Klimawerkstatt Projekt 2015/16

Transkript

1 Klimawerkstatt Projekt 2015/16 Gruppenmitglieder: Hüseyin Ügür, Esra Öteles, Jonathan Doerk, Muhammet-Selim Savastürk

2 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 2 von 17 Inhaltsverzeichnis 1 Motivation 3 2 Projektdefinition Wieso haben wir dieses Thema ausgewählt? Welches Ziel streben wir an? Wie wollen wir Vorgehen? 4 3 Projektplanung Wie funktioniert ein E-Auto? Argumente für ein Elektroauto Der Windgenerator Was ist ein Windgenerator? Wie funktioniert ein Windgenerator? Die Windenergie Was ist die Windenergie? Vor- und Nachteile der Windenergie Vorteile der Windenergie Nachteile der Windenergie Berechnung Eigenschaften der geplanten Generatoren Konkrete Umsetzung Wie viele Generatoren sind geplant? Unsere Vorstellung Verwendung im Stand Rückblick Teilnahme Quellen- und Literaturverzeichnis Anhang Klimawerkstatt - Teilnahmeerklärung 17

3 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 3 von 17 1 Motivation Wie nehmen an dem Projekt Klimawerkstatt teil, damit wir den Umweltschutz mit unserer Idee unterstützen können. Folglich haben wir uns überlegt, wie wir die Umwelt verbessern könnten und haben uns gegenseitig einige Vorschläge vorgestellt. Letztendlich sind wir auf die Idee gekommen, Windgeneratoren in Elektro-Autos einzubauen. Somit wird die erzeugte Windkraft ausgenutzt, in dem es sich in nutzbare Energie umwandelt. Zudem haben wir unser Idee Innovation Is The Future genannt. ist ein Wort lateinischer Herkunft und trägt die Bedeutung Windenergie. 2 Projektdefinition 2.1 Wieso haben wir dieses Thema ausgewählt? Einer unser Argumente für unser Projekt ist die Marktlücke. Die Nachfrage an Elektro-Autos steigt stets, dabei gibt es nicht genug Anbieter. Dies unterscheidet sich indem wir das Jahr 2012 und 2015 vergleichen. Im Jahr 2012 betrug die Bestandsentwicklung an Elektro-Autos und mittlerweile ist es im Jahr 2015 bei Außerdem reicht das Erdöl nur noch 40 Jahre lang (Quelle: Focus Online). Das bedeutet, dass der Markt immer mehr in die Richtung des Elektro-Autos geht. Deshalb ist auch unsere Idee eine wichtige und große Argumentation für Elektro-Autos. Die Verbesserung der Umwelt ist ebenso ein Grund warum wir unser Idee einsetzen wollen. Durch unsere Idee werden viele Autobesitzer zur Elektro-Autos wechseln. Zwar ist die Tendenz der Autoabgase sinkend aber es ist trotzdem eine sehr hohe Belastung für unser Klima. Zudem wird dann auch die offene Marktlücke gedeckt. Desweiteren ist Innovation heut zu tage nur zu unserem Vorteil, wie schon unser Projektname auch sagt Innovation Is The Future. Ein großer Bestandteil unseres Plans ist nicht nur die Marktlücke zu schließen, sondern unsere Vorstellungen betreffen auch die Arbeitswelt. Da in Deutschland 2,92 Mio. Menschen arbeitslos angemeldet sind, werden wir mit unserer Idee Arbeitsplätze verschaffen. Zwar können wir diese Anzahl von Arbeitslosen nicht beschäftigen aber können dafür junge Menschen motivieren in die Arbeitswelt zur steigen. 2.2 Welches Ziel streben wir an? Unter anderem sind unsere Ziele wie auch die Frage, wieso wir dieses Thema ausgewählt haben, recht identisch, welches die Verbesserung der Umwelt und Elektro-Autos zu unterstützen dient. Wir möchten unsere Idee durchsetzen und zeigen dass wir damit Erfolgreich werden. Erfolg ist für uns ein wichtiger Punkt weil wir dann damit auch Herstellern auf uns aufmerksam machen.

