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Brennstoffzelle

weitere Buchkapitel

Kapitel 2. Technische Betrachtung

Die Forschung und Entwicklung des automobilen Sektors legt derzeit einen Schwerpunkt auf das Thema Nachhaltigkeit und fokussiert somit alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe. Dies führt zu einer Vielzahl von Technologien und Innovationen. Basierend auf den motorsportspezifischen Anforderungen und Rahmenbedingungen wird diese Vielfalt im Folgenden untersucht und mithilfe technischer Kriterien hinsichtlich Rundenzeitperformance bewertet.

Lea Schwarz

Kapitel 3. Ökologische Betrachtung

Die steigende Bedeutung der Nachhaltigkeit, insbesondere mit Fokus auf der Reduzierung von Treibhausgasemissionen als Hauptverursacher des Klimawandels und somit einer der größten Bedrohungen der Menschheit, erfordert eine ganzheitliche ökologische Betrachtung von Produktlebenszyklen. Aufgrund der gesetzlichen Rahmenbedingungen steht das Thema Nachhaltigkeit auch im Mittelpunkt der Antriebsentwicklung, weist jedoch einen stark eingeschränkten Betrachtungsraum auf. Mit dem Ziel, die Grundlage für eine nachhaltige Zukunft des Motorsports zu schaffen, werden im Folgenden Antriebe und Kraftstoffe für den Langstreckenrennsport einer ganzheitlichen ökologischen Analyse, bestehend aus Ziel und Untersuchungsrahmen, Sachbilanz, Wirkungsabschätzung und Auswertung der Ergebnisse, unterzogen.

Lea Schwarz

Kapitel 5. Schlussfolgerung und Ausblick

Vor dem Hintergrund des fortschreitenden Klimawandels und der steigenden Bedeutung der Nachhaltigkeit in der Weltpolitik und der Gesellschaft ist eine Ausrichtung der Zukunft des Motorsports auf das Thema Nachhaltigkeit essentiell. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Identifikation von nachhaltigen Antriebskonzepten für die Prototypen Klasse des Langstreckenrennsports im Rahmen der FIA WEC. In einer methodischen Vorauswahl wurde die Vielfalt an Antrieben und nachhaltigen Energieträgern nach Stand der Technik und der Forschung auf deren grundsätzliche Eignung für einen nachhaltigen Motorsport geprüft.

Lea Schwarz

Kapitel 1. Einleitung

Der Klimawandel stellt aktuell eine der größten Herausforderungen für die Menschheit dar. Der anthropogene Anteil an dieser Entwicklung ist geprägt durch die steigenden Emissionen von Treibhausgasen und erfordert ein Umdenken im Mobilitätssektor, der mit 14% einen maßgeblichen Anteil an den weltweiten Treibhausgasemissionen hält [1]. Die steigende Bedeutung eines nachhaltigen Individualverkehrs führte in den letzten Jahren weltweit zu umfangreichen und stetig strenger werdenden gesetzlichen Vorschriften, die den Ausstoß sowohl von Treibhausgasen in Form von Kohlenstoffdioxid als auch von diversen Schadstoffen limitieren.

Lea Schwarz

Kapitel 4. Ganzheitliche Bewertung nachhaltiger Konzepte für den Motorsport

Basierend auf dem Reglement der LMP1-H Klasse der FIA WEC werden in Kapitel 2.4 potentiell nachhaltige Antriebskonzepte bestehend aus Antrieb und Energieträger konzeptioniert. Diese schließen verbrennungsmotorische Konzepte mit flüssigem Diesel- oder Ottokraftstoff sowie gasförmigem Methan, das batterieelektrische Konzept und einen Range Extender mit einer Brennstoffzelle als Hauptantrieb ein. In Kapitel 3.3 erfolgt die ganzheitlich umweltbilanzielle Bewertung dieser Konzepte.

Lea Schwarz

4. Was beeinflusst das Energiemanagementsystem?

Normabschnitt 4 Kontext der Organisation

Das Kap. 4 der Norm beschäftigt sich mit den Rahmenbedingungen eines Energiemanagementsystems. Es wird der Kontext untersucht und geklärt, in dem sich die Organisation bewegt, es wird der Anwendungsbereich des Systems festgelegt und es werden die Regeln für die Abläufe im Unternehmen festgelegt.

Simone Brugger-Gebhardt, Günter Jungblut

3. Unternehmerisches Denken

Eine der zwei Hauptsäulen von Entrepreneurship ist das unternehmerische Denken. Unternehmerisches Denken ist eine Geisteshaltung, die auf Vorausschau und aktiver Gestaltung der Rahmenbedingungen beruht. Dabei wird bewusst der Weg gegangen, entgegen tradierten Konventionen zu denken und ganz neue Blickrichtungen zuzulassen. Man versucht, neue Geschäftsmöglichkeiten zu finden, die das bewährte Alte durch das bessere Neue ablösen können – ohne dabei jemals die kritische Distanz zu sich selbst und zur eigenen Innovation zu verlieren, um permanent Verbesserungen zuzulassen. Unternehmerisches Denken nimmt Risiken, Umwege und Rückschläge in Kauf und betrachtet Unsicherheit als Chance, nicht als Bedrohung.

Jörg Freiling, Jan Harima

Temporarily free

2. Anwendungsgebiete neuer Werkstoffe

Die auf globale Nachfrage aus der Wirtschaft ausgerichteten Hochtechnologiebereiche wie Maschinenbau, Energie- und Elektrotechnik, Straßenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Messtechnik und Medizintechnik führen uns zu den wichtigsten Anwendungsfeldern neuer Werkstoffe. Die ◘ Tab. 2.1 enthält diese Anwendungsfelder.

Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler

4. Ausblick

Der Klimawandel in seinen immer deutlicher erkennbaren Auswirkungen auf alle Lebensbereiche beeinflusst zunehmend Entscheidungen nicht nur in der Politik und Wirtschaft, sondern ebenso in Forschung und Lehre

Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler

22. Entwicklung eines Simulationstools zur energetischen, ökologischen und ökonomischen Bewertung von vernetzten Energieversorgungskonzepten für Quartiere

Im Rahmen der dezentralen Energieversorgungsplanung ist bislang unklar, welche Technologien das größte Potenzial zur Versorgung von Quartieren bieten. Zur Identifikation geeigneter Versorgungskonzepte bedarf es jedoch zunächst einer Methode, die eine Bewertung sowohl in energetischer als auch in ökologischer und ökonomischer Hinsicht ermöglicht. Das entwickelte Simulationswerkzeug ist auf eine Vielzahl der gegenwärtig im Markt verfügbaren Erzeugungs- und Speichertechnologien zur Strom- und Wärmeversorgung von Gebäuden anwendbar. So können Wärmepumpen, Solarthermie, Heizkessel, Kraft-Wärme-Kopplung, Nahwärmenetze, Fotovoltaik, Batteriespeicher, Elektromobilität und Quartierstromnetze in variablen Kombinationen und Betriebsweisen abgebildet werden. Zur Beschreibung der Energieflüsse innerhalb der Quartiergrenze werden zeitlich hochaufgelöste Lastprofile verwendet, die mithilfe dynamischer Gebäudesimulation berechnet oder mit Clustering-Methoden aus Messdaten abgeleitet wurden. Durch diesen profilbasierten Ansatz können Versorgungsoptionen hinsichtlich der Indikatoren Deckungsanteil, Eigenverbrauch, Treibhauspotenzial und Kapitalwert einfach und praxisnah bewertet werden. Der gewählte Use Case eines Wohnquartiers zeigt, dass ein Versorgungskonzept mit Sole/Wasser-Wärmepumpen und Fotovoltaik gegenwärtig zu empfehlen ist.

Claudia Weißmann

Kapitel 9. Elektrochemie

Der übersichtlich gestaltete Text wendet sich an Studierende aller naturwissenschaftlich-technischen Fachrichtungen an Fachhochschulen und Universitäten, als Kompendium für Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe. Anhand praktischer Beispiele werden Redoxreaktionen, Grenzflächenvorgänge, Normalpotential und Spannungsreihe, Batterien, Brennstoffzellen, Elektrolyse, Korrosion und elektroanalytische Methoden erklärt und Ausblicke auf technische Anwendungen aufgezeigt. Das Kapitel eignet sich auch als kompakte und umfassende Einführung in die Elektrochemie für Quereinsteiger aus Ingenieurstudiengängen, die sich mit modernen Methoden der Energiewandlung befassen müssen. Neuere Entwicklungen wie Lithiumionen-Akkumulatoren, Redoxspeicher, Farbstoff-Solarzellen und Fotokatalyse sind berücksichtigt.

Peter Kurzweil

3. Die Macht des Ökosystems – und wie auch Energieversorger sie für sich nutzen können

Man kann von Amazon halten, was man möchte: Aber der US-amerikanische Konzern ist die Mutter aller Ökosysteme. Vom einfachen Buch- und CD-Versandhändler zur Plattform, auf der es nicht nur so gut wie alle Produkte zu kaufen gibt, sondern auch Film- oder Serienstreaming, eine Schnittstelle für den Fernseher, sprachgesteuerte Helfer und vieles mehr, was das Herz des Konsumenten höherschlagen lässt. Warum wir das so prominent erwähnen? Weil die Energiebranche aufwachen muss: Bisher gab es keine Lösung für Energieversorger, um sämtliche Produkte und Dienstleistungen der Energiewelt sowohl schnell und einfach digital abzubilden und einzuführen als auch kundenorientiert zu vermarkten und dem Endkunden zur Verfügung zu stellen – und das gesammelt auf einer Plattform. Warum eigentlich nicht? Wir sind nicht schlechter als Amazon & Co, nur offenbar weniger selbstbewusst – ein Ökosystem für den Energiemarkt kann das ändern. Das gelingt zwar nicht über Nacht, sondern findet wie alle Veränderungen in einem längeren Prozess statt, aber es ist möglich. Wir zeigen Ihnen in diesem Beitrag, wie es gelingt.

Michel Nicolai, Szilard Toth

Kapitel 2. Gleichstromnetzwerke

Ein Gleichstromnetzwerk ist ein elektrisches Netzwerk, in dem alle Spannungen und Ströme zeitlich konstant (zeitinvariant) sind.Gleichstromnetzwerke sind aus den elementaren Zweipolen der Gleichstromtechnik aufgebaut: elektrischer Widerstand elektrische Spannungsquelle elektrische Stromquelle. Der Begriff der Gleichstromnetzwerke schließt durchaus die Behandlung von Netzwerken ein, bei denen die Eigenschaften eines oder mehrerer Zweipole variabel sind. Dann sind gedanklich nacheinander mehrere Varianten des Netzwerks zu betrachten, von denen jede zeitlich konstante Eigenschaften aufweist.Die für beliebige Netzwerke gültigen Begriffe, Gesetzmäßigkeiten und Verfahren sind für den Spezialfall der Gleichstromnetzwerke besonders einfach mathematisch zu formulieren und auszuwerten. Daher ist es zur Vermittlung von Verständnis für die fundamentalen Zusammenhänge in elektrischen Netzwerken sinnvoll, zunächst die in der Praxis weniger bedeutsamen Gleichstromnetzwerke zu betrachten. Die Kapitel 5 bis 9, in denen das Verhalten und die Berechnung von Netzwerken bei zeitlich veränderlichen (zeitvarianten) Vorgängen behandelt werden, setzen die sichere Beherrschung der hier vermittelten Inhalte voraus.

Thomas Harriehausen, Dieter Schwarzenau

Kapitel 3. März – Die Blätter werden grün

Im März blühen zahlreiche Zwiebelblumen und erste Sträucher. Auch die Blattknospen der Bäume entfalten sich und beginnen mit der Photosynthese. Können nur grüne Blätter photosynthetisch aktiv sein? Vom Austrieb bis zum Blattabwurf wird der Lebenszyklus eines Blattes betrachtet. Haben alle Pflanzen das gleiche Blattgrün? Was hat die Photosynthese mit Quantenphysik zu tun?

Sylvia Feil

Kapitel 15. Nachhaltigkeit und geschäftliche Mobilität – ein Widerspruch in sich?

Da in der geschäftlichen Mobilität eine geringe Anzahl von Personen über einen großen Anteil der Mobilität von Menschen entscheidet und somit einen starken Hebel für innovative Lösungen darstellt, werden in diesem Beitrag die aktuellen und mögliche zukünftige Formen der geschäftlichen Mobilität näher betrachtet. Dabei werden aktuelle Entwicklungen in den Bereichen Energiesysteme, Car Policy und Mobilitäts-Steuerungssysteme sowohl aus dem Blickwinkel der Anbieter als auch der Abnehmer analysiert und vor dem Hintergrund einer nachhaltigen Entwicklung beurteilt. Verlautbarungen von Anbietern werden in diesem Zusammenhang ebenso herangezogen wie aktuelle Forschungsergebnisse. Die Perspektiven werden an den 17 Nachhaltigkeitszielen der Agenda 2030 für Nachhaltige Entwicklung gespiegelt und zeigen den Einfluss der Mobilität auf diese Ziele auf. Die Ergebnisse können als Handlungsgrundlage sowohl für Mobilitätsanbieter, Infrastrukturbetreiber, Arbeitnehmer als auch für Entwickler zukünftiger Geschäftsmodelle im Bereich der geschäftlichen Mobilität herangezogen werden.

Roland Vogt

Kapitel 1. Energiewende in Zeiten populistischer Bewegungen – Einleitende Bemerkungen

Ausgangspunkt des vorliegenden Bandes ist die gleichnamige Tagung der Themengruppe Energietransformation der Deutschen Vereinigung für Politikwissenschaft im Frühjahr 2017 in der Schader-Stiftung in Darmstadt. Provokativ wurde dort gefragt: „Wir schaffen die Energiewende! Wirklich?“ Im Hinblick auf den Ausbau der Erneuerbaren Energien bestand um die Jahrtausendwende noch die Sorge, dieser Ausbau könnte zu langsam erfolgen, um bei den Klimazielen stärkere Fortschritte zu erzielen. Zwar ist Ende der 2010er Jahre der Anteil der Erneuerbaren an der Stromproduktion stark angestiegen, zugleich ist die Energiewende zum Gegenstand heftiger politischer Debatten geworden und steht gesellschaftlich unter erheblichem Druck.

Jörg Radtke, Weert Canzler, Miranda A. Schreurs, Stefan Wurster

3. Leistungsbedarf und Leistungsangebot

Das Fahrzeuggetriebe ist Mittler zwischen Motor und Antriebsrädern. Durch Drehmoment- und Drehzahlwandlung passt das Getriebe das Leistungsangebot dem Leistungsbedarf an. Der Leistungsbedarf wird durch die Fahrwiderstände bestimmt. In Abschn. 3.1 wird deren Berechnung gezeigt. Die Fahrwiderstände müssen vom Antriebsaggregat in Zusammenarbeit mit den übrigen Komponenten des Antriebsstrangs überwunden werden. Hierfür kann der Antrieb eines Fahrzeugs aus einer Vielzahl von Kombinationen aus energiespeichernden, energie- und kennungswandelnden Komponenten zusammengesetzt werden (Abschn. 3.2). Antriebe in Kraftfahrzeugen sind: Verbrennungsmotoren, Elektromotoren und Hybridantriebe. Das eingesetzte Antriebsaggregat bestimmt den nachfolgenden Antriebsstrang in seinen Baugruppen und deren Auslegung entscheidend. Daher werden die charakteristischen Kennwerte und Kennlinien von Verbrennungsmotoren (Abschn. 3.3) und von Elektromotoren (Abschn. 3.4.) vorgestellt und erörtert.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

6. Systematik der Fahrzeuggetriebe: Konstruktive Grundkonzepte

Bevor auf die Auslegung und Gestaltung wichtiger Komponenten von Fahrzeuggetrieben eingegangen wird, sollen zunächst konstruktive Grundkonzepte von Getrieben vorgestellt und systematisch behandelt werden. Das Kapitel legt damit die Basis zum Verständnis der ausgeführten Seriengetriebe, die in Kapitel 11 „Beispiele ausgeführter Konstruktionen“ erörtert werden. Es startet mit Erläuterungen zu Anordnungsmöglichkeiten der Getriebe in Pkw- und Nkw-Antriebssträngen sowie dem grundsätzlichen Aufbau von Getrieben. In Abschn. 6.5 werden dann systematisch die Getriebekonzepte für Pkw anhand von Räderschemata entwickelt. Dies geschieht für quer und längs eingebaute Getriebe, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) sowie für verschiedene Konzepte von Hybridantrieben und reinen E-Antrieben. Die Darstellung der Getriebekonzepte für Nkw in Abschn. 6.6 erfolgt analog, obgleich Nkw-Getriebe sich bei den Konzepten in vielerlei Hinsicht von Pkw-Getrieben unterscheiden. Auf diese Besonderheiten, wie beispielsweise deren Aufbau als Gruppengetriebe, wird eingegangen. Behandelt werden Konzepte für Nkw-MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybrid- und E-Antriebe. Konzepte für Endantriebe (Achsgetriebe, Differentialgetriebe, Verteilergetriebe) von Pkw und Nkw werden in Abschn. 6.7 systematisch dargestellt. Für Nkw von hoher Bedeutung sind ferner Nebenabtriebe (Abschn. 6.8) und Dauerbremsen, sogenannte „Retarder“ (Abschn. 6.9).

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

Kapitel 6. Physikalische Eigenschaften

In diesem Kapitel behandeln wir eine Reihe von Eigenschaften, die nicht mechanischer und nicht chemischer Natur sind und die wir deshalb unter dem Oberbegriff physikalische Eigenschaften zusammenfassen. Die hier genannten Eigenschaften spielen für so genannte FunktionswerkstoffeFunktionswerkstoff eine Rolle, die Strom, Licht und Wärme leiten, als Speicher für Energie und Information dienen oder Sensor- und Aktoraufgaben erfüllen. Wir beginnen mit kernphysikalischen Eigenschaften und diskutieren Reaktionen in Kernreaktoren und Zustandsdiagramme von KernbrennstoffenKernbrennstoff. Dabei lernen wir auch Strahlenschäden kennen, die für Werkstoffe in der Kerntechnik eine Rolle spielen. Dann besprechen wir elektrische Eigenschaften von Werkstoffen und diskutieren die Temperatur- und Gefügeabhängigkeit des spezifischen Widerstandes verschiedener Werkstoffe. Wir lernen den Aufbau einer Solarzelle, eines Bleiakkumulators und einer Brennstoffzelle kennen. Dann besprechen wir die Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern. Es folgt eine Betrachtung des Magnetismus und die Einteilung ferromagnetischer Festkörper in weich- und hartmagnetische Werkstoffe. Daran anschließend behandeln wir die Supraleitung und die thermische Ausdehnung. Abschließend werden die Phänomene Formgedächtnis und Magnetostriktion besprochen.

Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler, Ewald Werner

Kapitel 4. Verteilung von Energie

Die Verteilung von Energie erfolgt hauptsächlich über nach Energiebereichen getrennte Systeme (vgl. Abb. 4.1), meist in Form von Netzen. Für den Bereich Strom wird bisher ausschließlich das Stromnetz benutzt. Im Bereich Wärme ist es vordringlich das Gasnetz, gefolgt von dezentraler logistischer Verteilung über Brennstofftransporte – hauptsächlich Heizöl – und unterschiedlichen lokal begrenzten Fern- und Nahwärmenetzen. Kraftstoffe werden in der Regel für die EndverbraucherInnen über ein Logistiknetz von Binnenschiffen, Lasttransporten auf der Straße und Schiene zu den jeweiligen Bezugsstellen (in der Regel Tankstellen) transportiert, ein eher geringer Teil über Mineralölfernleitungen (Pipelines).

Sandra Hook

Kapitel 3. Umwandlung von Energie

Im Abschnitt Umwandlung von Energie werden die Primärenergieträger nun in Sekundär- bzw. Endenergieträger umgewandelt und so für jeden einzelnen nutzbar. Die Energiewirtschaft in Deutschland wird nach wie vor von fossilen Energieträgern dominiert (Abb. 3.1).

Sandra Hook

Kapitel 2. Stand der Technik

Elektrische Kraftfahrzeuge verwenden für den Vortrieb wenigstens teilweise elektrische Energie. Die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie erfolgt mittels Elektromotor. Verschiedene Typen elektrischer Kraftfahrzeuge unterscheiden sich insbesondere im Grad der Elektrifizierung.

Andreas Braun

7. Die Energiewende

Die sogenannte Energiewende ist ein Jahrhundertprojekt für Deutschland und vielleicht auch für die Welt. Dabei kann man natürlich darüber streiten, ob das Tempo das richtige ist und ob die Kosten fair verteilt werden. Abseits von solchen politischen Fragen klärt dieses Kapitel, wo denn eigentlich die grundsätzlichen Probleme des Umstiegs von Kohle & Co. hin zu Sonne und Wind liegen und mit welchen Strategien man diesen Problemen begegnen kann.

Martin Buchholz

Kapitel 5. Reale Energiewandlungsprozesse und deren Grenzen

Wir erleben in unserem Alltag, wie permanent Energie umgewandelt wird: Holz verbrennt und es wird Wärme abgegeben. Strom wird zu Licht (Lampe) und Licht wird zu Strom (Photovoltaik). Der Kühlschrank stellt Kälte bereit und nimmt dabei Strom auf; im Kraftwerk hingegen wird Verbrennungswärme in Strom umgewandelt, der im Küchenmixer Arbeit verrichtet. Dieses Kapitel benennt und erklärt verschiedene Wandlungsprozesse und zeigt gleichzeitig Ihre praktischen und theoretischen Grenzen auf.

Martin Buchholz

The hybrid model of the new hydrogen combustion engine as the most efficient powertrain of tomorrow

Obvious changes in the world‘s climate make action necessary. Today’s transport sector, including air, rail, marine, and road transport and traffic, is responsible for almost a quarter of the world’s CO2 emissions. The internal combustion engine is the dominant propulsion system, and the burning of fossil fuels not only results in CO2 emissions but also NOx and other pollutants harmful to all living beings.

Thomas Korn, Georg Volpert

6 Physikalische Eigenschaften

Dieses Kapitel liefert eine Reihe von Antworten zu Eigenschaften, die nicht mechanischer Natur sind. Wir beginnen mit Antworten zu kernphysikalischen Eigenschaften und diskutieren Reaktionen in Kernreaktoren. Dann folgen Antworten zu den elektrischen Eigenschaften von Werkstoffen, welche die Temperatur- und Gefügeabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes verschiedener Werkstoffe betreffen. Weitere Antworten behandeln Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle und einer Batterie zur Speicherung elektrischer Energie. Auf Antworten zur Wärmeleitfähigkeit, zur thermischen Ausdehnung und zur Wärmekapazität von Festkörpern folgen weitere Antworten zum Magnetismus und der Einteilung ferromagnetischer Festkörper in weich- und hartmagnetische Werkstoffe. Daran anschließende Antworten behandeln das Phänomen Formgedächtnis sowie Sensor- und Aktorwerkstoffe.

