wärme im alltag

59
Wärme im Alltag Didaktik der Physik Marco Walser WS 2006/07

Upload: kevina

Post on 27-Jan-2016

167 views

Category:

Documents


12 download

DESCRIPTION

Wärme im Alltag. Didaktik der Physik Marco Walser WS 2006/07. Motoren Geschichte Anforderungen Arten Dampfmaschine Dampfturbine Verbrennungsmotor Dieselmotor Ottomotor 2-Taktmotor 4-Taktmotor Kühlung Wasserstoffantrieb Wasserstoffverbrennungsmotor. Heizung Energiequellen - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Wärme im Alltag

Didaktik der Physik

Marco Walser

WS 2006/07

2

Inhalt• Motoren

– Geschichte

– Anforderungen

– Arten

• Dampfmaschine

• Dampfturbine

• Verbrennungsmotor

– Dieselmotor

– Ottomotor

– 2-Taktmotor

– 4-Taktmotor

– Kühlung

• Wasserstoffantrieb

– Wasserstoffverbrennungsmotor

• Heizung

– Energiequellen

– Zentralheizung

– Kosten und Energiegehalt verschiedener Brennstoffe

Motoren

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

4

MotorenEin Motor (lateinisch: Beweger) ist eine Vorrichtung, die mechanische Arbeit

verrichtet, indem sie andere Energieformen, zum Beispiel thermische Energie,

chemische Energie oder elektrische Energie, umwandelt.

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

5

Geschichte

• Früheste Motoren um 100: Herons Dampfturbinen zum Öffnen großer Tore

• 1678: Dampfauto für den Kaiser von China (Ferdinand Verbiest)

• Vermutungen, dass ägyptische Priester mit Heißgasen riesige Türen

bewegten

• Technische Entwicklung zu heutigen Motoren: Um 1712 von Thomas

Newcomen erfunden und 1778 von James Watt weiter entwickelt:

Dampfmaschine (Auslöser der industrielle Revolution)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

6

Geschichte

• Vor der Erfindung der Automobile: Dampfmaschine der meistverwendete

Motor

• Seitdem: Verbrennungsmotoren im Vordergrund (besserer Wirkungsgrad,

hohe Energiespeicherdichte der Kraftstoffe) - fossile Brennstoffenergie wird

erst in Wärmeenergie und dann in mechanische Energie umgewandelt

• Zukunft: Wechsel der Energiequelle (Grund: Verknappung und damit

Verteuerung fossiler Brennstoffe)

• Angenehmer Nebeneffekt: Reduktion der Emissionswerte

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

7

Geschichte

• Mögliche Alternativen (bezüglich gespeicherter Energiemengen und

mitführbarer Gewichte):

– Elektromotoren

– Hybridantriebe

– Wasserstoffantriebe

– Erheblicher Entwicklungsaufwand auf dem Gebiet der Brennstoffzellen

– Forschung an Supraleitern (für Generatoren, Elektromotoren,

Transformatoren)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

8

Anforderungen an Motoren

• Hoher Wirkungsgrad (Kraftstoff optimal ausnutzen – geringer Verbrauch)

• Wenig Emissionen verursachen (oder zumindest wenig Schadstoffe

ausstoßen)

• Möglichst hohe Leistung bei geringem Gewicht

• Hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer

• Je nach Anwendung weitere spezielle Eigenschaften

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

9

Arten von Motoren

• Dampfmaschine

• Dampfturbine

• Verbrennungsmotoren

• Gasturbinen

• Raketenantrieb

• Elektromotor

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

10

Dampfmaschine• „Urmotor" der Industrialisierung

• Von Thomas Newcomen erfunden und von James Watt weiter entwickelt

• Verwendung eines Feuerkessels, in dem mit einem Kohlenfeuer das Wasser auf Siedetemperatur oder höher erhitzt wird

• Das erhitzte Wasser erzeugt sich ausdehnenden Dampf

• Dampf wird über mechanische Steuereinheit der Dampfmaschine zugeführt

• Steuereinheit bewirkt, dass der Dampfzylinder des Kurbeltriebes (in dem der Kolben läuft) nur dann erneut Dampf erhält, wenn der expandierte Dampf des vorherigen Hub-Taktes weitestgehend entwichen ist

• Bewegungsumsetzung: Lineare Bewegung des Kolbens wird von einer Pleuelstange am Kurbel- oder Hubzapfen in eine Drehbewegung umgesetzt

