ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME

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1 ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME Modul Elektromotor B Klassenstufe: 8 Schülerzahl: ca. 20 Stundenzahl: 7 Doppelstunden Autoren: Dieter Schaich, Gymnasium Plochingen; dieter-schaich@arcor.de Markus Röscheisen, Gymnasium Plochingen; m_roescheisen@hotmail.com

2 Verlaufsübersicht Zeit Unterrichtsthema Inhalte Material und Methode 1 DS Einführung Das Automobil der Zukunft Arbeitsblatt, Internetrecherche, Kurzvortrag 1 DS Elektromagnetismus Magnetfeld von Stabmagnet und Spule 2 DS Gleichstrommotor 1. Funktionsprinzip 2. Bau eines Elektromotors (Bausatz) 1 DS Generator 1. Elektromotor als Generator betrieben 2. Rückgewinnung elektrischer Energie (Rekuperation) Schülerversuche Schülerversuche Praktikum Schülerversuche Recherche (Infoblatt) Unterrichtsgespräch 2 DS Überlegungen zum batteriegetriebenen Elektroauto Kosten und CO 2 -Ausstoß im Vergleich Batterieproblematik und Ladeinfrastruktur Abschlussgespräch Arbeitsblatt, Informationsblatt Gruppenarbeit mit abschließender Diskussion der Ergebnisse Bemerkungen: Materialien: Voraussetzung für die Unterrichtseinheit: Magnetismus, Magnetfeld und Grundlagen des elektrischen Stroms sind vorher schon im Physikunterricht behandelt worden. siehe Arbeitsblätter Seite 2

3 Unterrichtsthema: Einführung Das Automobil der Zukunft Aufgaben 1. Diskutiert in eurer Gruppe, welche Hauptprobleme beim Automobilbau in Zukunft gelöst werden müssen. 2. Sucht nach Lösungsansätzen für die Probleme aus 1.! Welche zum herkömmlichen Verbrennungsmotor alternativen Antriebssysteme gibt es bereits oder sind in der Entwicklung? Internetrecherche! 3. Vergleicht diese alternativen Antriebssysteme untereinander hinsichtlich Reichweite Anwendungsbereiche Bereitet zu den obigen Fragen einen Kurzvortrag vor. Haltet die Ergebnisse in einem geeigneten Heftaufschrieb fest. Seite 3

4 Unterrichtsthema: Elektromagnetismus Magnetfeld von Stabmagnet und Spule 1. Lehrerversuch: Material: 1 Stabmagnet, 1 Plexiglasplatte, Magnetnadel Frage: Was zeigen die Magnetnadeln an? Seite 4

5 Unterrichtsthema: Elektromagnetismus Magnetfeld von Stabmagnet und Spule 1. Schülerversuch: Stabmagnet Material: 1 Stabmagnet, 1 Plexiglasplatte, Eisenfeilspäne Aufgaben 1. Streut die Eisenfeilspäne auf die Plexiglasplatte. Was beobachtet ihr? Erklärt eure Beobachtung! Zeichnet das Feldlinienbild. Seite 5

6 Unterrichtsthema: Elektromagnetismus Magnetfeld von Stabmagnet und Spule 2. Schülerversuch: Magnetische Wirkung Material: 1 Eisenschraube (z. B. Länge: 70 mm; Durchmesser: 10 mm), ca. 1,40 m isolierter Kupferdraht (z. B. Durchmesser: 0,8 mm), 1 Magnetnadel drehbar gelagert, Eisenfeilspäne, 1 Plexiglasplatte 1 Netzgerät, Kabel, 2 Krokodilklemmen Aufgaben 1. Wickelt den isolierten Draht auf die Eisenschraube - Spule mit Eisenkern. Schließt die Spule an das Netzgerät an und überprüft ihre magnetische Wirkung. 2. Untersucht, wo die Spule ihren magnetischen N-Pol bzw. S-Pol hat. Was ändert sich, wenn ihr den Plus- und Minusanschluss an der Spule vertauscht? 3. Untersucht wie bei Versuch 1 das Feldlinienbild dieser Spule. Zeichnet auch hier das Feldlinienbild. 4. Vergleicht die beiden Magnetfelder. Fragen: Welche Vorteile bieten Elektromagnete gegenüber Stabmagneten? Welche Anwendungen von Elektromagneten kennt ihr? Seite 6

