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Alternative und erneuerbare Energien

Nach den Atom Unfällen und Katastrophen von Tschernobyl  im Jahre 1986 und Fukushima 2011 findet ein natürliches Umdenken in den Köpfen der Leute und der Regierung statt. Es wird nicht nur abgewartet sondern vermehrt gehandelt. 2021 und 2022 sollen die Atomkraftwerke (AKW) in Deutschland vom Netz genommen werden.  Dezember 2012 ist die Energieeffizienzrichtlinie (EED) der EU verabschiedet worden. Die Mitgliedsstaaten haben 18 Monate Zeit bekommen um sie umzusetzen. In Folge dieser EED müssen mindestens1,5 % Energie pro Jahr eingespart werden. Dieses Ziel können die einzelnen Länder durch geeignete Maßnahmen umsetzen. Alternative Energiequellen z.B. Biogas sollen vorangetrieben und gefördert werden. Somit ist der Atomausstieg hoffentlich im nächsten Jahrzehnt bewältigt. Laut einer Studie der TU Wien soll der europäische Ausstieg aus der Kernenergie bis 2030 umsetzbar sein. Somit wäre Europa im Jahre 2030 atomstromfrei.

Als Brennstoff in Atommeilern und Kernkraftwerken wird Uranisotop U 235 eingesetzt. In Normalform kommt es in unserer Umwelt nicht vor. Man findet es nicht in Reinform sondern als Gemisch mit dem Uranisotop U 238 - Es wird als Natururan bezeichnet. Dieses Natururan das mit Uran 235 angereichert ist, kann für den Kernspaltungsprozess verwendet werden.

Nach 28 Jahren der Reaktorkatastrophe in Tschernobyl sind immer noch Wild (Tiere) und Pilze im Bayerischen Wald kontaminiert. Radionuklids Cs-137 (Cäsium-137) besitzt etwa eine Halbwertszeit von ca. 30 Jahren. Die Belastung der Böden in dieser Umgebung wird durch die lange Halbwertszeit noch vielleicht Jahrzehnte andauern.

 

 

Hier erläutern wir kurz die Bedeutung der alternativen und erneuerbaren Energien:

 

Wirkungsgrad

Die Einheit des Wirkungsgrades beschreibt die gewünschte Energieform, man spricht auch von Nutzenergie, Nutzwert oder Nutzleistung, gegenüber unerwünschten aber vorhandenen Energieverlusten wie z.B. der Wärme, der Reibung, etc..

Formel für den Wirungsgrad:
Wirkungsgrad = Nutzenergie / aufgewendete Energie = abgegebene Leistung (Energie) zu zugeführter Leistung (Energie)

Je mehr von der gewünschten Energieform genutzt oder abgegebnen wird, ohne unerwünschte Energieverluste, desto höher ist der Wirkungsgrad.

Beispiele:
Atomkraftwerke besitzen einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von ca. 35%, Kohlekraftwerke ca. 39%.

Der Transport von Energien (Gas, Öl, etc.) verschlingt ca. 5%.

Der Wirkungsgrad eines Otto Benzin Motors liegt bei etwa ca. 24% - 37%. Die restlichen Verluste gehen als Wärme, Reibung, etc. verloren.

Ein Kachelofen der mit Holz geheizt wird liefert 75% an Wärme. Eine Energiesparlampe besitzt einen ungefähren Wirkungsgrad von 25%. Eine normale Glühlampe ca. 5%, der Rest wird als Wärme abgegeben.

Stromverbrauch

Der Stromverbrauch liegt im Durchschnitt bei ca. 1600 kWh pro Kopf im Jahr in Deutschland. Mit steigenden Personen im Haushalt sinkt der Stromverbrauch pro Kopf.
Der durchschnittliche Tagesstromverbrauch in Deutschland liegt bei ca. 350 Mio. kWh pro Tag.
Der durchschnittliche Jahresstromverbrauch in Deutschland beträgt pro Jahr ca. 585 Milliarden kWh entspricht ca. 585 GWh (Gigawattstunden)
Der durchschnittliche Jahresstromverbrauch der Welt pro Jahr liegt bei ca. 16.950.000.000.000 kWh.