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

11

Dampfmaschine• Abgase: Ausgestoßener Dampf der Kolbenzylinder, vermischt mit den

Rauch-Abgasen der Feuerung

• Vom Verbrennungsmotor abgelöst (zu niedrigen Wirkungsgrad)

• Natürlich vorkommende Verbrennungswärme (Geothermie, z.B. Island): Anstelle einer stationären Dampfmaschine: Dampfturbine (auch heute in jedem Kohlekraftwerk bzw. Atomkraftwerk)

(A) Heizungsanlage (B) Wasserkessel(C) Ventile (D) Zylinder (E) Kolben (F) Rechte Arm des „Pumpenschwengels" (G) Kaltes Wasser wird in den Zylinder geleitet

Dampf kühlt ab(H) Wasser wird aus dem Schacht

herausgepumpt

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

12

Dampfturbine• Moderne Version der Wärmekraftmaschine: Nutzt die Dampfkraft mit

höherem Wirkungsgrad

• Bestehend aus schnell rotierender Welle, bestückt mit vielen Turbinenschaufeln, die von Wasserdampf angeströmt werden

• Dampf wird mit Erdgas, Erdöl, Kohle, Biomasse, Solarenergie oder Kernenergie im Dampferzeuger bereitgestellt und über Rohrleitungen der Turbine zugeführt

• Druck treibt Turbine an: Drehung prinzipiell mit ruhigerem Lauf als die eines Dampfkolbens

arbeitet gleichmäßiger

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

13

Dampfturbine

• 1 - 2: Reibungsfreies Verdichten des Arbeitsmittels Wasser auf den im Dampferzeuger herrschenden Druck

• 2 - 3: Erwärmen des Wassers auf die zum Druck gehörende Verdampfungstemperatur

• 3 - 4: Überführung des flüssigen Wassers in Dampf bei konstantem Druck,

• 4 - 5: Weitere Erwärmung (Überhitzung) des Dampfes bei konstantem Druck

• 5 - 6: Reibungsfreie Entspannung des Dampfes gleichzeitiger Entstehung der ersten Wassertropfen

• 6 - 1: Kondensation des nassen Dampfes im Kondensator

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

14

Dampfturbine• Eingeschlossene Fläche repräsentiert die technisch nutzbare Arbeit

bezogen auf die durchströmende Dampfmenge

• Prozess selbst: sehr stark vereinfacht

• Praxis: noch weitere Schritte (z.B. Zwischenüberhitzung des Dampfes bei 5 - 6 oder die Vorwärmung des Wassers bei 1 - 2 mit Anzapfdampf aus der Dampfturbine)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

15

Dampfturbine• Leistung von bis zu 1500 Megawatt (technisch mögliche Grenzleistung

dieser Bauart wird mit 4000 MW abgeschätzt)

• Anwendung auch in Schiffen (bis zur Ablösung durch Dieselmotoren)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

16

Verbrennungsmotoren• Expansion der Verbrennungsgase ("Explosion") wird in eine Hubbewegung

und diese in eine Rotation umgesetzt, welche ihrerseits die Kraft für den Antrieb liefert

• Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren: generell schlechter als der anderer Motorenprinzipien trotz 150 Jahre Entwicklungsarbeit noch zahlreiche Möglichkeiten der Verbesserung (Bauart, Kraftstoff, Steuerung usw.)

• Verbrennungsförderer (Sauerstoff) und brennbares Medium (Gas, Benzin, Diesel) werden gasförmig vermischt, verdichtet und gezündet

• Gewonnene Energiedifferenz wird mechanisch in Antriebskraft umgewandelt

• Optimierung:

– Turbolader: Frischluft mit erhöhter Dichte wird zugeführt (höherer Wirkungsgrad)

– Einspritzdüsen: Treibstoffzufuhr wird verbessert

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

17

Dieselmotor / Ottomotor

• Selbstzünder (Dieselmotor)

Verbrennung eines Kraftstoffes ohne Hilfsmittel - nur durch die hohe Verdichtung des Luft-Brennstoffgemisches

Glühkerzen des Dieselmotors bzw. Mehrstoffmotors: Nur Hilfsmittel zum Kaltstart

• Fremdzünder (Ottomotor)

