Treibstoff Luft - anstatt Diesel, Gas oder Benzin - kein Witz!

Wassermann

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WV2ZZZ7HZ4H063xxx
Ich wollte es anfangs auch nicht glauben. Ein ehemaliger Formel 1 Motorenhersteller in Nizza scheint aber kurz vor dem Durchbruch zu stehen: Statt Diesel, Benzin oder Gas wird Luft getankt und in in speziellen Hochdruckbehältern aus Carbonfiber gespeichert.

Weitere Details hier und hier.
 

michibln

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AW: Treibstoff Luft - anstatt Diesel, Gas oder Benzin - kein Witz!

Hallo Chris,
hier meine ersten Reaktionen:

1) Aprilscherz oder was?
2) Beiträge angesehen
3) So so: Da wird also Luft in speziellen Behältern komprimiert und nachher im Fahrzeug erhitzt. - Stellt sich mir nun die Frage nach der Energiebilanz für das ganze: Das Komprimieren und Erhitzen geht nicht ohne energetischen Aufwand, so dass ich mal laienhaft denken würde, dass das ganze ein Flop ist. - Aber wenn das wirklich stimmen sollte und sich unterm Strich (also energiebilanzmäßig) rechnet: Suuuuuper.........
Warten wirs mal ab.
 
Themenstarter

Wassermann

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AW: Treibstoff Luft - anstatt Diesel, Gas oder Benzin - kein Witz!

Da wird also Luft in speziellen Behältern komprimiert und nachher im Fahrzeug erhitzt.
Ich habe auch gezweifelt. Da es jedoch von der BBC kommt, ist die Herkunft der Information als seriös einzustufen.

Wenn ich den Beitrag richtig verstanden habe, ist die Erwärmung der Luft ein geplanter, nächster Schritt, die Effizienz zu steigern. Denkbar wäre hier, die beim Bremsen vernichtete Energie einzusetzen. Ich bin sehr gespannt, wie es damit weiter geht. Für Gabelstapler, den Werkstransport und andere Industriebereiche scheint das eine gute Sache zu sein.
 

schrotti

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AW: Treibstoff Luft - anstatt Diesel, Gas oder Benzin - kein Witz!

Genial!
Tata aus Indien wird auch genannt, die arbeiten auch an einem neuartigen Automatikgetriebe, von einem Amerikaner, mit sehr wenig Reibungsverlusten für Lkw. Das Getriebe ist ideal für Motoren mit einem engen optimalen Drehzahlbereich.
Tata und BBC - nein sicher kein Scherz.
Gruß schrotti
 

dedetto

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AW: Treibstoff Luft - anstatt Diesel, Gas oder Benzin - kein Witz!

Habe es in den letzten Jahren mehrfach gelesen.
Ein Franzose baut bereits seit Jahren daran.
Jedes Frühjahr will er im Herbst in Serie gehen.

Die Idee ist genial, allein mir fehlt der Glaube.
 

Galileo

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Zum einen finde ich das nicht so wirklich revolutionär: Pneumatisch angetriebene Motoren gibt es in jedem Baumarkt in der Werkzeugabteilung.

Neue Energie wird auch nicht erzeugt, denn die Druckluft muss ja mit Einsatz irgend einer konventionellen Energie komprimiert werden.

Es geht also um die Lösung rein technischer Probleme, konkret mit einem Tank der so wenig wie möglich wiegt so viel Luft wie möglich unter möglichst hohem Druck zu speichern.

Hier:

3sat.online

habe ich was von 40 bar gelesen, nun stellt sich die Frage wie viel Energie man bei 40 bar pro Liter speichern kann, habe gerade keine Formel da und auch keine Zeit zum Rechnen.

Edit: Mal kurz gerechnet: Wenn 40 bar tatsächlich der Speicherdruck ist:

Ich komme (bei 40 bar) auf einen Energieinhalt von 6kJ pro Liter. Benzin hat um die 32 MJ, also Faktor 5000 Mal besser. Also (falls ich mich auf die Schnelle nicht verrechnet habe):

Man braucht schon ein ordentliches "Tankvolumen", und selbst dann reicht es nur für Kurzstrecke. Könnte für bestimmte Anwendungen natürlich trotzdem in Frage kommen, für das was ich mir unter einem Auto vorstelle jedoch nicht, selbst wenn der Speicherdruck und damit die Energiedichte wesentlich höher wäre, was ich allerdings kaum glaube. 40 bar in einem Carbontank ist schon recht viel.

