Wirkungsgrad und Umwelt
Jonas fährt jeden Morgen mit dem Auto von Neuss nach Düsseldorf. Seine Schwester Mia nimmt die S-Bahn. Wer von beiden geht besser mit Energie um? Und was heißt „besser“ eigentlich: weniger Energie, weniger Kosten, weniger Abgase? Am Ende der Seite kannst du diese Frage begründet beantworten.
Wirkungsgrad: Wie viel Energie kommt an?
Ein Motor wandelt Energie um, zum Beispiel chemische Energie des Benzins in Bewegungsenergie. Dabei gilt immer die Energieerhaltung: Es geht keine Energie verloren. Aber nur ein Teil wird so umgewandelt, wie wir es wollen. Der Rest wird zu Wärme, die an die Umgebung abgegeben wird.
Die nicht nutzbare Energie ist nicht weg, sie wird als Wärme an die Umgebung abgegeben (beim Auto z. B. über Motorblock, Kühler und Auspuff). Du kannst sie aber nicht mehr zum Fahren nutzen.
Die Formel lässt sich umstellen: $E_\text{nutz} = \eta \cdot E_\text{zu}$ und $E_\text{zu} = \frac{E_\text{nutz}}{\eta}$.
Ein Motor nimmt $500\ \text{J}$ Energie auf und gibt $150\ \text{J}$ als Bewegungsenergie ab. Berechne den Wirkungsgrad mit $\eta = \frac{E_\text{nutz}}{E_\text{zu}}$ in…
Ein Motor nimmt $500\ \text{J}$ Energie auf und gibt $150\ \text{J}$ als Bewegungsenergie ab. Berechne den Wirkungsgrad mit $\eta = \frac{E_\text{nutz}}{E_\text{zu}}$ in Prozent.
Ein Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von $90\ \%$. Er nimmt $200\ \text{J}$ elektrische Energie auf. Berechne die nutzbare Energie.
Ein Elektromotor hat einen Wirkungsgrad von $90\ \%$. Er nimmt $200\ \text{J}$ elektrische Energie auf. Berechne die nutzbare Energie.
Was passiert mit dem Teil der zugeführten Energie, der nicht in Bewegung umgesetzt wird? Nenne die Energieform und ein Beispiel am Auto.
Was passiert mit dem Teil der zugeführten Energie, der nicht in Bewegung umgesetzt wird? Nenne die Energieform und ein Beispiel am Auto.
Benzinmotor und Elektromotor im Vergleich
Ein Benzinmotor hat einen Wirkungsgrad von etwa $25\ \%$ bis $35\ \%$. Ein Elektromotor kommt auf etwa $90\ \%$. Was bedeutet das für die Energie, die man hineinstecken muss?
Aber Vorsicht: Der Strom für das Elektroauto muss erst erzeugt und transportiert werden. Auch dabei geht nutzbare Energie verloren. Für einen fairen Vergleich betrachtet man die ganze Kette. Die Wirkungsgrade der einzelnen Stufen werden multipliziert.
Das ist nur wenig mehr als beim Benzinmotor mit $25\ \%$. Der Vergleich ist allerdings nur ungefähr: Beim Benzinauto startet die Rechnung bei der chemischen Energie im Tank, beim Elektroauto bei der Energie, die im Kraftwerk eingesetzt wird. Der Vorteil des Elektroautos hängt also davon ab, wie der Strom erzeugt wird. Bei Windenergie wird kein Brennstoff verbrannt und es entsteht im Betrieb kein CO₂. Auch ein Windrad wandelt nicht die gesamte Energie des Windes um, aber die Umweltbilanz ist deutlich besser.
Ein Benzinmotor hat einen Wirkungsgrad von $25\ \%$, ein Elektromotor von $90\ \%$. Beide sollen $1.800\ \text{kJ}$ Bewegungsenergie liefern. a) Berechne jeweils die…
Ein Benzinmotor hat einen Wirkungsgrad von $25\ \%$, ein Elektromotor von $90\ \%$. Beide sollen $1.800\ \text{kJ}$ Bewegungsenergie liefern.
- a) Berechne jeweils die zugeführte Energie.
- b) Vergleiche die Ergebnisse und bewerte sie.
Ein Elektroauto nutzt $90\ \%$ der Batterieenergie. Der Strom stammt aus einem Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von $40\ \%$ und wird mit $90\ \%$ übertragen und…
Ein Elektroauto nutzt $90\ \%$ der Batterieenergie. Der Strom stammt aus einem Kraftwerk mit einem Wirkungsgrad von $40\ \%$ und wird mit $90\ \%$ übertragen und geladen. Ein Benzinauto hat einen Wirkungsgrad von $25\ \%$.
- a) Berechne den Gesamtwirkungsgrad des Elektroautos vom Energieeinsatz im Kraftwerk (Primärenergie) bis zur Bewegung.
- b) Vergleiche mit dem Benzinauto.
- c) Diskutiere, wie sich das Ergebnis bei Strom aus Windenergie ändert.
Kosten berechnen
Verkehrsmittel vergleicht man auch nach dem Geld. Für die Energiekosten gilt:
$$\text{Kosten} = \text{Menge} \cdot \text{Preis pro Einheit}$$Beim Benziner ist die Menge in Litern gegeben, beim Elektroauto in Kilowattstunden. Wichtig ist die Umrechnung auf die Fahrstrecke.
