Energetisch-wirtschaftlich-ökologischer Vergleich verschiedener Antriebsenergieformen im Kfz-Bereich

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Zur Notwendigkeit alternativer Primärenergiequellen
1.1 Derzeitiger Stand des globalen Energiebedarfs und -angebots
1.2 Auswirkungen auf Umwelt und Klima
1.3 Konsequenzen und zukünftiger Handlungsbedarf.
1.4 Ziel und Aufbau dieser Arbeit

2 Grundlagen und Begriffsdefinitionen
2.1 Grundlagen der erneuerbaren Energien
2.2 Grundlagen des Elektroantriebes
2.2.1 Grundprinzip des Gleichstrommotors
2.2.2 Möglichkeiten der Stromversorgung im KFZ
2.3 Grundlagen des Wasserstoffantriebes
2.3.1 Eigenschaften, Herstellung und Einsatzmöglichkeiten des Wasserstoffes
2.3.2 Funktionsweise der Brennstoffzelle
2.4 Grundlagen der Biokraftstoffe
2.4.1 Bioethanol
2.4.2 Biodiesel
2.4.3 Biogas

3 Vergleich der ausgewählten Antriebskonzepte
3.1 Elektroantrieb.
3.1.1 Energetische Betrachtung
3.1.2 Wirtschaftliche Betrachtung
3.1.3 Ökologische Betrachtung
3.2 Wasserstoffantrieb
3.2.1 Energetische Betrachtung
3.2.2 Wirtschaftliche Betrachtung
3.2.3 Ökologische Betrachtung
3.3 Biokraftstoffe
3.3.1 Energetische Betrachtung
3.3.2 Wirtschaftliche Betrachtung
3.3.3 Ökologische Betrachtung

4 Zusammenfassung & Zukunftsausblick

Literaturverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Herstellungsmengen von Wasserstoff

Tabelle 2: Übersicht wiederaufladbarer Batterien

Tabelle 3: Energieinhalt von Kraftstoffen

Tabelle 4: Wirkungsgrade verschiedener Brennstoffzellen-Typen

Tabelle 5: Kosten der Wasserstoffherstellung

Tabelle 6: Relative Kosten verschiedener Brennstoffzellen-Typen

Tabelle 7: Reichweite mit dem Ertrag von einem Hektar Energiepflanzen / PV-Freiflächenanlage

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Vergleich Energiebedarf der Industrie- und Entwicklungsländer

Abbildung 2: Deckung des globalen Gesamtenergiebedarfs (2004)

Abbildung 3: Quellen und Möglichkeiten zur Nutzung regenerativer Energien

Abbildung 4: Prinzipieller Aufbau des Gleichstrommotors und Funktionsweise des Kommutators.

Abbildung 5: Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff

Abbildung 6: Funktionsweise der Brennstoffzelle

Abbildung 7: Gegenüberstellung der temperaturabhängigen idealen Wirkungsgrade einer Brennstoffzelle und einer Verbrennungskraftmaschine.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Zur Notwendigkeit alternativer Primärenergiequellen

1.1 Derzeitiger Stand des globalen Energiebedarfs und -angebots

Unser derzeitiger Lebensstandard wäre ohne einen entsprechend hohen (Primär-)Energieeinsatz undenkbar. Kaum ein Bereich des täglichen Lebens, sei es Industrie, Logistik, Mobilität oder die Versorgung der Haushalte mit elektrischem Strom, Wärme und Informationen, bleibt von dieser Tatsache unberührt.

Die Weltbevölkerung besteht zur Zeit aus ca. 6,5 Mrd. Menschen und nimmt weiterhin mit steigender Geschwindigkeit zu. Bereits im Jahr 2050 könnte die Weltbevölkerung die Marke von 9 Milliarden überschreiten.^[1] Jeder Mensch benötigt aus den unterschiedlichsten Gründen Nutz-Energie und trägt somit zum globalen Gesamtprimärenergiebedarf bei. Das Verhältnis Primärenergie zu End-Energie zu Nutzenergie beträgt weltweit ca. 3:2:1^[2]. Dies bedeutet, dass jede vom Verbraucher benötigte Einheit Nutzenergie einen dreimal so hohen Primärenergiebedarf nach sich zieht. Der daraus resultierende weltweite Primärenergiebedarf beträgt näherungsweise 1,25 x 1014 Kilowattstunden pro Jahr, was 15 Milliarden Tonnen Steinkohleeinheiten (SKE) entspricht. Der Energiebedarf der westlichen Industrieländer übersteigt dabei den der Entwick­lungsländer bei weitem, obwohl sie nur einen eher geringen Anteil an der Gesamtbevölkerung stellen.^[3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Vergleich Energiebedarf der Industrie- und Entwicklungsländer^[4]

