Interessengemeinschaft zur Förderung der Elektromobilität im Unterallgäu
Energie und Wirkungsgrad
Haben Sie sich schon einmal Gedanken darüber gemacht, wieviel Energie ein Kraftfahrzeug benötigt um eine bestimmte Strecke zurück zu legen?
Hier finden Sie ein paar Gedanken und praktische Vergleiche zu diesem Thema aufgelistet. Es mag ab und zu etwas „trocken“ zu lesen sein, lassen Sie sich aber bitte nicht davon abschrecken ganz zu Ende zu lesen.
Der Energiebedarf eines PKWs mit einer Masse von etwa 1000 kg beträgt bei einer Geschwindigkeit von 90 km/h im Durchschnitt rund 10 kWh pro 100 Kilometer.
Dies setzt voraus, dass der Fahrer weder ständig bergab fährt noch seinen nervösen Fuß auf dem Gaspedal spielen lässt. Einfach dahin rollen und sich mit dem fließenden Verkehr fortbewegen.
Es ist dabei nahezu egal, ob man ein elektrisch oder verbrennungsmotorisch betriebenes Fahrzeug sitzt. Der reine Energiebedarf zur Fortbewegung ist nämlich derselbe und nur der Reibung des gesamten Systems geschuldet. Dazu zählt hauptsächlich der Reibungswiderstand der Luft am Fahrzeug, der hauptsächlich durch die Form des Fahrzeugs bestimmt wird. Physiker bemessen diesen am sog. cw-Wert. Der Energiebedarf steigt nun leider nicht proportional zur Geschwindigkeit, sondern quadratisch. Das bedeutet, dass bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h die Energie 4x so hoch ist ein Fahrzeug voranzutreiben, als bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h. Daher setzen wir für unsere Berechnungen nun einfach einen Wert von 90 km/h an.
Vielleicht fragen Sie sich, wieso nicht 100 km/h? Ja, da haben Sie recht, wieso nicht 100 Sachen? Naja, ganz einfach. Fragen Sie sich einmal, ob Sie ständig, auch durch geschlossene Ortschaften mit 100 km/h unterwegs sind? Wohl eher nicht! Die reell gefahrene Durchschnittsgeschwindigkeit liegt sogar noch weit unter 80 km/h. Messen Sie doch bei der nächsten Fahrt nach und teilen Sie am Ende die zurückgelegte Strecke durch die dafür benötigte Gesamtzeit, dann erhalten Sie die tatsächlich gefahrene Durchschnittsgeschwindigkeit.
Übrigens, nur diese 10 km/h mehr machen gleich 23 % mehr an Energie aus.
Bei 100 km/h benötigt man das 1,234567 fache an Energie als bei 90 km/h, eine witzige Zahl, nicht wahr?
Zusätzlich spielt der Rollreibungswiderstand der Reifen auf dem Untergrund eine bedeutende Rolle. Jeder, der schon einmal mit einem Fahrrad von einer asphaltierten Straße in einen Schotterweg abgebogen ist, kennt den Unterschied aus eigener Er“fahr“ung. Es geht schwerer, sagt man dazu umgangssprachlich.
Physikalisch betrachtet muss jetzt einfach ausgedrückt mehr Energie dafür aufgewendet werden das Fahrzeug gleichmässig voran zu treiben, also nicht langsamer zu werden um letztendlich stehen zu bleiben.
Nur die beiden gewichtigsten Kräfte, die sich auf den Gesamtwirkungsgrad unseres Kraftfahrzeugs auswirken seien hier genannt.
Im weiteren Verlauf unterscheiden wir nicht mehr zwischen den verschiedenen Kräften, welche unser Fahrzeug an der Fortbewegung hindern möchten.
Wir erinnern uns: Der Energiebedarf eines PKWs beträgt im Durchschnitt rund 10 kWh pro 100 Kilometer.
Woher kommt diese Energie denn?
Doofe Frage nicht wahr? Vom Motor werden Sie sofort antworten.
Nunja, das ist richtig, aber gleichzeitig auch nicht.
