Hybridantrieb im Motorsport: Wer bremst, gewinnt (Energie)
In Kürze beginnt die erste Saison der Formel E, in der elektrisch angetriebene Formel-Rennwagen gegeneinander antreten. Das Auftaktrennen der leisen, sauberen Renner findet am 13. September 2014 in der chinesischen Hauptstadt Peking statt. Die Formel E ist aber nicht die einzige Rennserie, der der Weltauto- und Motorsportverband Fédération Internationale de l'Automobile (FIA) neue Antriebe verordnet hat: Die Formel 1 und die Le-Mans-Prototypen (LMP) sind mit Hybridmotoren unterwegs.
Einen ersten Anlauf gab es in der Formel 1, als die Teams 2009 ein kinetisches Energierückgewinnungssystem ( Kinetic Energy Recovery System(öffnet im neuen Fenster) , Kers) einführten. Die Autos bekamen ein System, das kinetische Energie beim Bremsen in elektrische wandelte und den Strom in einem Akku speicherte. Die Fahrer konnten diese dann als Zusatzschub abrufen – um die Rundenzeit zu verbessern, ein Überholmanöver zu starten oder sich gegen einen Konkurrenten zu verteidigen.
Erster Hybridversuch 2009
Nur einige Teams setzten ein solches System ein, und in der Saison 2010 war es wieder verschwunden. Ab 2011 bekamen die Fahrer dann den Zusatzschub: Pro Runde standen ihnen 6,7 Sekunden lang zusätzlich 60 Kilowatt (kW), etwa 82 PS, zur Verfügung.
Der neue Antrieb ist allerdings deutlich komplexer. Ziel ist es, Motoren effizienter zu gestalten. So müssen die Formel-1-Boliden 2014 mit einem Drittel weniger Treibstoff auskommen als im Vorjahr: Statt 150 Kilogramm muss ein Fahrer ein Rennen mit 100 Kilogramm Treibstoff bestreiten – die Formel 1 bemisst die Treibstoffmenge in Kilogramm, nicht in Litern. Das Motorenreglement für 2014 sieht zudem sechs statt acht Zylinder und nur noch 1,6 Liter Hubraum vor. Die Drehzahl ist auf 15.000 Umdrehungen begrenzt.
Zwei Elektromotoren
Mehr Leistung bekommt der kleinere Motor durch einen Turbolader und ein Energierückgewinnungssystem (Energy Recovery System, ERS), das den Fahrern 33 Sekunden lang etwa 120 kW zusätzlich zu den 600 PS des Verbrennungsmotors zur Verfügung stellt. Das ERS besteht aus der MGU-K (Motor Generator Unit Kinetic – Motor-Generator-Einheit, kinetisch), auch ERS-K genannt, und der MGU-H oder ERHS-H (H steht für Heat, Wärme).
Erstere wandelt wie das alte Kers, wenn der Fahrer bremst, kinetische Energie in elektrische und speist sie in einen Akku ein. Die MGU-H ist mit dem Turbo gekoppelt und speichert Energie, die über den Bedarf des Turboladers hinausgeht. Jede MGU darf pro Runde etwa 2 Megajoule (MJ) direkt auf die Hinterachse einspeisen. Zudem dürfen sich die beiden MGU gegenseitig mit Energie versorgen. So kann die MGU-K die MGU-H antreiben, die ihrerseits den Turbo antreibt. Die Turbine bekommt dann auch im unteren Drehzahlbereich Leistung – die fehlt bei einem konventionellen Turbo, wenn die Abgase noch nicht genug Druck erzeugen.
Herausgekommen ist ein Hybridturboantrieb – laut dem Mercedes-Formel-1-Team(öffnet im neuen Fenster) – "der komplexeste Antriebsstrang, der je im Motorsport gefahren ist" , wie ein Mercedes-Vertreter Golem.de zu Anfang der Saison erklärte . Mit dem technischen Meisterwerk können sich allerdings nicht alle anfreunden.
Unterschiedlich erfolgreich
Drei Hersteller – Ferrari, Mercedes und Renault – haben einen eigenen Antriebsstrang entwickelt und beliefern die elf Teams. Die Entwickler haben unterschiedlich gute Arbeit geleistet: Mercedes hat den Antrieb im Paket mit dem Auto am besten hinbekommen. Statt Sebastian Vettel liegen in diesem Jahr Lewis Hamilton und Nico Rosberg vorn – derzeit mit leichtem Vorteil für den Deutschen. Auch das zuletzt arg gebeutelte Traditionsteam Williams ist dank des Mercedes-Antriebs wieder zurück auf dem Podium.