7 Unterrichtsthema: Gleichstrommotor Funktionsprinzip 1. Schülerversuch: Material: 1 Spule 1000 Windungen mit Eisenkern, 1 Magnetnadel drehbar gelagert, 1 Ein-Aus-Schalter, 1 Tastschalter, 1 Netzgerät, Kabel Die drehbar gelagerte Magnetnadel befindet sich vor dem Elektromagneten. Aufgaben 1. Mit dem Schalter kann der Elektromagnet ein- bzw. ausgeschaltet werden. Beschreibt die Beobachtung und erklärt sie. 2. Verwendet jetzt statt des Ein-Aus-Schalters den Tastschalter und versucht, eine fortlaufende Drehung der Magnetnadel zu erreichen. Beschreibt euer Vorgehen. Seite 7

8 Unterrichtsthema: Gleichstrommotor Funktionsprinzip 2. Schülerversuch: Material: 1 Spule 1000 Windungen mit Eisenkern, 1 Magnetnadel drehbar gelagert, 1 Tastschalter, 1 Netzgerät, Kabel 1 weiteres Netzgerät 1 Wechselschalter Mit dem Wechselschalter lässt sich jetzt die Stromrichtung in der Spule umkehren. Aufgaben 1. Versucht, eine fortlaufende Drehung der Magnetnadel zu erreichen. 2. Beschreibt euer Vorgehen und erklärt die Funktionsweise. 3. Inwiefern stellt dieser Versuch eine Verbesserung zu den Versuchen 1 und 2 dar? 4. Wie kann die Umpolung der Spule automatisch erreicht werden? Informiert euch dazu in eurem Physikbuch und bearbeitet dazu das Beiblatt. Seite 8

9 Unterrichtsthema: Gleichstrommotor Bau eines Elektromotors Praktikum: Material: NTL Motormodell P M Bausatz (Preis: ca. 25 ). Hinweise: Das Modell kann am Ende des Praktikums wieder zerlegt werden und später wieder verwendet werden. Alternative: Bausatz Eschke Elektromotor (Preis: ca. 4,00 ); Netzgerät Aufgaben 1. Bau des Modells und Betrieb. Ihr habt bei eurem Modell einen Doppel-T-Anker ( T aufgrund des Aussehens) verwendet. Dieser Anker ist aber für den täglichen Gebrauch ungeeignet. Warum? 2. Das Problem lässt sich durch Verwendung eines Ankers mit mehr als zwei T-Stücken vermeiden. Erklärt dieses Phänomen. Seite 9

10 Unterrichtsthema: Gleichstrommotor Beiblatt zum Funktionsprinzip des Elektromotors Aufgaben 1. Tragt jeweils die Pole an der Rotorspule ein. In welcher Position des Rotors muss der Spulenstrom umgepolt werden? Beobachtet dazu an eurem Modell die Wirkung des Kommutators. Hinweis: Schaut euch im Internet die Animation zur Umpolung der Rotorspule mit Hilfe des Kommutators an: Seite 10

