Haben die Fans von Autos mit Verbrennungsmotoren recht..
... dass sich E-Autos nie durchsetzen werden oder stimmt es was E-Mobilitäts-Fans sagen, dass der Verbrennungsmotor ausgebrannt hat und sein Zeitalter zu Ende gegangen ist?
In diesem Video werde ich meine Perspektive als E-Auto-Fan verlassen und mich aus einem vernachlässigten Blickwinkel nähern, um die Fragen im Sinne der Naturgesetze zu beantworten, was wir dem Verbrennungsmotor zu verdanken haben und was es für 3 Alternativen zu ihm gibt.
Hallo, ich bin Dirk Henningsen und fahre seit 2017 die unterschiedlichsten E-Autos. Dadurch habe ich die letzten fast 8 Jahre viel Wissen zur E-Mobilität angehäuft, aber ein gefährliches Halbwissen bzw. große Lücken beim Thema Physik.
In einem Podcast, der Ganz in Ruhe heißt erklären zwei Physiker die Welt und haben sich mit dem Thema Verbrenner, oder wie sie es nennen "Wärmekraftmaschinen" auseinandergesetzt und so für mich das Thema Verbrennungs- und Elektromotoren ganz neu beleuchtet.
In der Videobeschreibungsbox findest du natürlich wie immer den Link zu den Quellen, also dem Podcast und nun in den nächsten Minuten meine Zusammenfassung der Podcastinhalte von mehreren Folgen sowie meine Einordnung.
Gerade als E-Auto-Fan habe ich einen sehr negativen Blick auf den Verbrennungsmotor, so dass ich es sehr interessant fand, wie die beiden Physiker ihre Begeisterung für die Wärmekraftmaschinen begründet haben.
Was unbestritten ist, der Verbrennungsmotor hat uns durch seine Erfindung in Form von Dampfmaschinen die Industrialisierung und das heutige Leben ermöglicht.
Auch wenn die ersten Dampfmaschinen nur 3% der Energie in Bewegungsenergie umwandeln konnten, haben sie viel Menschenkraft oder den Einsatz von Pferden oder anderen Lasttieren ersetzt.
Interessanterweise hat die Erfindung der Wärmekraftmaschinen es auch erst möglich gemacht die Rohstoffe, die für ihren Unterhalt erforderlich sind in den großen Mengen, die zu ihrem Betrieb gebraucht werden, zu fördern.
Ohne die Pumpen die das Grundwasser in den Kohlebergwerken abgepumpt oder die frische Luft reingepumpt haben, konnte nicht so tief im Berg nach Kohle gegraben werden.
Der Überfluss an Brennstoff, erst Kohle dann Erdöl hat die hohe Ineffizienz der Wärmekraftmaschinen überspielt.
Unterstützt wurde dies durch den hohen Energiegehalt von Benzin und Diesel, die in einem Liter 9kWh bzw. 10kWh speichern können.
Man kann also mit einer kleinen Menge Treibstoff große Strecken zurück legen obwohl der Großteil des Treibstoffs als Wärme verpufft und nur ein kleiner Teil für den Vortrieb genutzt werden kann.
Selbst die klügsten Köpfe über die Jahrhunderte konnten die Naturgesetze nicht austricksen und so konnte zwar der Wirkungsgrad der Dampfmaschine von 3% auf 10% erhöht werden und die vom Verbrennungsmotor sogar noch stärker, aber es bleibt dabei, der erste und zweite Hauptsatz der Thermodynamik verhindert auch heute noch, den Großteil in Bewegungsenergie umwandeln zu können.
Das führt uns zu den Problemen mit der Verbrennung:
Verbrennungsmotoren können nicht weiter entwickelt werden, um einen besseren Wirkungsgrad zu erhalten. Das verhindern physikalische Gesetze, oder anders ausgerückt Naturgesetze, um ganz genau zu sein das Naturgesetz, das als der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bekannt ist.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der "Energieerhaltungssatz" und besagt:
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann immer nur von der einen in die andere Energieform umgewandelt werden.
Im Verbrennungsmotor bedeutet das, dass die chemische Energie durch die Verbrennung in Wärme umgewandelt wird aus der dann die Bewegungsenergie entsteht.
Darüber hinaus gilt auch der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Er lautet:
Wärmeenergie kann durch eine periodisch arbeitende Maschine wie z.B. ein Motor, niemals vollständig umgewandelt werden in Arbeit und damit in Bewegung.
