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Schülerseiten
Nachhaltiges Autofahren?
Thema: Mobilität
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Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Gymnasien) Rottweil
1. Einleitung
Fast jeder Erwachsene in Deutschland besitzt ein Auto, denn es macht frei,
flexibel und mobil. Jedoch belastet jedes einzelne Auto die Umwelt, indem es
Kohlendioxid, Feinstaub und Stickoxide ausstößt. Kann Autofahren dann
überhaupt nachhaltig sein? Zumindest eine umsichtige Fahrzeugnutzung hilft
die Folgen für die Umwelt gering zu halten. Auch die großen Konzerne haben
inzwischen realisiert, dass es an der Zeit ist etwas zu verändern. Doch welche
„neue“ Technik ist am besten dazu geeignet um effizient, nachhaltig und
kostengünstig mobil unterwegs zu sein?
2. Arbeitsauftrag
A) Setze dich in deiner Gruppe mit folgenden Fragen auseinander und halte diese schriftlich fest. Für ein effizientes Vorgehen sollten die Fragen untereinander aufgeteilt werden (Partnerarbeit erwünscht). 1. Wie funktioniert dein Motortyp?
2. Welche Energieform benötigt dein Motortyp?
3. Welche Rohstoffe werden für deine Energieform benötigt und wo
werden diese abgebaut?
4. Suche verschiedene Modelle/Skizzen zu deinem Motortyp und wähle
deiner Meinung nach das Beste aus.
5. Existieren noch Unterkategorien zu deinem Motortyp? Wenn „ja“,
welche? Welche Besonderheiten/Vorteile haben diese
Unterkategorien?
6. Wie funktioniert die Energieumwandlung für deinen Motortyp?
Erstelle eine Energieumwandlungskette
7. Wie hoch ist die Verlustwärme des jeweiligen Motortyps bei der
Energieumwandlung?
8. Wie hoch ist die Reichweite deines Motortyps (nimm ein
Beispielauto)?
9. Mache dir Gedanken über die Nachhaltigkeit deines Motortyps und
halte dies schriftlich fest!
10. Wo könnte dein Motortyp sinnvoll zum Einsatz kommen?
11. Wie könnte man die Umweltbelastung von deinem Motortyp senken?
Betrachte dabei deine gesamte Energieumwandlungskette
12. Ab welcher Jahreslaufleistung (in km) scheint deine Motorvariante
sinnvoll zu sein?
B) Nun stelle die Ergebnisse deiner Gruppe vor und ergänze die fehlenden
Informationen.
C) Bildet neue Gruppen, dabei muss jeder Motor in jeder neuen Gruppe von
mindestens einem Experten vertreten sein.
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D) Die jeweiligen Experten tragen nun ihre Ergebnisse in der neuen Gruppe
vor. Mache dir dabei Stichpunkte zu den Motortypen.
E) Geht in den alten Gruppen zusammen und erarbeitet Pro und Contra
Punkte zu eurem Motortyp und halte diese schriftlich fest.
F) Erstellt jetzt ein Plakat mit folgenden Inhalten
- Funktionsweise von eurem Motortyp mit Skizze oder Bild
- Aufzeigen von Pro und Contra Punkten
3. Benötigte Quellen
Elektromotor:
http://www1.karlsruhe.de/Wirtschaft/img/standort/profile/down773a.
http://www.auto-motor-und-sport.de/eco/effizienz-wie-effizient-sind-
elektromotoren-1322458.html
http://www.hybrid-infos.de/001.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroauto
http://www.focus.de/wissen/weltraum/odenwalds_universum/tid-
16100/lithium-der-stoff-der-unsere-mobilitaet-sichern-
soll_aid_451601.html
www.seilnacht.com/Lexikon/03Lithi.htm#v
Verbrennungsmotor:
http://www1.karlsruhe.de/Wirtschaft/img/standort/profile/down773a.
http://de.wikipedia.org/wiki/Ottomotor
http://www.planet-schule.de/sf/php/02_sen01.php?sendung=6901
http://www.zeit.de/auto/2012-02/auto-motor-diesel-erdgas
http://www.kfz-tech.de/VerglBenzDies.htm
Hybridmotor:
http://www.wissen.de/wie-funktioniert-ein-hybridmotor
http://www.hybrid-infos.de/001.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Hybridelektrokraftfahrzeug
Die folgenden Links dienen als Anhaltspunkt. Recherchiere selber im Internet um noch mehr
Informationen zu sammeln!
