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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
Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung Herzog
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
Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung Herzog
Primärenergie
� Rohöl� Erdgas� Kohle� Uran� Biomasse� Wasserenergie� Windenergie� Sonnenenergie� Geothermie
Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung Herzog
Sekundärenergie (Beispiele)
� Benzin� Diesel� Briketts� Biokraftstoffe� Strom� Wasserstoff� …
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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
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Weltweiter Verbrauch an Primärenergie
Jahr
Verb
rauc
h in
Milli
onen
Ton
nen
Ölä
quiv
alen
t
Quelle: bp
KohleErneuerbare EnergienWasserkraftKernenergieErdgasErdöl
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Struktur desPrimärenergieverbrauchs in Deutschland 2016
Quelle: BMWi
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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.
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Entwicklung der energiebedingten CO2-Emissionen in Deutschland
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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
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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.
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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
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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
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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
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Alkine
Alkine CnH2n-2 (Acetylene)Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifachbindung
CH C HEthin C2H2
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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
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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
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Alkohole
Alkohole, R-OHenthalten eine Hydroxylgruppe -OH
C
H
OHH
H
Methanol CH3OH
C
H
C OH
H
HHH
Ethanol C2H5OH
CO2-neutrale Kraftstoffe
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• 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
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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
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Quelle: ATZ 10/2018 Frontier Economics
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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
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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)
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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)
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Stöchiometrischer Luftbedarf
Stöchiometrischer Luftbedarf LSt = mLst / mB
mLst = Luftmasse, die zu vollständigen Verbrennung benötigt wird
mB = Brennstoffmasse
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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
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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
=
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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 −++⋅=
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Übungsaufgabe
Berechnen Sie den stöchiometrischen Luftbedarf von Methanol (CH3OH).
Molmasse C: 12 g/molMolmasse H: 1 g/molMolmasse O: 16 g/mol
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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.
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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
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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
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Gewicht verschiedener Arten der Energiespeicherung
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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
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Luftverhältnis λ
Luftverhältnis λ =
mL = angesaugte Luftmenge
mLst = Luftmasse, die zu einer stöchiometrischen Verbrennung notwendig wäre
mL
mLst
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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⋅=
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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⋅=
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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.
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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