Von den einen geschätzt, von den anderen verschmäht: Plug-in-Hybride. Was ist dran an der Debatte um die Daseinsberechtigung des PHEV? Wir haben die wichtigsten Information zur Plug-in-Hybridtechnik zusammengestellt.
Ist ein Plug-in-Hybrid die ideale Mischung aus emissionsfreiem Elektroauto und sparsamem Verbrenner?
iNueng / Getty Images / iStock
Plug-in-Hybride (PHEV; Plug-in Hybrid Electric Vehicle), die als Einstieg in die Elektromobilität gelten, stehen seit Längerem in der Diskussion: Umweltverbände kritisieren sie, Dienstwagenberechtigte sparen mit ihnen Steuern und Automobilhersteller nutzen sie zum Erreichen ihrer CO2-Flottenziele. Sie sollen das Beste aus zwei Welten vereinen: Rein elektrisches Fahren auf kurzen Strecken in der Stadt, frei von Restriktionen des reinen Elektroautos bei der Überlandfahrt aufgrund des langstreckentauglichen verbrennungsmotorischen Antriebs. Ist ein PHEV also ein guter Kompromiss zwischen grüner Mobilität und Komfort oder doch eher Augenwischerei und ökologische Mogelpackung? Wir beantworten die wichtigsten Fragen rund um Plug-in-Hybride.
Was zeichnet ein Auto mit Plug-in-Hybrid-Antrieb aus?
Die Antriebsstrangtopologie des Plug-in-Hybrids ist "analog zu den verschiedenen Voll-Hybrid-Varianten aufgebaut, charakteristisch ist jedoch der hohe Energieinhalt der Lithium-Ionen-Batterie sowie die Möglichkeit, die Energie über eine externe Ladestation zuzuführen", so die Springer-Autoren Michael Merkle und Oliver Käfer im Kapitel Dieselmotoren im Hybridantrieb aus dem Buch Dieselmotor-Management. Das Plug-in-Hybridauto "besitzt damit zwei vollwertige Antriebsstränge, den elektrischen und den verbrennungsmotorischen", so die Autoren weiter. Es "bildet somit die Brücke vom klassisch, verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeug zum reinen Elektrofahrzeug", fassen es die Springer-Autoren Andreas Kaksa, Manfred Homm und Thomas Pfund im Kapitel Voll- und Plug-in-Hybrid (HEV / PHEV) aus dem Buch Elektrifizierung des Antriebsstrangs zusammen.
Was sind die Vorteile eines Plug-in-Hybrids?
Gegenüber der reinen Hybrid-Konfiguration hat ein Plug-in-System aufgrund der größeren Batteriekapazität, die nur durch externe Ladung auch voll genutzt werden kann, zwei wichtige Vorteile, wie Springer-Autor Cornel Stan im Kapitel Kombinationen von Antriebssystemen, Energieträgern, -wandlern und -speichern aus dem Buch Alternative Antriebe für Automobile erklärt:
- Die größere Reichweite bei elektrischem Antrieb macht eine lokal emissionsfreie Fahrt in Umweltzonen beziehungsweise in Ballungsgebieten möglich.
- Die größere elektrische Kapazität erlaubt die Aktivierung des Elektroantriebs bei häufigen Steigungen oder Beschleunigungen, was zu einer deutlichen Kraftstoffeinsparung im Verbrennungsmotor führe, so Stan. Andererseits sei die Speicherkapazität günstig für Rekuperation von Elektroenergie bei Gefälle und beim Bremsen.