Ewald Werner, Erhard Hornbogen, Norbert Jost, Gunther Eggeler

6 Physikalische Eigenschaften

Dieses Kapitel bringt eine Reihe von Aufgaben zu Eigenschaften, die nicht mechanischer Natur sind. Wir beginnen mit Aufgaben zu kernphysikalischen Eigenschaften und diskutieren Reaktionen in Kernreaktoren. Dann folgen Fragen zu den elektrischen Eigenschaften von Werkstoffen, welche die Temperatur- und Gefügeabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstandes verschiedener Werkstoffe betreffen. Weitere Aufgaben behandeln Aufbau und Wirkungsweise einer Solarzelle und einer Batterie zur Speicherung elektrischer Energie. Aufgaben zur Wärmeleitfähigkeit, zur thermischen Ausdehnung und zur Wärmekapazität von Festkörpern werden gefolgt von Aufgaben zum Magnetismus und der Einteilung ferromagnetischer Festkörper in weich- und hartmagnetische Werkstoffe. Daran anschließende Aufgaben behandeln das Phänomen Formgedächtnis sowie Sensor- und Aktorwerkstoffe.

Ewald Werner, Erhard Hornbogen, Norbert Jost, Gunther Eggeler

Kapitel 3. Elektrochemische Verfahren und Systeme der Wandlung elektrischer Energie

Ein Verfahren der elektrochemischen Energieumwandlung – die Brennstoffzelle – wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet. Der Zusammenhang zwischen Energieumwandlung, Verbrennung als der sicher anschaulichsten und unmittelbarsten Umwandlung und der Energetik elektrochemischer Prozesse wird darin angesprochen.

Rudolf Holze

Kapitel 2. Energieumwandlung und Energiespeicherung

Für die Speicherung elektrischer Energie gibt es Optionen der direkten Speicherung und der Speicherung auf dem Umweg über eine Wandlung in eine andere speicherbare Energieform, man könnte dies auch als indirekte Speicherung bezeichnen, sie sind in Tab. 2.1 zusammengefasst. Die Nutzung der gespeicherten Energie macht den erneuten Weg, nun in umgekehrter Richtung, erforderlich. Es ergeben sich die in Tab. 2.1 dargestellten Möglichkeiten.

Rudolf Holze

Kapitel 4. Elektrochemische Energiespeicher und typische Anwendungen

Die im vorangegangenen Kapitel vorgestellten Verfahren der elektrochemischen Energiewandlung haben zu zahlreichen Systemen geführt, die in zahllosen technischen Anwendungen elektrischer und elektronischer Geräte im Alltag unentbehrlich geworden sind. Viele dieser Anwendungen sind wegen ihres Einsatzortes oder aus anderen technischen wie persönlichen Gründen nicht aus dem Stromnetz versorgbar.

Rudolf Holze

1. Grundlagen der Elektrotechnik

Im ersten Abschnitt des Buches werden die allgemeinen Grundlagen der Elektrotechnik behandelt, auf deren Erkenntnisse alle speziellen Fachgebiete wie z. B. die Messtechnik, Elektronik oder Antriebstechnik aufbauen. Sie stehen damit zwingend am Beginn jeder Ausbildung in elektrotechnischen Fächern.Die Grundlagen der Elektrotechnik sind eine für Ingenieurwissenschaften geeignete Darstellung der klassischen Elektrizitätslehre der Physik, die sich aus den Erkenntnissen vor allem im 18. und 19. Jahrhundert gebildet hat. An diesem Werk haben eine Vielzahl von Wissenschaftlern ihren Anteil, denen wir in der Bezeichnung fast aller Einheiten der elektrotechnischen Grundgrößen begegnen. Beispielhaft seien hier nur die Physiker Andre-Marie Ampère (1775–1836), Georg Simon Ohm (1789–1854) und schließlich Alessandro Volta (1745–1827) genannt, deren Namen in den Einheiten des wichtigsten Grundgesetzes – des Ohmschen Gesetzes – miteinander verbunden sind [1, 2, 3, 4].

Prof. Dr.-Ing. Rolf Fischer

Der Ladungswechsel und das Stack-Management von modernen Brennstoffzellen-Systemen

Der effiziente und zuverlässige Betrieb einer Brennstoffzelle stellt hohe Anforderungen an das Luft- und Thermomanagement sowie an die Überwachung der Stack-Funktion.Neben der reinen Partikelfiltration muss die Prozessluft der Brennstoffzelle von Schadgasen befreit und gezielt befeuchtet und temperiert werden um einen zuverlässigen Betrieb über Lebensdauer zu gewährleisten. Daneben gilt es durch integrierte akustische Maßnahmen die Geräuschentwicklung der aktiven Bauelemente, wie dem Gebläse, zu verringern.Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren bedarf es bei Brennstoffzellenantrieben spezieller Kühlsysteme, die eine sichere Kühlung des Stacks, und der elektrischen Komponenten auch bei niedrigerem Temperaturdifferenzen sicher stellen. Ein effizientes Thermomanagement ist hier der Schlüssel für die Integration in bestehende Fahrzeugbauräume.

Sven Alexander Kaiser, Michael Baumann, Stefan Biba, Hans-Ulrich Steurer

Patentanalyse von Hybridsystemen im Pkw mit Auswirkung auf den Ladungswechsel

Auf dem Gebiet der hybriden Antriebstechnik werden die unterschiedlichen Hybridisierungskonzepte vorgestellt und erläutert, wie die Leistungen eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors zum Antreiben eines Fahrzeuges kombiniert werden können. Um Trends und Schwerpunkte der Industrie auf dem Gebiet der hybriden Antriebstechnik aufzuzeigen, wurden 3215 europäische Patentanmeldungen gesichtet und bezüglich der offenbarten Konzepte ausgewertet. Um die daraus ableitbaren Aussagen besser verstehen zu können, werden Hintergründe zu üblichen Anmeldestrategien geliefert. Im Besonderen werden Schutzrechtsanmeldungen aus Deutschland und Japan als die beiden anmeldestärksten Länder auf dem Gebiet der hybriden Antriebstechnik genauer untersucht. Inwieweit aus den Patentanmeldungen für die hybriden Verbrennungsmotorenkonzepte Ableitungen für den Ladungswechsel des Verbrennungsmotors getroffen werden können, soll diskutiert werden.

Niklas Haverkamp, Wilhelm Hannibal

Kapitel 5. Von der Nische zum Roll-out – eine Multi-Level- Konstellationsanalyse

In diesem Kapitel werden die Analyseergebnisse der Multi-Level-Konstellationsanalyse über die Entwicklungsphasen von InnovationCity in Bezug auf Bürger_innenbeteiligung dargestellt.

Benjamin Best

Kapitel 11. Handlungsoptionen

Effiziente Gebäude mit niedrigem Heizungsenergiebedarf stellen Entwicklungsziele in der EU dar. Die Gebäude sollten neben einem geringen Heizungsenergiebedarf auch für eine suffiziente Nutzung mit angemessener Wohnfläche je Bewohner ausgelegt werden. Die Notwendigkeit zu starkem Ausbau einer in das Gebäude integrierten Photovoltaik wird in Zukunft die meisten Gebäude betreffen.

Günther Brauner

Kapitel 10. Effizienz durch Sektorenkopplung

In der regenerativen Energieversorgung überwiegen Energiequellen, deren Eigenschaften in der Umwandlung von volatiler Umweltenergie in Elektrizität bestehen. Das ungleiche Dargebot führt zu Perioden mit hoher Übererzeugung und solchen mit längerem Erzeugungsmangel. Die kurzfristige Speicherung der Elektrizität mittels Pumpspeichern und stationären oder mobilen Akkumulatoren kann nur teilweise in ausreichendem Potenzial bei guter Wirtschaftlichkeit bereitgestellt werden.

Günther Brauner

Kapitel 9. Effizienz der Mobilität

Der Sektor Verkehr hatte in Deutschland im Jahr 2015 einen Anteil von 29,5 % am gesamten Endenergiebedarf. Der Schienenverkehr hat daran einen Anteil von nur 2,5 %, der Luftverkehr 13 % und die Binnenschifffahrt von unter 1 %. Der Straßenverkehr ist mit 84 % überwiegend für den Energiebedarf des Verkehrssektors verantwortlich.

Günther Brauner

Kapitel 1. Kurzfassung des Buches: Regenerative Systemeffizienz

Dieses Kapitel ist eine Kurzfassung des Buches und stellt die wesentlichen Ergebnisse zusammen. Die Hintergründe und ausführlichen Analysen können in den entsprechenden Kapiteln nachgelesen werden.

Günther Brauner

Kapitel 4. Effizienz und Suffizienz

Die Energieeffizienz bezeichnet das Verhältnis von vorgegebenem Nutzen zu dem dazu notwendigen Energieaufwand. Effizienz wird vorwiegend auf Erzeugungsanlagen beziehungsweise auf Anlagen oder Geräte zur Endnutzung von Energie bezogen. Aus der Sicht des Gesamtsystems ist es zweckmäßig, auch die Infrastrukturen der Übertragungs- und Verteilungsnetze sowie die Energiespeicher in die Betrachtung der Effizienz einzubeziehen. Weiterhin kann eine Einbeziehung der Kopplung der Sektoren von Wärme und Gasversorgung mit dem Elektrizitätssystem eine ganzheitlichere Betrachtung der Energieeffizienz ermöglichen. Dies wird als Systemeffizienz bezeichnet. Die Energieeffizienz stellt daher ein sehr komplexes Arbeitsgebiet in der Forschung, Entwicklung und Umsetzung dar. Entsprechend vielseitig sind die Definitionen der Energieeffizienz.

Günther Brauner

Produktmarketing: Strukturen, Erfolgsfaktoren und praktische Hilfsmittel

Produktmarketing ist der Aufgabenbereich, der wahrscheinlich auch Sie zeitlich am meisten beschäftigt. Produktmanager aller Branchen beklagen dabei oft die zu starke operative Ausrichtung des Produktmarketings. Sie bewegen sich im Spannungsfeld zwischen Kunden, Wettbewerbern, Umfeld und dem eigenen Unternehmen und müssen dafür sorgen, dass Ihr Produkt differenzierter, kostengünstiger, innovativer und vor allem schneller am Markt platziert wird. Damit müssen Sie zwangsläufig das Produktmarketing zusätzlich stärker strategisch ausrichten. Sie können sich nicht mehr allein auf das einfache Erkennen und die Erfüllung der Kundenbedürfnisse konzentrieren.

Klaus J. Aumayr

Kohlenstoffbasierte EFuels – wird der „grüne“ Kohlenstoff zur knappen Ressource?

Eine Überschlagsrechnung für den deutschen Verkehrssektor

Die Bundesregierung und die Europäische Kommission haben ambitionierte Klimaziele zur „Dekarbonisierung“ der Volkswirtschaft formuliert. Gemeint ist aber eigentlich eine Defossilisierung der Volkswirtschaft – nachhaltige, kohlenstoffbasierte Brennstoffe können weiterhin dank Ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften, der damit verbundenen Vorteile beim Handling sowie der vorhandenen Infrastrukturen eine wichtige Rolle spielen – die Frage wird jedoch sein: Wo kommt der nachhaltige „grüne“ Kohlenstoff künftig her?

Christoph Gatzen, David Bothe

Methanol – der Kraftstoff, der uns morgen antreibt

Die Energie- und Rohstoffwende stellt uns in Deutschland vor zahlreiche Herausforderungen. In der gegenwärtigen Situation wird sie aus verschiedenen Gründen eher als Bedrohung denn als Chance gesehen, wodurch die Möglichkeiten, die die Energiewende bietet, verspielt werden. Dabei stehen wir vor einer historischen Gelegenheit, Umweltschutz, Energieeffizienz und Mobilität zum Nutzen aller zu vereinen.

Martin Bertau, Michael Kraft, Ludolf Plass, Hans-Jürgen Wernicke

Strom und erneuerbare Kraftstoffe – gemeinsame Lösung für die Verkehrswende

Im Vorgriff auf das Pariser Klimaschutzabkommen von 2015 hat die Bundesregierung bereits im Jahr 2010 Ziele für die Reduktion von Treibhausgasen in Deutschland veröffentlicht. Das Energiekonzept 2010 sah CO2-Minderungsziele von 55 % bis 2030, 70 % bis 2040 und 80 % bis 95 % bis 2050 vor [1]. Diese Ziele wurden durch den „Klimaschutzplan 2050“ der Bundesregierung bekräftigt und um die Erreichung einer globalen Treibhaugasneutralität in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts erweitert [2].

Stephan Stollenwerk, Jens Kanacher, Frank-Detlef Drake

Technologien zur Produktion von Wasserstoff für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe

Durch Hydrierung von CO2 lassen sich Kraftstoffe synthetisieren, die einen CO2-armen Betrieb von Verbrennungsmotoren ermöglichen. Voraussetzung dazu ist die CO2-arme Produktion von Wasserstoff. Referenzverfahren dafür ist die Dampfreformierung von Erdgas. Nachfolgend wird der Stand der Kenntnis zu verschiedenen infrage kommenden Verfahren und Verfahrensansätzen zur Herstellung von Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen (Erdgas und Kohle), Biomasse, H2O und H2S beschrieben. Wichtige Parameter für eine Bewertung der Verfahren sind die Energieeffizienz, die CO2-Emission und die Integration in vorhandene Industrieparks. Primär zur Erzeugung von Synthesegas entwickelte Verfahren können zwar auch für eine Wasserstofferzeugung erweitert werden. Das ist aber für eine CO2-arme Kraftstoffsynthese kein Vorteil. Die Entwicklung der Methanpyrolyse als CO2-armes Produktionsverfahren für Wasserstoff erscheint besonders aussichtsreich, wenn die dabei entstehenden Koppelprodukte ohne CO2-Emission nutzbar sind. Die Wasserstofferzeugung durch elektrolytische Spaltung von H2O erfordert die Verwendung von CO2-freier elektrischer Energie. Die Spaltung von H2S in H2 und Schwefel ist wesentlich energieärmer als die Spaltung von Wasser aber bislang nur im Labor erfolgreich erprobt worden. Hier fehlt noch viel Entwicklungsarbeit.

Günter Harp

CO2 und Emissionsgesetze, Anforderungen & Lösungen

Die Entwicklung der Treibhausgasemissionen im gesamten Verkehrssektor stagniert auf den ersten Blick. Im Jahr 1995 wurden 177 Mio. t CO2 und Äquivalente emittiert. Das von der deutschen Bundesregierung im Klimaschutzplan 2050 festgelegte Ziel ist eine Reduktion von 40 % bis 2030, also rund 60–70 Mio. t CO2, und eine Reduktion von 80 % bis 2050.

Joachim Damasky, Tobias Block

Verkehrsemissionsgesetzgebungen in der Europäischen Union sowie in Industrienationen und Schwellenländern

Dieser Beitrag orientiert sich an dem Continental Emission Booklet „Worldwide Emission Standards and Related Regulations“.

Hans Nuglisch, Thomas Maier, Sandra Müller

Sunfire – Erneuerbare Moleküle aus CO2 und H2O zur Substitution von Erdöl und Erdgas

Power to X – Full integration of renewables into all sectors

Sunfire startete 2008 als Projekt und wurde 2010 als Firma gegründet. Ursprünglich beschränkt auf das Ziel der Power-to-Liquid – Technologie erweiterte sunfire seine Aktivitäten und Fähigkeiten rund um die Festoxidtechnologie (Solid Oxide Cell; SOC) als Kernbaustein für Brennstoffzellen- und Elektrolysesysteme. Bei der Elektrolyse wird zwischen Wasserstoffproduktion (HyLink) und Synthesegasbereitstellung (SynLink) unterschieden. HyLink und SynLink sind jeweils Kernbausteine für PtG/PtL – Prozesse, je nachdem ob CO2 erst in der Synthese zugeführt wird (HyLink) oder bereits vor der Synthese zu CO reduziert werden muss (SynLink). Die SOC-Technologie zeichnet sich beim Einsatz als Elektrolyseur durch einen besonders hohen elektrischen Wirkungsgrad aus, wenn Dampf aus Abwärme zur Verfügung steht (Hochtemperaturwasserdampfelektrolyse). Sunfire hat eine industrielle Demonstrationsanlage „Fuel 1“ in Dresden errichtet und durch Produktion von mehr als drei Tonnen „e-crude“ erfolgreich validiert. Projekte im MW-Bereich sind in Planung. Märkte sind entweder Nischenanwendungen oder entstehen durch regulatorische Rahmenbedingungen zur Erreichung von Klimaschutzzielen. Die Kosten für PtL-Produkte sind höher als die ihrer fossilen Pendants, was bei weiterhin unterbleibender Internalisierung von fossilen Folgekosten auch noch lange so bleiben wird. Sie liegen jedoch innerhalb der Zahlungsbereitschaft der Kunden (Tankstellenpreise inkl. Steuer). Sunfire konzentriert sich derzeit auf die Marktvorbereitung und den Produktionshochlauf mittels industrialisierter Produkte.

Christian von Olshausen, Karl Hauptmeier

Strombasierte Kraft- und Brennstoffe als Verknüpfung von weltweiten Energiesystemen

Es gibt weltweit verschiedene Standorte, an denen künftig die Stromerzeugung aus Sonne und Wind zu Preisen im Bereich von 2 ct/kWh möglich sein wird. An Beispielstandorten in Marokko, Dubai und Australien wurden Systemauslegung zum konzeptionellen Design für Power-to-Fuel Anlagen durchgeführt. Die geeignete Wahl von Komponentengrößen und die zugehörige Betriebsstrategie führen zu Produktionskosten für strombasierte Kraft- und Brennstoffe von 1,0 bis 1,5 EUR/l im mittelfristigen Zeithorizont und unter 1 EUR/l im langfristigen Ausblick.Transportkosten flüssiger Energieträger sind im Vergleich dazu vernachlässigbar; selbst bei der Berücksichtigung globaler Transportwege. Es ist daher naheliegend die strombasierten Kraft- und Brennstoffe gezielt dort herzustellen, wo die besten Wetterbedingungen herrschen. Durch die Umwandlung in flüssige Energieträger wird der kostengünstige elektrische Strom nutzbar gemacht, selbst wenn es keinen Zugang zur elektrischen Netzinfrastruktur gibt.Die Chance besteht daher in der Verknüpfung globaler Energiesysteme. Gegenden mit sehr guten Wetterbedingungen haben einen strategischen Vorteil zur Produktion von strombasierten Kraft- und Brennstoffen und haben die Möglichkeit lokaler Wertschöpfung und Energieexport. Länder, die heute in großem Maße von Energieimporten abhängig sind und Dekarbonisierungsziele verfolgen, könnten somit auf Windenergie und Photovoltaik an weltweiten Standorten zugreifen.

Alexander Tremel

Kapitel 3. Grundlagen

Zum besseren Verständnis werden die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen behandelt. Zunächst wird auf die Betriebsfestigkeitsanalyse und die Festigkeitsabsicherung im Fahrzeugbau eingegangen. Daran schließt sich ein kurzer Überblick über die Elektrifizierung von Fahrzeugen und die dafür verwendeten Komponenten an. Das Kapitel schließt mit einer Einführung in Multilevel-Ansätze in der Materialwissenschaft und die Übertragung des Konzepts auf die Festigkeitsanalyse komplexer Strukturen im Fahrzeugbau.

Dr.-Ing. habil. Andreas Dörnhöfer

Kapitel 7. Zusammenfassung und Ausblick

HV-Batterien und elektrische Steckkontakte sind im Detail komplexe, hierarchisch aufgebaute Fahrzeugkomponenten, deren Betriebsfestigkeit mittels Multilevel‐Ansätzen abgesichert werden kann. Dadurch lassen sich die Gesamtkomplexität der Versuche und Analysen sowie die Anzahl der Einflussgrößen reduzieren. Die Verknüpfung der einzelnen Komplexitätsebenen und die Einordnung der Ergebnisse finden durch begleitende Simulationen statt. Das Kapitel fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsschwerpunkte und Anwendungsgebiete.

Dr.-Ing. habil. Andreas Dörnhöfer

4. Elektrische Energiewandler und Speicher

Wesentliche Bereiche der Elektrotechnik beschäftigen sich mit der Wandlung und Speicherung von Energie. Transformatoren transformieren Wechselspannungen, Generatoren wandeln mechanische Antriebsenergie in elektrische Energie und Motoren elektrische in mechanische Energie. Photovoltaikanlagen wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie. Zuerst werden Bauformen von Transformatoren und ihr Betriebsverhalten erläutert. Danach geht es um den Aufbau, die Wirkungsweise und das Betriebsverhalten von Drehstrom-Asynchron- und Drehstrom-Synchronmaschinen. Aufbauend auf der Darstellung der Vorgänge in der Solarzelle werden Solarmodule, Solargeneratoren und die photovoltaische Systemtechnik behandelt. Insbesondere werden die unterschiedlichen Wechselrichtertypen hinsichtlich ihrer Funktion und ihrer Wirkungsgrade ausführlich erläutert. Abschließend werden Prinzipien der elektrischen Energiespeicherung dargelegt und ein Überblick über die verschiedenen Technologien zur Speicherung elektrischer Energie gegeben. Dabei wird auch auf die Techniken zur Unterbrechungsfreien Stromversorgung eingegangen. Die Wandlung elektrischer Energie mit leistungselektronischen Schaltungen wird in Abschn. 3.4 in Zusammenhang mit der Halbleitertechnik beschrieben.

Andreas Böker, Ekkehard Boggasch, Hartmuth Paerschke

Globale Trends und die Konsequenzen für die Logistik der letzten Meile

Gesellschaftliche und wirtschaftliche Entwicklungen werden durch verschiedenste Einflussfaktoren langfristig bestimmt. Aus diesen unterschiedlichen Einflüssen resultieren längerfristige Entwicklungslinien, die wir als Trends bezeichnen. Die großen Trendlinien, wie beispielsweise Demographie, sind dabei global, wenn auch mit durchaus unterschiedlichen Ausprägungen in verschiedenen Teilen der Erde.

Peer Witten, Carmen Schmidt

3. Strömungsmaschinen

Wie bereits eingangs erwähnt wird in einer Strömungsmaschine an ein strömendes Fluid entweder a) Arbeit übertragen und ihm dadurch Energie zugeführt; dann handelt es sich um eine Arbeitsmaschine oder b) dem strömenden Fluid wird Energie entzogen und in mechanische Arbeit umgewandelt; dann handelt es sich um eine Kraftmaschine. An der Welle wird also Arbeit (= Energie bzw. Leistung) zu- oder abgeführt.

