Thermomobil: Studie Fahrzeugtechnik - Hsw-basel.ch

Technischer Bericht Nr. D090
Datum : 29. August 2006
Verfasser : Roger Waller DLM AG
Thomas Haller DLM AG
Martin Schmid ökozentrum Langenbruck
Andreas Schwander
Auftrag : Varuma AG, Umweltamt Basel
Verteiler:
Varuma AG
Umweltamt Basel
ökozentrum Langenbruck
Archiv DLM (2)
Roger Waller
Thomas Haller
Thermomobil: Studie Fahrzeugtechnik
Technischer Bericht Nr.D090.doc 0

Zusammenfassung
Die Studie untersucht die Möglichkeit emissionsfreier Mobilität durch Anwendung von
thermischer Speichertechnik bei Strassenfahrzeugen.
Die Dampfspeichertechnik ist bei der Eisenbahn seit 1870 bekannt. Sie wurde erstmals
1873 bei der Strassenbahn in New Orleans (USA) erfolgreich angewendet und bis etwa
1970 weiterentwickelt. Die grösste Verbreitung fand die Dampfspeichertechnik im
Rangierbetrieb von Industrien, die über Prozessdampf verfügen, z.B. in Papierfabriken,
Raffinerien und der chemischen Industrie. Bei letzteren war der Vorteil, dass die Dampfspeicherlokomotiven
explosionsgeschützt sind, besonders wichtig.
Anfänglich wurden Niederdruckspeicherlokomotiven mit Ladedrücken von 8 bis 20 bar
gebaut, mit bescheidenem Aktionsradius und Wirkungsgrad. Mit abnehmendem Speicherdruck
sanken auch Zugkraft und Leistung. Um 1940 entwickelte Prof. Dr. P. Gilli die nach
ihm benannte Hochdruckspeicherlokomotive mit Ladedrücken von 40 bis 140 bar. Vor
dem Eintritt in die Dampfmaschine wurde der Dampf auf den Arbeitsdruck der Dampfmaschine
(üblicherweise 14 bis 16 bar) gedrosselt und im Behälter auf nahezu den der
Sattdampftemperatur entsprechenden Wert überhitzt. Der geringere spezifische Dampfverbrauch
und die grössere Energiespeicherung ermöglichten etwa eine Verdreifachung
des Aktionsradius.
Die Anwendung der Dampfspeichertechnik im Strassenverkehr ist unseres Wissens neu.
Nachdem die Studie zunächst als rein theoretische Untersuchung angedacht gewesen
war, ergab sich durch verschiedene glückliche Umstände die Möglichkeit, auf
kostengünstige Weise ein Demonstrationsfahrzeug zu bauen. Obwohl dieses vom
Dampfprozess und der Dampfmaschinentechnik lediglich die Epoche der ersten
Niederdruckspeicherlokomotiven repräsentiert, bewies es gerade deswegen die
Machbarkeit, denn mit einem auf der Hochdruckspeichertechnik basierendem
Thermomobil mit neu konstruierter Dampfmaschine würden sich um Faktoren bessere
Resultate erzielen lassen. Ein solches Fahrzeug müsste zwar neu berechnet und
konstruiert werden, eigentliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit wäre aber nicht
notwendig.
Ein noch grösseres Potential besteht in der Anwendung von Wärmespeichermaterialen
(z.B. Salze), welche den Phasenwechsel fest/flüssig ausnützen. Diese Technik ist noch
im Forschungsstadium und eine konkrete Anwendung wäre mit einem höheren Aufwand
verbunden als die Verwendung von Heisswasserspeichern. Aufgrund des hohen
Potentials wird an dieser Technik jedoch weltweit geforscht.
Ob mit Heisswasser- oder anderen Speichermaterialien, die Wärmespeicherung mit
anschliessender Verwertung über den Dampfprozess verdient angesichts der hohen
Ölpreise eine Renaissance. Dank der schnellen Ladefähigkeit, den niedrigen Investitionsund
Betriebskosten und der langen Lebensdauer eignet sich die Wärmespeichertechnik
für alle Anwendungen im Schienen- und Strassenbereich mit begrenztem Aktionsradius
(Rangierlokomotiven, Bus, Taxi, Ersatz von Elektromobilen, Flurfahrzeuge in Werkhallen
oder Flughäfen). Als Ladestationen bieten sich in erster Linie vorhandene Dampfkessel
an. Wo diese fehlen, kann es sich lohnen, für eine Fahrzeugflotte eine eigene Anlage zu
errichten, die den jeweils günstigsten lokalen Brennstoff nutzt.
