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DAS AUTOMOBIL Anton Spies 05.03.2014 A RBEITSGRUPPE 3: D IE Z UKUNFT D ER E NERGIE S OMMERAKADEMIE S ALEM 2008.

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1 DAS AUTOMOBIL Anton Spies A RBEITSGRUPPE 3: D IE Z UKUNFT D ER E NERGIE S OMMERAKADEMIE S ALEM 2008

2 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

3 Die Entwicklungsgeschichte des Autos

4 Entwicklungsgeschichte des Autos Holzwagen der Römer Erfindung der Dampfmaschine Entwicklung des Dampfwagens um 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

5 Heutige Antriebskonzepte

6 Der Ottomotor – Aufbau Zündkerze Auslassventil Einlassventil Verdichtungs- raum Kolben Pleuelstange Kurbelwelle vier Zylinder Reihenmotor

7 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- raum Kolben Pleuelstange Kurbelwelle vier Zylinder Reihenmotor

8 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.

9 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

10 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 ViertaktmotorZweitaktmotor Der Ottomotor – Einsatzbereiche

11 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 % Direkteinspritzer Höhere Produktionskosten aufgrund der massiven Bauweise Physikalisch bedingte Drehzahlgrenze von etwa Umdrehungen je Minute Sparsam und zuverlässig Diesel-Boom, in manchen Ländern 75% der Neuzulassungen Höhere Rußpartikel-Emission

12 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 VorteileNachteile Vor- und Nachteile des heutigen Konzepts Wirtschaft-lichkeit

13 Bei einer durchschn. Lebensdauer von 10 J. werden (einschl. Produktion): Mehr als l Wasser, 112 l Motoröl und l Kraftstoff verbraucht 5 l Bremsflüssigkeit, 7 Ölfilter und 15 Zündkerzen benötigt Über Millionen m 3 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 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 2 und SO 3 sind für Mensch und Tier giftig, saurer Regen Umweltbelastung

14 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

15 o Verbrennungsmotor o Biodiesel o Bioethanol o BTL (Biomasse-To-Liquids) o Flüssiggas und Erdgas o Elektroantrieb o Brennstoffzelle Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe o Hybridantrieb

16 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

17 Biodieselproduktion 1 Hektar ( m 2 ) 3000 kg Raps mit l Rapsöl (1.100 kg) Ölmühle kg Schrot 130 kg Methanol Umesterung Glycerin 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

18 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 2eq eingespart werden Zusätzlich versucht man mit speziellen Enzymen aus Cellulose von Pflanzen- resten Cellulose-Ethanol herzustellen bessere Ausbeute u. Umweltbilanz Bioethanol

19 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 2 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. BrasilienDeutschland RohstoffeZuckerrohrGetreide, Zuckerrüben, Kartoffeln Produktionskapazitätca. 17 Mio. m m 3 Produktionskosten0,20 – 0,25 USD/l0,70 – 85 USD/l Nettoenergiegewinn18 MJ/l (4,5 kWh/l) 7 MJ/l (1,75 kWh/l) Treibhausgaseinsparung2 – 2,8 kg CO 2eq /l0,8 – 1,5 kg CO 2eq /l

20 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 kg BTL/ha Zudem besitzt BTL weniger Schadstoffe und lässt sich für versch. Motor- bedürfnisse synthetisieren bessere Verbrennung & mehr Leistung

21 BTL – (Biomass To Liquid)

22 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 CO 2 -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)

23 Flüssiggas und Erdgas - Speicherung Flüssiggas (LPG)Erdgas (CNG) Notradmuldentank

24 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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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

31 Alternative Antriebskonzepte

32 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

33 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

34 Smart EV lieferbar ab 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 ) Elektroantrieb – Aufbau Batterie- einheiten Radnaben- motoren Generator

35 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

36 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

37 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

38 Problemfeld – Vergleich

39 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 2 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?

40 Generell kommen zwei Techniken zur Gewinnung von H 2 infrage: Die energieintensive Elektrolyse Erdgasdampfreformation – von den weltweit 700 Mrd. m 3 werden 98% aus Erdgas gewonnen Wasserstoff – Bereitstellung

41 Die Speicherung des H 2 stellt heutzutage die größte Herausforderung dar 1 kg H 2 entspricht etwa 3 kg Benzin 1 Liter LH 2 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

42 Spezielle Kryotanks sind notwendig, um den LH 2 auf -253 °C zu halten Ein Teil des LH 2 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

43 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 H 2 O 4 H 2 + NaBO 2 Niedrige Betriebstemperatur Kompakte Bauweise Hohe Reinheit des H 2 Mehrere tausend Wiederbefüllungen möglich Geringe Speicherdichte und Reichweite Lange Betankungsdauer

44 Wasserstoff - Speicherung

45 Wasserstoff – Vergleich der Heizwerte kWh/kgMJ/kg Wasserstoff33118,7 Flüssiggas12,946,40 Benzin12,0443,31 Diesel11,8742,70 Erdgas Biodiesel10,4137,10 Bioethanol8,0032,30

46 BrennstoffzelleElektrolytArbeits- temperatur Elektrischer Wirkungsgrad Brenngas Alkalische Brennstoffzelle (AFC) Kalilauge20 – 90°C60 – 70%Wasserstoff Membranbrenn- stoffzelle (PEMFC) Protonleiten- de Membran 20 – 80°C50 – 70%Wasserstoff Direkt-Methanol- brennstoffzelle (DMFC) Protonleiten- de Membran 20 – 130°C20 – 30%Methanol Phosphorsäure- brennstoffzelle (PAFC) Phosphor- säure 180 – 220°CEtwa 55%Erdgas, Biogas, Wasserstoff Karbonatschmel- zenbrennstoffzelle (MCFC) Alkalicarbona tschmelzen 620 – 660°C65%Erdgas, Kohlegas, Biogas, H2 Oxidkeramische Brennstoffz.(SOFC) Zirkonoxid800 – 1000°C60 – 65%Erdgas,Kohleg., Biogas, H2 Brennstoffzelle - Vergleich

47 Brennstoffzelle – Funktion der PEMFC

48 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

49 Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit! Zusammenfassung und Diskussion


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