Gernot Weber

12. Stoffe, Energie und Information

Für das Überleben eines jeden Organismus ist es von entscheidender Bedeutung, dass er alle Nährelemente in der für ihn richtigen Form und Menge aufnimmt. So müssen alle Tiere und Menschen und mit ihnen sämtliche heterotrophen Organismen als Kohlenhydrate, Fette und Proteine aufnehmen. Dagegen nehmen alle Pflanzen und mit ihnen alle autotrophen Organismen – etwa die Cyanobakterien (Blaugrünbakterien, früher Cyanophyceen bzw. Blaualgen genannt) – diese Elemente in anorganischer Form als Kohlenstoffdioxid, Wasser, Ammonium, Nitrat und Sulfat auf. Wir nennen die genannten organischen Verbindungen energiereich im Gegensatz zu den anorganischen, weil sie brennbar sind und beim Verbrennen Wärmeenergie freisetzen. Bei der biologischen Oxidation (Atmung) wird diese Wärmeenergie metabolisch genutzt. Für Lebewesen ist aber ganz besonders wichtig, dass beim Stoffabbau die frei werdende Energie nicht nur als Wärme anfällt, sondern als chemisch verwertbare Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) festgehalten und für die Aufrechterhaltung von basalen Lebensfunktionen genutzt wird (Kap. 1, 19 und 20).Organische Stoffe sind in Lebewesen nicht nur Betriebsstoffe zur Energieversorgung, sondern auch Baustoffe von Zellen. Sie bestimmen die Struktur und die äußerlich sichtbare Erscheinungsform der Lebewesen. Leben entwickelt sich immer nach einem im Zellkern vorhandenen Bauplan, dessen stoffliche Basis die Nucleinsäuren (DNA, RNA) sind. Sie steuern über die Genexpression die Proteinsynthese und damit die Formbildung (Morphogenese). Durch klassische Experimente an der einzelligen Grünalge Acetabularia hat man – noch bevor die Details des Informationsmanagements durch die Erbsubstanz der DNA und RNA bekannt waren – schon früh erkannt, dass es stoffliche Ursachen sind, die im Zellkern vorhanden sind und auch solche, die an die Zelle abgegeben werden, damit sich Struktur und Funktion eines Lebewesens entwickeln können (Kap. 1 und 18).

Prof. Dr. Horst Bannwarth, Dr. Bruno P. Kremer, Prof. Dr. Andreas Schulz

Kapitel 4. Energie und Leistung elektromagnetischer Erscheinungen

Elektrostatische und magnetische Felder können Energie speichern (im Gegensatz zum Strömungsfeld). Deshalb wird die beim Feldaufbau zugeführte Energie (also Leistungsaufnahme) beim Energieabbau wieder abgegeben. Zu diesem Energiespiel gehört eine Bilanzgleichung für das von der Energie erfasste Raumgebiet. Für den Grundstromkreis beispielsweise lässt sich so der Energietransport von einer Spannungsquelle über eine Verbindungsleitung zum Verbraucherzweipol als Energiestrom des elektromagnetischen Feldes erklären.Besondere Bedeutung hat die wechselseitige Umwandlung zwischen elektromagnetischer und mechanischer Energie. Dazu zählen Kräfte auf ruhende Ladungsträger im elektrischen Feld sowie Spannungen an Grenzflächen. Entsprechende Vorgänge gibt es im magnetischen Feld. Sie finden wegen der größeren Kräfte breite Anwendung z. B. in Motoren und Hubmagneten. Auf solchen Energiewandlungen beruhen auch zeitveränderliche Kondensatoren und Induktivitäten.

Steffen Paul, Reinhold Paul

Kapitel 1. Das elektrische Feld

Der Übergang vom Gleichstromkreis und seinen Elementen zu Modellen elektrischer Strömungsfelder gelingt am anschaulichsten durch Einführung der Begriffe Feldstärke E, Potential und Stromdichte J im homogenen Strömungsfeld eines stromdurchflossenen linienhaften Widerstandes. Von diesem Feld ist der Übergang zum inhomogenen Strömungsfeld dann sehr einsichtig. Im nächsten Schritt werden die Kirchhoff’schen Sätze und das ohmsche Gesetz des Strömungsfeldes formuliert und die Grenzflächenbedingungen sowie seine Haupteigenschaften, die Quellen- und Wirbelfreiheit, betrachtet. Mit den Beziehungen zwischen Integral- und Feldgrößen sowie den unterschiedlichen Leitungsmechanismen in Strömungsfeldern schließt der Abschnitt.

Steffen Paul, Reinhold Paul

9. Deutschland

Der Beitrag gibt einen Überblick über die leitungsgebundene Energieversorgung, insbesondere mit Strom-, Gas- und Fernwärme, in Deutschland. Nationale Besonderheiten und Entwicklungen werden diskutiert. Aufbauend auf der Darstellung ausgewählter Zeitreihen wird der technisch-ökonomische Sachstand analysiert. Die Ausführungen weisen auf Verbesserungspotenziale und geplante Maßnahmen bezüglich Infrastrukturausbau und Energieeffizienz hin.Durch die Verwendung offizieller Energiestatistiken sind vergleichende Analysen mit den Versorgungsstrukturen anderer EU-Länder möglich.

Tino Schütte

14. Elektrifizierte Antriebssysteme

Eine möglichst kraftsparende Ortsveränderung und der damit verbundene Transport von Gütern und Personen war seit Beginn der Menschheit ein wesentliches Bedürfnis. Sehr früh wurde erkannt, dass dazu Transportmittel und Kraft‐ bzw. Antriebsquellen erforderlich waren. Je nach Transportaufgabe entwickelte sich daraus eine Vielzahl unterschiedlicher Symbiosen von Transportmitteln und Antriebssystemen.Heute ist der Verbrennungsmotor die dominierende Antriebsquelle. Das ist ein Ergebnis des aktuellen Stands der Entwicklung. Das war nicht immer so und muss in Zukunft auch nicht so bleiben. Der Verbrennungsmotor ist technologisch nur eine Möglichkeit von vielen, die wir heute als alternative Antriebe bezeichnen. Ein Motor allein ist auch noch kein Antriebssystem. Wie lange der Verbrennungsmotor eine wesentliche Antriebsquelle sein wird, hängt – neben vielen nicht technischen Randbedingungen – von der technologischen Entwicklung des Motors selbst und der Kombinationsfähigkeit mit anderen Antriebssystemen und Transportmitteln ab. Für einen zukunftsweisenden Weg des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, die Eigenschaften alternativer Antriebssysteme zu kennen und zu erkennen, aus welchen Gründen sich bestimmte Technologien durchgesetzt haben und andere nicht, und darauf abgestimmte Motoren zum Einsatz zu bringen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Peter Fischer, Dipl.-Ing. Stefan Neunteufel

15. Hybridantriebe und Range Extender

Die für unsere heutige individuelle Mobilität mit dem Automobil erforderliche Energie ist zu etwa 95 % fossiler Herkunft und dabei überwiegend erdölbasiert. Gleiches gilt für den Gütertransport auf Straße und Wasser sowie für den Betrieb mobiler Arbeitsmaschinen. Aber auch im internationalen Zugverkehr und beim Betrieb stationärer Kraftmaschinen werden fossile flüssige oder gasförmige Kraftstoffe in großem Umfang eingesetzt. Die Reduzierung der CO2‐Emission bei steigendem Mobilitätsbedarf, die Endlichkeit der fossilen Energieträger und der Wunsch nach größtmöglicher politischer und wirtschaftlicher Unabhängigkeit im Energiesektor beeinflusst mittel‐ und langfristig die Energiewandlungsprozesse zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie. Trotzdem wird der Verbrennungsmotor, abhängig von der Anwendung, noch für lange Zeit der zentrale Energiewandler bleiben.Seit Jahrzehnten wird in Teilbereichen der konventionelle Kraftstoff zunehmend mit biogenen oder nicht erdölbasierten, aber immer noch fossilen Kraftstoffen ergänzt oder gar substituiert (Kap. 21). Eine weitere und gerade in den letzten etwa zehn Jahren intensiv entwickelte Technologie ist die Anwendung der lokal emissionsfreien elektrischen Energie für den Antrieb von Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

19. Verbrennungsmotoren – gestern, heute, morgen

Wird die Frage nach der zukünftigen Form des Verbrennungsmotors diskutiert, so können zunächst die grundsätzlichen Merkmale der heute verwendeten Formen von Zwei- und Viertaktmotoren zur Diskussion gestellt und weiterführende Optimierungsansätze angedacht werden. Nicht selten ist zudem der Blick in die Vergangenheit interessant und aufschlussreich, wurden doch im Laufe der langen Entwicklungsdauer der VKM eine Vielzahl innovativer Konzeptansätze verfolgt. Diese blieben zwar häufig ohne nachhaltigen Erfolg, können aber heute durchaus von Interesse sein, wenn für deren Bewertung zukünftige Rahmenbedingungen gelten: Diese können beispielsweise eine spezifische Eignung für alternative Kraftstoffe oder außerordentliche Laufruhe und Kompaktheit bei Range Extendern sein, womit selbst Gasturbinen sowie Wankel- und Zweitaktmotoren einer Neubewertung zu unterziehen sind. Besonders hinsichtlich Effizienz wird zukünftig jede konzeptionelle Möglichkeit zur Erschließung weiterer Potenziale in Betracht gezogen werden, selbst wenn unter heutigen Bedingungen der erforderliche Aufwand für (erweiterte) Variabilitäten im Ventil- und Kurbeltrieb, Abwärmenutzung etc. nicht gerechtfertigt erscheint.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Eichlseder

16. Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie

Brennstoffzellen (BZ) werden seit vielen Jahren als vielversprechende Technologie in Hinblick auf ein effizientes und emissionsfreies Transport‐ und Energiesystem diskutiert. In den vergangenen zehn Jahren gab es enorme Entwicklungsfortschritte und alle wesentlichen technologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen wurden gelöst. BZ erreichen heute die geforderten Lebensdauern, sind kompakt und von der Leistungsdichte mit Motoren vergleichbar und bei entsprechenden Stückzahlen auch zu wettbewerbsfähigen Kosten herstellbar. Dies wird auch belegt durch die einsetzende Markteinführung zahlreicher BZ‐Produkte. So sind im Moment drei BZ‐Fahrzeugmodelle kommerziell erhältlich, in Japan sind über 200.000 BZ‐Heizgeräte verkauft und Produkte für stationäre Energieerzeugung gewinnen Marktanteile. Im Folgenden sollen die wichtigsten technischen Aspekte von BZ beleuchtet werden.Die BZ ist ein elektrochemischer Energiewandler. Es wird chemische Energie direkt, ohne Umweg über mechanische Energie, in elektrische Energie umgewandelt. Grundlage für das Funktionsprinzip ist das Zustandekommen eines freien Elektronenflusses durch eine Reduktions‐ und Oxidationsreaktion. Zwischen diesen beiden Reaktionen findet nur ein Ionenaustausch über einen für Elektronen nicht durchgängigen Elektrolyten statt. Damit werden die Elektronen über einen externen Stromleiter gezwungen, wo elektrische Verbraucher angetrieben werden können. Durch die Reduktion von Wasserstoff werden Elektronen abgegeben, die bei der Oxidation mit Sauerstoff wieder aufgenommen werden (Abb. 16.1).

Dipl.-Ing. Jürgen Rechberger

21. Brennstoffe

Heute bilden fossile Brennstoffe das weltweite Rückgrat der Mobilität. Die zuverlässige Versorgung und Betriebssicherheit von Motoren ist durch nationale und internationale Normen, die die wichtigsten Stoffeigenschaften, Limitierung von unerwünschten Inhaltsstoffen etc. regeln, gewährleistet. Mit der dringlichen Notwendigkeit zur Senkung von CO2 Emissionen und vor dem Hintergrund des weiterhin ansteigenden Bedarfes nach Mobilität kommt der Entwicklung und Anwendung von zukünftigen, überwiegend nichtfossilen Brennstoffen eine Schlüsselrolle zu. Hilfreich ist dabei eine herausragende Eigenschaft des Verbrennungsmotors, die Eignung für verschiedene flüssige und gasförmige Kraftstoffe. Eine große Bandbreite von Brennstoffausgangsprodukten fossilen und nichtfossilen Ursprungs kann dafür genutzt werden. Ein besonderer Hoffnungsträger ist dabei mittels Elektrolyse erzeugter Wasserstoff. Dieser kann nicht nur in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren direkt genutzt werden, sondern mit nachfolgender Synthese zu sogenannten E-Fuels weiterverarbeitet werden. Diese haben nicht nur den Vorteil der erneuerbaren Basis, sondern können auch in ihren Eigenschaften gezielt beeinflusst werden.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Eichlseder, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

3. Antriebsmaschinen, Leistungsübertragung

Die Begriffe „Bedarfskennlinie eines Fahrzeugs“ und „Lieferkennung einer Antriebsmaschine“ und deren grafische Darstellung werden eingeführt. Für die verschiedenen im Fahrzeugbetrieb verwendbaren Antriebsmaschinen (Dampfmaschine; Elektromotor als Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommotor; Verbrennungsmotor; Gasturbine) werden die Drehmoment- bzw. Zugkraftkennlinien sowie die Leistungskennlinien dargestellt und besprochen, wobei sowohl die Kennlinien für Antrieb als auch für Bremsen (über die Antriebsanlagen) berücksichtigt sind. Auch der Begriff „Kennungswandler“ wird erläutert. Für Verbrennungsmotoren wird die Kennungswandlung durch mechanische und hydraulische Getriebe sowie durch elektrische Leistungsübertragung gezeigt. Die Konstruktionsprinzipien des mechanischen Teils elektrischer Antriebe werden ebenfalls dargestellt. Das Kapitel schließt mit Hybridantrieben für Schienenfahrzeuge.

Joachim Ihme

15. Stromversorgung der Infrastruktur

Neben dem Energieverbrauch für die Traktion von Zügen gibt es bei den Eisenbahnen zahlreiche, stationäre Energieverbraucher der Infrastruktur. Mit der weiteren Entwicklung der Technik und der immer höher werdenden Komplexität werden diese immer intensiver zur Anwendung von Elektroenergie übergehen und zunehmend an Bedeutung gewinnen.Normalerweise werden die Energieverbraucher aus bahneigenen Starkstromnetzen (3AC 400 V 50 Hz oder 3AC 6/12/20/30 kV 50 Hz) versorgt, die aus den anliegenden Netzen der regionalen Energieversorgung gespeist werden. In den Knotenpunkten nehmen diese zum Teil bedeutende Ausmaße an.

Dipl.-Ing. Eberhard Hunger, Dipl. Ing. Uwe Steinert

5. Die Energiewende – Handicap oder Chance?

Der Monitoring-Prozess „Energie der Zukunft“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie überprüft regelmäßig den Fortschritt der Zielerreichung und den Stand der Umsetzung der Maßnahmen zur Energiewende mit Blick auf eine sichere, wirtschaftliche und umweltverträgliche Energieversorgung, um bei Bedarf nachsteuern zu können. Drei Aspekte stehen im Mittelpunkt. Der Monitoring-Prozess gibt einen faktenbasierten Überblick über den Fortschritt bei der Umsetzung der Energiewende. Dazu wird die Vielzahl der verfügbaren energiestatistischen Informationen auf ausgewählte Kenngrößen (Indikatoren) verdichtet und aufbereitet. Im Rahmen der jährlichen Monitoring-Berichte wird als zweiter Aspekt das Erreichen der Ziele aus dem Energiekonzept verfolgt und die Maßnahmen bewertet. Bei absehbaren Zielverfehlungen schlagen zusammenfassende Fortschrittsberichte in einem Rhythmus von drei Jahren aufgrund der dann mehrjährigen Datenbasis Maßnahmen vor, um Hemmnisse zu beseitigen und die Ziele zu erreichen. Zum Dritten richtet der Monitoring-Prozess sein Augenmerk auch auf die absehbare weitere Entwicklung wichtiger Kenngrößen. Dazu machen die Fortschrittsberichte Trends erkennbar.

Franz Joos

21. Lösungen der Übungsaufgaben

Am Ende jeden Kapitels sind Übungsaufgaben zum Selbststudium gelistet. In diesem abschließenden Kapitel sind die Lösungen ausführlich mit Zwischenschritten dargestellt.

Prof. Dr.-Ing. Richard Zahoransky

2. Energietechnische Grundlagen

Kap. 2 stellt kurz die verschiedenen Energieformen mechanisch, thermisch, chemisch etc. vor und das Prinzip von der Erhaltung der (Gesamt‑)Energie. Die Möglichkeit zur Umwandlung von thermischer Energie in nutzbare mechanische Energie durch Kreisprozesse, mit dem theoretischen Carnot‐Prozess als Obergrenze des Umwandlungswirkungsgrades, wird erläutert. Die Angabe der Größenordnung des regenerativen Energieangebots und des anthropogenen Umsatzes und die Unterscheidung zwischen Primär‑ und Sekundärenergien schließen das Kapitel ab.

Prof. Dr.-Ing. Udo Schelling

10. Blockheiz-Kraftwerke BHKW, Kälteanlagen,Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung

Die thermischen Wirkungsgrade von Kraftwerken zur Stromerzeugung sind relativ gering. Beispielsweise erreichen moderne Kohlekraftwerke heute bis etwa 45 %, Gasturbinen maximal 40 % und Diesel‐Motoren nicht über 50 %. Kombinations‐Kraftwerke, d.h. Gas‑ und Dampfturbinen‐Prozesse, können an die 60 % thermischer Wirkungsgrad bei der Umwandlung der zugeführten Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie erzielen. Ein ähnlich hoher Wert wird in Zukunft von den Brennstoffzellen erwartet. Der nicht in Arbeit umgewandelte Anteil der zugeführten Wärme fällt als Abwärme an und geht ungenutzt in die Umgebung. Ein Teil dieser Abwärme lässt sich durch entsprechende Installationen bei allen Kraftwerksprozessen zur Wassererwärmung oder zur Dampferzeugung für industrielle Zwecke nutzen. Für Heizzwecke genügt eine Temperatur der Abwärme von 60 bis 80 °C, während die Erzeugung von Industriedampf deutlich höhere Temperaturen voraussetzt.Wird neben der mechanischen Energie auch Wärme als Nutzen angesehen, so reicht der thermische Wirkungsgrad $$ \upeta_{\text{th}}=\text{P}_{\text{mech}}/ {{\dot{\text{Q}}}_{\text{zu}}}$$ η th = P mech / Q ˙ zu nicht mehr zur Beschreibung der Prozessgüte aus. Zweckmäßig ist der Brennstoffnutzungsgrad ηBst, der den Nutzwärmestrom $$ {{\dot{\text{Q}}}_{\text{Nutz}}}$$ Q ˙ Nutz gleichwertig zur elektrischen bzw. mechanischen Leistung setzt: 10.1 $$ \upeta _{\text{Bst}} = ({{\dot{\text{Q}}}_{\text{Nutz}}}+ \text{P}_{\text{el}})/{{\dot{\text{Q}}}_{\text{zu}}} $$ η Bst = ( Q ˙ Nutz + P el ) / Q ˙ zu 10.2 $$ \text{bzw. } \upeta _{\text{Bst}} = ({{\dot{\text{Q}}}_{\text{Nutz}}}+ \text{P}_{\text{mech}})/{{\dot{\text{Q}}}_{\text{zu}}} $$ bzw. η Bst = ( Q ˙ Nutz + P mech ) / Q ˙ zu Die Temperatur und der Aggregatzustand (flüssiger oder dampfförmiger Wärmeträger) charakterisieren die Qualität der Nutzwärme. Eine Nutzwärme bei hoher Temperatur kann auch für verfahrenstechnische Prozesse, die oft eine hohe Temperatur benötigen, genutzt werden. Für Nutzwärme mit hoher Temperatur lassen sich deshalb höhere Preise erlösen. Deshalb ist die Nutzwärme‐Temperatur eine weitere Kenngröße.

Prof. Dr.-Ing. Richard Zahoransky

9. Brennstoffzellen

Kap. 9 beginnt mit einer kurzen historischen Einführung und beschreibt dann nach einer ersten Klassifizierung das Funktionsprinzip und die thermodynamischen Grundlagen der direkten Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Es folgen die verschiedenen Wirkungsgraddefinitionen und Verlustursachen und das sich daraus ergebende typische Betriebsverhalten einer Brennstoffzelle mit höherem Wirkungsgrad im Teillastbereich. Es werden die Anwendungsgebiete, die notwendigen Grundkomponenten und der Stand der Entwicklung der verschiedenen Typen AFC, PEFC, PAFC, MCFC und SOFC besprochen, Vor‑ und Nachteile diskutiert und einige ausgeführte Anlagen vorgestellt.

Prof. Dr.-Ing. Udo Schelling

18. Energiespeicherung

Im Zuge der 2011 in Deutschland politisch beschlossenen „Energiewende“ kommt der Speicherung von Energie eine zentrale Bedeutung zu. Energiespeicher sind notwendig, um das Zusammenspiel von Angebot und Nachfrage zu koordinieren, um somit ein stabiles Gleichgewicht herzustellen. Zu den Energiespeichern zählen Speicher elektrischer Energie, Brennstoffspeicher sowie Wärmespeicher. Elektrizität ist eine der wenigen Energieformen, die nicht an einen Stoff gebunden ist und nur durch das elektrische Feld eines Kondensators, durch das elektromagnetische Feld einer Spule oder durch Umwandlung in eine andere Energieform speicherbar ist.Speicher für elektrische Energie sind heute sowohl aus ökonomischen als auch aus technischen Gründen unabdingbare Bestandteile der Stromversorgung. In den Industrieländern wird die störungsfreie Versorgung mit elektrischer Energie als selbstverständlich angesehen. Zur Sicherstellung einer störungsfreien Stromversorgung als auch zur Gewährleistung einer hohen Versorgungssicherheit müssen Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen werden. Durch den Einsatz von Speichern erfolgt eine teilweise Entkopplung der Stromerzeugung vom Stromverbrauch. Die Einsatzbereiche elektrischer Speicher sind vielfältig. Sie bestehen sowohl im Tages‑, Wochen‑ und Jahreslastausgleich als auch in der unterbrechungsfreien Stromversorgung und der Bereitstellung einer Wirkleistungssekundenreserve.

Prof. Dr.-Ing. Richard Zahoransky, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Hans-Josef Allelein

19. Galvanische Zellen

Das Kapitel gibt einen Überblick über die verschiedenen galvanischen Zellen. Neben historischen Möglichkeiten werden heutige Batterien und Akkumulatoren sowie Brennstoffzellen beschrieben. Betrachtungen zu Lokalelementen und zum kathodischen Korrosionsschutz runden das Kapitel ab.

