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DAS AUTOMOBIL
Anton Spies11.04.23
ARBEITSGRUPPE 3: DIE ZUKUNFT DER ENERGIE
SOMMERAKADEMIE SALEM 2008
Inhalt
Entwicklungsgeschichte des Autos
Heutige Antriebskonzepte Otto-Verbrennungsmotor Dieselmotor Vor- und Nachteile des heutigen Konzepts
Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe Biokraftstoffe Elektroantrieb Wasserstoff und Brennstoffzelle
Fragen und Diskussion
Die Entwicklungsgeschichte des Autos
Entwicklungsgeschichte des Autos
Holzwagen der Römer Erfindung der Dampfmaschine Entwicklung des Dampfwagens um 1770
1669 konstruierte Christian Huygens eine Kolbenmaschine
1876 perfektionierte Nicolaus August Otto diese Technik in Form eines
Viertakt-Gasverbrennungsmotors
Erfindung der Fremdzündung Entwicklung des Benzin-Verbrennungsmotors
1886 Carl BenzMannheim
1886 Gottlieb DaimlerBad-Canstatt/Stuttgart
Heutige Antriebskonzepte
Der Ottomotor – Aufbau
Zündkerze
Auslassventil
Einlassventil Verdichtungs-raumKolben
PleuelstangeKurbelwelle
vier Zylinder Reihenmotor
Der Ottomotor – Aufbau
Einer von vier Verbrennungsmotoren
Luft-Kraftstoff-Gemisch wird fremdgezündet
Neben Benzin auch Flüssiggas, Erdgas, Bioethanol, Biogas und Wasserstoff
Der Wirkungsgrad beträgt 20-30%
Generell unterscheidet man zwischen dem Zwei- und Viertaktmotor
Zündkerze
Auslassventil
Einlassventil
Verdichtungs-raumKolben
PleuelstangeKurbelwelle
vier Zylinder Reihenmotor
Der Ottomotor – Viertaktmotor
Thermodynamischer Kreisprozess besteht aus 4 Takten Dadurch ist ein geordneter Gaswechsel möglich Nur bei jeder 2. Kurbelumdrehung wird am Zylinder Arbeit verrichtet
1. Takt: Ansaugen Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch in den
Zylinder.
2. Takt: Verdichten Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen.
3. Takt: Arbeiten Der Funke einer Zündkerze entzündet das
Gasgemisch, es verbrennt explosionsartig. Das Gas verrichtet am Kolben Arbeit.
4. Takt: Ausstoßen Der Kolben drückt die Verbrennungsgase aus dem
Zylinder.
Der Ottomotor – Zweitaktmotor
Benötigt nur eine Kurbelwellenumdrehung Da keine Leertakte höhere Hubraumleistung Zeichnet sich durch einfache Bauart und Lageunabhängigkeit aus Problem: Spülverluste und schlechteres Abgasverhalten
1. Takt: Verdichten und ArbeitBei der Bewegung zum oberen Totpunkt wird das
Frischgas verdichtet und entzündet
2. Takt: Ausspülen, vorverdichten, befüllenDie Abgase ziehen über die Auslassöffnung ab,
der sich nach unten bewegende Kolben verdichtet das Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches wieder in den Zylinder strömt
Vorverdichtungs- raum
Einlass-öffnung
Auslass- öffnung
Überströmungs-kanal
Pkw-Bereich Motorräder Motorsport
Dort, wo hohe Leistung, hohe Umdrehungszahl und Laufruhe gefragt sind
Freizeitbereich Modellflugzeugbau Jet-Ski
Arbeitsgeräte Motorsägen Heckenschere Rasenmäher
Fahrzeuge Mofa Langsame Schiffsdiesel
Dort, wo hohe Lageunabhängigkeit und hoher Wirkungsgrad nötig sind
Viertaktmotor Zweitaktmotor
