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Kraftfahrzeugantriebe1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung

Dr.-Ing. Klaus Herzog

Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung Herzog

Inhalt der Vorlesungsreihe Kraftfahrzeugantriebe

� Weltenergieressourcen und Energieträger � Energiewandlung� Energiebedarf eines Kraftfahrzeugs� Hubkolbenmotoren� Getriebe und Wandler� Elektromotoren� Hybridantriebe� Brennstoffzellen


Energieformen

� Primärenergie:Natürlich vorkommende Energiequellen oder Energieformen

� Sekundärenergie oder Energieträger:Energie bzw. Energieträger, die erst durch einen mit Verlust behafteten Umwandlungsprozess aus der Primärenergie entstehen

� Endenergie:Energie, die nach weiteren Übertragungsverlusten vom Verbraucher nutzbar ist


Primärenergie

� Rohöl� Erdgas� Kohle� Uran� Biomasse� Wasserenergie� Windenergie� Sonnenenergie� Geothermie


Sekundärenergie (Beispiele)

� Benzin� Diesel� Briketts� Biokraftstoffe� Strom� Wasserstoff� …


Weltweiter Verbrauch an Primärenergie und nachgewiesene Ressourcen

Verbrauch 2016 in Millionen Tonnen Öläquivalent

Nachgewiesene Ressourcen 2016 in Millionen Tonnen Öläquivalent

Öl 4 418,2 240 700

Erdgas 3 204,1 494 200

Kohle 3 732,0 797 532

Kernenergie 592,1 25 200(bei Gewinnungskosten von

40$ je kg, Stand 2007)Wasserkraft 910,3 erneuerbar

Quellen: bp, BWI


Weltweiter Verbrauch an Primärenergie

Jahr

Verb

rauc

h in

Milli

onen

Ton

nen

Ölä

quiv

alen

t

Quelle: bp

KohleErneuerbare EnergienWasserkraftKernenergieErdgasErdöl


Struktur desPrimärenergieverbrauchs in Deutschland 2016

Quelle: BMWi


Anteil erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland

Quelle: Umweltbundesamt, AGEE-Stat (Icons von Freepik/flaticon.com und Sabathius/openclipart.org)Anmerkung: Der Endenergieverbrauch im Jahr 2017 betrug für Wärme 49,6%, für Strom 20,8% und für Verkehr (ohne Strom) 29,6%, Quelle: Agentur für erneuerbare Energien e.V.


Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland


Thermische Wirkungsgrade der Kraftstoffherstellung in %

Benzin Diesel Methanol Ethanol

Erdöl 90 90 - -

Erdgas - - 73 -

Kohle 43 40 54 -

Holz - - 45 18

Zuckerrohr - - - 32

Mais - - - 10

Primärenergie

Kraftstoff


Verbrennung und Kraftstoffe(Wiederholung aus der Vorlesung Kolbenmaschinen)

� Kraftstoffe für Otto- und Dieselmotoren werden überwiegend aus Destillation von Mineralöl gewonnen.

� Diese Kraftstoffe bestehen aus über 200 verschiedenen Kohlenwasserstoffverbindungen, deren einzelne Anteile wesentlich die Kraftstoffeigenschaften bestimmen.


Einteilung von einfachen Kohlenwasserstoffverbindungen

� Alkane (früher: Paraffine)– Normal-Paraffine– Iso-Paraffine

� Alkene (früher: Olefine)– Alkene (Monoolefine)– Alkadiene (Diolefine)

� Alkine (früher: Acetylene)� Zyklo-Alkane (früher Naphtene)� Aromaten� Sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen

– Alkohole, R-OH– Ether, R1-O-R2– Ketone, R1-CO-R2– Aldehyde, R-CHO


Alkane

Alkane CnH2n+2 (Paraffine)Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit nur Einfachbindungen

Normal-Paraffine (grade kettenförmig)

C

H

C H

H

HHH

Ethan C2H6

C

HC H

H

HHH C

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC

H

H

n-Heptan C7H16

Iso-Paraffine (verzweigt kettenförmig)

C

H

HH C HC

H

HCH3

CH32,2 Dimethylpropan (iso Pentan) C5H12


Alkene

Alkene (Olefine)Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen

Alkene CnH2n (Monoolefine, eine Doppelbindung)

C

H

C

H

HH

Ethen C2H4

Alkadiene CnH2n-2 (Diolefine, zwei Doppelbindungen)

C

H

H

C C

H

H

Propadien C3H4

C

HC H

H

HHC

H

C

H

HC

H

HC

H

HC

H

H

1-Hepten C7H14


Alkine

Alkine CnH2n-2 (Acetylene)Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifachbindung

CH C HEthin C2H2


Zykloalkane

Zykloalkane CnH2n (Naphtene)Ringförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Einfachbindungen