Technischer Bericht Nr.D090.doc 1

INHALTSVERZEICHNIS
Seite:
1. Einleitung.............................................................................................................. 3
1.1 Energieverbrauch für den Verkehr......................................................... 3
1.2 Dominanz des Öls im Transportwesen................................................. 3
1.3 Nachteile der Öldominanz...................................................................... 4
1.4 Emissionsfreie Antriebe......................................................................... 5
1.5 Energiepreise........................................................................................... 6
2. Dampftechnik....................................................................................................... 7
2.1 Allgemeines............................................................................................. 7
2.2 Wirkungsgrad von Dampfprozessen..................................................... 8
2.3 Dampflokomotiven................................................................................... 9
2.4 Dampfautos.............................................................................................. 10
3. Dampfspeichertechnik......................................................................................... 11
3.1 Prinzip....................................................................................................... 11
3.2 Speicherlokomotiven............................................................................... 11
3.2.1 Niederdruckspeicherlokomotiven................................................. 12
3.2.2 Hochdruckspeicherlokomotiven................................................... 13
3.2.3 Lademöglichkeiten....................................................................... 14
3.3 Dampfspeicherautos und Dampfspeichermobile................................. 15
4. Druckluftauto........................................................................................................ 15
5. Demo-Mobil........................................................................................................... 16
5.1 Konzept..................................................................................................... 16
5.2 Technische Daten als Elektromobil......................................................... 16
5.3 Versuche und Messungen mit dem Demo-Mobil................................... 17
5.3.1 Demo-Mobil I................................................................................ 17
5.3.1 Demo-Mobil II................................................................................ 18
5.4 Rechnerische Extrapolation.................................................................... 20
6. Thermomobil.......................................................................................................... 21
6.1 Konzept...................................................................................................... 21
6.2 Ladestationen............................................................................................ 21
6.3 Patent......................................................................................................... 21
Literatur.......................................................................................................................22
Anhang:
I
II
Akku-Systeme für Elektro-Nutzfahrzeuge (von Martin Schmid)
Märkte und Anwendungen (von Andreas Schwander)
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1. Einleitung
1.1 Energieverbrauch für den Verkehr
Weltweit werden 99% der im Verkehr verbrauchten Energie von Ölprodukten bereitgestellt
[1]. Im Strassen-, Flug- und Schiffsverkehr gibt es derzeit kaum Alternativen zu
Benzin und Dieselöl. Einzig der Schienenverkehr offeriert auf elektrifizierten Strecken
„ölfreie“ Traktion, wenn der Strom „ölfrei“ erzeugt wird. Elektrifizierungen sind aber teuer
(hohe Kapital- und Unterhaltskosten) und lohnen sich nur bei sehr grossem Verkehrsaufkommen
oder dort, wo aus Gründen des Umweltschutzes die lokale Emissionsfreiheit
stärker gewichtet wird als die Wirtschaftlichkeit. Allerdings ist der Ölanteil im Transportsektor
selbst in der Schweiz mit ihrem voll elektrifizierten Eisenbahnnetz mit rund 96% [2]
immer noch ausserordentlich hoch.
Folgende Verkehrsträger sind ganz oder teilweise unabhängig vom Öl:
Strassenverkehr:
Flugverkehr:
Schiffsverkehr:
Schienenverkehr:
- Trolleybusse
- Autos und Busse mit Erdgasantrieb
- Elektromobile
- Segelflugzeuge
- Segelschiffe
- Dampfschiffe mit Kohle-, Holz- oder Bagasse-Feuerung
- Windunterstützte Transportschiffe
- Elektrische Lokomotiven und Triebwagen
- Tram, U-Bahnen
- Dampflokomotiven mit Kohle-, Holz- oder Bagasse-Feuerung
- Speicherlokomotiven
Die genannten Alternativen decken nur ein Prozent der gesamten Transportleistungen ab.
Dass der Anteil so gering ist, liegt hauptsächlich an den Nachteilen im Vergleich zum Öl,
insbesondere beim Handling und der Logistik:
- Elektrischer Betrieb unter Fahrleitungen ist teuer (hohe Kapital- und Unterhaltskosten)
- Batteriebetrieb ist wenig leistungsfähig, hat lange Ladezeiten und hohe Wartungskosten
- Dampfbetrieb mit Feststofffeuerung ist aufwändig im Handling und gilt als veraltet
- Windenergie ist meist zuwenig leistungsfähig und wetterabhängig
- Speicherlokomotiven haben einen begrenzten Aktionsradius und gelten als veraltet
Dies erklärt, warum Alternativenergien im Transport derzeit nur in Ausnahmefällen zur
Anwendung kommen. Ihr Anteil könnte aber erheblich gesteigert werden. Solange aber Öl
preislich konkurrenzfähig ist, wird die bequemere Lösung auch dort gewählt, wo es
Alternativen gäbe.
Angesichts der erdrückenden Öl-Abhängigkeit des Transportwesens und der
Weltwirtschaft, ist es Zeit, nach Alternativen zu suchen.
