Dieser Artikel erklärt den Begriff der Rekuperation und geht dabei auf regenerative Bremssysteme von Fahrzeugen und insbesondere Elektrofahrzeugen ein.
Was bedeutet Rekuperation?
Der Begriff Rekuperation stammt aus dem Lateinischen und bedeutet Rückgewinnung. In der Technik beschreibt die Rekuperation ein technisches Verfahren zur Rückgewinnung von Energie. Wenn man von Rekuperation bei Fahrzeugen spricht, geht es insbesondere um die Rückgewinnung der Energie, die beim Bremsen entsteht.
Die Rekuperation wird schon seit über 100 Jahren von elektrischen Schienenfahrzeugen verwendet. Dazu verwenden sie sogenannte Nutzbremsen. Also ein regeneratives Bremssystem, das die Rückgewinnung von Energie erlaubt. Erst seit kurzem – mit dem Aufkommen von Elektroautos – werden Nutzbremsen auch im Fahrzeugbau in Erwägung gezogen.
Der Vorteil von Nutzbremsen und Rekuperation
Beim Bremsen mit herkömmlichen mechanischen Bremsen entsteht Wärme – ja sogar glühende Hitze. Was passiert mit dieser Hitze? Sie verpufft in der Atmosphäre. Die Bremse erfüllt zwar ihren Zweck – sie verlangsamt das Fahrzeug – aber die kinetische Energie des Fahrzeugs geht dabei als thermische Energie verloren. Um jene verlorene Energie eben nicht zu verlieren gibt es die Nutzbremsen. Außerdem funktionieren Nutzbremsen im Gegensatz zu mechanischen Bremsen ganz ohne Verschleiß und bremsen mindestens genauso gut wie diese. Es entsteht natürlich auch bei Nutzbremsen eine gewisse Menge an Wärmeenergie. Diese ist aber im Vergleich zum Nutzen der zurückgewonnenen Energie, den die Bremse zusätzlich zum Verlangsamen bietet, vernachlässigbar.
Wie funktioniert die Rekuperation mit elektromotorischen Nutzbremsen?
Elektrische Schienenfahrzeuge, Elektro-, aber auch Hybrid- und Wasserstoffautos benutzen für die Rekuperation – für die Rückgewinnung der Energie – eine sogenannte elektromotorische Bremse. Dafür muss der Elektromotor für den Antrieb des Fahrzeugs auch in der Lage sein als Generator zu fungieren. Moderne Elektromotoren für den Antrieb von Fahrzeugen werden so gebaut, dass sie eben dies können.
Um zu Bremsen wird der Motor in den „Generatorbetrieb“ umgeschaltet und bremst das Fahrzeug indem er seine kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Dabei spielt die Stärke des im Motor befindlichen Magnetfelds eine große Rolle, wie schnell die Energie umgewandelt wird, also wie schnell das Fahrzeug gebremst wird. Ein sehr geringer Teil der Energie geht jedoch auch hier als thermische Energie verloren, da die Kupferleitungen in einem Generator einen gewissen Widerstand haben.
Die zurückgewonnene Energie wird dann entweder in ein Stromnetz zurückgeführt – vor allem bei Schienenfahrzeugen – oder im Fahrzeug bis zur Wiederverwertung in einem Akku gespeichert. In anderen Worten: Der Akku wird beim Bremsen geladen. Abgesehen vom Akku kann auch ein Superkondensator als Kurzzeitspeicher verwendet werden. Dieser kann die gespeicherte Energie innerhalb kürzester Zeit blitzartig freigeben und so zum Beispiel die Beschleunigung nach dem Bremsen verbessern.
Rekuperation: Die Schwächen von Nutzbremsen
Die Bremsleistung im Generatorbetrieb ist an die Antriebsleistung des Motors gekoppelt. Das muss kein Nachteil sein. Aber insbesondere bei schwachen Motoren bedeutet das auch eine schwache Bremsleistung.
Außerdem sinkt die Bremsleistung mit abnehmender Geschwindigkeit. Aus diesem Grund wird, um den kompletten Stillstand zu erreichen, also zum Anhalten oder als Feststellbremse zum Parken trotzdem eine zusätzliche mechanische Bremse benötigt. Das selbst ist nicht wirklich ein Nachteil, aber aufgrund der selteneren Benutzung kann diese zusätzliche Bremse anfällig für Rost sein.
Weitere Möglichkeiten der Rekuperation beim Bremsen
Bisher wurde hauptsächlich auf die Rekuperation von elektrischer Energie eingegangen. Es gibt allerdings auch andere Möglichkeiten Bremsenergie zu „recyclen“:
- Kinetische Energie wird beim Bremsen in thermischer Energie umgewandelt zum Heizen.
- Kinetische Energie wird in ein Schwungradspeicher umgeleitet und bei Bedarf von dort aus wieder in den Antrieb.