4 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 4 von Wie wollen wir Vorgehen? Vor mehreren Tagen haben wir eine sehr hilfreiche Antwort von einem betitelten Herren bekommen, welches unser Projekt einen großen Schritt nach vorne gebracht hat. Unsere Windgeneratoren sind die Hauptbestandteile unserer Idee. Deshalb werden die Windgeneratoren von einer sehr hohen Qualität sein und große lasten aushalten. Dementsprechend wollen wir mit den besten Generator Herstellern arbeiten und unsere Produkte von ihm kaufen und dies dann unseren Kunden weiterverkaufen. Zur genaueren Darstellung haben wir Zeichnungen (Anhang 3, 4) erstellt, welche wir zur Verdeutlichung unseres Projekts angehängt haben.

5 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 5 von 17 3 Projektplanung Beim geplanten Vorhaben handelt es sich um einen Windgenerator in einem Auto. Damit wollen wir zum Thema Klimaschutz einen wichtigen Teil beitragen. Unsere Idee ist, Windgeneratoren an E-Autos zu montieren, damit das Auto während der Fahrt seinen eigenen Treibstoff produzieren kann: Strom. Um diese Idee auszuarbeiten, müssen wir erst mal unser Wissen erweitern und herausfinden, ob dies überhaupt möglich ist. Dies wollen wir erreichen, indem wir eine Recherche über E-Autos und Windgeneratoren machen. Somit setzen wir uns mit den folgenden Fragen auseinander: 3.1 Wie funktioniert ein E-Auto? Elektroautos werden von effizienteren Energiequellen angetrieben und nicht durch Benzin oder Diesel. Dabei sind Elektroautos sehr sauber und vorteilhafter für die Umwelt, da sie kein CO 2 ausstoßen. Sie bekommen ihre Energie von wieder aufladbaren Batterien, die innerhalb des Autos angebracht sind. Diese Batterien werden im Auto oder Kofferraum untergebracht und betreiben den Motor, aber auch elektrische Komponenten, wie Scheibenwischer, Scheinwerfer und Ähnliches. Was ein Elektroauto von den herkömmlichen Autos ausmacht ist sein Motor. Ein herkömmliches Auto wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben und ein Elektroauto wird nur mit Strom über einen Elektromotor angetrieben. Diese 2 Motoren haben mehrere Unterschiede. Dies sehen sie unten an der Tabelle: Keine Abgase Abgase / Kohlendioxid erneuerbare Quellen fossile Brennstoffe ca. 350 km Reichweite Reichweite 500 km+ ca. 5-8 stunden Aufladen Minutenschnell getankt 2 Cent pro km min. 12 Cent pro km

6 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 6 von 17 Umwelteinfluss: Elektromotoren nutzen Ökostrom aus erneuerbaren Quellen oder aus Kohle- und Atomkraftwerken. Alles hängt davon ab, welchen Strom du selbst beziehst. Verbrennungsmotoren produzieren Kohlendioxid, welches für die Umwelt sehr schlecht ist. Treibstoff: Verbrennungsmotoren brauchen einen Treibstoff wie Benzin oder Diesel. Elektromotoren beziehen ihre Kraft durch wieder aufladbare Batterien. Kosten: Forschungen haben ergeben, dass Elektroautos ungefähr 2 Cent pro Kilometer kosten während bei herkömmlichen Autos Kosten von 12 Cent pro Kilometer entstehen. Aufladen oder Tanken: Ein Auto mit Verbrennungsmotor ist relativ schnell vollgetankt. Meist innerhalb von 5 Minuten. Ein Elektroauto hingegen braucht fünf bis acht Stunden, bis es voll aufgeladen ist. Die Dauer hängt von der Art der Batterie ab. Reichweite: Elektroautos haben eine Reichweite von ca. 350 km und Verbrennungsmotoren haben eine Reichweite von 500km.