In Wirklichkeit wandelt der Motor nur die eingesetzte Energie in Vortrieb um, denn käme die Energie vom Motor, dann haben Sie diesen doch im Fahrzeug eingebaut und bräuchten ihn nicht füttern.
Jetzt kommen wir zur eigentlichen Betrachtung des entscheidensten Bauteils eines Fahrzeugs, genauer gesagt zur Berechnung des Wirkungsgrads.
Der Wirkungsgrad gibt an, wieviel an Energie (oder Leistung) ein Energiewandler abgeben kann im Verhältnis zur aufgenommenen Energie (oder Leistung)
Ein benzinbetriebener Ottomotor besitzt einen bestmöglichen Wirkungsgrad von 38% jedoch wird dieser im praktischen Fahrbetrieb meist niemals erreicht. Es darf von realistischen Werten zwischen 30 und 35 % ausgegangen werden. Das bedeutet, dass nur 35 % der zugeführten Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Anders betrachtet bedeutet das allerdings, dass dabei 65 % an Energie „verloren geht“. Naja „verloren geht“ in Wirklichkeit dabei nichts, die Energie wird lediglich in Energieformen umgewandelt, die für den Anwender nicht weiter genutzt werden kann. Hier in unserem Fall „entsteht“ Abwärme.
Benziner 65 % Wärme und 35 % Energie zum Antrieb
Wenn man das genau betrachtet besitzen Sie gar keinen Motor zum Antrieb Ihres Autos, sondern eher eine Heizung auf vier Rädern!
Übrigens die Werte des Wirkungsgrads von Dieselmotoren (max. 50 %) sind im praktischen Betrieb nur geringfügig höher, was u.a. der höheren Energiedichte von Dieselöl im Vergleich zu Benzin anzurechnen ist. Dieselmotoren erreichen realistische Werte zwischen 35 und 40 %
Diesel 60 % Wärme und 40 % Energie zum Antrieb
Auch hier nicht wirklich „prickelnd“
Man wundert sich schon, weshalb wir im Zeitalter der Energiesparlampen und energiesparenden Kühlschränken etc. noch solche energieverschwenderischen Motoren in unseren PKWs betreiben?
Nun zu den Werten des Wirkungsgrads von Elektromotoren (max. 99 %) welche im praktischen Betrieb deutlich höher sind als bei allen Verbrennern. Solche Motoren erreichen realistische Werte zwischen 95 und 98 %
Elektro 3 % Wärme und 97 % Energie zum Antrieb
Unglaubliche Zahlen, aber wahr!
Wir erinnern uns nochmal: Der Energiebedarf eines PKWs beträgt im Durchschnitt rechnerisch rund 10 kWh pro 100 Kilometer.
Das macht pro Kilometer genau 0,1 kWh, soviel etwa wie eine 100 Watt Glühbirne in einer Stunde benötigt.
Jetzt rechnen wir mal mit diesem Wert und obigen Wirkungsgraden nach:
Verbrennungsmotor Elektromotor
η = 40% η = 97%
für die zugeführte Energie in Form von Kraftstoff oder elektrischer Energie
Ezu = 25,0 kWh/100 km Ezu = 10,3 kWh /100 km
für die daraus resultierenden Kosten ergibt sich derzeit
Benzin Diesel elektrischer Strom
9,3 kWh/l 9,8 kWh/l chem. Energiedichte 1,00 kWh/kWh
8,5 kWh/l 8,7 kWh/l phys. Energiedichte 1,00 kWh/kWh
2,9 l /100 km 2,8 l /100 km Verbrauch 10,3 kWh /100 km
1,55 €/l 1,38 €/l Preis pro Einheit 0,24 €/kWh
4,56 €/100 km 3,97 €/100 km theoreth. Kosten 2,47 €/100 km
Diese Werte beruhen auf dem theoretischen physikalischen Wert zur Bewegung eines Fahrzeugs von durchschnittlich 10 kWh pro 100 km.
Nun sind Verbräuche von 2,9 l auf 100 km nicht wirklich realistisch, genausowenig wie 10,3 kWh auf 100 km es sind.
