Effizienzsteigerung beim Ersatz von konventionellen Treib- und Heizstoffen durch Erneuerbare Energien

Aufgabenstellung

Wenn es um die Frage geht, wie man zukünftig den Verkehr mit Hilfe Erneuerbarer Energien antreiben will, wurde bis vor kurzem vielfach als die naheliegendste Lösung der Umstieg von fossilen Treibstoffen auf pflanzliche Treibstoffe. Pflanzenöl, Biodiesel, BTL oder Biogas angesehen. Die bisherige Technik der Verbrennungsmotoren oder Flugzeugturbinen hätte dann beibehalten werden können.
Potentialabschätzungen zeigten allerdings, dass biogene Treibstoffe für den Weltverkehr nicht im Enferntesten ausreichen.

Ausführliche Begründung für die weitgehende Ablehnung der energetischen Nutzung von Biomasse

Hier nur in aller Kürze:

  • Biomasse muss für eine wachsende Bevölkerung die Nahrung liefern.
  • Lebende, d.h. grüne Pflanzen müssen im Kohlenstoffkreislauf die Aufgabe der Photosynthese erfüllen, nämlich den Anstieg des CO2 in der Atmosphäre zu stoppen
  • Bei Wegfall des Erdöls muss Biomasse den Ersatz für Baustoffe, synthetische Textilien und Kunststoffe bereitstellen. In Deutschland werden derzeit immerhin über 21 Prozent aller Erdölprodukte und #### % aller Kohleprodukte stofflich verwertet (Quelle: MWV-Jahresbericht 2008 Inlandabsatz nach Produkten, S. 52)

Aus alledem erkennt man, dass für energetische Nutzung keine Biomasse mehr zur Verfügung stehen wird. Für den Verkehr müssen deshalb andere Formen der Erneuerbaren Energien genutzt werden. Welche können das sein?

Der größte Anteil der Erneuerbaren Energien steht in Form von Elektrizität (Solarstrom, Windstrom, Wasserkraftstrom) zur Verfügung.
Die Umstellung von Verbrennungskraftmaschinen auf Elektromotoren bietet technisch gesehen bei den meisten Anwendungsgebieten einen großen Vorteil. Der Wirkungsgrad der meisten Verbrennungskraftmaschinen ist schlecht. Wikipedia - Wärmekraftmaschinen:
"In der Praxis erreichen unter optimalen Bedingungen Ottomotoren 33 %, Dieselmotoren in Pkws 41 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 % Wirkungsgrad. In PKWs erreichen unter realen Fahrbedingungen mit einem hohem Anteil von Teillastbetrieb Ottomotoren typischerweise einen Wirkungsgrad von weniger als 20 % und Dieselmotoren weniger als 30 %"
Der Wirkungsgrad von Elektromotoren liegt bei größeren Motoren im Bereich von 98%.
So ergibt sich in den meisten Fällen ein beachtlicher Effizienzgewinn. Nachteilig ist lediglich die Tatsache, dass die Versorgung des Elektromotors bei bewegten Fahrzeugen entweder über einen Stromleiter, z.B. Fahrdraht, oder über Speicherbatterien oder Brennstoffzellen erfolgen muss.

Weltweit wird an der Fortentwicklung von Batterien gearbeitet. Entscheidend ist Verfügbarkeit der Grundstoffe, Recycelbarkeit, geringes Gewicht und Baugröße, geringer Preis.
Haupthindernis ist noch der hohe Preis der Batterien.
Für Anwendungen, bei denen es wesentlich auf Gewichtsersparnis ankommt - also beim Flugverkehr - wird man möglicherweise auf Energiespeicherung durch Wasserstoff zurückgreifen. Wasserstoff kann mit Hilfe von Solar- oder Windstrom durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen werden. Der relativ schlechte Wirkungsgrad der Elektrolyse muss in diesem Fall in Kauf genommen werden.

