DAS AUTOMOBIL
Anton Spies 20.01.22
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 Benz
Mannheim
1886 Gottlieb Daimler
Bad-Canstatt/Stuttgart
Heutige Antriebskonzepte
Der Ottomotor – Aufbau
Zündkerze
Auslassventil
Einlassventil Verdichtungs-
Kolben raum
Pleuelstange Kurbelwelle
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- Kolben raum
Pleuelstange Kurbelwelle
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 Arbeit
Bei der Bewegung zum oberen Totpunkt wird das Frischgas verdichtet und entzündet
2. Takt: Ausspülen, vorverdichten, befüllen Die 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 CO
2-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 m
3belastete 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 O
2
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 SO
2und SO
3sind 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 Verbrennungsmotor
o
Biodiesel
o
Bioethanol
o
BTL („Biomasse-To-Liquids“)
o
Flüssiggas und Erdgas
o Elektroantrieb
o
Elektroantrieb
o
Brennstoffzelle
Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe
o
Hybridantrieb
Biodiesel
Verfügt über sehr gute Schmiereigenschaften aufgrund des hohen O
2-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 Schrot
130 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“
CO
2-Bilanz
Verursacht höhere Emissionen von Kohlenwasserst. und No
x
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 CO
2eqeingespart 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 CO
2und 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. m
3900.000 m
3Produktionskosten 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 CO
2eq/l 0,8 – 1,5 kg CO
2eq/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 Getriebe
Starter- 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-
motoren Generator
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 H
2-Atome
Universell einsetzbar: Als mobiler Energiespeicher, als Kraftstoff für Autos oder zur Strom- und Wärmeerzeugung
Jedoch ist H
2hoch 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 H
2infrage:
Die energieintensive Elektrolyse
Erdgasdampfreformation – von den weltweit 700 Mrd.
m3 werden 98% aus Erdgas gewonnenWasserstoff – Bereitstellung
Die Speicherung des H
2stellt heutzutage die größte Herausforderung dar
1 kg H
2entspricht etwa 3 kg Benzin
1 Liter LH
2entspricht 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 LH
2auf -253 °C zu halten
Ein Teil des LH
2verdampft 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
NaBH
4+ 2 H
2O 4 H
2+ NaBO
2 Niedrige Betriebstemperatur
Kompakte Bauweise
Hohe Reinheit des H
2
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)
Alkalicarbona
tschmelzen 620 – 660°C 65% Erdgas,
Kohlegas, Biogas, H2 Oxidkeramische
Brennstoffz.(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