 

Energiegewinnung

Als erneuerbare oder regenerativer bezeichnet man Energiearten die sich von selbst wieder erneuern.

Der Energiebedarf auf dieser Welt wird von drei Energieträgern abgedeckt:
- fossilen Energien
- nuklearen  Energien
- erneuerbaren Energien

Solarenergie

Es sind einige Projekte in Südafrika geplant, die Sonneneinstrahlung ist fast dopelt so hoch ist wie in Europa.

Die Energie des Planeten Sonne steht uns fast unbegrenzt zur Verfügung und ohne unerwünschte und schädliche Abfallprodukte wie z.B. Feinstaub oder CO².
Die besten Eissatzorte für Photovoltaik sind windreiche Gebiete wie Hügel, Berge und Meeresküsten.
Der Einsatz der Solar Energie reicht von der Stromerzeugung bis hin zum günstigen Heizen.
Ein Nachteil sind hohe Anschaffungskosten und die abnehmende Energieeffizienz der Anlagen.

Ein Knackpunkt ist aber die Speicherung der Sonnenenergie, da die Sonne leider nicht rund um die Uhr scheint.

- Photovoltaik (PVA - PV Anlage)
Umwandlung von Sonnenlicht mit Solarzellen in Strom. Circa dreiviertel der hergestellten Solarzellen bestehen aus kristallinen Silizium mit einem Wirkungsgrad zwischen 13% und 20%.

- Solarthermie (Solarwärme)
Umwandlung von Sonnenwärme mit Sonnenkollektoren in Energie. Bei Solarthermischen Kraftwerken erhält man als Nutzenergie Wärme.


Wasserkraft

Norwegen gewinnt seinen Energiebedarf zwischen 98%-99% aus Wasserkraft. Es reicht nicht nur für den eigenen Energiehaushalt,  es wird auch Strom exportiert.
Um den Höhenunterschied und das Gefälle des Wassers zu Nutzenergie umzuwandeln sind Optimierungen der Wasserläufe notwendig. Auch Stauseen müssen hierfür angelegt werden. Aus ökologischer Sicht sind diese Vorgehensweisen unbedenklich.
Bei Wasserkraft wird ein Wirkungsgrad von bis zu 90% erzielt!

Beispiele für Wasserkraft:
- Staudämme
- Nutzung der Gezeiten (Ebbe und Flut)
- Wellenenergie
- Strömungsenergie Flüsse und Meer
- Wärme der Meere

Windkraft

Bei der Windkraft gewinnt man elektrischen Strom durch Windräder. Die Mehrzahl der Windräder besitzt drei Flügel. Durch das Verdrehen der Flügel und Drehen des Kopfes zum Wind hin, passen sie sich der Windgeschwindigkeit an um eine gewünschte konstante Drehzahl abzuliefern. Bei zu hohen Wind werden die Blätter durch ein beabsichtiges Verdrehen abgebremst. Der durch die Drehung angetriebener Generator liefert Wechselstrom. Der Wirkungsgrad der Windkraft liegt bei ca.80%.

Geothermie

Island gewinnt seinen benötigten Strom zu ca. 99% aus regenerativen Energiequellen. Ca. 20% werden aus der Geothermie gewonnen. Island ist das Vorzeigeland für die Geothermie und besitzt hierfür auch sehr großes Wissen und Know-How.
Wärme aus dem Erdinneren wird für die Gebäudeerwärmung oder -kühlung und als Nutzenergie für Wärme und Kälte genutzt.
Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftanlage liegt bei ca. 30%.

Biomasse

Unter der Biomasse versteht man die Gewinnung von regenerativen Energien aus tierischen und pflanzlichen organischen Stoffen und Substanzen.
Sie werden nochmals unter festen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen unterteilt.
 

