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Die Energieeffizienz verschiedener Antriebe

Willkommen im Versuchslabor eines renommierten Autoherstellers im Jahr 2011! Das Team forscht an der Entwicklung des optimalen Antriebs. Der von den Technikern programmierte Simulator bietet die Möglichkeit, verschiedene Antriebselemente miteinander zu kombinieren und die entsprechenden Auswirkungen auf Energieeffizienz und Schadstoffausstoß durchzuspielen.

Energieeffizienz-Simulation starten

Bei diesem Beispiel wird das Methanol direkt im Verbrennungsmotor eingesetzt. Die Folge ist ein relativ hoher Energieverbrauch pro Kilometer. Besonders wenn, wie in unserer Simulation, das Methanol aus Erdgas erzeugt wird, ergibt sich kein Vorteil zum Benzinmotor. Die Stickoxide-Emissionen sind außerdem sehr hoch.

Bedienung der Simulation

Detailaufnahme der Energieeffizienz-Simulation: Infografik

Die Systemkennwerte des Versuchs werden in Form eines Diagramms ausgegeben. Somit können der Energieverbrauch, der Kohlendioxid-Ausstoß und die Stickoxide-Emissionen unterschiedlicher Antriebsarten miteinander verglichen werden.

Kraftstoffen stehen im virtuellen Versuchslabor Benzin, Methanol und Wasserstoff zur Verfügung. Diese können mit verschiedenen Arten der Energiebereitstellung verknüpft werden. Man kann hierbei zwischen Direktverbrennung, Reformierung zu Wasserstoff mit Einsatz in der Brennstoffzelle oder dem direkten Einsatz des Kraftstoffes in der Brennstoffzelle wählen.

Doch erst wenn Kraftstoff und Energiebereitstellung mit den verschiedenen Antriebsarten verknüpft sind, gibt der Simulator ein Ergebnis aus. Man hat die Auswahl zwischen einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor oder einer Kombination aus beiden, dem Hybridmotor.

Nachdem die Komponenten eines Setups zusammengestellt worden sind, berechnet der Simulator die entsprechenden Systemkennwerte: Er zeigt den kumulativen Energieverbrauch, den Kohlendioxid- und den Stickoxide-Ausstoß der gewählten Kombination an. Der Simulator lässt nur Kombinationen zu, die dem Stand der Technik entsprechend sinnvoll oder möglich sind.

Über die i-Buttons auf dem Bedienungsfeld können Sie Zusatzinformationen zu den einzelnen Systemkomponenten abrufen.

Funktion eines Verbrennungsmotors

Detailaufnahme der Energieeffizienz-Simulation: Verbrennungsmotor

Die hier gezeigte Variante ist momentan am weitesten verbreitet. Benzin in der Direktverbrennung führt zu einem moderaten Energieverbrauch pro Kilometer. Allerdings sind die erzeugten Emissionen, besonders von Kohlenstoffdioxid, sehr hoch.

Es gibt zwei Typen von Verbrennungsmotoren: den Otto- und den Dieselmotor. In einem Brennraum, dem Zylinder, verbrennt der Kraftstoff explosionsartig. Die Druckwelle schiebt einen Kolben nach außen, die sogenannte Kurbelwelle wandelt die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um. So werden die Räder angetrieben.

Der Ottomotor durchläuft während eines kompletten Arbeitszyklus vier Takte. Während des ersten Taktes wird eine bestimmte Menge Kraftstoff und Luft in den Brennraum eingesaugt. Im zweiten Takt drückt der Kolben das Gemisch zusammen, es wird verdichtet. Jetzt wird der Kraftstoff mit der Zündkerze entzündet und verbrennt explosiv. In diesem dritten Takt leistet die Druckwelle die gewünschte Arbeit. Beim vierten und letzten Takt schiebt der Kolben die Abgase über das Auslassventil aus dem Zylinder heraus. Der nächste Arbeitszyklus kann beginnen.

Funktionsweise von Elektromotoren

Befindet sich ein elektrischer Leiter in einem Magnetfeld und fließt ein Strom durch ihn, so erfährt der Leiter durch elektromagnetische Induktion eine Kraft. Im Elektromotor eines Autos wird das Magnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt, in dessen Innerem sich eine drehbare Spule befindet.

Detailaufnahme der Energieeffizienz-Simulation: Elektromotor

Wandelt man - wie hier in diesem Beispiel - Methanol über einen Reformer zu Wasserstoff und betreibt dann einen Elektromotor, führt dies zu einem moderaten Energieverbrauch.

Durch eine rhythmische Umpolung dreht sich die Spule kontinuierlich in eine Richtung. Diese Drehbewegung treibt wiederum die Räder an. Lange Zeit fuhren Elektrofahrzeuge ausschließlich mit solchen Gleichstrommotoren. Nach und nach setzt sich aber eine andere Version des elektrischen Antriebs durch: der Drehstrommotor. In ihm muss die Gleichspannung der Batterie erst in eine Wechselspannung umgewandelt werden. Dafür erlaubt er hohe Drehzahlen und hat einen hohen Wirkungsgrad.

Für den Elektromotor muss die elektrische Energie in Batterien transportiert oder an Bord erzeugt werden. Zwar hat es seit der Erfindung der Batterien vor 200 Jahren große Fortschritte gegeben, die Speicherkapazität stagniert aber schon seit einiger Zeit. Trotz intensiver Forschung haben Elektroautos auch heute noch eine geringere Reichweite und längere "Tankzeiten" als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Der Hybridantrieb

Wegen der prinzipiellen Probleme des elektrischen Antriebs setzen die meisten Automobilhersteller heute auf einen stufenweisen Übergang. Sie kombinieren mit dem sogenannten Hybridantrieb die Vorteile von Elektro- und Verbrennungsmotor. Dabei gibt es im Prinzip zwei Varianten: Beim seriellen Hybridantrieb arbeitet der Verbrennungsmotor nur als Energielieferant für den Elektromotor. Er treibt einen Generator an, der den Elektromotor direkt oder über eine Batterie mit Strom versorgt. Der Vorteil dieses Konzepts ist, dass der Verbrennungsmotor mit einer optimalen Drehzahl läuft, bei der sein Wirkungsgrad besonders hoch ist.

Detailaufnahme der Energieeffizienz-Simulation:  Hybridantrieb

Benzin im Hybridmotor verbrannt hat einen sehr niedrigen Energieverbrauch. Beim seriellen Hybridantrieb, welcher dem Beispiel zugrunde liegt, läuft der Verbrennungsmotor konstant im optimalen Lastbereich. Die Emissionswerte liegen unter denen des reinen Benzin-Ottomotors.

Außerdem nutzt dieses Konzept die Pluspunkte des Verbrennungskraftstoffs: das schnelle Tanken und die große Reichweite. Andererseits geht in solch einem mehrstufigen Prozess bei jedem Umwandlungsschritt (Verbrennungsmotor, Generator, Batterie, Elektromotor) Energie verloren.

Die zweite Variante ist der parallele Hybridantrieb. Hier sind sowohl Elektro- als auch Verbrennungsmotor mit den Rädern verbunden; die Leistung der beiden Motoren addiert sich auf diese Weise. Je nach Anforderung arbeiten beide Motoren gleichzeitig oder einzeln. Der Verbrennungsmotor übernimmt die Arbeit in Situationen, in denen eine hohe Leistung gefordert ist, wie bei Autobahnfahrten. Der Elektromotor spielt seine Umweltfreundlichkeit im Stadtverkehr aus. Beide zusammen werden bei starken Beschleunigungen oder Steigungen genutzt.

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