Physik und Verkehr

Übergreifend

Physik und Verkehr

  • Was bringen eigentlich Tempo 30 – Zonen?
  • Wie funktioniert denn ein Airbag …
  • … und wie ein Sicherheitsgurt?
  • Wann fliegt man aus der Kurve?

Die Treibstoffpreise steigen unablässig an und die Verschmutzung der Umwelt durch den Straßenverkehr nimmt bedenkliche Formen an. Daher arbeiten die Ingenieure der Automobilfabriken fieberhaft daran, die Spritverbrauch und den Ausstoß an Schadstoffen zu verringern.

Aus Deutschland stammt ein Konzept, das japanische Autofirmen schon seit vielen Jahren in die Praxis umgesetzt haben, das Hybrid-Auto. Bei einem Hybrid-Auto werden verschiedene Antriebsprinzipien kombiniert. Hier soll die Kombination eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors näher betrachtet werden.

Dank des ausgeklügelten Konzepts, welches die verschiedenen Vorteile der beiden Motortypen geschickt ausnutzt (Details können hier noch nicht dargestellt werden) zeigt ein Hybrid-Auto der Mittelklasse einen Verbrauch von nur 4,3 l/100km. Darüber hinaus liegt das Auto bei der Beurteilung der Schadstoffwerte in der Spitzenklasse.

Die folgende Animation stellt - stark vereinfacht - die wichtigsten Betriebsphasen des Hybrid-Autos dar.


Hybrid-Auto mit Frontantrieb

Stark vereinfachte Darstellung der Energieströme eines Hybrid-Autos mit Heckantrieb

zusammengestellt von Dr. Walter Bube

Verschiedene Verkehrsträger
Quelle: Bundesregierung

Wir sind alle mobil und wollen es auch weiter bleiben. Das Auto ist uns im Alltag zur Selbstverständlichkeit geworden. Wir fahren damit zur Arbeit, nutzen es für Freizeit, aber auch für kurze Strecken (Kinder zur Schule fahren, frische Semmeln holen …).
Der Straßenverkehr wächst von Jahr zu Jahr (vergleiche hierzu die Graphiken des Umweltbundesamts) . Dazu gehören neben den Berufspendlern vor allem Lastwagen und Kleintransporter, denn immer mehr Güter werden auf der Straße transportiert. Die Autos werden sicherer und komfortabler und damit auch schwerer (siehe hierzu beispielsweise die Gewichtszunahme des Golf). In den letzten Jahren steigerte sich vor allem der Absatz von größeren Pkws, Sport Utility Vehicles (SUVs) mit 2-3 Tonnen sind nach wie vor beliebt .
Kleine Automobile werden zumeist als Zweitfahrzeuge für Kurzstrecken genutzt. Der wachsende motorisierte Verkehr benötigt immer mehr Energie, auch wenn dank effizienterer Technik der Verbrauch des einzelnen Pkws gesenkt werden konnte1.
Die Abgase der Fahrzeuge führen zu Feinstaubbelastungen und die CO2 Emissionen aus dem Verkehr sind klimaschädlich. Die Europäische Kommission hat deshalb im Jahr 2007 eine umfassende neue Strategie vorgeschlagen, mit der bis 2012 die durchschnittlichen CO2-Emissionen eines Pkws auf 120 g/km begrenzt werden sollen. Dies entspricht einem Kraftstoffverbrauch von 4,5 l pro 100 km bei Dieselmotoren und 5,0 l pro km bei Ottomotoren. Dadurch ließen sich die derzeitigen Emissionen um etwa 25% verringern. Technische Lösungen alleine reichen nicht aus, um die Klimaziele zu erreichen. Jeder einzelne sollte sich überlegen, für welche Strecken er das Auto benötigt.

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Der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch des Pkw-Bestandes pro 100 km sank seit 1991 um durchschnittlich 0,1 Liter pro Jahr. Im gesamten Zeitraum 1991-2005 konnte der Durchschnittsverbrauch um knapp 1,5 Liter pro 100 km gesenkt werden. Ursache hierfür sind zum einen fahrzeugtechnische Weiterentwicklungen, wie sparsamere Motoren und Fahrzeugkonstruktionen sowie - vor allem seit 1999 - eine starke Zunahme des Anteils von Pkw mit Dieselmotor. Einer stärkeren Verringerung des Kraftstoffverbrauchs steht der Trend zu leistungsstärkeren und schweren Fahrzeugen sowie die zunehmende Ausstattung mit verbrauchserhöhenden Hilfs- und Komforteinrichtungen, wie zum Beispiel Klimaanlagen, gegenüber.

Das Diagramm vom Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik der TU München vergleicht Fußgänger, Radfahrer, Motorräder und Automobile miteinander. An den Achsen des Diagramms sind die mittlere Reisegeschwindigkeit, die transportierte Masse und der Energieverbrauch aufgetragen. Es fällt auf, dass der Radfahrer weniger Energie als der Fußgänger benötigt, obwohl die Masse wegen des Rades größer ist.

Mit freundlicher Genehmigung von Prof. Dr. Heißing.
Bei einem mit * versehenen Energiebedarf wurde ein Wirkungsgrad von 20% angenommen.

