Berechnungen zum Aircar

Jens Schacherl

Aktives Mitglied
30.03.2004
1.067
0
#1
Hallo,

die folgenden Berechnungen stammen aus dem "International Technical Development Center" eines großen Automobilkonzerns.
1) Notwendige Energie für die angegebenen Reichweiten des MDI-Autos

Es werden 2 Reichweiten genannt: 100 km bei konstant 110 km/h, 240 km bei konstant 60 km/h .

Fahrwiderstandsleistung:
FW = V*(f*m*g+0.5*rho*A*cw*V^2)

Kennwerte:
m = 700 kg
A*cw = 0.6m^2 (geschätzt)
f = 0.013 (Rollreibung)
g = 9.81 m/s^2
rho = 1.3 kg/m^3 (Luftdichte)
V110 = 30.56 m/s
V60 = 16.67 m/s

Daraus ergibt sich
FW110 = 13.85 kW
FW60 = 3.29 kW



Energie = Leistung * Zeit = FW * t

E110 = FW110 * t110 = 13.85 kW * 3273 s = 12.59kWh
E60 = FW60 * t60 = 3.29 kW * 14400 s = 13.16 kWh


Die beiden Energien E110 und E60 unterscheiden sich nur wenig, d. h. die beiden angegebenen Reichweiten passen gut zusammen und scheinen insofern realistisch zu sein.


2) Abschätzung der vom Preßluftspeicher bereitzustellenden Energie

Die Energien E110 bzw. E60 müssen an den Antriebsrädern des MDI-Autos verfügbar sein; um zu einem erforderlichen Energieinhalt des Preßluftspeichers zu kommen, muß ein Gesamtwirkungsgrad zwischen Speicher und Antriebsrädern geschätzt werden, der Verluste in Kraftübertragung und Getriebe, aber auch im Motor (der ja im Preßluftbetrieb kein Verbrennungsmotor mit entsprechend hohen Verlusten ist) berücksichtigt.

Annahme: n_Antrieb = 0.75, d.h. der Preßluftspeicher sollte etwa 17 kWh enthalten.

3) Berechnung des Energieinhaltes des Preßluftspeichers

Daten des PLS:
Druck p = 300 bar = 3*10^7 N/m^2
Inhalt V = 330l = 0.33 m^3
Temperatur T = 300K = 27°C (Luftdichte bei T: 1.18kg/m^3)

Als Masse der Preßluft (mL) ergibt sich: mL = rho*V*p/p0 = 117 kg

Der energetisch günstigste Fall liegt dann vor, wenn die Preßluft isotherm expandiert - dann ergibt sich ein Maximum an Volumenarbeit:

Wv = mL*RL*T*ln(p/p0) = 57.46MJ = 16kWh
(RL = Gaskonstante Luft = 287 J/kg*K)

Diese Energie stimmt recht gut mit der unter 2) abgeschätzten überein - es scheint also möglich zu sein, ein kleines, leichtes Auto mit einem solchen Preßluftspeicher über die angegebene Reichweite zu betreiben.
Allerdings ist zu berücksichtigen, daß eine isotherme Expansion [...] den günstigsten Fall darstellt. Bei adiabatischer Zustandsänderung (kein Wärmeaustausch mit der Umgebung) wäre die Energieausbeute aus demselben Druckluftspeicher erheblich geringer (5-6 kWh).
Hier gute Resultate zu erzielen hängt vor allem an Konstruktion und Prozessführung im dem Preßluftspeicher nachgeschalteten Expansionsmotor.
Alles abgetippt also keine Garantie auf Fipptehler und alles andere.
PDF-Datei mit dem kompletten Text kann ich mailen oder liegt in der Datei-Abteilung des Yahoo-MDIAircar-Forums.

Gruß Jens
 

John

Neues Mitglied
14.04.2006
42
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#2
Hallo

Ja also kann das doch stimmen ...
Bei der letzten Disukusion da drüber
Hatt ich sowas ja schon vermutet ... aber mir hatte
keiner mehr geantwortet .

Gruss John
 

Jens Schacherl

Aktives Mitglied
30.03.2004
1.067
0
#3
Hallo John,

vermutet/gehofft hatte ich schon daß das Prinzip funktioniert, aber so eine detaillierte Berechnung hatte ich bisher nicht gesehen und ich habe halt nicht so viel Ahnung von Physik, wenn keine Elektronen beteiligt sind ;-) .