Der Ottomotor – Einsatzbereiche
Der Dieselmotor
1892 patentiert Rudolf Diesel seine „neue rationelle Wärmekraftmaschine“
„Der Gebrauch von Pflanzenöl als Kraftstoff mag heute unbedeutend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit ebenso wichtig werden wie Petroleum und diese Kohle-Teer-Produkte von heute.“
Charakteristische Merkmale:
Selbstzünder und hoher Wirkungsgrad mit 30 - 40% Direkteinspritzer Höhere Produktionskosten aufgrund der massiven Bauweise Physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa 5.500 Umdrehungen je Minute Sparsam und zuverlässig Diesel-Boom, in manchen Ländern 75% der Neuzulassungen Höhere Rußpartikel-Emission
Hohe Alltagstauglichkeit dank ausgereifter Technik
Hoher Mobilitätsgrad – große Reichweite und schnelles Tanken
Effizienzsteigerungen und Verbrauchssenkungen
Bereits vorhandene Infrastruktur
Emissionsproblematik: 20% des CO2-Ausstoßes in Deutschland geht vom Verkehr aus
Luftverschmutzung Lärmbelastung Hohe Abhängigkeit vom Erdöl
und damit von Rohstoffländern „alte Technik“ als
Innovationsbarriere
Vorteile Nachteile
Vor- und Nachteile des heutigen Konzepts
Wirtschaft- lichkeit
Bei einer durchschn. Lebensdauer von 10 J. werden (einschl. Produktion): Mehr als 200.000 l Wasser, 112 l Motoröl und 12.000 l Kraftstoff verbraucht 5 l Bremsflüssigkeit, 7 Ölfilter und 15 Zündkerzen benötigt Über 1.000 Millionen m3 belastete Luft freigesetzt
Schadstoffe: Kohlenstoffdioxid: verändert die Zusammensetzung der Atmosphäre
führt zum Treibhauseffekt
Kohlenstoffmonoxid: entsteht bei unvollst. Verbrennung organischer Verbindungen wird von Hämoglobin 250 mal fester gebunden als O2
Kohlenwasserstoffe: entstehen bei unvollständiger Verbrenn. von Öl Zweitaktmotoren viele Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, sind krebserregend
Stickoxide: Reaktion von Stickstoff und Sauerstoff unter hohen Temperaturen Entzündung des Atemtrakts, Beeinträchtigung der Lungenfunktion
Schwefeloxide: im Treibstoff enthaltener Schwefel reagiert mit Sauerstoff SO2 und SO3 sind für Mensch und Tier giftig, saurer Regen
Umweltbelastung
Weltweiter Ölverbrauch und Zahl der Pkws
Das Auto ist weltweit der größte Ölkonsument
Fast zwei Mrd. Tonnen Rohöl im Jahr, knapp die Hälfte der gesamten Förderung, werden durch den Verkehr verbraucht
Über 900 Mio. PKWs existieren auf der Welt – Tendenz: weiter steigend
Insbesondere günstige Automobile, wie der „Nano“ von Tata Motors macht weltweite Mobilisierungswelle unaufhaltsam
o Verbrennungsmotoro Biodieselo Bioethanolo BTL („Biomasse-To-Liquids“) o Flüssiggas und Erdgas
o Elektroantriebo Elektroantriebo Brennstoffzelle
Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe
o Hybridantrieb
Biodiesel
Verfügt über sehr gute Schmiereigenschaften aufgrund des hohen O2-Gehalts (~11%) und chem. Aufbaus
Biodiesel ist nahezu schwefelfrei und senkt die Ruß-Emissionen um bis zu 50%
Es enthält weder das krebserregende Benzol noch andere giftige Aromaten