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http://www.focus.de/wissen/weltraum/odenwalds_universum/tid-
16100/lithium-der-stoff-der-unsere-mobilitaet-sichern-
soll_aid_451601.html
www.seilnacht.com/Lexikon/03Lithi.htm#v
http://www.auto-motor.at/Auto/Auto-Archiv/Unterschiede-Hybrid-
Systeme.html
http://www.handelsblatt.com/auto/nachrichten/viele-unterschiede-bei-
hybrid-systemen/2558302.html
http://www.unsere-autos.de/unsere-
forschung/elektromobilitaet/hybrid/hybridarten/
Nachhaltigkeit – Für alle Gruppen
http://nachhaltigkeit.daimler.com/reports/daimler/annual/2013/nb/Ger
man/0/home.html
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4. Durchführung
~ Zeit Methode
10 Tafelsturm zum Thema „Auto“. Jeder Schüler darf 2 Begriffe an die Tafel
schreiben, die ihm zum Thema Auto einfallen
Antriebe kategorisieren; evtl. fragen welche Antriebsarten die S kennen wenn die Motortypen nicht an der Tafel stehen
2 Gruppeneinteilung: 3-er Gruppen
Fest vom Lehrer vorgegeben o. per Zufall: Kartenziehen (♣,♠,♥
bilden jeweils eine Gruppe)
60-70 Arbeitsauftrag für jede Gruppe auf Rechner bereitstellen
Leitfragen!!!
Eigenrecherche der SuS Einteilung der Gruppen in Untergruppen (selbstständig)
Ausstiegsmöglichkeit
30 Experten in andere Gruppen aussenden (S.-Anzahl abhängig)
Bsp.: 9 SuS
Verbrennungsmotor Hybridmotor Elektromotor
(Expertengruppen)
♣♣♣ ♠♠♠ ♥♥♥
♣♠♥ ♠♣♥ ♥♠♣
(Mischgruppen)
Jeder Experte erklärt in der Mischgruppe seinen Motor Optimalfall: Alle S. sind auf dem gleichen Wissensstand
15 Rückfindung in die Expertengruppen
Erarbeitung von Pro/Contra-Punkten für den jeweiligen Motor in der Expertengruppe
Schriftlich festhalten Ausstiegsmöglichkeit
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30 Erstellen des Plakates (Schriftgröße, Formatierung, Anzahl der Bilder
vorgeben)
Funktionsweise mit Skizze Aufzeigen der Vor- und Nachteile
15 Vorstellen des Plakats vor der eigenen Klasse oder z.B. Parallelklasse,
Aufhängen im Foyer
Optional:
- Boxenstopp -> kritische Auseinandersetzung! - Die Brennstoffzelle als Kfz-Antrieb (Funktionsweise,
Gegenüberstellung mit den anderen Antriebsmöglichkeiten)
5. Lernziel
Kompetenzerwerb
- Erkennen der Herausforderungen jetziger und kommender Generation
- Fähigkeit, sich in einer technisch und naturwissenschaftlich geprägten
Welt zu orientieren
- Verständnis für industrielle Produktionsabläufe;
- eine kritische Aufgeschlossenheit für neue Technologien
- Teamfähigkeit und Eigenverantwortlichkeit bei der Arbeit in Projekten
- Durchhaltevermögen und Frustrationstoleranz bei der Lösung komplexer
Aufgaben
- Erwerb vertiefter Kenntnisse über Systeme der unbelebten Natur und der
Technik
- setzen Eigenschaften eines Systems in Modelle um
- erwerben die Fähigkeit, Hypothesen und Prognosen aus dem
naturwissenschaftlich-technischen Bereich verbal auszudrücken und
argumentativ zu untermauern
Didaktische Prinzipien
- Energieerhaltung:
o Energieträger – Energiespeicher – Energiestrom
o Energieumwandlung – Wirkungsgrad
o Entropieerzeugung
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Betrachtungsbereich
- Technik:
o Möglichkeiten der Energienutzung analysieren und bewerten
o Perspektiven der Energieversorgung der Zukunft nachvollziehen
und bewerten
- Mess- und Arbeitsmethoden:
o Statistik lesen und Auswerten
o Diagramme interpretieren
o Hilfsmittel sachgerecht als Informationsquellen nutzen:
Nachschlagewerke, Tabellenwerke, technische Datenblätter
o Computer als Werkzeug nutzen
6. Beispiellösungen
6.1. Verbrenner-Motor
1. Wie funktioniert dein Motortyp?
1. Takt: Ansaugen des Luft-Gas-Gemisches
Der Kolben bewegt sich bei offenem Einlass- und geschlossenem
Auslassventil in Richtung der Kurbelwelle und saugt dabei das vom Vergaser
kommende Luft-Gas-Gemisch an.
2. Takt: Verdichten
Der Kolben bewegt sich nun bei geschlossenen Ventilen von der Kurbelwelle
weg und verdichtet dabei die Ladung. Bei diesem Prozess ist ein Druckanstieg
auf ca. 16 bar und ein Temperaturanstieg auf ca. 450 °C zu beobachten.
3. Takt: Verbrennung
Bei geschlossenen Ventilen verbrennt der Treibstoff und breitet sich aus. Das
sich ausbreitende Brenngas drückt den Kolben in Richtung Kurbelwelle.