Das heißt ein Teil der Wärmeenergie muss prinzipiell immer an die Umgebung verloren gehen und somit aus Sicht der Maschine nutzlos verpuffen.
Warum ist das so?
Warum macht der zweite Hauptsatz Wärme so wertlos, z.B. im Vergleich zu Bewegungsenergie oder elektrischer Energie?
Denn Bewegungs- und elektrische Energie ist für uns besser verwendbar als die Wärmeenergie.
Der Grund ist die sogenannte Entropie oder umgangssprachlich "Unordnung". Damit wird beschrieben, dass jeder Prozess im Universum zu mehr Unordnung führt.
Wärme ist bereits die "unordentlichste" Form der Energie, die es gibt.
Das bedeutet am Ende von Energieumwandlungsprozessen muss immer mehr Wärme vorhanden sein als vorher.
Was bedeutet jetzt Unordnung bei der Wärme?
Man kann die Unordnung sich gut bei Wasserdampf erklären. Im Dampf wirbeln viele Moleküle unordentlich durcheinander und werden dann aber in einer Dampfmaschine in eine geordnete Bewegung überführt.
Die Überführung von Unordnung ist geordnete Bewegung ist möglich, aber dafür muss man einen Preis zahlen, dass nur ein geringer Teil dieser unordentlichen Energie für die geordnete Bewegungsenergie genutzt werden kann und nach dem Umwandlungsprozess wieder mehr Unordnung bzw. Wärme als vorher entsteht.
Grundsätzlich gilt für Wärmekraftmaschinen, dass aus ihnen nur Bewegungsenergie gewonnen werden kann, wenn auf der einen Seite eine hohe Temperatur für die Verbrennung erzeugt wird und auf der anderen Seite die Maschine wieder massiv herunter gekühlt wird.
Ohne Kühlung würde die Maschine überhitzen und die Bewegungsenergie nicht mehr gewonnen werden können.
Um einen hohen Wirkungsgrad bei einer Wärmekraftmaschine zu erzielen muss der Unterschied zwischen der Verbrennungstemperatur und der Kühltemperatur so hoch wie möglich sein.
So könnte z.B. in der Brennkammer des Motors die Temperatur 500 Grad betragen und von außen wird der Motor, speziell der Kolben auf 100 Grad herunter gekühlt. Deswegen haben Verbrennungsmotoren auch ein so aufwändiges Kühlsystem.
Rein rechnerisch kann der beschriebene Motor mit der Temperaturdifferenz von 500 zu 100 Grad maximal 50% Wirkungsgrad haben.
Mehr geht nicht. Die Wärme der Verbrennung kann nur zur Hälfte in Bewegung umgewandelt werden.
Im Dieselmotor wird z.B. mit 800 Grad und hohem Druck gearbeitet, so dass rein rechnerisch ein Wirkungsgrad von 65% erzielt werden kann, in der Praxis nach über 100 Jahren Entwicklung liegt er bei 43% wenn alle Rahmenbedingungen stimmen, beim ersten Dieselmotor soll er bei 25% gelegen haben.
Nur zur Erinnerung. Ein moderner Otto-Motor hat 40% Wirkungsgrad, immer, auch beim Diesel unter optimalen Bedingungen, sprich dass die Drehzahl stimmt und alle Temperaturen der Verbrennung, Kühlung, Reibung, Last des Motors usw. Der Grund für die geringere Effizienz ist unter anderem die geringere Verbrennungstemperatur im Motor und der geringere Druck.
In der Praxis kann man durchaus von 12% Wirkungsgrad für einen Benziner oder 14% für einen Dieselmotor ausgehen, da sehr selten optimale Bedingungen gelten, bei dem typischen Kurzstreckenprofil des deutschen Autofahrers. Legt man einen Drittelmix aus Stadt, Land und Autobahn zugrunde landet man bei ca. 25% Wirkungsgrad.
Es werden somit 75% der im Kraftstoff enthaltenen Energie verschwendet und nicht für den Vortrieb genutzt.
Zu der geringen Effizienz aufgrund der Naturgesetze kommen weitere Probleme bei der Verbrennung:
Erstens:
Die Energie-Verschwendung bei der Verbrennung ist nur das erste Problem, das zweite ist der hohe Energieaufwand für die Erzeugung der Kraftstoffe, also von der Exploration über die Raffenerierung bis hin zur Pumpenergie in den Tank des Kraftfahrzeugs an der Tankstelle.
