Thermomanagement steigert die Reichweite Elektrisch fahren - mit Kraftstoff heizen

Voll- und Plug-in-Hybridfahrzeuge
Voll- und Plug-in-Hybridfahrzeuge

Im Winter leidet die elektrische Reichweite von Voll- und Plug-in-Hybriden deutlich: Bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann der Stromverbrauch der Heizung die maximale Fahrstrecke halbieren. Kraftstoffbetriebene Stand- und Fahrheizungen lösen dieses Problem. Sie sorgen nicht nur für Wärme im Fahrzeug und im Winter für freie Sicht durch freie Scheiben, sondern können Emissionen, Verbrauch und Kosten senken, da sie längere elektrische Reichweiten ermöglichen. Bei längeren Fahrtstrecken heizen sie darüber hinaus den Verbrennungsmotor und den Katalysator vor dem Anlassen des Motors vor. Ein weiterer Vorteil: die Vorwärmung der Batterie vor allem bei tiefen Außentemperaturen. Sie verfügt dadurch über die volle Leistungsfähigkeit bei Fahrtantritt. Das schont die Batterie und verlängert ihre Lebensdauer.

Die Energieknappheit fährt bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen immer mit. Bei rein elektromotorischem Betrieb sind die absoluten Reichweiten stark begrenzt. Bei Voll- oder Plug-in-Hybriden gilt es daher, mit dem Strom hauszuhalten, um möglichst weit elektrisch - und damit lokal abgasfrei - fahren zu können. Im Winter wird das zur Herausforderung. Denn während des rein elektrischen Fahrens wird auch der Innenraum in der Regel nur elektrisch beheizt.

Obwohl elektrische Fahrzeugheizungen sehr hohe Wirkungsgrade in der Größenordnung von 95 Prozent erreichen, verbraucht die elektrische Heizung sehr viel Strom. Tests und Berechnungen von Webasto zeigen, dass bei einer konstanten Geschwindigkeit von 50 km/h die Innenraumheizung auf einer Fahrtstrecke von 100 km bei einer Außentemperatur von 0 °C 4 kWh und bei -20 °C rund 9 kWh benötigt (Bild 1). Bei -20 °C wird damit genauso viel Strom für das Heizen wie für die Fortbewegung benötigt. Das hat zur Folge, dass sich die elektrische Reichweite halbiert.

Noch schlechter wird das Verhältnis bei einer Fahrge- schwindigkeit von konstanten 35 km/h und einer Außentemperatur von -20 °C. In diesem Fall werden 8 kWh für das Fahren von 100 km verbraucht. Dem steht ein Energieverbrauch von 12 kWh für die Heizung gegenüber, da über einen längeren Zeitraum geheizt werden muss, was letztendlich zu einer weiteren Reduzierung der elektrischen Reichweite führt.

Das heißt also: Je geringer die Fahrtgeschwindigkeit, desto ungünstiger wird das Verhältnis von benötigter Heiz-energie zur Fortbewegungsenergie. Eine Extremsituation stellt ein Stau dar: Sämtliche Energie wird in diesem Fall von den Nebenverbrauchern und der elektrischen Heizung aufgezehrt, ohne dass sich das Fahrzeug in dieser Zeit vorwärts bewegt. Die Heizung gänzlich abzuschalten verbietet sich schon aus Sicherheitsgründen, um ein Beschlagen oder gar die Vereisung der Scheiben zu verhindern.

Verbrauch und Kosten sinken, die Umwelt wird geschont

Lösen kann dieses Dilemma eine Stand-/Fahrheizung. Diese wird mit Kraftstoff (Benzin oder Diesel) aus dem Fahrzeugtank betrieben. Neben den klassischen Vorteilen als Standheizung (vorgewärmter Motor, warmer Innenraum sowie eisfreie Scheiben bei Fahrtantritt) ersetzt sie als Fahrheizung die elektrische Heizung. Der Strom aus der Traktionsbatterie kann folglich komplett in den Antrieb fließen und die elektrische Reichweite wird erhalten. Vergleicht man die Energieerzeugung, schneidet die mit Kraftstoff betriebene Heizung gut ab, wie eine Überschlagsrechnung zeigt: Mit 0,4 l Kraftstoff produziert eine Webasto-Heizung beim aktuellen Wirkungsgrad von rund 82  Prozent 3 kWh Energie. Auch bei der dabei erzeugten Menge an CO 2 überzeugt die Heizung: Es entstehen knapp 0,95 kg CO 2 . Im aktuellen deutschen Stromerzeugungsmix entstehen durch die Erzeugung von 3 kWh gut 1,5 kg CO 2 .

Bei den Kosten liegen die elektrisch und die mit Kraftstoff betriebene Heizung etwa gleichauf: 3 kWh schlagen je nach Strompreis mit etwa 60 bis 80 Cent zu Buche, 0,4 l Kraftstoff mit rund 70 Cent. Das gute Abschneiden der Kraftstoffheizung resultiert aus dem hohen Wirkungsgrad. Zum Vergleich: Die Umwandlung von Kraftstoff in Fortbewegungsenergie in verbrauchsrelevanten Fahrzyklen wie dem NEFZ findet im Verbrennungsmotor mit durchschnittlichen Wirkungsgraden von weniger als 30 Prozent statt. Gleichzeitig aber arbeitet Webasto an einer weiteren Verbesserung des Heizungs-Wirkungsgrads.

Selbst während der Fahrt mit Verbrennungsmotor bringt die kraftstoffbetriebene Heizung Komfortvorteile. Denn als Folge von Downsizing und Effizienzverbesserungen produzieren auch Ottomotoren immer weniger Abwärme und tragen ebenso wie moderne Dieselmotoren weniger zur Heizung bei. Das schlägt sich bei Vollhybridfahrzeugen besonders stark nieder, denn dort kann das Downsizing sehr weit getrieben werden, da sie dank der Systeme zum elektrischen Boosten mit noch kleineren und auf noch mehr Effizienz ausgelegten Verbrennungsmotoren auskommen. Das daraus resultierende Wärmedefizit kann die kraftstoffbetriebene Heizung ausgleichen.