Angesichts weltweit steigender Energiekosten einerseits und wachsender Anforderungen an das verbesserte Emissionsverhalten von Fahrzeugen andererseits findet die Hybridtechnik auch im Stadtbuseinsatz eine immer stärkere Beachtung bei der MAN Nutzfahrzeuge AG. Diesel-elektrische Hybrid-Systeme verbrennen weniger fossile Kraftstoffe und tragen so zur Entschärfung der CO2-Problematik bei. Daneben lassen sich Hybridantriebe trefflich auch mit alternativen Kraftstoffen und Antriebsformen kombinieren. MAN zählt bei diesen Antriebskonzepten zu den Pionieren – bereits seit den 70er-Jahren arbeiten die Techniker an den verschiedensten Technologien zur Speicherung und Nutzbarmachung von Bremsenergie.
Erprobt wurden hydraulische Speicher, mechanische Schwungradspeicher und letztlich die Wandlung in elektrische Energie und deren effiziente Speicherung. Doch ließen bislang diese teuren Technologien keinen wirtschaftlich vertretbaren Einsatz zu.
Mit dem neuen MAN-Niederflurbus Lion´s City Hybrid, der einen deutlichen Schritt in Richtung Serienprodukt darstellt, schlagen die MAN-Entwickler ein neues Kapitel auf. „Unser Konzeptfahrzeug fährt bereits mit vielen erprobten Komponenten“, sagt Eberhard Hipp, der Leiter der Vorentwicklung MAN Nutzfahrzeuge Gruppe, „wir achten auch sehr stark auf die Kosten, um dem Kunden mittelfristig ein wirtschaftliches Fahrzeug bieten zu können, das sich nach wenigen Jahren amortisiert.“ Auf dem Weltkongress der Verkehrsunternehmen UITP in Helsinki stellt die NEOMAN Bus Gruppe als Busbereich der MAN Nutzfahrzeuge AG dieses neue Fahrzeugkonzept erstmals der Weltöffentlichkeit vor. Eine Serienproduktion wird für die Zeit ab 2010 mit einer ersten kleinen Kundenflotte angestrebt.
Mit Bremsenergie beschleunigen – Kraftstoff sparen
Der Stopp-and-Go-Betrieb der Stadtomnibusse bietet ideale Bedingungen, um die Bremsenenergie zu nutzen. Die in der Regel bis zu 18 Tonnen schweren Fahrzeuge werden mit zumeist niedrigen Geschwindigkeiten betrieben, beschleunigen unzählige Male, um kurz darauf wieder bis zum Stillstand zu verzögern. Konventionelle Omnibusse wandeln ihre kinetische Energie vor allem in ungenutzte Wärme um, während der Lion´s City Hybrid mit der gespeicherten Bremsenergie rein elektrisch aus der Haltestelle beschleunigt. Bis zu 45 Prozent ihrer Betriebsdauer verbringen Stadtbusse an Haltestellen, wo eine Stopp-Start-Automatik teuren Kraftstoff spart. MAN setzt mit dem Lion´s City Hybrid auf ein Gesamtpaket von Maßnahmen, das zu einer beachtlichen Ersparnis führt. Fahrzeug-Entwickler und Projektleiter Dr. Stefan Kerschl spricht von „konservativ geschätzten 20 bis 25 Prozent eingespartem Kraftstoff“ und deutlich reduzierten Emissionswerten.
Das zeigten auch die Ergebnisse von über 30.000 Kilometern im regulären Liniendienst, den das Vorgängerfahrzeug in Nürnberg im Liniendienst der VAG souverän bewältigte. Exakte Daten lieferten die letzten Vergleichsfahrten im Jahr 2005 mit konventionellen Referenz-Fahrzeugen, die über ähnliche Leistungsdaten und Passagierauslastung verfügten.
Serieller Hybrid mit betriebsoptimiertem Diesel
Der neue Hybrid-Niederflurbus von MAN basiert wie sein Vorgänger auf serieller Hybrid-Technologie. Ein weitgehend serienmäßiger MAN D0836 LOH-Sechszylinder in EEV-Abgasqualität nach additivfreier MAN PUREdiesel-Technologie liefert die Energie für einen Hochleistungsgenerator, der wiederum die Energie für zwei Elektromotoren bereitstellt. Diese treiben, verbunden mit Wechselrichtern, über ein Summiergetriebe die Niederflur-Portalachse mit Superbreitreifen an. Eine Leistungselektronik verbindet den Antrieb mit dem Energiespeicher-System auf dem Dach. Das Speichersystem selbst besteht aus 12 Ultracap-Modulen (Hochleistungskondensatoren), die anfallende Bremsenergie äußerst effizient speichern, ideal also für den Stadtbuseinsatz.
