Der Verbrennungsmotor der Zukunft

In nicht allzulanger Zeit werden wir unsere Treibhausgasemissionen auf nahezu Null heruntergefahren haben müssen (siehe z.B. hier). Treibstoff für Verbrennungsmotoren wird dann nur noch regenerativ hergestellt werden können. Es wird also wenig davon geben. Das bedeutet, dass Verbrennungsmotoren extrem effizient werden sein müssen.

Das effizienteste Motorprinzip ist der Gegenkolbenmotor (siehe z.B. hier und hier). Die effizienteste Zylinderzahl ist 1.

Das heißt, dass unter der Bedingung extremer Emissionseinschränkung sich der Einzylinder-Gegenkolbenmotor durchsetzen wird.

Er wird möglicherweise einen kleineren und einen größeren Zylinder haben, und für kleinere und mittlere Geschwindigkeiten den kleineren Zylinder nutzen und bei größeren Geschwindigkeiten oder bergauf den Größeren.

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Verbrennungsmotor der Zukunft 2

Es ist immer seltsam, wenn man daher kommt und schreit: hier, das ist das Ei des Kolumbus, also eine bestimmte technische Lösung missionarisch in den Himmel hebt.
Nichtsdestotrotz will ich hier auf eine solche Lösung aufmerksam machen: den Gegenkolbenmotor.

Er besteht aus einem Brennraum für zwei Kolben, die darin gegeneinander laufen. Er könnte ein Viertakter, wenn man in der Mitte Ventile unterbringen würde, aber als Zweitakter ist er viel eleganter. Dann nämlich öffnen die Kolben am äußeren Totpunkt den Zuluft und den Abgaskanal. Durch eine leichte Phasenversetzung kann man erreichen, dass sich erst der Abgas- und dann der Zuluftkanal öffnet. So wird ein Gasaustausch erzielt, der ebensogut wie beim Viertakter ist. Der Zweitakter braucht einen Lader, der während des offenen Zylinders die frische Luft hineindrückt.

Der Hauptvorteil ist folgender:

Die Oberfläche des Brennraums ist eine der Hauptverlustquellen beim Verbrennungsmotors. In erster Näherung sind die Wärmeverluste nicht von der Motorleistung, sondern nur von dieser Oberflächengröße und der Ladung abhängig. Man möchte also zwei Ziele erreichen: ein großes Hub-zu-Bohrungsverhältnis (langen Hub), um die Oberfläche des Brennraums gering zu halten, und eine hohe Drehzahl, um bei gegebener Oberfläche, also gegebenen Verlusten, möglichst viel Nutzleistung zu erzielen. Großer Hub bedeutet aber große Beschleunigung von Bauteilen – wegen der begrenzten Materialfestigkeit sind Hub und Drehzahl ungefähr umgekehrt proportional. Wenn der Hub auf zwei Kolben aufgeteilt wird, lässt sich also im Prinzip die doppelte Drehzahl erreichen, d.h. doppelte Leistung bei gleichen Verlusten. Der Wirkungsgrad steigt.

Dieser Effekt trifft besonders auf den Teillastbereich zu, weil hier die Oberflächenverluste relativ größer sind als bei Volllast. Dies ist von Bedeutung, da unsere Autos vielleicht 80 % ihrer Zeit im unteren Teillastbereich gefahren werden.

Die Komplexität das Motors ist etwas geringer als die des Standard-Viertakters. Keine Zylinderköpfe, keine Ventile und Ventiltriebe und Nockenwellen, weniger Masse, da weniger Hubraum umbaut werden muss – dafür zwei Kurbelwellen, die über Zahnräder synchronisiert werden müssen und der Lader.

Nachteile gibt es leider auch. Dadurch dass die Lauffläche für den Ein- und Auslass unterbrochen ist, gerät Öl in den Gasstrom, insbesondere ins Abgas. Ob sich das wegentwickeln lässt  ist die Frage. Es erfordert eben Risiko einzugehen.

Der Kühlschrank der Zukunft

Unser Kühlschrank verbrät 450 kWh pro Jahr grob geschätzt.

Eine moderne A+++ Kühlgefrierkombination darf nicht mehr als 166 kWh im Jahr verbraten.

Jetzt überlegen wir mal, wofür sie das verbraucht.

Für die Abkühlung der Sachen, die man täglich rausholt und reintut nur ungefähr 12 kWh im Jahr. (Das kann man leicht ausrechnen, wenn man sich die Mengen, Wärmekapazitäten und Temperaturdifferenzen anguckt.)

Der Rest geht auf Konto der Leitungsverluste durch die Wand.

Ein logische Maßnahme ist, den Kühlschrank komplett ins Freie zu stellen, wenn die Temperaturen draußen unter Raumtemperatur sind, was in Deutschland die meiste Zeit des Jahres zutrifft. So könnte man immerhin über das ganze Jahr die Hälfte an Strom einsparen. Nachteil: bei Minustemperaturen muss man den normalen Kühlraum irgendwie etwas anwärmen, damit einem die Sachen nicht gefrieren. Und es ist natürlich umständlicher. Und wenn man rausrennt zum Kühlschrank, entweicht immer auch Raumwärme.

Ein Ausweg bieten neuartige Vakuumisolierungen. Mit ihnen müsste man bis in die Gegend von 30 kWh pro Jahr kommen, wenn man großen Aufwand mit den Türdichtungen treibt. Also da ist noch einiges zu erwarten.