Allerdings sind diese Werte bei gleichförmiger Fahrweise mit derzeitigen Autos realisierbar, das muss hier noch einmal betont werden.
Spritzig ist man damit allerdings nicht unterwegs.
Jetzt also das ganze nochmal mit praktisch ermittelten Verbräuchen und
für die daraus resultierenden Kosten ergibt sich derzeit
Benzin Diesel elektrischer Strom
4,9 l /100 km 4,4 l /100 km Verbrauch 12,8 kWh /100 km
1,55 €/l 1,38 €/l Preis pro Einheit 0,24 €/kWh
7,59 €/100 km 6,07 €/100 km theoreth. Kosten 3,07 €/100 km
4,52 €/100 km 3,00 €/100 km Mehrkosten 0,00 €/100 km
Das bedeutet, daß Sie mit einem E-Auto für knapp über 3.- Euro die 100 Kilometer zurück legen, ein Diesel verursacht für die selbe Strecke das Doppelte, ein Benziner das 2,5 fache dieses Wertes.
Der Grund ist nochmals genannt: Sie heizen damit für die zusätzlich auf-zuwendenden 3.- Euro bzw. 4,52 Euro die Umwelt auf, ohne dass Sie davon einen Nutzen haben. Wir erinnern uns 2/3 etwa ist Abwärme bei Verbrennungsmotoren.
Ach ja, noch etwas:
Ein Elektro-Fahrzeug selbst ist abgasfrei, CO2 und andere Schadstoffe können jedoch bei der Elektrizitätserzeugung freigesetzt werden, abhängig von der Art der Stromgewinnung. Während erneuerbare Energie fast verlustlos zur Verfügung gestellt werden kann (Photovoltaik), würden bei der Erzeugung des jetzigen Strommixes in Deutschland mit einem derzeitigen Primärenergiefaktor von 2,4 für die oben genannten 10 kWh/100 km dann etwa 24 kWh Primärenergie benötigt, was umgerechnet etwa 2,8 Litern Diesel entspricht, bei Generierung ausschließlich mit erneuerbaren Energieen entspräche das Null Litern Diesel.
Aber nochmal: selbst wenn der Strom für ein Elektroauto ganz unlogisch mit einem thermischen Ölkraftwerk erzeugt werden würde, das mit Diesel betrieben werden würde, dann käme man mit 2,8 Litern Diesel und dem Umweg über Elektrizität mit einem E-Auto genauso die 100 km weit.
Bei Einsatz von Elektrizität aus erneuerbaren Energien ist der Verbrauch an fossilen Energieträgern wie Kohle, Öl oder Gas gleich Null.
Die Internetseite eines bekannten E-Auto Herstellers führt schlüssig eine Energieeffizienz incl. Energiebereitstellung und -erzeugung (Well-To-Wheel = Energiequelle bis angetriebenes Rad) von 24,4 kWh/100 km für eine Motorisierung von 310 kW (420 PS) an. Dies entspricht energiekosten-technisch betrachtet Fahrzeugen mit einem Verbrauch von etwa 2,2 Litern Benzin oder Diesel oder 1,5 kg Erdgas (H-Gas) auf 100 km. Dabei wird die Elektroenergiebereitstellung und -erzeugung aus Erdgas mit einem Wirkungsgrad (Well-To-Station = Energiequelle bis Tankstelle) von 52,5 % angenommen, der Well-to-Station-Wirkungsgrad bei Diesel mit 90,1 %, Benzin mit 81,7 % und Erdgas mit 86 %.
Jedem dürfte klar sein, dass man einen 420 PS Boliden niemals mit 2,2 Litern auf 100 km fahren kann - das ist nur mit einem E-Auto machbar.
Es müssen nicht einmal 24,4 kWh/100 km sein, man schafft spielend 19,4 kWh/100 km mit dieser Motorisierung. Das hat ein genau einjähriger Langzeitversuch ergeben und entspricht umgerechnet einem Energieaufwand pro Kilometer von 194 Wh, etwa soviel wie gerade einmal 2 Stück besagter 100 Watt Glühbirnen benötigen.
Thomas Scharpf
Samstag, 21. Juni 2014