Plug-in-Hybride genossen in der Vergangenheit deutliche Steuervorteile gegenüber reinen Verbrennern, wodurch sie besonders für Firmen interessant waren. Zusätzlich gab es Kaufprämien, die einen PHEV attraktiv machten. Doch mittlerweile haben sich in vielen europäischen Ländern die Förderungen geändert. Bis zum letzten Jahr haben Käufer eines Plug-in-Hybrids in Deutschland einen Umweltbonus von bis zu 6.750 Euro (4.500 Euro vom Bund plus 2.250 Euro vom Hersteller) erhalten – je nach Fahrzeugpreis. Ab 2023 gibt es keinen Bonus mehr. Geblieben sind aber die Steuervorteile bei der Nutzung als Dienstwagen. So werden teilelektrische Dienstwagen nur mit 0,5 statt mit 1,0 % des Neuwagenpreises (Bruttoliste) besteuert. Da sie ein "E" im Kennzeichen führen, haben Plug-in-Hybride auch Vorteile in der Stadt. Sie können unter anderem Sonderspuren nutzen. Zudem lässt sich die kleinere Batterie im Plug-in-Hybrid viel schneller laden als der deutlich größere Akku im reinen Elektrofahrzeug.
Welche Reichweite ermöglicht die Plug-in-Hybridtechnik?
Es ist "Hauptziel der Plug-in-Technik ist, die elektrische Reichweite deutlich zu verlängern", so Springer-Auto Helmut Tschöke im Kapitel Definitionen, Architekturen und Topologien aus dem Buch Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Hierzu seien entweder größere Batterien mit einer höheren Energiekapazität oder eine deutlich dichtere Infrastruktur mit Schnellladesystemen erforderlich. "Die realistischen elektrischen Reichweiten liegen bei 30 bis 100 km und hängen sehr stark vom Fahrprofil oder Testzyklus und den Umgebungsbedingungen (wie beispielsweise Temperaturen) ab", so Tschöke weiter. Plug-in-Hybride sind daher besonders attraktiv für den täglichen Kurzstreckenverkehr, da 70 bis 80 % der täglich zurückgelegten Strecken in Europa unter 50 km liegen, gibt Tschöke an. Neuere Plug-in-Hybride sollen bis zu 120 km E-Reichweite schaffen.
Im Winter wird die elektrische Reichweite durch die elektrische Beheizung des Innenraums allerdings reduziert. Das Thermomanagement von Fahrzeugen mit elektrifizierten Antriebssträngen ist daher ein wichtiger Fokus der Entwicklung. Wie sich verschiedene Techniken und Maßnahmen auf ein Kompaktklassefahrzeug auswirken, war zum Beispiel Inhalt einer Studie mit virtuellen Untersuchungen von Eberspächer und dem Fraunhofer ICT, wie im Artikel Reichweitensteigerung bei Plug-in-Hybriden durch Thermomanagementmaßnahmen aus der ATZ 3-2019 dargelegt wird. Es zeigt sich, dass ein Fahrzeug mit Brennstoffheizgerät (BSHG) die höchste elektrische Reichweite ermöglicht. Zudem hätten Versuche an einem Oberklasse-Plug-in-SUV gezeigt, dass die elektrische Reichweite mit einem BSHG bei -5 °C Umgebungstemperatur um bis zu 25 % gesteigert werden könne, so die beiden Partner im Artikel Steigerung der elektrischen Reichweite für PHEVs durch intelligentes Thermomanagement.
Welche Nachteile haben Plug-in-Hybride?
Plug-in-Hybrid-Lösungen "kombinieren im Grundsatz zwei vollwertige Antriebe und sind damit schwer, komplex und teuer", fassen Forscher der TU Darmstadt im Artikel Plug-in-Hybride für den Volumenmarkt aus der MTZ 5-2017 zusammen. Aufgrund der vergleichsweise hohen Masse des Plug-in-Hybridfahrzeugs ist auch der Kraftstoffverbrauch eher höher. Im Vergleich mit einem reinen Verbrenner-Pkw ist das Fahrzeuggewicht laut ADAC zwar höher. Jedoch seien viele Plug-in-Modelle leichter als vergleichbare Elektroautos mit großer Reichweite, so der Automobilclub. Die komplexe Technik bei Plug-in-Hybrid-Fahrzeugen ergibt zudem einen höheren Energieaufwand bei der Herstellung. Überhaupt sind die Herstellungskosten hoch, "die noch einmal deutlich über denen eines nicht steckdosenladbaren (autarken) Hybridfahrzeugs liegen, falls sehr große Batterien eingesetzt werden", wie Springer-Autor Peter Hofmann im Buchkapitel Klassifizierung von Hybridsystemen erklärt. Allerdings ließe sich die Batterie kleiner als bei rein batterieelektrischen Fahrzeugen ausführen, weshalb diesbezüglich Kostenvorteile erzielt werden könnten. Für Verbraucher schlagen derzeit noch die erhöhten Tarife der Stromversorger zu Buche, insbesondere beim Aufladen zu Hause.