Die Frage ist nur noch, wieviel Energie braucht man um die Tanks aufzupumpen, d. h. welchen Wirkungsgrad hat der Kompressor?
Ich schätze mal 20-25 kWh el. Leistung müßten reichen, aber endgültig sieht man das wohl erst im praktischen Test (der hoffentlich bald mal möglich ist!).

Gruß Jens
 

Stephan Hloucal

Neues Mitglied
01.05.2007
14
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#4
Hallo Jens,
ich stelle die Berechnung nicht in Zweifel. Bei der Energiebilanz scheint mir aber von besonderer Wichtigkeit die Einbeziehung des Primärenergieeinsatzes zu sein. Der Strom kommt ja nicht einfach so aus der Steckdose. Der durchschnittliche Wirkungsgrad der fossilen/nuklearen Energieerzeugung liegt bis zur Steckdose bei weniger als 30 %. Die Luft muss dann mittels einem von dieser Steckdose gespeisten Kompressor ordentlich zusammengedrückt werden. Das Ding wird dabei sehr heiß. Wie soll diese Abwärme für den Betrieb des Autos genutzt werden? Die in der Pressluft gespeicherte Primärenergie wird dann nur noch vielleicht weniger als 10% von der Menge betragen, die im Kraftwerk verfeuert wird. Was soll dann das ganze?
mit sonnenelektrischen Grüßen
Stephan
 
19.01.2004
145
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Krefeld
#5
Die Rechnung stimmt, sofern man den gesamten Energiegehalt nutzen kann. ich habe noch nicht überprüft, wie sich die hohe Dichte auf die "Gaskonstante" der Luft auswirkt. Immerhin nimmt das Eigenvolumen der Luftmoleküle schon 1/3 des Raumes ein. Die Luftwiderstandsfläche ist merklich größer, das Fahrzeug hat über 1,73 m Breite, der cw-Wert ist hervorragend, der Rollwiderstand superb niedrig (0,013).
Mit dem von Guy Negre vorgestellten Motorkonzept ist ein hoher Wirkungsgrad nicht möglich und es gab Vereisungsprobleme.
Mit einer vielstufigen Expansion und Zwischenbeheizung ist für ein kleineres, leichteres Fahrzeug die angegebene Reichweite durchaus zu erzielen. Aber hier wurde zuviel schöngerechnet und ein Motorkonzept gewählt, das nicht hält, was versprochen wurde.
Wenn jetzt noch der versprochene Tank nicht existiert, weiß ich, was ich von der ganzen Sache zu halten habe. Immerhin muß solch ein Tank auch noch einige Aufpralltests überstehen.
Das sind also meine Bedenken...

Kleine Rechnung: Wenn ich die Expansion dreistufig mache (wie beim neuesten Konzept Guy Negres), verteile ich optimal die Expansion gleichmäßig über drei Zylinder: 1:3.Wurzel aus 64=4, dann ergibt sich bei adiabatischer Ausdehnung eine tiefste Temperatur von 0,6 T0. nehme ich die Wideraufheizungstemperatur bei 0 Grad Celsius an, also 274 K, dann ist die tiefste Temperatur im Zylinder in der Nähe von minus 115 Grad oder 160 Kelvin. Auch das ergibt eine erhebliche Wirkungsgradeinbusse, dazu kommt der Aufwand für notwendige Ventilatoren, die alles andere als zu vernachlässigen sind, will man die Größe der Wärmetauscher nicht allzusehr ansteigen lassen. Leider ist es ja so, dass Reibungsenergie innerhalb einer vorderen Stufe zwar den folgenden Wärmetauscher entlastet, aber, da die Temperatur des Gases ja unterhalb der Wiederaufheizungstemperatur liegt, steht dieser Verlust nicht an der nächsten Stufe zur Verfügung, wie das bei "normalen" Expansionsmaschinen der Fall ist.
Sollte es die versprochenen Tanks mit der vermuteten Sicherheit doch geben und es würde eine vielstufige Expansionsmaschine mit ebenso vielstufigem (>4) Wärmetausch vorgesehen, so halte ich eine Reichweite von praktischen 100 Kilometern im Stadtverkehr erreichbar. Selbstverständlich sollte die Kompression ebenso erfolgen, wie die Expansion. Mir scheint, dass in Carros bereits die Gedanken um eine solche Lösung kreisen. Wird mit dem neuen Motorgenerator auch noch Energie zurückgespeist, ist der Energieaufwand für Stadtverkehr so gering, dass Wirkungsgradfragen in den Hintergrund treten können.
Das Geräuschproblem halte ich für gegenstandslos.
Bernd Schlüter
 