Beispiele für Biomasse sind:
- Biogas
- Pflanzenöl
- Biowasserstoff
- Biodiesel
- Biowasserstoff
- Bioethanol
- Holz

Biodiesel und Pflanzenöl sind vielen Verkehrsteilnehmern ein Begriff. Spätestens seit dem Kraftstoff E10 ist Bioethanol in aller Munde. Dem Benzin werden 10% Bioethanol beigemischt. Diese Spritsorte wird immer noch nicht so akzeptiert wie von den Herstellern und Staat gewünscht. Sprit E85 besteht aus 15% aus Benzin und 85% aus Bioethanol. Biogas ersetzt teilweise oder ganz das Erdgas.

Bei der Biomasse werden je nach Art und Anwendung Wirkungsgrade von bis zu 80% erzielt.

 

Links:

Auto Kraftstoffarten

Elektroautos

Erklärung vom Hybridantrieb

Bauarten von Autobatterien

Motorbauarten

 

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Elektroauto mit Elektromotor

Laut unserer Bundesregierung sollen bis zu zum Jahr 2020 1 Million Elektrofahrzeuge auf deutschen Strassen unterwegs sein. Ein sehr ambitioniertes Ziel. Im Jahre 2012 betrug die Zahl der Neuzulassungen für Elektrofahrzeuge knapp 3000 und im Jahre 2013 über 6000 Stück. Ein Tropfen auf den heissen Stein bei knapp 3 Millionen Neuzulassungen für Personenkraftwagen im Jahr 2013. Dennoch ist die Tendenz steigend und früher oder später wird ein beträchtlicher Energie- und Strombedarf für diese Fahrzeuge benötigt werden.

Der Verbrauch liegt durchschnittlich bei 15 KWh bei Kleinwagen und 20 KWh bei Mittelklassewagen für eine gefahrene Strecke von 100 km. Dies trifft allerdings bei einem neuen Akku und bei warmen Temperaturen zu. Im Winter kann sich die Reichweite sehr schnell halbieren. Des weiteren sinkt auch die Reichweite bei höheren Geschwindigkeiten.

In den heutigen Zeiten sind erneuerbare Energien, alternative Antriebe, Feinstaub, CO²- und Schadstoffemissionen hochbrisante Themen.
Nachdem man plötzlich gemerkt hat, das uns die Erdölvorräte auf unserem Heimatplaneten Erde nicht ewig mit Energie versorgen können wird eifrig an alternativen Antrieben geforscht und disskutiert.

Das Elektroauto ist nichts wirklich neues. Schon 1882 fuhr Siemens in Berlin mit einem Kutschenwagen Electromote genannt, in dem ein Elektromotor eingebaut wurde und den Strom aus Oberleitungen bezog auf einer Strecke von ca. 1/2 Kilometer. Diese Technik wird noch heute von der Bahn und Verkehrsvertrieben eingesetzt.
eingesetzt. Am 3.Juli 1986 startete erstmals der Erfinder Carl Benz mit seinem Patent-Motorwagen Nr. 1 und eingebauten Einzylinder Verbrennungsmotor durch die deutsche Stadt Mannheim. Bis in die Jahre 1950-1960 wurden Elektroautos z.B. bei der Post und Molkereien eingesetzt. 1935 fuhren ca. 42% aller Autos in Amerika, insbesondere Lieferanten und Taxis, mit Elektromotor.

Damals wie heute ist der Knackpunkt des Elektoautos die Batterie. Batterien mit Blei (Blei-Batterie) ist die am häufigsten eingesetzte Batterie für Elektoautos (1990) und für herkömmliche Starterbatterien.
Nickel Cadmium Batterien erreichen eine grössere Enenergieverfügbarkeit, sind aber teurer in der Anschaffung.
Den Lithium Ionen Batterien und Akkus gilt derzeit das Hauptaugenmerk der Industrie. Noch ist diese Art von Akkus teuer und noch nicht wirtschaftlich.

Die Batterien für Elektroautos sind derzeit noch unwirtschaftlich, da die Preise zu hoch sind. Auch die Ladezeiten stellen noch Probleme dar.