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1.2 Dominanz des Öls im Transportwesen
Die überragende Dominanz der Verwendung von Öl im Transportsektor liegt an dessen
physikalischen Eigenschaften. Als einer der wenigen Energieträger ist Öl flüssig und kann
rückstandsfrei verbrannt werden, was die Logistik erleichtert. Öl hat die höchste Energiedichte
aller bekannten, nicht atomaren Brennstoffe. Im Transportwesen ist dies besonders
vorteilhaft, weil bei mobilen Anwendungen Raum und Gewicht stets begrenzt sind.
Br enn stoff Schütt-Volumen für 10'000 kWh
2.5
1.5
Bre nnstoff- Gewicht für 10'000 kWh
Holzschnitzel* 2940 kg
Kantenlänge [Meter]
2
1.5
1
0.5
Holzschnitz el 11.8 m 3
Holzpellets
Braunkohle
3.07 m
3.4 3 m 3
Holzpell ets 3.1 m 3
Steinkohle 1.6 m 3
Heizöl
Diesel
EL
/ Heizöl
1.03 m
EL
3
1.03 m 3
Wasserverdängung Kantenlänge
[Meter]
1
0.5
Holzpel lets 2000 kg
Braunkohle 1880 kg
Steinkohle 1230 kg
Diesel / Heizöl EL 870 kg
0
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Kantenlä nge [Meter]
0
0 0.5 1 1.5
Was se rve rdr ängu ng Kant en länge [M ete r]
Abb. 1 und 2: Energiedichten verschiedener Brenn- und Treibstoffe in Relation zu Volumen bzw.
Gewicht. (Grafiken: ökozentrum Langenbruck)
Zur Umsetzung der Energie in Traktion stehen mit den Verbrennungsmotoren und den
Gasturbinen effiziente, robuste und zuverlässige Antriebe mit niedrigem Leistungsgewicht
zur Verfügung, nicht zuletzt dank Milliarden von Franken, die im Laufe der Zeit in ihre
Entwicklung gesteckt worden sind.
Die Kombination von höchster Energiedichte des Treibstoffs mit grösster Energieeffizienz
des Antriebs hat zur Monopolstellung des Öls im Transportsektor geführt.
1.3 Nachteile der Öldominanz
Die Verbrennung von Öl führt zu den bekannten Problemen im Umweltbereich hinsichtlich
der Abgase, des klimawirksamen CO2 und des Lärms. Die weltweiten Forschungen
haben zwar zu Verbesserungen der Abgasqualität geführt, einerseits durch Primärmassnahmen
an den Motoren selbst und anderseits durch Sekundärmassnahmen wie
Russfilter und Katalysatoren. Die stetige Zunahme des Verkehrs und damit des
Ölverbrauchs hat jedoch diese Erfolge bisher wieder kompensiert.
An Alternativen wird weltweit geforscht, ohne dass ein Durchbruch erzielt worden wäre.
Eine neue, technisch brauchbare und wirtschaftliche Alternative für mobile Anwendungen
ist nicht in Sicht. Sollte kurzfristig zuwenig Öl am Markt zur Verfügung stehen, liessen sich
einzig die unter 1.1 gelisteten Alternativen relativ schnell umsetzen, um wenigstens für
einen Teil der Transporte das Öl substituieren zu können. In der Praxis findet aber eher
das Gegenteil statt. Obwohl das Netz der SBB voll elektrifiziert ist, kaufen SBB Cargo und
SBB Infra derzeit laufend neue Diesellokomotiven, die ihre Leistungen zu 95% unter der
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Fahrleitung erbringen werden. Auch die verbliebenen Trolleybuslinien sind mittel- bis
langfristig gefährdet, einige wurden bereits durch Autobusse ersetzt. Es ist nicht selten,
dass die Realität von politisch formulierten Zielen abweicht.
Bei stationären Anwendungen ist die Dominanz des Öls weniger ausgeprägt, da die
Vorteile der höchsten Energiedichte und der einfachen Logistik weniger wichtig sind als
im mobilen Bereich. Bei Grossanlagen rückt der Preis der Energie in den Vordergrund,
weshalb Kohle, Wasserkraft und Nuklearenergie eine bedeutende Rolle spielen. In der
Schweiz beträgt der gesamte Anteil der Erölprodukte bezogen auf die Primärenergie etwa
45% [2], d.h. deutlich weniger als im Transportsektor.
1.4 Emissionsfreie Antriebe
Antriebe, die lokal keine Emissionen verursachen, werden als emissionsfrei bezeichnet,
auch wenn die Emissionen andernorts produziert werden, also beispielsweise wenn der
Strom für eine elektrische Lokomotive oder ein Elektromobil in einem Kohlekraftwerk
erzeugt worden ist. Als emissionsfrei gelten folgende Antriebe:
- Elektrischer Betrieb mit externer Stromzuführung (Fahrleitungen, dritte Schiene)
- Elektrischer Speicherbetrieb (Batterien, Super Caps)
- Mechanischer Speicherbetrieb (Schwungradspeicher, Gyrobus)
- Dampfspeicher (bisher auf Schienenverkehr begrenzt)
- Druckluftspeicher (Tunnellokomotiven, Auto (in Entwicklung?))