Sind Plug-in-Hybride in einem offenen Marktumfeld tragfähig?
Plug-in-Hybride befinden sich nach dem Aus der Kaufprämien für diese Fahrzeuge in den ersten vier Monaten dieses Jahres im Sinkflug. Plug-in-Hybride verzeichneten mit gut 49.000 Neuzulassungen einen Einbruch um 45 %. Der Anteil von Elektroautos (BEVs und PHEVs) am Pkw-Bestand liegt laut Kraftfahrt-Bundesamt derzeit (Stand: März 2023) bei über 3,7 %. Der Anteil der BEVs an der Gesamtanzahl der Autos liegt bei rund 2 %, der Anteil der PHEVs entsprechend bei rund 1,8 %.
Welche Autos die ehemaligen PHEV-Fahrer stattdessen kaufen, zeigt eine Umfrage des Marktdatenanalysten Dataforce. Demnach hätten sich 44 % der bisherigen PHEV-Käufer, die die Antriebsart wechseln, für ein vollelektrisches Modell entschieden. Die Mehrheit der Plug-in-Hybrid-Fahrer kehrt jedoch zurück zum konventionellen Verbrenner. So gehen 44 % zurück zum Benziner und 10 % zum Diesel. Entsprechend dieser Trends haben Automobilhersteller laut Dataforce ab 2025 keine PHEV-Fahrzeuge mehr zum Release angekündigt.
Laut Dr. Dirk Kesselgruber, Chief Technology Officer von GKN Automotive, hängt die Tragfähigkeit der Plug-in-Hybrid-Technologie sehr stark von der Region ab: "Vermutlich wird die Technologie auf dem europäischen Markt – mit kleiner Grundfläche und potenziell hoher Ladeinfrastrukturdichte – relativ schnell obsolet werden, weil man im Prinzip mit einer rein batterieelektrischen Technologie günstiger und ausreichend gut in der Abdeckung unterwegs sein kann", so Kesselgruber im MTZ-Interview "Der Hauptantrieb wird der elektrische sein". Anders werde sich das in strukturschwachen Gebieten oder solchen mit extremen Ausdehnungen darstellen. Hier vermutet Kesselgruber, dass die Hybridtechnologie noch ein relativ langes Leben vor sich habe, etwa in China.
Wie lassen sich Plug-in-Hybride optimieren?
Wie können Plug-in-Hybride attraktiver werden? Welche Komponenten können vereinfacht, verkleinert oder ganz weggelassen werden? Wieviel Mechanik kann durch intelligenten Betrieb und Funktionsintegration ersetzt werden? Im Artikel Plug-in-Hybride für den Volumenmarkt werden zwei Konzepte vorgestellt, die an der TU Darmstadt verfolgt werden. Der Schlüssel zur Volumentauglichkeit liegt "in der konsequenten funktionalen Integration mit einer geeigneten Betriebsstrategie auf Gesamtsystemebene, woraus vereinfachte Teilsysteme auf Komponentenebene resultieren", heißt es im Artikel.
Auch für Gernot Goppelt ist das Potenzial der Plug-in-Hybride längst nicht ausgeschöpft. Seine Vorschläge zur Optimierung sind vielfältig: Dazu gehören "dedizierte Antriebe, die auch im elektrischen Betrieb voll überzeugen, eine größere elektrische Reichweite sowie Incentives, deren Lenkungswirkung nicht ins Leere geht", so Goppelt. Ein starker Hebel seien auch Vernetzungslösungen, die PHEVs befähigen, intelligent mit der Infrastruktur oder Cloud zu interagieren, um das volle Sparpotenzial zu heben. Auch könnte das PHEV Stromerzeuger und Element der Sektorenkopplung sein.
Wie umweltfreundlich ist ein Plug-in-Hybrid?