19.01.2004
145
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Krefeld
#6
Richtig, das Twike dürfte ein dem verbesserten Aircar mit vielstufiger Kompression/Expansion und vielstufigem Wärmetausch vergleichbaren Gesamtwirkungsgrad haben, ist aber leichter, kleiner und sicherlich auch windschnittiger. Von der Basis dieser Messung sollten wir ausgehen...Nur Luftschlösser berechnet man anders.
Danke, Wolfgang!
Bernd
:cheers:
 
W

Wolf-eckehard Erben

Guest
#7
Hallo Leute,

diese beiden Punkte zeigen doch die Unseriosität des Vorhabens. Thermische Energie ist nun mal eine niederwertige Energie, die sich nur bei hohem Temperaturunterschied (>1000 Grad) mit annehmbarem Wirkungsgrad in hochwertige Energie (elektrische oder mechanische) umwandeln lässt.

MfG Wolf Eckehard Erben, auch 6 kWh/100 km Verbraucher im TW567
 
19.01.2004
145
6
Krefeld
#8
Nein, Pressluft zählt zu den hochwertigen, sobald man Temperarturänderungen ausschliesst. Das ist nur, gerade bei Luft, sehr schwierig und, in einem sich schnell verändernden Kolbenraum, schier unmöglich.
Die k=1.07 Polytropenexponent, die Guy Negre erreicht haben soll, halte ich für ein Märchen.
Trotzdem, sind Teile der Idee interessant.
 

Georg Schumacher

Neues Mitglied
04.03.2006
4
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#9
Hallo,

bei der Berechnung sind zwei wesentliche Punkte zu berücksichtigen, die das Konzept scheitern lassen:

1) Die Entspannung kann nicht auf einen Restdruck von 0 bar geschehen, also werden die berechneten 16 kWh schon weniger.

aber was noch viel gravierender ist

2) die Entspannung muß isotherm erfolgen, d.h. bei konstanter Temperatur. Das bedeutet, dass die 16kWh (oder weniger) beim Entspannen aus der Umgebung als Wärme zugeführt werden müssen.

Wenn das nicht gelingt, ist die gespeicherte Energie praktisch wertlos. Und das Auto soll schließlich auch im Winter fahren. Hinzu kommen noch Vereisungsprobleme, weil die Luft ja auch noch Wasser enthält, usw. usw.

Die Herstellung der Druckluft ist hier noch gar nicht berücksichtigt.

Aber alles Hin- und Herrechnen wäre durch eine ausgiebige Probefahrt zu bestätigen, aber das kriegen die Herren von aircar egal ob F oder D trotz mehrfacher Anfragen einfach nicht hin.

Für mich ist das Konzept eine einzige LUFTNUMMER!

Gruß Schorsch

www.solar-mobil.de
 
19.01.2004
145
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Krefeld
#10
Mit dem bisher verfolgten Konzept ist es eine Luftnummer. Wenn jetzt auch die Tanks noch fehlen sollten , dann wächst sich das Ganze zu einem Luftschloss aus.
Trotzdem, auch normale Autos fahren mit "Pressluft". Ich meine, die Wärme sollte stärker beachtet werden, als Guy Negre das tut. Das Ding leidet unter Kälte.
In einer Angelegenheit kann ich Entwarnung geben: Der Energiegehalt der explodierenden Tanks berechnet sich aufgrund adiabatischer Ausdehnung, da es sich um einen "schnellen" Vorgang handelt. Die Explosionsenergie berechnet sich daher zu nur ca. 5 KWh. Das entspricht nur etwa 1 kg TNT (gegenüber 3kg, wie ich einmal behauptet hatte).
Nach Aussagen des Erfinders können die Tanks nicht explodieren , da keflarhaltig.