Torsten Schmiermund

Kapitel 6. Zukunftsweisende Ansätze

Neben den diskutierten etablierten energietransformierenden Lösungen gibt es eine Reihe noch nicht im großen Stil in der Praxis erprobter bzw. noch in der Entwicklung befindlicher Technologien, von denen in diesem Buch zwei herausgegriffen werden sollen.

Wolfgang Osterhage

Antriebsmix für die zukünftige Mobilität – aber welcher?

Alternative Antriebskonzepte stellen mit ihrem jeweils ganz spezifischen Platz- und Sicherheitsbedarf den Karosserie- und Gesamtfahrzeugentwickler vor große Herausforderungen. Die vorzuhaltenden Package-Räume variieren stark, je nach Alternative. Die Möglichkeiten reichen von einfachen elektrischen Antrieben mit verhältnismäßig kleinem Batteriespeicher bis zu E-Antrieben mit Brennstoffzelle als Energiewandler, ein, zwei Wasserstofftanks und Hochvoltbatteriepack.

Volkher Weißermel

14. Speichertechnologien

Wegen der räumlichen und zeitlichen Schwankungen von (regenerative) Energieerzeugung und Energieverbrauch (besser wäre Leistungsbereitstellung und Leistungsaufnahme) kommen dem Netzausbau und den Speichermöglichkeiten besondere Bedeutung zu. Zusammenfassend kann den Speichern folgende Eigenschaften zugeordnet werden: Speicher sind relativ teuer die Speicherung ist verlustbehaftet. Der nachfolgende Abschnitt gibt einen Überblick zu den Technologien und den Speicherpotentialen, teilweise kann auf Ausführungen in den Vorkapiteln verwiesen werden.

Holger Watter, Prof. Dr.-Ing. Holger Watter

15. Anhang

Die Aktivseite (Activa) wird unterteilt in Anlagevermögen und Umlaufvermögen. Das Anlagevermögen beinhaltet im Wesentlichen 1. Immobilien (Grundstücke, Gebäude), 2. Mobilien (Möbel, Fahrzeuge, technische Anlagen und Maschinen) sowie 3. Finanzanlagen (Wertpapiere, Beteiligungen). Zum Umlaufvermögen gehören 1. Vorräte (Waren- und Materialbestände), 2. Debitoren (Forderungen aus Lieferungen und Leistungen) und 3. liquide Mittel (Kasse, Bankguthaben). Die Auflistung erfolgt nach Verfügbarkeit, d. h. unflexible Vermögenswerte erscheinen bevorzugt an erster Stelle, flexible Finanzmittel zuletzt.Die Passivseite (Passiva) ist in Eigen- und Fremdkapital aufgeteilt. Zum Eigenkapital zählt:

Holger Watter, Prof. Dr.-Ing. Holger Watter

12. Kraft-Wärme-Kopplung

Nachfolgend werden die wichtigsten Kraftmaschinen in Bezug auf nachhaltige Energiesysteme angesprochen. Zur Vertiefung sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Abbildung 12.1 gibt eine Übersicht zu den Leistungs- und Wirkungsgradpotentialen der wichtigsten Energiewandler. Dabei haben sich Dieselmotoren und kombinierte Gas-/Dampfturbinenprozesse in der Praxis bewährt. Neben den relativ guten Wirkungsgraden zeichnen sie sich durch hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aus. Sie werden deshalb als betriebswirtschaftliche Lösungen in der Regel favorisiert. Die Brennstoffzellensysteme haben die Ebene der Laborversuche verlassen und werden z. Zt. in Feldversuchen erprobt. Die hier gezeigten Leistungs- und Wirkungsgradoptionen müssen sich in der Praxis noch bewähren.

Holger Watter, Prof. Dr.-Ing. Holger Watter

13. Wasserstoff als Energieträger

Für zukünftige Energieversorgungssysteme wird Wasserstoff als Energieträger favorisiert. Da Wasserstoff jedoch in der Natur nicht als Rohstoff vorkommt, erfolgt die Wasserstoffherstellung überwiegend aus thermochemischen Verfahren und (seltener) aus elektrochemischen Verfahren. Diese Verfahren sind sehr energieintensiv. Bei der ökologischen Bewertung ist deshalb die gesamte Energiekette von der Wasserstofferzeugung bis zur energetischen Nutzung zu betrachten. Dies wird leider oft jedoch nicht gemacht, sondern der Systemwirkungsgrad auf den relativ hohen Heizwert von Wasserstoff bezogen.

Holger Watter, Prof. Dr.-Ing. Holger Watter

Open Access

Kapitel 1. Einleitung

Wie kann die Entstehung, Aufrechterhaltung und Veränderung einer neuen Vielfalt an Formen kollektiver Handlungspraxis sozialwissenschaftlich analysiert werden? Wenn heute für immer fragilere Kollektive eine Handlungsfähigkeit proklamiert wird, lohnt es sich, auch diesem Grundbegriff selbst erneut Beachtung zu schenken. Beispiele für die beschriebene Transformation finden sich in der Literatur zu Projekten, Netzwerken, eventbezogenen Bewegungen oder politischen Multituden, um nur einige zu nennen. Diese Schriften verweisen auf eine Pluralisierung, Auflösung und Verflüssigung handlungsfähiger Kollektive.

Robert Jungmann

2. Grundlagen

Die Elektromobilität blickt auf eine lange Historie immer neuer Anläufe, das Elektrofahrzeug als Serienprodukt zu etablieren, zurück. Zumeist werden moderne Fahrzeuge jedoch noch immer rein konventionell angetrieben, obwohl sie bereits voll elektrifiziert sind. Neben dem steigenden Kostendruck, technischen Hürden und einer unsicheren Marktsituation hat insbesondere die Infrastruktur und das jeweilige Nutzungsszenario Einfluss auf die zukünftige Entwicklung. Durch die notwendige Integration neuer Industrien, wie der Chemie- und Elektronikbranche sowie der Energiewirtschaft, werden sich die Wertschöpfungsstrukturen in der Automobilindustrie mit der Elektromobilität weiter verändern. Die Folge ist ein komplexes, interdependentes Wertschöpfungssystem mit neuen Wettbewerbsstrukturen und Geschäftsmodellen. Demnach werden auch an die Produktion von Elektrofahrzeugen neue Anforderungen gestellt. So sind Skalen- und Lerneffekte allein nicht mehr ausreichend um in Kleinserien und bei volatilen Stückzahlen wirtschaftlich produzieren zu können. Um auch in vorgelagerten Bereichen der Entwicklung Effizienzsteigerungen zu erzielen, sind die integrierte Produkt- und Prozessentwicklung sowie ein gutes Anlaufmanagement von entscheidender Bedeutung.

Achim Kampker, Dirk Vallée, Armin Schnettler, Paul Thomes, Garnet Kasperk, Waldemar Brost, Christoph Deutskens, Kai Kreisköther, Sarah Fluchs, Ruben Förstmann, Carsten Nee, Alexander Meckelnborg, Ralf Drauz

5. Fahrzeugkonzeption für die Elektromobilität

Auf den ersten Blick scheint der konzeptionelle Aufbau von Elektrofahrzeugen häufig dem eines konventionell betriebenen Kraftfahrzeuges zu ähneln. Dass dem in vielen Bereichen allerdings nicht so ist, wird in diesem Kapitel dargelegt. Hierbei werden die Veränderungen, Herausforderungen und Chancen der Konzeption durch die Elektromobilität betrachtet. Dafür müssen neben den offensichtlicheren Veränderungen auch Prozesse im Hintergrund überprüft werden. Ein Ausblick auf den Recyclingprozess ist daher ebenso Teil des benötigten Entwicklungsprozesses wie das Anlaufmanagement neuer Produktionsreihen in denen Elektrofahrzeuge in einem neu entwickelten Package produzierte werden können.

Dirk Morche, Fabian Schmitt, Klaus Genuit, Olaf Elsen, Achim Kampker, Christoph Deutskens, Heiner Hans Heimes, Mateusz Swist, Andreas Maue, Ansgar vom Hemdt, Christoph Lienemann, Andreas Haunreiter, Saskia Wessel, Ansgar Hollah, Bernd Friedrich, Matthias Vest, Tim Georgi-Maschler, Wang Honggang

4. Geschäftsmodelle entlang der elektromobilen Wertschöpfungskette

In diesem Kapitel werden Veränderungen entlang der originären Wertschöpfungskette innerhalb des Automobilmarkts betrachtet, welche mit der voranschreitenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs einhergehen. Dazu werden Einflussfaktoren der Marktentwicklung und Prognosen zur zukünftigen Entwicklung herangeführt. Die Akteure entlang der Wertschöpfungskette sehen sich zum einen neuartigen Herausforderungen konfrontiert, zum anderen bieten sich ihnen Möglichkeiten den eigenen Anteil an der Wertschöpfung zu steigern. Die geänderten Kundenbedürfnisse und die Nachfrage nach einem vernetzten und ganzheitlichen Mobilitätsangebot bedingen zudem den Vorstoß in innovative Wertschöpfungsbereiche, was eine Neuentwicklung und Erweiterung vorhandener Geschäftsmodelle erforderlich macht. Um dem disruptiven Wandel begegnen zu können, eignen sich verschiedenartige Kooperationen zwischen den Akteuren. Dabei werden die einzelnen Aspekte perspektivisch aus Sicht der OEMs, der Zulieferer und der Energieversorger betrachtet.

Garnet Kasperk, Sarah Fluchs, Ralf Drauz

4. Wärme – und Kälteversorgungsanlagen

Nach den Grundlagen der Berechnung des Wärmeüberganges (Heizlast und Kühllast) werden Wärme- und Kälteversorgungsanlagen, aufgeteilt nach Erzeugung und Verteilung, erläutert. Unterschieden wird nach Energieträger (Erzeugung) und Einsatz von regenerativer Energie. Viele Einzelheiten der Erzeugungssysteme bis hin zu baukonstruktiven Hinweisen (z. B. Abgasanlagen) mit Verweisen auf Normen und Gesetze werden aufgeführt. Ganzheitliche Versorgungskonzepte mit integrierten Wärme- Kälteanlagen oder auch Kraft-Wärme- und Kälte-Kopplungen werden mit zahlreichen Beispielen dargestellt. Wärme- und Kälteverteilungsanlagen in Räumen werden als wesentliches Merkmal der empfundenen thermischen Qualität mit Auslegungshinweisen und Beispielen vorgestellt.

Dirk Bohne

11. Mikrogasturbine

Eine Mikrogasturbine ist eine kleine Gasturbine für den Einsatz in der dezentralen Energieversorgung mit einer Leistung bis 200 kW elektrisch. Mikrogasturbinen sind kompakt gebaut, haben hohe Drehzahlen, niedrige Brennkammerdrücke und Temperaturen. Sie können mit einem breiten Spektrum an Kraftstoffen wie Erd- und Biogas, sowie flüssigen Brennstoffen betrieben werden [11-1]. Abb. 11.1 zeigt den Anwendungsbereich im Verhältnis zu anderen Energieerzeugungssystemen.

Hartmut Frey

9. Brennstoffzellen

Elektrische Energie aus chemischen Energieträgern gewinnt man meist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. Chemische Energie wird verbrannt und als thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Erst aus dieser wird im Generator Strom erzeugt. Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Die unmittelbare Energiewandlung hat im Hinblick auf die Energieausbeute große Vorteile gegenüber den Wärmekraftmaschinen, Abb. 9.1.

Hartmut Frey

4. Solarenergienutzung durch optimale Gebäudegestaltung

Mit der Diskussion zur zukünftigen Energiebereitstellung und zum Einsatz rationaler Energieverwendung in Gebäuden, rückt die Energiegewinnung durch aktive regenerative Systeme in der Gebäudehülle immer mehr in den Mittelpunkt moderner Gebäudetechnik. Als aktive Energieerzeuger (oder genauer gesagt Energiewandler) integriert in Fassaden, sind vorrangig Solarthermie- und die Photovoltaik-Systeme zu nennen. Betrachtet man die kurze Geschichte der beiden Technologien, findet sich diese größtenteils als Produkt für Dachanwendungen wieder. Dies ist einerseits nachvollziehbar und vernünftig, erhalten doch in der Regel Dächer weitaus größere solare Einstrahlungsmengen als Fassaden. Zudem sind Bauregelwerke für Aufdachanlagen häufig weniger restriktiv als für Fassaden. Dem gegenüber steht das Streben nach architektonisch ansprechenden Lösungen für energieerzeugende Systeme an Fassaden. Ein weiteres Argument findet sich in dem Flächenpotenzial für Fassaden, das weitaus größer ist, als das der zur Verfügung stehenden Dachflächen. Grundsätzlich gilt für alle energieerzeugenden Systeme, die für eine Fassadenanwendung zum Einsatz kommen sollen:

Hartmut Frey

Kapitel 2. Einsatz von elektrischen Maschinen im Elektro- bzw. Hybridfahrzeug

Unabhängig vom Gesamtfahrzeugkonzept (Hybrid- oder Elektrofahrzeug) basiert der elektrische Teil des Antriebsstranges auf einem Energiespeicher (Batterie/ Brennstoffzelle), der Leistungselektronik (Umrichter) und der elektrischen Maschine. Da die Hochvoltbatterie (übliches Spannungsniveau zwischen 200 und 800 V) das aktuell gängigere Konzept darstellt, wird dieses im Folgenden beispielhaft betrachtet. Abb. 2.1 zeigt schematisch den beschriebenen Aufbau eines elektrischen Antriebsstranges.

David Bauer

Kapitel 5. Fahrzeuge im Öffentlichen Personennahverkehr

Erste Fahrzeuge auf Schienen bzw. in Spurrillen gab es schon im Altertum. Im ausgehenden Mittelalter gab es Schienenfahrzeuge im Bergbau, doch die große Zeit der (spurgeführten) Nahverkehrsfahrzeuge begann erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts (Kraftfahrzeuge erschienen 50 Jahre nach den Eisenbahnen).

Winfried Reinhardt

6. Ströme

In der Elektrostatik haben wir positive und negative elektrische Ladungen kennen gelernt. Die Ladungen waren räumlich voneinander getrennt und erzeugten so elektrische Felder. Wir haben die Phänomene untersucht, die von diesen Ladungen ausgehen, wobei wir nur solche Situationen betrachtet haben, in denen die Ladungen ruhten. Nun wollen wir uns den Phänomenen zuwenden, die auftreten, wenn sich die Ladungen bewegen. Stellen wir beispielsweise zwischen positiven und negativen Ladungen eine elektrisch leitende Verbindung her, so werden sich die positiven Ladungen zu den negativen Ladungen hin bewegen oder umgekehrt (oder beides). Es fließt ein elektrischer Strom (Abb. 6.1).

Prof. Dr. Stefan Roth, Prof. Dr. Achim Stahl

Open Access

Chapter 5. Industry-Level Collaboration in mCHP Standardisation and Regulation

This chapter provides in-depth insights into the extensive collaboration across multiple actors in the European heating industry during micro Combined Heat and Power’s (mCHP) development. Actors in the industry cooperated both in developing mCHP technology and related standardisation/regulation processes. The chapter outlines the role of non-company actors (e.g. industry associations) and the industry’s intellectual property rights approach (IPRs) in facilitating this cooperation. This chapter gives a detailed account of the particularly dynamic and contentious processes of standardising and regulating access to the electricity grid and requirements for energy efficiency labels. These examples show how innovators can jointly create conditions that support their innovation, even if major stakeholders (including government) oppose the technology. The examples also show how innovators can handle important policy and societal issues.

Paul Moritz Wiegmann

D8. Thermodynamische Prozesse

Ein Prozess, der ein System wieder in seinen Ausgangszustand zurückbringt, heißt Kreisprozess. Nachdem er durchlaufen ist, nehmen alle Zustandsgrößen des Systems wie Druck, Temperatur, Volumen, innere Energie und Enthalpie die Werte an, die sie im Ausgangszustand hatten. Nach dem ersten Hauptsatz, D3 Gl. (10), ist nach Durchlaufen des Prozesses die Energie des Systems wieder gleich der Energie im Ausgangszustand und daher 1 $$\sum Q_{ik}+\sum W_{ik}=0\:.$$ ∑ Q i k + ∑ W i k = 0 . Die gesamte verrichtete Arbeit ist $$-W=-\sum W_{ik}=\sum Q_{ik}$$ - W = - ∑ W i k = ∑ Q i k . Maschinen, in denen ein Fluid einen Kreisprozess durchläuft, dienen der Umwandlung von Wärme in Arbeit oder umgekehrt der Umwandlung von Arbeit in Wärme. Nach dem zweiten Hauptsatz kann die zugeführte Wärme nicht vollständig in Arbeit verwandelt werden.Ist die zugeführte Wärme größer als die abgegebene, so arbeitet der Prozess als Wärmekraftanlage oder Wärmekraftmaschine, deren Zweck darin besteht, Arbeit zu liefern. Ist die abgeführte Wärme größer als die zugeführte, so muss man Arbeit zuführen. Mit einem derartigen Prozess kann man einem Stoff bei tiefer Temperatur Wärme entziehen und sie bei höherer Temperatur, z. B. der Umgebungstemperatur, zusammen mit der zugeführten Arbeit wieder abgeben. Ein solcher Prozess arbeitet als Kälteprozess. In einem Wärmepumpenprozess wird die Wärme der Umgebung entzogen und zusammen mit der zugeführten Arbeit bei höherer Temperatur abgegeben.

Prof. Dr.-Ing. Peter Stephan, Prof. Dr.-Ing. Karl Stephan

L3. Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie

Zur Gewinnung der Nutzenergie, die entweder als Strom, Wärme oder mechanische Energie abgesetzt wird, sind traditionell Verbrennungsprozesse unter Einsatz von Primärenergie wie Kohle, Öl, Gas und Kernenergie erforderlich. Dabei ist die vielseitigste verwendbare Nutzenergie der Strom. Der Umwandlungswirkungsgrad, welcher derzeit bei der ungekoppelten Stromerzeugung mit bis zu 50 % zu veranschlagen ist, ist direkt mit dem CO2‐Ausstoß verbunden. Daher sind die zukünftigen Verbesserungen in der Kraftwerkstechnik für eine Erhöhung auf über 50 % anzustreben, was durch die Kombination eines Gas‐ mit einem Dampfkraftwerkes (GuD‐Kraftwerk) oder der gekoppelten Nutzung mit der entstehenden thermischen Wärme erreicht werden kann, der Kraft‐Wärme‐Kopplung (KWK). Der Verbesserung des Wirkungsgrades wirkt der notwendige, erhöhte Aufwand für die Rauchgasreinigung bis hin zur CO2‐Reduzierung entgegen. In den letzten Jahren hat die Bedeutung der erneuerbaren Energien am deutschen Energiemix durch die Energiewende deutlich zugenommen.

Prof. Dr.-Ing. Hermann-Josef Wagner, Dr.-Ing. Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever, Kathrin Hoffmann

Q1. Kraftfahrzeugtechnik

Kraftfahrzeuge sind selbstfahrende, maschinell angetriebene Landfahrzeuge, die nicht an Gleise gebunden sind. Sie dienen dem Transport von Personen und Gütern und sind die Basis für eine weiträumige und feingliedrige Arbeitsteilung. Sie erlauben die vielfältig differenzierte Darstellung von Statusansprüchen und dienen auch dem Vergnügen. Eine fast unübersehbare Vielfalt von Varianten und speziellen Ausführungen ist entstanden.Die UN‐ECE (United Nation – Economic Commission for Europe) hat ein Gliederungsschema für Kfz festgelegt, das vor allem in der europäischen Gesetzgebung viel verwendet wird [1, 2]. Die wichtigsten Fahrzeugkategorien sind danach:Leichte Fahrzeuge [3]:Kfz mit mindestens vier Rädern für die Beförderung von Personen: Für Busse wird weiter danach unterschieden, ob stehende Passagiere erlaubt sind oder nicht.Kfz mit mindestens vier Rädern für den Transport von Gütern (Lkw):Die Kategorien O1 bis O4 beschreiben verschiedene Ausführungsformen von Anhängern.Außer Einzelfahrzeugen sind Gespanne aus Zugmaschine und einem Anhänger bzw. Sattelauflieger zugelassen (§ 32a StVZO Straßenverkehrs‐Zulassungs‐Ordnung).

Prof. Dr.-Ing. Volker Schindler, Prof. Dr.-Ing. Steffen Müller

3. Energieformen

Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen, als Lage-, Bewegungs-, Druck- oder elektrische Energie, um nur beispielhaft einige zu nennen. Neben den Energieformen sind zudem die Energieträger, ob gasförmige, flüssige oder feste zu unterscheiden. Die Begriffe Energie und Energieträger werden gerne in unzulässiger Weise vermengt. Man verbraucht keine Energie, wohl aber kann man Energieträger verbrauchen, was im allgemeinen Sprachgebrauch nicht immer so klar getrennt wird.Es werden Primär- und Sekundärenergieträger unterschieden. Wegen der Besonderheiten der elektrischen Energie, einem Sekundärenergieträger, wird diese detaillierter betrachtet und zu beachtende Aspekte bei Gleich- und Wechselstrom herausgearbeitet.Mit Blick auf korrekte Messungen und Abrechnungen ist es überdies relevant zu unterscheiden, ob man ohmsche, induktive oder kapazitive Lasten mit Wechselstrom betreibt.

Jörg Philipp Eric Petermann

Kapitel 5. Verkehr – Die Zukunft des Autos

Dem Elektroauto gehört die Zukunft. Wie der Güterverkehr im Jahre 2050 aussieht, ist hingegen noch offen.

Thomas Unnerstall

Kapitel 7. Klimaschutzziele

Das Klimaschutzziel Deutschlands für das Jahr 2020 (40 % weniger CO2-Emissionen im Vergleich zu 1990) wird verfehlt; aber die Ziele für 2030 (−55 %) und 2050 (−80 %) sind gut erreichbar – ohne Strukturbrüche, ohne Verbote von Benzinmotor oder Ölheizung, ohne Komfortverlust. Erforderlich dafür sind allerdings Importe von erneuerbaren Energien, in erster Linie in Form von synthetischem Gas.

Thomas Unnerstall

Kapitel 4. Identifikation von Potentialen

Soll ein Prozess optimiert werden, so existiert zunächst eine ganze Reihe möglicher Ansatzpunkte. Dies können die Eigenschaften der beteiligten Stoffe genauso wie die Charakteristika beteiligter Apparate oder die grundsätzliche Betriebsweise sein.

Karsten Müller

Kapitel 7. Genauigkeit von Aussagen

Bisher wurden viele Aussagen, sowohl qualitativer als auch quantitativer Natur, über die untersuchten und weiterzuentwickelnden Prozesse gemacht. Weitgehend ignoriert wurde dabei jedoch, dass fast jede qualitative Aussage nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zutrifft beziehungsweise fast jede quantitative Aussage nur eine gewisse Genauigkeit besitzt. Lediglich bei Aussagen, die mathematisch direkt aus den Naturgesetzen hergeleitet werden können, und einigen quantitativen Aussagen mit kleinen, ganzzahligen Werten kann mit einer gewissen Berechtigung davon ausgegangen werden, dass die jeweilige Aussage präzise zutrifft.