Ich will da jetzt nichts behaupten, könnte mir aber vorstellen, dass es primär darum geht, einen Investor zu finden, der für das Prinzip Kohle auf den Tisch legt.
 
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ELW-Fahrer

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AW: Treibstoff Luft - anstatt Diesel, Gas oder Benzin - kein Witz!

40 bar in einem Carbontank ist schon recht viel.
Nein, nicht wirklich... Eine Composite-Pressluftflasche für Feuerwehr-Zwecke hat einen Nenndruck von 300 Bar und wird auf einen Berstdruck von 450 Bar getestet. Besteht aus einem dünnen Alukern (der eigentlich nur als Innen-Form dient), auf den G-/CFK aufgebracht wird.

Trotzdem ist die Idee Käse, ein richtiges Auto fährt mit dem Druck und Volumen nicht mal Kurzstrecke. Denk dir mal, du würdest den T5 mit vier überdimensionierten Schlagschraubern antreiben. Wie lange würde das Fahrzeug laufen, sogar wenn man einen grooooßen Lufttank einbauen würde? Außerdem müsste man die - sagen wir mal 200 Liter - mit 300 Bar auch regelmäßig füllen, was technisch nicht ganz so einfach ist.

Probleme:
Die Luft muss getrocknet werden
Der Tank mit 200 Litern (?) wiegt selbst mindestens 500 Kilo
Die Luftkompression ist von Wirkungsgrad her das schlechteste, was man haben kann, schon wegen der Erwärmung der Luft!

Warum so ein Projekt öffentliche Fördergelder bekommen hat, versteht kein Mensch. Naja, verkaufen kann ein guter Verkäufer vieles.

gb
 

Galileo

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Nein, nicht wirklich... Eine Composite-Pressluftflasche für Feuerwehr-Zwecke hat einen Nenndruck von 300 Bar und wird auf einen Berstdruck von 450 Bar getestet. Besteht aus einem dünnen Alukern (der eigentlich nur als Innen-Form dient), auf den G-/CFK aufgebracht wird.
Es ist eben immer eine Frage der Größe des Behälters, und diese in Relation zu seinem Gewicht.
 

ELW-Fahrer

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Ja, aber diese Teile hatten ja alle einen kompressor "on Board" oder eine Versorgungsleitung von draussen, oder? Ich sehe zumindest keinen Tank.

Wir reden ja vom miserablen Wirkungsgrad bei einem autonomen Antrieb.

Was mich aber verstört:
Angeblich ist in der nächsten Telepolis (heise-verlag, Schwester von der ct) ein Artikel drin, dass diese Autos definitiv bald in Serie gebaut werden.

Darf man hier im Forum hier zitieren? Originallink unter Technology Review | | | Fahren mit dicker Luft

"Das Herz der Druckluftfahrzeuge ist ein von Airbus hergestellter Druckbehälter aus Glasfaserkunststoff, wie er auch zur Speicherung von Flüssiggas benutzt wird; in ihn passen 90 Kubikmeter Luft, die dazu mit 300 Bar komprimiert werden. Mit einem Vierzylinder-Kolbenmotor mit 800 Kubikzentimetern Hubraum wird die in der Druckluft gespeicherte Energie dann in mehreren Schritten in Bewegung umgesetzt: Zunächst wird die Luft in einem ersten Zylinder entspannt und treibt dabei einen Kolben nach unten. Damit sie genug Zeit hat, den nötigen Druck aufzubauen, ist die Pleuelstange durch ein zusätzliches Gelenk zweigeteilt, sodass der Kolben länger am oberen Totpunkt verweilen kann. Durch den Druckabfall wird die Antriebsluft sehr kalt. In einem zweiten Schritt wird sie deshalb durch die Umgebungsluft aufgewärmt. Die dadurch erreichte thermische Ausdehnung wird in einem weiteren Zylinder...."

Für mich ist das ein Riesenkäse. Das abgebildete Auto erinnert stark an eines dieser 25-kmh-Seniorenwägelchen, da passt niemals eine Druckggasflasche mit 300 Litern Größe rein! Das waren vor der Euro-Umstellung immerhin 3 Hektoliter. Wo soll die denn drin sein? Und wie wollen die die expandierende Luft so weit erwärmen, dass über den Ausdehnungseffekt nochmals eine Wirkung erzielt wird...?