Momentan deckt Biodiesel 4% des Dieselbedarfs ab (2,8 Mio. l von 68 Mio. l an Kraftstoffen)
Wenn der Dieselbedarf in Deutschland gedeckt werden sollte, müsste Raps auf über einem drittel der Bundes-fläche angebaut werden
Biodieselproduktion
1 Hektar (10.000 m2)
3000 kg Raps mit 1.300
l Rapsöl (1.100 kg)
Ölmühle
1.000 kg Schrot130 kg Methanol
Umesterung
Glycerin 1.300 l Biodiesel (1.150 kg)
Quelle: Forschungsbericht IDW Köln
Heizwert: 10,4 kWh/l (37,1 MJ/l)
Besitzt i .d .R. keine „neutrale“ CO2-Bilanz
Verursacht höhere Emissionen von Kohlenwasserst. und Nox
Gutes Lösungsmittel zersetzt Dichtungen und Schläuche
Kann zu Problemen an der Ein-spritzpumpe und im Motoröl führen
Die guten Eigenschaften des Ethanols als Kraftstoff sind schon lange bekannt: Bereits das Ford-T-Modell war auf Ethanol ausgelegt
1 l entspricht 0,65 l Benzin, aufgrund der höheren Oktanzahl erhält man 10% mehr Leistung, aber auch 30% höheren Verbrauch 22,7 MJ/l – 32,5 MJ/l
Ethanol ist weltweit der dominierende Biokraftstoff, besonders in USA und Brasilien kommt dieser im großen Stil zum Einsatz
Pro Liter Ethanol können, je nach Energiequelle und Rohstoffbasis, 0,5 bis 2,2 kg CO2eq eingespart werden
Zusätzlich versucht man mit speziellen Enzymen aus Cellulose von Pflanzen-resten Cellulose-Ethanol herzustellen bessere Ausbeute u. Umweltbilanz
Bioethanol
Bioethanolproduktion - Vergleich
Quelle: Schmitz, 2005, S. 23
Im Jahr 2007 betrug die Beimischung von Bioethanol 1,2% In Brasilien beträgt der Bioethanolanteil, je nach Zuckerpreis, zw. 20 und 25%
Bioethanol verbrennt sauberer zu CO2 und Wasser als Benzin
Bodenverbrauch Konkurrent zur Lebensmittelindustrie
„Das Getreide, das nötig ist, um den 120 Liter fassenden Tank eines Geländewagens mit Ethanol zu füllen, reicht aus, um einen Menschen ein Jahr lang zu ernähren.“
Brasilien Deutschland
Rohstoffe Zuckerrohr Getreide, Zuckerrüben, Kartoffeln
Produktionskapazität ca. 17 Mio. m3 900.000 m3
Produktionskosten 0,20 – 0,25 USD/l 0,70 – 85 USD/l
Nettoenergiegewinn 18 MJ/l (4,5 kWh/l) 7 MJ/l (1,75 kWh/l)
Treibhausgaseinsparung 2 – 2,8 kg CO2eq/l 0,8 – 1,5 kg CO2eq/l
BTL – (Biomass To Liquid)
Im Vergleich zu etablierten Biokraftstoffen ist der BTL-Produktionsprozess komplex und aufwendig
In einer mehrstufigen thermochemischen Umwandlung von Pflanzenmasse wird Synthesegas erzeugt und daraus der gewünschte Kraftstoff
Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung beträgt bestenfalls 60%
Die größten Stärken dieses „Designerkraftstoffs“ sind die Verwendung von Restholz und anderer Pflanzenmasse und der potentiell hohe Ertrag von bis zu 12.000 kg BTL/ha
Zudem besitzt BTL weniger Schadstoffe und lässt sich für versch. Motor-bedürfnisse synthetisieren bessere Verbrennung & mehr Leistung
BTL – (Biomass To Liquid)
Flüssiggas und Erdgas
Besteht hauptsächlich aus Propan und Butan
Wird bei 5 – 10 bar flüssig gespeichert
Flüssiggastank kann problemlos in Notradmulde installiert werden
Steuerbegünstigt, da besseres Abgas-verhalten als bei Benzin: 15% weniger CO2 -Emissionen