Die Antriebe von Ferrari und Renault hingegen kommen an den von Mercedes nicht heran. Allenfalls Daniel Ricciardo und Fernando Alonso konnten sich damit anfreunden und Punkte holen. Sebastian Vettel, noch Weltmeister, hätte am liebsten einen Zwölf-Zylinder-Saugmotor ohne irgendwelche Extras.
Honda kehrt zurück
Dass diese Zeiten zurückkommen, ist jedoch unwahrscheinlich. Im Gegenteil: Es hat sich ein neuer Hersteller gefunden, der einen Hybridmotor bauen will. Honda will nach einigen Jahren der Abstinenz wieder zur Formel 1 zurückkehren. Die Japaner werden ab 2015 wieder die Boliden von McLaren mit Motoren ausstatten. Diese Paarung war schon in der Vergangenheit überaus erfolgreich: Von 1988 bis 1991 gewann McLaren-Honda jeweils die Fahrer- und die Konstrukteursmeisterschaft.
Wie Red-Bull-Fahrer Vettel können sich auch viele Fans mit den Neuerungen nicht so recht anfreunden. Viele stören sich am Klang: Die Motoren drehen nicht mehr so hoch wie früher, weshalb der Sound ganz anders ist, als sie es gewohnt sind. Allerdings bietet die aktuelle Saison so viele Zweikämpfe und Überholmanöver wie lange nicht mehr.
Die Bedingungen, die ein solcher Antrieb aushalten muss, sind zuweilen hart: Vor allem in Malaysia oder Singapur setzt die Hitze ihnen arg zu. Doch ein Formel-1-Rennen dauert im Höchstfall zwei Stunden. Da sind die Motoren in der Langstreckenweltmeisterschaft der FIA(öffnet im neuen Fenster) (World Endurance Championship, WEC) ganz anderen Belastungen ausgesetzt. Seit 2012 wird auf der Langstrecke mit Hybridantrieb gefahren.
24 Stunden hybrid
Die WEC umfasst acht Läufe und wird nach Zeit, nicht nach Rundenzahl respektive Entfernung gefahren: Es gewinnt nicht, wer nach einer bestimmten Rundenzahl als erster die Zielflagge sieht, sondern wer nach der vorgegebenen Zeit die meisten Runden gefahren hat. Sieben Rennen sind jeweils sechs Stunden lang. Hinzu kommt eine der ältesten und prestigeträchtigsten Motorsportveranstaltungen: das 24-Stunden-Rennen von Le Mans. Audi, Toyota und seit diesem Jahr auch Porsche treten in der WEC mit Hybridrennern an.
Das Reglement für die LMP1-H, wobei das H für Hybridantrieb steht, macht vergleichsweise wenig Vorgaben: Gefahren wird mit geschlossenen Sportwagen. Das bedeutet, die Räder sind mit Radkästen verkleidet – anders als in den Formel-Serien, wo die Räder freistehen. Festgelegt sind etwa Größe und Mindestgewicht des Autos, das Tankvolumen sowie der Durchfluss des Treibstoffs. Das gibt den Konstrukteuren viele Möglichkeiten.
Neue Regeln 2014
Wie in der Formel 1 hat sich auch in der aktuellen WEC-Saison einiges geändert: Im vergangenen Jahr durften die Prototypen nur ein Hybridsystem haben, das 0,5 MJ in sieben Zonen einer Rennstrecke zurückgewinnen durfte. Die Energie musste vor dem Erreichen der nächsten Zone wieder eingespeist werden.
In diesem Jahr dürfen die Autos zwei Hybridsysteme haben. Es gibt vier Hybridklassen, die sich durch die Menge der zurückgewonnenen Energie unterscheiden: 2, 4, 6 oder 8 MJ pro Runde. Die Teams können sich für eine entscheiden. Allerdings: Je nach Menge der elektrischen Energie wird der Treibstoff und dessen Durchfluss beschränkt.
Audi R18 E-Tron Quattro
Audi beherrscht die Langstreckenserie klar seit 2000. In diesem Jahr treten die Ingolstädter erneut mit dem R18 E-Tron Quattro(öffnet im neuen Fenster) an, der aber gegenüber dem Vorjahr überarbeitet wurde.
Der R18 E-Tron Quattro, der für die 2-MJ-Klasse gemeldet ist, wird von einem 6-Zylinder-Turbodiesel mit einer Leistung von 395 kW an der Hinterachse angetrieben – Audi setzt bei den Prototypen bereits seit längerem auf einen Turbodiesel als Antrieb. 2006 trat der Hersteller erstmals mit einem solchen Fahrzeug, dem R10 TDI(öffnet im neuen Fenster) , in Le Mans an und holte prompt den Gesamtsieg. Es war das erste Mal, dass ein Auto mit Dieselmotor dieses Rennen gewann.
