Umwelt und Verkehr. Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Karl-Scharfenberg-Fakultät Salzgitter. Aufgabe CO 2 Emissionen

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1 Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel Karl-Scharfenberg-Fakultät Salzgitter Dipl.-Wirtsch.-Ing. Sven Strube Wintersemester 2007/ Web: Aufgabe CO 2 Emissionen a) Wieviel kg CO 2 entstehen bei der idealen Verbrennung von 1l Benzin? b) Ermitteln Sie den spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Pkw aus der Angabe der spezifischen CO 2 -Gesamtemission in Höhe von 130g/Pkm und unter der Annahme einer Auslastung des Pkw von 1,2 Personen/Pkw. c) Ermitteln Sie die CO 2 -Emission eines Fluges in die Dominikanische Republik ( km) und die eines PKW/Jahr. Berücksichtigen Sie dabei die Klimawirkung des Kohlendioxids am Emissionsort. Schadstoffe 3-71

2 Einfluss des Luftverhältnisses auf die Entstehung von NO, CO und HC Last und Drehzahl sind konstant Schadstoffe 3-72 Schadstoffemissionen und Verbrauch in Abhängigkeit von Versichtung und Zündzeitpunkt Schadstoffe 3-73

3 Einfluss der Abgasrückführungsrate auf die Emissionen Schadstoffe 3-74 Absenkung der Emission durch moderne Abgasreinigungsmaßnahmen Emissionen Emissionen in Prozent Rohemission Variable Ventilsteuerzeiten Abgasrückführung Sequentielle Einspritzung Katalysator , ,5 Lufteinblasung Spätzündung Rohrkrümmer, isoliertes Vorrohr NOX-Emis sionen HC-Emissionen CO-Em issionen CO-Emissionen HC-Emissionen NOX-Emissionen Schadstoffe 3-75

4 Abgaszusammensetzung vor und nach dem Katalysator Schadstoffe 3-76 Kaltstartverhalten des Katalysators Schadstoffe 3-77

5 Diesel-Partikel-Filter PSA ab 2000 heute für fast alle Fahrzeuge verfügbar CRT (Continuous Regeneration Trap, offener Filter) Ablagerung der Partikel am Metallfolien kontinuierliche Reaktion: HC + NO2 NO + CO2 + H2O Abgastemperatur C Wirkungsgrad ca. 50 % Nachrüstung möglich (keine Änderung an Motorsteuerung notwendig) Kosten ca Euro Wandstromfilter (geschlossenes System) Ablagerung der Partikel an der poröser Filterwand Anstieg des Abgasdrucks durch die Ablagerungen Anstieg des Verbrauchs Abbau der Partikel in Intervallen durch Abgastemperatur > 500 C Regeneration durch Additive (Cerin) (Peugeot Eolys ) Kraftstoffeinspritzung (bei Teillast nach mehreren 100 km nötig) Wirkungsgrad ca. 95 % Nachrüstung nicht möglich (umfangreiche Änderungen am Fahrzeug nötig) Kosten bei Neufahrzeugen ca Euro Schadstoffe 3-78 PKW Bestandsentwicklung nach Schadstoffklassen Schadstoffe 3-79

6 Entwicklung der Fahrleistung des Straßenverkehrs in Deutschland Schadstoffe 3-80 Stickoxidemissionen des Straßenverkehrs in Deutschland (NOx) Schadstoffe 3-81

7 Kohlenmonoxidemissionen des Straßenverkehrs in Deutschland (CO) Schadstoffe 3-82 Kohlenwasserstoffemissionen des Straßenverkehrs in Deutschland Schadstoffe 3-83

8 Dieselpartikelemissionen des Straßenverkehrs in Deutschland Schadstoffe 3-84 Kohlendioxidemissionen des Straßenverkehrs in Deutschland (CO2) Schadstoffe 3-85

9 Zahl der Tage mit Überschreitung von 120µg/m³ Ozon Schadstoffe 3-86 Konventionelle und alternative Kraftstoffe Konventionelle Kraftstoffe (aus Mineralöl) Benzin, Diesel, Kerosin Alternative Kraftstoffe (alternative zu Benzin und Diesel) Erdgas (H- und L-Gas - 93% bzw. 82% Methan) CNG - Compressed Natural Gas (ca. 200 bar) LNG - Liquified Natural Gas (2 bar bei -160 C) GTL - Gas to Liquid (Synfuel) Flüssiggas (Propan C 3 H 8 Butan C 4 H 10 - Gemisch) LPG Liquifide Petroleum Gas (Autogas - flüssig bei 5 bar) Wasserstoff LH2 (flüssig ca. 4bar und -250 C) CH2 (gasförmig bar) Alkohole (Methanol, Ethanol aus Biomasse, z.b. E85) Biodiesel aus Raps (Rapsölmethylesther RME) Synthetische Kraftstoffe aus Biomasse - BTL(z.B. Sunfluel) Kohle, Holz (Vergasung) Diesel-Wasser-Gemisch A55 Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-1

10 Energieumwandlungsketten von der Primärenergie bis zum Rad Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-2 Herstellung alternativer Kraftstoffe Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-3

11 Kohlenstoffanteil in Kraftstoffen Kraftstoff Kohlenstoffanteil in Gewichtsprozent Diesel 86 Benzin 86 Flüssiggas (LPG) C H Erdgas H bzw. L ca. 93% / 82 % Methan 76 (CNG oder LNG) Ethanol C 2 H 5 OH 52* Methanol CH 3 OH 38* Wasserstoff H2 0 * Biokraftstoffe Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-4 CO2 Emissionen im Vergleich Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-5