Karsten Müller

Kapitel 5. Wasserstoffspeicherung in LOHCs

Flüssige Organische Wasserstoffträger (LOHC; von englisch: Liquid Organic Hydrogen Carrier) sind ein Ansatz zur Speicherung von Wasserstoff. LOHCs erlauben es Wasserstoff durch chemische Bindung drucklos bei Raumtemperatur in einem sehr kleinen Volumen zu lagern. Die Aufnahme des Wasserstoffs erfolgt bei erhöhtem Druck (20 bis 50 bar) und niedrigen Temperaturen (150 bis 250 °C) in einer Hydrierungsreaktion.

Karsten Müller

Assessment of the Demand for Critical Raw Materials for the Implementation of Fuel Cells for Stationary and Mobile Applications

Because of their low emissions and possible contribution to sustainable development, both mobile and stationary fuel cells show promising tendencies to play an important role in the future. However, the polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC) contains significant amounts of platinum, a material considered critical within the European Union. Using material flow analysis, this paper seeks to examine how the implementation of mobile and stationary fuel cells will affect demand for critical raw materials and to what degree recycling presents a viable option for reducing the pressure on primary production. Based on a number of developed scenarios, it is demonstrated that the platinum requirements arising from a more widespread adoption of neither fuel cell vehicles nor household heating systems is likely to cause a depletion of platinum deposits in the near future. However, both technologies may increase the pressure on the already constricted platinum market.

Rikka Wittstock, Alexandra Pehlken, Fernando Peñaherrera, Michael Wark

34. Gesetze der Elektrotechnik – wie ihre Bauelemente funktionieren

Die Elektrotechnik beruht auf einer einzigen Eigenschaft der Materie: der Ladung Q. Diese manifestiert sich sowohl durch elektrische als auch durch magnetische Kräfte. Jede Ladung erzeugt ein elektrisches Feld. Bewegte Ladung erzeugt darüber hinaus ein Magnetfeld. Das elektrische Feld gibt nach dem Coulomb’schen Gesetz an, welche Kraft auf einen Ladungsträger im Feld wirkt. Magnetfelder wirken durch die Lorentz-Kraft nur auf Ladungsträger, die sich mit einer Geschwindigkeit v relativ zum Magnetfeld bewegen. Magnetfelder ändern die Richtung einer Ladungsträgerbewegung, aber weder die Geschwindigkeit, noch die potenzielle Energie.Beide Felder enthalten Energie. Die Energie des elektrischen Feldes wird durch den Kondensator, die des magnetischen Feldes durch die Spule genutzt.

Martin Poppe

6. Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien, auch Fluss- oder Flüssigbatterien oder „Redoxbrennstoffzellen“ genannt, sind galvanische Speicher mit löslichen Reagentien. Das Kapitel beleuchtet den Stand der Technik: Zellchemie, Materialien, technische Eigenschaften, technologische Herausforderungen und Visionen.

Prof. Dr. Peter Kurzweil

7. Elektrolyse von Wasser

Wasserstoff gilt als langfristiger chemischer Energieträger, zumal die Elektrolyse von Wasser die Nutzung von Windenergie, Solarstrom, Wasser- und Gezeitenkraft erlaubt. Das Kapitel fasst den Stand der Technik zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung zusammen: Technologien, Materialien, Zelldesign, Leistungsdaten und Marktübersicht der alkalischen, SPE- und Festoxid-Elektrolyse,

Prof. Dr. Peter Kurzweil

26. Regenerative Energiesysteme

Elektrische Energie wird heute aus fossilen Energieträgern, der Kernenergie und erneuerbaren Energien gewonnen. Die erneuerbaren Energien sind für die Existenz der Menschheit nicht mehr wegzudenken. Zu den erneuerbaren Energien zählen Wasserkraft, Geothermie, Wind, Biomasse und Solarenergie. Kohle ist derzeit die wichtigste Primärenergie in der Energieumwandlung. Der Wirkungsgrad der fossilen Kraftwerke ist in den letzten Jahren um 7 % gestiegen. Die Gas-und Dampf-Kombikraftwerke (GuD) werden auf der ganzen Welt eingesetzt. Der Wirkungsgrad der Kohlekraftwerke hat 48 % und Braunkohle 46 % erreicht. Neue Dampfkessel werden mit einer höheren Dampftemperatur von 250 bar-Technik, 550/560 °C erprobt. Derzeit werden 270 bar und 580/600 °C getestet. Ziel dieser Entwicklungen ist es 300 bar und 700/720 °C mit einem Wirkungsgrad von 50 % zu erreichen [1, 2]. Der Wasser-Dampf-Rohr-Kreislauf und andere wichtige Elemente sind die Themen der Entwicklungen in nächster Zeit. Die Effizienz und Verwendung von Erdgas ist schon heute auf 58 % gestiegen. Auch in diesem Bereich geht die Entwicklung neuer Kühlsysteme für Gasturbinen voran. Auf der anderen Seite sind Erdgas, die Verbrennungsmotoren und Dieselkraftstoffe wie Biogas von großer Bedeutung. Die Leistung von Gasturbinen sind 15 MW-Grenze erreicht. Neue Gasturbinen bis 300 MW werden entwickelt, und als ein Ziel von 30 % Wirkungsgrad wird erwartet. Parallel dazu steigt der Primärenergieverbrauch der Bewölkerung sehr schnell. Die Verteilung der Energie auf der Nord- und Südhalbkugel läuft allerdings ungerecht. 80 % der Energie wird heute von den nördlichen Ländern verbraucht, nur 20 % von den Südstaten. Menschen in den unterentwickelten Ländern müssen nur mit einem Dollar leben. Weltweit besitzen 10 % der Weltbevölkerung, die reichsten der Welt, die Vermögenswerte von 85 %. Als Ergebnis kann man sagen, dass die Nutzung von Energie, die anhaltenden sozialen Probleme und die Bildung von Megastädten mit mehr als 10 Millionen Menschen die Hauptprobleme darstellen werden. Die Lösung dieser Probleme wird die größte Herausforderung der Menschheit sein. Nach den neuesten Schätzungen der UNESCO werden im Jahr 2050 10 Milliarden Menschen auf der Erde leben.

Ismail Kasikci

1. Einführung in die Elektromobilität – Kritische Infrastrukturen und Sektorenkopplung

Mit der erheblichen weltweiten Steigerung der Lebensqualität in den letzten Jahren ist auch die Abhängigkeit des Menschen von technischen Infrastrukturen und deren Teilsystemen gestiegen. Neben den Sektoren Energie und Transport/Verkehr zählen auch Informationstechnik und Telekommunikation sowie die Wasserversorgung zu den überlebensnotwendigen technischen Basisinfrastrukturen. Betrachtet man die Tendenzen, bei der Entwicklung der in diesem Buch behandelten drei kritischen Infrastrukturen, Strom (besonders aus regenerativen Energien), Verkehr/Transport und IKT zusammengenommen, so stellt man einige Trends fest, die unmittelbar zu einem konsequenten Zusammenwachsen dieser Sektoren führen werden. Um die Konvergenz der Sektoren, und damit auch die Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems zu erzielen, müssen die gekoppelten Systeme einschließlich IKT von vornherein gezielt und angepasst geplant werden. In diesem Kapiteln werden die kritischen Infrastrukturen vorgestellt und weiterhin als gekoppeltes System definiert.

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

3. Elektrische Komponenten des E-Kfz

Dieses Kapitel ist den elektrotechnischen Grundlagen der elektrischen Komponenten im E-Kfz gewidmet. Zentrale Elemente eines batteriebetriebenen Elektrofahrzeugs sind die Traktionsbatterie und der Antrieb. Mit der Batterie sind mehrere Umrichter verbunden, über welche die Verbraucher mit elektrischer Energie unterschiedlicher Spannung versorgt und gesteuert werden. Im Elektrofahrzeug existieren zwei bzw. drei verschiedene Bordnetzspannungen. Dies ist notwendig, da die Verbraucher große Unterschiede in ihrer Leistungsaufnahme aufweisen. Nach der Beschreibung des Antriebsdesigns werden in diesem Kapitel unterschiedliche Ladetechniken besprochen. Eine wichtige Rolle spielt in Bordnetzen des E-Kfz die Leistungselektronik. Deswegen wird im Weiteren in wichtige Komponenten und Schaltungen der Leistungselektronik eingeführt und diese erläutert. Dem folgt die Beschreibung von elektrischen Maschinen, die als Antrieb im E-Kfz zum Einsatz kommen. Vor- und Nachteile unterschiedlicher Batteriesysteme, sowie auch der Energiespeicher werden diskutiert. Im letzten Teil dieses Kapitels werden die Grundlagen der Brennstoffzellentechnik dargelegt, die auch innerhalb von E-Kfz angewendet werden.

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

2. Physikalisch-technische Beschreibung des E-Kraftfahrzeugs

Eine der größten Herausforderungen bei der Substitution konventioneller Fahrzeuge durch batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (E-Kfz) sind die Reichweite und die lange Dauer des Ladevorgangs bei Batteriefahrzeugen. Eine Alternative hierzu stellen auch Brennstoffzellenfahrzeuge dar. Diese verfügen über einen elektrischen Antrieb, der seinen Fahrenergiebedarf aus einer Brennstoffzelle erhält.So werden in diesem Kapiteln folgende physikalische Grundlagen und technische Themen eines E-Kfz detailliert beschrieben: Antrieb und Antriebsstrang, Energiespeicher,Nebenverbraucher,Leistungsbedarf und Leistungsberechnung,

Prof. Dr. Przemyslaw Komarnicki, Prof. Dr. Jens Haubrock, Univ.-Prof. Dr. Zbigniew A. Styczynski

Auslegung der Medienversorgung für ein automobiles Brennstoffzellen-System

Trotz enormer Fortschritte in den vergangenen Jahren und des bereits hohen Reifegrades birgt die Brennstoffzellen-Technologie – speziell im automobilen Bereich – noch sehr viel Entwicklungs- und Optimierungspotential. Insbesondere die Medienversorgung und -konditionierung im Brennstoffzellen-Fahrzeug bedarf hierbei detaillierter Betrachtung, um das volle Potential dieser Antriebstechnologie zu entfalten.

Jürgen Rechberger, Alexander Schenk

Mobilität für morgen

Der Verkehr hat die Welt, in der wir leben, beeinflusst. Diese Auswirkungen beeinflussen nun, wie sich der Verkehr entwickelt und wie wir mobil sein werden. Nachhaltigkeit ist ein wichtiges Ziel bei der Umgestaltung unseres Verkehrssystems. Dieser Beitrag klärt, welche Möglichkeiten wir haben, unser Verkehrssystem nachhaltig zu gestalten, welchen Einfluss die Verkehrspolitik hat und wie ein nachhaltiges Verkehrssystem zukünftig aussehen könnte.

Rudolf Petersen, Sandra Reinert

5. Medien

Schule und Unterricht sind ohne Medien nicht denkbar. Im Chemieunterricht ist die Vielfalt des Medieneinsatzes im Vergleich zu manch anderen Fächern besonders groß. Im Kapitel wird der Begriff „Medien“ und auch der Begriff „Multimedia“ definiert, bevor die vielfältigen Medien und didaktische Überlegungen zum Einsatz im Chemieunterricht anhand konkreter Beispiele vorgestellt werden. Dabei reicht die Bandbreite von „klassischen“ Medien wie der Tafel und dem Schulbuch bis zu „neuen“ Medien wie Animationen und Webquests sowie diversen Medien im Zusammenhang mit der Durchführung und Präsentation von Experimenten.

Prof. Dr. Hans-Dieter Barke, Prof. Dr. Günther Harsch, Prof. Dr. Simone Kröger, Prof.Dr. Annette Marohn

9. Alltag und Chemie

Sarah hört im Chemieunterricht ihres Lehrers viel über Schwefeldioxid und die katalytische Oxidation zu Schwefeltrioxid, über das Kontaktverfahren zur Herstellung und die Bedeutung der Schwefelsäure für die chemische Technik. Eines Abends liest ihr Vater in der Zeitung etwas über die Zunahme des Sauren Regens und fragt Sarah: „Du hast doch schon lange das Fach Chemie. Sag mal – was ist denn Saurer Regen? Wie erklärt euch euer Lehrer dieses Phänomen?“ Sarahs Antwort: „Das weiß ich nicht, darüber hat der Lehrer nichts gesagt.

David Waddington karikierte damit üblichen Chemieunterricht in Großbritannien aus seiner Sicht. Auch deutsche Schüler und Schülerinnen vermissen oft den Alltagsbezug ihres Unterrichts. Bei einer Befragung Jugendlicher der Klassenstufen 9–11 eines Gymnasiums kommentierten sie nach einem Chemieunterricht mit konkreten Alltagsbezügen:

Chemieunterricht erscheint nicht so sinnlos, wenn man den Stoff auch im Alltag anwenden kann.

Hätte man Bezüge zur Praxis, dann wäre der Chemieunterricht kein abstrakter Formelkomplex.

Gerade solche Alltagsbezüge sind gut für die Allgemeinbildung und bringen auch den Leuten etwas, die später keinen Chemieberuf wählen. Es werden die Interessen von Jungen und Mädchen untersucht, konkrete Vorschläge für Alltagsbezüge im Chemieunterricht reflektiert und empirisch evaluiert.

Prof. Dr. Hans-Dieter Barke, Prof. Dr. Günther Harsch, Prof. Dr. Simone Kröger, Prof.Dr. Annette Marohn

Neue Mobilitätskonzepte – Eine konzeptionelle Analyse

Die Automobilindustrie, die durch politische, ökonomische, soziokulturelle und technologische Einflussfaktoren wesentlich geprägt wird, befindet sich in einer Phase der radikalen Transformation. Um den veränderten Bedingungen sowohl auf Nachfrager- als auch auf Angebotsseite Rechnung zu tragen, werden zunehmend neue Mobilitätskonzepte entwickelt, die einen zentralen Stellhebel für die Zukunftsfähigkeit von Automobilherstellern darstellen können. Entsprechend setzt sich dieser Beitrag mit zentralen Aspekten einer theoretisch-konzeptionellen Analyse von neuen Mobilitätskonzepten auseinander.

Matthias H. J. Gouthier, Carina Nennstiel

21. Brennstoffe

Als konventionelle Brennstoffe können fossile Diesel‐ und Ottobrennstoffe bezeichnet werden, die bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts durch Raffinationsprozesse aus Erdöl hergestellt werden. Da die Erdölgewinnung und ‐verarbeitung zumeist lokal auf den jeweiligen Kontinenten stattfindet, weisen die so gewonnen und raffinierten Brennstoffe z. T. unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften auf.Da die Zusammensetzung der aus Erdöl gewonnenen Brennstoffe je nach Herkunftsland variieren kann, müssen die wichtigsten Parameter eingeschränkt werden, um eine gleichbleibende Qualität und Zusammensetzung zu erwirken und einen sicheren Motorbetrieb zu gewährleisten. Die Grenzwerte für die wichtigsten Stoffeigenschaften sowie Limitierungen von Inhaltsstoffen (z. B. Schwefel und Mangan) von motorischen Brennstoffen werden in nationalen und internationalen Normen festgehalten (DIN, EN, ISO etc.) und stetig überarbeitet und so an wechselnde gesetzliche Randbedingungen angepasst. Die Tab. 21.1 stellt auszugsweise den Inhalt der Normen dar, die im europäischen Raum Anwendung finden.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Helmut Eichlseder, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

14. Elektrifizierte Antriebssysteme

Eine möglichst kraftsparende Ortsveränderung und der damit verbundene Transport von Gütern und Personen war seit Beginn der Menschheit ein wesentliches Bedürfnis. Sehr früh wurde erkannt, dass dazu Transportmittel und Kraft‐ bzw. Antriebsquellen erforderlich waren. Je nach Transportaufgabe entwickelte sich daraus eine Vielzahl unterschiedlicher Symbiosen von Transportmitteln und Antriebssystemen.Heute ist der Verbrennungsmotor die dominierende Antriebsquelle. Das ist ein Ergebnis des aktuellen Stands der Entwicklung. Das war nicht immer so und muss in Zukunft auch nicht so bleiben. Der Verbrennungsmotor ist technologisch nur eine Möglichkeit von vielen, die wir heute als alternative Antriebe bezeichnen. Ein Motor allein ist auch noch kein Antriebssystem. Wie lange der Verbrennungsmotor eine wesentliche Antriebsquelle sein wird, hängt – neben vielen nicht technischen Randbedingungen – von der technologischen Entwicklung des Motors selbst und der Kombinationsfähigkeit mit anderen Antriebssystemen und Transportmitteln ab. Für einen zukunftsweisenden Weg des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, die Eigenschaften alternativer Antriebssysteme zu kennen und zu erkennen, aus welchen Gründen sich bestimmte Technologien durchgesetzt haben und andere nicht, und darauf abgestimmte Motoren zum Einsatz zu bringen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Peter Fischer, Dipl.-Ing. Stefan Neunteufel

15. Hybridantriebe und Range Extender

Die für unsere heutige individuelle Mobilität mit dem Automobil erforderliche Energie ist zu etwa 95 % fossiler Herkunft und dabei überwiegend erdölbasiert. Gleiches gilt für den Gütertransport auf Straße und Wasser sowie für den Betrieb mobiler Arbeitsmaschinen. Aber auch im internationalen Zugverkehr und beim Betrieb stationärer Kraftmaschinen werden fossile flüssige oder gasförmige Kraftstoffe in großem Umfang eingesetzt. Die Reduzierung der CO2‐Emission bei steigendem Mobilitätsbedarf, die Endlichkeit der fossilen Energieträger und der Wunsch nach größtmöglicher politischer und wirtschaftlicher Unabhängigkeit im Energiesektor beeinflusst mittel‐ und langfristig die Energiewandlungsprozesse zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie. Trotzdem wird der Verbrennungsmotor, abhängig von der Anwendung, noch für lange Zeit der zentrale Energiewandler bleiben.Seit Jahrzehnten wird in Teilbereichen der konventionelle Kraftstoff zunehmend mit biogenen oder nicht erdölbasierten, aber immer noch fossilen Kraftstoffen ergänzt oder gar substituiert (Kap. 21). Eine weitere und gerade in den letzten etwa zehn Jahren intensiv entwickelte Technologie ist die Anwendung der lokal emissionsfreien elektrischen Energie für den Antrieb von Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

16. Grundlagen der Brennstoffzellentechnologie

Brennstoffzellen (BZ) werden seit vielen Jahren als vielversprechende Technologie in Hinblick auf ein effizientes und emissionsfreies Transport‐ und Energiesystem diskutiert. In den vergangenen zehn Jahren gab es enorme Entwicklungsfortschritte und alle wesentlichen technologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen wurden gelöst. BZ erreichen heute die geforderten Lebensdauern, sind kompakt und von der Leistungsdichte mit Motoren vergleichbar und bei entsprechenden Stückzahlen auch zu wettbewerbsfähigen Kosten herstellbar. Dies wird auch belegt durch die einsetzende Markteinführung zahlreicher BZ‐Produkte. So sind im Moment drei BZ‐Fahrzeugmodelle kommerziell erhältlich, in Japan sind über 200.000 BZ‐Heizgeräte verkauft und Produkte für stationäre Energieerzeugung gewinnen Marktanteile. Im Folgenden sollen die wichtigsten technischen Aspekte von BZ beleuchtet werden.Die BZ ist ein elektrochemischer Energiewandler. Es wird chemische Energie direkt, ohne Umweg über mechanische Energie, in elektrische Energie umgewandelt. Grundlage für das Funktionsprinzip ist das Zustandekommen eines freien Elektronenflusses durch eine Reduktions‐ und Oxidationsreaktion. Zwischen diesen beiden Reaktionen findet nur ein Ionenaustausch über einen für Elektronen nicht durchgängigen Elektrolyten statt. Damit werden die Elektronen über einen externen Stromleiter gezwungen, wo elektrische Verbraucher angetrieben werden können. Durch die Reduktion von Wasserstoff werden Elektronen abgegeben, die bei der Oxidation mit Sauerstoff wieder aufgenommen werden (Abb. 16.1).

Dr.-Ing. Jürgen Rechberger

19. Verbrennungsmotoren – gestern, heute, morgen

Wird die Frage nach der zukünftigen Form des Verbrennungsmotors diskutiert, so können zunächst die grundsätzlichen Merkmale der heute verwendeten Formen der Zwei‐ und Viertaktmotoren zur Diskussion gestellt werden. Alternativ zu den fast ausschließlich mit innerer Verbrennung ausgeführten VKM wären Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung zumindest in einzelnen Punkten vorteilhaft, weshalb es – insbesondere bei Sonderanwendungen – nicht an derartigen Konzeptvorschlägen mangelt.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Helmut Eichlseder

19. Stromversorgungen

Stromversorgungen dienen zur Bereitstellung einer notwendigen Betriebsspannung Eine Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer vor Ausfällen oder Störungen geschützten Energieversorgung als Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV). Andere Einsatzgebiete sind die Einspeisung der Gleichstromenergie einer Solaranlage in das öffentliche Drehstromnetz oder eine Blindleistungskompensation zur Verbesserung der Netzqualität. Auch der Betrieb eines Bordnetzes z. B. im Flugzeug oder Kraftfahrzeug oder die Ladeelektronik eines Batteriefahrzeuges gehört dazu. Viele dieser Aufgaben erfordern zusätzlich ein übergeordnetes Power Management System.

Joachim Specovius

Was die Technik bietet

Tom, meine engagierte Mutter sagt: „Die Industrie hat den Wandel verschlafen!“Inwiefern – welchenWandel?Sie hat auch gleich Krach gekriegt mit meinem Vater und mit meinem Opa. Also gemeint ist die Auto-Industrie insgesamt, besonders die deutschen PKW-Hersteller…Wieso der Krach?Weil mein Papa eine andere Meinung hat, die er aber meiner Mutter nicht sagen darf – um des lieben Friedens Willen. Da hab ich meinen Motoren- Opa gefragt.Was ist das Besondere an einem Dieselmotor – seine Funktion, seine Entwicklung, seine Stärken und seine kritisierten Schwächen? Segen oder angebliche Fehlkonstruktion? Macht ein Benzinmotor alles besser? Was gibt’s noch und was leistet ein Hybrid?