Inzwischen ist zu dem Turbodiesel eine MGU hinzugekommen. Sie hat eine Leistung von etwa 170 Kilowatt (kW) und wirkt auf die Vorderachse. Die Energie für die MGU wird beim Bremsen gewonnen. Allerdings verwendet Audi als Speicher keinen Akku, sondern ein Schwungrad. Die kinetische Energie wird in Strom gewandelt, der wiederum ein Schwungrad antreibt, das in einem Vakuumgehäuse untergebracht ist und mit 45.000 Umdrehungen in der Minute rotiert.
Schwungrad von Williams
Entwickelt hat das System das britische Unternehmen Williams Hybrid Power, eine Abteilung des Williams-Formel-1-Teams, die kürzlich an das britische Unternehmen GKN Land Systems(öffnet im neuen Fenster) verkauft wurde. Anders als die Konkurrenten setzte Williams 2009 beim Kers auf einen kinetischen Speicher. Der kam in der Formel 1 wegen technischer Schwierigkeiten jedoch nie zum Einsatz.
Audi zeigt aber, dass der Schwungradspeicher durchaus funktionstüchtig ist: Schon beim ersten Auftritt 2012 landeten die Audi-Hybridrenner in Le Mans beide auf dem Podium – vor dem praktisch baugleichen R18 Ultra mit einem konventionellen Turbodiesel.
Keine MGU-H
In der Saison 2014 wollte Audi den Hybrid-R18 zusätzlich mit einer MGU-H ausstatten. Bei Tests Anfang des Jahres zeigte sich aber, dass die zweite MGU nicht die gewünschte Leistung brachte. Zudem befürchtete Audi, das System könne nicht zuverlässig genug sein, hat deshalb auf die MGU-H verzichtet.
Am Steuer der drei Audis sitzen in diesem Jahr unter anderem die ehemaligen DTM-Fahrer Filipe Albuquerque, Oliver Jarvis, Marcel Fässler und Tom Kristensen. Der Däne hat neunmal in Le Mans gewonnen und ist damit einer der erfolgreichsten Langstreckenfahrer. Seine Teamkollegen sind die beiden ehemaligen Formel-1-Fahrer Marc Gené und Lucas di Grassi.
Ihre Gegner sind unter anderem Alexander Wurz und Anthony Davidson, die beide früher in der Formel 1 fuhren, sowie die künftigen Formel-E-Piloten Stéphane Sarrazin und Sébastien Buemi. Sie alle gehen mit den beiden Prototypen Toyota in die Rennen um die WEC.
Schafft Toyota es 2014?
TS040 Hybrid(öffnet im neuen Fenster) heißt der Bolide von Toyota, dessen Rennteam seinen Sitz in Köln hat. Anders als Audi setzt Toyota auf einen Benzinsaugmotor mit acht Zylindern und einer Leistung von 382 kW. Hinzu kommt je eine MGU an der Vorder- und der Hinterachse, die zusammen eine Leistung von 354 kW haben. Sie speisen zusammen 6 MJ pro Runde ein.
Als Energiespeicher hat der TS040 Superkondensatoren. Die können schneller ge- und entladen werden als ein Akku. Außerdem haben sie eine längere Lebensdauer, überstehen also mehr Ladezyklen. Dafür haben sie eine geringere Energiedichte als Akkus, können also bei gleichem Gewicht weniger Energie speichern.
Stärkster Rennwagen
Mit seinen knapp 740 kW, etwa 1.000 PS, ist der TS040 aktuell der am stärksten motorisierte Rennwagen für Rundstreckenrennen, also abgesehen von Dragstern, die Beschleunigungsrennen auf einer geraden Strecke fahren. Damit will Toyota schaffen, was dem Vorgänger TS030 Hybrid(öffnet im neuen Fenster) versagt blieb.
In den vergangenen beiden Saisons unterlag Toyota nämlich Audi klar: 2012 fielen beide in Le Mans eingesetzten Autos aus. 2013 kam nur einer von zwei Toyotas in Le Mans ins Ziel. In beiden Jahren unterlag Toyota Audi auch in der Meisterschaft. In der aktuellen Saison sieht es besser für das Team aus Köln aus: Toyota liegt vor Audi. Allerdings sind erst drei von acht Rennen gefahren.
Le-Mans-Dauersieger
In Le Mans jedoch lag Audi vorn. Scheinbar uneinholbar in Führung liegend, fiel der eine Toyota nach etwa 14 Stunden aus. Und so gewannen die Ingolstädter auch in diesem Jahr – zum wiederholten Mal: Seit 2000 stand in Frankreich nur zweimal kein Audi-Team ganz oben auf dem Podium.
In dieser Saison haben die beiden Hersteller zudem Konkurrenz aus Zuffenhausen bekommen: Porsche, in den 1970er und 1980er Jahren bereits sehr erfolgreich, ist in die Prototypen-Serie zurückgekehrt.