Reinrassige Elektroautos sind zur Zeit noch hoch im Anschaffungspreis, bieten wenig Platz und liegen bei Reichweiten zwischen 100 km und 300 km. Das reicht zwar für die Fahrt ins Büro und zurück, aber welcher Chef sieht es gerne wenn man sich an der firmeneigenen Steckdose bedient.  Bei Aufladezeiten von bis zu 9 Stunden am normalen Stromnetz und ca. 20-30 min an einer Schnellladestation und dem geringen Ausbau des Strom-Tankstellennetzes stellt sich die Frage wer die Nutznießer ausser den Stromkonzernen sind - hier profitieren die Tankstellen - was macht man in einer halben Stunde? Man gönnt sich einen Kaffee oder einen Snack.

Eine weitere Einschränkung für den Elektromobil Besitzer -  da nur geplante Fahrten auf Grund der Reichweiten möglich sind, wird eine spontane Fahrt in den Urlaub oder für einen Kurztrip wahrscheinlich am Strassenrand mit dem Autosymbol Hinweis enden "Bitte aufladen".

Wir blicken gerne weiter in die Zukunft.

Eine echte Alternative bis zur Erschwinglichkeit und Marktreife der Elekroautos bilden Autos mit Hybridantrieb.

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Kraftstoffarten

Erdöl wird durch Destillation hauptsächlich in leichte Stoffe und schwere Stoffe getrennt.
Leichte Stoffe sind u.a. Gase, Kraftsoffe und leichtes Heizöl.
Schwere Stoffe sind u.a. Bitumen für Asphalt, Schmierstoffe und schweres Heizöl

Deutschland hat ca. einen Jahresbedarf von 100 Millionen Tonnen (Mt) Rohöl.
Die Hauptöllieranten sind Russland, Norwegen, Großbritannien, Libyen und Kasachstan.

Benzinsorten

Benzin ist ein flüssiger Kraftstoff.
Hauptbestandteile des Benzins sind Kohlenwasserstoffe (ca.200).

Die Kraftstoffe müssen die DIN EN 228 für den Betrieb von Ottomotoren erfüllen.
„Research-Oktanzahl“ (ROZ), ROZ gibt die Klopffestigkeit an.

Bleifrei Normal Benzin (91 ROZ), 91 Oktan

Bleifrei Super (95 ROZ), 95 Oktan

Bleifrei Super Plus (98 ROZ), 98 Oktan

Bleifreies Benzin kann eine Beimischung von bis zu 5 Prozent Bioethanol enthalten
Benzin für Rennfahrzeuge in der Formel 1 besitzen (102 ROZ), 102 Oktan

E10

Zusammensetzung: 90 Prozent Benzin, bis max. 10 Prozent Bioethanol
Handelsnamen: E10, Super E10
Umstrittener Kraftstoff in Deutschland. Durch den erhöhten Bioethanolanteil können Motorschäden auftreten, da es bis jetzt noch keine Langzeittests gibt. Die Beweislage für den Autobesitzer bei einem Schadensfall ist schwierig ob Verschleiß an Gummi- und Aluminiuimteilen vorliegt oder ob es von E10 verursacht wurde.
Des weiteren entsteht ein größerer Kraftstoffverbrauch als zum normalen Super Benzin. Auch von einem schlechteren Startverhalten der KFZ's wurde berichtet.

Premiumkraftstoffe Benzin
Hier sind Zusätze (Additive) beigemengt. Die Premium Kraftstoffe sollen für eine längere Laufleistung bzw. weniger Verbrauch sorgen. Auch versprechen Sie eine sauberere Verbrennung und weniger Ablagerungen bzw. eine Säuberung im Motor.

Beispiele für Premiumbenzin:
Aral: Ultimate 100, 100 Oktan
Shell: V-Power Racing, 100 Oktan

Diesel

Diesel ist ein flüssiger Kraftstoff.
Hauptbestandteile des Diesels sind Kohlenwasserstoffe (ca.300).

Beimischung von bis zu 10 Prozent Biodiesel.