Verdichtung des Motors nicht so hoch wie bei dem Selbstzünder Zündkerzen (von Bosch entwickelt)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

18

Dieselmotor / Ottomotor

Vorteile des Dieselmotors gegenüber dem leistungsgleichen Ottomotor:

• Günstigerer Wirkungsgrad geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch (=geringere Kohlendioxid-Emissionen)

• Geringerer Ausstoß von Kohlenwasserstoffen im Vergleich zu einem Benzinmotor ohne Abgasnachbehandlung

• Einsatz von einfacher herzustellenden, ungefährlicheren Kraftstoffen und die Vielstofffähigkeit

• Höhere Zuverlässigkeit

• Lange Lebensdauer

• Wirtschaftliche Vorteile (steuerlichen Randbedingungen)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

19

Dieselmotor / Ottomotor

Nachteile des Dieselmotors gegenüber dem leistungsgleichen Ottomotor:

• Höherer Ausstoß von Stickstoffoxiden gegenüber einem Benzinmotor mit 3-Wege-Katalysator

• Partikelausstoß (Dieselruß und andere), darunter auch lungengängiger Feinstaub, sofern der Motor keinen Partikelfilter besitzt

• Höhere Produktionskosten

• Größere Geräuschemissionen

• Höheres Gewicht im Vergleich zum Ottomotor bei gleicher Leistung

• Begrenzte Höchstdrehzahl (weitere Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des mittleren Verbrennungsdrucks, und damit des Drehmoments, möglich)

• Aufwendige Abgasreinigung nur schwer zu verwirklichen

• Einsatz verschleißfesterer Materialien

• Höhere Ansprüche an das Schmieröl

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

20

4-Taktmotor / 2-Taktmotor

• 4-Takt-Verbrennungsmotoren: Kreisprozess aus vier Arbeitsschritten (Takten):

1.) Ansaugen (Frischgas, „Luft“) oder selbständiges Einströmen

2.) Verdichten (Gas komprimieren)

3.) Arbeiten (Gas verbrennen und damit Leistung erbringen)

4.)Ausstoßen (erst selbständiges Ausströmen, dann Ausschieben von Altgas)

• 2-Takt-Verbrennungsmotor:

1.) Ansaugen und Ausstoßen/Spülen

2.) (Vor-)Verdichten und Arbeiten

Nicht nur die Seite über dem Kolben, sondern auch die unter dem Kolben (Kurbelgehäuse) wird genutzt.

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

21

4-Taktmotor

4-Takt Prinzip eines Ottomotors:

1. Takt: (Ansaugtakt - Einlassventil geöffnet, Auslassventil geschlossen)

Während der Abwärtsbewegung des Kolbens (vom oberen bis zum unteren Titpunkt) wird Kraftstoff-Luftgemisch oder Luft in den Zylinder „gesaugt“

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

22

4-Taktmotor

4-Takt Prinzip eines Ottomotors:

2. Takt: (Verdichtungstakt - beide Ventile geschlossen)

Kolben verdichtet in seiner Aufwärtsbewegung das Kraftstoff-Luftgemisch oder die Luft im Zylinder

Kurz vor Ende des zweiten Taktes erfolgt die Zündung (bei Ottomotoren durch Fremdzündung, bei Dieselmotoren durch Selbstzündung)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

23

4-Taktmotor

4-Takt Prinzip eines Ottomotors:

3. Takt: (Arbeitstakt - beide Ventile bleiben geschlossen)

Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt

Durch Temperaturanstieg steigt Druck des Gemisches und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten

Längsbewegung des Kolbens wird über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehbewegung umgesetzt

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

24

4-Taktmotor

4-Takt Prinzip eines Ottomotors:

4. Takt: (Auslasstakt - Einlassventil geschlossen, Auslassventil geöffnet)

Der sich nach oben bewegende Kolben schiebt die Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

25

2-Taktmotor

2-Takt Prinzip eines Ottomotors:

1. Takt: (Verdichten und ansaugen)

Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird zunächst der Überströmkanal, später die Auslassöffnung verschlossen.

Während der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder weiter verdichtet und kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts bereits entzündet

Im Vorverdichtungsraum unter dem Kolben wird neues Frischgas durch den Einlasskanal angesaugt.