Dr. Klaus-Geert Heyne, Gabriele Schmiedgen

Die Projektwoche

Tom und Lisa wollen noch Genaueres wissen und überzeugen ihre Rektorin von der Notwendigkeit einer Projektwoche der 11. Klassen mit dem Thema „Auto-Lust 2030“. So arbeiten sich 6 Arbeitsgruppen aus mehreren Klassen eine ganze Woche lang in die wichtigsten Problemkreise ein – mit dem Ergebnis neuer Erkenntnisse, aber auch harter Diskussionen bis hin zu ernsten Kontroversen. Nach der Bestandsaufnahme des derzeitigen Automarktes geht es um eine mögliche Verkehrswende, das Auto von morgen, die Antriebe, die Auto-Elektronik (insbesondere das Autonome Fahren) und um die globale Herausforderung für unsere Wirtschaft, das Klima und unsere Gesellschaft.

Dr. Klaus-Geert Heyne, Gabriele Schmiedgen

Tagungsbericht

Fahrzeuge von morgen werden noch lange Zeit verschiedene Antriebsarten nutzen. Auch der Dieselmotor findet seinen Platz, allerdings gewährt ihm die Elektromobilität keinen Aufschub. Mit jedem Kilometer mehr elektrische Reichweite wächst die Kritik am Verbrennungsmotor, wie die emotionale Diskussion auf der Fachkonferenz von ATZlive „Der Antrieb von morgen“ zeigt.

Andreas Burkert

Kapitel 5. Forschungen und Entwicklungen zu elektrischen Antrieben in Landmaschinen

Der Einsatz elektrischer Antriebe in mobilen Landmaschinen wurde bereits im 19. Jahrhundert untersucht und umgesetzt. Nachfolgend wird der Stand der Technik und Wissenschaft zu elektrischen Antrieben in mobilen Landmaschinen aufgezeigt. Beginnend mit historischen Entwicklungen, über den Antrieb von Funktionselementen bis hin zu Traktionsantrieben, sowie Forschungsstudien werden deren Intentionen dargestellt.

Wolfgang Aumer

Kapitel 3. Allgemeiner Aufbau von EMSR- bzw. PCE-Stellenplänen

Wie bereits erläutert, sind im Rahmen des Detail-Engineerings für alle im R&I-Fließschema nach DIN EN 10628/DIN 19227, Teil 1 dargestellten EMSR-Stellen EMSR-Stellenpläne bzw. für alle im R&I-Fließbild nach DIN EN 10628/DIN EN 62424 dargestellten und jeweils funktionell zusammengehörigen PCE-Aufgaben sowie PCE-Leitfunktionen – im vorliegenden essential PCE-Stellen genannt – Stromlaufpläne zu erarbeiten. Sofern sich diese Stromlaufpläne auf im R&I-Fließschema nach DIN EN 10628/DIN 19227-1 dargestellte EMSR-Stellen beziehen, heißen sie EMSR-Stellenpläne. Beziehen sich die Stromlaufpläne jedoch auf im R&I-Fließbild nach DIN EN 10628/DIN EN 62424 dargestellte PCE-Stellen, so werden sie im vorliegenden essential PCE-Stellenpläne genannt.

Thomas Bindel, Dieter Hofmann

Kapitel 2. Leistungsbild Gebäudemanagement

Entsprechend der GEFMA, dem deutschen Verband für Facility Management, wird Facility Management als ein unternehmerischer Prozess verstanden, der durch die Integration von Planung, Kontrolle und Bewirtschaftung bei Gebäuden, Anlagen und Einrichtungen sowie unter Berücksichtigung von Arbeitsplatz und Arbeitsumfeld eine verbesserte Nutzungsflexibilität, Arbeitsproduktivität und Kapitalrentabilität zum Ziel hat.

Joachim Hirschner, Henric Hahr, Katharina Kleinschrot

Deutsch – Englisch

Abbau (Zersetzung/Zerfall/Zusammenbruch)degradation, decomposition, breakdown; (einer Apparatur) disassembly, dismantling, dismantlement, takedown

Dipl. rer. nat. Theodor C. H. Cole

English – German

aberrationAberration, Abweichung

Dipl. rer. nat. Theodor C. H. Cole

Kapitel 4. Ressourcen und Geschäftsfelder in den Regionen

In diesem Kapitel werden die Ressourcen betrachtet, die, auch statistisch gesehen, die höchste Relevanz für den Umbau der dezentralen Energieversorgung aufweisen. Dabei ist weniger der Output an Energie gemeint, sondern eher das, was am ehesten regional umsetzbar erscheint. So ergibt eine Umfrage des deutschen Instituts für Urbanistik unter Kommunen in Deutschland zur Nutzung erneuerbarer Energien folgendes Bild: An erster Stelle steht die FotovoltaikFotovoltaik mit 115 Nennungen, gefolgt von Solarthermie mit 98 Nennungen, anschließend Biomasse mit 84 und Geothermie mit 30 Nennungen. Schlusslicht bildet die Wasserkraft mit 14 sowie die Windkraft mit 9 Nennungen. Diese Umfrage ist nicht repräsentativ, gibt jedoch einen gewissen Überblick zu den Gewichten einzelner Energieerzeugungsformen.

Jürgen Staab

2. Nachhaltiges Wirtschaften – Ressourcenschutz

Prof. Dr. Ulrich Förstner, Prof. Dr. Stephan Köster

4. Klima und Energie

Prof. Dr. Ulrich Förstner, Prof. Dr. Stephan Köster

Kapitel 2. Stand der Technik

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs birgt weitreichende Veränderungen im Vergleich zu herkömmlichen Antriebssträngenmit Verbrennungsmotoren. Als elektrifizierte Fahrzeuge bezeichnet man Fahrzeuge, die mindestens eine EM1 im Antriebssystem nutzen. Dazu zählen neben EVs2 auch Mild-Hybride, die die EM nur zur Rekuperation und zur Unterstützung des Verbrennungsmotors verwenden und Hybridfahrzeuge ohne externe Lademöglichkeit [10].

Markus Orner

1. Grundlagen elektromechanischer Energiewandler

In Kap. 1 werden nach einem Überblick über die Vielfalt unterschiedlicher elektromechanischer Energiewandler und Schwerpunkte ihrer Einsatzgebiete die elektrotechnischen Grundlagen zusammengestellt, die für das Verständnis der Funktionsweise der elektromechanischen Energiewandlung notwendig sind. Auf weiterführende Literatur wird in allen Kapiteln durch Nennung entsprechender Literaturstellen im Text verwiesen, die im Anhang detailliert aufgelistet sind. Dabei wurde hauptsächlich deutschsprachige und englischsprachige Literatur aufgeführt. Eine Übersetzung englischer Fachbegriffe ins Deutsche (und umgekehrt) gelingt ausgezeichnet mit dem Fachwörterbuch (Bezner 1993).

Andreas Binder

Kapitel 3. Herausforderungen durch die Elektromobilität

Um der Ressourcenknappheit und den Umweltauflagen gerecht zu werden, rücken alternative Antriebe immer mehr in den Fokus von Wirtschaft und Politik (vgl. Wallentowitz u.a. 2010; Bozem u.a. 2013), vor allem die Elektromobilität. Darunter werden hier Plug-in-Hybrid-Fahrzeuge (PHEV), Fahrzeuge mit Range Extender (REEV) und batteriebetriebene Fahrzeuge (BEV) zusammengefasst (vgl. NPE 2013), d.h. nur Fahrzeuge betrachtet, die über einen Stecker aufladbar sind. (Voll)Hybrid-Fahrzeuge wie der Toyota Prius, bei denen die Batterie über den Motor bzw. die Bremsenergie aufgeladen wird, gehören nicht dazu.

Heike Proff, Gregor Szybisty

D. Thermodynamik und Wärmetransport

Prof. Dr. Peter Kurzweil, Prof. Dr. Bernhard Frenzel, Prof. Dr. Jürgen Eichler

6. Brennstoffzellen

Das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle wurde 1838 von Christian Friedrich Schönbein entdeckt. Im darauf folgenden Jahr konnte der Physiker und Jurist Sir William Robert Grove auf dieser Basis die erste Brennstoffzelle entwickeln. Die Brennstoffzelle konnte sich jedoch gegen die zeitgleich entwickelten mechanisch angetriebenen Dynamomaschinen zur Stromerzeugung nicht durchsetzen. Ihre Anwendung blieb auf Spezialgebiete beschränkt, so hat sie sich als Energiequelle in der Raumfahrt bewährt. In letzter Zeit wird wieder intensiv an der Weiterentwicklung der Brennstoffzelle gearbeitet, die als zukünftiger Energiewandler gilt, der emissionsfrei und mit hohem Wirkungsgrad unabhängig von fossilen Kraftstoffen betrieben werden kann. Obwohl die Brennstoffzelle viele Jahre vor der Verbrennungskraftmaschine erfunden wurde, steht ihre technische Optimierung erst am Anfang.

Dr. Manfred Klell, Prof. Dr. Helmut Eichlseder, Dr. Alexander Trattner

4. Erzeugung

Da Wasserstoff in seiner reinen Form nicht natürlich vorkommt, muss er unter Einsatz von Energie hergestellt werden. Dazu sind verschiedene Verfahren im Einsatz, die unterschiedliche Primärenergieträger und Wasserstoffverbindungen nutzen, wobei der Wirkungsgrad und die Emission von Kohlendioxid wichtige Beurteilungskriterien darstellen. Der vorliegende Abschnitt gibt einen Überblick über die wichtigsten Herstellungsverfahren, im Detail wird die elektrolytische Wasserspaltung besprochen.

Dr. Manfred Klell, Prof. Dr. Helmut Eichlseder, Dr. Alexander Trattner

3. Grundlagen

Wasserstoff (H, Hydrogenium = Wasserbildner) ist das kleinste und einfachste Atom, es besteht nur aus einem Proton als Kern, das von einem Elektron umkreist wird.

Dr. Manfred Klell, Prof. Dr. Helmut Eichlseder, Dr. Alexander Trattner

1. Energiewende und Wasserstoffwirtschaft

Die ökonomischen, ökologischen, sozialen und gesundheitlichen Folgen von Klimawandel und Umweltbelastung durch Schadstoffe stellen eine ernsthafte Bedrohung unserer Lebensqualität dar. Eine nachhaltige Lösung bieten Energiewende und Wasserstoffwirtschaft mit der kompletten Dekarbonisierung unseres Energiesystems durch den vollständigen Ersatz der derzeit vorherrschenden fossilen Energieträger durch grünen Strom und grünen Wasserstoff, siehe Abb. 1.1. Die Energiewende zur nachhaltigen Stromerzeugung und zur Wasserstoffwirtschaft stellt die nächste große industrielle Revolution dar, die nicht nur die Aussicht auf eine gesunde und lebenswerte Umwelt für spätere Generationen bietet, sondern auch die wirtschaftliche Chance auf innovatives Know‐how und Technologieführerschaft [289].

Dr. Manfred Klell, Prof. Dr. Helmut Eichlseder, Dr. Alexander Trattner

2. Geschichtliches

Wasserstoff wurde schon vom Schweizer Naturforscher Theophrastus Bombastus von Hohenheim, bekannt als Paracelsus (1493–1541), aus der Reaktion von Metallen und Säure hergestellt und beschrieben, allerdings erkannte er Wasserstoff nicht als eigenes Element. Die Bezeichnung „Gas“ geht auf den von Paracelsus benutzten Begriff „Chaos“ für die schäumenden Produkte seiner Versuche zurück.

Dr. Manfred Klell, Prof. Dr. Helmut Eichlseder, Dr. Alexander Trattner

20. Spannungs- und Stromversorgung

Die für den Betrieb einer elektronischen Baugruppe erforderliche Gleichspannung wird oft durch Gleichrichtung aus der Netzwechselspannung unter Zwischenschaltung eines Transformators gewonnen. Der Letztere dient dabei zur Spannungsübersetzung und zur galvanischen Trennung vom Netz. Für die Erzeugung einer stabilen und glatten Gleichspannung wird dem Gleichrichter mit Ladekondensator üblicherweise ein Spannungsregler nachgeschaltet. Abb. 20.1a zeigt dazu die Schaltung mit einem integrierten Festspannungsregler, beispielsweise dem Typ 78XX.Der Regler erzeugt darin aus der vorgeglätteten aber noch welligen Spannung ug eine stabile Ausgangsspannung Ua. Wegen der unvermeidlichen Leitungsinduktivität zwischen Ladekondensator CL und Regler können leicht Regelschwingungen auftreten, zu deren Vermeidung man grundsätzlich einen induktivitätsarmen Kondensator Ce (0,1 … 1 µF) unmittelbar am Regler zwischen den Schaltungspunkten E und M anbringt. Empfehlenswert ist zusätzlich ein induktivitätsarmer Tantal-Kondensator Ca ≈ 1 µF am Ausgang. Eine zwischen die Klemmen E und A geschaltete Diode schützt den Regler vor schädlichen Rückströmen, die auftreten können, wenn die Eingangsspannung abgeschaltet wird.

Prof. Dr. Erwin Böhmer, Prof. Dr. Dietmar Ehrhardt, Prof. Dr. Wolfgang Oberschelp

14. Transportprozesse

Alle Vorgänge in Natur und Technik sind mit dem Transport von Energie in irgendeiner Form verbunden; entweder von einem Ort zum anderen oder am selben Ort im Lauf der Zeit. Dabei herrscht definitionsgemäß kein Gleichgewicht, denn sonst würden wir ja gar keinen Vorgang beobachten können. In der unbelebten Natur sehen wir Transportprozesse beim Wettergeschehen, bei Wellen und Wasserströmungen, bei Bewegungen von Materie in Galaxien, Sternen und Planeten. In der belebten Natur gibt es Stoffwechsel und Reproduktion sowie die Flüssigkeitsströmungen in Pflanzen und Tieren. In der Technik haben wir es mit Strömungen in Wasser-, Gas- und Ölleitungen zu tun, mit Heizung und Kühlung, mit chemischen Reaktionen, mit Verkehr und Kommunikation usw.

Klaus Stierstadt

8. Energiewandler

Alle Vorgänge in Natur und Technik sind mit der Umwandlung von Energie von einer ihrer Erscheinungsformen in eine andere verbunden. In der Natur tun das die Lebewesen. In der Technik bewirken es die von Menschen konstruierten Energiewandler, die wir in diesem Kapitel besprechen. Solche Geräte und Maschinen wurden schon lange vor der industriellen Revolution genutzt. Man denke an die Windmühlen, die Wasserräder, die Hohlspiegel usw. Die moderne Technik hat dann Hunderte von verschiedenen Wandlern hervorgebracht. Wir können sie nicht alle behandeln und müssen uns hier auf die am meisten verbreiteten und die wichtigsten beschränken. Zum Beispiel behandeln wir nicht die Dampfmaschine, die man vielleicht noch von alten Lokomotiven oder als Spielzeug kennt. Auch behandeln wir nicht den Heißluft- oder Stirling-Motor, der zwar gute Zukunftschancen hat, aber heute noch ein Nischendasein führt, weil das Erdöl so billig ist.

Klaus Stierstadt

2. Der elektrische Strom

In diesem Kapitel werden die Grundlagen stationärer elektrischer Ströme und ihrer verschiedenen Wirkungen behandelt sowie die daraus resultierenden Verfahren zu ihrer Messung. Insbesondere werden die Mechanismen elektrischer Stromleitung in fester, gasförmiger und flüssiger Materie diskutiert und einige Möglichkeiten vorgestellt, elektrische Stromquellen zu realisieren.

Wolfgang Demtröder

Kapitel 3. Wasserstoffspeichertechnologien

Der sichere Einschluss von Wasserstoff als Druckgas bei 200bar ist seit über 100 Jahren ohne Probleme gängige Praxis [6]. Im Jahr 1998 wurden bei Abrissarbeiten einer Chemiefabrik in Frankfurt, die in den 30er Jahren für die Wasserstoffversorgung der am örtlichen Flughafen startenden Zeppeline zuständig war, zwei Gasflaschen aus Stahl mit Wasserstoff gefunden. Nach dem Unglück der Hindenburg 1937 war kein Wasserstoff mehr nötig gewesen und die Flaschen gerieten in Vergessenheit.

Philipp Andreas Rosen

Kapitel 6. Thermisch optimierte Typ IV Zylinder

Mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen kann, in Abhängigkeit von Verbrauch und Größe des H2-Speichersystems, eine für elektrisch angetriebene Fahrzeuge hohe Reichweite erzielt werden. Ein wesentlich beträchtlicherer Vorteil gegenüber rein batterieelektrischen Fahrzeugen ist jedoch die Möglichkeit einer schnellen Wiederbefüllung des Speichersystems. Ziel ist hierbei eine kundenfreundliche Betankung in etwa drei Minuten (nur Befüllzeit) zu realisieren.

Philipp Andreas Rosen

5. Brennstoffzellen

Dieses Kapitel soll den Leser mit Brennstoffzellen vertraut machen. Es wird erklärt, wie eine Brennstoffzelle arbeitet und was ihre wichtigsten Vor- und Nachteile sind. In den nachfolgenden Kapiteln werden die angesprochenen Punkte vertieft, um ein fundamentales Verständnis von Brennstoffzellen zu vermitteln.

Gerhard Reich, Marcus Reppich

6. Wasserstoffherstellung und -speicherung

Wasserstoff wird als Grundstoff in zahlreichen chemischen Prozessen eingesetzt. Jährlich werden in Deutschland ca. 20 Milliarden Normkubikmeter, weltweit 600 Milliarden Normkubikmeter Wasserstoff hergestellt. Dabei fallen rund 40 % des Wasserstoffs als Nebenprodukt bei petrochemischen Prozessen wie der Benzinreformierung und der Ethylen- und Methanol-Herstellung an.

Gerhard Reich, Marcus Reppich

1. Einführung

Zu den globalen Problemen der Menschheit zählen neben der Bereitstellung von Nahrungsmitteln und Trinkwasser in ausreichender Menge und Qualität, die Sicherung der Energieversorgung künftiger Generationen unter Beachtung der Belange des Klima- und Umweltschutzes. Eine nachhaltige Energiewirtschaft berücksichtigt gesellschaftliche und ökonomische Aspekte ebenso wie ökologische. Der sparsame und effiziente Umgang mit fossilen Energieträgern sowie der verstärkte Einsatz regenerativer Energiequellen sind elementare Voraussetzungen, um in den Industrieländern den erreichten Lebensstandard aufrecht zu erhalten sowie in den Entwicklungs- und Schwellenländern die Armut zu überwinden und die Lebensverhältnisse zu verbessern.

Gerhard Reich, Marcus Reppich

4. Antriebsanlagen

Bei seiner Fahrt durch das Wasser muss das Schiff gegen Wind und Wellen arbeiten. Das Wasser am Unterwasserschiff sowie die Luft am Überwasserschiff bewirken durch ihr Strömungsverhalten Reibungswiderstände am Schiffskörper, die letztlich durch die Antriebsanlage zu überbrücken sind. Die Dimensionierung und Auslegung dieser Anlage und insbesondere des Leistungserzeugers ist vom Schiffswiderstand abhängig.Die auf das Schiff einwirkenden Widerstände werden im Folgenden näher dargestellt, bevor die gängigen Konzepte zur Leistungserzeugung beschrieben werden.Der von der Antriebsanlage zu überbrückende Gesamtwiderstand, den Luft und Wasser der Bewegungsrichtung des Schiffes entgegensetzen, ist komplex und setzt sich aus diversen Einzelwiderständen zusammen. Die Bedeutung des Schiffswiderstandes sowohl aus ökologischer wie auch aus ökonomischer Sicht sowie die einzelnen Widerstandskomponenten werden nachfolgend näher betrachtet.Über die See läuft 90 % des Weltgüterhandels. Allein die deutsche Handelsflotte besteht heute aus ca. 3350 Schiffen [34]!

Dr. Manfred Pfaff

8. Branchen mit ihren hochspezialisierten bzw. energieintensiven Prozessen

Dieses Kapitel widmet sich ausführlich den energieintensiven Branchen mit ihren teils sehr spezifischen Technologien – teilweise bei sehr hohen Prozesstemperaturen. Zu diesen Branchen zählt die Grundstoffchemie, die Metallerzeugung und -verarbeitung, die Herstellung von Glas, Keramik und Zement, die Herstellung von Papier, die Lebensmittelindustrie sowie die Kunststoffverarbeitung. Die technischen Grundlagen werden jeweils kurz beschrieben, um ein Verständnis für die im Einzelnen beschriebenen Effizienz-Maßnahmen zu schaffen. Die Erkenntnisse werden jeweils in branchenspezifischen Einsparpotenzial-Kurven veranschaulicht.

Markus Blesl, Alois Kessler

Kapitel 4. Innovationsnetzwerke zur Entwicklung von Antriebstechnologien

Im Werbespot für das im Jahr 2015 auf den Markt gebrachte Wasserstoffauto Toyota Mirai kontert Toyota Kritik an der Brennstoffzellentechnologie [38], [41]. Trotz wiederholter Bekenntnisse zum Brennstoffzellenantrieb [34], [35] hält sich der Konzern aber alle Optionen offen und kann sich „batteriebetriebene Elektroautos für die Kurzstrecke, Wasserstoffautos für die Langstrecke“ (Frahm (2015), S. 2) vorstellen. Daimler hält es inzwischen für wahrscheinlicher, dass sich batteriebetriebene Elektroautos als dominantes Design auf dem Markt durchsetzen, nutzt jedoch seine 20-jährige Erfahrung mit dem Brennstoffzellenantrieb und verkündet für 2017 die Markteinführung des Mercedes GLC als Brennstoffzellen-Plug-in-Hybrid [17], [33].

P. Borgstedt, B. Neyer, G. Schewe, F. Zengerle

English – German

Aberration, Abweichung, Anomalie; Abbildungsfehler, Bildfehler

Theodor C.H. Cole

Deutsch – Englisch

Abbau (Zersetzung/Zerfall/Zusammenbruch) degradation, decomposition, breakdown; (einer Apparatur) disassembly, dismantling, dismantlement, takedown

Theodor C.H. Cole

Über das Erfinden und die Zukunft der Verbrennungsmotoren

Festreden und Beiträge zu Festschriften sind immer ehrenhafte Angelegenheiten, die im Auditorium oder beim Leser besondere Botschaften hinterlassen sollen, an die man sich gern erinnert. Doch wie kann das gelingen, wenn der festliche Anlass dem Auslaufen der Pflicht zur universitären Lehre eines hoch anerkannten Wissenschaftlers in einem Fachgebiet gilt, von dem Einige denken, dass es keine Zukunft hat, und darüber sogar politische Willenserklärungen organisieren. Als einer, der sich die Aufgabe gestellt hat, Beiträge für den Aufbau einer solaren Stoffund Energiewirtschaft zu leisten und vor 25 Jahren vorausschauend mit der Entwicklung von erneuerbaren synthetischen Kraftstoffen begonnen hat, bin ich in der glücklichen Lage, die Botschaft zu überbringen, dass dem nicht so ist. Vielmehr haben die Verbrennungsmotoren das Potential, auch in einer solaren Stoff- und Energiewirtschaft ihre große Bedeutung zu behalten und damit eine gute Zukunft, wenn die Motorenbauer diese entsprechend gestalten.