Beispiele für Premium Diesel
Aral Ultimate Diesel

Shell: V-Power Diesel

Diesel im Winter

Diesel kann im Winter bei Temperaturen von ca. - 22°C ausflocken. In der Umgangssprache sagt man: "der Diesel friert ein".
Bei unter minus 22°C bilden sich Kristalle aus Paraffin. Man sagt auch "versulzen" zu diesem Vorgang. Etwa wie bei Honig,
wenn er vom flüssigen Zustand in den kristallinen Zustand übergeht. Die Kraftstoffleitungen und auch der Kraftstofffilter verstopft.
Hier hilft meißt nur das Auto aufzuwärmen und den Filter auszuwechseln. Auf den alten Trick, dem Diesel Benzin zuzugeben,
sollte man in der heutigen Zeit nicht mehr zurückgreifen - er ist Schnee von gestern. Benzin zerstört den Schmierfilm des Diesels und er kann abreissen - Motorschaden.
Auch das Aufwärmen von Leitungen und Tank mit einer Lötlampe kann zu Explosionen führen.
Es wird auch Premiumdiesel bis minus 35°C bei Tankstellen angeboten. Er kostet zwar 10 Cent pro Liter mehr, ist aber bei Grenztemperaturen
um die minus 20°C die bessere Wahl, wenn man nicht stehen bleiben will.



Alternative Kraftstoffe

Alternative Kraftstoffarten werden in zwei Gruppen eingeteilt:
Alternative Kraftstoffe aus Erdöl (fossil) und  Bio-Kraftstoffe (nachhaltige Energieträger).

Vertreter für alternative Kraftstoffe aus Erdöl sind Erdgas (CNG) und Autogas (LPG)

Vertreter für alternative regenerierbare Kraftstoffe sind Biogas, Bioethanol,  Biodiesel und Wasserstoff.

Die Regierung von Deutschland hat eine Steuervergünstigung für Autogas und Erdgas für KFZ bis 2018 beschlossen.

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Hybrid Antrieb

Das Wort Hybrid kommt aus der griechischen Sprache und hat die Bedeutung von Arten Mischung, Mischform oder auch Kombination.
Der Hybridantieb ist eine Kombination aus Verbrennungsmotor(Benzin oder Diesel) und Elektromotor.

Nach Antriebsart

Seriell Hybrid
Der Verbrennungsmotor hat keine Verbindung zum Antriebsstrag. Er ist nur für die Stromerzeugung zuständig.
Er gibt seine Energie an der ersten E-Motor (Generator) weiter. Der zweite E-Motor, es können auch mehrere sein treiben das Auto an. Zwischen den beiden E-Maschinen sitzt ein Energiespeicher (Batterie).


Parallel Hybrid
Beim Parallel Hybrid sind sowohl der Verbrennungsmotor als auch die E-Maschine mit dem Antriebsstrang verbunden.


Leistungsverzweigter Hybrid (Power Split Hybrid System)
Ein Teil der Energie des Verbrennungsmotors wird direkt an den Antriebsstrang geleitet.
Beim anderen Teil dient der Verbrennungsmotor als Stromerzeuger, der den Generator speist. Diese Energie wird dann über E-Maschinen an den Antriebsstrang weitergeleitet.


Hybridarten

Micro Hybrid
Auch Start und Stop System oder Stop-Start System genannt. Beim Halten oder an der Ampel wird der Verbrennungsmotor abgeschaltet und beim Anfahren durch den Elektromotor wieder gestartet. Der Elektomotor wird auch E-Motor oder E-Machine genannt.
Der Micro Hybrid kann seine Vohrzüge hauptsächlich im Stadtverkehr ausspielen, da durch das Start-Stop System Kraftstoffverbrach und Emissionen verringert werden.


Mild Hybrid
Zusätzlich zum Start und Stop System wird der Verbrennungsmotors bei der Beschleunigung (Boosten, Boost Effekt)durch den E-Motor unterstützt.
Da der Elektromotor hier auch als Generator genutzt wird, kann beim Bremsen durch Rekuperation Energie wieder an die Batterie zurückgeführt werden.
Dieser Vorgang der Energierückgewinnung wird als Rekupieren bezeichnet.
Der Mild Hybrid ist nicht zum alleinigen elektrischen Fahren ausgelegt.


