Wärme im Alltag

Wärme im Alltag
Didaktik der Physik
Marco Walser
WS 2006/07
Inhalt
• Motoren
• Heizung
– Geschichte
– Energiequellen
– Anforderungen
– Zentralheizung
– Arten
– Kosten und Energiegehalt
verschiedener Brennstoffe
• Dampfmaschine
• Dampfturbine
• Verbrennungsmotor
– Dieselmotor
– Ottomotor
– 2-Taktmotor
– 4-Taktmotor
– Kühlung
• Wasserstoffantrieb
– Wasserstoffverbrennungsmotor
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Motoren
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Motoren
Ein Motor (lateinisch: Beweger) ist eine Vorrichtung, die mechanische Arbeit
verrichtet, indem sie andere Energieformen, zum Beispiel thermische Energie,
chemische Energie oder elektrische Energie, umwandelt.
4
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
5
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
6
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Arten von Motoren
•
Dampfmaschine
•
Dampfturbine
•
Verbrennungsmotoren
•
Gasturbinen
•
Raketenantrieb
•
Elektromotor
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
13
Wassertropfen
•
6 - 1: Kondensation des nassen Dampfes im Kondensator
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Dieselmotor / Ottomotor
Nachteile des Dieselmotors gegenüber dem leistungsgleichen Ottomotor:
•
Höherer Ausstoß von Stickstoffoxiden gegenüber einem Benzinmotor mit 3Wege-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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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.
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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“
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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 KraftstoffLuft-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.
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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.
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Animationen
Animation 4-Taktmotor
Animation 4- Zylindermotor
Animation Dieselmotor
Animation 2-Taktmotor
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Kühlung (Verbrennungsmotor)
•
Wassergekühlt
•
Luftgekühlt
•
Ölgekühlt
•
Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung
30
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
31
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
34
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
35
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
36
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
37
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Wasserstoffantrieb
•
Wasserstoff als Treibstoff
•
Konzepte:
– Wasserstoffverbrennungsmotor
– Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor
– Nutzung als Treibstoffkomponente in Raketen
40
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
41
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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 GasLuftgemisch)
•
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
44
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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)
45
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Heizung
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Heizung
Einrichtung zur Erwärmung von Objekten oder Räumen
 Gebäudeheizung, Raumheizung, Zentralheizung, Fernheizung,
Fahrzeugheizung, Kohleheizung, Gasheizung, Elektroheizung,
Wärmepumpenheizung, Pelletheizung,…
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Energiequellen
•
Erdgas
•
Flüssiggas
•
Heizöl
•
Kohle
•
Stroh
•
Holz
•
Biogas
Weitere Energiequellen:
– elektrischer Strom
– gespeicherte Sonnenenergie
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
– Kohle
49
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
50
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Zentralheizung
Die Zentralheizung (Sammelheizung) sorgt für die Energieumwandlung für ein
oder mehrere Räume oder Gebäude über eine Fernheizung zentral.
Arten:
•
Warmwasserheizung
•
Dampfheizung
•
Warmluftheizung
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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 %
53
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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.
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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.
55
Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Berechnung einer Raumheizung
Berechnung des Wärmedurchgangs der Raumbegrenzungsflächen
Abströmende Wärme muss als Heizleistung zugeführt werden
Q  U  A  (t2  t1 )
Q = Leistung in W
U = Wärmedurchgangszahl in W / (K * m²)
A = Fläche in m²
t1 = Außentemperatur in °C
t2 = 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
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
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.)
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Kosten
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Wärme im Alltag – Motoren und Heizung
Kosten / Energiegehalt
Brennstoffkosten Vergleich
Brennstoff
Flüssiggas
Erdgas
Öl
Scheitholz
Hackschnitzel
Holzpellets
6,77 kWh/Liter
10 kWh/m³
10 kWh/Liter
1500
kWh/Ster
755 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 €
Energieinhalt
Einfamilienhaus, Gemäß WSVO 1994
Heizfläche: 150m²
Heizlast: 12 kW
Anlagengröße: 15 kW
Jährliche Vollheizstunden: 1500 h
Jährlicher Heizenergiebedarf: 18000 kWh Nutzenergie
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