11 Unterrichtsthema: Generator Elektromotor als Generator und Rückgewinnung elektrischer Energie Schülerversuch und Unterrichtsgespräch: Material: Hinweise: Bausatzmotor, Lämpchen (3,8V;0,07A), Faden, Kabel Jede Gruppe bearbeitet nach Fertigstellung ihres Motors diesen Versuch. Aufgaben 1. Ersetzt das Netzgerät aus Versuch 3 durch das Lämpchen. Versetzt den Rotor des Motors mit einem Faden in Drehung. Fragen: Was beobachtet ihr? Wozu kann man die Elektromaschine also auch benutzen? Kennt ihr eine solche Maschine aus dem Alltag? Inwiefern handelt es sich bei der im Versuch 3 gemachten Beobachtung um den zum Praktikum umgekehrten Vorgang? 2. Informiert euch an Hand des Infoblatts zum Thema Rekuperation. Fertigt einen Heftaufschrieb unter folgenden Gesichtspunkten an: Fragen: Was versteht man unter Rekuperation? Wann findet beim Elektroauto diese Rekuperation statt? Was wird durch die Rekuperation erreicht? Seite 11

12 Information Rekuperation Im ursprünglichen bzw. allgemeinen Sinn steht der Begriff Rekuperation für Rückgewinnung. Mit dem Erfolg der Hybridautos hat sich dieser Begriff auch in der Autowelt verfestigt und steht hier für die Rückgewinnung von Energie. Das Ziel ist es, augenblicklich überschüssige kinetische Energie eines fahrenden Autos nicht einfach ungenutzt zu lassen, sondern sie stattdessen in elektrische Energie umzuwandeln, damit sie gespeichert werden kann. Was sich zunächst ein wenig kompliziert anhören mag, ist in der Praxis ganz einfach zu verstehen: Immer dann wenn ein Fahrzeug abgebremst werden muss, geht bei Fahrzeugen mit konventioneller Bremsanlage sehr viel Energie dauerhaft verloren. Die Bewegungsenergie wird an den Bremsen in Wärme umgewandelt damit hat es sich. Bei der Rekuperation wird diese Energie in Strom umgewandelt und dann in einem Akku oder Kondensator gespeichert. Diese Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, um den Elektromotor anzutreiben. Das Bremsen ist bei der Rekuperation von zentraler Bedeutung: Hierbei kann die meiste Energie zurückgewonnen und gespeichert werden. Die Umwandlung der Bewegungsenergie kann dabei auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Im Grunde genommen sind so gut wie alle Hybridautos mit speziellen Bremsanlagen ausgestattet, die bei Betätigung elektrische Energie erzeugen und somit den Energiespeicher speisen. Bei einigen Fahrzeugen wird selbst der Elektromotor zur Rückgewinnung der Energie eingesetzt. In diesem Fall übernimmt er die Funktion einer Motorbremse: Die Reifen übertragen die Bewegungsenergie über den Antriebsstrang zum Elektromotor, der dann als Dynamo agiert und Strom erzeugt. Bisher wird von den Automobilkonzernen im Bereich der Rekuperation noch sehr intensiv geforscht. Die Systeme werden verfeinert, damit eine noch bessere Rückgewinnung der Energie erzeugt werden kann. Dieser kommt nämlich eine immens hohe Bedeutung zu: Die auf diese Weise gewonnene Energie kann den Kraftstoffverbrauch von Hybridfahrzeugen maßgeblich reduzieren. Bei Elektroautos trägt sie unmittelbar zu einer spürbaren Erhöhung der Reichweite bei und ist deshalb für die Autohersteller unverzichtbar. Quelle: Seite 12