12 Rohstoffe von Biokraftstoffe Alkohole (Methanol, Ethanol) Otto Motor Zuckerrohr, Zuckerrüben Getreide Holz, Stroh Pflanzenöle Diesel Motor Rapsöl Palmöl Rapsölmethylesther (RME) Diesel Motor Rapsöl Palmöl Synthetische Kraftstoffe (BTL) z.b. Sunfuel Diesel Motor Biomasse (mgl. trocken) z.b. Holz, Schilf, Energiemais Biogas (Biomethan) Otto Motor Biomasse (auch feucht) z.b. Holz, Schilf, Energiemais Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-6 Besteuerung von Biokraftstoffe ab 01/2004 bis 08/2006 ab 8/2006 ab 01/2007 ab 01/2015 Beimischung von Biokraftstoffen (RME, Alkohol) steuerbegünstigt Reinkraftstoffe steuerbefreit 6 bis 12 Cent/Jahr Steuererhöhung für Pflanzenöl und RME 2012 Gesamtsteuer von 45 Cent/l RME bzw. Pflanzenöl bis 2015 weiterhin steuerfrei: - BTL - Bioethanol aus Hemicellulose - E85 4,4% Biokraftstoff Beimischung beim Diesel (Energiegehalt) 2,0% Biokraftstoff Beimischung beim Benzin (Energiegehalt) 8,0% Biokraftstoff Beimischung insgesamt (Energiegehalt) Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-7

13 Anteile von Biokraftstoffen am Gesamtkraftstoffverbrauch Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-8 Darstellung des Biomass to Liquid Prozess Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-9

14 Biomassen Management Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-10 Hydrothermale Karbonisierung Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-11

15 Vergleich von Biokraftstoffen Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-12 CO2 Vermeidung bestimmter Herstellungspfade von Biokraftstoffen Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-13

16 CO2 Reduktionspotential und Flächenbedarf für 6,25% Biokraftstoffanteil in der EU Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-14 Potential biogener Kraftstoffe in Deutschland Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-15

17 Potential biogener Kraftstoffe in Deutschland Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-16 Die Vision des Jules Verne Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-17

18 Optionen für die Wasserstoffherstellung Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-18a Wasserstofferzeugung aus Biomasse Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-18b

19 Energiedichte verschiedener Kraftstoffe Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-19a Raum- und Gewichtsbedarf verschiedener Energieträger Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-19b

20 Schema einer Brennstoffzelle Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-20 Schema einer Brennstoffzelle Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-21

21 Brennstoffzellentypen Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-22 Vergleich des Wirkungsgrade von Brennstoffzellen Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-23

22 Brennstoffzellenfahrzeuge von DaimlerChrysler Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-24 Brennstoffzellenfahrzeuge von in der Praxis Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-25

23 Batterie-Systeme in Vergleich Blei Nickel- Cadmium Nickel- Metall Hydrid Zink- Luft Lithium- Ionen Lithium- Polymer Energiedichte 35 Wh/kg 55 Wh/kg 80 Wh/kg 200 Wh/kg 140 Wh/kg 180 Wh/kg Betriebstemperatur -20 bis 70 C -20 bis 50 C -20 bis 50 C 0 bis 45 C -40 bis 60 C 0 bis 60 C Entwicklungsstand und Verfügbarkeit Am weitesten entwickelt und preiswertestes System Hoher Entwicklungsstand und preiswert etwas teuer als NiCa Flottentest bei der Deutsch Post Kleinzelle verfügbar, hohe Preise, Preise sinken stark Kleinzelle verfügbar hohe Preise, Preise sinken Besonderheiten Um bis zu 50 % abfallende Leistung, relativ kurze Lebensdauer Für Schnellladung besonders geeignet, lange Lebendauer, kann hohe Ströme liefern / Memoryeffekt Empfindlich gegen über Tiefenladungen, sehr stark abfallende Kapazität bei tiefen Temperaturen Aufladung nicht möglich, externe Regeneration der Anoden nötig, kostengünstig / Hörgeräte Explosionsgefährdet Brenngefahr nicht mit Wasser zu löschen Keine Beschränkung der Bauform, Folien möglich, sehr empfindlich bzgl. Temp. und Tiefentladung Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-26 Hybridantrieb 1899 wurde das erste Hybridauto (5PS Benzinmotor - Dynamo - Batterie - E-Motor) Erste Studien Anfang der 70er Jahre (Ölkriese) in den USA 1994 der Audi 80 duo als erstes Serienfahrzeug 1997 der Audi A4 Avant (Diesel-Hybrid mit Bleiakkus,66 kw TDI, 21 kw Elektromotor) Audi verkauft 90 Fahrzeuge ( DM) und stellt die Entwicklung ein Serienfertigung oder Vorbereitung der Serienfertigung von fast allen Herstellern Größere Stückzahlen haben Toyota und Honda verkauft Vorteile: Elektromotor hat hohen Wirkungsgrad Bremsenergie kann gespeichert werden Downsizing möglich beim beschleunigen arbeiten VM + EM zusammen In der Stadt emissionsfreies Fahren möglich Nachteile: Vorteile in Verbindung mit Benzinmotor größer schlechterer Wirkungsgrad zusätzliches Gewicht Preis für zusätzliche Technik Nur im Stadtverkehr wesentliche Verbrauchsreduzierung möglich Kein Verbrauchsvorteil bei hohen Geschwindigkeiten und konstanter Fahrt Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-27

24 Varianten des Hybridantriebs Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-28 Varianten des Hybridantriebs Alternative Kraftstoffe und Antriebe 4-29