Nur als Hintergrund: 40% aller Güter die auf den Weltmeeren unterwegs sind, sind fossile Kraftstoffe.
Einige Studien haben den Energieaufwand ermittelt, der erforderlich ist, bis der Treibstoff im Tank landet. Sie gehen von 7kWh je Liter Treibstoff aus.
Zweitens:
Fossile Kraftstoffe sind endlich. Was wir in wenigen Jahrzehnten verbrannt haben ist in etlichen Millionen Jahren entstanden. Man könnte auch sagen in der Zeit in der wir die fossilen Kraftstoffe verbrauchen wird nichts gleichzeitig erzeugt. Es sind keine nachwachsende Rohstoffe.
Drittens:
Die Verbrennung setzt unweigerlich CO2 frei, die zur Erderwärmung führt, die wir heute schon messen.
Hinzu kommen bei Punkt 1 und 3 auch noch die schädlichen Abgase, die uns Menschen und die Natur schädigen und so zu hunderttausenden Toten pro Jahr alleine in Deutschland führen.
Was können wir tun, um diesen Teufelskreislauf zu durchbrechen, z.B. um CO2 zu reduzieren?
Es gibt 3 Wege:
Erstens wir stoppen die Verbrennung und schaffen z.B. alle Verbrennungsmotoren ab. Nicht nur die in den Fahrzeugen, sondern auch die in den Kraftwerken oder der Industrie.
Zweitens wir fangen das CO2 auf und verklappen es, z.B. in unterirdischen Speichern.
Drittens wir verbrennen CO2-neutrale Kraftstoffe.
Lass uns mit dem dritten Weg beginnen:
E-Fuels:
E-Fuels sind künstlich erzeugter Treibstoff.
Der Vorteil und das häufig genannte Argument für E-Fuel ist: Die Herstellung bindet CO in dem Umfang in dem er später bei der Verbrennung wieder freigesetzt wird.
Die Herstellung ist mit elektrischer Energie möglich, wenn diese CO2-neutral erzeugt worden ist, wäre der gesamte Prozess der E-Fuels CO2-neutral.
Nichts desto trotz werden bei der Verbrennung giftige Abgase freigesetzt, die in dieser Betrachtung fehlen, da nur auf das CO2 geschaut wird.
Darüber hinaus haben E-Fuels zwei Haken:
Erstens:
Die Herstellung kostet viel Energie, da man erst Wasserstoff herstellen muss. Dann muss man das CO2 aus der Luft filtern in der es nur zu einem halben Promille enthalten ist, was auch wieder sehr viel Energie kostet.
Maximal die Hälfte der Energie, die man zur Erzeugung aufwenden muss landet im E-Fuel. Die andere Hälfte ist wieder als Abwärme verpufft.
Zweitens:
Der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors bleibt gleich schlecht, es gehen also in der Praxis noch einmal 75% der im E-Fuel enthaltener Energie verloren.
Wenn man das alles zusammenrechnet kann man von der CO2-neutralen elektrischen Energie z.B. aus einem Windrad die für die Wasserstoffproduktion eingesetzt worden ist, rund 10% in Bewegungsenergie fürs Auto nutzen.
D.h. wir sind auf dem Wirkungsgrad einer Dampfmaschine. Ob das dem Porschefahrer gefällt, der E-Fuels in seinen Sportwagen füllen will?
Nichts desto trotz werden E-Fuels ihre Existenzberechtigung nach Einschätzung der Physiker haben. Überall dort wo das wichtigste Kriterium die Energiedichte ist, wie z.B. aktuell noch in der Luftfahrt oder in den Fällen in den die chemischen Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffe für industrielle Prozesse benötigt werden.
In Autos haben E-Fuels nichts zu suchen. Denn um sie massenhaft herstellen zu können würde extrem viel elektrische Energie gebraucht werden, die in absehbarer Zeit zusätzlich zu dem ganzen anderen Energiebedarf nicht produziert und verteilt werden kann.
Das Problem mit dem zweiten Weg, das entstehende CO2 aufzufangen ist, dass der Prozess sehr aufwändig ist, so dass die dafür erforderliche Technik nicht in einem Auto eingebaut werden kann.
Sinn macht das Verfahren nur in großen Fabriken, wie z.B. Zementwerken in denen das auch schon erprobt wird.