Meine Druckluftkenntnisse beschränken sich auf Kompression, Speicherung, Ausdehnung und Wärme-Delta, aber haben wir hier vielleicht noch jemanden, der sich besser auskennt und das kommentieren mag?

gb
 

Galileo

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"Das Herz der Druckluftfahrzeuge ist ein von Airbus hergestellter Druckbehälter aus Glasfaserkunststoff, wie er auch zur Speicherung von Flüssiggas benutzt wird; in ihn passen 90 Kubikmeter Luft, die dazu mit 300 Bar komprimiert werden.
Ok, gehen wir doch mal davon aus: Wieviel Liter Benzin kann man damit ersetzen?

P*V*T ist konstant.

Nehmen wir weiterhin die Temperatur T als konstant an - das würde bedeuten, dass das Gas idealerweise alle Zeit der Welt hat beim Entspannen Umgebungswärme aufzunehmen (was in der Praxis wohl nicht ganz so sein wird).

Dann wäre P*V = konstant.

Nehmen wir nun einen Liter-Würfel (10 cm*10 cm* 10 cm) mit 300 bar komprimierter Luft. Auf jeden cm^2 wirken 3 kN (für ältere Semester: 300 kp). Eine Seitenfläche des Würfels hat 100 cm^2, also wirken auf diese Fläche 300 kN.

Lassen wir nun das Gas Arbeit verrichten, indem diese Fläche nachgibt, wobei sich
der Körper auf einen Quader mit 10 cm* 10 cm *20 cm ausdehnt.

Am Ende dieser Bewegung haben wir das doppelte Volumen, und nur noch den halben Druck (2 Liter bei 150 bar), auf die 10 cm^2 Fläche, die sich bewegt hat, wirken jetzt nur noch 150 kN.

Es wurde also folgende Arbeit verrichtet:

W = F*s mit

s: 0,1 m
F: im Durchschnitt über dem Weg: 225 kN (das ist leicht vereinfacht !!!)

also W= 22,5 kNm

Nun wiederholen wir das Spiel, verdoppeln das Volumen und halbieren den Druck, lassen also die selbe Fläche weitere 0,2 m verfahren, dann beträgt am Ende:

p = 75 bar
F= 75 kN

Im Durchschnitt über die 0,2 m betrug also die Kraft in etwa 112 kN.

verrichtet wurde die Arbeit 112 kN*0,2 m, also wiederum 22,5 kNm:

Bei jeder Halbierung des Drucks erzielen wir somit jeweils eine Arbeit von 22,5 kNm.

Im Idealfall können wir den Druck etwa 8 Mal halbieren, um auf den Außendruck von 1 bar zu kommen, oder um es anders zu sagen: 2^8,2 = 300.

Wir erzielen also bei 300 bar im Idealfall: 8,2*22,5 kNm = 185 kNm pro Liter.

(Sicher gibt es auch irgend eine fertige Formel um das direkt auszurechnen, ich habe aber noch keine gefunden. Im Prinzip ist die Kraft eine Hyperbelfunktion des Weges bzw. der Druck eine Hyperbelfunktion des Volumens, und die verrichtete Arbeit errechnet sich dann als Integral der Hyperbel, was somit auf einen natürlichen Logarithmus hinaus läuft. Egal.)

Gesamtenergie in dem 300 Liter-Tank: 300 l * 185 kNm/l = 56 MJ.

So, und das entspricht immerhin (nur im Idealfall !) dem Energieinhalt von fast 2 Litern Benzin (Benzin hat pro Liter 32 MJ) !

Naja - viel Spaß damit. Für einen T5 reicht es nicht.
 
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ELW-Fahrer

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Gut kommentiert, Kompliment. Mir dünkt, Ihr seid ein Gelehrter auf diesem Gebiet :)

Was ich oben noch sagen wollte zur Telepolis / ct: Die dortigen Mannen und Frauen sind ja im Regelfall hochgebildete Leute, die durchaus wissen, was sie schreiben. Deswegen dachte ich mir anfangs, ob da nicht doch was dran sein kann. Aber Galileos Erörterung sollte eigentlich alle Zweifel klären... Danke nochmals!

gb
 
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Wassermann

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Alle Achtung, danke für den tollen Beitrag!

Das war das erste Mal seit meiner frustrierenden Zeit in der Untersekunda, dass mir Physik Spaß bereitet hat. Ich wäre selber nicht drauf gekommen - kann es aber nachvollziehen.
:danke::pro:
 

Galileo

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Danke, danke, zu viel der Ehre. Ich bin Elektroing (das Studium ist aber 24 Jahre her), habe aber in der Praxis u.a. mit Antriebstechnik und Hydrospeicheranlagen zu tun.

