Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung Dr.-Ing. Klaus erzog
Inhalt der Vorlesungsreihe Kraftfahrzeugantriebe Weltenergieressourcen und Energieträger Energiewandlung Energiebedarf eines Kraftfahrzeugs ubkolbenmotoren Getriebe und Wandler Elektromotoren ybridantriebe Brennstoffzellen Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
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 erzog
Primärenergie Rohöl Erdgas Kohle Uran Biomasse Wasserenergie Windenergie Sonnenenergie Geothermie Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Sekundärenergie (Beispiele) Benzin Diesel Briketts Biokraftstoffe Strom Wasserstoff Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
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 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Weltweiter Verbrauch an Primärenergie Kohle Erneuerbare Energien Wasserkraft Kernenergie Erdgas Erdöl Verbrauch in Millionen Tonnen Öläquivalent Jahr Quelle: bp Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Struktur desprimärenergieverbrauchs in Deutschland 2016 Quelle: BMWi Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Anteil erneuerbarer Energien an der Energiebereitstellung in Deutschland Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Entwicklung der energiebedingten O 2 - Emissionen in Deutschland Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Thermische Wirkungsgrade der Kraftstoffherstellung in % Primärenergie Kraftstoff Benzin Diesel Methanol Ethanol Erdöl 90 90 - - Erdgas - - 73 - Kohle 43 40 54 - olz - - 45 18 Zuckerrohr - - - 32 Mais - - - 10 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
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. Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
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-O Ether, R1-O-R2 Ketone, R1-O-R2 Aldehyde, R-O Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Alkane Alkane n 2n+2 (Paraffine) Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit nur Einfachbindungen Normal-Paraffine (grade kettenförmig) Ethan 2 6 n-eptan 7 16 Iso-Paraffine (verzweigt kettenförmig) 3 3 2,2 Dimethylpropan (iso Pentan) 5 12 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Alkene Alkene (Olefine) Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen Alkene n 2n (Monoolefine, eine Doppelbindung) Ethen 2 4 1-epten 7 14 Alkadiene n 2n-2 (Diolefine, zwei Doppelbindungen) Propadien 3 4 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Alkine Alkine n 2n-2 (Acetylene) Kettenförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit einer Dreifachbindung Ethin 2 2 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Zykloalkane Zykloalkane n 2n (Naphtene) Ringförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Einfachbindungen Zyklopropan 3 6 Zyklohexan 6 12 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Aromaten Aromaten Ringförmig aufgebaute Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen Grundbaustein ist der Benzolring Benzol 3 3 1,3-Dimethylbenzol Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Alkohole Alkohole, R-O enthalten eine ydroxylgruppe -O O Methanol 3 O O Ethanol 2 5 O Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
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 etanzahl (Z) Klopffestigkeit Ottokraftstoffe sollen geringe Zündwilligkeit besitzen Selbstzündende Gemischreste führen im Zylinder zu starken Gasdruckschwingungen (Klopfen) Das Maß für die Klopffestigkeit ist die Oktanzahl Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
etanzahl (Z) Zur Bestimmung der etanzahl 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 (Z=0) und etan (Z=100) verglichen. Die etanzahl ergibt sich entsprechend des Volumenanteils etan des Ersatzbrennstoffes. etan 16 34 (Z=100)... α-methylnaphthalin 11 10 (Z=0) 3 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