C

HC

H

Zyklopropan C3H6

CH

H

H

H C

H C

H

CHH

HH

C

C

C

H

HHH

HH

Zyklohexan C6H12


Aromaten

AromatenRingförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit DoppelbindungenGrundbaustein ist der Benzolring

C

CCH

C

C

C

H

H

H

H

H

Benzol

C

CCH

C

C

C

CH3

H

H

H

CH3

1,3-Dimethylbenzol


Alkohole

Alkohole, R-OHenthalten eine Hydroxylgruppe -OH

C

H

OHH

H

Methanol CH3OH

C

H

C OH

H

HHH

Ethanol C2H5OH

CO2-neutrale Kraftstoffe


• Synthetische Energieträger können aus regenerativer Energie, Wasser und CO2 z.B. aus der Luft hergestellt werden und bieten eine Alternative zu Biokraftstoffen.

• Erdgas lässt sich auf diese Weise künstlich herstellen (Power to Gas, z.B. Audi G-Tron-Fahrzeuge).

• Flüssige Kraftstoffe (Power to Liquid) in verschiedenen Formen von Oxymethylenether (OME) können als Otto-und Dieselkraftstoffe hergestellt werden.

• Dadurch dass das Kraftstoffmolekül keine direkten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufweist, und zusätzlich einen hohen Anteil an Sauerstoff enthält, kann OME rußfrei verbrennen.

• Für die Herstellung des Kraftstoffes wird ein vielfaches der im Kraftstoff enthaltenen Energie benötigt.

Theoretische Möglichkeiten für eine CO2-neutrale Mobilität


Quelle:ATZ 6/2017AP Landau

• Für beide Varianten der CO2-neutralen Mobilität reichen in Deutschland heute die regenerativen Energiequellen bei weitem nicht aus.

• Die Elektromobilität ist kritisch hinsichtlich der Energiespeicherung.• Die Herstellung synthetischer Kraftstoffe erfordert riesige Produktionsanlagen.

Umwandlungsverluste bei der Nutzung regenerativer Energie als Fahrzeugantrieb


Quelle: ATZ 10/2018 Frontier Economics


Zündverhalten von Kraftstoffen

� Zündwilligkeit– Dieselkraftstoffe müssen im Gegensatz zu Ottokraftstoffen eine

hohe Zündwilligkeit besitzen– Die Zündwilligkeit steht in enger Beziehung zur Zündverzugszeit

(Zeit zwischen Einspritzbeginn und Druckanstieg infolge Verbrennung)

– Das Maß für die Zündwilligkeit ist die Cetanzahl (CZ)

� Klopffestigkeit– Ottokraftstoffe sollen geringe Zündwilligkeit besitzen– Selbstzündende Gemischreste führen im Zylinder zu starken

Gasdruckschwingungen (Klopfen)– Das Maß für die Klopffestigkeit ist die Oktanzahl


Cetanzahl (CZ)

Zur Bestimmung der Cetanzahl wird das Zündverhalten eines Kraftstoffes in einem 1-Zylinder Prüfdieselmotor (z.B. BASF DIN 51773) untersucht. Das Zündverhalten wird mit einem Zweikomponenten-Ersatzbrennsoff bestehend aus α-Methyl-Naphtalin (CZ=0) und Cetan (CZ=100) verglichen. Die Cetanzahl ergibt sich entsprechend des Volumenanteils Cetan des Ersatzbrennstoffes.

C

HC H

H

HHH C

H

HC

H

H...

Cetan C16H34 (CZ=100)

CH

C

C

C

H

H

H

C

CCH

C

C

CH

H

CH3

α-Methylnaphthalin C11H10 (CZ=0)


Oktanzahl (OZ)

Zur Bestimmung der Oktanzahl wird das Klopfverhalten eines Kraftstoffes in einem 1-Zylinder Prüfmotor untersucht. Das Klopfverhalten wird mit einem Zweikomponenten-Ersatzbrennsoff bestehend aus n-Heptan (OZ=0) und Iso-Oktan (OZ=100) verglichen. Die Oktanzahl ergibt sich entsprechend des Volumenanteils von Iso-Oktan des Ersatzbrennstoffes.

C

HC H

H

HHH C

H

HC

H

HC

H

HC

H

HC

H

H

n-Heptan C7H16 (OZ=0)

C

H

C H

H

HC

H

HH C C

H

HCH3

CH3

CH3

Iso-Oktan C8H18 (OZ=100)


Stöchiometrischer Luftbedarf

Stöchiometrischer Luftbedarf LSt = mLst / mB

mLst = Luftmasse, die zu vollständigen Verbrennung benötigt wird

mB = Brennstoffmasse


Verbrennung eines hypothetischen Brennstoffs mit der Zusammensetzung CxHySqOz

2222zqyx SOqOH2y

COxO)2z

q4y

x(OSHC ++→−+++

mit den stöchiometrischen Koeffizienten

oMM

z,sMM

q,hMM

y,cMM

xO

B

S

B

H

B

C

B ====

MB, MC, MH, MS, MO Molmassen von Brennstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff c, h, s, o Massenanteile von Kohlenstoff, Wasser- stoff, Schwefel und Sauerstoff


