Ziel der Facharbeit soll sein, abwägen zu können, ob und inwiefern Elektromotoren schon heute eine gute und brauchbare Alternative zu Verbrennungsmotoren darstellen und mögliche Probleme und Schwachstellen aufzuzeigen, die erstere mit sich bringen. Der Vergleich findet zunächst auf technischer Ebene statt, um danach ebenfalls einen Blick auf Effizienz, Kosten, Umweltbelastung und Nachhaltigkeit zu werfen.
In der heutigen Zeit rückt die Problematik sinkender Vorkommen fossiler Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas und Kohle immer weiter in den Vordergrund. Es müssen Alternativen zu diesen vergänglichen Energiequellen gesucht und erforscht werden.
Da die Mobilität der Welt zu einem Großteil von Kraftfahrzeugen abhängt und diese in der Gesellschaft nicht mehr wegzudenken sind, muss auch in diesem Sektor die Umwandlung von Energiequellen in mechanische Arbeit überdacht werden, weil für die Gewinnung der meisten Kraftstoffe Erdöl benötigt wird. Dieses wird jedoch aufgrund seines ständigen Abbaus und Verbrauchs voraussichtlich immer teurer und seltener werden und somit kann es passieren, dass einigen Menschen wegen der steigenden Kraftstoffkosten der Besitz eines eigenen Kraftfahrzeugs finanziell nicht mehr möglich ist.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Technik und Aufbau
2.1 Technik und Aufbau eines Verbrennungsmotors
2.2 Technik und Aufbau eines Elektromotors
2.2.1 Antriebsarten von Elektroautos und Range Extender
2.2.2 Das Batteriemanagementsystem (BMS)
2.2.3 Die Rekuperation/ Nutzbremsung
3. Ökologische und ökonomische Aspekte
3.1 Die Well-to-Wheel-Bilanz
3.1.1 Well-to-Wheel-Bilanz im Vergleich
3.2 Wirkungsgrade und Nutzwert
3.2.1 Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren
3.2.2 Wirkungsgrad von Elektromotoren
4. Fazit
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die technologischen, ökologischen und ökonomischen Unterschiede zwischen Verbrennungsmotoren und Elektromotoren als Antriebskonzepte für Fahrzeuge, um deren heutige Relevanz und Zukunftsfähigkeit gegeneinander abzuwägen.
- Technischer Vergleich der Funktionsweisen von Verbrennungs- und Elektromotoren
- Analyse der Well-to-Wheel-Bilanz zur Bewertung der tatsächlichen Umweltbelastung
- Betrachtung von Wirkungsgraden und Nutzwert im Fahrbetrieb
- Evaluation von Reichweitenproblematiken und Ladeinfrastrukturen
- Diskussion von Kostenfaktoren und technischem Entwicklungspotenzial
Auszug aus dem Buch
2.2 Technik und Aufbau eines Elektromotors
Zunächst soll an dieser Stelle das Prinzip eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors erläutert werden. Dieser nutzt letztendlich die Lorentzkraft als Rotationsimpuls. Der Motor ist wie folgt aufgebaut (vgl. Abbildung 2): Ein Leiterstück (meist eine Spule mit Eisenkern (Rotor)) liegt auf einer Achse gelagert in einem möglichst homogenen Magnetfeld (Stator). Die Achse des Rotors ist mit dem Kommutator verbunden, der über zwei Schleifstücke (meist Kohlestücke oder Schleifbürsten) mit der Stromquelle verbunden ist. Wenn man nun Strom durch den Rotor fließen lässt, wirkt aufgrund der orthogonalen Stellung des Rotors auf das Magnetfeld eine Lorentzkraft, die abermals orthogonal auf den Rotor wirkt und somit zu seiner Drehung führt.
