Bremsenergierückgewinnung

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Toyota Prius, erster Großserien-PKW mit Nutzbremsen

Die Nutzbremse oder Rekuperationsbremse gewinnt beim Bremsen die Bewegungsenergie als elektrischen Strom zurück, der in die Fahrleitung oder einen Energiespeicher, beispielsweise einen Akkumulator, zurückgespeist wird. Damit ist sie eine besondere Bauform der elektromotorischen Bremse. Verwendet wird sie für elektrische Lokomotiven, Triebwagen, Bahnen und Kraftfahrzeuge. Sie arbeitet verschleißfrei. Dabei werden die Elektromotoren des Antriebs als Generator verwendet, jedoch geht die in elektrische Energie umgeformte Bewegungsenergie des Fahrzeuges nicht wie bei der Widerstandsbremse verloren.

Schienenfahrzeuge

Schon in der Anfangszeit der elektrischen Eisenbahnen wurden einige Lokomotiven mit Nutzbremsen ausgerüstet, zum Beispiel die SBB Ce 6/8 „Krokodil“.

Beim Bremsen werden die Fahrmotoren zu Generatoren umgeschaltet. Der produzierte Strom wird bei alten konventionellen Lokomotiven und Triebwagen, die mit Wechselstrom betrieben werden, über komplexe Schaltungen wieder zum Transformator geleitet und in die Fahrleitung eingespeist. Mit dieser Technik war anfangs eine Rückgewinnung von nur etwa fünf Prozent der verbrauchten Energie möglich, die Bremskraft war zudem schwach und unregelmäßig.

Bei Drehstromeisenbahnsystemen, besonders dem norditalienischen Netz von etwa 1902 bis 1976, aber auch einigen Bergbahnen wie Gornergrat bei Zermatt, wurden wesentlich höhere Rückspeisegewinne (um 50%) bei einer sehr zuverlässigen Bremskraft mit einfachen Asynchronmotoren erreicht (siehe Geschichte des elektrischen Antriebs von Schienenfahrzeugen (Italien))

Mit Traktionsstromrichtern ausgestattete moderne Fahrzeuge können die Bremsenergie viel besser ausnutzen. Die Fahrmotoren der Lokomotive speisen dabei die Stromrichter mit Drehstrom. Diese wiederum wandeln die Energie in Wechselstrom um, der hochtransformiert und in die Fahrleitung eingespeist wird. Diese Schaltung funktioniert im gesamten Geschwindigkeitsbereich und bis zur vollen Leistung der Fahrmotoren und erlaubt die Rückgewinnung von etwa 25 bis 30 Prozent der zum Antrieb benötigten Energie.

Wechselstrom-Oberleitungsnetze können den von Triebfahrzeugen produzierten Strom im Normalfall immer aufnehmen, da sie rückspeisefähig sind und der Strom im gesamten Bahnstromnetz verwendet werden kann (lediglich bei massiven weiteren Störungen kann es zu Überlastungen und damit zu einem Stromausfall kommen, so etwa in der Schweiz am 22. Juni 2005). Gleichstromnetze sind nur bedingt aufnahmefähig, da sie oft nicht rückspeisefähig sind; der eingespeiste Strom kann dann nur lokal verwendet werden – wenn kein Strom gebraucht wird, kann auch keiner eingespeist werden – die Oberleitungsspannung würde ansonsten unzulässig ansteigen. Um auch in Gleichstromnetzen eine Zwischenspeicherung der elektrischen Energie zu ermöglichen, gibt es Versuche beispielsweise mit Schwungrädern (Straßenbahnnetz Hannover). Moderne Gleichstrom- und Mehrsystemlokomotiven verfügen über Bremswiderstände, damit auch in Situationen, in denen die elektrische Energie nicht rückgespeist werden kann, die verschleißfreien elektrischen Bremsen genutzt werden können.

Straßenbahnen können die Bremsenergie auch in Kondensatoren (Doppelschichtkondensatoren) an Bord speichern, um sie beim nächsten Anfahren zu nutzen. Weiterhin gibt es die Möglichkeit, Kondensator-Stationen an den Strecken zu errichten, um die Energie aufnehmen zu können.

Straßenfahrzeuge

Straßenfahrzeuge mit Elektro-, Hybrid- oder Gyroantrieb sind ebenfalls zur Nutzbremsung in der Lage. Sie führen die Bremsenergie in ihre Akkumulatoren, in Akkumulatoren puffernde Doppelschichtkondensatoren oder in das Schwungrad zurück.

BMW hat im Jahr 2007 für einen Großteil seiner Fahrzeuge unter dem Schlagwort Efficient Dynamics u.a. eine Bremsenergierückgewinnung in seine Benzin- und Dieselfahrzeuge aufgenommen. Allerdings handelt es sich hierbei um keine Rückgewinnung im eigentlichen Sinne, sondern das Laden der Bordbatterie wird (soweit möglich) nur durchgeführt, wenn sich das Fahrzeug im Schubbetrieb (Motorbremse) befindet. Hierdurch wird der Kraftverbrauch des Generators im Reisebetrieb reduziert, was sich günstig auf den Treibstoffverbrauch auswirkt.

Rennsport

In der Formel 1 wird ab der Saison 2009 eine Variante der Nutzbremse, das sogenannte KERS, eingesetzt.

Weblinks

• HybridSynergyDrive.com