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

26

2-Taktmotor

2-Takt Prinzip eines Ottomotors:

2. Takt: (Arbeiten, vorverdichten, überströmen und auslassen)

Kolben durchläuft den oberen Totpunkt

Zündkerze entzündet das Gemisch im Brennraum über dem Kolben

Durch Temperaturerhöhung steigt der Druck im Brennraum

Kolben bewegt sich nach unten und verrichtet dabei mechanische Arbeit

Im Raum unter dem Kolben wird das angesaugte Frischgas durch die Abwärtsbewegung des Kolbens verdichtet

Letzte Phase der Kolbenabwärtsbewegung: Auslassöffnung und Überströmkanäle werden freigegeben

Unter Überdruck stehendes Frischgas strömt vom Vorverdichtungsraum unter dem Kolben durch die Überströmkanäle in den Zylinder und spült das verbrannte Abgas durch die Auslassöffnung in den Auspufftrakt hinaus

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

27

2-Taktmotor

• Vorwiegender Einsatz des 2-Taktmotors dort, wo Preis und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz.

• Beispiele: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Kart, Motorsäge, Modellbau, Motorradrennsport und bei großen Schiffsmotoren, die übrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden.

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

28

2-Taktmotor / 4-Taktmotor

Vergleich zwischen 2-Taktmotoren und 4-Taktmotoren:

2-Taktmotor:

– größere Leistungsdichte (bei jeder Kurbelwellenumdrehung wird Arbeit verrichtet)

– nicht der gesamte Hubraum kann zur Expansion genutzt werden (Teil des Hubraumes lassen auf Grund der Ein- und Auslassschlitze einen Druckaufbau nicht zu)

– können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden (keine Ventilsteuerung notwendig)

– höherer spezifischer Verbrauch und schlechtere Abgaswerte (Teil des Kraftstoff-Luftgemisches geht unverbrannt verloren)

– geringerer Wirkungsgrad

– hoher Verbrauch und schlechte Abgaswerte

wird er von den 4-Takt-Motoren verdrängt

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

29

Animationen

Animation 4-Taktmotor

Animation 4- Zylindermotor

Animation Dieselmotor

Animation 2-Taktmotor

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

30

Kühlung (Verbrennungsmotor)

• Wassergekühlt

• Luftgekühlt

• Ölgekühlt

• Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

31

Kühlung (Verbrennungsmotor)

• Kühlsystem dient zur Abführung der Überschüssigen Wärme, die beim Durchlaufen des Kreisprozesses entsteht

• Hauptsächlich: Luft- und Wasserkühlung als Primärkühlsystem

• Daneben: Kühlung durch Schmiermittel (um den Motor auf günstiger Betriebstemperatur zu halten)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

32

Luftkühlung

• Fahrtwind wird zum Motor geleitet

• Bei Stillstand oder geringer Geschwindigkeit: zusätzlich ein Lüfter beziehungsweise Gebläse

• Luft wird direkt auf den Motor geblasen

muss genug Oberfläche bieten um die Wärme wirkungsvoll abführen zu können

Kühlrippen

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

33

Luftkühlung

• Vorteile:

– einfacher und preiswerte Bauweise

– zuverlässiger Betrieb

– geringes Gewicht

– Bei tiefen Außentemperaturen: weniger Probleme mit dem Einfrieren

• Nachteile:

– höhere Geräuschentwicklung

– schlechteres thermisches Verhalten im Hochleistungsbereich

• Verwendung:

– Flugmotoren

– Motorrädern

– Kleinmotoren (Rasenmäher, Motorsägen)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

34

Wasserkühlung

• Moderne Viertaktmotoren: bis auf wenige Ausnahmen wassergekühlt

• Vorteile:

– Wasser gewährleistet einen gleichmäßigen Wärmetransport

– Wasser kann eine große Wärmemenge abführen

– Wasserkreislauf wird mit geringem Überdruck betrieben ( damit Kühlmitteltemperaturen bis etwa 115 °C möglich) - System durch Überdruckventil geschützt

– Für Kühlung wird kaum Leistung benötigt (gegenüber Kühlgebläsen bei der Luftkühlung)

– Gestaltung der Heizung einfach: durch Heizungswärmetauscher

– Motorblockgestaltung (notwendigen Gussformen) sind leicht herzustellen

– Wasserkühlung hält den Temperaturunterschied einzelner Motorteile, und damit den möglichen Verzug gering

Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren erhöht

– Wassermantel wirkt Geräuschdämmend

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

35

Wasserkühlung

• Wasserkühler/Kühlmittelkühler (früher oftmals aus Messing, heute zumeist aus Aluminium): meist an der Front des Fahrzeuges (meist zwischen den Scheinwerfern) angebracht

• Große Oberfläche

• Fahrtwind kühlt das durchfließende Kühlmittel ab

• Kühlmittel wird mit einer Wasserpumpe durch Schläuche in den Motor gepumpt (Zylinderkopf und Motorblock)

• Mechanische Wasserpumpe benötigt bis zu 2 kW Antriebsleistung

• In modernen Motoren: auch elektrische Wasserpumpen (Leistung ~200W)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

36

Wasserkühlung

• Früher: Thermosyphonkühlung, die ohne Zwangsumlauf auskam

• Prinzip: warmes Wasser steigt auf - Kaltes sinkt nach unten

• Nachteile der Thermosyphonkühlung:

– Benötigte größere Querschnitte

– Nicht betriebssicher

• Wasserpumpe normalerweise über einen Keil- oder Zahnriemen angetrieben (Früher Ventilator ebenfalls so angetrieben)

• Frontseite des Kühlers: früher manchmal Jalousien angebracht (vom Fahrersitz aus steuerbar, zur Temperaturregelung in der kalten Jahreszeit)

• Manchmal auch Kartonplatten provisorisch platziert

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

37

Wasserkühlung

• Kühlkreislauf durch Thermostat geregelt

• Bevor Betriebstemperatur erreicht wird: Thermostatventil geschlossen

Wasser zirkuliert nur über Motor, Wasserpumpe und Heizungswärmetauscher

• Thermostatventil öffnet bei ca. 85 Grad Celsius

• Übersteigt Temperatur des Kühlwassers ca. 100 Grad: Lüfter wird eingeschaltet bei intakter Anlage nur bei langsamer Fahrt

• Lüfter kann auch bei ausgeschalteter Zündung nachlaufen Kühltechnisch unbedeutend (wegen stillstehender Wasserpumpe wird nur das Wasser im Kühler, nicht jedoch im Motor gekühlt)

• Da sich Wasser bei Erwärmung ausdehnt: Wasserdruck steigt

Ausgleichsbehälter/Ausdehnungsgefäß

• Durch Erhöhen des Systemdruckes: Siedepunkt des Kühlmittels steigt

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

38

Wasserkühlung

• Nachteile:

– Kühlmittel kann einfrieren (Motorblock kann platzen) Frostschutzmittel (verbessern auch Schmier -und Reinigungseigenschaften des Kühlmittels, verhindern die Rostbildung im Motor-Inneren)

– Kühlmedium meist Wasser/Glykol-Gemisch

– Zusätzliche Fehlermöglichkeiten: undichter Kühlkreislauf, Defekte an Wasserpumpe, Kühler, Thermostat Zuverlässigkeit sinkt

• Warmes Wasser wird für die Fahrzeugheizung verwendet welche in begrenztem Maße auch zur Motorkühlung eingesetzt werden kann, wenn der Thermostat und/oder der Lüfter defekt sind

• Auf Schiffen: umgebendes Wasser kann zur Kühlung eingesetzt werden

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

39

Ölkühlung

• Schmierstoff Motoröl wird zum Teil erwärmt und erhitzt sich zum anderen Teil bei der Schmierung selbst

• Um die Schmiereigenschaften zu erhalten: geregelte Wärmeabfuhr erforderlich (übliche Grenze: 120°C)

• Faustregel: je 10°C Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebensdauer des Öls

Öl-Luft-Kühler oder einen Öl-Wasser-Kühler

• Vorteile der Öl-Wasser-Kühlung:

- Öl kann sich beim Kaltstart schneller erwärmen

- Durch die höhere Temperatur wird das Öl dünnflüssiger

Verbrauchsvorteil

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

40

Wasserstoffantrieb

• Wasserstoff als Treibstoff

• Konzepte:

– Wasserstoffverbrennungsmotor

– Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor

– Nutzung als Treibstoffkomponente in Raketen

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

41

Wasserstoffantrieb• Wasserstoff: künstlich zu erzeugender Energieträger.

