ETH-Klimablog - Energie - Konkrete Ansätze zur Verbrauchsreduktion bei Automobilen (Teil 1)

ETH life zum Thema

Welternährung: «Ein nahrhafter Denkanstoss» (17.10.13)
Klimaforschung: «Klimaforschung im Dialog» (4.10.13)
Klimaforschung: «Emissionen verpflichten uns langfristig» (27.9.13)
Energieforschung: «Der Asket unter den Motoren» (12.9.13 )

Blog-Schwerpunkte

Die Beiträge geordnet nach Wissensgebieten rund um den Klimawandel:
>Klimaforschung
>Umweltfolgen
>Energie
>Mobilität
>Wirtschaft
>Politik
>Stadtentwicklung
>Welternährung
>Nord-Süd

Archive

Konkrete Ansätze zur Verbrauchsreduktion bei Automobilen (Teil 1)

15.02.2010 von

Wenn man den CO₂-Ausstoss von Automobilen reduzieren will, muss man mindestens die folgenden drei Fragen untersuchen:

  1. Woher kommt der Treibstoff?
  2. Wie wird dieser Treibstoff in mechanische Energie umgewandelt?
  3. Wie viel mechanische Energie wird benötigt um eine bestimmte Strecke eines vorgegeben Geschwindigkeitsprofils zu fahren?

Ich möchte mich in diesem Blog mit der dritten Frage beschäftigen, weil die Antworten darauf am schnellsten Wirkung zeigen können, wenn man es denn ernst meint mit der Klimaproblematik.

Das Fahrprofil ist entscheidend für den Verbrauch

Zuerst einmal muss man sich über das Fahrprofil einigen. In der EU muss bei allen offiziellen Verbrauchsmessungen der im Bild 1 gezeigte Verlauf verwendet werden. Das Profil ist eher «gutmütig», das heisst im Alltag werden oft höhere Geschwindigkeiten und grössere Beschleunigungen gefahren, was den Verbrauch deutlich ansteigen läss. Aber das ist ein anderes Thema (schauen Sie mal unter www.ecodrive.ch nach).

Bild 1: Europäischer Testzyklus (MVEG-95), totale Länge 11.4 km

.

Als nächstes muss man die wichtigsten Fahrwiderstände kennen, die am Fahrzeug angreifen. Dies sind:

  1. Der Luftwiderstand, bestimmt durch die Fahrzeugfrontfläche Af und den aerodynamischen Beiwert cw.
  2. Der Rollwiderstand, bestimmt durch die Fahrzeugmasse m und durch den Rollreibungskoeffizienten cr.
  3. Der Beschleunigungswiderstand, bestimmt durch die Fahrzeugmasse m.

Mit diesen Angaben kann man eine Gleichung herleiten, mit der man die pro 100 km Fahrstrecke benötigte mechanische Energie abschätzen kann

.

EAf · cw · 19’000 + m · cr · 840 + m · 11 kJ/100km

.

Was sagt uns diese Gleichung? Nun, setzt man die Werte eines SUVs¹ und eines Kleinwagens² ein, so erhält man etwa 80 Megajoule (MJ) pro 100 Kilometer (km) bzw. etwa 30 MJ/100 km. Eine Energieeinsparung um fast 60% ist also einfach durch eine klügere Wahl beim nächsten Fahrzeugkauf heute schon machbar. Nicht schlecht, oder?

Aerodynamik, Rollreibung oder Masse entscheidend?

Die oben dargestellte Gleichung zeigt uns aber noch mehr. Wir können uns zum Beispiel fragen, was denn wichtiger ist: Aerodynamik, Rollreibung oder Masse? Mit dieser Gleichung kann man leicht zeigen, dass die benötigte mechanische Energie nur um etwa 0.3% reduziert wird, wenn man die Aerodynamik und die Rollreibung um 1% verbessert. Reduziert man aber die Masse um 1%, so verringert sich der Energieverbrauch unserer Autos um etwa 0.7%. Fazit: Macht unsere Autos leichter!