Berechnung des stöchiometrischen Luftbedarfs

Massenanteil Sauerstoff in Luft 232,0m

m

L

OO,L

22

==ξ

B

st,O

B

O

O,LB

st,O

O,Lst n

n

M

M1m

m1L 22

2

2

2

⋅⋅ξ

=⋅ξ

=

BO M,M2

Molmassen von O2 bzw. vom Brennstoff

Bst,O n,n2

Anzahl der einzelnen Atome bzw. Moleküle (Stoffmengen)

mit 1nund2z

q4y

xn Bst,O2=−++= ergibt sich:

)2z

q4y

x(M

M1L

B

O

O,Lst

2

2

−++⋅⋅ξ

=


Stöchiometrischer Luftbedarf in Abhängigkeit der Massenanteile

−++⋅

ξ= os

M

Mh

M

M

41

cM

M1L

S

O

H

O

C

O

O,Lst

222

2

oder als Zahlenwertgleichung

( )os998,0h937,7c664,2232,01

Lst −++⋅=


Übungsaufgabe

Berechnen Sie den stöchiometrischen Luftbedarf von Methanol (CH3OH).

Molmasse C: 12 g/molMolmasse H: 1 g/molMolmasse O: 16 g/mol


Heizwert

Definition:

Der Heizwert ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers kommt. Der Heizwert wird auf die Masse des eingesetzten Brennstoffs bezogen.


Kraftstoffeigenschaften

Benzin Diesel Methanol Ethanol Pflanzen-öl

Flüssig-gas Methan Biogas Wasser-

stoff

Heizwert in kJ/kg 41500 43000 19700 26800 37100 45840 50000 17500 120000

LSt 14,7 14,5 6,46 9,0 12,7 15,5 17,2 6,1 34

Dichte in kg/m3 750 830 795 789 930 540 flüssig

2,06 gasf.

540 flüssig

2,06 gasf. 1,20 gasf.71 flüssig

0,09 gasf.

Dampf-druck in bar

0,45…0,90 0,37 0,21

Verdampf-ungswärme in kJ/kg

420 300 1119 904 353 510 450


Übungsaufgabe

Berechnen Sie Tankvolumen und –masse entsprechend eines Energiegehaltes von 50 l Benzin für Methanol, Ethanol, Flüssiggas und Wasserstoff.

Berechnen Sie die Masse eines Blei- und eines Lithium-Ionen-Akkumulators mit dem gleichen Energiegehalt.

Energiedichte Blei-Akkumulator: 30 Wh/kgEnergiedichte Lithium-Ionen-Akku: 130 Wh/kg


Gewicht verschiedener Arten der Energiespeicherung


Übungsaufgabe

Berechnen Sie für die in der vorherigen Aufgabe bestimmten Kraftstoffmassen die Mengen an CO2, die bei einer vollständigen Verbrennung entstehen. Verwenden Sie als Repräsentant für Benzin Isooktan (C8H18) und für Flüssiggas Propan (C3H8).

CO2-Emissionen unterschiedlicher Kraftstoffe



Luftverhältnis λ

Luftverhältnis λ =

mL = angesaugte Luftmenge

mLst = Luftmasse, die zu einer stöchiometrischen Verbrennung notwendig wäre

mL

mLst


Gemischheizwert Ottomotoren

Gemischheizwert G

uBG V

HmH

⋅=

Hu = Heizwert VG = Gemischvolumen

)1L(m

)mm(1m

V stG

BBL

GG

GG +λ⋅

ρ=+

ρ=

ρ=

ρG = Dichte des Gemisches mG = Masse des Gemisches

1L

HH

st

GuG +⋅λ

ρ⋅=


Gemischheizwert Diesel- bzw. direkteinspritzende Ottomotoren

Gemischheizwert L

uBG V

HmH

⋅=

Hu = Heizwert VL = Luftvolumen

L

stBL

LmV

ρλ⋅⋅=

ρL = Dichte der Luft

st

LuG L

HH

⋅λρ⋅=


Übungsaufgabe

Berechnen Sie den Gemischheizwert für einen Otto-motor mit Saugrohreinspritzung sowie für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Gehen Sie von einer Luftdichte von 1,3 kg/m3 und einem Lambdawert von 0,92 aus.


Gemischheizwert verschiedener Kraftstoffe

Benzin Diesel Methanol Ethanol Pflanzen-öl

Flüssig-gas Methan Biogas Wasser-

stoff

Gemisch-Heizwert in kJ/m3

3750 3865 3438 3474 3504 3725 3223 3210 2973

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