50% weniger Kohlenwasserstoffe 80% weniger Stickoxide
Besitzt mit 12,9 kWh/kg eine höhere Energiedichte als Benzin (12,04 kWh/kg)
Besteht hauptsächlich aus Methan
Wird bei einem Druck von 200 – 300 bar in zylinderförmigen Druckbehältern gespeichert
Ist i. d. R. billiger als LPG, besitzt jedoch einen geringeren Brennwert
Wird in Rohren bis an die Tankstelle transportiert und vor Ort komprimiert
Besitzt mit 10 – 14 kWh/kg eine relativ hohe Dichte
Flüssiggas (LPG) Erdgas (CNG)
Flüssiggas und Erdgas - Speicherung
Flüssiggas (LPG) Erdgas (CNG)
Notradmuldentank
Allgemein: Antriebssystem, bei welchem zwei versch. Antriebe kombiniert werden
Das erste Hybridauto war der Lohner Porsche aus dem Jahr 1899 Wurde von Ferdinand Porsche entwickelt Erfuhr große Aufmerksamkeit auf der Weltausstellung in Paris im Jahr 1900
Das Problem waren dabei die Akkumulatoren
und die damit verbundene kurze Reichweite bei höherem Gewicht
Hybridantrieb
Hybridantrieb – Aufbau
Kraftstoff-tank
GetriebeStarter-batterie
Verbrennungsmotor
Elektromotor unterstützt Verbr.motor Zeitweise emissionsfreies Fahren mögl. Reduzierter Spritverbrauch und
Lärmemissionen Leistungs- und Effizienzsteigerung Rückgewinnung von Bremsenergie
Zusatzgewicht durch Elektromotor und Batterie
Höhere Kosten durch Zusatzbauteile Geringe Ladekapazität der Batterie
Kraftstoff-tank
Batterie-einheit
Getriebe
Verbrennungsmotor
Elektromotor
Generator
Hybridantrieb – Unterteilung
Allgemein unterscheidet man zwischen: Paralleler Hybrid:
Elektromotor und VM wirken auf einen Antriebsstrang Leistungsaddition beide Aggregate können kleiner dimensioniert werden Senkung von Verbrauch und Emissionen
Serieller Hybrid: VM hat keinerlei mechanische Verbindung zur Antriebsachse VM dient lediglich zum Antreiben eines Generators Aufladen der Batterien Es genügt kleiner und verbrauchsarmer Motor u. U. ohne ein Getriebe
Mischhybrid: Kombiniert parallelen und seriellen Hybridantrieb entsprechend der Verkehrssituation Dies ermöglicht ein Planetengetriebe
Zudem werden Hybride noch in Mikrohybrid, Mildhybrid und Vollhybrid unterteilt
Start-Stop-Automatik Besteht aus einem Kurbelwellen-
Startergenerator mit <4 kW/t Sobald Motor im Leerlauf ist oder unter 6 km/h,
wird der Motor abgeschaltet Wenn Bremspedal gelöst wird, wird der Motor
innerhalb von 0,4 sec gestartet Zusätzliche Ladekapazität Bescheidene Rekuperation möglich Einsparpotenzial:
Bis zu 16% in Stadtverkehr 6% im gemischten Betrieb
Mikrohybrid
Mildhybrid
E-Motor mit 6-14 kW/t Leistung Unterstützt VM beim Anfahren Rekuperation Leistungs- und Effizienzsteigerung Insbesondere bei großen Motoren
interessant „Downsizing“ möglich
Verkaufsstart: 2009 Sparsamste Luxus-Limousine mit
7,2 Liter Verbrauch
E-Motor stark genug, um Pkw anzutreiben >20 kW/t
Stadtverkehr mit viel „Stop&Go“: E-Antrieb mit hohem Drehmoment
Überlandfahrt: wenig Leistung, VM treibt an
E-Motor treibt bis zu 70 km/h an Bis zu 40% Verbrauchsenkung
möglich
