkeiten haben, die Bremsenergie zu speichern, verpufft diese Leistung in Form von Wärme, die die Bremsanlage beim Bremsen erzeugt.

Der Elektromotor als Energieerzeuger

Tatsächlich ist Bremsenergie nicht einfach nur unhandliche Energie, sondern richtig wertvoll. Man könnte einen Großteil dieser Energie nämlich gut dazu brauchen, um das Fahrzeug wieder damit zu beschleunigen. Das Problem ist lediglich, wie diese Energie gespeichert werden könnte. Ein Verbrennungsmotor kann kein Benzin erzeugen und eine der frühen Ideen mit Schwungrädern, die mit der Bremsenergie aufgezogen werden, um diese dann beim Beschleunigen wieder abzugeben, funktioniert in der Theorie und in Spezialfahrzeugen, jedoch aus Platzgründen nicht in einem normalen Auto.

Ein Elektroauto bringt jedoch von Hause aus zwei Gerätschaften mit, die das könnten: Den Elektromotor (der im Prinzip auch als Generator fungieren kann) und eine hinreichend große Batterie.

Vom Prinzip her kann ein Elektromotor auch „rückwärts“ funktionieren. Wird er mit Strom betrieben und liegt an seiner Antriebsachse mehr Energie an, als er selbst verbraucht, ist er ein Generator und erzeugt nun Strom, anstatt welchen zu verbrauchen. Die meisten Elektromotoren können damit nichts anfangen und nutzen diese Energie nicht, aber bei einem Elektroauto lohnt sich der Aufwand. Denn hier ist Strom quasi immer knapp und jede Form von Energierückgewinnung erhöht die Reichweite. Moderne Batteriesysteme haben zudem auch die technischen Voraussetzungen, sehr kurzfristig zwischen Entladen und Aufladen umzuschalten.

Die echten Asse ausgepielt werden beim Rekuperieren allerding bei der Gefällefahrt. Schon in der Fahrschule lernt man, dass bei einem Gefälle das Fahrzeug auf Dauer nicht normal gebremst werden sollte, um die Bremse nicht heißlaufen zu lassen, sondern mit der so genannten Motorbremse. Bei dieser Bremsform bleibt der Motor angekuppelt und bremst durch seinen inneren Widerstand das Drehmoment, das durch die Bergabfahrt auf der Antriebsachse anliegt. Kann man diese Energie auffangen, kann man wenigstens einen Teil der Energie, die zur Auffahrt benötigt wurde (oder noch benötigt wird) gewinnen.

Ein Elektroantrieb kann hier demnach eine Motorbremse simulieren, indem ein Generator in den Antriebsstrang eingekoppelt ist und aus dem Drehmoment der Antriebsachse Energie erzeugt wird. Und da eine Gefällefahrt oftmals eine recht gleichmäßige Energiezufuhr ermöglicht, sogar recht effizient, so dass man davon ausgehen kann, dass bei modernen Elektrofahrzeugen in günstigen Fällen zwischen 50 und 70 % der anfallenden Bremsenergie auch tatsächlich erzeugen (aber aufgrund von Ladeverlusten nicht unbedingt komplett speichern) kann.

Die Nutzbremse und das Ziel, dass niemand etwas merkt

Das eigentlich Spannende hinter der Nutzbremse ist nicht unbedingt die Technik der Nutzbremse selbst. Effiziente und zuverlässige Elektromotoren und Generatoren werden immerhin ebenfalls seit Jahrzehnten entwickelt und gebaut. In der Fahrzeugtechnik wichtig ist aber vor allem die Einsatzsicherheit, denn für den Autofahrer darf sich die Wirkung der Bremse nicht unterscheiden, egal ob nun herkömmlich gebremst oder rekuperiert wird.

Die Fahrzeugelektronik muss also sehr differenziert entscheiden, wann rekuperiert und wann gebremst wird und die entsprechenden Vorgänge auch in Echtzeit ausführen. Tritt der Autofahrer also zum Beispiel „voll in die Eisen“ und löst eine Vollbremsung aus, schließt sich jegliche Möglichkeit auf Rekuperation aus, weil das Fahrzeug mutmaßlich sofort abgebremst werden muss. Der Autofahrer selbst bekommt von diesen Entscheidungen in der Regel nichts mit und darf auch möglichst nicht durch eine unterschiedliche Bremswirkung irritiert werden.

Eine moderne Rekuperation ist daher vor allem ein feines Zusammenspiel zwischen Energiegewinnung und herkömmlicher Bremsung, die jedoch im normalen Betrieb einen gehörigen Beitrag zur Effizienz des Elektroantriebes liefert.

5 Gedanken zu “Was ist eigentlich Rekuperation?

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