Einzig der elektrische Betrieb mit externer Stromzuführung hat einen gewissen
Stellenwert, wobei die Anwendungen auf einen Teil des Schienenverkehrs und wenige
Buslinien begrenzt sind. Die Schweiz nimmt hier eine Spitzenposition ein, stellt aber eine
Ausnahme dar. In den USA, in Kanada, in Südamerika, in Afrika und Australien sind nur
wenige Strecken im Vorortsverkehr elektrifiziert.
Für nicht spurgebundene Fahrzeuge eignen sich Fahrleitungen naturgemäss nicht und
die Speicherung von Strom in Batterien oder neustens Super Caps genügt nur in
Ausnahmefällen.
Schwungradspeicher haben trotz beachtlicher technischer Weiterentwicklungen mit
neuen Materialen im Transport bisher keine Renaissance geschafft.
Druckluftlokomotiven wurden früher im Tunnelbau eingesetzt, haben sich aber nicht
durchgesetzt, da ihr Aktionsradius zu klein war.
Von Druckluftautos war in jüngster Zeit die Rede, wobei der Wunsch wohl Vater des
Gedankens war.
Die Dampfspeichertechnik hat sich bei Eisenbahnen vor allem beim Rangierbetrieb im
nahen Umfeld einer Ladestation bewährt, geriet aber in Vergessenheit.
Die Frage, ob die Dampfspeichertechnik in verbesserter Form auch für
Strassenfahrzeuge nutzbar wäre, soll mit dieser Studie untersucht werden.
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1.5 Energiepreise
Die Preise der verschiedenen Energieformen sind teilweise sehr unterschiedlich und
können, bezogen auf den gleichen Energieinhalt, um Faktoren differieren. In fast allen
Ländern sind Treibstoffe wesentlich teuerer als Brennstoffe, was in erster Linie an den
fiskalischen Zuschlägen zur Finanzierung der Strassen liegt. Am besten ist dies durch
den Preisvergleich von Heizöl extraleicht mit dem technisch gleichwertigen Dieselöl zu
sehen.
Energiepreise [Rp./kWh]
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Abb. 3: Vergleich schweizerischer Energiepreise (Grafik: ökozentrum Langenbruck)
In der Schweiz differieren Energiepreise zur Zeit bis zu einem Faktor 4. Im Ausland sind
die Unterschiede teilweise noch deutlich grösser. In Ländern mit eigener, kostengünstiger
Kohle liegen die Preisunterschiede zwischen Kohle und Dieselöl / Benzin bei einem
Faktor 10 bis 20, in einzelnen Fällen 20 bis 30.
Ein Energiespeichersystem, welches Mobilität mit kostengünstigen Brennstoffen
anstelle der teueren Treibstoffe ermöglicht, hätte mit Sicherheit grossen Erfolg.
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2. Dampftechnik
2.1 Allgemeines
Die Dampftechnik gilt heute als veraltet und hat das Image von Nostalgie. Zu Unrecht,
denn sowohl in der Industrie als auch in der Stromproduktion sind Dampfprozesse
unverzichtbar. Allein in der Schweiz sind rund 4000 Dampfkessel in Betrieb [3].
Abb. 4: Mehr als 40% des
Stromes werden in der Schweiz
mit Dampf erzeugt.
Im Ausland ist der Anteil des
mittels Dampfprozess erzeugten
Stromes noch höher. Bei allen
nuklearen und bei den meisten
thermischen Kraftwerken wird
der Strom mittels Dampfprozess
erzeugt.
Eine eindrückliche, die unbändige Kraft von Dampf illustrierende Anwendung von
Dampfspeichern stellen die Katapulte von grossen Flugzeugträgern dar. Nur wenige
wissen, dass Katapulte dampfgetrieben sind. Die Dampffähnchen, die beim Start das
Deck überstreichen, sind aber gut erkennbar. Auf nur 92 m Länge beschleunigt das
Dampfkatapult ein 36 t schweres Flugzeug aus dem Stand in 3 Sekunden auf 260 km/h
[4]. Ein Ferrari benötigt 9.5 Sekunden, um 1.25 t auf 200 km/h zu beschleunigen...
Abb. 5: Mit dem Dampfkatapult können Beschleunigungen von bis zu 6 g erreicht werden.
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2.2 Wirkungsgrad von Dampfprozessen
Ein Hauptkritikpunkt gegen die Dampftraktion ist deren „schlechter Wirkungsgrad“. Dieses
ursprünglich zur Verkaufsförderung von Diesellokomotiven verbreitete Argument wird
seither selbst in Schulen gelehrt und wurde so zum „Allgemeinwissen“. Bei Autos,
Schiffen oder Flugzeugen fragt hingegen kaum jemand nach dem Wirkungsgrad.