13 Unterrichtsthema: Überlegungen zum batteriebetriebenen Elektroauto Vergleich von Energiebedarf, Kosten und CO ² -Ausstoß Aufgabe 1. Vergleich von Elektroautos mit konventionell angetriebenen Fahrzeugen bezüglich ihres Energiebedarfs: Diskutiert die Diagramme aus I des Infoblattes. Hierbei sind auch die Wirkungsgrade der verschiedenen Antriebsarten (Diagramm II) zu berücksichtigen! Welche Energie ist zum Vergleich der verschiedenartigen Antriebe letztlich entscheidend? 2. Vergleiche die Kosten pro gefahrenem km bei Autos mit herkömmlichem Verbrennungsmotor und beim Elektroauto. (siehe Tabelle II) (Preis pro Liter Benzin/Diesel durchschnittlich 1,40 /1,20. Preis pro kwh el. Energie durchschnittlich 0,20 ) 3. Macht euch die Zusammenhänge, die das Diagramm III des Infoblattes aufzeigt klar. Welche Bedeutung hat das CO 2 für die Umwelt? Vergleiche den CO 2 -Ausstoß bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit dem CO 2 -Ausstoß beim Elektromotor. Berechne dazu den CO 2 -Ausstoß pro gefahrenem km. (Tabelle II auf dem Infoblatt) 4. Weil das Aufladen von Batterien einen größeren Zeitbedarf erfordert, kommen als Tankstellen vor allem Garagen, Parkhäuser und Parkplätze in Frage. Meistens wird man sein Elektroauto über Nacht in der heimischen Garage tanken (Hausanschluss mit 230 V und 16 A). Welche Ladezeit ist für die Batterien erforderlich, wenn man am nächsten Tag 100 km weit fahren möchte? 5. Benutze Diagramm IV und V des Infoblattes für folgende Aufgaben: Bestimme die ungefähre Masse der Batterie für einen smart for two electric drive. Betrachte die Kosten für die Batterie des smart for two electric drive. Seite 13

14 Unterrichtsthema: Überlegungen zum batteriebetriebenen Elektroauto Vergleich von Energiebedarf, Kosten und CO ² -Ausstoß Aufgabe 6. Ladeinfrastruktur und zusätzlicher Bedarf an elektrischer Energie Aus Spektrum der Wissenschaft 04/09: Von der Bundesregierung für 2020 angestrebte Zahl an Elektroautos: 1 Million Zu Grunde gelegte durchschnittliche jährliche Fahrleistung: km/jahr Derzeitige elektrische Energieerzeugung in Deutschland: 600 TWh/Jahr (1TWh (Terawattstunde) = 1 Milliarde kwh) Berechne den für die Elektroautos zusätzlichen Bedarf an elektrischer Energie. Wieviel Prozent der derzeitigen Erzeugung von el. Energie muss zusätzlich erzeugt werden? Schätze die Kosten für die Ladeinfrastruktur ab und vergleiche sie mit dem aus dem zusätzlichen Bedarf an elektrischer Energie entstehenden zusätzlichen Jahresumsatz. Seite 14

15 Unterrichtsthema: Überlegungen zum batteriebetriebenen Elektroauto Informationen zum Elektroauto I. Vergleich verschiedener Antriebe bezüglich Energiebedarf Die folgende Tabelle wurde einer Seite des Instituts für Kraftfahrwesen, Aachen entnommen und leicht abgewandelt(quelle Leifi): Seite 15

16 Unterrichtsthema: Überlegungen zum batteriebetriebenen Elektroauto Informationen zum Elektroauto II. Antrieb des Autos mit Verbrennungsmotor Elektromotor Wirkungsgrad 25% 75% Verbrauch (Durchschnitt) 6l/100km 20 kwh/100km CO 2 -Ausstoß Benzinmotor: 2,36 kg CO 2 /l Dieselmotor: 2,65 kg CO 2 /l Elektromotor: 520g/kWh 1 1 Angaben für Deutschland mit einem durchschnittlichen Energiemix (im europ. Durchschnitt ein schlechter Wert). Frankreich hat geringere Werte, wegen des hohen Anteils an Atomenergie. Seite 16

17 Unterrichtsthema: Überlegungen zum batteriebetriebenen Elektroauto Informationen zum Elektroauto III. Hinweise: NO X : Stickoxide (Entstehen bei jeder Verbrennung, gesundheits- und umweltschädlich) HC (oder CH): Kohlenwasserstoffe (Reste bei unvollständiger Verbrennung) PM: Partikelmasse (Im Ruß bei Verbrennung von Dieselkraftstoff) CO: Kohlenstoffmonoxid (Giftiger Bestandteil unvollständiger Verbrennungen) CO 2 : Kohlenstoffdioxid Seite 17