Vollhybrid
Plug-In Konzept für 2010 Aufladen an der Steckdose, nutzen
von Stromüberkapazitäten E-Motor als Hauptantrieb VM dient lediglich zum Antreiben
eines Generators Normalreichweite: 60 km
Mit VM: 500 km 1-Liter-VM mit Verbrauch von etwa
3 – 4 l
Vollhybrid – Chevrolet Volt
Alternative Antriebskonzepte
Bereits 1881 fuhr das erste Elektroauto auf Pariser Straßen
Im 19. Jh. galt das Elektroauto als überlegen
1899 war es ein E-Fahrzeug, das schneller als 100 km/h fuhr
Um die Jh.wende gab es in den USA: 22% Benzinautos 38% Elektroautos 40% Dampfmaschinen
Wegen Reichweite waren sie nur im Flurfahrzeugbereich zu finden
Erlebt eine Renaissance seit der Umweltdiskussion und Einführung des Tesla Elektroautos
Elektroantrieb
Hoher Wirkungsgrad des Elektromotors Kein Umweg über thermodyn. Prozess Hohes Drehmoment Kein komplexes Getriebe (1 Gang) Neue Konzepte durch Radnabenmotoren Generell weniger Mechanik und Verschleiß Entlastung der Bremse durch Rekuperation Keine lokalen Emissionen und geringe
Lärmbelastung Energiemix einfachere Diversifikation der
Energieträger mögl.
Batterie nachwievor das größte Manko Noch hohe Kosten
Elektroantrieb – Elektromotor
Smart EV lieferbar ab 2010 100 werden in London getestet Müssen keine City-Maut bezahlen (8
Euro) Besitzt Lithium-Ionen Akkus mit
Reichweite von 100 km Hat nur einen Gang Kostet doppelt so viel (mind. 20.000 €)
Elektroantrieb – Aufbau
Batterie-einheiten
Radnaben-motorenGenerator
Lithium-Ionen Akkus: Kosten: pro 1kWh etwa 1000 € Ladekapazität: etwa 120 W/h
Funktion: Ladevorgang: Li-Ionen wandern von
der Kathode zur Anode und binden sich an Kohlenstoff, Elektronen fließen aus externem Stromkreis
Entladevorgang: Li-Ionen wandern wieder zurück zur Kathode, Elektronen fließen in den externen Stromkreis
Problem: Lebensdauer Kapazitätsverlust Ladedauer
Problemfeld – mobile Energiespeicher
Ladekapazität hängt von der Aufnahmefähigkeit der „Anode“ ab
Forscher vom MIT: Zehnfache Ladekapazität durch Silizium-
Nanodrähte anstatt Kohlenstoff Laborstadium
Toshiba SCiB: Schnelle Ladung: in nur 5 Minuten 90%
der Ladekapazität Zusätzl. geheimgehaltes Material Besonders langlebig: 3000 Ladezyklen Aber: Energiedichte liegt etwas über
Kondensatoren
Problemfeld – Entwicklungstendenzen
Problemfeld – Entwicklungstendenzen
Super Capacitor Speicherung von Energie durch Trennung
der Ladung Z. B. zwei Metallplatten, elektrostatisch Kurzschließen: Elektronen fließen über
externen Stromkreis Je größer die Oberfläche und je näher sie
dran sind, desto höher die Kapazität Unterliegen keinem Verschleiß Können extrem schnell Energie speichern Extreme Oberflächenvergrößerung durch
kleinste Kohlenstoffpartikel Mit 50 kg hat man 220 Wh
Problemfeld – Vergleich
Dem 1766 entdeckten Wasserstoff wird das Potential zugeschrieben, nach Holz, Kohle und Öl das vierte Energiezeitalter einzuläuten
Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger, er speichert Primärenergie in chem. Form und ähnelt damit eher einer Batterie