Der Verbrennungsmotor der Zukunft

In einem früheren Beitrag schrieb ich, dass der Verbrennungsmotor der Zukunft nur einen Zylinder hat. Das möchte ich nun ein wenig ausführen und einige Ideen einbringen. Genauer könnte er folgende Eigenschaften haben, d.h. ich spinne jetzt mal was zusammen:

  • Einen langen Hub, so dass der Brennraum bei den höchsten Gastemperaturen am kugelähnlichsten ist,
  • ungefähr dieselbe Drehzahl wie gängige Automotoren,
  • natürlich viele Ventile,
  • symmetrisch-gegenläufige Ausgleichsmassen, die bewirken, dass der Motor weder Verschiebungs- noch Drehungsvibrationen kennt und die auch als Schwungscheiben dienen,
  • Auskleidung der Zylinderinnen- und Kolbenoberfläche mit Keramik, was thermisch besser isoliert,
  • mehrere Einspritzdüsen, die einzeln koordiniert so angesteuert werden, dass günstige Verwirbelung entsteht,
  • zeitliche Dosierung des Einspritzstromes, so dass während der ganzen Verbrennungsphase eine konstant hohe Temperatur gehalten wird um eine quasi-isotherme Expansion zu erreichen, die aber ein Maximum nicht übersteigt, um Stickoxidbildung zu vermeiden,
  • am Antriebsstrang ein Drehmomentfilter, der die Drehmomentstöße des Einzylinders glättet.

So ein Motor hat wegen der geringeren Wärmeverluste (und vielleicht auch wegen der Verbrennungstemperatursteuerung, aber hier bin ich mir nicht sicher) einen höheren Wirkungsgrad als heutige Automotoren mit mehreren kleinen Zylindern. Außerdem hätte er einen satten Yamaha-XT-Sound und ein Monsterdrehmoment bereits bei niedrigen Drehzahlen.

Eine mögliche Konstruktion für einen Drehmomentfilter habe ich mal hier skizziert, sowas macht mir immer Spaß, im Wesentlichen ist es eine sehr weiche hydraulische Torsionfeder:

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Mehr aus der Welt der Algen

Was ich neulich im Focus über Treibstoff-aus-Algen las ist nur die Spitze eines Eisberges an Forschung, die auf diesem Gebiet geleistet wird. Die Idee dazu entstand bereits in den 50er Jahren, damals allerdings noch mit einer anderen Zielrichtung (Methanherstellung unter Nutzung von Abwässern). Von 1978 bis 1996 lief ein Forschungsprogramm des U.S. Department of Energy’s Office of Fuels Development, in dem bereits wesentliche Vorarbeiten wie die Suche geeigneten Arten, die Erforschung von Physiologie und Biochemie der Algen, Erstellung von Demonstrationsanlagen und  Kostenanalysen geleistet wurden. Dieses Programm ist in letzter Zeit wieder aufgenommen worden. Ein PDF-Dokument mit einem Überblick findet sich hier.

Der SPIEGEL könnte ein Beleg für die These sein, das hierzulande die Algentechnologie als exotisch und versponnen gilt. Nicht nur, dass er bei Stichwort „Algen“ überhaupt keinen entsprechenden Treffer in seiner internen Suche liefert, einer der zwei Artikel über die neue Technologie ist ein herber Verriss des Hamburger Pilotprojekts zur Umwandlung von Kraftwerks-CO2 in Biomasse. In anderen Medien wird immerhin wohlwollend über den Algen-Ansatz berichtet, z.B. in der Welt. Der Gerechtigkeit halber muss man sagen, dass das besagte Pilotprojekt wirklich nicht mehr sein kann als ein Forschungsprojekt – es krankt an dem Problem aller regenerativen Energien in Deutschland: zu wenig Licht um billig werden zu können. Der andere Artikel im SPIEGEL ist wohlwollender .

Währenddessen haben sich in den USA bereits zwei Organisationen zur Koordination und Interessenvertretung von Sprit-aus-Algen-Unternehmen gegründet, die Algal Biomass Organisation (ABO) und die National Algae Association, von denen die erstere so klangvolle Namen wie Boeing, Airbus, KLM, FedEx und IATA in ihrer Mitgliederliste führt. Die Fliegerei ist harscher Kritik der Umweltschützer ausgesetzt und will nicht nur ihr Image polieren, sondern sich auch langfristig ihre Treibstoffbasis sichern. Auch die Firma Sapphire Energy findet sich in der ABO – sie hat jüngst 100 Mio. Dollar von Bill Gates erhalten.

Doch nicht nur die Großen sind drüben rege – es scheint eine kleine Gemeinde von Hobby-Biodieselern zu geben. Zumindest gibt es Anleitungen im Netz zu kaufen, wie man einer wird, die als Lehrbeispiel für sales hype gelten können. Hier ein Bericht über ein Garagentreffen solcher Algen-Geeks. Amerika ist halt das Land des „can do“!

Leider muss ich meine frühere Darstellung der Wunder der Algen etwas zurückstutzen, nämlich was den maximalen Umwandlungswirkungsgrad betrifft. Nach besagtem „Welt“-Artikel und anderen Quellen beträgt er nicht 30, sondern nur 10 %. Aber immerhin kann ich den geneigten Leser aus dieser Quelle mit einer offiziellen Schätzung des Zeitrahmens versorgen, bis die Sache zum Durchbruch kommt: kommerziell lohnende Produktion 2015, 2022 dann 36 Mrd. Gallonen (= 137 Mrd. Liter, = 98 Mrd. kg, = 98 Mio. t, = etwa der momentane deutsche Verbrauch an Benzin).