Landfahrzeuge

Der Antrieb von Landfahrzeugen mit Hilfe von Elektrizität hat sich bei den Schienenbahnen seit langem bestens bewährt. Ein prächtiger Wirkungsgrad großer Elektromotoren von etwa 98 Prozent, hohe Lebensdauer, ein geringes Leistungsgewicht, geringe Geräuschentwicklung, ein hohes Drehmoment aus dem Stand heraus und die Fähigkeit, beim Bremsen oder Bergabfahren die mechanische Energie wieder in Strom zurückzuverwandeln, machen ihn zum sparsamen Idealantrieb.
Während bei den Schienenbahnen die Stromzufuhr über den Fahrdraht gelöst ist, müssen Straßenfahrzeuge und Landmaschinen die elektrische Energie in gespeicherter Form mit sich führen. Die Weiterentwicklung und Preissenkung bei der Batterietechnik ist deshalb eine wichtige technische Aufgabe. Der Antrieb des bekannten Sportfahrzeuges Tesla Roadster mit fast 7000 Laptop-Batterienzellen nach dem Litihium-Ionenprinzip zeigt was inzwischen möglich ist.

201 km/h
Von 0 auf 100 in 3,8 Sekunden
Reichweite mit einer Batterieladung: 350 km
Schnelladung 3,5 Stunden
Langzeitentladung nur sehr gering, Energetischer Wirkungsgrad (Strom-Batterieladung-Strom) 80 Prozent.

Bei Wikipedia heißt es: Bemerkenswert ist der Energiespeicher: Er besteht aus 6831 Zellen handelsüblicher Lithium-Ionen-Akkus für Laptops mit einer Speicherkapazität von insgesamt ca. 55 Kilowattstunden (20 %[1] gehen beim Laden verloren), die mit einer Spannung von 375 Volt an den Motor abgegeben werden. Bei den Lithium-Ionen-Akku-Zellen handelt es sich um den Typ 18650, von denen jedes Jahr mehrere Millionen Stück hergestellt werden. Jede Akkuzelle ist 65 mm lang und hat einen Durchmesser von 18 mm. Das gesamte Paket aus 6831 Zellen wiegt etwa 450 kg. Jede Zelle hat zwei Sicherungen, eine an der Anode sowie eine an der Kathode. Der gesamte Batterieblock wird durch eine Mischung aus Wasser und Glykol gekühlt.

Auf Grundlage des amtlichen amerikanischen Fahrzyklus verspricht der Hersteller eine Reichweite von 350 km. Die Ladezeit wird mit 3,5 Stunden angegeben. Für 80 % der ursprünglichen Ladekapazität garantiert der Hersteller bis 100.000 Meilen (ca. 161.000 Kilometer) oder sieben Jahre. Ein neuer Akku soll etwa 10.000 Euro kosten.

Die hohe Reichweite trotz nur 55 Kilowattstunden Speicherkapazität ist möglich, weil Elektromotoren effizienter arbeiten als Verbrennungsmotoren, die die chemische Energie des Treibstoffes zum großen Teil in Wärme, aber nicht wie gewünscht in Bewegung umsetzen. Außerdem wirkt der Elektromotor beim Bremsen als Generator und kann so einen Teil der aufgebrachten Bewegungsenergie wieder in elektrischen Strom umwandeln. Dies spart besonders bei Stadtfahrten und Bergfahrten Energie.

Der Energiebedarf beträgt im Durchschnitt 12,7 kWh/100 km[2], bezogen auf den Energiegehalt von Motorenbenzin entspricht dies 1,49 Liter auf 100 km. Um diese Energie bereitzustellen, würden bei Erzeugung in einem Wärmekraftwerk etwa 4–8 Liter Heizöl aufgewandt, zur Deckung mit Solarstrom würden für 20.000 km Jahresfahrleistung etwa 25 Quadratmeter Solarzellen benötigt. Das Fahrzeug selbst ist abgasfrei, CO2 und andere Schadstoffe können jedoch bei der Elektrizitätserzeugung freigesetzt werden, abhängig von der Art der Stromgewinnung.