Bodo Wolf

Katalysatorträgerdesigns für die Abgasnachbehandlung zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte

Moderne Dieselmotorenkonzepte mit variabler Turbinengeometrie zeichnen sich durch hohe spezifische Leistung und niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Der hohe Wirkungsgrad führt jedoch zu niedrigeren Abgastemperaturen. Dieser Effekt beeinflusst die Funktion der notwendigen Abgasnachbehandlungssysteme nachteilig. Im Hinblick auf eine sich weiter verschärfende Abgasgesetzgebung und der Entwicklungstendenz hin zu zweistufigen Aufladesystemen stellt die möglichst motornahe Positionierung des Oxidationskatalysators einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde ein Vorturbolader-Katalysator (Pre Turbocharger Catalyst) mit bis zu einem Liter Volumen für maximale Konvertierungsraten entwickelt. Anhand der in diesem Beitrag dargestellten Ergebnisse aus Messungen am hochdynamischen Motorenprüfstand soll insbesondere der Zielkonflikt aus effektiver Emissionsminderung durch Einsatz des PTC und daraus resultierenden fahrdynamischen Nachteilen diskutiert und Lösungsansätze abgeleitet werden.

Markus Thiel, Ronny Werner, Rolf Brück, Sylvie Kröger, Naroa Zaldua-Moreno, Klaus Augsburg, Rüdiger Horn, Peter Hirth, Bin Hu, Christian Schorn

32. Intelligente Konzepte für Sammelfahrzeuge

Intelligente Konzepte für SammelfahrzeugeWie haben sich die Anforderungen an Sicherheit, Gesundheitsschutz und Wirtschaftlichkeit für Abfallsammelfahrzeuge bis heute entwickelt? Seit einigen Jahren haben die gesetzlichen Auflagen stark zugenommen und damit auch den technologischen Fortschritt maßgeblich mitgestaltet. Alternative Antriebslösungen spielen schon heute bei der Konstruktion von Abfallsammelfahrzeugen eine entscheidende Rolle. Dabei wird in diesem Kapitel nicht nur die Elektrifizierung der Antriebe für Aufbau und Lifter beschrieben, sondern auch auf Antriebe mit Brennstoffzellen eingegangen. In puncto Sicherheit werden neue Lösungen zur Arbeitsraumabsicherung erklärt und Formen zur Reinigung austretender verschmutzter Luft aus dem Fahrzeugaufbau vorgestellt. Mit effizienten Antrieben und auf das Bedürfnis des Entsorgers zugeschnittenen Beladesystemen, kann eine bessere Wirtschaftlichkeit herbeigeführt werden. Von dem Einsatz alternativer Leichtbauwerkstoffe bis hin zur Anwendung intelligenter Telematiksysteme sowie intelligente Behälter werden weitere wichtige Trends für die Zukunft aufgezeigt.

Dr. Johannes F. Kirchhoff

Chapter 7. Investitionen in Immobilien zur Eigennutzung und zur Vermietung

In diesem Kapitel werden vielfältige Möglichkeiten, in Immobilien als Sach- und Substanzwerte zu investieren, beschrieben. Angefangen mit der eigengenutzten Immobilie über Direktanlagen in vermietete Wohnungen und gewerbliche Vermietungen, Ferienwohnungen oder Auslandsimmobilien bis zu Investitionen in Immobilien zur Altersvorsorge.

Philipp Karl Maximilian Lindmayer, Hans-Ulrich Dietz

Prozessmanagement in der Produktentwicklung

Produktentwicklung ist klassisch durch Projektorganisation geprägt, die einige Nachteile in sich trägt:Hoher Aufwand für Projektplanung, Team-Organisation und KoordinationFehlende Abstimmung von Arbeitstechniken und ToolsInteressenkonflikte zwischen Linien- und Projektverantwortung.Die Mehrzahl (ca. 80 %) der Entwicklungsprojekte sind Adaptions- oder Variantenentwicklungs-Aufträge auf Basis abgesicherter Technologien – damit besteht auch die Option der Prozessorganisation. Wesentliche Bausteine sind definierte Abläufe mit klaren Input-/Output-Vereinbarungen, ausgearbeitete Methoden- und Tool-Unterstützung, sowie interdisziplinäre Prozessteams in der Aufbauorganisation.Im Beitrag werden Erfordernisse, Potenziale und Implementierung einer Prozessorganisation in der Entwicklung diskutiert.

Michael Richter

Wettbewerbsvorteil Nachhaltigkeit

Unsere Ressourcennutzung übersteigt in vielen Aspekten die Grenzen der Erneuerungskraft der Natur. Die Auswirkungen sind vielfach schon heute spürbar. Wie diese Auswirkungen mit der steigenden Weltbevölkerung und der Nutzung heutiger Technologien zusammenhängen, wird im Zusammenhang mit der Nachhaltigkeit aufgezeigt. Es wird der Beweis erbracht, dass ein hoher Lebensstandard, wie er vielfach in der westlichen Welt gelebt wird, mit dem gegenwärtigen Wirtschaftsmodell nicht weiter zu führen sein wird. Um jedem einen höheren Lebensstandard, und das bei Einhaltung der ökologischen Grenzen, zu ermöglichen, sind weiterer technologischer Wandel und Innovation unabdingbar. Sowohl konzeptionell als auch anhand von zwei Fallbeispielen wird aufgezeigt, wie die Einbindung der Nachhaltigkeit in die operative Strategie eines Unternehmens Wettbewerbsvorteile bringt. Schließlich wird der Erweis gebracht, dass Unternehmen, die sich auf die wesentlichen Nachhaltigkeitsaspekte ihres Geschäftsbereiches konzentrieren, auch bessere finanzielle Resultate erzielen und ihre Konkurrenz übertreffen.

Prof. Dr. Hakan Lucius

12. Energieumsatz bei chemischen Reaktionen und Standardgrößen

Bei chemischen Reaktionen findet ein Energieumsatz statt; so sind z. B. Verbrennungsvorgänge mit einer erheblichen Wärmeentwicklung, der sogenannten Wärmetönung, verbunden, worunter man die zu- oder abzuführende Wärme versteht, wenn wir die Endprodukte wieder auf die Ausgangstemperatur der Stoffe vor der Reaktion abkühlen. Bei geeigneter Ausführung kann, wie das Beispiel der Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches im Verbrennungsmotor zeigt, ein mehr oder weniger großer Teil des Energieumsatzes als Arbeit gewonnen werden.Aus der Änderung der Zustandsgrößen Enthalpie und Entropie der an einer chemischen Reaktion beteiligten Spezies lässt sich aber auch die in Kapitel 11 eingeführte Gleichgewichtskonstanten der Reaktion berechnen.

Peter Stephan, Karlheinz Schaber, Karl Stephan, Franz Mayinger

8. Qualitätssicherung im Projekt

Neben der Funktionalität ist die Qualität ein weiteres Hauptmerkmal eines Produktes oder Systems, denn die Qualität ist auch als wirtschaftlicher Faktor zu sehen. „It’s not enough that we do our best, sometimes we have to do what’s required“, Sir Winston Churchill (1874 – 1965)

Bernd-J. Madauss

Kapitel 2. Wasserelektrolyse

Die H2O-Elektrolyse kann als die erste Stufe der PtM-Prozesskette angesehen werden. Die bekanntesten Technologien zur Durchführung der H2O-Zersetzung sind AEL, PEMEL und SOEL. Die AEL ist die reifste Technologie. Sie zeichnet sich durch relativ gute technische und wirtschaftliche Eigenschaften aus. Allerdings wird die Korrosion ihr traditioneller Nachteil bleiben. PEMEL weist eine höhere Leistung-zu-Wasserstoff-Effizienz, eine kürzere Antwortzeit und eine höhere Lastflexibilität auf. Die PEMEL-Technologie ist jedoch teurer und hat eine geringere Haltbarkeit. Die SOEL ist eine viel sprechende Technologie. Ihr Hauptvorteil ist ihr sehr niedriger spezifischer elektrischer Energieverbrauch in kWh pro erzeugten Nm3 Wasserstoff. Die Technologie ist aber noch in der Entwicklungsphase. Große Entwicklungsschritte müssen zuerst vollzogen werden.

Karim Ghaib

Weight-bearing elements – from chassis to unit bodies and back to driving modules (Tragende Elemente – vom Chassis zur selbsttragenden Karosserie und zurück zum Fahrmodul)

Erik Eckermann

Kapitel 1. Einleitung: Zukunftschancen des Dieselverfahrens

Die Dieselmotoren scheinen vor dem Ende ihrer Existenz zu stehen – es sind Fahrverbote in Großstädten geplant, es wird eine Beendigung ihrer Produktion gefordert, verkauft werden sie trotzdem sehr gut, sowohl im Automobilbereich als auch, in vielen Regionen der Erde ausschließlich, im Bereich der Nutzfahrzeuge und Arbeitsmaschinen. Die deutlichen Vorteile des Dieselverfahrens – das maximale Drehmoment bereits von niedrigen Drehzahlen aus und einen insgesamt deutlich niedrigeren Kraftstoffverbrauch, sowohl spezifisch als auch streckenbezogen – begründen die Chancen seiner weiteren Nutzung in der Zukunft. Dabei sind allerdings zwei Bedingungen zu erfüllen: die Nutzung von regenerativen Kraftstoffen, beispielsweise von Alkoholen und Ätheren aus Pflanzenresten oder Algen und die drastische Senkung der NOx-Emissionen. Nicht die katalytische Nachbehandlung, sondern die Prozesse im Brennraum bieten dafür das höchste Potenzial.

Nicolae Vlad Burnete

Chapter 7. Antriebstechnik mit der Asynchronmaschine

Andreas Binder

4. Elektrische Energiewandler und Speicher

Das Kapitel widmet sich zunächst der Energiewandlung: Transformatoren transformieren Wechselspannungen, Generatoren wandeln mechanische Antriebsenergie in elektrische Energie, Motoren elektrische in mechanische Energie und Photovoltaikanlagen Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um.Zunächst werden die Bauformen von Transformatoren und ihr Betriebsverhalten erläutert.Im Folgenden werden der Aufbau, die Wirkungsweise und das Betriebsverhalten von Drehstromasynchron- und Drehstromsynchronmaschinen beschrieben.Anschließend werden, aufbauend auf die Beschreibung der Vorgänge in der Solarzelle, der Aufbau und die Funktion von Solarmodulen und Solargeneratoren dargestellt.Ein Abschnitt ist der photovoltaischen Systemtechnik gewidmet. Insbesondere werden die Funktionen sowie die Vor- und Nachteile verschiedener Typen von Solarwechselrichtern ausführlich beschrieben.Dabei wird auch auf in der Praxis auftretende Probleme eingegangen, wie z. B. auf den Einfluss von Abschattungen und von Streukapazitäten sowie auf den Effekt der potenzialinduzierten Degradation (PID) von Solarzellen.Der abschließende Abschnitt erläutert die Prinzipien der elektrischen Energiespeicherung und gibt einen Überblick über die verschiedenen Technologien zur Speicherung elektrischer Energie. Anschließend wird auf die Unterbrechungsfreie Stromversorgung und auf ein Forschungsprojekt zur Systemintegration verschiedener dezentraler Elektroenergieerzeuger und -speicher eingegangen.(Die Wandlung elektrischer Energie mit leistungselektronischen Schaltungen wird in Kap. 3 in Zusammenhang mit der Halbleitertechnik behandelt.)

Andreas Böker, Hartmuth Paerschke, Ekkehard Boggasch

Kapitel 7. Ersatzstromversorgung

Alle Bereiche unserer Gesellschaft sind mehr oder weniger abhängig von einer zuverlässigen Stromversorgung. Manche Einrichtungen sind dabei so wichtig bzw. funktionskritisch, dass Stromausfälle entweder Gefahren für Leib und Leben oder große wirtschaftliche Schäden nach sich ziehen können. Solche Einrichtungen werden häufig als kritische Infrastrukturen bezeichnet.

Hartmut Paul, Christian Leu

Kapitel 8. Sicherheitsrelevante Anwendung

Brennstoffzellen sind nicht nur effiziente Energiewandler, sondern auch Erzeuger von sauerstoffarmer Luft zum präventiven Brandschutz.

Lars Frahm

Kapitel 11. Elektrolyse-Verfahren

Wasserstoff ist ein Energiespeicher mit Potential und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in der Wertschöpfungskette. Der Elektrolyseur als Wasserstofferzeuger ist nicht nur eine zuverlässige, flexible und vielfach eingesetzte Anlage, sondern dient dem Ausgleich der zukünftig weiter steigenden Volatiliät unserer Stromversorgung. Technik, Infrastruktur und Regelwerk sind vorhanden und erlauben bereits heute den Bau und Betrieb von Anlagen zur Speicherung großer Energiemengen in Form von Wasserstoff oder synthetischen Methan. Das Kapitel gibt eine Übersicht über die relevanten Verfahren der Elektrolyse, die elektrochemischen Grundlagen und die jeweiligen Anwendungsgebiete. Der aktuelle Stand der Technik sowie neue Entwicklungen und Marktperspektiven werden dargestellt.

Bernd Pitschak, Jürgen Mergel, Martin Müller

Kapitel 16. Wasserstoff – Schlüsselelement von Power-to-X

Buchbeitrag Springer „Wasserstoff“

Die globalen technischen Potenziale zur erneuerbaren Stromproduktion übertreffen bei weitem die heutige Energienachfrage. Die Gestehungskosten für erneuerbaren Strom sind in den vergangenen Jahren signifikant gesunken; weitere Kostendegressionen sowie steigende Wirtschaftlichkeit gegenüber fossiler Stromerzeugung sind zu erwarten. In einer nachhaltigen Welt mit 100 % erneuerbarer Energienutzung wird daher erneuerbarer Strom, insbesondere aus Wind- und Solarenergie, zur dominierenden Primärenergie. Aus erneuerbarem Strom erzeugte PtX-Kraftstoffe ermöglichen eine Energiewende im Verkehr auch bei Verkehrsmodi mit hohen Leistungs- und Energiebedarfen wie Flugzeug und Schiff. Mit Blick auf eine langfristig nahezu vollständige Dekarbonisierung der Ressourcen- und Energiebasis sind aus erneuerbarem Strom erzeugte PtX-Rohstoffe zukünftig auch in der Industrie (z. B. Stahl) und der Chemie (z. B. Basischemikalien) denkbar. Der Herstellung und Speicherung von PtX kommt dabei eine Schlüsselrolle für eine gelungene Integration der hierfür notwendigen sehr großen Mengen an (fluktuierendem) erneuerbaren Strom zu. Schnittstelle zwischen EE-Stromerzeugung und PtX-Herstellung ist dabei die Elektrolyse. Der wesentliche Beitrag dieses Kapitels besteht daher darin, die wichtigsten PtX-Pfade, nämlich Power-to-Hydrogen, Power-to-Methane und Power-to-Liquids hinsichtlich ihrer technologischen Komponenten, Anwendungen und Potenziale zu charakterisieren und die technisch-ökonomische Performance am Beispiel von PtX-Kraftstoffen im Pkw zu vergleichen. Auch systemische Aspekte von Wasserstoff als verbindendes Element zwischen den ausgewählten PtX-Pfaden werden näher beleuchtet.

Ulrich Bünger, Jan Michalski, Patrick Schmidt, Werner Weindorf

Kapitel 9. Portable Brennstoffzellen

Portable Brennstoffzellen werden derzeit für netzferne Anwendungen entwickelt, erste Märkte mit nennenswerten Stückzahlen sind für die Direktmethanol-Brennstoffzelle für militärischen Einsatz und im Freizeitbereich entstanden im Leistungsbereich bis einige 100 W. Mit Wasserstoff betriebene portable Brennstoffzellen können wegen fehlender Verfügbarkeit des Energieträgers derzeit noch nicht Fuß fassen, verschiedenste Speicheroptionen werden dafür evaluiert. Für spezielle Anwendungen entwickelte Mikrobrennstoffzellen sind eine interessante Option zu Batterien, wenn über lange Zeit ein autarker Betrieb gefordert ist, so dass auch hier weitere Entwicklungsarbeiten zum Erfolg führen können.

Angelika Heinzel, Jens Wartmann

Kapitel 13. Kosten der Wasserstoffbereitstellung in Versorgungssystemen auf Basis erneuerbarer Energien

Als Speichermedium für Energie aus erneuerbaren Quellen eröffnet Wasserstoff eine effiziente Perspektive zur Nutzbarmachung überschüssiger Stromproduktion. Zusätzlich kann die Verwendung dieses Wasserstoffs im Kraftstoffmarkt zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und Importabhängigkeiten substantiell beitragen. Der Einsatz von Brennstoffzellen im Kraftfahrzeugbereich hat insbesondere aufgrund der großen Reichweitenvorteile ein hohes Potenzial auf dem Markt für E-Mobilität. Damit die Anwendung dieser Wasserstofftechnologien möglich wird, müssen noch wesentliche Schritte getan werden, die hinsichtlich der Kostendimensionen der zukünftigen Wasserstoffnutzung im dann vorhandenen Versorgungssystem abzuschätzen sind. In der Vergangenheit sind Wasserstoffbereitstellungspfade für Verkehrsanwendungen bereits intensiv analysiert und diskutiert worden. Fortschritte bei der Entwicklung der benötigten Anwendungstechnologien aber auch veränderte energiestrategische Randbedingungen motivieren zu der nachfolgenden Analyse und Bewertung. Deren Ausgangsbasis bilden aktuell verfügbare Studienergebnisse, die sich schwerpunktmäßig mit der Nutzung überschüssiger Stromproduktionen aus erneuerbaren Energien beschäftigen.

Thomas Grube, Martin Robinius, Detlef Stolten

Kapitel 3. Sicherheit in der Anwendung von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein Gefahrstoff. Er ist brennbar. Bei seinem Einsatz müssen die einschlägigen Sicherheitsvorkehrungen beachtet werden, die sich aus dem Stand der Technik und dem anzuwendenden Regelwerk ergeben. Grundsätzlich sind die vom Wasserstoff ausgehenden Gefahren beherrschbar und nicht größer als die von anderen Energieträgern ausgehenden. Vom Standpunkt der Sicherheit aus spricht nichts gegen seinen allgemeinen Einsatz als Energieträger.

Ulrich Schmidtchen, Reinhold Wurster

Kapitel 5. Wasserstoff und Brennstoffzelle – mobile Anwendung in der Luftfahrt

„Wasserstoff als Energieträger“

Die Verwendung von Wasserstoff als Treibstoff für den Antrieb großer kommerzieller Passagierflugzeuge mit Turbotriebwerken als Antrieb hat den Vorteil, dass Wasserstoff verglichen mit Kerosin etwa den 3fachen Energiegehalt pro Gewichtseinheit beinhaltet. Allerdings muss man selbst in seinem tiefkalten flüssigen Zustand mit dem 4 fachen Volumen rechnen. Zusätzliche Tankgewichte für die Unterbringung des kryogenen Wasserstoffs heben den Gewichtsvorteil zum Teil wieder auf. Andere Anwendungen in Verbindung mit Brennstoffzellentechnologie als Energiewandler erzielen höhere Wirkungsgrade. Diese Konfiguration befindet zurzeit als Antrieb kleinerer elektrisch angetriebenen Flugzeuge und Bordgeneratoren im Versuchsstadium. Im Falle einer Verwendung als Bordenergieversorger in großen Verkehrsflugzeugen bietet es sich an, auch Nebenprodukte, wie Reaktionswärme, Prozesswasser und die sauerstoffarme Abluft, zu nutzen.

Andreas Westenberger

Kapitel 14. Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEFC) Stand und Perspektiven

Polymer Elektrolytmembran Brennstoffzellen (PEFC) sind vielseitig anwendbare Stromerzeuger zum Beispiel für Fahrzeuge wie PKW und Busse, Flurförderzeuge, netzunabhängige und unterbrechungsfreie Stromversorgungen sowie für die Kraft-Wärme-Kopplung. In diesem Kapitel wird eine kurze Einführung zur grundlegenden Arbeitsweise von PEFC, sowie zu den verwendeten Materialien und Komponenten gegeben.

Ludwig Jörissen, Jürgen Garche

Kapitel 1. Wasserstoff als strategischer Sekundärenergieträger

Wasserstoff ist schon heute ein wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie. In Zukunft kann Wasserstoff zu einem bedeutenden Energieträger in einer nachhaltigen Energiewirtschaft werden. Nach einer allgemeinen Einführung in die Eigenschaften, die Erzeugungs- und Verteilungspfade, diskutiert der Artikel die möglichen Entwicklungspfade des Wasserstoffs. Dabei steht Wasserstoff nicht ohne Konkurrenten da. Wird Strom in Zukunft die Endenergie beherrschen oder benötigen insbesondere mobile Anwendungen und saisonale Speicher Wasserstoff als Energieträger? Der Aufbau einer neuer Infrastruktur ist aufwendig und gelingt nur mit den richtigen Rahmenbedingungen. Für Wasserstoff werden dabei die nachhaltige Mobilität, der Ausbau erneuerbarer Energien und die Bemühungen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen wesentliche Faktoren bilden. Dass der Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur gelingen kann, wurde schon an einigen industriellen Zentren erfolgreich unter Beweis gestellt.

Thomas Hamacher

Kapitel 4. Mobile Anwendungen

Der schonende Umgang mit Energieressourcen und die Reduktion von Schadstoffemissionen einschließlich Treibhausgasen sind nicht nur weltweit erwünscht, sondern wegen zunehmend schärferer gesetzlicher Vorgaben eine absolute Notwendigkeit. Das gilt sowohl für stationäre und portable Anwendungen als auch in Transport und Verkehr. Mittlerweile ist weltweit eine kontinuierlich schärfer werdende CO2-Gesetzgebung zu beobachten. Die Marktvorbereitung zur Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen auf der Straße muss synergetisch mit allen in die Thematik involvierten Gruppen (Automobilfirmen, Energie- und Ölfirmen, Infrastrukturunternehmen, Behörden und Regierungen) im Sinne einer Public-Private-Partnership erfolgen. Ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug hat nicht nur den Vorteil der lokalen CO2 Nullemissionen – sondern auch keine bzw. sehr geringe CO2-Emissionen bei der Herstellung des Treibstoffs. Die Brennstoffzellentechnologie wird analysiert und deren Anwendungsmöglichkeiten in Fahrzeugen diskutiert.