Im Transportwesen sind Angaben zum „Wirkungsgrad“ wegen der instationären Betriebszustände
ohnehin von untergeordneter Bedeutung. Wegen der erwähnten Problematik sei
trotzdem kurz darauf hingewiesen. Wie aus der Grafik ersichtlich, ist der Wirkungsgrad
von Dampfanlagen in erster Linie eine Funktion von Dampfdruck und Dampftemperatur:
Abb. 6: Theoretischer
Wirkungsgrad von Dampfprozessen
in Funktion von
Druck und Temperatur.
: Üblicher Betriebspunkt
von klassischen
Dampflokomotiven:
- Dampfdruck: 16 bar
- Dampftemperatur: 400°C
W. Stoffels: Lokomotivbau
und Dampftechnik
Aus verschiedenen Gründen (Kesselbauart, Schmierstoffe usw.) waren die klassischen
Dampflokomotiven hinsichtlich der Dampfdaten konservativ ausgelegt und erreichten
daher bescheidene Wirkungsgrade. Versuche, in den Bereich der Dampfdaten stationärer
Kraftwerksanlagen vorzustossen, ergaben zwar einen geringeren Verbrauch, jedoch
keinen wirtschaftlichen Vorteil. Die Einsparungen bei den Brennstoffkosten wurden durch
die höheren Gestehungs- und Unterhaltskosten kompensiert.
Mit neuen Materialien, modernen Berechnungsmethoden und etwas Forschung und
Entwicklung liesse sich heute aber ein grosser Teil des Potentials nutzen, ohne die
Komplexität der Anlage übermässig zu erhöhen.
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2.3 Dampflokomotiven
Die Technik der Dampflokomotive ist in der Literatur ausführlich beschrieben. Deshalb
soll die Funktion hier nur insoweit behandelt werden, als es zum Verständnis der
folgenden Kapitel notwendig ist. Insbesondere ist der Unterschied einer klassischen
(gefeuerten) Dampflokomotive zur feuerlosen Dampfspeicherlokomotive wichtig.
Wie das Schnittbild zeigt, ist die klassische Dampflokomotive ein Kraftwerk auf Rädern.
Im Gegensatz zur elektrischen Lokomotive, welche ihre (Sekundär)-Energie aus der
Fahrleitung bezieht, führen die klassischen Dampflokomotiven, wie die Autos auch, ihren
Brennstoffvorrat mit und wandeln ihn in Traktionsleistung um.
Abb. 7: Schnittbild einer modernen, leichtölgefeuerten Dampflokomotive
Abgebildet ist eine Heissdampflokomotive, d.h. der Dampf wird nach dem Regler (7)
durch in Rauchrohren liegende Überhitzerrohre (6) getrocknet und auf bis zu 450°C
überhitzt (schmierölbedingte Grenze für Dampfmaschinen, entfällt bei Dampfturbinen).
Der überhitzte Dampf wird danach den Zylindern zugeführt, wo er seine Arbeit verrichtet.
Wird der Dampf wird nach dem Regler (7) direkt zu den Zylindern geführt, handelt es sich
um eine Nassdampf- oder Sattdampflokomotive. Die Dampftemperatur ist bei diesen
Lokomotiven eine Funktion des Dampfdruckes (entsprechend der Sattdampfkurve),
während die Überhitzung vom Dampfdruck unabhängig ist.
Die moderne, von der SLM/DLM entwickelte Dampftechnik ist unter anderem in [5]
beschrieben.
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2.4 Dampfautos
Auch die Technik der Dampfautos ist in der Literatur beschrieben, allerdings bedeutend
spärlicher als jene von Dampflokomotiven. Das Funktionsprinzip unterscheidet sich in
zwei wesentlichen Punkten:
• Dampflokomotiven sind überwiegend Auspuffmaschinen, bei welchen der Dampf
nach verrichteter Arbeit als Abdampf in die Umgebung abgegeben wird (offenes
System). Ein Teil der im Abdampf verfügbaren Energie wird in der Saugzuganlage zur
Feueranfachung, ein anderer Teil zur Speisewasservorwärmung genutzt.
Dampfautos sind überwiegend Kondensmaschinen, bei welchen der Dampf nach
verrichteter Arbeit kondensiert und in den Kessel zurückgeführt wird (geschlossenes
System).
• Die Dampfdaten der Dampfautos waren wesentlich fortschrittlicher als jene von
Dampflokomotiven, insbesondere hinsichtlich des Dampfdrucks. Dies lag vor allem
daran, dass der bei Dampflokomotiven gebräuchliche Grosswasserraumkessel mit
Feuerbüchse für Drücke von mehr als 20 bar ungeeignet war. Dampfautos verwenden
in der Regel schnellverdampfende Wasserrohrkessel (flash boiler) mit sehr wenig
Wasserinhalt, die weit höhere Drücke zulassen (40 bis 140 bar).
Abb. 8: Dampfautos
unterschieden sich
äusserlich kaum von
Autos mit
Verbrennungsmotoren
ihrer
Epoche. Im Bild ein
Stanley Steamer
(Roadster) mit
Baujahr 1922.