4. Takt: Ausschieben
Die verbrauchte Ladung wird vom Kolben bei geöffnetem Auslassventil aus
dem Zylinder hinausgeschoben.
2. Welche Energieform benötigt dein Motortyp?
- Benzin ( Öl )
- Ethanol/Methanol (oft als Gemisch mit Benzin) (Alkohol )
- Erdgas/LPG
- Wasserstoff
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3. Welche Rohstoffe werden für deine Energieform benötigt und wo
werden diese abgebaut?
- Benzin/Diesel = Erdöl (Weltweit)
- Ethanol = Destillierung (oft werden dafür landwirtschaftliche Flächen
genutzt , z.B. 600.000 Tonnen Ethanol aus Weizen, Zuckerrüben und
Mais hergestellt
- Erdgas = Flüssiggas aus verdichtetem Erdgas & Flüssigerdgas
4. Suche verschiedene Modelle/Skizzen zu deinem Motortyp und wähle
deiner Meinung nach das Beste aus.
Siehe oben
5. Existieren noch Unterkategorien zu deinem Motortyp? Wenn „ja“,
welche? Welche Besonderheiten/Vorteile haben diese
Unterkategorien? (für den Elektromotor entfällt diese Frage)
- Dieselmotor und Benzinmotor
- Dieselmotor: - niedrigerer Verbauch
- Benzinmotor: - Höherer Drehzahlbereich mehr Leistung
6. Wie funktioniert die Energieumwandlung für deinen Motortyp?
Erstelle eine Energieumwandlungskette!
Chemische Energie(Krafstoff) -> Mechanische Energie: 18-30% ->
Verlustwärme(Abgas, Strahlung, Kühlwasser):70-82%
7. Wie hoch ist die Verlustwärme des jeweiligen Motortyps bei der
Energieumwandlung? (für den Hybridmotor entfällt diese Frage)
Verlustwärme eines Ottomotors: 70-82%, jedoch wird ein Teil der
Verlustwärme zu Heizungszwecken benötigt somit kann man keine
genaueren Angaben machen.
8. Wie hoch ist die Reichweite deines Motortyps (nimm ein
Beispielauto)?
Komponenten für die Reichweite:
- Fahrweise
- Tankvolumen
- Motor(durchschnittlicher Verbrauch) - Gewicht Beispiel: Viper SRT-10 (8,4L) = ca. 360 km. ( 19,4l/100km ; 70l Tank)
Chevrolet Matiz (0,8l) = ca. 686km. (5.1l/100km ; 35l Tank) 9. Mache dir Gedanken über die Nachhaltigkeit deines Motortyps und
halte dies schriftlich fest!
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Der Verbrennungsmotor ist, egal wie effizient er konstruiert wird, nie
besonders nachhaltig. Verbrennungsmotoren sind nicht sehr effizient da bei
der Verbrennung von Benzin viel Energie verloren geht (Wärme) außerdem
werden in den meisten, vor allem die gebräuchlichen Motoren, Erdöl basierte
Treibstoffe verbrannt. Wie wir alle wissen wird Erdöl immer knapper. Auch
entstehen beim Verbrennen des Treibstoffes klimaschädliche Gase wie
Kohlenmonoxid.
10. Wo könnte dein Motortyp sinnvoll zum Einsatz kommen? Betrachte
hierzu Ballungsgebiete und eventuell Klimazonen
Sinnvoll
- Langstreckenfahrten, Autobahn (USA, Australien)
- In dritte Welt Ländern, da Benzin billiger ist als alternative Antriebe.
- Treibstoff kann in alle Gegenden der Welt transportiert werden =>
Verbrennungsmotoren überall einsetzbar.
- Transportwesen (Lastkraftwagen/Schiffe)
Schädlicher Einsatz
- Ballungszentren (erhöht die Verschmutzung der schon stark
verschmutzten Luft)
- Kurzstrecke, Mittelstrecke (bis ca. 100 km/Tag)
- Überall
11. Wie könnte man die Umweltbelastung von deinem Motortyp
senken? Betrachte dabei deine gesamte Energieumwandlungskette.
Mache Verbesserungsvorschläge für die Automobilindustrie aber
auch der eigenen Fahrweise oder den Umstieg auf öffentliche
Verkehrsmittel.
Down-sizing
- Verkleinerung des Motors(Hubraum);
- Turbolader
- weniger Zylinder
KERS (Kinetische Energie Rückgewinnung)
- z.B. Bremsenergie kann gespeichert werden und später wieder
abgeben werden
Verlustwärme Nutzung
- Verlustwärme des Motors wird zu Heizzwecken genutzt
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Sparsames Fahren
- Start-Stopp Automatik
- Sitzheizung aus
- Karosserie Anbauteile weglassen (erhöhen Cw-Wert)
- Unnötiges Bremsen vermeiden
- Überflüssiges Gewicht vermindern
- Optimaler Reifendruck
- Motorabstellen bei Bahnübergangen o. Ampeln
- Kurze Strecken (vor allem im Winter) zu Fuß, mit dem Fahrrad oder mit
öffentlichen Verkehrsmitteln zurücklegen)
12. Ab welcher Jahreslaufleistung (in km) scheint deine Motorvariante
sinnvoll zu sein?