Die Fahrmotoren können entweder über den Dieselmotor/Generator plus Energiespeicher oder vom Energiespeicher alleine versorgt werden. So rollt der Lion´s City Hybrid rein elektrisch und emissionsfrei aus der Haltestelle und aktiviert den Diesel erst mit zunehmendem Leistungsbedarf, ein wichtiger Vorteil gerade in Busbahnhöfen mit ständigen Abfahrten und den damit verbundenen Emissionen. Geringe Leistungen, die beispielsweise für die Versorgung der Nebenaggregate oder des Bordnetzes gebraucht werden, können in der Regel alleine aus dem Ultracap-Energiespeicher abgedeckt werden. Das selbsttätige Abschalten und Starten des Dieselmotors beim Halten und Anfahren übernimmt das hochentwickelte Energiemanagement.
Während der Fahrt liefert der Diesel neben der benötigten Antriebsleistung je nach Ladezustand des Energiespeichers bedarfsgerecht Strom für die elektrischen Nebenaggregate. Der Klimakompressor und die Lenkhilfpumpe werden anders als im Serienpendant rein elektrisch angetrieben. Der emissionsarme MAN Sechszylinder wird jederzeit in seinen optimalen Betriebspunkten betrieben. „Zudem werden schnelle Laständerungen kurzzeitig über den Energiespeicher gepuffert, was zu einem sog. phlegmatisierten Betrieb des Dieselmotors führt“, so Stefan Kerschl. Dies trägt in Summe zu geringem Kraftstoffverbrauch und beispielhaft niedrigen Emissionen bei.
Wirtschaftlich im Einsatz mit Ultracaps
Das Ultracap-Speichersystem gewinnt seine Speicherenergie aus dem Bremsvorgang. Über das Bremspedal wird die elektrische Bremse mit bis zu 150 kW angesteuert und dient bis zum notwändigen Einsatz der Betriebsbremse für stärkere Abbremsungen als alleiniger Verzögerer. Die Fahrmotoren dienen dabei als Generatoren und wandeln die Bremsenergie in elektrische Energie für den nächsten Anfahrvorgang um.
Grundsätzlich zeichnen sich Ultracaps gegenüber anderen Energiespeichern wie z.B. Batterien durch ihre besonders hohe Leistungsdichte und -aufnahme, ihre Zuverlässigkeit sowie ihren hohen Wirkungsgrad aus. Zusätzlich tragen das Fehlen bewegter Teile und die völlige Wartungsfreiheit zur schon heute beachtlichen Wirtschaftlichkeit bei. Auch in der Gewichtsbilanz hat die Kondensator-Lösung im Vergleich zu Batterielösungen die Nase vorn – der Ultracap-Niederflurbus spart sich das schwerere Batteriepack und wiegt etwa soviel wie ein Erdgas betriebener Stadtbus. „Batterien müssen heute in einem engen Ladezustandsfenster betrieben werden“, sagt Kerschl und sieht Ultracaps im Alltag deutlich unempfindlicher als Batterien. Durch eine weitere Verringerung des Innenwiderstandes konnten die Speicherverluste des Ultracap-System drastisch reduziert und der Speicherwirkungsgrad deutlich erhöht werden. Nicht zuletzt die Verbesserung der aktiven Luftkühlung bewirkt, dass die Lebensdauer der Hochleistungskondensatoren mit der des Serienfahrzeugs gleich zieht.
Im Einsatz erfreut der Lion´s City Hybrid seinen Betreiber mit gewohnt hohem Nutzwert. Seine Fahrleistungen erfüllen selbst gehobene Erwartungen. Kein Wunder bei bis zu 800 Nm Drehmomentbestwert, den beide Elektromotoren schon aus dem Stand bereitstellen. Im Beförderungsalltag müssen nur wenige Zugeständnisse hingenommen werden, der Innenraum entspricht weitgehend dem des Basisfahrzeugs. Um alle hybridspezifischen Komponenten im Heck und auf dem Dach zu konzentrieren, wurde der serienmäßige Motorturm erweitert. Damit wirken sich die sehr kurzen Kühlmittelleitungen und Leistungsverkabelungen positiv auf den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs aus. Die gewählte Anordnung der Komponenten beschränkt den Kunden nur wenig und wird für eine Serienversion weiter angepasst. Gerade mal auf zwei Sitze muss der Kunde verzichten, aufgrund der Bauart hat der Betreiber freie Wahl zwischen zwei und drei Türen.
IDEAS-Projekt des Bundesministeriums für Wirtschaft
Die MAN Nutzfahrzeuge AG entwickelt mit dem Partner Siemens A&D im Rahmen des IDEAS-Projektes (Innovativer diesel-elektrischer Hybrid-Antrieb für Stadtbusse) Hybrid-Antriebssysteme mit Dieselmotoren für den innerstädtischen Einsatz. Die im Rahmen des Projektes gebauten Fahrzeuge werden im realen Erprobungsbetrieb bei der VAG Nürnberg eingesetzt. Ein wesentlicher Aspekt der Untersuchungen betrifft die Auswirkungen auf den Busbetreiber - mögliche Veränderungen der Investitionskosten, der Betriebskosten und des Wartungsaufwands. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert und ist Teil des Forschungsprogramms Mobilität und Verkehr.