Christian Mohrdieck, Massimo Venturi, Katrin Breitrück

Kapitel 6. Brennstoffzellen in der Hausenergieversorgung

Durch die gleichzeitige Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung) aus Erdgas lässt sich die Primärenergieeffizienz von Häusern steigern. Brennstoffzellen-Heizgeräte sind Hoffnungsträger für die Kraft-Wärme-Kopplung im Haus aufgrund ihrer inhärenten Vorteile, wie z. B. hoher elektrischer Wirkungsgrad und schadstoffarme Energiewandlung sowie geräuscharmer Betrieb. Darüber hinaus lassen sich mit erdgasbasierten Brennstoffzellen-Heizgeräten die Kohlendioxid-, Stickoxid- und Schwefeldioxid-Emissionen signifikant senken. Der erforderliche Wasserstoff wird aus Erdgas mit verschiedenen Methoden der chemischen Verfahrenstechnik in Brennstoffzellen-Heizgeräten erzeugt, weil eine entsprechende Wasserstoffinfrastruktur in Gebäuden derzeit fehlt. Langfristig kann darauf verzichtet werden, wenn eine entsprechende Wasserstoffversorgung im Haus verfügbar wird. Aktuell liegt der Fokus bei der Entwicklung von erdgasbasierten Brennstoffzellen-Heizgeräten auf deren Integration ins Ein- und Mehrfamilienhaus sowie auf der Senkung der Kosten und dem Nachweis der Langzeitstabilität. Beides wird derzeit in großen nationalen und europäischen Demonstrationsvorhaben untersucht und vorangetrieben.

Thomas Badenhop, Marc Schellen

Kapitel 10. Industrielle Produktion und Nutzung von konventionellem, CO2-armem und grünem Wasserstoff

Wasserstoff wird heute vorwiegend aus Kohlenwasserstoffen erzeugt und weltweit als Grundstoff in einer Vielzahl von chemischen Prozessen in der Industrie eingesetzt. Derzeit erlangt Wasserstoff eine zunehmend größere „sichtbare“ Bedeutung als sauberer Energieträger und Mobilitätskraftstoff und nicht zuletzt als wesentliches Bindeglied für die sogenannte „Sektorkopplung“. Vor diesem Hintergrund spielt vor allem die Erzeugung aus erneuerbaren Energien sowie die CO2-arme Erzeugung aus fossilen Energien eine große Rolle. Es erscheint plausibel, dass diese Diversifikation auch Rückwirkungen auf den bestehenden Industriegasmarkt haben wird; insbesondere die Nutzung von CO2-arm hergestelltem Wasserstoff in der Industrie, die den „Product Carbon Footprint“ von industriellen Produkten verringert. Das Kapitel beschreibt den heutigen Stand der Nutzung von Wasserstoff in der Industrie, erörtert die Potenziale und Hindernisse der ergänzenden Nutzung von CO2-arm erzeugten und erneuerbarem Wasserstoff und leitet daraus den Handlungsbedarf für die verstärkte Einführung dieser Nutzung ab.

Christoph Stiller, Markus C. Weikl

Chapter 2. Energieeinsatz in der Fahrzeugfertigung

In diesem Kapitel wird auf die Grundlagen und den theoretischen Hintergrund dieser Forschungsarbeit eingegangen. Wichtige Begrifflichkeiten im Bereich der Fertigung und der Energieflüsse werden erläutert. Außerdem werden die wichtigsten Elemente des Fabriksystems und die Subsysteme innerhalb dieses Umfeldes vorgestellt, um später Energie im Kontext der Fertigung zu erläutern. Dabei wird der Fokus auf der Automobilfertigung, den Energieformen und den Umwandlungsarten in diesem Bereich liegen.

Patrick Dehning

3. Single Temperiertechnik

Die SINGLE Temperiertechnik GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen im schwäbischen Süddeutschland. Seitdem Karsten Sauer Geschäftsführer und Mitgesellschafter des Unternehmens ist, trifft ein mit internationalem Wasser gewaschener Prozess-Profi auf regionale Produkt-Profis. Auf der einen Seite ist Lean Management so selbstverständlich wie die Luft zum Atmen, auf der anderen Seite ist sie ein Synonym für personellen Kahlschlag. Kann das funktionieren?Dieses Kapitel gewährt Einblicke, wie die japanische Verbesserungsphilosophie bei einem Unternehmen eingeführt wird, bei dem das Produktportfolio von einfachen Standardlösungen bis hin zu individuell konfigurierten und kundenspezifischen Sonderlösungen reicht. Beteiligte Führungskräfte und Mitarbeiter berichten, wie sie Lean Management anwenden, was sie mit Lean erreichen, vor welchen Herausforderungen sie stehen und was sie gelernt haben. Die Wertschöpfungsanalyse, 8W, der One- Piece-Flow, das Wertstromdesign und Heijunka gehören zum festen Repertoire der Lean-Einführung und werden separat erläutert. Andreas Schwarz, Leiter des Mercedes-Benz-Produktionssystems im Werk Bremen, beurteilt abschließend die Fallstudie aus seiner Sicht.

Markus H. Dahm, Aaron D. Brückner

B. Elektroantriebe E-Drive

Der Antrieb eines Fahrzeugs durch einen Elektromotor ist kein Gedanke unserer Zeit. Er wurde bloß getrieben durch die öffentliche Diskussion zur Reduzierung des Treibhausgases CO2 wieder aufgegriffen. Das erste Straßenfahrzeug, das die 100-km/h-Marke bei einer Rekordfahrt überschritten hat, war ein torpedoartiger Einsitzer im Jahre 1899. Angetrieben wurde der Rekordwagen von zwei 25-kW-Elektromotoren an der Hinterachse. Dass sich der Elektroantrieb bei Straßenfahrzeugen zu dieser Zeit nicht durchsetzen konnte, hatte mehrere Gründe, wovon einer heute noch von Bedeutung ist: Das sperrige Volumen und die große Masse des Energiespeichers, der Batterie. Enorme Fortschritte gab es in der Zwischenzeit jedoch auf dem Gebiet der Elektronik, was für die Ansteuerung der Elektromotoren und die Lebensdauer der Batterien von Bedeutung ist. Für Rennfahrzeuge mit ihren von Alltagsfahrzeugen abweichenden Anforderungen sieht die Betrachtung von Elektroantrieben besonders vor dem Hintergrund einiger Umwelt-Kritikpunkte am Rennsport wesentlich anders aus.

Michael Trzesniowski

Kapitel 12. Lösungen zu den Übungsaufgaben

Ordnen Sie die unten aufgeführten Beispiele den jeweiligen Wettbewerbsfunktionen zu.

Christian A. Conrad

Kapitel 7. Wettbewerbspolitik

Das Vorlesungskapitel Wettbewerbspolitik soll Ihnen als zukünftigen Manager einen Einblick in die deutsche und europäische Wettbewerbspolitik vermitteln. Diesen Einblick können Sie später einmal sowohl dazu nutzen, den Gewinn ihres Unternehmens durch die Abwehr von unfairem Wettbewerb ihrer Konkurrenten zu steigern als auch Bußgelder wegen Wettbewerbsverstößen zu vermeiden.

Christian A. Conrad

Chapter 1. Einleitung und Motivation

Aufgrund des natürlichen Treibhauseffekts, der hauptsächlich durch Wasserdampf H2O(g) und Spurengase wie Kohlendioxid CO2, Methan CH4 und Lachgas (Distickstoffmonoxid) N2O hervorgerufen wird, hält die Erdatmosphäre eine mittlere globale Temperatur von etwa 14°C. Der Eingriff des Menschen in die Natur hat zu einem erheblichen Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen geführt. Als eine Ursache wird die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Kohle und Gas festgemacht.

Andre Gerhard Tänzler

2. Fahrdynamik

Die Fahrdynamik beschreibt die Bewegungen des Fahrzeugs im Raum sowie die auf das Fahrzeug einwirkenden Kräfte und Momente. Fahrzeugbewegungen wie Geradeaus-, Kurvenfahrten sowie Vertikal-, Gier-, Nick- und Wankbewegungen werden durch entsprechende Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Winkeln, Drehraten und Winkelbeschleunigungen beschrieben. Hinzu kommen die dabei entstehenden Schwingungen und Kräfte des komplexen dynamischen Systems.Die Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken, sind die Trägheitskräfte, die beim Beschleunigen, Bremsen und während der Kurvenfahrt entstehen sowie das Eigengewicht des Fahrzeugs samt dessen Beladung. Diese können als am Fahrzeugschwerpunkt wirkend betrachtet werden. Hinzu kommen aerodynamische Kräfte und Motorantriebsmomente. Diese Kräfte und Momente werden über die vier Radaufstandsflächen – Reifenlatsch genannt – als Vertikal- und Horizontalkräfte auf die Fahrbahn übertragen.Die Fahrdynamik von Kraftfahrzeugen wird klassisch in den drei verschiedenen translatorischen Bewegungsfreiheitsgraden des Fahrzeugaufbaus betrachtet. Bei Untersuchung der Bewegungsvorgänge in Fahrzeuglängsrichtung, also Antreiben und Bremsen, spricht man von der Längsdynamik des Fahrzeugs. Hierbei sind die Fahrwiderstände mit dem daraus resultierenden Leistungs- und Energiebedarf des Fahrzeugantriebs sowie die Brems- und Traktionseigenschaften auch auf verschiedenen Fahrbahnbelägen und -zuständen Gegenstand der Untersuchungen.Das Schwingungsverhalten des Fahrzeugs in Richtung der Hochachse wird als Vertikaldynamik bezeichnet, die maßgeblich das Fahrkomfort beeinflusst. Das Verhalten des Fahrzeugs beim Lenken bestimmt die Querdynamik und somit im Wesentlichen die Fahrstabilität.

Prof. Dr.-Ing. Metin Ersoy, Dr.-Ing. Christoph Elbers, Dipl.-Ing. Daniel Wegener, Dipl.-Ing. Jörn Lützow, Dipl.-Ing. Christian Bachmann, Dr.-Ing. Christian Schimmel

18. Zukunftsaspekte des Fahrwerks

In diesem Kapitel werden die Zukunftstrends für die Fahrwerksysteme zusammengefasst. Der Schwerpunkt liegt dabei bei der Umweltverschmutzung durch Abgase, bei der Elektrifizierung (Hybrid- und E-Fahrzeuge), bei den Fahrerassistentsystemen, vorausschauenden und intelligenten Fahrwerken und beim autonomen Fahren. Der aktuellste Stand der Technik für alle diese Themen wird ausführlich diskutiert. Es wird auch versucht, Zukunftsszenarien für das Auto und sein Fahrwerk zu erstellen.Das Kapitel schließt mit Prognosen zu zukünftigen Produktionszahlen, Fahrzeugklassen und Antriebsarten der Zukunft.

Prof. Dr.-Ing. Metin Ersoy, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Heißing, Prof. Dr.-Ing. Stefan Gies, Dr.-Ing. Christian Schimmel, Dr. rer. nat. Stephan Demmerer

Energiewende in der Abwasserbehandlung

Chancen und Herausforderungen

Die Energiewende in der kommunalen Abwasserbehandlung in Bezug auf die Elektroenergie ist technisch derzeit nur für sehr große Kläranlagen oder Kläranlagenverbünde im Zusammengehen mit thermischer Klärschlammverwertung möglich. Abwasser ist jedoch aufgrund seiner organischen Bestandteile ein Energieträger für chemisch gebundene Energie. Eine mit Abwasser betriebene bio-elektrochemische Brennstoffzelle wird vorgestellt, die neue Möglichkeiten für die energetische Nutzung von Abwasser aufzeigt.

Prof. Dr.-Ing. Michael Sievers, Dipl.-Ing. Hinnerk Bormann

Chapter 3. Technologiestrategien etablierter und neuer Akteure in der Phase des diskontinuierlichen technologischen Wandels in der Automobilindustrie

Bereits vor über hundert Jahren befand sich die Automobilindustrie in einer Phase der technologischen Diskontinuität. Zu Beginn der Industrieentwicklung stand die Frage des ‚Dominanten Designs‘ in der Antriebstechnologie im Mittelpunkt. Die ablehnende Einschätzung der Elektromobilität aufgrund zu schwerer Batterien und dem Mangel an Stromquellen würde T. Edison aus heutiger Sicht bestimmt revidieren.

Prof. Dr M. Stephan, M. Mooser

9. Brennstoffzellen

Mit Brennstoffzellen lassen sich Wasserstoff sowie Erdgas und andere Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin, Methanol) oder Biogas elektrochemisch direkt in elektrische Energie umwandeln. Gegenüber Wärmekraftmaschinen, die den Umweg über die mechanische Energie nehmen, ergeben sich höhere Wirkungsgrade, und dies ohne rotierende Teile und entsprechende Lärmemissionen. Bereits für kleine Leistungen lassen sich Wirkungsgrade von 50–60 % erreichen, was mit konventioneller Technik nur mit Kombianlagen im 10–100 MW-Bereich möglich ist. Die Umweltbelastung bei Verwendung von Erdgas ist wegen des höheren Wirkungsgrads und der andersartigen Verbrennung (kein Ruß, keine Stickoxide, keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe) geringer als bei konventionellen thermischen Kraftwerken. Die CO2-Emissionen können durch Erhöhung des Wasserstoffanteils weiter reduziert werden.

Prof. Dr.-Ing. Valentin Crastan

1. Energiewirtschaft und Klimaschutz

In Kap. 1 werden die Grundlagen und die Struktur der Energiewirtschaft dargelegt: Primärenergie, Endenergie, Energieträger, Reserven und Ressourcen, Potential und Nutzung erneuerbarer Energien).Der Energiebedarf und die CO2-Emissionen werden für alle Weltregionen und wichtigsten Länder veranschaulicht und die zukünftig wünschbare Entwicklung im Hinblick auf den Klimaschutz mit Hilfe der wichtigsten Indikatoren erörtert.

Prof. Dr.-Ing. Valentin Crastan

Kapitel 5. Recht für die Sektorkopplung

Mit der Sektorkopplung wird die Nutzung von (erneuerbarem) Strom für die Sektoren Wärme und Verkehr sowie ggf. auch der Einsatz in industriellen Anwendungen, die derzeit auf Basis fossiler Rohstoffe stattfinden, bezeichnet. Schon heute wird Strom für den Einsatz im elektrifizierten Schienenverkehr und in Stromheizungen verwendet – insofern ist Sektorkopplung nichts Neues.

Henning Thomas

2. Chemie

Im Gegensatz zu ehemals wird die Chemie heute aus der Atomistik heraus entwickelt und dadurch verständlich. Das wird deutlich, wenn die verschiedenen Arten einer chemischen Verbindung erklärt werden. – Aus dem Bereich der anorganischen Chemie wird in dem Kapitel die Speicherung elektrischer Energie in Batterien und Akkus behandelt, anschließend die Stoffkunde mineralischer und metallischer Werkstoffe. – In der organischen Chemie spielen die Kohlenstoffverbindungen die zentrale Rolle, einschließlich jener mit eingebautem Wasserstoff und Sauerstoff. Sie bestimmen den Aufbau aller lebenden Substanz und demgemäß auch jener Produkte, die aus Erdöl und Erdgas gewonnenen werden, aus denen wiederum von der Chemischen Industrie fossile Brennstoffe, Kunststoffe und viele weitere Produkte, wie Kunstdünger, Pharmaartikel und Pestizide aller Art hergestellt werden.

Christian Petersen

3. Thermodynamik

Die Thermodynamik zählt zu den wichtigen Anwendungsdisziplinen der Naturwissenschaften. Im Kapitel wird zunächst untersucht, wie sich Festkörper, Flüssigkeiten und Gase unter Wärmeeinwirkung verhalten. Das führt auf die Gasgesetze und die Hauptsätze der Wärmelehre und auf die hierauf aufbauenden Wärmevorgänge und -prozesse, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren ablaufen. Hierfür kamen bisher fast ausschließlich fossile Brennstoffe zum Einsatz. Das macht es notwendig, sich mit der Energieversorgung hierzulande und weltweit zu befassen, mit den fossilen und nicht-fossilen (erneuerbaren) Energiequellen. Gerade Letztgenannten wie Wind, Sonne, Geothermie und Biomasse, wird in Zukunft eine immer größere Bedeutung zukommen. Dabei stellen sich Fragen: Wie hoch ist ihr Beitrag heute schon? Werden sie die fossilen Energiequellen eines fernen Tages ersetzen können?

Christian Petersen

6. Kraft-Wärme-Kopplung – Chancen und Perspektiven

Nachhaltiges Handeln ist heute mehr denn je geboten, da alle natürlichen Ressourcen immer knapper werden. Am deutlichsten veranschaulicht das die Endlichkeit der fossilen Energieträger, deren weltweiter Verbrauch sich seit 1970 verdoppelt hat. Bis 2030 wird er sich nach einer Prognose der International Energy Agency (IEA, Weltenergieagentur) nahezu verdreifachen und aufgrund der damit verbundenen Emissionen gravierende Auswirkungen auf das Klima haben. Die Gestaltung einer umwelt- und ressourcenschonenden sowie gleichzeitig wirtschaftlichen Energieversorgung für die Zukunft ist deshalb wichtiger denn je (Abb. 6.1).

Jörg Schmidt

Kapitel 8. Eine Dosis Wahrheit Wahrheits-Globuli, bitte: Möglichkeiten und Grenzen der wissenschaftlichen Methode

In den bisherigen Kapiteln haben wir uns damit beschäftigt, was die Faszination von Verschwörungstheorien ausmacht und warum sie grundlegende menschliche Bedürfnisse nach historischen Zusammenhängen, Unterhaltung, Ästhetik und Wahrnehmung bedienen. Aber unsere Betrachtung wäre nicht vollständig, wenn wir uns nicht auch kritisch mit dem Begriff „Theorie“ auseinandersetzen würden – immerhin gibt eine Verschwörungstheorie ja vor, eine Theorie zu sein. Vielleicht kann uns die Wissenschaft nützlich sein, wenn es darum geht, unsinnige und falsche Geschichten von echten Verschwörungstheorien zu unterscheiden? Unser Verständnis der Welt können wir so verbessern; aber letzte und endgültige Antworten finden wir auf diese Weise nicht.

Marius Raab, Claus-Christian Carbon, Claudia Muth

33. Ausblick

Seit über hundertfünfzig Jahren gibt es Kraftfahrzeuge; und sie werden zu fast 100 % mit Hubkolbenmotoren angetrieben. Otto- und Dieselmotoren entwickelten sich rasant und die Entwicklungsfortschritte sind noch lange nicht ausgeschöpft. Bei genauerem Hinsehen drängt sich sogar die Erkenntnis auf, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit und damit einhergehend Fortschritte auf allen Ebenen in den letzten Jahren deutlich zugenommen haben.

Dr.-Ing. E.h. Richard van Basshuysen

17. System Antriebsstrang

In diesem Kapitel wird auch insbesondere der Integrierte Starter-Generator (ISG) behandelt, weil er zukünftig unter anderem eine wichtige Rolle in der Konzeption des Antriebsstrangs einnimmt.

Dr.-Ing. Michael Ulm, Dipl.-Ing. Friedrich Graf, Dipl-Ing. Uwe Möhrstädt

22. Betriebsstoffe

Der Begriff Betriebsstoffe ist heute in der Automobiltechnik als Dachbegriff für Kraftstoffe, Schmierstoffe, Kühlmittel und Hydraulikflüssigkeiten gebräuchlich. Seine Behandlung beschränkt sich hier gezielt auf anwendungstechnische Gesichtspunkte. Auf eine Erörterung von Aufsuchung, Gewinnung und Verarbeitung von Mineralöl- beziehungsweise Syntheseprodukten wird daher verzichtet.

Wolfgang Dörmer, Norbert Neumann, Volker Clasen, Dr. Ulrich Pfisterer, Dr. Oliver Busch

30. Alternative Fahrzeugantriebe und APUs (Auxiliary Power Units)

Heutige Fahrzeuge werden bis auf wenige Ausnahmen mit Otto- und Dieselmotoren und den dazu relevanten Kraftstoffen betrieben. In einigen Ländern wird dem Ottokraftstoff Ethanol beigemischt, beziehungsweise wird der Ottomotor mit Ethanol betrieben. Rapsmethylester RME steht, wenn auch nicht in ausreichender Menge, für Dieselfahrzeuge zur Verfügung. Eine weitere Ausnahme bilden Fahrzeuge, die mit CNG (Compressed Natural Gas) oder LPG (Liquified Petroleum Gas) betrieben werden. Hybridantriebe, Elektrofahrzeuge mit Batterie oder Brennstoffzelle und besondere Varianten der Hybridantriebe, die „Plug-in“- und „Range-Extender“-Versionen, sind inzwischen vielfältig verfügbar und haben in einigen Ländern bereits beachtliche Marktanteile erreicht. Der Marktanteil von Pkw mit Ottomotor beträgt weltweit zurzeit circa 80 % inklusive hybridisierter Fahrzeuge auf Basis von Ottomotoren (Fahrzeuge mit Dieselmotor entsprechend circa 20 %) [1]. Durch die steigenden Kraftstoffkosten und der hohen Effizienz von Dieselmotoren sowie den Entwicklungsfortschritten bezüglich der Reduzierung der Partikel und der NOx-Emissionen ist auch diese Antriebsart besonders interessant. Neben der Elektrizität erreichen CNG und LPG weltweit steigende Marktanteile.

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert, Prof. Dr. Burghard Voß, Dipl.-Ing. Katharina Schütte, Dipl.-Ing. Ralf Wascheck

29. Hybridantriebe

In den Anfängen der Automobilentwicklung konkurrierten verschiedene Antriebskonzepte miteinander. Neben Otto- und Dieselmotoren wurden auch Dampfmaschinen und Elektromotoren als Fahrzeugantriebe eingesetzt. ferdinand porsche gilt als einer der ersten, der im Jahr 1900 bei seinem damaligen Arbeitgeber „K.u.K. Motorenwagen- und Automobil-Fabrik Jacob Lohner&Co“ ein Fahrzeug mit Hybridantrieb entwickelt hat. Bei dem „Lohner-Porsche Mixte“ handelte es sich um einen Seriellen-Hybridantrieb mit Radnaben-Elektromotoren und einem Vierzylinder-Verbrennungsmotor von Daimler, Abb. 29.1.

Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer, Dipl.-Ing. Carsten von Essen, Prof. Dr.-Ing. Eduard Köhler, Dr.-Ing. Martin Hopp

31. Energiemanagement in Motor und Fahrzeug

Die Suche nach Potenzialen zur Verbrauchsreduktion beim Betrieb von Kraftfahrzeugen ist eine der zentralen Forschungs- und Entwicklungsebenen im Automobilbau. Dies insbesondere, weil mit einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs auch die direkte Minderung von CO2-Emissionen einhergeht.

Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer, Dr.-Ing. E.h. Johannes Liebl
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