Porsches Rückkehr nach Le Mans
919 Hybrid(öffnet im neuen Fenster) heißt der Wagen, mit dem Porsche in der WEC antritt. Er ist damit der Nachfolger des legendären 917(öffnet im neuen Fenster) , mit dem Porsche 1970 den ersten Le-Mans-Sieg schaffte und dessen Ausführung 917/30 Spyder(öffnet im neuen Fenster) aus dem Jahr 1973 mit über 1.100 PS, also 810 kW, als der am stärksten motorisierte Rennwagen für Rundstreckenrennen gilt.
Im Vergleich dazu ist 919 Hybrid geradezu bescheiden: Er hat einen 4-Zylinder-Benzinmotor mit Turbolader und zwei MGUs. Der Verbrennungsmotor hat eine Leistung von mehr als 370 kW, die MGUs von zusammen etwa 185 kW. Der Porsche-Antrieb ähnelt dem der Formel 1: Die MGU-K wandelt kinetische Energie beim Bremsen in elektrische. Die MGU-H hängt am Turbolader und gewinnt die Energie aus dem Abgasstrom. Porsche setzt also das System ein, das Audi für zu anfällig hält.
Porsche setzt auf Akku
Die gewonnene elektrische Energie wird in einem Lithium-Ionen-Akku gespeichert. Sie wird an die MGU abgegeben, die an der Vorderachse sitzt. Das elektrische System des Porsche speist wie das von Toyota 6 MJ ein.
Einen anderen Weg haben die Zuffenhausener für ihren ersten Hybridrenner gewählt: 2010 stellte Porsche auf der Automesse in Detroit den 997 GT3 R Hybrid vor. Der 997 GT3 R(öffnet im neuen Fenster) ist ein seriennaher Tourenwagen, der mit einem zusätzlichen Hybridantrieb ausgestattet wurde. Dieser Hybrid-Tourenwagen hat keinen Akku als Energiespeicher, sondern ein Schwungrad – das System von Williams, das Audi in seinem R18 nutzt.
Porsche fällt aus
Für die beiden 919 Hybrid sah es in Le Mans anfangs gut aus: Webber und seine beiden Kollegen lagen lange auf dem zweiten Platz. Als der Audi vor ihnen wegen eines technischen Problems an die Box musste, übernahmen sie sogar die Führung. Nach über 22 Stunden mussten aber beide Teams innerhalb kurzer Zeit ihre Porsches abstellen.
Aus der Box 56 startete in diesem Jahr der japanische Hersteller Nissan mit einer sehr avantgardistischen Konstruktion.
Nissans experimenteller E-Renner
Die Box 56 gibt es erst seit einigen Jahren, und sie ist technisch innovativen Autos vorbehalten. Der Starter wird eingeladen und tritt außer Konkurrenz an. In diesem Jahr war das Nissans Zero Emission On Demand Racing Car(öffnet im neuen Fenster) (Zeod RC). Das Auto ist schon von der Form her höchst ungewöhnlich: Es hat einen fast dreieckigen Grundriss – die Hinterräder stehen deutlich weiter auseinander als die Vorderräder. Das Auto kommt ohne einen Heckflügel aus und erzeugt Abtrieb durch einen Diffusor.
Angetrieben wird es von einem 3-Zylinder-Turbomotor mit einer Leistung von knapp 295 kW und zwei MGUs, die jeweils eine Leistung von 110 kW haben. Der Verbrennungsmotor dient gleichzeitig dazu, den Lithium-Ionen-Akku des Autos zusammen mit dem MGUs zu laden.
Elektrisch mit 300 km/h
Der Veranstalter des Rennens, der Automobile Club de l'Ouest(öffnet im neuen Fenster) (ACO), hatte es Nissan zur Auflage gemacht, dass der Zeod die letzte Runde vor jedem Boxenstopp rein elektrisch fahren sollte. Zwar fiel das Auto schon relativ früh im Rennen mit einem Getriebeschaden aus. Es schaffte aber eine rein elektrische Runde – die in Le Mans immerhin über 13,6 Kilometer lang ist – und erreichte dabei eine Höchstgeschwindigkeit von über 300 km/h. Für die Saison 2015 hat Nissan einen regulären LMP1-H-Boliden angekündigt.
Mit der Hybridtechnik besinnen sich die Hersteller auf die alte Rolle des Motorsports zurück: Der war nämlich ursprünglich das Terrain, auf dem Entwicklungen getestet wurden, die anschließend in die Serie einflossen. Das soll auch künftig wieder so werden. Einige Komponenten des 2014er Antriebsstrangs könnten für die Serie interessant sein, sagt Mercedes, der elektrifizierte Turbo beispielsweise oder die Akkus.
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