7 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 7 von Argumente für ein Elektroauto Kein CO2-Ausstoß Treibstoff kostet weniger (Strom) Geringere Lautstärke Marktchancen des Elektroautos sind hoch 3.2 Der Windgenerator Was ist ein Windgenerator? Windgeneratoren, auch Kleinwindenergieanlage genannt, sind meistens industriell hergestellte Windkraftanlagen kleiner Leistung, um elektrische Energie zu gewinnen. Unter anderem werden Windgeneratoren für private Zwecke verwendet in entlegenen Gegenden und im Bereich der nachhaltigen Energiegewinnung Wie funktioniert ein Windgenerator? Ein Windgenerator funktioniert im Prinzip wie eine Lichtmaschine im Auto. Durch den Wind werden die Rotorblätter (Anhang 1, 2) angetrieben, dadurch entsteht eine Rotation. Durch die Rotation kann man mit Hilfe einer Magnetspule eine Induktion (elektrische Spannung) erzeugen. Die Wirkung der Drehung im Zusammenspiel mit einem Eisenkern mit Spule erzeugt ein Magnetfeld, welche in elektrische Energie umgewandelt wird. Durch die Drehung entsteht ein Magnetfeld, dessen Energie in Strom umgewandelt wird. 3.3 Die Windenergie Was ist die Windenergie? Die Windenergie ist eine Form von Sonnenenergie, weil Wind durch Wärme von der Sonne verursacht wird. Die Sonnenstrahlung erhitzt die Erdoberfläche nicht gleichmäßig. Die Luft oberhalb der Erdoberfläche erwärmt und kühlt sich in einem unterschiedlichen Tempo. Die heiße Luft steigt auf und bewegt sich zur kühleren Luft, um sie zu ersetzen. Diese Bewegung von Luft nennt man Wind. Sobald sich die Luft bewegt, entsteht Wind. Mit einer bestimmten Technologie kann man die kinetische Energie (Energie, die durch Masse in Bewegung erzeugt wird) des Windes einfangen und in eine andere Energieform wie Strom oder mechanische Energie umgewandelt werden, so nennt man diese Methode auch Windkraft.

8 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 8 von Vor- und Nachteile der Windenergie Vorteile der Windenergie Windkraftanlagen erzeugen kein klimaschädliches CO2 Wind wird es immer geben Wind ist kostenlos Wind gibt es weltweit Nachteile der Windenergie Wind wird nicht immer in derselben Stärke vorhanden sein andere Energiequellen für lückenlose Versorgung notwendig 3.4 Berechnung Somit fehlen uns nur noch einige Daten zu der Leistung von Rotoren. Im Bezug zu diesem Projekt haben wir uns mit einigen Fragen auseinandergesetzt und mehrere Firmen, sowohl als auch Studien kontaktiert. Da wir selbst dieses Wissen nicht besitzen und die Daten somit nicht herausfinden können, haben wir folgende Fragen gestellt. Wie viel Energie kann ein Windgenerator mit einem Durchmesser von 10 cm erzeugen? Ist es überhaupt möglich, ein Windgenerator mit einem Durchmesser von 10 cm zu produzieren? Von mehreren Ansprechpartnern hat uns nur eine Studie die fehlenden Antworten unserer Fragen geliefert. Dies ist der Dipl. - Ing. Christian Molter von der Universität Stuttgart Lehrstuhl für Windenergie. Die Leistung einer Windenergieanlage ist proportional zur Fläche des Rotors, d. h. mit doppeltem Rotordurchmesser erhalten Sie die vierfache Leistung. Die Leistung die dem Wind entnommen werden kann ist proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit, d. h. bei doppelt so viel Wind erhält man bereits die 8-fache Leistung.

