ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME

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1 ALTERNATIVE ANTRIEBSSYSTEME Modul Elektromotor A Klassenstufe: 8 Schülerzahl: ca. 20 Stundenzahl: 6 Doppelstunden Autoren: Dieter Schaich, Gymnasium Plochingen; [email protected] Markus Röscheisen, Gymnasium Plochingen; [email protected]

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 1 DS Synchronmotor 1. Funktionsprinzip des Synchronmotors am Modell mit Permanentmagneten 2. Erzeugung des magnetischen Drehfelds mit Spulen 3. Elektronische Ansteuerung des Motormodells 1 DS Generator Elektromotor als Generator betrieben, Rückgewinnung elektrischer Energie (Rekuperation) Lehrerversuch, Schülerversuche Schülerversuche Schülerversuch, 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: Synchronmotor Modell eines Drehfeld-Elektromotors Grundplatte mit Permanentmagnet-Rotor Drehscheibe mit zwei Permanentmagneten Stator mit 6 Spulen Box mit Tastschaltern zur manuellen Ansteuerung der Spulen Box zur elektronischen Ansteuerung Seite 7

8 Unterrichtsthema: Synchronmotor Versuche Material: Bausatz Drehfeld-Elektromotor, Permanentmagnet, Lämpchen (3,8V; 70mA), Lämpchenfassung, Kabel 1. Schülerversuch: Funktion des Synchronmotors Rotor Aufgaben Drehscheibe 1. Untersucht die magnetische Polung der Permanentmagnete der Drehscheibe und des Rotors und zeichnet sie in die folgende Abbildung ein. 2. Befestigt die Drehscheibe mit den zwei Inbus-Schrauben an der Grundplatte mit Rotor. Dreht jetzt die Scheibe von Hand. Was beobachtet ihr? Erklärt die Beobachtung. Seite 8

9 Unterrichtsthema: Synchronmotor Versuche 2. Schülerversuch: Erzeugung des Drehfeldes mit Spulen Versuch: Ersetzt die Drehscheibe durch die Scheibe mit den Spulen. Sie bildet den Stator des Elektromotors. Versuchsziel: Durch Anschließen der Spulen an die Tasterbox soll der Rotor beim Drücken der Taster in eine Drehbewegung versetzt werden. Hinweise: Unbedingt zu beachten: Die Spulen sind für 4,5V ausgelegt, weshalb immer 2 Spulen in Reihe geschaltet werden müssen (Netzteil 9V). Vorüberlegungen: Beim Einschalten der Spulenströme geben die Leuchtdioden die magnetische Polung der Elektromagnete auf der Außenseite des Stators an: Grün = Südpol Rot = Nordpol 1. Die Elektromagnete sollen die gleiche magnetische Polung wie die Permanentmagnete des Versuchs 1 haben. Zeichnet die Pole ein: Seite 9

10 Unterrichtsthema: Synchronmotor Versuche 2. Schülerversuch: Erzeugung des Drehfeldes mit Spulen Vorüberlegungen: 2. Um den Rotor weiterzudrehen, müssen beim Betätigen eines Tasters jeweils gleichzeitig zwei Spulen eingeschaltet werden (diese Spulen müssen hintereinandergeschaltet werden!). Welche Spulenpaare sind zu bilden? Aufgaben 1. Schließt zunächst nur das erste Spulenpaar an die Anschlüsse L1 und N des Tasters 1 an und lasst die Schaltung vom Lehrer kontrollieren. Dabei ist darauf zu achten, dass die Spulen eine magnetische Polung gemäß Vorüberlegung 1 haben (beachtet dazu die Hinweise vom vorigen Blatt: Leuchtdiode grün = Südpol). Der Rotor muss jetzt beim Drücken des Tasters von den beiden Spulen angezogen werden. Zeichnet die Beschaltung der Spulen in die Abbildung ein: Seite 10

11 Unterrichtsthema: Synchronmotor Versuche 2. Schülerversuch: Erzeugung des Drehfeldes mit Spulen Aufgaben 2. Schließt jetzt das 2. und dann das 3. Spulenpaar entsprechend 1. an und betätigt jeweils die zugehörigen Taster. Vervollständigt den Schaltplan von Aufgabe Versetzt jetzt den Rotor durch Drücken der 3 Taster in eine Rotationsbewegung. 4. Vergleicht die Beobachtungen von Versuch 1 und Versuch 2. Überlegt euch, inwiefern es sich bei diesem Modell um einen Drehfeldmotor handelt. Seite 11

12 Unterrichtsthema: Synchronmotor Versuche 3. Schülerversuch: Elektronische Ansteuerung der Spulenpaare Versuchsziel: Die Ansteuerung der Spulenpaare soll automatisch erfolgen. Aufgabe 1. Schließt die Ansteuerbox gemäß der Anschlussskizze an das Motormodell an. Die Drehzahl könnt ihr mit dem Drehknopf regeln. Anschlussskizze: Hinweise: Bei mittlerer Stellung des Drehknopfs starten (ca. 1/3 aufgedreht); eventuell Rotor von Hand antreiben; zu größeren Drehzahlen hin langsam durch Drehen des Drehknopfes steigern (damit der Motor die Synchronisierung nicht verliert) Seite 12

13 Unterrichtsthema: Generator Elektromotor als Generator 1. Schülerversuch: Rückgewinnung elektrischer Energie Material: Versuch: Fragen: Bausatz Drehfeld-Elektromotor, Permanentmagnet, Lämpchen (3,8V; 70mA), Lämpchenfassung, Kabel Schließt an die Anschlüsse eines Spulenpaars ein Lämpchen (3,8V; 70mA) an. Wickelt um die Achse des Rotors eine Schnur und versetzt damit den Rotor in eine Drehbewegung. 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 4 gemachten Beobachtung um den zu Versuch 3 umgekehrten Vorgang? Aufgabe 1. Informiert euch an Hand des Infoblatts zum Thema Rekuperation. Fertigt einen Heftaufschrieb unter folgenden Gesichtspunkten an: Was versteht man unter Rekuperation? Wann findet beim Elektroauto diese Rekuperation statt? Was wird durch die Rekuperation erreicht? Bemerkung: (siehe Infoblatt) Seite 13

14 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 14

15 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 15

16 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 16

17 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 17

18 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 18

19 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 19