Full Hybrid
Der Full Hybrid besitzt die Eigenschaften von Micro und Mild Hybrid.
Bei dieser Hybridart (Vollhybrid) ist rein elektrisches Fahren oder herkömmlicher Betrieb mit Verbrennungsmotor möglich.


Plug-In Hybrid
Der Plug-In Hybrid kann zusätzlich zu den Eigenschaften des Full Hybrids (Voll Hybrid) an einem Stromnetz aufgeladen werden.
Da bei dieser Hybridart größere Distanzen zurückgelegt werden sollen, geht der Trend zu Lithium Ionen Akkus die auch in Elektro-Autos verwendet werden.
Einen Sonderfall stellt der Range Extender (Reichweiten Verlängerung) dar.
Bei Bedarf wird die Batterie des Elektromotors durch einen kleinen Verbrennungsmotor unterstützt um die Batterieleistung zu stabilisieren.


Begriffserklärung und Bedeutungen beim Hybrid Antrieb

Boosten
Von Boosten oder Boost Effekt spricht man, wenn der Verbrennungsmotor beim Beschleunigen von einem oder mehreren Elektromotor/n unterstützt wird.

Downsizing
Wenn ein PKW einen kleineren Verbrennungsmotor besitzt, als in der normalen Fahrzeug-Klasse.

E-Maschine
Die E-Maschine wird auch als E-Motor oder Elektromotor bezeichnet.

Generator
Der Generator formt die erhaltende Energie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie um. und speist den/die E-Motor/n für den Antrieb.

Hybridbatterie
Die Hybrid-Batterie oder nur Batterie genannt ist ein Akkumulator (Akku).
Sie wird durch den Vebrennungsmotor, Rekuperation oder Fahren aufgeladen und gibt die gewonnene Energie an den Generator weiter.

Range Extender
Die Reichweiten Verlängerung wird durch Unterstützung der E-Maschine durch einen Verbrennungsmotor erzielt.
Durch den Verbrennungsmotor wird der Ladezustand der Batterie aufrechterhalten.

Rekuperation
Der Vorgang der Eneriezurückgewinnung wird als Rekupieren bezeichnet.
Da der Elektromotor als Generator genutzt wird, kann beim Bremsen durch Rekuperation Energie wieder an die Batterie zurückgeführt werden.

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Alternative Antriebe

Autogasmotor LPG (Liquefied Petroleum Gas)

Autogas wird auch als Flüssiggas bezeichnet.
Der Motor ist ein normaler Ottomotor und wird mit komprimierten Erdgas (LPG = Liquefied Petroleum Gas) betrieben.
Flüssiggas ist ein Gemisch aus ca. 60 % Propan und 40% Butan.
Autogas wird in der Einheit l (Liter) gemessen.
Im Auto erfolgt die Speicherung flüssig unter einem Druck von ca. 6-10 bar.

Zum Vergleich zu Benzin hat LPG Autogas einen Mehrverbrauch von ca. 10-20%.

Autogas ist bis zum Jahr 2018 günstiger, da bis zu diesem Zeitpunkt eine günstigere Mineralölsteuer festgelegt wurde.

Es wird zwischen monovalenter und bivalenter Antriebstechnik unterschieden:
Monovalente Autos fahren nur mit Autogas. Da der Motor besser auf Autogas abgestimmt ist, wird meisst eine höhere Effizienz erreicht.
Bivalente (Bi-Fuel-Pkw) Autos fahren mit Autogas, sowohl auch mit Benzin.


Das Tankstellennetz ist weiter ausgebaut als bei Erdgas. In Deutschland befinden sich 2009 ca.1000 Tankstellen für LPG Autogas.









Die Einfahrt in manche Parkhäuser ist für LPG Autogas bzw. Flüssiggasantrieb verboten.