Diese Form des Elektromotors kann aber zu Problemen führen, wenn der Rotor in Abbildung 2 waagerecht steht, da so keine Lorentzkraft entsteht, weil technische Stromrichtung und Magnetfeld parallel zueinander stehen. Wenn der Rotor nach Ausschalten des Motors zufällig waagerecht stehenbleiben sollte, kann der Motor aus eigener Kraft nicht mehr anlaufen. Um dies zu verhindern, werden bei Elektromotoren meist viele Spulen kreisförmig nebeneinandergesetzt, da so immer eine Lorentzkraft entstehen kann, weil mindestens eine Spule nicht waagerecht zum Magnetfeld steht. Der Kommutator ist mit den Leiterenden der Spulen verbunden und in so viele Teile aufgespalten und isoliert, wie Leiterenden vorhanden sind (am Beispiel von Abbildung 2: zwei Leiterenden, Kommutator in zwei leitende Stücke unterteilt, welche voneinander isoliert sind). Der Kommutator muss so ausgerichtet sein, dass immer die Spule, die orthogonal zum Magnetfeld steht, mit Strom durchflossen wird, um immer die volle Kraft zur Drehung des Rotors zu erzeugen. Dies erklärt unter anderem auch die enorm hohen Drehmomente von Elektromotoren.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Problematik fossiler Brennstoffe und die Motivation für den Vergleich von Verbrennungs- und Elektromotoren.
2. Technik und Aufbau: Detaillierte Beschreibung der Funktionsweisen von Verbrennungsmotoren und Elektromotoren inklusive relevanter Systeme wie Batteriemanagement und Rekuperation.
3. Ökologische und ökonomische Aspekte: Analyse der Umweltbilanzen sowie der Wirkungsgrade beider Antriebskonzepte im direkten Vergleich.
4. Fazit: Zusammenfassende Bewertung der Potenziale und Herausforderungen der Elektromobilität gegenüber dem etablierten Verbrennungsmotor.
Schlüsselwörter
Verbrennungsmotor, Elektromotor, Antriebskonzepte, Well-to-Wheel-Bilanz, Wirkungsgrad, CO2-Emissionen, Reichweite, Akkumulatoren, Batteriemanagementsystem, Rekuperation, Elektromobilität, Nachhaltigkeit, Energiewende, Drehmoment, Fahrzeugtechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundlegend?
Die Arbeit vergleicht Verbrennungs- und Elektromotoren als Antriebskonzepte für Fahrzeuge auf technischer, ökologischer und ökonomischer Ebene.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zu den Schwerpunkten gehören der technische Aufbau, die CO2-Bilanz über den Lebenszyklus (Well-to-Wheel), Wirkungsgrade im Betrieb und Herausforderungen wie Reichweite und Kosten.
Was ist das primäre Ziel dieser Untersuchung?
Das Ziel ist die Beurteilung, inwieweit der Elektromotor bereits heute eine praktikable Alternative zum Verbrennungsmotor darstellt.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es handelt sich um eine vergleichende Literaturarbeit, die technische Prinzipien und Emissionsdaten analysiert, um Schlussfolgerungen über die Zukunftsfähigkeit der Antriebsarten zu ziehen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine technische Beschreibung der Motoren, die Erläuterung unterstützender Systeme (BMS, Rekuperation) sowie eine tiefgehende Analyse der Umwelt- und Wirkungsgradbilanzen.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die wichtigsten Begriffe umfassen Elektromobilität, Well-to-Wheel-Bilanz, Wirkungsgrad, Akkumulatoren und CO2-Reduktion.
Wie wirkt sich die Rekuperation auf die Reichweite aus?
Durch die Rückgewinnung kinetischer Energie beim Bremsen kann der innerstädtische Energieverbrauch um bis zu 30 % gesenkt werden, was die Reichweite insbesondere im Kurzstreckenverkehr erhöht.
Warum ist die Well-to-Wheel-Bilanz für Elektroautos oft schlechter als erwartet?
Dies liegt primär an der energieintensiven und umweltbelastenden Herstellung der Akkumulatoren sowie am aktuellen Strommix, der weiterhin einen signifikanten Anteil aus fossilen Brennstoffen bezieht.
Wie unterscheiden sich Verbrennungs- und Elektromotoren bei der Drehmomententfaltung?
Während der Verbrennungsmotor erst bei höheren Drehzahlen sein maximales Drehmoment erreicht, stellt der Elektromotor bereits ab dem Stand ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung.
- Arbeit zitieren
- Jonas Brüggemann (Autor:in), 2015, Antriebskonzepte für Fahrzeuge. Ein Vergleich von Verbrennungs- und Elektromotor, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/318764