9 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 9 von 17 Im Fall eines solch kleinen Rotors kommt noch dazu, dass der Wirkungsgrad deutlich abnimmt aufgrund so genannter Reynoldszahleffekte. Dies bedeutet, stark vereinfacht ausgedrückt, dass die Luftmoleküle sehr groß sind im Verhältnis zu den Rotorblättern. Somit sinkt die aerodynamische Güte. Der Dipl. Ing. Christian Molter hat für seine Vorlesung einen kleinen Rotor mit nur 30 cm Rotordurchmesser gebaut. Der Rotor ist ausgelegt für eine Windgeschwindigkeit von 2,5 m/s (angeblasen durch einen Ventilator). Laut seiner Simulationen erreicht der Rotor dabei eine Leistung von 0,1 W. In der Realität könnte das auch noch mal etwas weniger sein. Wenn wir nun die oben genannten Regeln anwenden, ergibt sich für einen 10 cm Rotor bei einer Windgeschwindigkeit von 2,5 m/s: 0,1 W*(0,1/0,3)² = 0,011 W Wollen wir diesen Rotor bei 10m/s (auch ungefähr die Auslegungsgeschwindigkeit einer großen Windenergieanlage) verwenden so hat er eine Leistung von 0,011 W*(10/2,5)³ = 0,711 W Bei 25 m/s (Abschaltgeschwindigkeit einer großen Windenergieanlage) sind es dann theoretisch sogar 11 W. Insgesamt kann der Diplom-Ingenieur nur dazu raten, den Rotor nicht zu klein zu machen. In der Realität kann man mit einem 10cm Rotor höchstens ganz kleine Batterien laden (Energyharvesting). Natürlich könnte man darüber nachdenken sehr viele kleine Rotoren auf einmal zu verwenden (z. B. an einer Gebäudefassade). Doch auch hier gilt aufgrund der oben genannten kleinen Reynoldszahl und da sich die vielen kleinen Rotoren gegenseitig negativ beeinflussen (Blattspitzenwirbel), dass wenige größere Rotoren deutliche Vorteile haben. Diese Daten haben wir gebraucht, um zu wissen, wie viel Energie ein Windgenerator in bestimmten Maßen erzeugt. Während der Fahrt erzeugt der Windgenerator durch den Wind mehr Energie, um eine längere Strecke zu fahren, weil der Akku eine bestimmte Kapazität beträgt. 3.5 Eigenschaften der geplanten Generatoren Nach unseren Wünschen sollten die Windgeneratoren längere Laufzeiten, doch auch sehr hohe Geschwindigkeiten aushalten, beispielsweise ungefähr 15 m/s, welche 56 km/h entspricht. Das Kriterium der Geschwindigkeit spielt eine wichtige Rolle, da die Elektroautos mittlerweile Geschwindigkeiten von 250 km/h erreichen können. Diesen Vorteil der Geschwindigkeit wollen wir ausnutzen, denn umso höher die Geschwindigkeit ist, desto schneller ist auch der Windstoß auf die Rotorblätter des Generators. Die Folge auf dieses Geschehen ist, dass sich die Rotorblätter schneller drehen und somit den Strom schneller produzieren können. Das Bedeutsamste dabei ist, dass unsere Generatoren solch starke Winde aushalten und sie für lange Zeit umwandeln können. Der Akku des Autos soll somit ohne jegliche Unterbrechungen aufgeladen werden.

10 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 10 von 17 Da die Windgeneratoren nicht besonders groß sind, bestehen sie dementsprechend aus geringer Masse, welches der Grund ist, dass das Auto nicht unter großem Gewicht steht. Es entsteht also keine Last auf das Auto. Wichtig für unser Projekt sind die Rotorblätter des Generators. Sie sollten aus Plexiglas sein, da die Eigenschaften dieses Kunststoffes viele Vorteile anbieten: Leicht Stabil Gut zu verarbeiten 3.6 Konkrete Umsetzung Wie viele Generatoren sind geplant? Dies hängt völlig von der angebotenen Räumlichkeit des jeweiligen Elektroautos aus. Den größten Platz bietet das Dach an, welcher auch der Hauptbestandteil ist. An zweiter Stelle ist die Front gedacht. Vor allem hinter dem Grill. Es hängt je nach der Größe des Platzangebots ab, welchen Durchmesser die Generatoren haben werden oder in welcher Menge sie angebracht werden Unsere Vorstellung Nach unseren Vorstellungen werden wir die Generatoren in die Karosserie einbauen. Die Generatoren werden an der Front, sowohl als auch auf dem Dach platziert. An der Front des Autos befindet sich ein Grill. Hinter diesem Grill werden mehrere Windgeneratoren platziert, um den Wind so gut wie möglich zu verarbeiten und den benötigten Strom zu erzeugen. Wir haben uns überlegt, Generatoren mit einem Durchmesser von ungefähr 15 cm zu verwenden. Dies kommt drauf an, wie viel Platz hinter dem Grill zur Verfügung steht. Je nach Möglichkeit werden wir auch auf dem Dach zwei waagrechte Öffnungen machen. Die eine Öffnung soll auf der vorderen Seite des Dachs sein, die andere hinten. Der einströmende Wind kann durch die hintere Öffnung herausströmen. Zwischen den zwei Öffnungen werden Windgeneratoren eingesetzt. Auf dem Dach werden spiralförmige Windgeneratoren angebracht, da die normalen Generatoren viel zu groß wären und die Attraktivität des Autos verringern würden auf Grund der Verdickung. Diese Windgeneratoren werden in horizontaler Form hintereinander eingelegt, so dass die Breite und nicht die Dicke des Daches eine wichtige Rolle spielt. Je nach dem Auto werden die Generatoren eine unterschiedliche Länge haben. Sobald das Auto fährt, wird die Luft in die Öffnungen eintreten und auf die Rotorblätter treffen. Sobald der erste Generator die erste Umdrehung hinterlegt hat, wird er den Wind an die hinteren Generatoren weiterleiten. Doch trotzdem sollten die Generatoren so eingelegt werden, dass sie sich nicht gegenseitig stören und einwandfrei funktionieren. Durch diesen Stoß drehen sich die spiralförmigen Rotorblätter um die eigene Achse.