Die Internetseite des Herstellers erwähnt nicht die Möglichkeit eines Antriebs mit Erneuerbaren Energien, sondern bezieht ihre Abschätzungen auf konventionelle Stromerzeugung. Sie gibt eine Energieeffizienz einschließlich Energiebereitstellung und -erzeugung (Well-To-Wheel = Quelle bis Rad) von 1,14 km/MJ an. Dies entspricht Fahrzeugen mit einem Verbrauch von etwa 2,2 Litern Benzin oder Diesel oder 1,5 kg Erdgas (H-Gas) pro 100 km Strecke. Dabei wird die Elektroenergiebereitstellung und -erzeugung aus Erdgas mit einem Wirkungsgrad (Well-To-Station = Quelle bis Tankstelle) von 52,5 % angenommen, der Well-to-Station-Wirkungsgrad bei Diesel mit 90,1 %, Benzin mit 81,7 % und Erdgas mit 86 % angenommen.

Im Hinblick auf die technische Funktionalität ist es allerdings genausogut möglich, den Strom zur Aufladung der Batterien aus Wind- oder Sonnenenergie zu nutzen. .

Schiffe

Windantrieb zur Verminderung des Treibstoffbedarfs

Hier gibt es mehrere Techniken, die die Umstellung auf Erneuerbare Energien befördern. Zum einen lässt sich die Windenergie direkt zum Antrieb nutzen. Aus der großen Zeit der Frachtsegler sind noch die Bilder der großen Drei-, Vier- oder sogar Fünfmaster erhalten, die nur mit Hilfe der Windkraft den internationalen Frachtverkehr aufrecht erhielten.
norwegisches Dreimast-Vollschiff Christian Radich
Vollschiff Preussen beim Auslaufen aus dem New-Yorker Hafen
Der hohe Personalaufwand, die Wetterabhängigkeit und die Behinderungen durch die Masten beim Be- und Entladen waren die Hauptgründe dafür, dass diese Art des Schiffsantriebs sich nicht erhalten hat.
Die Kite-Technik, mit der sich Sportler auf kleinen Surfbrettern durch einen Flugdrachen ziehen lassen, führt nun allerdings zu einem Neuauftritt der Windkraft beim Schiffsantrieb. Der Personalaufwand nimmt nicht zu, da der Lenkdrachen automatisch gestartet und eingeholt wird. Eine Segelfläche, die erheblich geringer ist als bei einem konventionellen Segelschiff, erzeugt ein Vielfaches der Zugkraft eines gleich großen Segels, weil der Lenkdrache vollautomatisch mit weitausholenden liegenden Achten vor dem Schiff in sehr hoher Relativgeschwindigkeit zur Luft geführt wird. Das Zugseil greift nur wenige Meter über dem Deck an und erzeugt anders als bei den Segelschiffen kaum ein Kippmoment. Keine Masten behindern das Beladen oder das Löschen der Ladung.

Die Firma SkySails fertigt Kites (Lenkdrachen) zum Hilfsantrieb von Frachtschiffen. Einsparung von Treibstoffen zwischen 15 und 35 Prozent sind möglich. http://www.skysails.info/deutsch/unternehmen/schlagende-argumente-fuer-skysails/
Die folgenden vier Videos zeigen das System im Einsatz

Seeschiffe mit Elektroantrieb

Unter Propellerantrieb Wirkungsgrad findet sich folgender Hinweis: in dem Buch Elektrische Energieversorgung von Klaus Heuck,Klaus-Dieter Dettmann,Detlef Schulz "(...) Insbesondere große Fahrgastschiffe werden jedoch häufig schon mit einem elektrischen Propellerantrieb ausgerüstet. Bei diesen Schiffen erfolgt der Antrieb des Propellers oder der Propeller herstellerabhängig durch Asynchron-, Synchron- oder permanenterregte Maschinen. Diese Motoren können im Schiff untergebracht sein; zunehmend werden jedoch auch Gondelantriebe eingesetzt, bei denen die Motoren zusammen mit den dazugehörigen Propellern als drehbare Gondeln unterhalb des Hecks angeordnet sind. In diesem Fall kann auf die Ruderanlage verzichtet werden, allerdings sind zusätzlich noch - ebenfalls elektrisch angetriebene - Querstrahlruder vorhanden. (...)"