Dennoch bin ich der Meinung: Es müßte doch eine fertige Formel für den Energieinhalt von Druckluft geben. :confused:
 

Rolizoni

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Dennoch bin ich der Meinung: Es müßte doch eine fertige Formel für den Energieinhalt von Druckluft geben. :confused:
Nimmt man die Luft als ideales Gas an, gibt es die einfach Formel für die sog. "spez. innere Energie" u [kJ/kg] des Gases, die - bei idealen Gasen - nur von der Temperatur abhängt

du = cv * dt (cv - spez. Wärmekapazität bei const. Volumen)

Bei einer Zustandsänderung von 1 nach 2 (1 = Im Behhälter -- > 2 = Nach der Entspannung) gilt der 1. Hauptsatz.

u2 - u1 = q12 + w12

Dieser bedeutet, dass die Änderung der inneren Energie von 1 nach 2 durch Wärmezu/abfuhr und Arbeitzu/abfuhr geschieht.

Wieviel Arbeit geleistet wird kann durch

w12 = - Integral(p)dv berechnet werden. Es ist also nicht nur entscheidend dass sich das Gas entspannt, sondern auch WIE (isotherm, isentrop, isobar etc.)

Bei der von dir angenommenen Isothermen zustandsänderung gilt

p*v = const = C --> w = - Integral(p)dv = - Integral (C/v)dv

Integration ergibt: w = - C*ln(v2/v1) , wobei C = R*T ist.

Das Integral wurde ja bereits von Galileo numerisch gelöst :) . Aber: Wenn der Vorgang tatsächlich isotherm wäre, dann ergäbe sich gem. 1 HS

u2 - u1 = cv *(T2 - T1) = 0 = q12 + w12 daraus folgt: q12 = - w12

was bedeutet, dass die Arbeit die geleistet wird, vollsändig durch "Nacherwärmen" aufgebracht wird, da die innere Energie des Gases sich ja nicht ändert :D

Ich würde eher vorschlagen, dass der Vorgang adiabat ist (er geht sehr schnell vor sich und deshalb ist "keine Zeit" zum Wärmetausch); falls die Maschine auch noch Reibungsfrei arbeitet (guter Witz :D) wäre es somit ein isentroper Vorgang und man könnte die Zustandsänderung mit
p*(v ^k) = C beschreiben.

Dann ist u2 - u1 = q12 + w12 = 0 + w12 = -Integral(C/(v^n))dv =
= -(p2*v2 - p1*v1)/(1-n)

Mit k = cp/cv = 1,4 (für Luft)

Gruß ... und sorry, dass ich den Spaß wieder etwas "dämpfen" musste ;)

Wer Fehler findet, darf sie behalten :D

R:)li
 
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Galileo

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Ja nun, was bekommst du jetzt raus? Wieviel MJ gewinnst du aus 300 bar pro Liter Luft ?

Gehe ruhig zunächst vom Optimalfall aus, also isotherm.
 

Rolizoni

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Ja nun, was bekommst du jetzt raus? Wieviel MJ gewinnst du aus 300 bar pro Liter Luft ?
Alles muss man hier selber machen ;)
Ich habe es mal für eine Isotherme Zustandsänderung mit einem wirksamen Druchverhältnis von p1/p2 = 300/3 = 100 (überschlägig) gerechnet (siehe Anhang).
Unter diesen Annahmen kann mit einem 300 l Tank , 300 bar, 20 °C (entspricht 107 kg Luft ) bei Isothermer Zustandsänderung (diese ist ohne aktive nachheizung NICHT möglich) ca. 42 MJ Volumenänderungsarbeit verrichten.

@Galileo: Beim Vergleich mit dem E-Inhalt von Diesel musst du den Wirkungsgrad des Motors noch berücksictigen!

Bei NULL Wärmezufuhr (adiabat) würden sich ca. 16 MJ ergeben; jedoch wäre die Luftaustrittstemp (theoretisch!) unter -100 °C. Nicht vorzustellen was passiert, wenn ein Radfahrer hinterher fährt *brrr* :D

Diese ganzen Überlegungen gelten aber nur für geschlossene Systeme; dieses System ist - ich habe mir mal jetzt den Thread angesehen - selbstverständlich offen.

Insofern müsste die instationäre Masse- und Energiebilanz am Speicher aufgestellt werden.

Speicher:
dm/dt = - m_punkt
dU/dt = - m_punkt*h (h = enthalpie)

Hinweis: Die Speichertemperatur (und damit der E-Inhalt) ändert sich bereits nur durch einen einfachen Ausstömvorgang.