Dampfautos haben sich technisch bewährt und waren den Benzinautos ihrer Zeit weit
voraus. [6] Sie konnten sich aber gegen die in Massen produzierten, billigeren Autos mit
Verbrennungsmotoren letztlich nicht durchsetzen.
Die Verschärfung der Abgasbestimmungen führte immer wieder zu Versuchen für neue
Dampfautos, ohne dass ein Durchbruch gelang. Die Automobilindustrie ist nicht wirklich
interessiert, ihre Milliardeninvestitionen abzuschreiben, die sie in die Verbesserung der
Verbrennungsmotorentechnik gesteckt hat. Auch die jüngste Entwicklung [7], ein aus
Imagegründen ZEE (Zero Emission Engine) genannter 3-Zylinder-Dampfmotor der IAV
GmbH in Berlin wurde trotz erfolgreichen Prüfstandversuchen im Jahr 2000 nicht weiter
verfolgt.
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3. Dampfspeichertechnik
3.1 Prinzip
Die Dampfspeichertechnik nützt die Fähigkeit des Wassers aus, unter Druck grosse
Energiemengen zu speichern. Dabei wird der grösste Teil der gespeicherten Energie
nicht im Dampf, sondern im Heisswasser gespeichert. Dampfspeicher werden deshalb
auch als Heisswasserspeicher bezeichnet. In den meisten Fällen wird aber der Dampf
genutzt, sodass der Begriff Dampfspeicher zutreffender ist.
Über die geschichtliche Entwicklung der Dampfspeicher, insbesondere was stationäre
Anlagen betrifft, sei auf die Literatur verwiesen [8].
3.2 Speicherlokomotiven
Speicherlokomotiven werden auch als feuerlose Lokomotiven bezeichnet, da die Dampferzeugung
extern in einer stationären Kesselanlage erfolgt. Speicherlokomotiven
werden deshalb vorzugsweise dort eingesetzt, wo stationäre Kesselanlagen vorhanden
sind, also in Kraftwerken, Brauereien, Papierfabriken, Raffinerien und der chemischen
Industrie. In letzteren beiden kommt zudem der Vorteil zum Tragen, dass feuerlose
Lokomotiven explosionsgeschützt sind, während der Explosionsschutz bei Diesellokomotiven
umfangreicher Massnahmen bedarf.
Dampfspeicherlokomotiven sind einfach gebaut und daher kostengünstig in der
Anschaffung und im Unterhalt. Sie sind sehr umweltfreundlich, da sie nur Abdampf
emittieren und auch bei Höchstleistung leise arbeiten (im Gegensatz zu den gefeuerten
Dampflokomotiven brauchen sie keine Blasrohranlage). Wird der Abdampf kondensiert,
ist das Fahrzeug vollkommen emissionsfrei, als einziges "Abfallprodukt" entsteht warmes
Wasser.
Speicherlokomotiven erfordern keinen Heizer und werden daher grundsätzlich im
Einmann-Betrieb gefahren. Sie gelten als einfach zu bedienen, obwohl das fahren von
Niederdruckspeicherlokomotiven einiges Geschick erfordert (siehe 3.2.1).
Ein wesentlicher Vorteil der Speicherlokomotiven ist der Umstand, dass sie nur dann
Energie verbrauchen, wenn sie Leistung abgeben, ganz im Gegensatz zu Diesellokomotiven,
deren Motor fast ständig läuft. Messungen der ORE (Forschungs- und
Versuchsamt des Internationalen Eisenbahnverbandes) zufolge betragen die Leerlaufzeiten
von Diesellokomotiven im Rangierbetrieb satte 75%!
Ein weiterer Vorteil liegt im Energiespeicher, der fast unbegrenzte Leistungen zulässt,
da die Dampfentnahmemenge nicht begrenzt ist. Dadurch kann den Zylindern kurzzeitig
beliebig viel Dampf zugeführt werden. Damit lassen sich gute Beschleunigungen erzielen,
was im Rangierdienst sehr nützlich ist.
Je nach Druckniveau wird unterschieden zwischen:
• Niederdruckspeicherlokomotiven:
• Hochdruckspeicherlokomotiven:
8 bis 20 bar Ladedruck
40 bis 140 bar Ladedruck
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3.2.1 Niederdruckspeicherlokomotiven
Niederdruckspeicherlokomotiven arbeiten im Bereich ihres maximalen Ladedruckes
von 8 bis 20 bar bis etwa 2 bar. Damit die Zugkraft nicht mit dem Speicherdruck abnimmt,
sondern in einem weiten Arbeitsbereich konstant gehalten werden kann, legt man die
Zylinder wesentlich grösser aus. Damit kann auch bei Teilentladung noch die volle, durch
das Reibungsgewicht der Lokomotive begrenzte, Zugkraft entwickelt werden. Eine
Speicherlokomotive mit 20 bar Ladedruck kann in der Regel bis zu 8 bar die volle
Zugkraft erbringen. Solange der Speicherdruck über dem maximalen Arbeitsdruck der
Zylinder liegt, muss mit gedrosseltem Dampf gearbeitet werden. Danach nimmt die
Zugkraft entsprechend dem Druckabfall stetig ab. Mit 2 bar kann die Lokomotive noch zur
Ladestation gefahren werden.