• Energie zur Herstellung erforderlich

• Abgase: reiner Wasserdampf

• Herstellung von Wasserstoff:

– Elektrolyse von Wasser

– thermochemische Konversion kohlenstoffhaltiger Energieträger (bei Temperaturen von 300 bis 1000° Celsius)

– Ältestes Verfahren: Dampfreformierung

• Wasserstoffspeicherung: Zwei Systeme technisch verfügbar:

– Speicherung von flüssigem Wasserstoff bei tiefen Temperaturen um 20 Kelvin

– Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

42

Probleme des Wasserstoffantriebs

• Explosionsgefahr bei Unfällen

• Flammen verbrennenden Wasserstoffes können bei Tageslicht theoretisch nicht mit bloßem Auge wahrgenommen werden (Intensität der Flamme jedoch gering und bei Kontakt mit Fremdstoffen färbt sich die Flamme)

• Hauptproblem: Leckagen (Transportverluste und Sicherheitsrisiko)

• Wasserstofftanks und Rohrleitungen müssen aufgrund des geringeren Moleküldurchmessers wesentlich besser abgedichtet sein

• Entwichenes Gas steigt nach oben (kann sich nicht in Vertiefungen sammeln)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

43

Wasserstoffverbrennungsmotor

Vorteile:

• Verbrennungsprodukte:

– Wasserdampf

– Stickstoffmonoxid (NO)

– Stickstoffdioxid

(letztere liegen aber etwa um die 50% unter denen eines Ottomotors

mit Katalysator)

• Wirkungsgrad besser als bei Benzinmotoren.

• H2-Motor kompakter und kostengünstiger als Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor

• Kein vorwärmen erforderlich (im Gegensatz zur Brennstoffzelle)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

44

Wasserstoffverbrennungsmotor

Nachteile:

• Leistung von H2-Verbrennungsmotoren trotz höherem Wirkungsgrad niedriger als bei Otto-Motoren (niedriger Energiegehalt des Wasserstoffes pro Kubikmeter Gas und großer Volumenanteil des Wasserstoffs am Gas-Luftgemisch)

• Unregelmäßige Verbrennung, wenn Zylinder noch heißes Restgas enthält während schon frischer Kraftstoff einströmt. Dieser kann sich entzünden, und es kommt zu einer Rückzündung, noch bevor das Einlassventil geschlossen hat.

• Schlechte Schmiereigenschaften des Wasserstoffs (enthält keinen Kohlenstoff, greift den Schmierfilm an)

• Erheblicher Aufwand wegen des niedrigen Siedepunkts (-253 °C) beim Tankvorgang, am Fahrzeug selbst, wo spezielle Materialien gewählt werden müssen, die solchen Temperaturen gut standhalten

• Wasserstoffherstellung

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

45

Wasserstoffverbrennungsmotor

Anwendungsbeispiele:

• März 2006: Mazda - Wasserstoff RX-8 an Kunden ausgeliefert.

• 2006: BMW – Vorstellung eines PKW mit Wasserstoffantrieb in Los Angeles

• Frühjahr 2007: Modell 760h „Hydrogen 7“, basierend auf dem 760i der BMW 7er Reihe, kann von BMW geleast werden

– 260 PS

– 390 Nm Drehmoment

– 230 km/h

– Kofferraum von 500l auf 250l verkleinert (wegen Wasserstofftanks)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

Heizung

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

47

HeizungEinrichtung zur Erwärmung von Objekten oder Räumen

Gebäudeheizung, Raumheizung, Zentralheizung, Fernheizung, Fahrzeugheizung, Kohleheizung, Gasheizung, Elektroheizung,

Wärmepumpenheizung, Pelletheizung,…

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

48

Energiequellen

• Erdgas

• Flüssiggas

• Heizöl

• Kohle

• Stroh

• Holz

• Biogas

Weitere Energiequellen:

– elektrischer Strom

– gespeicherte Sonnenenergie

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

49

Fernwärme

• Wärme wird zentral in Heiz- oder Heizkraftwerk erzeugt oder die Prozessabwärme von Industrieanlagen wird genutzt und an mehrere räumlich entfernte Wärmeabnehmer verteilt

• Verwendung bei Wärmeversorgung von Stadtteilen und in Industrieanlagen

• Brennstoffe:

– Erdöl

– Erdgas

– KohleWär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

50

Elektrischer Strom

• Als Energiequelle in Elektroheizungen oft nur für kurzzeitigen Bedarf in Heizlüftern

• Als Heizung von Wohnungen sind zum Teil Nachtstrom-Speicher-Heizungen im Gebrauch

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

51

Zentralheizung

Die Zentralheizung (Sammelheizung) sorgt für die Energieumwandlung für ein oder mehrere Räume oder Gebäude über eine Fernheizung zentral.