Dann könnte man eben diesen (ausströmenden) Massestrom mit der (abnehmenden) Enthalpie h gedanklich in eine Expansionsmaschine (Turbine) einströmen lassen und hier die E-Bilanz aufstellen

"Turbine":
m_Punkt * h_ein = W_Punkt + m_punkt * h_aus

Das ganze, wird dann in Zeitschritten von (sagen wir mal) 10 sec. gerechnet - bis der Tank leer ist ... und man ohne Luft auf der Autobahn stehen bleibt ;)

So ... jetzt hab' ich euch genug gelangweilt ... ausserdem habe ich z.Z. Ferien, darum rechne ich das nicht mehr durch! :rolleyes:

Das ganze ist natürlich ohne Gewähr ... und wahrscheinlich auch ohne Gewinn, denn wie bereits von euch erwähnt muss die Luft ja (unter Aufwendung mechanischer Arbeit ) komprimiert werden. ( W_komp = Integrag(p)dv)

Gruß
Roland
 

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AIch habe es mal für eine Isotherme Zustandsänderung mit einem wirksamen Druchverhältnis von p1/p2 = 300/3 = 100 (überschlägig) gerechnet (siehe Anhang).
Unter diesen Annahmen kann mit einem 300 l Tank , 300 bar, 20 °C (entspricht 107 kg Luft ) bei Isothermer Zustandsänderung (diese ist ohne aktive nachheizung NICHT möglich) ca. 42 MJ Volumenänderungsarbeit verrichten.
Sei bedankt für die Mühe!

Ich fasse zusammen: Du legst einen Restdruck von 3 bar zu Grunde und kommst auf 42 MJ Tankinhalt.

Wenn ich mit meiner Methode von einem Restdruck von 3 bar ausgehe ergibt sich (analog zu oben)

statt: 2^8,2 = 300 bar / 1 bar
nun: 2^6,65 = 300 bar / 3 bar (also 6,65 mal die Druckhalbierung)

Damit hätte ich pro Liter: 6,65*22,5 kNm = 150 kNm
oder für 300 Liter: 45 MJ.

Der Unterschied zu deinen 42 MJ erklärt sich aus meiner Vereinfachung bei der jeweiligen Berechnung der mittleren Kraft: Ich habe einen Hyperbelausschnitt als Gerade angenommen.

Diesen Fehler überschlägig umgerechnet auf mein obiges Ergebnis bedeutet, dass man mit Restdruck 1 bar auf 56MJ*42/45 = 52MJ kommt.

Bedeutet nun also:

Im theoretischen Idealfall kann in einem 300 Liter fassenden Drucklufttank bei 300 bar maximal eine Energie von 52 MJ gespeichert werden, was ca. 1,6 Liter Benzin entspricht.

Technisch ist dieser Wert allerdings bei weitem nicht erreichbar, da weder die voll isotherme Zustandsänderung noch der Restdruck von 1 bar realistisch sind.


@Galileo: Beim Vergleich mit dem E-Inhalt von Diesel musst du den Wirkungsgrad des Motors noch berücksictigen!
Das ist klar. Bei Benzin liegt man bei 30...35% Wirkungsgrad. Ausgehend vom Idealfall (52 MJ s.o.) dürfte man bei Druckluft aber auch nicht höher liegen. Selbst wenn sich hier aber Unterschiede ergeben, ändert das nichts an der ermittelten Größenordung.
 

dedetto

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1,6 Liter: Das habe ich jetzt auch verstanden. Danke.
 

Rolizoni

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1,6 Liter: Das habe ich jetzt auch verstanden. Danke.
*DIPFERLSCHEISS MODE ON* (Bayrische Variante des KORINTHEN KACK MODE ;) )
Nicht ganz ... diese ca. 50MJ sind bereits "Expansionsarbeit" und Brauchen nicht mehr von Wärme (im Benzin) in Arbeit mit einem Wirkungsgrad von 1/3 (siehe Posting von Galileo) gewandelt werden. Der "Wirkungsgrad" hier liegt wesentlich höher, so dass diese 50MJ ca. 4 bis 4,5 l Benzin entsprechen. In der Größenordnung ändert das - wie auch bereits erläutert - natürlich nichts. Ausserdem ist es auch kein Thermodynamisches Wunder, da der Energieeinsatz bei der Kompression diesen "Spitzenwirkungsgrad" auf ein - entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik - "erträgliches ;) " Maß reduziert.

Ich lasse mich mal zu eienr (vielleicht übertriebenen) Wertung hinreissen:
Der Einsatz ist wohl nur dort sinnvoll, wo Emmissionen "vor Ort" (in Stadtkernen mit Feinstaubprblematik etc) unbedingt verhindert werden müssen.

Greets
R :)li
 
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