Abb. 9: Schnitt durch eine Niederdruckspeicherlokomotive. Man beachte den einfachen Aufbau.
Der Lokomotivführer muss die Niederdruckspeicherlokomotiven mit Gefühl und Geschick
fahren, da die Zugkraft vom Speicherdruck, der Regler- und der Steuerungsstellung, also
von drei Parametern, abhängig ist.
Niederdruckspeicherlokomotiven arbeiten mit Sattdampf. Deshalb und wegen der
übergrossen Zylinder liegt ihr spezifischer Dampfverbrauch mit 18 bis 27 kg/PSh bzw.
24.5 bis 37 kg/kWh relativ hoch. Das Arbeitsvermögen von Niederdruckspeicherlokomotiven
ist ziemlich begrenzt.
Obwohl sich die Niederdruckspeicherlokomotiven gut bewährt haben, versuchte man sie
zu verbessern und ihre Nachteile zu eliminieren. Dies gelang mit den Hochdruckspeicherlokomotiven.
Technischer Bericht Nr.D090.doc 12

3.2.2 Hochdruckspeicherlokomotiven
Bei Hochdruckspeicherlokomotiven liegt der Speicherdruck deutlich über dem Arbeitsdruck,
womit sich übergrosse Zylinder vermeiden lassen. Die Zugkraft bleibt unabhängig
vom Speicherdruck, da Hochdruckspeicherlokomotiven in der Regel nicht unter den
Arbeitsdruck gefahren werden. Zudem lässt sich der Dampf überhitzen.
Abb. 10: Schnitt durch eine Hochdruckspeicherlokomotive. Der Arbeitsdampf wird nach der
Drosselung am Regler im Speicher überhitzt.
Prof. Dr. Gilli entwickelte das Prinzip der Überhitzung bei Speicherlokomotiven [9]. Dabei
wird der Umstand genutzt, dass die Dampftemperatur entsprechend der Sattdampfkurve
bei höherem Druck zunimmt. Beim Arbeitsdruck der Dampfmaschine von 16 bar beträgt
die Sattdampftemperatur 204°C, beim Speicherdruck von 85 bar aber 300°C. Lässt man
den Arbeitsdampf nach erfolgter Drosselung am Regler in Überhitzerschlangen durch den
Speicher strömen, erreicht man überhitzten Dampf von (fast) 300°C bei 16 bar.
Abb. 11: Die bisher
modernste Hochdruck-
Dampfspeicherlokomotive
mit 85 bar
Ladedruck und
Überhitzung nach dem
Gilli - Prinzip.
Baujahr 1973
Foto: Roger Waller
Technischer Bericht Nr.D090.doc 13

Hochdruckspeicherlokomotiven arbeiten mit Heissdampf. Ihr spezifischer Dampfverbrauch
liegt bei 9 bis 12 kg/PSh bzw. 12 bis 16 kg/kWh. Das Arbeitsvermögen von
Hochdruckspeicherlokomotiven ist dank der Kombination von höherer Energiedichte des
Speichers mit einer effizienteren Dampfmaschine etwa dreimal so hoch wie bei Niederdruckspeicherlokomotiven.
Mit heutiger Technik wären weitere Verbesserungen
möglich.
3.2.3 Lademöglichkeiten
Nachfolgend sind die drei prinzipiellen Lademöglichkeiten dargestellt:
Abb. 12: Lademöglichkeiten von Gilli-Hochdruckspeicherlokomotiven
Technischer Bericht Nr.D090.doc 14

Die Ladeanlagen waren in der Regel so ausgelegt, dass eine Füllung ca. 15 Minuten
dauerte. Die Ladung von Speicherlokomotiven wurde oft in die Mittagszeit gelegt, da dann
der Rangierbetrieb ruhte. Da oft auch die Produktion heruntergefahren wurde, kam der
Dampfbedarf für die Speicherlokomotive(n) als Ausgleich der Kesselleistung durchaus
erwünscht.
3.3 Dampfspeicherautos und Dampfspeichermobile
Unseres Wissens wurde das Prinzip der Dampfspeichertechnik bisher nicht auf Strassenfahrzeuge
angewendet.
4. Druckluftauto
In jüngster Zeit sind Bestrebungen im Gang, Druckluftautos auf den Markt zu bringen. Als
Hauptvorteil wird die (lokale) Emissionsfreiheit genannt.