Unter http://www.whisperprop.de/D_7_4_413B94B4637ABD9EC1256E6900718DC9_p.html erfäht der Leser:
"Schon seit 1992 ist kein modernes Kreuz­fahrtschiff mehr gebaut worden, bei dem nicht Elektromotoren den Propeller antreiben. Dabei wurden bereits Lösungen mit einer Leistung von bis 80.000 kW realisiert.
Die Vorteile der neuen Technik sind so überzeugend, dass inzwischen sogar mehrere Passagierschiffe umgebaut wurden obwohl die Umbau­kosten etwa ein Drittel der Neubaukosten betragen.
Die elektrische Energie wird von einem Generator erzeugt. Der Wirkungs­grad der modernen Baugruppen ist so gut, dass trotzt des "Umweges" vom Dieselmotor über den Generator zum Elektromotor am Ende der Rechnung nur Pluspunkte stehen."


Wohlgemerkt, es handelt sich bei dieser Beschreibung um Schiffe mit einer konventionellen Schiffsmaschine mit Schweröl bzw. Dieselantrieb. Nur noch die schwere Schiffsmaschine und der Treibstoffbunker müssten ausgewechselt werden gegen eine Batterie. Das Gewicht der Batterie und ihr Platzbedarf spielen bei Schiffen kaum eine Rolle.
Ansicht eines Schiffsdiesels 25.800 kW zum Antrieb eines Tankers
großer MAN Schiffsdiesel


* Schiffsantriebe mit Wasserstoff

http://pressetext.at/news/030407044/erstes-u-boot-mit-brennstoffzellen-antrieb-taucht-unter/
http://de.wikipedia.org/wiki/U_31_(Bundeswehr)
Die deutsche Bundeswehr hat bereits das vierte Untersseboot mit Wasserstoff-Brennstoffzellen-Antrieb in Dienst gestellt. (U 31 bis U 34)
Am 25. April 2006 stellte U 32 mit zwei Wochen ununterbrochener Tauchfahrt, ohne zu schnorcheln, einen neuen Rekord für nichtnuklear angetriebene U-Boote auf. Dies geschah während einer Verlegung von Eckernförde nach Rota in Spanien.

Flugzeuge

http://www.weltdergadgets.de/flugzeug-mit-elektro-antrieb,
Das ElectraFlyer C Flugzeug ist eines der ersten Flugzeuge welches ausschließlich mit einer Elektro Batterie angetrieben wird. Im inneren befindet sich eine 5.6kWh Lithium Batterie welches dem Flugzeug ermöglicht rund 1.5 – 2 Stunden in der Luft zu bleiben und sich mit einer Geschwindigkeit von rund 112 kmh fortzubewegen.

unbemanntes Solarflugzeug
Bereits vor einigen Jahren flog der Sunseeker seine Kreise über die Vereinigten Staaten hinweg und in diesem Jahr wird der Sunseeker II nun auch bei uns im Himmel umherfliegen. Bei dem Sunseeker und dem Sunseeker II handelt es sich dabei um ein kleines und unbemanntes Flugzeug , welches auf der Oberseite mit Solar Panels bestückt ist.
Im inneren kommen Lithium-Polymer Akkus zum Einsatz , welche die Sonnenenergie speichern können und damit der Flieger auch abhebt , kommt ein 8 PS starker Motor zum Einsatz. Diese 8 PS reichen um den rund 250 kg schweren Flieger in die Lüfte zu heben und bereits eine Höhe von 915 Metern reicht dabei aus , um den Solar Flieger mit genug Sonne zu versorgen damit dieser mit einer maximalen Geschwindigkeit von 64 kmh durch die Luft fliegt.

Leichtflugzeug mit Elektrobatterie
Flugzeug "Electra" mit Elektromotor auf Jungfernflug Nach einem Bericht von Markus Pflegerl Freitag, 11. Januar 2008
Ein konventionelles Leicht-Flugzeug, angetrieben von einem 18-kW-Elektromotor und einer Lithium-Polymer-Batterie, hat Ende Dezember den ersten Flug in Frankreich absolviert. Der Flug dauerte 48 Minuten bei einer Distanz von über 50 km.
Der Einsitzer ist das Produkt der Organisation APAME (Association to Promote Electrical Aircraft) in Zusammenarbeit mit einigen Partnern. Die Electra kommt auf eine Länge von 7 m bei einer Spannweite von 9m. Das Leichtgewicht bringt ohne Batterien 134 Kilogramm auf die Waage, der Batterie-Pack wiegt zusätzliche 47 Kilogramm. Das maximale Startgewicht beträgt 265 Kilogramm und es wird eine Reisegeschwindigkeit von bis zu 90 km/h erreicht.

