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Gabriel
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  1. Arbeitsgruppe 3: Die Zukunft Der Energie Sommerakademie Salem 2008 Das Automobil Anton Spies

  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 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

  5. Heutige Antriebskonzepte

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

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

  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 Überströmungs- kanal • Benötigt nur eine Kurbelwellenumdrehung • Da keine Leertakte  höhere Hubraumleistung • Zeichnet sich durch einfache Bauart und Lageunabhängigkeit aus • Problem: Spülverluste und schlechteres Abgasverhalten Auslass- öffnung Einlass-öffnung 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

  10. 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

  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 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

  12. 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 lichkeit Wirtschaft-

  13. 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

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

  16. 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

  17. 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 1.300 l Biodiesel (1.150 kg) Glycerin Quelle: Forschungsbericht IDW Köln

  18. 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

  19. Bioethanolproduktion - Vergleich • 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.“ Quelle: Schmitz, 2005, S. 23

  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 12.000 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 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

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

  24. 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

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

  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. 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

  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. 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

  30. 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

  31. Alternative Antriebskonzepte

  32. 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

  33. 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

  34. Elektroantrieb – Aufbau Radnaben-motoren • 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 €) Generator Batterie-einheiten

  35. 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

  36. 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

  37. 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

  38. Problemfeld – Vergleich

  39. 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

  40. 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

  41. 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

  42. 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

  43. Wasserstoff – Speicherung • Niedrige Betriebstemperatur • Kompakte Bauweise • Hohe Reinheit des H2 • Mehrere tausend Wiederbefüllungen möglich • Geringe Speicherdichte und Reichweite • Lange Betankungsdauer • 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 Natriumborhydrid Borax NaBH4 + 2 H2O 4 H2 + NaBO2 Wasserstoff

  44. Wasserstoff - Speicherung

  45. Wasserstoff – Vergleich der Heizwerte

  46. Brennstoffzelle - Vergleich

  47. Brennstoffzelle – Funktion der PEMFC

  48. 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

  49. Zusammenfassung und Diskussion Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit!