Auto


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Zuletzt aktualisiert von Rolf Gloor am 22.04.2014

Artikel Introbild
Das Auto ist das erfolgreichste individuelle Transportmittel. Weltweit gibt es im Jahr 2011 rund 1 Milliarde Personenkraftwagen, in den Industriestaaten zeichnet sich mit einer Dichte von 6 Autos pro 10 Einwohner eine Sättigung ab. Die Automobile sind eine der grossen Konsumenten von Erdölprodukten und somit Ausstosser von CO2. Um den Energieverbrauch des Individualverkehrs zu reduzieren, gibt es diverse Möglichkeiten.

Autowahl

Ein energieeffizientes Auto verbraucht weniger als 5 Liter Treibstoff auf 100 km. Die Verbrauchsangaben der Hersteller liegen meistens um einen Liter über dem realen Verbrauch in Eco-Fahrweise. Für einen grossen Teil der Bevölkerung ist die Energieeffizienz aber nicht das wichtige Kriterium bei einem Auto.

Es gibt das Sicherheitsargument für schwere Autos. Ein schweres Fahrzeug erfährt bei einem Zusammenstoss mit einem leichteren Fahrzeug eine geringere Verzögerung. Zusätzlich fühlt man sich in einem grossen Auto auch besser geschützt. Die Konsequenz dieser Strategie zeigt sich in einem stetig zunehmenden Gewicht von bestimmten Fahrzeugkategorien ab, obwohl es auch andere technische Lösungen (Knautschzone, Airbag ...) zur Erhöhung der Insassensicherheit gibt. Für viele Autofahrer ist das Beschleunigungsvermögen sehr wichtig. Gepaart mit einem hohen Fahrzeuggewicht sind dafür sehr hohe Motorleistungen erforderlich, welche auch für Geschwindigkeiten über 200 km/h gebraucht werden.

Wenn man einen Personenwagen auf ein technisches Transportmittel reduziert, dann ist ein Kleinstwagen die beste Wahl. Er benötigte wenig Energie und Rohstoffe zur Herstellung, er braucht wenig Energie zum Fahren und er ist günstig in der Anschaffung und im Unterhalt.

Fahrzeugtechnik

Der Energieaufwand für das Autofahren hängt von der Strecke und der erforderlichen Kraft ab. Die Kraft hängt vor allem vom Fahrzeuggewicht und dem Windwiderstand ab. Der Windwiderstand hängt von der Frontfläche, der Karosserieform und der Fahrgeschwindigkeit ab.

Ein energieeffizientes Fahrzeug ist leicht, hat eine kleine Stirnfläche und eine windschnittige Form. Ein ideales Auto für zwei Personen, welche hintereinander sitzen, wäre also ein stromlinienförmiges Auto mit einem Leergewicht von 400 kg, einer Breite von etwa 0,8 m und einer Höhe von 1,4 m. Mit einem Benzinverbrauch von weniger als 2 Liter pro 100 km wäre der spezifische Energiekonsum gegenüber einem üblichen Mittelklasseauto mit 7 Liter Benzin pro 100 km deutlich geringer.

Einen Einfluss auf den Energieverbrauch haben auch die Reifen und der Antriebstrang. Ein energieeffizienter Reifen ist schmal und hat einen geringen Rollwiderstand, wenn der Reifendruck stimmt. Ein Auto mit Vierradantrieb hat noch 2 zusätzliche Differenzialgetriebe, welche Reibung verursachen und den Treibstoffverbrauch um etwa 1 Liter pro 100 Kilometer erhöhen, wie auch die meisten Automatikgetriebe.

Motor

Ein durchschnittliches Auto erreicht mit einer Antriebsleistung von 22 kW (30 PS) eine Endgeschwindigkeit von 120 km/h, für 80 km/h reichen sogar 10 kW (14 PS) Leistung. Als Reserve zum Beschleunigen ist aber mindestens das Doppelte an Motorleistung installiert. Wenn ein 140 kW (200 PS) Verbrennungsmotor mit 38% Wirkungsgrad die meiste Zeit nur 10 kW abgibt, dann hat er nur einen bescheidenen Wirkungsgrad von 14%. Ein 50 kW (70 PS) Motor mit 34% Wirkungsgrad hat bei einer Belastung mit 10 kW immer noch einen Wirkungsgrad von 24%.

Ottomotor-Kennlinienfeld
Wirkungsgradkennlinienfeld eines Ottomotors. Das Optimum liegt im oberen Bereich.

Der benzinbetriebene Ottomotor ist der am meisten verbreitete Automotor. Der Dieselmotor ist schwerer, teurer aber auch etwa 25% energieeffizienter. Wenn er mit einem Partikelfilter ausgestattet ist, dann ist die Schädlichkeit der Auspuffgase nicht schlimmer als die von Benzinmotoren.

Der Ottomotor kann auch für einen Betrieb mit Erdgas, Biogas oder Wasserstoff umgerüstet werden. Verbranntes Erdgas ergibt 33% weniger CO2 als Benzin oder Dieselöl für die gleiche Energiemenge. Biogas ist wie Holz weitgehend CO2-neutral, bei Wasserstoff (H2) hängt der CO2-Anteil von der Herstellung ab. Ein Nachteil der Gasmotoren ist die noch nicht flächendeckende Verfügbarkeit von Gas an Tankstellen.

Der Elektromotor ist technisch gesehen der ideale Fahrzeugantrieb. Auf ein Getriebe kann verzichtet werden und mit dem Elektromotor kann auch ein Teil der Bremsenergie zurückgewonnen werden. Im Moment gibt es aber noch keine Batterien, welche eine grosse Reichweite, lange Lebensdauer und vernünftige Kosten erlauben. Zudem wird bei einem Bezug der Batterieladung aus dem europäischen Kraftwerkspark für die Elektrizität etwa gleichviel fossile Energie gebraucht und damit CO2 freigesetzt, wie bei einem eingebauten Verbrennungsmotor.

Bei einem Elektromobil mit Brennstoffzellen kann der Wirkungsgrad theoretisch 50% erreichen. Der resultierende CO2-Ausstoss hängt von der Herkunft des Brennstoffes ab.

Der Hybridantrieb ist eine Kombination von elektrischem Antrieb und Verbrennungsmotor. Für langsame Fahrten, beim Bremsen und bei Talfahrten ist der Verbrennungsmotor abgeschaltet. Beim Beschleunigen wird der Verbrennungsmotor vom Elektromotor unterstützt, wodurch ein kleinerer Verbrennungsmotor ohne Einbusse an Beschleunigungsleistung eingesetzt werden kann.

Über Druckluftmotoren liegen noch keine praktischen Erfahrungen vor. Es ist aber zu erwarten, dass der Gesamtwirkungsgrad unter dem von Elektromobilen liegen wird.

Fahrverhalten

Auto-Geschwindigkeit-Benzinverbrauch_copy
Treibstoffverbrauch in Funktion der Geschwindigkeit bei einem Kleinstwagen.

Es gibt eine energieoptimale Fahrgeschwindigkeit. Theoretisch wäre der Energieaufwand pro zurückgelegte Strecke mit einer möglichst tiefen Geschwindigkeit minimal. Da die Verbrennungsmotoren aber viel zu gross sind, ist ihr Wirkungsgrad bei tiefer Belastung schlecht. Die energieoptimale Geschwindigkeit liegt je nach Fahrzeug und Motorisierung zwischen 50 und 120 km/h.

Bei einer energieoptimalen Fahrweise vermeidet man unnötige Bremsmanöver indem man vorausschauend die Geschwindigkeit reduziert und man fährt mit tiefen Motordrehzahlen, das heisst im möglichst höchsten Gang. Wenn das Fahrzeug steht, lohnt es sich schon nach ein paar Sekunden, den Motor abzustellen.

Zusätzlichen Widerstand verursachen mitgeführte Lasten, Dachträger, offene Fenster, Reifen mit zu geringem Druck. Zusätzliche Motorenleistung benötigen eingeschaltete Klimaanlagen und Scheinwerfer.

Verkehrspolitik

Mit einer guten Verkehrstechnik kann der Verkehr flüssig gehalten werden, so dass es geringe Stau- und Wartezeiten gibt und die Ziele ohne Umweg mit einer optimalen Geschwindigkeit erreicht werden können.

Auf der anderen Seite wird versucht, die Bevölkerung für die Benutzung der öffentlichen Verkehrsmittel zu gewinnen, indem deren Angebot verbessert wird und keine gute Verkehrstechnik angeboten wird.


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