Grundsätzlich gilt: "In Europa werden Plug-in-Hybride bei der Verbrauchsbestimmung (CO2-Emissionen) enorm begünstigt, da die geladene elektrische Energie als CO2 neutral angenommen wird und zusätzlich die rein elektrische Reichweite der Fahrzeuge in die Berechnung der CO2-Emissonen eingeht", so Peter Hofmann im Buchkapitel Klassifizierung von Hybridsystemen.
Plug-in-Hybridfahrzeuge sind aber nicht automatisch umweltfreundlicher als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor: Je nach Motorisierung und Fahrverhalten kann ein PHEV sogar einen höheren CO2-Ausstoß haben beziehungsweise mehr Kraftstoff verbrauchen als das Diesel- oder Benzin-Pendant, wie der ADAC herausgefunden hat. Der Automobilclub hat 2020 PHEV-Modelle hinsichtlich ihrer CO2-Emissionen untersucht und sie vergleichbaren Modellen mit Verbrennungsmotor gegenübergestellt. Demnach erzielen einige Modelle schon bei 50-prozentigem Elektrofahrt-Anteil eine positive CO2-Bilanz, andere erst bei 80 %. Ein gutes Beispiel für einen effektiven Plug-in-Hybrid sei der Volvo XC40 PHEV, der selbst mit leerer Antriebsbatterie gut einen halben Liter weniger Kraftstoff verbraucht als sein Benzin-Pendant. Der Diesel X5 von BMW schneidet hingegen über alle drei Fahrszenarien besser ab als sein PHEV-Pendant.
Ein Vergleich der Fahrleistung von zehntausenden Elektroautos und Plug-in-Hybriden zeigt: Plug-in-Hybridfahrzeuge mit einer realen elektrischen Reichweite von etwa 60 km fahren genauso viel elektrisch wie reine Batteriefahrzeuge, nämlich bis zu 15.000 km pro Jahr, wie die Datenauswertung zeigt, die das Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) vorgenommen haben. Deshalb sei ihr Kohlendioxid-Reduktionspotenzial ebenso groß wie das von Elektroautos mit reinem Batterieantrieb, erklären die Forscher.
Ein weiteres Problem ist der Kaltstart: Hybridfahrzeuge beziehungsweise Plug-in-Hybride stoßen bei jedem Kaltstart noch mehrere Minuten Schadstoffe aus, vor allem Kohlenmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Das Problem lässt sich nur lösen, wenn der Katalysator gezielt aufgeheizt wird, bevor oder sobald der Verbrennungsmotor anspringt. Empa-Forscher haben die beste Kaltstart-Strategie errechnet, um die Emissionen niedrig zu halten.
Wie ist die Verbrauchs-Bilanz von Plug-in-Hybriden?
Eine gemeinsame Studie aus dem Jahr 2022 des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) sowie der Forschungsorganisation International Council on Clean Transportation (ICCT) zur realen Nutzung von etwa 9.000 Plug-in-Hybridfahrzeugen aus ganz Europa hat ergeben: Neuere Plug-in-Hybridfahrzeuge weichen beim Kraftstoffverbrauch noch stärker von Testzyklen ab als frühere Modelle. Sollen im Mittel die realen Kraftstoffverbräuche und CO2-Emissionen von Plug-in-Hybridfahrzeugen bei privaten Haltern in Deutschland und anderen europäischen Ländern etwa dreimal so hoch ausfallen wie im offiziellen Testzyklus, während die Werte bei Dienstwagen etwa fünfmal so hoch seien. Damit sei die Abweichung zwischen offiziellen Angaben und realen Erfahrungswerten bei Plug-in-Hybridfahrzeugen sehr viel größer als bei Fahrzeugen mit konventionellem Verbrennungsmotor.
Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt der europäische Umweltdachverband Transport & Environment (T&E): Dieser fordert ein schnelles Ende von Steuervergünstigungen für Plug-in-Hybrid-Dienstwagen, nachdem Praxistests auf der Straße gezeigt hätten, dass drei Modelle von BMW, Peugeot und Renault deutlich mehr CO2 ausstoßen als angegeben. Im Auftrag von T&E führte die Technische Universität Graz die Tests auf einer typischen Pendlerstrecke durch.
