Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Chemische Energie | Mechanische Energie | Wärme |
Kurzbeschreibung
Ein Kraftstoff-Luft Gemisch wird in einem Zylinder gezündet und verbrannt. Der dabei entstehende Druck bewegt einen Kolben. Die dabei entstehende Auf- und Abbewegung wird über einen Kurbeltrieb in eine Drehbewegung umgewandelt, welche einen Verdichter antreibt. Beim Ansaugen und Ausstoßen erfolgt ein Gaswechsel.
Funktionsskizze
UtzOnBike (3D-model & animation: Autodesk Inventor), 4-Stroke-Engine, CC BY-SA 3.0
Arbeitstakte:
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Arbeiten
4. Ausstoßen
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Angabe des Bereiches, in dem Umwandlungswirkungsgrade typischerweise liegen und Beschreibung, welche Parameter den Wirkungsgrad beeinflussen
![\[Wirkungsgrad\; \eta = \frac{P}{{{{\dot m}_K}*{H_U}}}\]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-309d9d813e3c3c82f6b8d829c167a92e_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Der Wirkungsgrad ist bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung durch die innere Gemischbildung und die daraus resultierende Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses höher als beim Ottomotor mit Saugrohreinspritzung. Ein zu hohes Verdichtungsverhältnis verursacht durch die ansteigenden Reibungskräfte ein Abfallen des Wirkungsgrads bei Volllast. Im Teillastbereich hingegen ist ein hohes Verdichtungsverhältnis gut für den Wirkungsgrad (Anstieg des Wirkungsgrads bis zu einem Verhältnis von 17:1). Der Wirkungsgrad variiert von maximal 24 % bei Kleinmotoren (2-Takt) bis 54 % bei Kreuzkopfmotoren (2-Takt-Diesel).
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Verbrennungsmotor |
| Typische Lastprofile | Spitzenlast / Dauerlast |
| Maximale Schalthäufigkeiten | Nahezu beliebig |
| Typische Anfahrzeiten | Wenige Minuten |
| Mindestlaufzeiten | Häufiges Anfahren senkt die Lebensdauer stark ab |
| Regelbarkeit | Gute und kurzfristige Regelbarkeit |
| Schalldruckpegel | Bei größeren Motoren hohe Schallpegel und starke Vibrationen ca. 98 dB(A) |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Verbrennungsmotor |
| Verfügbare Leistungsklassen | Kilo- bis Megawattbereich |
| Wirkungsgrad in Abhängigkeit der Auslastung | – Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis (s. Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte) |
| Nutzbarer Anteil der Verlustleistung | Nutzung der Abwärme möglich |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Verbrennungsmotor |
| Kosten / kWh | Abhängig von Brennstoff |
| € Invest / kW | + Geringe Investitionskosten |
| Platzbedarf / kW | + Geringer Platzbedarf |
| Wartungs- und Instandhaltungskosten | – Hoher Wartungsbedarf, da eine interne Verbrennung stattfindet |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Verbrennungsmotor |
| Ökobilanz | – Kein Einsatz von regenerativen Brennstoffen wegen möglicher Bildung von schwefliger Säure, welche Verschleiß verursacht bei Eintritt in den Ölkreislauf, hohe Emissionswerte |
| Gefährdungspotenzial | – Gefahr von Fehlzündungen und Entzündung des Motors, hohe Temperaturen |
| Systemkomplexität | – Komplexer Aufbau, aber technologisch ausgereift |
Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Entwicklungstendenz
Der Verbrennungsmotor ist technologisch bereits ausgereift. Signifikant innovative Verbesserungen werden aus diesem Grund nicht mehr erwartet.
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- Vergleichsweise geringe Investitionskosten
Nachteile
- Hoher Wartungsaufwand auf Grund von Verschleiß
- Hohe Emissionswerte
- Schallemissionen
Anwendungsbeispiele
Die Einsatzbereiche von Verbrennungsmotoren sind vielfältig. Eine typische Anwendung von Otto- und Diesel-Motoren ist der Antrieb von Automobilen. Diesel-Motoren kommen zudem häufig in mobilen Anwendungen zum Einsatz wie bspw. in Baustellenkompressoren oder Notstromaggregaten. Die Nutzung von Verbrennungsmotoren empfiehlt sich besonders, wenn Gase als Abfallstoff zur Verfügung stehen (zum Beispiel Biogas).
Literaturverzeichnis
- Aircraft Kompressoren: AIRBAU/Aircar-BAU: Mobiler Kolbenkompressor mit Benzinmotor – zuletzt geprüft am 26.07.2019
- Klimaschutz durch effiziente Energienutzung: Einsatzmöglichkeiten der Mikrogasturbine in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen. Augsburg, 2007. – Ergebnisbericht
- Lechner, Raphael; Popp, Tobias; Brautsch, Markus , Prof. Dr.-Ing. (2017): Kraft-Wärme-Kopplung: Technologieüberblick (PDF-Download), zuletzt geprüft am 26.07.2019
- Rößler, M. P.: Energieeffizienz bei der industriellen Drucklufterzeugung: Studie zu Entwicklungen, Trends und alternativen Erzeugungstechnologien. Darmstadt, Technische Universität Darmstadt. Studie: 24.04.2014. (PDF Download), zuletzt geprüft am 26.07.2019
- van Basshuysen, R.; Schäfer, F. (2015): Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 7., vollst. überarb. und erw. Auflage(ATZ/MTZ-Fachbuch). Springer Vieweg, Wiesbaden
- Wiesinger, J.: Der Verbrennungsmotor: Funktion, zuletzt geprüft am 26.07.2019