Die Deckung des Energiebedarfs erfolgt heute in den westlichen Industriestaa­ten zu über 80% durch den Einsatz fossiler Energiequellen. Die genaue Zusammensetzung des Energiemix eines Landes ist jeweils in hohem Maße von dessen industriellem Entwicklungstand, Wohlstand, Energiepolitik und Ressourcenvorkommen abhängig.^[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Deckung des globalen Gesamtenergiebedarfs (2004)^[6]

Das Thema der zeitlichen Verfügbarkeit dieser fossilen Energieressourcen wird in der Öffentlichkeit kontrovers diskutiert und es existiert bezüglich des genauen Zeithorizonts kein einheitliches Zahlenmaterial. Als sicher gilt jedoch, dass sich die Menge der natürlichen Energieträger stetig verringert und eine weitere Nutzung irgendwann entweder unmöglich oder unrentabel werden könnte.

1.2 Auswirkungen auf Umwelt und Klima

Das herrschende Klima wird maßgeblich von einem Gasgemisch mitbestimmt, welches die Erde umgibt - der Atmosphäre. Der natürliche Treibhauseffekt, durch welchen die durchschnittliche Temperatur bei +15°C statt bei -18°C liegt, wird zu ca. 60% von dem in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf und zu ca. 40% von Treibhausgasen, wie beispielsweise Kohlendioxid oder Methan, verursacht.^[7]

Bei der Verbrennung, also der Oxidation fossiler Energieträger, entstehen Verbrennungsprodukte bzw. Schadstoffe. Diese können je nach den vorherr­schenden Reaktionsbedingungen neben Ruß auch die Gase Schwefeloxide, Stickstoffoxide und Kohlenmonoxid bzw. -dioxid sein.

Vor allem das klimawirksame Kohlendioxid soll an dieser Stelle allgemein am Beispiel der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen hervorgeho­ben werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch die massive Nutzung fossiler Energieträger und der damit verbundenen, entsprechend hohen CO2-Emission wird Einfluss auf die Zusammensetzung der Atmosphäre genommen, was eine Verstärkung des natürlichen Treibhaus­effektes haben könnte. Die Frage, in welchem Maße dies Auswirkungen auf Umwelt und Klima haben wird, ist seitens der Forschung noch nicht vollständig beantwortet und soll daher auch in dieser Arbeit nicht weiter behandelt werden.

1.3 Konsequenzen und zukünftiger Handlungsbedarf

Der enorm gestiegene Primärenergiebedarf zwingt vor dem Hintergrund der begrenzten zeitlichen Verfügbarkeit fossiler Energieträger, der Eingriffe in Umwelt und Klima bei deren Nutzung und des wahrscheinlich sich weiterhin beschleunigenden Wachstums der Weltbevölkerung, zu einem Umdenken in Wirtschaft, (Energie-)Politik und Forschung. Es müssen in Zukunft zwangsläufig Entscheidungen getroffen werden, wie altbewährte Primärenergieträger durch andere ersetzt werden können, um den Energiebedarf der Nationen weiterhin ausreichend und kostengünstig decken. Neben poltischen Aspekten, wie beispielsweise der mittlerweile starken Abhängigkeiten ressourcenarmer von ressourcenreichen Staaten werden auch ethisch-moralische Aspekte der Energienutzung bei diesen Überlegungen eine Rolle spielen.

Diese Aufgabe kann nur durch die Miteinbeziehung aller Bereiche, die einen höheren Anteil am Gesamtenergiebedarf haben bewältigt werden - seien es Industrie, Haushalte oder der Straßenverkehr, welcher in dieser Arbeit behan­delt werden soll.

1.4 Ziel und Aufbau dieser Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, alternative Antriebsenergieformen und -konzepte im Kraftfahrzeug-Bereich vorzustellen, wobei der Schwerpunkt auf der Nutzung regenerativer Energiequellen bzw. der Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit der Energienutzung liegt.

Die Arbeit gliedert sich in 4 Kapitel. Nach der Einführung werden im zweiten Kapitel einige ausgewählte Antriebskonzepte erörtert, um die Grundlagen für das weitere Verständnis dieser Arbeit zu schaffen. Anschließend werden diese Konzepte im dritten Kapitel hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit, ihres energeti­schen Wertes und ihrer ökologischen Einflüsse untersucht. Die Arbeit schließt ab mit der zusammenfassenden, kritischen Würdigung und einem Ausblick in die Zukunft.