Das kleinste Element ist nahezu unerschöpflich, denn 90% aller Atome im Universum sind H2-Atome
Universell einsetzbar: Als mobiler Energiespeicher, als Kraftstoff für Autos oder zur Strom- und Wärmeerzeugung
Jedoch ist H2 hoch reaktiv und flüchtig, so dass es in reiner Form in der Natur so gut wie nicht vorkommt, aber für die Nutzung in dieser Form benötigt wird
Wasserstoff – „Kohle der Zukunft?“
Generell kommen zwei Techniken zur Gewinnung von H2 infrage: Die energieintensive Elektrolyse Erdgasdampfreformation – von den weltweit 700 Mrd. m3 werden 98% aus Erdgas
gewonnen
Wasserstoff – Bereitstellung
Die Speicherung des H2 stellt heutzutage die größte Herausforderung dar
1 kg H2 entspricht etwa 3 kg Benzin
1 Liter LH2 entspricht nur ¼ Liter Benzin für gleiche Reichweite ist größerer Tank notwendig
Gasförmige Speicherung: Mind. 700 bar Hohes Tankgewicht mit nur wenig Energiegehalt Tankinhalt beträgt weniger als 4% des Tankgewichts Hoher energetischer Aufwand bei der Kompression
Wasserstoff – Speicherung
Spezielle Kryotanks sind notwendig, um den LH2 auf -253 °C zu halten
Ein Teil des LH2 verdampft und muss bei Nicht-Nutzung raus gelassen werden
Zudem ist eine aufwendige Betankungstechnik notwendig
Insgesamt ist ein hoher Energieaufwand und –verlust damit verbunden
Wasserstoff – Speicherung
Speicherung in Metalhydriden, wie z. B.: Calciumhydrid oder Natriumborhydrid Bei der Reaktion mit Wasser oder bei Kontakt mit Katalysatoren zerfällt
Natriumborhydrid in Borax und Wasserstoff
Wasserstoff – Speicherung
Natriumborhydrid
Wasserstoff
Borax
Wasserstoff
NaBH4 + 2 H2O 4 H2 + NaBO2 Niedrige Betriebstemperatur Kompakte Bauweise
Hohe Reinheit des H2
Mehrere tausend Wiederbefüllungen möglich
Geringe Speicherdichte und Reichweite
Lange Betankungsdauer
Wasserstoff - Speicherung
Wasserstoff – Vergleich der Heizwerte
kWh/kg MJ/kg
Wasserstoff 33 118,7
Flüssiggas 12,9 46,40
Benzin 12,04 43,31
Diesel 11,87 42,70
Erdgas 10 - 14 36 - 50
Biodiesel 10,41 37,10
Bioethanol 8,00 32,30
Brennstoffzelle Elektrolyt Arbeits-temperatur
Elektrischer Wirkungsgrad
Brenngas
Alkalische Brennstoffzelle (AFC)
Kalilauge 20 – 90°C 60 – 70% Wasserstoff
Membranbrenn-stoffzelle (PEMFC)
Protonleiten-de Membran
20 – 80°C 50 – 70% Wasserstoff
Direkt-Methanol-brennstoffzelle (DMFC)
Protonleiten-de Membran
20 – 130°C 20 – 30% Methanol
Phosphorsäure-brennstoffzelle (PAFC)
Phosphor-säure
180 – 220°C Etwa 55% Erdgas, Biogas, Wasserstoff
Karbonatschmel-zenbrennstoffzelle (MCFC)
Alkalicarbonatschmelzen
620 – 660°C 65% Erdgas, Kohlegas, Biogas, H2
OxidkeramischeBrennstoffz.(SOFC)
Zirkonoxid 800 – 1000°C 60 – 65% Erdgas,Kohleg.,Biogas, H2
Brennstoffzelle - Vergleich
Brennstoffzelle – Funktion der PEMFC
A-Klasse „NECAR“ wird seit knapp 10 getestet
Im Realität kam hauptsächlich DMFC zum Einsatz
Befindet sich immer noch im Teststadium
Verkauf: unbekannt
Brennstoffzelle - Einsatz
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!
Zusammenfassung und Diskussion