Ein Auto verbraucht auf $100\ \text{km}$ genau $6\ \text{l}$ Benzin. Ein Liter Benzin kostet $1,80\ \text{€}$. a) Berechne die Spritkosten für $100\ \text{km}$. b)…
Ein Auto verbraucht auf $100\ \text{km}$ genau $6\ \text{l}$ Benzin. Ein Liter Benzin kostet $1,80\ \text{€}$.
- a) Berechne die Spritkosten für $100\ \text{km}$.
- b) Berechne die Kosten für $15.000\ \text{km}$ pro Jahr.
Familie Schneider aus Essen will für $20.000\ \text{km}$ pro Jahr zwischen Auto ($7\ \text{l}/100\ \text{km}$ bei $1,80\ \text{€}/\text{l}$) und Elektroauto (…
Familie Schneider aus Essen will für $20.000\ \text{km}$ pro Jahr zwischen Auto ($7\ \text{l}/100\ \text{km}$ bei $1,80\ \text{€}/\text{l}$) und Elektroauto ($18\ \text{kWh}/100\ \text{km}$ bei $0,35\ \text{€}/\text{kWh}$) wählen.
- a) Berechne die jährlichen Energiekosten beider Autos.
- b) Berechne die Ersparnis.
- c) Nenne zwei weitere Kriterien, die in die Entscheidung einfließen sollten.
Verkehrsmittel bewerten
Eine gute Bewertung stützt sich auf mehrere Kriterien. Man sammelt Argumente und gewichtet sie dann.
| Kriterium | Fahrrad | Bus / Bahn | Auto |
|---|---|---|---|
| Ökologisch | keine Abgase | wenig CO₂ pro Person und km, wenn gut ausgelastet | viel CO₂ pro Person, Lärm, Feinstaub |
| Ökonomisch | sehr günstig | Fahrkarte, z. B. Deutschlandticket | Sprit, Versicherung, Wartung, Parken |
| Zeit | auf kurzen Strecken schnell | Fahrplan und Umsteigen | flexibel, aber Stau |
Warum braucht ein Flugzeug mit Düsentriebwerk pro Person und Kilometer mehr Energie als ein Elektrozug? Die Tragflächen müssen ständig eine Kraft nach oben erzeugen, die die Gewichtskraft von Flugzeug, Passagieren und Treibstoff ausgleicht. Dazu kommt ein großer Luftwiderstand bei hoher Geschwindigkeit. Und das Triebwerk hat einen geringeren Wirkungsgrad als ein Elektromotor. Der Zug rollt dagegen mit wenig Rollreibung auf Schienen und nutzt einen Elektromotor mit hohem Wirkungsgrad.
Zum Vergleich der Antriebe: Ein Verbrennungsmotor hat etwa $25\ \%$ bis $35\ \%$ Wirkungsgrad und treibt über Getriebe und Räder das Auto an. Ein Elektromotor kommt auf etwa $90\ \%$ und treibt ebenfalls über die Räder an. Das Düsentriebwerk eines Flugzeugs hat einen geringeren Wirkungsgrad als ein Elektromotor und erzeugt eine Kraft nach vorn, indem es heiße Gase nach hinten ausstößt (Rückstoß). Dahinter steckt das Wechselwirkungsprinzip: Das Triebwerk übt eine Kraft auf das Gas nach hinten aus. Das Gas übt gleichzeitig eine gleich große Gegenkraft auf das Triebwerk nach vorn aus (Kraft = Gegenkraft). Beim Auto ist es ähnlich, nur wirken hier die Räder: Sie drücken die Straße nach hinten, die Straße schiebt das Auto nach vorn.
Zurück zum Anfang: Jonas im Auto braucht pro Person mehr Energie und verursacht mehr CO₂ als Mia in der gut besetzten S-Bahn. Dafür ist er flexibler. Wer „besser“ ist, hängt von den Kriterien ab, die man wählt und begründet.
Für einen Arbeitsweg von $10\ \text{km}$ in Düsseldorf kommen Fahrrad, Bus, Auto und Bahn infrage. a) Nenne für jedes Verkehrsmittel einen ökologischen Vor- oder…
Für einen Arbeitsweg von $10\ \text{km}$ in Düsseldorf kommen Fahrrad, Bus, Auto und Bahn infrage.
- a) Nenne für jedes Verkehrsmittel einen ökologischen Vor- oder Nachteil.
- b) Nenne einen ökonomischen Aspekt (z. B. Kosten).
Eine Schülergruppe soll bewerten, ob ein Kurzstreckenflug von Düsseldorf nach Berlin oder die Bahnfahrt sinnvoller ist. a) Nenne jeweils drei Kriterien (ökologisch,…
Eine Schülergruppe soll bewerten, ob ein Kurzstreckenflug von Düsseldorf nach Berlin oder die Bahnfahrt sinnvoller ist.
- a) Nenne jeweils drei Kriterien (ökologisch, ökonomisch, zeitlich).
- b) Erkläre, warum das Düsentriebwerk im Flugzeug pro Person und Kilometer mehr Energie braucht als ein Elektrozug.
- c) Formuliere eine begründete Empfehlung.