Erneuerbare bzw. regenerative Energien sind Energieressourcen, die sich kontinuierlich im Zeitraum einer menschlichen Generation aus nachhaltigen Quellen erneuern. Die Sonne kann dabei, neben den Gravitationskräften des Erd-Mondes und der im Inneren der Erde selbst gespeicherten Wärme, als Ursprung aller anderen nutzbaren, regenerativen Energiequellen betrachtet werden. So entstehen durch natürliche Vorgänge beispielsweise Wind, Biomas­se und der Niederschlag, welchen sich im Endeffekt die Wasserkraft zunutze macht. Über verschiedene technische Möglichkeiten kann die Energie der Sonne in jede von der Menschheit genutzte Energieform, wie Elektrizität, Wärme oder Brennstoff umgewandelt werden und das ohne Emissionen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ^[8]

Von Seiten der Kritiker wurde es lange Zeit infrage gestellt, ob regenerative Energiequellen überhaupt das Potenzial zur Deckung des gesamten menschli­chen Energiebedarfes haben. Dieses Argument kann durch die folgende, vereinfachte Betrachtung entkräftet werden. Die Erde erhält jährlich von der Sonne eine Energiemenge von 1,5 x 1018 Kilowattstunden. Auf der Erdober­fläche treffen, nachdem die Atmosphäre ca. 30 Prozent der Energiemenge absorbiert hat, immerhin noch 1,0 x 1018 Kilowattstunden ein. Zum Vergleich: der gesamte Primärenergiebedarf beträgt 1,25 x 1014 Kilowattstunden, was etwa 1 der von der Sonne gelieferten Energiemenge entspricht.^[9] Nicht betrachtet werden in diesem Beispiel die in der Praxis bestehenden und nicht zu vernachlässigenden Grenzen, wie niedrige Wirkungsgrade, welche bei der technischen Umwandlung der regenerativen Energien in nutzbare Sekundär­energie noch bestehen. Dennoch zeigt es eindrucksvoll ihr theoretisches Potenzial auf.

Auch die von der Bundesregierung beauftragte Enquete-Kommission kam 2002 zu einem ähnlichen Ergebnis: „Die regenerativen Energiequellen mit ihren direkten und indirekten Nutzungsmöglichkeiten sind aus technischer Sicht grundsätzlich in der Lage, alle heute und in Zukunft benötigten Sekundärener­gieträger beziehungsweise Nutzenergieformen bereitzustellen“.^[10]

2.2.1 Grundprinzip des Gleichstrommotors

Der Gleichstrommotor hat seit der Entwicklung der Drehstromasynchronmoto­ren erheblich an Marktanteilen eingebüßt, da er wesentlich wartungsintensiver ist. In Anwendungsbereichen, in denen nur Gleichstrom zur Verfügung steht, wie z.B. im Kraftfahrzeug, ist er jedoch nach wie vor konkurrenzlos^[11] , weshalb das dahinterliegende Grundprinzip an dieser Stelle vereinfacht vorgestellt wird. Aufgebaut ist der Gleichstrommotor aus dem feststehenden Stator, welcher als Permanentmagnet, bzw. über die Erregerwicklung, ein stationäres Magnetfeld erzeugt. Innerhalb des Stators befindet sich der drehbar gelagerte Rotor, welcher i.d.R. aus einem Eisenkern mit Spule besteht - der sogenannten Ankerwicklung. Der Ankerwicklung wird über Schleifkontakte, z.B. Kohlebürs­ten, Strom zugeführt, wodurch ein Magnetfeld entsteht, welches in Wechselwir­kung mit dem stationären Magnetfeld tritt und auf diese Weise das gewünschte Drehmoment erzeugt. Damit der Motor nicht stehenbleibt, sobald das Rotor­magnetfeld dem Statorfeld gleichgerichtet ist, erfolgt die Stromzuführung des Ankers über einen sogenannten Kommutator, wodurch die Flussrichtung des Ankerstromes und damit die Ausrichtung des Rotormagnetfeldes permanent während einer Umdrehung geändert wird.

Nach diesem Prinzip lassen sich Motoren bis zu einer Leistung von 10.000 kW herstellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Prinzipieller Aufbau des Gleichstrommotors und Funktionsweise des Kommutators^[12]

2.2.2 Möglichkeiten der Stromversorgung im KFZ

Die Ursachen dafür, dass sich der Elektromotor im Kfz-Bereich bis heute nicht durgesetzt hat, liegen u.a. in der Tatsache, dass die Möglichkeiten der mobilen Stromversorgung noch mit vielen Schwächen und Nachteilen gegenüber der konventionellen Verbrennungskraftmaschinen behaftet ist.