11 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 11 von 17 Dafür sind am besten die Stellen, die nicht sichtbar sind und über viel Platz verfügen geeignet. Somit hat das Auto einen sportlichen und eleganten Eindruck auf den Verbraucher Verwendung im Stand Bis hier hin ist eine interessante Frage immer noch unbeantwortet: Bringt es auch was im Stand? Ein weiterer Vorteil ist, dass die Windgeneratoren auch im Stand einen Nutzen für das Elektro- Auto haben. Das Auto sollte auch den Wind aus natürlicher Herkunft verwenden, wenn die Verwendung des Fahrtwinds ebenso möglich ist. Zwar ist diese Windstärke kaum vergleichbar mit der Stärke des Winds während der Fahrt, aber dennoch reicht es aus, um Strom zu erzeugen. Dieser Vorteil sollte auch ausgenutzt werden, ohne jeglichen Aufwand. Dafür wird jedoch empfohlen, dass das Auto im Freien gelassen wird, statt in der Garage.

12 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 12 von Rückblick Mit dieser Dokumentation konnten wir vielen offenen Fragen die passende Antwort bieten und somit unserem Ziel näher kommen. Unsere Vorgehensweise bestand darin, Recherchen zu machen und unser angelerntes Wissen zusammenzufassen. Einige dieser Fragen konnten wir nur durch die Hilfe von hoch betitelten Leuten beantworten. Vor allem ist unsere Arbeit für die Leute interessant, die sich weniger mit diesen Themen beschäftigt haben. Diese geleistete Arbeit wiedergibt vor allem den Überblick über Windgeneratoren in Zusammenarbeit mit Elektroautos. Das ist uns wichtig, da wir jeden Tag unzählige Autos sehen, welche hohen Schaden an die Umwelt ausrichten. Dies wollen wir verringern. Um dem Projekt einen großen Beitrag machen zu können, haben wir uns mit den Fragen beschäftigt: Wodurch wird am meisten der Umwelt geschadet? Antwort: Vor allem durch Verkehrsmittel wie zum Beispiel Autos. Wie kann man diesen Schaden verringern? Antwort: Es gibt bereits Elektroautos, welche der Umwelt überhaupt nicht schaden. Nun wollen wir Windgeneratoren auf diese Autos montieren. Somit würden sich mehr Menschen für Elektroautos interessieren, da die Akkukapazität während der Fahrt aufgeladen wird. Die Antworten zu den jeweiligen Fragen haben wir aus unserem eigenen Wissen beantworten können. In dieser Dokumentation wollen wir zeigen, dass es möglich ist, mit wenig Aufwand einen großen Nutzen erzielen kann. Denn durch das Platzieren von einigen Windgeneratoren auf das Auto würde man Strom während der Fahrt produzieren, welchen man wiederum verwenden kann. Der Vorteil dieses Projekts ist, dass man dies nicht nur mit Autos machen kann, sondern ebenso mit Bussen und Zügen. Unser Fazit zu diesem Thema ist, dass wir etwas erreichen können. Doch wer viel will, muss ebenfalls viel Zeit und harte Arbeit investieren, um seinen Zielen nahe zu kommen. 3.8 Teilnahme Wir, haben uns entschieden bei Ihnen teilzunehmen, weil wir davon überzeugt sind, Ihren Wettbewerb zu gewinnen und außerdem die Welt zu verändern. Wir Menschen sind zu großem fähig, deswegen stehen uns keine Grenzen. Darüber hinaus wollen wir Sie und die Jury des Wettbewerbs von unserer Idee durch Präsentationen und Prototypen genauer aufklären.

13 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 13 von Quellen- und Literaturverzeichnis vom vom vom vom Wichtige Daten: Nachfrage an Studien vom vom vom vom x380.jpg vom Klasse-Skizze-Zeichnung.jpg vom wis+% %2529.jpg vom

14 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 14 von Anhang Anlage 1: Rotorblatt Anlage 2: Windgenerator

15 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 15 von 17 Anhang 3: Zeichnung 1

16 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 16 von 17 Anhang 4: Zeichnung cm

17 Seminarkurs 1 BK 2 W Seite 17 von Klimawerkstatt - Teilnahmeerklärung