Wenn man es eingefangen hat muss man es zum Endlager bringen und dort auch noch einlagern, was ein weiterer sehr großer Aufwand ist.
Bleibt noch der erste Weg, die Verbrennung komplett zu stoppen.
Hier geht es ja nicht nur um die Verbrennungsmotoren in den PKWs, sondern auch um Kohlekraftwerke, die auch den gleichen thermodynamischen Gesetzen unterliegen wie der PKW-Motor, nur kann man da die Abwärme z.B. noch nutzen, um Fernwärmenetze zu unterhalten und Haushalte zu heizen.
Ist es überhaupt realistisch, die Verbrennung komplett zu stoppen?
Wie viel Brennstoff müssen wir mit anderen Energien ersetzen, um keine Verbrennung mehr nötig zu haben?
Wir verbrennen heutzutage jeden Tag auf der Welt
16 Mrd. Liter Öl
10 Mrd. Kubikmeter Erdgas
23 Mio Tonnen Kohle
Wie gesagt: Pro Tag!
Ein sehr kleiner Teil davon wird in der Industrie genutzt, der ganze große Rest wird verbrannt um Wärmekraftmaschinen zu betreiben.
Diese unvorstellbar hohen Mengen an Energie von heute auf morgen zu ersetzen, ist schwierig. Aber es gibt bereits marktfertige, käuflich erwerbbare Alternativen zum Verbrennungsmotor, den Elektromotor.
Wir reden somit vom E-Auto.
Der Elektromotor ist keine Wärmekraftmaschine. Für ihn gelten andere physikalische Gesetze. Er kann problemlos bis zu 95% der eingesetzten Energie in eine Drehbewegung überführen.
Natürlich hat man auch hier im Auto den Reibungsverlust und auch noch einen Akku sowie die Elektroarchitektur im Auto die Energie verliert, so dass man im realen Betrieb auf 60 - 70% Wirkungsgrad kommt.
Ein Nachteil des E-Autos ist der Akku. In ihm kann bei gleicher Größe wie von einem Autotank nur ca. 10% der Energie gespeichert werden, die in einer vergleichbaren Menge Treibstoff ist.
So fahre ich mit meinem Kia EV6, der 73,4kWh nutzbaren Energiegehalt hat, mit so viel Energie herum wie in rund 7 Liter Treibstoff ist. Das ich damit trotzdem bis zu 600km in der Stadt fahren kann ist dem hohen Wirkungsgrad und auch noch der Energierückgewinnung, der Rekuperation geschuldet.
Wenn der Verbrennungsmotor so ineffizient und der Elektromotor so effizient ist. Warum fahren dann nicht alle E-Autos? Warum nutzen wir noch so viele Wärmekraftmaschinen?
Die Antwort ist vielschichtig und doch einfach.
Um die Wärmekraftmaschinen hat sich ein umfangreiches Geschäftsmodell entwickelt, ein Milliardenmarkt dessen Marktteilnehmer weiterhin Gewinne erwirtschaften wollen.
Die endliche Energie für die Wärmekraftmaschinen wird viel günstiger angeboten als Strom.
Bedenkt man, dass alleine 7kWh Energie benötigt werden, bis 1 Liter Treibstoff im Tank landet und nimmt nur den Hausstrompreis von 30 Cent je kWh, dann müsste der Liter Treibstoff schon 2,1 Euro nur deswegen kosten und dabei wurden noch nicht die ganzen anderen Kosten berechnet, die in den gesamten Prozess entstanden sind.
Daran sieht man deutlich wie verzerrt das Bild ist und wie massiv Treibstoff subventioniert wird.
Trotz dieser Marktverzerrung hat das E-Auto sehr gute Chancen, sich langfristig gegen Autos mit Verbrennungsmotor durchzusetzen, da es den Effizienzvorteil hat und die Entwicklung noch ganz am Anfang ist.
Die Batterien werden kontinuierlich besser und billiger, können immer mehr Energie speichern und überdauern mittlerweile schon weit ein Autoleben.
Die Technologie der Wärmekraftmaschinen ist nach über 100 Jahren Entwicklung und ungünstigen Naturgesetzen ausgereizt und am Ende ihres Zeitalters angekommen.
Wie siehst du die Situation?
Ich bin gespannt auf deinen Kommentar.
Ich freue mich, wenn wir uns im nächsten Video wiedersehen.
Bis dann. Dein Dirk Henningsen
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