Dieselmotoren sind günstiger je nach Modell: manchmal ab 10 000 km pro
Jahr manchmal erst ab 30 000 km pro Jahr.
Faustregel: ab ca. 15 000 km
Vorteil Nachteil
Hohe Reichweite Schlechte Energieeffizienz
Hohe Geschwindigkeiten Fossile Brennstoffe nur noch
begrenzt vorhanden
Wichtig für das Transportwesen
(Reichweite auch bei hohem
Fahrzeuggewicht groß)
Ein großer Teil der Energie geht in
Form von Wärme verloren
Der Treibstoff kann bevorratet werden
(Kanister)
Hoher CO2 -Ausstoß
Für die 3. Welt billiger als andere
Antriebe
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6.2. Elektromotor
1. Wie funktioniert dein Motortyp?
Befindet sich ein stromdurchflossener Leiter im Magnetfeld, so erfährt er im Allgemeinen eine Kraft (Ausnahme: Stromrichtung und Magnetfeldrichtung sind parallel oder antiparallel). Die Wirkung dieser Kraft ist am größten, wenn Stromrichtung und Magnetfeldrichtung einen Winkel von 90° bilden.
Die wirkende Kraft steht senkrecht auf der durch die technische Stromrichtung und der Magnetfeldrichtung aufgespannten Ebene. Zur Ermittlung der Kraftrichtung kann man drei Finger der rechten Hand verwenden:
Die Schleife dreht sich im Gegenuhrzeigersinn.
Ursache: Strom (technische Richtung von Plus nach Minus)
Vermittlung: Magnetfeld von Nord nach Süd
Wirkung: Kraft auf stromdurchflossenen Leiter
Wenn sich die Leiterschleife um 90° gegenüber der oben skizzierten Stellung
gedreht hat, üben die Kräfte kein Drehmoment mehr aus (Totpunkt). In diesem
Augenblick muss umgepolt werden, wenn eine fortwährende Drehung erreicht
werden soll.
Man erreicht das "automatische" Umpolen, mit einem Polwender
(Kommutator). Er besteht aus zwei elektrisch voneinander getrennten
metallischen Halbringen, die auf einem zylindrischen Isolierkörper sitzen.
Die Stellung der Bürsten muss so gewählt werden, dass die Umpolung gerade
dann stattfindet, wenn sich die Leiterschleife im Totpunkt befindet.
Die auf die Leiterschleife wirkenden magnetischen Kräfte sind zu gering um
die Reibung zu überwinden.
Fügt man mehrere Leiterschleifen zu einer Spule zusammen, so vervielfacht
sich die resultierende Kraft.
Wickelt man die Spule auf einen Eisenkern, so wird das Spulenfeld durch das
Feld der im Eisen befindlichen und ausgerichteten Elementarmagnete
verstärkt und somit die magnetische Kraft um ein Vielfaches erhöht.
UVW-Regel der rechten Hand
Ursache für das Phänomen ist der Strom; Der Daumen der rechten Hand zeigt in die technische Stromrichtung (von + nach -).
Vermittlung bei diesem Prozess ist das Magnetfeld; Der Zeigefinger der rechten Hand zeigt in Magnetfeldrichtung (von N nach S).
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Wirkung ist bei diesem Prozess die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter; Der Mittelfinger der rechten Hand gibt die Kraftrichtung an.
- Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um.
- Eine stromdurchflossene Spule wird durch die Kräfte im Bereich eines Permanentmagneten gedreht.
- Der Kommutator sorgt dafür, dass die Stromrichtung stets im richtigen Moment umgekehrt wird, so dass die Drehrichtung immer gleich bleibt.
2. Welche Energieform benötigt dein Motortyp?
- AC-motor = Alternating Current motor (deutsch: Wechselstrom-
Elektromotor)
- DC-motor = Direct Current motor (deutsch: Gleichstrom-Elektromotor)
- Je höher die Spannung, desto höher die Leistung
3. Welche Rohstoffe werden für deine Energieform benötigt und wo
werden diese abgebaut?
- Graphit (Hochenergiezellen)
- Lithium-Metalloxid
- Lithium-Eisenphosphat
- Elektrolyt
- Kobalt/ Nickel/ Mangan
4. Suche verschiedene Modelle/Skizzen zu deinem Motortyp und wähle
deiner Meinung nach das Beste aus.
