Nur 2,84 kg auf 100 km!

Emanuel Binder hat mit seinen IAV-Ingenieurskollegen ein innovatives Antriebsstrangkonzept entwickelt. Gegenüber CNG-Mobility verrät er weitere Details zum Metamax genannten Hybriden, der mit einem Verbrauch von lediglich 2,84 kg/100 km aufwartet.

Die vom deutschen Ingenieursunternehmen iav vorgestellte Lösung für einen effizienten Antrieb. Quelle: Screenshot/iav Webinar

«Wir wollen die CO₂-Neutralität schnell und durch die Nutzung der bestehenden Infrastrukturen erreichen. Daher haben wir uns bei der Entwicklung für einen Methan-Hybridantrieb für den Langstreckeneinsatz bei Personenwagen entschieden», erläutert Dr.-Ing Emanuel Binder vom deutschen Ingenieursunternehmen IAV. «Die Gas- und Tankstelleninfrastruktur ist bereits vorhanden und muss beispielsweise anders als beim Wasserstoff nicht noch erst aufgebaut werden.»

Beim Mittelklasselimousine-Konzept Metamax hatten die IAV-Ingenieure dennoch vier grosse Herausforderungen zu meistern, bis zu ihrer Lösung: einem monovalenten Gas-Hybridantrieb mit 920 km Reichweite und einem Verbrauch von lediglich 2,84 kg/100 km. Zum einen die Reichweite, die aktuell bei rund 450 km mit Gas und den weiteren Kilometern mit Benzin im Reservetank liegt. Letzteren betiteln die IAV-Ingenieure übrigens vielsagend als «Benzin-Angsttank». Beim Metamax lassen sie ihn trotzdem ganz weg und nehmen den Kunden dafür dank Tanks mit Platz für bis zu 27,4 kg Gas sowie hoher Effizienz jede Reichweitenangst.

Quelle: Michel Buchmann

Die weiteren Herausforderungen für das Konzept lauteten: hohe Methan-Emissionen im Tief- und Teillastbereich, Kaltstart und vor allem auch die Erneuerbarkeit der Antriebsenergie. «Mit höherer Effizienz und einem fortschrittlichen Gastankkonzept konnten wir die Reichweite des Metamax massiv verbessern. Und die beim Teillastbetrieb und darunter entstehenden Emissionen haben wir durch das Hybridsystem umgehen können», so Binder weiter. «Als wir darüber grübelten, wie wir die Abgastemperatur künstlich anheben und dadurch das Rest-CH₄ im Abgas besser konvertieren könnten, kamen wir auf die Lösung: Wieso vermeiden wir sie nicht einfach komplett, indem wir den Verbrenner abschalten, anstatt sie aufwändig zu be- und verarbeiten? Das brachte uns auf den Seriell/Parallel-Hybridantrieb.»

Dabei wird der kompromisslos Richtung perfekte CH₄-Verbrennung optimierte Verbrennungsmotor bei niedriger Last durch den Elektromotor entlastet. Das erlaubt einen Wirkungsgrad von über 45 Prozent und trotzdem ausgezeichnete Leistungswerte des Hybridantriebs, bei dem ein Zwei-Liter-Motor mit 115 kW/156 PS, zwei E-Motoren mit je 40 kW/54 PS und eine 2,5-kWh-Speicherbatterie zusammenarbeiten. «Dank des Vorheizens des Katalysators vor dem eigentlichen Start des Verbrennungsmotors können wir zudem Abgastemperaturen unter 550° C und somit Probleme bei der Nachbehandlung des Methans vermeiden», erläutert der IAV-Ingenieur.

Biogas ermöglicht es die unterschiedlichen Sektoren miteinander zu verbinden. Quelle: Screenshot/iav Webinar

«Wir haben beim Metamax also die drei Herausforderungen angegangen, die wir als Ingenieure auch beeinflussen können», erklärt Projektleiter Binder. Denn den vierten Punkt, die Tankstelleninfrastruktur und die gesetzliche Anrechenbarkeit regenerativer Treibstoffe auf die CO₂-Flottenemissionen, können die Ingenieure eines der grössten Ingenieursunternehmen im Mobilitätsbereich weltweit nicht beeinflussen. Auf die wesentlichen Neuerungen beim Metamax-Projekt angesprochen, ergänzt Emanuel Binder: «Sicherlich die aktive Vorkammer, eine aus der Formel 1 gut bekannte Technologie, die uns die 45 Prozent Wirkungsgrad erreichen lassen. Zudem der Wechsel der Positionen von Kat und Turbo, was für einen reinen Verbrenner wegen des Ansprechverhaltens keine gute Idee ist, aber bei einem Hybrid dank des Elektro-Boost kein Problem darstellt.»

Beim Metamax-Konzept endet der Auspuff etwa in der Mitte des Fahrzeugs, das schafft Platz im Heck und erlaubt eine flexiblere Platzierung der fünf Gastanks sowie der Batterie. «Wir konnten dadurch das Packaging massiv verbessern. Die zusätzliche Masse fürs Metamax-Konzept-Fahrzeug beträgt im Vergleich zu einem vergleichbaren Serien-CNG-Fahrzeug mit reinem Verbrennungsmotor etwa 90 Kilo. Dies primär wegen der zusätzlichen Gastanks», verrät Emanuel Binder. «Wir haben den Methan-Hybridantrieb nun für einen Personenwagen dargestellt, aber es sind noch viele weitere Anwendungen denkbar.» Der Antrieb ist für die IAV-Ingenieure auch für leichte und schwere Nutzfahrzeuge insbesondere auch Langstrecken-Busse, anwendbar. «Auch eine Variante als Plug-in-Hybrid statt dem jetzigen Hybriden ohne Ladeoption am Stecker ist durchaus möglich», ergänzt der Deutsche. «Ich sehe diese aber nicht als zielführend, da die Batterie dann unnötig gross werden würde, was wieder mehr CO₂-Emissionen und Energieverbrauch bei Herstellung und Nutzung bedeutet.»Das clevere Packaging erlaubt es, dass im Heck des Metamax-Konzepts bis zu fünf Gastanks untergebracht werden, was die Reichweite des CNG-Hybrids massiv erhöht. Quelle: iav

Und betreffend Kosten der Hybridtechnik macht der IAV-Ingenieur klar: «Bislang waren Methan-Antriebe immer ein Nebenprodukt der Verbrenner-Entwicklung. Wir legten den Fokus beim Metamax nun erstmals auf einen für Methan ausgelegten Motor. Und klar kosten die ganzen Hybridelemente Geld, dieses sparen wir aber durch den Wegfall der ganzen Benzin-Komponenten auch wieder ein.» Das Resultat: Ein monovalenter Gas-Hybrid mit 920 km Reichweite, der den Sprint von 0 auf 100 km/h in 6,9 Sekunden absolviert und eine Spitzengeschwindigkeit von 230 km/h erreicht.

«Für uns ist der Metamax mit seinem Methan-Hybridantrieb keine Brückentechnologie und wir wollen ihn auch nicht als Ersatz für einen Elektroantrieb sehen, sondern als Ergänzung – insbesondere auf langen Strecken. Wir haben mit dem Konzept aufgezeigt, dass es nicht alleine auf die CO₂-Emissionen ankommt, sondern auch auf einen niedrigen (Primär-)Energiebedarf. Biomethan kann beides und zwar schon recht kurzfristig», erläutert Emanuel Binder und ergänzt «Für uns ist der Metamax eine Langzeitlösung, denn es wird immer Methan geben, das aus organischen Abfällen gewonnen werden kann.» (jas, 9. November 2020)