Das Automobil Sommerakademie Salem 2008 28.03.2017 Anton Spies Arbeitsgruppe 3: Die Zukunft Der Energie Sommerakademie Salem 2008 Das Automobil 28.03.2017 Anton Spies

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-raum Kolben Pleuelstange Kurbelwelle vier Zylinder Reihenmotor

Der Ottomotor – Aufbau Zündkerze Einer von vier Verbrennungsmotoren Auslassventil Einlassventil Verdichtungs-raum Kolben Pleuelstange Kurbelwelle 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 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 Vorverdichtungs- raum Einlass-öffnung Auslass- öffnung Überströmungs- kanal 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

Der Ottomotor – Einsatzbereiche Viertaktmotor Zweitaktmotor 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

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

Vor- und Nachteile des heutigen Konzepts Vorteile Nachteile 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 Wirtschaft- lichkeit

Umweltbelastung 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

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

Alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe Verbrennungsmotor Biodiesel Bioethanol BTL („Biomasse-To-Liquids“) Flüssiggas und Erdgas Elektroantrieb Brennstoffzelle 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

3000 kg Raps mit 1.300 l Rapsöl (1.100 kg) Biodieselproduktion 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 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

Bioethanol 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

Bioethanolproduktion - Vergleich 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 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.“

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

Hybridantrieb 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 – Aufbau Kraftstoff-tank Batterie-einheit Getriebe Verbrennungsmotor Elektromotor Generator 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 Getriebe Starter-batterie Verbrennungsmotor

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

Mikrohybrid 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

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

Vollhybrid 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 – Chevrolet Volt 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

Alternative Antriebskonzepte

Elektroantrieb 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 – Elektromotor 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 – Aufbau Batterie-einheiten Radnaben-motoren Generator 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 €)

Problemfeld – mobile Energiespeicher 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 – Entwicklungstendenzen 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 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

Wasserstoff – „Kohle der Zukunft?“ 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 – Bereitstellung 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 – Speicherung 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 Natriumborhydrid Wasserstoff Borax 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 - Vergleich 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% Direkt-Methanol-brennstoffzelle (DMFC) 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 Oxidkeramische Brennstoffz.(SOFC) Zirkonoxid 800 – 1000°C 60 – 65% Erdgas,Kohleg.,Biogas, H2

Brennstoffzelle – Funktion der PEMFC

Brennstoffzelle - Einsatz A-Klasse „NECAR“ wird seit knapp 10 getestet Im Realität kam hauptsächlich DMFC zum Einsatz Befindet sich immer noch im Teststadium Verkauf: unbekannt

Zusammenfassung und Diskussion Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!