5. Existieren noch Unterkategorien zu deinem Motortyp? Wenn „ja“,
welche? Welche Besonderheiten/Vorteile haben diese
Unterkategorien? (für den Elektromotor entfällt diese Frage)
6. Wie funktioniert die Energieumwandlung für deinen Motortyp?
Erstelle eine Energieumwandlungskette!
Energiemix aus Atom, Kohle und erneuerbaren Energiequellen -> Strom ->
Batterie, Verlustwärme 10% -> Elektromotor -> Verlustwärme 10%, Antrieb
90%
7. Wie hoch ist die Verlustwärme des jeweiligen Motortyps bei der
Energieumwandlung? (für den Hybridmotor entfällt diese Frage)
Jeweils ca. 10% beim Laden und Entladen
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8. Wie hoch ist die Reichweite deines Motortyps (nimm ein
Beispielauto)?
Komponenten für die Reichweite:
- Fahrweise
- Batteriekapazität
- Motor (Leistung) - Stromverbrauchende Fahrzeugausstattung - Gewicht - Temperatur!
Beispielauto:
- Tesla Roadster: 200-500 km
- BMW i3: 150 km
9. Mache dir Gedanken über die Nachhaltigkeit deines Motortyps und
halte dies schriftlich fest!
Da Batterien und Akkus zunehmend aus Lithium bestehen, wird immer mehr
Lithium benötigt. Um als Batterie geeignet zu sein muss das Pulver einen
Reinheitsgrad von 99,95 Prozent aufweisen. Um Lithium zu gewinnen werden
in Salzseen vor allem in Chile, Bolivien und Argentinien, Verdunstungsbecken
angelegt. Dort setzen sich nach und nach die Salze ab. Diese Art der
Lithiumgewinnung zerstört das natürliche Gleichgewicht der umliegenden
Landschaft (Versalzung). Probleme bereiten sich überhaupt bei der
Verdunstung, da das weltweit größte Lithiumvorkommen in Bolivien durch
klimatische Bedingungen stark beeinträchtigt wird und Problemlösungen mit
Umweltzerstörung einhergehen.
10. Wo könnte dein Motortyp sinnvoll zum Einsatz kommen? Betrachte
hierzu Ballungsgebiete und eventuell Klimazonen
Der Elektromotor ist aufgrund seiner geringen Reichweite, Lärmbelastung
und Geschwindigkeit bestens für den Einsatz Innerorts geeignet.
Der Einsatz eines Elektromotors erscheint im Winter und kälteren Gebieten
noch fraglich, da die Batterien schnell an Leistung verlieren
11. Wie könnte man die Umweltbelastung von deinem Motortyp
senken? Betrachte dabei deine gesamte Energieumwandlungskette.
Mache Verbesserungsvorschläge für die Automobilindustrie aber
auch der eigenen Fahrweise oder den Umstieg auf öffentliche
Verkehrsmittel.
Wenn der Strom ausschließlich von erneuerbaren Energien stammen würde,
wäre schon ein großer Schritt getan. Das wichtigste ist aber die Herstellung
der Autos und Kraftwerke so umweltschonend wie möglich zu machen.
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Weitere Möglichkeiten:
KERS (Kinetische Energie Rückgewinnung)
- z.B. Bremsenergie kann gespeichert werden und später wieder
abgeben werden
Verlustwärme Nutzung
- Verlustwärme des Motors wird zu Heizzwecken genutzt
Sparsames Fahren
- Sitzheizung aus
- Karosserie Anbauteile weglassen (erhöhen Cw-Wert)
- Unnötiges Bremsen vermeiden
- Überflüssiges Gewicht vermindern
- Optimaler Reifendruck
12. Ab welcher Jahreslaufleistung (in km) scheint deine Motorvariante
sinnvoll zu sein?
Spielt keine Rolle, solange der Kurzstreckeneinsatz überwiegt
Vorteil Nachteil
Kein CO2-Ausstoß Viele seltene Erden notwendig
Sehr leise Großes Gewicht der Batterien macht das Fahrzeug schwer
Kein Beschleunigungsabbruch Geringe Reichweite
Hohe Energieeffizienz (90%) Hohe Anschaffungskosten
Ideal für die Stadt
Einsatz in der Industrie: Gabelstapler, LKW in Steinbrüchen mit Einzelradantrieb
6.3. Hybrid-Motor
1. Wie funktioniert dein Motortyp?
Das Wörterbuch definiert "hybrid" als "von zweierlei Abkunft", aber was ist
damit gemeint? Der Hybridmotor vereint zwei unterschiedliche Kraftquellen in
einem Auto: Einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor.
Der Verbrennungsmotor spielt seine Stärken aus, wenn Kraft, Geschwindigkeit
und hohe Reichweiten gefordert sind, allerdings arbeitet er mit Abgas- und
Lärmemissionen und verbraucht Öl-Ressourcen. Seine Energiebilanz ist
schlecht, der überwiegende Teil der erzeugten Energie wird nicht zum Antrieb
des Fahrzeugs genutzt, sondern verpufft ungenutzt als Hitze.