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-eptan (OZ=0) und Iso-Oktan (OZ=100) verglichen. Die Oktanzahl ergibt sich entsprechend des Volumenanteils von Iso-Oktan des Ersatzbrennstoffes. Iso-Oktan 8 18 (OZ=100) n-eptan 7 16 (OZ=0) 3 3 3 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Stöchiometrischer Luftbedarf Stöchiometrischer Luftbedarf L St = m Lst / m B m Lst = Luftmasse, die zu vollständigen Verbrennung benötigt wird m B = Brennstoffmasse Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Verbrennung eines hypothetischen Brennstoffs mit der Zusammensetzung x y S q O z y z y xysqoz + (x + + q ) O2 x O2 + 2O + 4 2 2 q SO2 mit den stöchiometrischen Koeffizienten M M M M x = B c, y = B h, q = B s, z = B o M M MS MO M B, M, M, M S, M O Molmassen von Brennstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff c, h, s, o Massenanteile von Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Sauerstoff Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Berechnung des stöchiometrischen Luftbedarfs mo Massenanteil Sauerstoff in Luft ξ L,O = 2 = 0, 232 2 ml 1 mo,st 1 MO no,st Lst = 2 = 2 2 ξl,o mb ξl,o MB n 2 2 B M O2, M B no 2,st, nb Molmassen von O 2 bzw. vom Brennstoff Anzahl der einzelnen Atome bzw. Moleküle (Stoffmengen) y z mit no 2,st = x + + q und nb = 1 ergibt sich: 4 2 1 MO y z Lst = 2 (x + + q ) ξl,o MB 4 2 2 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Stöchiometrischer Luftbedarf in Abhängigkeit der Massenanteile L st = 1 MO M M 2 1 O c + 2 O h + 2 s ξ o L,O M 4 M MS 2 oder als Zahlenwertgleichung 1 L st = 2,664 c + 7,937 h + 0,998 s 0,232 ( o) Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Übungsaufgabe Berechnen Sie den stöchiometrischen Luftbedarf von Methanol ( 3 O). Molmasse : 12 g/mol Molmasse : 1 g/mol Molmasse O: 16 g/mol Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
eizwert Definition: Der eizwert ist die bei einer Verbrennung maximal nutzbare Wärmemenge, bei der es nicht zu einer Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers kommt. Der eizwert wird auf die Masse des eingesetzten Brennstoffs bezogen. Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Kraftstoffeigenschaften Benzin Diesel Methanol Ethanol Methan Biogas Pflanzenöl Flüssiggas Wasserstoff eizwert in kj/kg 41500 43000 19700 26800 37100 45840 50000 17500 120000 L St 14,7 14,5 6,46 9,0 12,7 15,5 17,2 6,1 34 Dichte in kg/m 3 750 830 795 789 930 540 flüssig 2,06 gasf. 540 flüssig 2,06 gasf. 1,20 gasf. 71 flüssig 0,09 gasf. Dampfdruck in bar Verdampfungswärme in kj/kg 0,45 0,90 0,37 0,21 420 300 1119 904 353 510 450 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
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: Energiedichte Lithium-Ionen-Akku: 30 Wh/kg 130 Wh/kg Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Gewicht verschiedener Arten der Energiespeicherung Gewicht eines Energiegehaltes entsprechend 50l Benzin 14410 14000 Gewicht in kg 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 38 79 58 34 13 3325 Benzin Methanol Ethanol Flüssiggas Wasserstoff Blei- Akkumulator Lithium- Ionen- Akkumulator Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Übungsaufgabe Berechnen Sie für die in der vorherigen Aufgabe bestimmten Kraftstoffmassen die Mengen an O 2, die bei einer vollständigen Verbrennung entstehen. Verwenden Sie als Repräsentant für Benzin Isooktan ( 8 18 ) und für Flüssiggas Propan ( 3 8 ). Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Luftverhältnis λ Luftverhältnis λ = m L m Lst m L = angesaugte Luftmenge m Lst = Luftmasse, die zu einer stöchiometrischen Verbrennung notwendig wäre Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Gemischheizwert Ottomotoren Gemischheizwert u = eizwert G V G = Gemischvolumen mb = V mg 1 m V (m m ) B G = = L + B = (Lst λ + 1) ρ ρ ρ G G ρ G = Dichte des Gemisches m G = Masse des Gemisches G u G G = u ρg λ L + 1 st Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Gemischheizwert Diesel- bzw. direkteinspritzende Ottomotoren Gemischheizwert u = eizwert V L = Luftvolumen G = mb V L u V L ρ L = m B L ρ L st λ = Dichte der Luft G u ρ = λ L L st Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Übungsaufgabe Berechnen Sie den Gemischheizwert für einen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung sowie für einen Ottomotor mit Direkteinspritzung. Gehen Sie von einer Luftdichte von 1,3 kg/m 3 und einem Lambdawert von 0,92 aus. Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog
Gemischheizwert verschiedener Kraftstoffe Benzin Diesel Methanol Ethanol Methan Biogas Pflanzenöl Flüssiggas Wasserstoff Gemisch- eizwert in 3750 3865 3438 3474 3504 3725 3223 3210 2973 kj/m 3 Kraftfahrzeugantriebe 1 Weltenergieressourcen, Energieträger und Energiewandlung erzog