 

Beim Motorradfahrer wie auch beim Auto wird offensichtlich die Fahrzeugmasse entscheidend für den größeren Energiebedarf. Schon bei einem Mittelklassewagen muss für den Transport einer Person mehr als 1 Tonne bewegt werden, der Energiebedarf und die CO2 Emission steigen entsprechend an. Die Kurzstrecke zum Bäcker oder zur Schule geht man besser zu Fuß oder man benutzt das Rad. Das Auto benötigt mehr Energie und erzeugt entsprechende CO2 Emissionen.

Damit die Erwärmung bei uns noch in einem beherrschbaren Rahmen bleibt sollte der CO2-Ausstoß in der BRD por Kopf und Jahr 10 t nicht übersteigen. Erfahrungsgemäßt entfallen 20% des CO2-Ausstoßes, also 2 t auf den Verkehr.

Ginge man von einer weltweiten "CO2-Gerechtikeit" aus, dürfte der gesamte CO2-Ausstoß pro Kopf und Jahr nur 2 t betragen. Auf den Verkehr dürften dann 20% davon, also ca. 0,4 t CO2 entfallen. Geht man von einer durchschnittlichen CO2-Emission von 120 g/km bei zukünftigen Autos aus, so dürfte eine Person im Jahr nur noch maximal 3300 km mit dem Auto fahren.

Anhand eigener Überlegungen kannst du mit deinen bisherigen Physikkenntnissen die Darstellungen im Diagramm durch einfache Rechnungen überprüfen und die Ergebnisse für die unterschiedlichen Verkehrsmittel bewerten.

Wichtige Grundgrößen und Daten sind dabei:

  • Fahrzeugmasse, Gesamtmasse m = Fahrzeugmasse + transportierte Masse
  • Dauerleistung Pm
  • Mittlere Reisegeschwindigkeit vm
  • Mittlere Reisedistanz sm in einer halben Stunde
  • Der spezifische Energiebedarf pro 100 km ES gibt an, wie viel Energie bei einer Strecke von 100km benötigt wird (in kJ/100km oder kWh/100km)
    Beim Kraftfahrzeug wird das üblicherweise durch die benötigte Treibstoffmenge in Liter/100km ausgedrückt. Für Überschlagsrechnungen kann man für 1 Liter Benzin oder Diesel eine Energie von 10 kWh = 36 MJ ansetzen.
  • Die spezifische CO2 Emission eines Fahrzeuges gibt an, wie viel CO2 pro km ausgestoßen wird (in g CO2/km). Als künftiger Grenzwert für Pkws wird 120g CO2/km
    angestrebt.
    Beim Verbrennen von 5 Liter Benzin pro 100km entstehen 120g CO2/km, dieselbe Menge entsteht beim Verbrennen von 4,5 Liter Diesel.

Auf kurzen Strecken unter 10 km ist der Radfahrer schnell und benötigt wenig Energie (siehe Aufgabe). Trotzdem nutzen wir häufig motorisierte Fahrzeuge auch auf Kurzstrecken, weil es schnell und bequem ist. Längere Wochenendausflüge machen wir trotz Stau mit dem Auto, weil wir spontan von zuhause losfahren können und nicht Fahrpläne der Bahn beachten müssen. Für die weiteren Strecken (All Inklusiv Urlaub) gibt es preisgünstige Flugtickets mit Hotelurlaub im sonnigen Süden. Überlegungen zu Reisezeiten und Energiebedarf werden dabei selten angestellt.

Auf kurzen Strecken (unter 200 km - 400 km) kommt man mit dem Flugzeug wegen der Anreise- und Wartezeiten meistens kaum schneller ans Reiseziel als mit der Bahn oder dem Auto. In der Aufgabe Reisezeiten kannst du anhand eines Diagramms die konkurrierenden Verkehrsmittel vergleichen.

Für einen umweltgerechten Vergleich müssen neben der Reisezeit auch der Energiebedarf und die klimawirksamen CO2-Emissionen berücksichtigt werden. Wie dieser der Vergleich aussieht kannst du am Musterbeispiel einer Reise von München nach Verona (etwa 400km) selbst herausfinden.

 

Mit Hilfe des animierten Diagramms kannst du die Reisezeiten konkurrierenden Verkehrsmittel vergleichen.

Wie lange brauche ich bis zum Ziel?

In dem Zeit-Weg Diagramm sind typische Graphen für verschiedene Verkehrsmittel vergleichend dargestellt. Du sollst aus dem Diagramm Informationen entnehmen.

a)

Die bräunliche Gerade gehört zu einem Intercityexpress (ICE).

  • Von welcher Durchschittsgeschwindigkeit wird in dem Diagramm für den ICE ausgegangen?
  • Warum ergibt sich für keine Ursprungsgerade?
b) In welchen Geschwindigkeitsintervallen liegen die dargestellten Pkw bzw. die Bahn?
c) Warum ergibt sich für ein Flugzeug eine gekrümmte Kurve?
d) Entnimm aus dem Diagramm einen Näherungswert für die Reisegeschwindigkeit für das Flugzeug.
e) Ermittle aus dem Diagramm, ab welchen Strecken eine Flugreise zeitlich günstiger ist als eine Autofahrt.

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