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Der Elektromotor fährt abgasfrei und nahezu lautlos, er hat allerdings meist
nur eine geringe Reichweite. Zusätzlich wird ein Steuersystem und ein
Generator benötigt. Das Steuersystem regelt, wann welcher Antrieb zum Zuge
kommt und der Generator nutzt die Energie die beispielsweise beim
Abbremsen oder Bergabfahren entsteht um die Batterien wieder aufzuladen.
Oder aber um die Batterien mithilfe des Verbrennungsmotors zu laden.
2. Welche Energieform benötigt dein Motortyp?
Sowohl elektrische (Batterie) als auch chemische (Benzin, Diesel, LPG,
Wasserstoff).
3. Welche Rohstoffe werden für deine Energieform benötigt und wo
werden diese abgebaut?
Für die Batterie:
- Graphit (Hochenergiezellen)
- Lithium-Metalloxid
- Lithium-Eisenphosphat
- Elektrolyt
- Kobalt/ Nickel/ Mangan
Für den Verbrennungsmotor:
- Benzin/Diesel = Erdöl (Weltweit)
- Ethanol = Destillierung (oft werden dafür Landwirtschaftliche Flächen
genutzt, z.B.600.000 Tonnen Ethanol aus Weizen, Zuckerrüben
und Mais hergestellt
- Erdgas = Flüssiggas aus verdichtetem Erdgas & Flüssigerdgas
4. Suche verschiedene Modelle/Skizzen zu deinem Motortyp und wähle
deiner Meinung nach das Beste aus.
Serieller Hybrid
Bei einem seriell angeordneten Hybridantrieb hat der zweite Energiewandler
keinerlei mechanische Verbindung mehr zur eigentlichen Antriebsachse.
Meist treibt aber ein Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator an,
der die Fahrenergie bereitstellt oder den Fahrrad-Akku lädt. Die
Leistungsfähigkeit der Motor-Generator-Kombination bzw. der
Brennstoffzelle bestimmt dabei die Dauer-Höchstgeschwindigkeit mit. Bei
kurzzeitigem höherem Leistungsbedarf können die Akkus zusätzlichen Strom
liefern. Der oder die antreibende(n) Elektromotor(en) müssen immer das
gesamte geforderte Drehmoment und die gesamte geforderte Leistung
erbringen
Paralleler Hybrid
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Anders als beim seriellen Hybridantrieb wirken beim parallelen Hybridantrieb
der oder die Elektromotor(en) gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor auf
den Antriebsstrang. In mindestens einem Betriebszustand sind die Kräfte oder
Drehmomente der einzelnen Antriebe gleichzeitig verfügbar. Das ermöglicht
eine schwächere Auslegung des Elektromotors und des Verbrennungsmotors,
was Kosten, Gewicht und Bauraum spart, im Falle des Verbrennungsmotors
auch Kraftstoff (downsizing). Parallelhybride lassen sich vergleichsweise
kostengünstig als Mildhybrid verwirklichen.
Leistungsverzweigender Hybrid (Mischhybride)
Mischhybride kombinieren den seriellen und den parallelen Hybridantrieb (oft
variabel) während der Fahrt entsprechend den Fahrzuständen. Je nach
Betriebsart und Fahrzustand kann entweder die Verbrennungskraftmaschine
mit dem Generator nur den elektrischen Energiespeicher (Hybridbatterie)
laden und den Elektromotor antreiben (serieller Hybridantrieb) oder
mechanisch mit den Antriebswellen gekoppelt sein (paralleler Hybridantrieb)
5. Existieren noch Unterkategorien zu deinem Motortyp? Wenn „ja“,
welche? Welche Besonderheiten/Vorteile haben diese
Unterkategorien?
Der Hybridantrieb wird verwendet, um einen geringeren Kraftstoffverbrauch
zu erzielen oder um Leistung oder Fahrkomfort zu steigern. Bei ihm ergänzen
sich die Leistungskennlinien eines Elektromotors mit seinem hohen
Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und eines Verbrennungsmotors,
dessen Stärken im oberen Drehzahlbereich liegen. Zusätzlich kann durch eine
Nutzbremse ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden. Bei Voll-
Hybriden, mit Einschränkung auch bei Mild-Hybriden, besonders ausgeprägt
bei Leistungsverzweigung und stufenlosem Getriebe können ungünstige
Motorbetriebspunkte weitgehend vermieden werden. Dieser Zusatznutzen ist
bei Verwendung eines Dieselmotors nur in geringerem Ausmaß möglich, da
der Dieselmotor ohnehin in den meisten Motorbetriebspunkten einen sehr
guten Wirkungsgrad aufweist. Weil sich aber das nötige
Beschleunigungsdrehmoment des Verbrennungsmotors durch die
Kombination mit dem Elektromotor verringert, kann beim Dieselmotor eine
erhebliche Verringerung der Stickoxid-Emission (NOx) erreicht werden, wenn
das Downsize-Potenzial nicht ausgenutzt wird. Der Diesel-Hybridantrieb hat
also neben dem Verbrauchsnutzen auch einen Emissionsnutzen vorzuweisen.