Laut dem ADAC fehlt Privatkäufern beziehungsweise Flottenbetreibern ein Überblick über Verbrauchswerte für den jeweiligen Betriebsmodus und damit der direkte Vergleich mit den entsprechenden Verbrennern. Der Automobilclub fordert die Hersteller daher auf, die Verbrauchswerte für das rein elektrische Fahren sowie den Betrieb mit Verbrennungsmotor (mit leerer Antriebsbatterie) anzugeben. Die Verbrauchsberechnung von Plug-in-Hybriden nach dem WLTP-Verfahren im Vergleich mit dem veralteten NEFZ-Verfahren ist immer noch recht kompliziert, wie im Kapitel Tank-to-Wheel-Verbrauchswerte gemäß Prüfstandsmessungen sowie aus Kundensicht – der Willans-Ansatz aus dem Buch Kosteneffiziente und nachhaltige Automobile dargelegt wird.
Für eine Erhöhung des elektrischen Fahranteils von Plug-in-Hybrid-Dienstfahrzeugen schlagen Roland Vogt und Timo Mörtl im Buchkapitel Plug-in Hybrid und die Fehlanreize bei Firmenwagen ein Drei-Säulen-Konzept vor. Dieses beinhaltet das Aufklären der PHEV-Nutzer, das Knüpfen von Anreizsystemen an den elektrischen Fahranteil und ein nachhaltiger Ausbau der Ladeinfrastruktur mit einem Fokus auf die Installation von Heimladestationen.
Was haben die Subventionen für Plug-in-Hybride bewirkt?
Nach einer aktuellen Studie des ZEW Mannheim waren die Subventionen für Plug-in-Hybride umweltschädlich. Sie hätten zum vermehrten Kauf von großen und schweren Fahrzeugen geführt, die auf Basis der untersuchten Daten nur selten mit Strom aufgeladen und wenig elektrisch betrieben werden. "Inländische Unternehmen profitierten davon besonders, denn sie konnten dadurch ihr Flottengewicht deutlich erhöhen und damit die EU-Emissionsnormen leichter erfüllen. Denn die sind gewichtsbasiert: je schwerer ein Fahrzeug, desto mehr Emissionen dürfen ausgestoßen werden", erklärt Ilona Tsanko, Researcher im Forschungsbereich "Innovationsökonomik und Unternehmensdynamik" und Mitglied in der ZEW-Nachwuchsforschungsgruppe "Wettbewerb und Innovation". Die Abschaffung der Subventionen für Plug-In-Hybride in Deutschland zum 1. Januar 2023 sei daher klimapolitisch sinnvoll gewesen. Die Studie habe zeigt, dass das Ende der Subventionen zu einer jährlichen Reduktion von über 167.000 t Kohlenstoffemissionen beitrage. Angesichts der geringen Laderaten bei Plug-in-Hybriden sei ein schnellerer Ausbau der Ladeinfrastruktur in Deutschland sinnvoll.
Fazit
Die Frage, ob Plug-in-Hybride die ideale Mischform zwischen verbrennungsmotorischem und elektrischem Antrieb sind, ist nicht so leicht zu beantworten. Plug-in-Hybride haben ihre Berechtigung vor allem dann, wenn sie für Kurzstrecken genutzt werden, sich also innerhalb ihrer elektrischen Reichweite bewegen. Der Energieverbrauch und die damit einhergehenden CO2-Emissionen der PHEVs sind stark vom elektrischen Fahranteil und der Ladedisziplin des Nutzers abhängig. Der Verbrennungsmotor sichert auf der Langstrecke die nötige Reichweite ab, was ein entscheidender Faktor für eine breite Akzeptanz der PHEV ist. Es bleibt jedoch ein grundsätzliches Effizienzproblem bestehen: Denn im Elektrobetrieb sind Zusatzgewicht und -kosten für den verbrennungsmotorischen Antrieb nachteilig, während bei der Hybridfahrt der Akku mitbewegt werden muss.