Wasserstoff-Flugzeuge
Seit Anfang der 80er Jahre arbeitet der russische Hersteller Tupolev an Flugzeugversionen mit kryogener Treibstoffversorgung. Tupolev stellte 1988 eine TU 154 vor, bei welcher das rechte der drei Triebwerke auf Flüssigwasserstoff-Antrieb modifiziert und Wasserstofftanks eingebaut waren.
Das Triebwerk wurde über die gesamte Flugphase über insgesamt etwa 100 Stunden erfolgreich betrieben.
Auch von der großen europäischen Luftfahrtindustrie etwa bei Dornier und Airbus gab es Überlegungen und Tests zu Wasserstoffflugzeugen. Derzeit gibt es allerdings keine ernsthaften Anstrengungen. Es gibt aber durchaus Konzepte, Brennstoffzellen zur Bordstromversorgung einzusetzen und das dabei entstehende Wasser im Flugzeug zu nutzen, um Fluggewicht zu sparen.

Wirkungsgrade für konventionelle Flugzeugantriebe sowie Informationen über den Wirkungsgrad konventioneller Strahlriebwerke findet man unter Wikipedia - Strahltriebwerk, Dort auch die
Graphik - Vortriebswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit.

Ein wichtiger Grund, warum die weiter oben genannten elektrischen Techniken im Flugverkehr bisher nicht eingesetzt werden, sind keine technischen Gründe, sondern ist die Tatsache, dass konventionelle Flugzeugtreibstoffe z.B. Kerosin, bisher konkurrenzlos billig zu bekommen sind.

Vermutlich wird aus Gewichtsgründen zunächst der Wasserstoffantrieb Verwendung finden. Ob Strahltriebwerk oder Propellerantrieb zum Einsatz kommen, ergibt sich hauptsächlich aus der vorgesehenen Reisegeschwindigkeit. Über 700 km/h - also für Interkontinentalflüge - werden voraussichtlich Strahlantriebe Verwendung finden, da deren Wirkungsgrad bei höheren Geschwindigkeiten besser wird.
Bei Verwendung des Wasserstoffs an Stelle von Kerosin in einem Strahltriebwerk dürfte der Vortriebswirkungsgrad etwa dem Vortriebswirkungsgrad beim Antrieb mit Kerosin entsprechen.

Zusammenfassung

Bei der Umstellung von flüssigem Treibstoff auf den elektrischen Antrieb der Zukunft sind folgende Mehr- bzw. Minderverbräuche zu erwarten:

Bei Landfahrzeugen

Energierückgewinnung beim Bremsen und Bergabfahren - 20 %
Verbesserung der Energieumsetzung im Elektromotor gegenüber dem Verbrennungsmotor - 60 %
Speicherverluste beim Aufladen und Entnahme des Stroms an der Batterie + 30 %
Insgesamt - 50 % Energieverbrauch - also Effizienz steigt

Bei Luftfahrzeugen

Bei der Elektrolyse von Wasserstoff mit Solar- oder Windstrom Energieverluste von
+ 70 % Energieverbrauch - also die Effizienz sinkt voraussichtlich

Bei Schiffen

(Nur bei Seeschiffen) Minderverbrauch durch Windkraftnutzung - 10 %
Verbesserte Energieumsetzung im Elektromotor gegenüber dem Schiffsdiesel - 60 %
Speicherverluste bei Aufladen der Batterien und der Stromentnahme + 30 %
Insgesamt - 40 % Energieverbrauch - also die Effizienz steigt

Bei Niedertemperaturwärme

Durch bessere Wärmedämmung sinkt der Energiebedarf um 60 %.
Durch Erdwärmepumpen sinkt der Energiebedarf um 50%
Es steigt die Effizienz

Bei Hochtemperaturwärme

Hochtemperaturwärme wird voraussichtlich mit direkter Stromheizung durchgeführt
Effizienzsteigerung oder -senkung ist nicht erkennbar