Ein systembedingter Nachteil des Vollhybridantriebes sind die notwendigen
größeren Energiespeicherkapazitäten, die durch höhere Eigengewichte den
Nutzen verringern. Das kann jedoch durch Einsparungsmöglichkeiten an
anderer Stelle (zum Beispiel vereinfachtes Getriebe, Entfallen der
Lichtmaschine und des Anlassers) teilweise kompensiert werden. Es ist
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allerdings auch zu erwarten, dass moderne Akkumulatoren wie zum Beispiel
Lithium-Polymer-Akkus oder auch Superkondensatoren beziehungsweise
Lithium-Ionen-Kondensatoren diesen Nachteil noch weiter verringern. Ein
weiterer Nachteil ist die aufwändige Produktion der Hauptkomponenten
Elektromotor und Akkumulator, die die Herstellungsbilanz belasten. Bisher
fehlt es an unabhängigen Untersuchungen zur Klärung der Frage, wie viel mehr
an Energie für die Herstellung von Hybridfahrzeugen aufgewendet werden
muss bzw. mit welcher Kraftstoffmenge man das im Vergleich zu einem
Standardfahrzeug verrechnen müsste. Derzeit hat der Mild-Hybrid bei
geringerem Aufwand ebenfalls ein gutes Einsparpotenzial. Diese Antriebsart
ist mit wenig Aufwand in vorhandene Fahrzeugkonzepte zu integrieren,
während für Voll-Hybride mehr Entwicklungsaufwand vonnöten ist. Der
einfachste Ansatz des Mild-Hybrid ist der Starter-Generator, der den Anlasser
und die Lichtmaschine in einem Elektromotor vereint und an den
Antriebsstrang angebunden ist.
Plug-in-Hybride: Eine Erweiterung der Hybrid-Technik stellen die Plug-in-
Hybride (PHEV) dar, die versuchen den Kraftstoffverbrauch weiter zu senken,
indem die Akkus nicht mehr ausschließlich durch den Verbrennungsmotor,
sondern zusätzlich auch am Stromnetz aufgeladen werden können. Bei diesem
Konzept wird gesteigerter Wert auf eine Vergrößerung der Akkukapazität
gelegt, um auch größere Strecken ohne lokale Emissionen zurücklegen zu
können. Bei ausreichender Kapazität (etwa 60 bis 80 Kilometer) können
Kurzstrecken so ausschließlich im Elektrobetrieb zurückgelegt werden,
während der Verbrennungsmotor lediglich als Generator zum Nachladen der
Batterien verwendet wird, um auch größere Strecken zu ermöglichen. Dieser
Technologie wird im Rahmen der Diskussion um die Elektromobilität eine
große Zukunft vorhergesagt, da über 80 % aller im Alltag gefahrenen Strecken
innerhalb dieser Batterien-Reichweite liegen.
6. Wie funktioniert die Energieumwandlung für deinen Motortyp?
Erstelle eine Energieumwandlungskette!
Batterie:
Energiemix aus Atom, Kohle und erneuerbaren Energiequellen -> Strom ->
Batterie, Verlustwärme 10% -> Elektromotor -> Verlustwärme 10%, Antrieb
90%
Verbrenner:
Chemische Energie(Kraftstoff) -> Mechanische Energie: 18-30% ->
Verlustwärme (Abgas, Strahlung, Kühlwasser): 70-82%
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7. Wie hoch ist die Verlustwärme des jeweiligen Motortyps bei der
Energieumwandlung?
Batterie:
Jeweils ca. 10% beim Laden und Entladen
Verbrenner:
Verlustwärme eines Ottomotors: 70-82%, jedoch wird ein Teil der
Verlustwärme zu Heizungszwecken benötigt somit kann man keine genaueren
Angaben machen.
8. Wie hoch ist die Reichweite deines Motortyps (nimm ein
Beispielauto)?
Komponenten für die Reichweite:
- Fahrweise
- Batteriekapazität
- Motor (Leistung) - Stromverbrauchende Fahrzeugausstattung - Gewicht - Temperatur! - Tankvolumen - Motor (durchschnittlicher Verbrauch)
Beispielauto:
Prius PHV: Laut Herstellerangaben erreicht er im reinen Elektroantrieb
100 km/h Höchstgeschwindigkeit und hat eine Reichweite von 20 km im
Gemischtbetrieb liegt die Höchstgeschwindigkeit bei 180 km/h und die
Reichweite bei über 1000 km.
9. Mache dir Gedanken über die Nachhaltigkeit deines Motortyps und
halte dies schriftlich fest!