Arten:

• Warmwasserheizung

• Dampfheizung

• Warmluftheizung

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

52

Zentralheizung

Warmwasserheizung:

• Zentraler Wärmeerzeuger erwärmt Wasser

• Warmes Wasser wird mit einer Pumpe oder durch den Dichteunterschied des Wassers (Schwerkraftheizung) durch Rohrleitungen zu den Heizflächen gefördert

• Wärme wird durch Konvektion der Luft an den Heizkörperoberflächen an den zu beheizenden Raum abgeben

• Abgekühltes Wasser fließt über die Rücklaufleitungen zurück zum Wärmeerzeuger

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

53

Zentralheizung

Warmwasserheizung:

• Wassertemperaturen zwischen 30 °C und 90 °C

• Wirkungsgradverbesserung durch niedrige Rücklauftemperatur beim Brennwertkessel

• Transport der Wärme vom Kessel zu den Heizkörpern durch Umwälzpumpe

• Im Einfamilienhaus: kleinste reichen Pumpenleistungen aus (5 bis 7 Watt) Häufig jedoch 40 Watt und mehr (3fach zu groß dimensioniert)

• Pumpen der Energieklasse A: Stromeinsparungen bis zu 80 %Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

54

Zentralheizung

Dampfheizung

• Wasser wird über 100 °C erwärmt

• Erzeugter Wasserdampf wird durch Rohrleitungen transportiert und kondensiert in den Heizkörpern unter Wärmeabgabe

• Kondensat fließt zum Heizkessel zurück

• Sehr große freigesetzte Heizleistung.

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

55

Zentralheizung

Warmluftheizung

• Raumluft als Wärmeträger

• Die in einem Heizautomaten erzeugte Warmluft wird über Luftkanäle in die Räume geleitet

• Ähnliches Prinzip schon ca. im 1. Jahrhundert v. Chr.

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

56

Berechnung einer Raumheizung

Berechnung des Wärmedurchgangs der Raumbegrenzungsflächen

Abströmende Wärme muss als Heizleistung zugeführt werden

= Leistung in W

U = Wärmedurchgangszahl in W / (K * m²)A = Fläche in m²t1 = Außentemperatur in °Ct2 = Zimmertemperatur in °C

Räume mit mehreren Außenwänden: Leistungszuschlag von 10 bis 15% erforderlich

Leistungsbedarf wird für alle Flächen des Raumes getrennt berechnet und später addiert

Q

)( 12 ttAUQ

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

57

Berechnung einer Raumheizung

Passivhaus: Durch gute Wärmedämmung Wärmebedarf soweit reduziert, dass es ohne eine aktive Raumheizung auskommt (Energiezufuhr nur durch Bewohner, solare Gewinne, Lüftungsvorwärmung, etc.)

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

58

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

Kosten

59

Wär

me

im A

lltag

– M

oto

ren

und

He

izu

ng

Kosten / EnergiegehaltBrennstoffkosten Vergleich

Brennstoff Flüssiggas Erdgas Öl Scheitholz Hackschnitzel Holzpellets

Energieinhalt 6,77 kWh/Liter 10 kWh/m³ 10 kWh/Liter1500

kWh/Ster755 kWh/m³ 5 kWh/kg

Brennstoffmenge pro Jahr

2659 Liter 1800 m³ 2000 Liter 14 Ster 28 m³ 4235 kg

Spezifische Brennstoffkosten

0,50 €/Liter 0,57 €/kWh 0,59 €/Liter 50 €/Ster 16 €/m³ 0,185 €/kg

Preis pro kW/h 6,4 Ct. 5,7 Ct. 5,9 Ct. 3,3 Ct. 1,9 Ct. 3,7 Ct.

Brennstoffkosten pro Jahr

1.329 € 1.026 € 1.180 € 706 € 449 € 784 €

Einfamilienhaus, Gemäß WSVO 1994Heizfläche: 150m²Heizlast: 12 kWAnlagengröße: 15 kWJährliche Vollheizstunden: 1500 hJährlicher Heizenergiebedarf: 18000 kWh Nutzenergie