Ziel: Sicherheit und Masse entkoppeln

Klar ist aber, dass so eine Reduktion der Fahrzeugmassen auf keinen Fall auf Kosten der Sicherheit gehen darf. Die Entwicklung der tödlichen Unfälle auf unseren Strassen ist erfreulich verlaufen³, und die im gleichen Zeitraum beobachtete Zunahme der Fahrzeugmassen ist damit ursächlich verknüpft. Wie werden wir es in Zukunft schaffen, Insassensicherheit von Fahrzeugmasse zu entkoppeln? Hier liegt ein enormes Forschungsfeld offen! Bessere Werkstoffe und Konstruktionsprinzipien sind ein grosses Thema. Weiter werden aktive Sicherheitssysteme die heute üblichen passiven Sicherheitsmassnahmen immer mehr ersetzen. Fahrerassistenzsysteme, welche die Spur und den Abstand halten, und «car-to-car»-Kommunikation, welche Bremsmanöver vorankündigen, werden – hoffentlich – leichte und trotzdem sichere Fahrzeuge ermöglichen. Ein riesiges und spannendes Forschungsfeld wartet hier auf uns!

.

¹ Als Beispiel der Chevrolet Escalade: Af ≈3.7m², cw ≈0.33, cr ≈0.013,
m
≈2’600kg

² Als Beispiel der VW Fox: Af ≈2.5m², cw ≈0.28, cr ≈0.010, m ≈1’000kg

³ Im Jahr 1980 waren 1’246 Tote zu beklagen, im Jahr 2008 waren es 357 Tote; immer noch 357 Menschenleben zu viel, aber immerhin …

Zum Autor

Lino Guzzella ist Professor für Thermotronik an der ETH Zürich. Persönliches Zitat und Biografie

.

.





Kommentare (5) >Alle Kommentare aufklappen>Alle Kommentare zuklappen

danke vielmal für die Mühe die Daten eines A6 herauszufinden und da einzusetzen. ja, der Antrieb war noch nicht berücksichtigt. Mein erster Kommentar war etwas emotional, weil ich grosse Autos schöner finde als kleine und etwas enttäuscht war, dass diese in Ihrer Analyse nicht besser abgeschnitten haben.

Aber ich bin natürlich gespannt, ob und was Sie zum Antrieb noch schreiben werden.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

@ Andreas Schwab
Über den Antrieb habe ich mich (noch) nicht geäussert. Es ging in diesem Blog nur um den Bedarf an mechanischer Energie. Setzt man die Daten eines A6 ein, so erhält man etwa 50 MJ/100 km; verglichen mit den 30 MJ des Fox eine Reduktion um 40%. Auch nicht schlecht …

@ Martin Holzherr
Leider ist es tatsächlich so, dass Leichtbaufahrzeuge bisher deutlich teurer sind als konventionelle Fahrzeuge. Um gleichzeitig leichte und günstige Fahrzeuge zu erhalten müssen neue Ansätze verwendet werden. Das in meinem Blog am Schluss skizzierte Konzept zeigt eine mögliche Richtung auf.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

Das Thema Leichtbau ist schon 20 Jahre alt, die Erfolge aber sind mager. Toyotas 1/X Konzeptauto mit 420kg Gewicht besteht aus Karbonfasern, wäre aber um ein Vielfaches teurer als ein Gleichbau aus Stahl oder Aluminium.
Man muss sich also nicht wundern, wenn man zum Mercedes-Benz SLS AMG liest:
„For the first time not only the outer skin, but also the complete bodyshell structure is entirely of aluminium, leading to a low DIN kerb weight of 1620 kilograms. “
1620kg bedeutet also heute ein leichtes Fahrzeug.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

ok, das Volumen vom Motor war ja grad in der Rechnung nicht berücksichtigt.

Wichtig war mir einfach die Feststellung, dass man mit Extrembeispielen gerechnet hat und deshalb auf ein relaltiv
grosses Sparpotential kam, was zwar spannend ist, aber eben nicht sehr repräsentativ.

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

Eine Energieeinsparung um fast 60% ist also einfach durch eine klügere Wahl beim nächsten Fahrzeugkauf heute schon machbar. Nicht schlecht, oder?

Na ja, wenn man einen Escalade durch einen Fox ersetzt. Aber das ist natürlich eine sehr extreme Wahl um auf ein möglichst grosses Einsparpotential zu kommen. Was ist denn wenn man einen Audi A4 oder A6 mit 2.8l Motor durch einen Golf mit 2.0l Motor ersetzt?

Ich bin gleicher bzw. anderer Meinung: Daumen hoch 0 Daumen runter 0

top
 
FireStats icon Powered by FireStats