Da Batterien und Akkus zunehmend aus Lithium bestehen, wird immer mehr
Lithium benötigt. Um als Batterie geeignet zu sein muss das Pulver einen
Reinheitsgrad von 99,95 Prozent aufweisen. Um Lithium zu gewinnen werden
in Salzseen vor allem in Chile, Bolivien und Argentinien, Verdunstungsbecken
angelegt. Dort setzen sich nach und nach die Salze ab. Diese Art der
Lithiumgewinnung zerstört das natürliche Gleichgewicht der umliegenden
Landschaft (Versalzung). Probleme bereiten sich überhaupt bei der
Verdunstung, da das weltweit größte Lithiumvorkommen in Bolivien durch
klimatische Bedingungen stark beeinträchtigt wird und Problemlösungen mit
Umweltzerstörung einhergehen.
Der Verbrennungsmotor ist, egal wie effizient er konstruiert wird, nie
besonders nachhaltig. Verbrennungsmotoren sind nicht sehr effizient da bei
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der Verbrennung von Benzin viel Energie verloren geht (Wärme) außerdem
werden in den meisten, vor allem die gebräuchlichen Motoren, Erdöl basierte
Treibstoffe verbrannt. Wie wir alle wissen wird Erdöl immer knapper. Auch
entstehen beim Verbrennen des Treibstoffes Klimaschädliche Gase wie
Kohlenmonoxid.
10. Wo könnte dein Motortyp sinnvoll zum Einsatz kommen? Betrachte
hierzu Ballungsgebiete und eventuell Klimazonen
Der Hybridantrieb eignet sich sowohl für die Stadt als auch für längere
Strecken, denn der Elektromotor ist aufgrund seiner geringen Lärmbelastung,
Luftverschmutzung und Geschwindigkeit bestens für den Einsatz Innerorts
geeignet. Mithilfe des zusätzlichen Verbrennermotors sind auch weite
Strecken möglich (vgl. PHV Prius >1000km Reichweite).
11. Wie könnte man die Umweltbelastung von deinem Motortyp
senken? Betrachte dabei deine gesamte Energieumwandlungskette.
Mache Verbesserungsvorschläge für die Automobilindustrie aber
auch der eigenen Fahrweise oder den Umstieg auf öffentliche
Verkehrsmittel.
Wenn der Strom ausschließlich von erneuerbaren Energien stammen würde,
wäre schon ein großer Schritt getan. Das wichtigste ist aber die Herstellung
der Autos und Kraftwerke so umweltschonend wie möglich zu machen.
Weitere Möglichkeiten:
KERS (Kinetische Energie Rückgewinnung)
- z.B. Bremsenergie kann gespeichert werden und später wieder
abgeben werden
Verlustwärme Nutzung
- Verlustwärme des Motors wird zu Heizzwecken genutzt
Sparsames Fahren
- Sitzheizung aus
- Karosserie Anbauteile weglassen (erhöhen Cw-Wert)
- Unnötiges Bremsen vermeiden
- Überflüssiges Gewicht vermindern
- Optimaler Reifendruck
- Start-Stopp Automatik
- Motorabstellen bei Bahnübergangen o. Ampeln
Down-sizing
- Verkleinerung des Motors(Hubraum)
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Seite 19
- Turbolader
- weniger Zylinder
12. Ab welcher Jahreslaufleistung (in km) scheint deine Motorvariante
sinnvoll zu sein?
Es kommt auf die Sichtweise an und auf die persönliche Einstellung zur
Mobilität. Wem der geringe Schadstoffausstoss wichtig ist, der liegt mit dem
Hybridantrieb richtig. Die reinen Elektrofahrzeuge können bezüglich Ökologie
derzeit noch nicht mithalten, so lange der Strom nicht aus umweltfreundlicher
Produktion stammt. Aber auch sonst lohnt sich ein Hybridfahrzeug, wenn
durch eine hohe Kilometerleistung pro Jahr die Amortisation über den
geringeren Treibstoffverbrauch erfolgt. Steigen die Treibstoffpreise, so
verkürzt die Dauer der Amortisation und der Einspareffekt wird auch weniger
gefahrenen Kilometern spürbar.
Vorteil Nachteil
Kombination von Elektromotor und
Verbrennungsmotor ermöglichen die
Nutzung der Vorteile beider Motoren
Hohe Anschaffungskosten
Geringer CO2-Ausstoß
Hohe Reichweite bei guter
Energieeffizienz
Energierückgewinnung z.B. beim
Bremsen
Geringere Betriebskosten
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7. Versuchslegende
Herausgeber: Technikinitiative NwT
Hochschule Furtwangen | Furtwangen University
Jakob-Kienzle-Str. 17
78054 Villingen-Schwenningen
http://technikinitiative-nwt.de/
Autor: M. König, M. Rau
Erstellt: Februar 2014