Die in Kraftfahrzeugen eingesetzten Akkumulatoren besitzen zur Zeit noch ein hohes Gewicht und Volumen. Ihre Kapazität ist sehr begrenzt und steht nach der Inanspruchnahme erst wieder nach einem langwierigen Aufladevorgang zur Verfügung - im Vergleich zum konventionellen Kraftfahrzeug für den Nutzer ein erheblicher Rückschritt.

Einen Kompromiss aus Elektro- und Verbrennungsmotor soll mit dem von Toyota entwickelten Hybrid-Antrieb geboten werden. Dieser stellt einen Versuch dar, die Vorteile beider Antriebe zu verschmelzen und dadurch die Effizienz des Fahrzeugs zu erhöhen. Dabei wird ein Teil der beim Bremsen freigesetzten Energie mittels eines Generators zurückgewonnen und über einen Akkumulator dem zusätzlich installierten Elektromotor zugeführt. Dieser übernimmt anschlie­ßend die Fortbewegung in Situationen, in denen er eine höhere Effizienz aufweist, wie beispielsweise im stockenden Stadtverkehr bei niedrigen Ge­schwindigkeiten, während der Verbrennungsmotor komplett abschalten kann. Eine wirkliche Alternative für die Energieversorgung des Elektromotors könnte im Hinblick auf den gewohnten Komfort und die Reichweite der Wasserstoff sein, dessen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten im folgenden Kapitel vorgestellt werden.

2.3.1 Eigenschaften, Herstellung und Einsatzmöglichkeiten des Wasserstoffes

Der atomare Wasserstoff H ist das erste, sowie das kleinste und leichteste Element des Periodensystems. Es ist außerdem das am häufigsten vorkom­mende Element - neueren Schätzungen zufolge bestehen 75 Prozent der Masse des Universums aus Wasserstoff, was ca. 90 Prozent aller Atome entspricht.^[13] Interessant für eine Nutzung machen das Element vor allem seine speziellen Eigenschaften. So ist Wasserstoff (H) ungiftig und nicht reizend, umweltneutral und nicht wassergefährdend und aufgrund seiner hohen Flüch­tigkeit im Freien nicht explosiv. Auch ist es im Gegensatz zu bestimmten anderen Energieträgern weder radioaktiv, noch hat es karzinogene Eigenschaf- ten.^[14]

Als Energieträger wird vor allem der molekulare, gasförmige Wasserstoff (H2) bevorzugt, da dieser relativ flexibel einsetzbar ist. Denkbar ist beispielsweise die direkte Verbrennung in Kolbenmotoren oder die Stromerzeugung mittels einer Brennstoffzelle. Molekularer Wasserstoff (H2 ) existiert jedoch nur sehr selten in der Natur, denn aufgrund seiner hohen Reaktivität liegt es fast immer in gebundener Form vor. Daher muss zunächst reiner Wasserstoff erzeugt werden, wozu sich als Ausgangstoff neben Wasser (H20) auch Kohlenwasser­stoff-Verbindungen, wie Kohle, Erdöl oder Methan ( CH4 ) eignen. Aus der Notwendigkeit der Umwandlung bestimmter Ausgangsstoffe zu Wasserstoff ergibt sich ein wesentlicher Unterschied zu fossilen Brennstoffen: Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger und kann als eine Form der Energiespeicherung betrachtet werden.^[15] Dies könnte vor allem bei einer ausgeprägteren Nutzung regenerativer Energiequellen an Bedeutung zunehmen, da diese in der Regel nicht ganztägig zur Verfügung stehen und daher sinnvoll zwischengespeichert werden müssten.

[...]

^[1] Vgl. Geitmann (2005), S. 16

^[2] Vgl. Heinloth (2003), S. 7

^[3] Vgl. Kaltschmitt / Streicher / Wiese (2006), S. 5 ähnlich auch in: Quaschning (2008), S. 26ff.

^[4] Quelle: Geitmann (2008), S. 24

^[5] Vgl. Quaschning (2008), S. 29

^[6] Quelle: Kaltschmitt / Streicher / Wiese, S. 6

^[7] Vgl. Eichlseder / Klell (2008), S. 6

^[8] Quelle: Quaschning (2008), S, 94 (modifiziert)

^[9] Vgl. Quasching (2008), S. 93

^[10] Vgl. http://dip21.bundestag.de/dip21/btd/14/094/1409400.pdf S. 43

^[11] Vgl. Merz (2001), S. 311

^[12] Quelle: Merz (2001), S. 313

^[13] Vgl. Rifkin (2002), zit. in. Puls (2006), S. 70

^[14] Vgl. Geitmann (2004), S. 53f.

^[15] Vgl. Puls (2006), S. 71