Die 1991 von Guy Nègre gegründete Firma MDI Moteur Developpment International mit
Sitz in Barcelona (www.theaircar.com) propagiert ein neu entwickeltes druckluftbetriebenes
Auto. Die Homepage www.theaircar.com vermittelt den Eindruck, dass in
erster Linie Investoren gesucht werden.
Laut Firmenangaben erreicht der Prototyp eine Autonomie von rund 200 bis 300 km.
Presseberichten zufolge beträgt die demonstrierbare Reichweite zur Zeit allerdings
lediglich 7 km oder weniger, was angesichts des niedrigen Energiespeichervermögens
von Druckluft plausibler ist als die propagierten 200 bis 300 km. Wahrscheinlich beziehen
sich die 200 bis 300 km Reichweite auf eine Hybridvariante, die ebenfalls erwähnt wird.
Abb. 13: Illustration des Druckluftautos
der Firma MDI auf deren Homepage
www.theaircar.com
Technischer Bericht Nr.D090.doc 15

5. Demo-Mobil
Es war nicht vorgesehen, im Rahmen dieser Studie ein Fahrzeug zu bauen, da die dafür
erforderlichen Mittel den zur Verfügung stehenden Betrag wesentlich überschritten hätten.
Dank mehrerer glücklicher Umstände ergab sich aber die Gelegenheit, kostengünstig ein
Demonstrations-Dampfspeicherfahrzeug (Demo-Mobil) zu bauen. Folgende Firmen
stellten Komponenten zur Verfügung:
• Firma Horlacher:
• Firma Hug Engineering:
• Herr Michael Geisinger:
• Firma DLM AG:
Elektromobil (Pick-up)
Druckbehälter
Dampfmaschine
Armaturen, elektrisches Vorheizgerät
Die Firma DLM AG übernahm zudem die Projektleitung, den Einbau der Behälter und der
Dampfmaschine sowie die Versuche und Messungen..
5.1 Konzept
Ziel des Demonstrationsfahrzeuges war, die Funktionstauglichkeit des Dampfspeicherprinzips
bei Strassenfahrzeugen in der Praxis zu zeigen. Zudem sind Berechnungen
glaubwürdiger, wenn die Resultate durch Versuche erhärtet sind. Aber:
Das Demo- Mobil ist kein Prototyp eines modernen Thermomobils
Die Verwendung vorhandener Komponenten bedingte, dass das Demonstrationsfahrzeug
nur den technischen Stand von älteren Niederdruckspeicherlokomotiven erreicht. Durch
die Dampferzeugung mittels elektrischem Vorheizgerät war der Dampfdruck auf 10 bar
begrenzt. Die Dampfmaschine ist mehr als 100-jährig und hat einen entsprechend
schlechten Wirkungsgrad. Einzig das Leichtbau-Elektromobil der Firma Horlacher ist auf
dem heutigen Stand der Technik und wurde auch wegen seines Designs gewählt, damit
niemand auf eine nostalgische Anwendung schliesst.
5.2 Technische Daten als Elektromobil
Das Elektromobil war als Auto konzipiert und hatte eine Strassenzulassung. Die
Karosserie des sehr leicht gebauten Fahrzeuges besteht aus faserverstärkten
Kunststoffen.
Dimensionen / Spezifikationen (Angaben der Firma Horlacher):
Länge:
Breite:
Höhe:
Gewicht:
Zuladung:
Gesamtgewicht:
Spitzengeschwindigkeit:
Reichweite*:
350 cm
144 cm
144 cm
640 kg
180 kg
820 kg
100 km/h
70 - 100 km
* abhängig von Hilfsaggregaten (z.B. Klimaanlage), Strassenzustand (Schnee, Topographie) und Fahrstil
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5.3 Versuche und Messungen mit dem Demo-Mobil
5.3.1 Demo-Mobil I
Unter den verschiedenen Leichtbau-Fahrzeugen der Firma Horlacher fiel die Wahl auf
einen „Pick-up“, also ein Fahrzeug mit offener Ladefläche. Diese Bauart erlaubt die
Platzierung des Speichers auf der Ladefläche, denn Strukturänderungen des in
Glasfasertechnik gebauten Fahrzeugs waren nicht möglich. Es versteht sich von selbst,
dass bei einem kommerziellen Fahrzeug der Speicher in der Struktur integriert würde,
etwa dort wo beim Elektromobil die Batterien untergebracht waren. Für die Versuche
erwies sich der „Pick-up“ jedoch als ideal.
Abb. 14: Demo-Mobil I mit zwei isolierten Speicherbehältern à je 100 l.
Bei der ersten Ausführungen wurden zwei Behälter à je 100 l = 200 l Inhalt auf der
Ladefläche platziert. Die Behälter waren für einen Druck von 30 bar ausgelegt, für 10 bar
somit schwerer als notwendig.
Das Demonstrationsfahrzeug funktionierte auf Anhieb und wurde auf dem Privatareal der
Firma Hug Engineering in Räterschen einigen Tests unterzogen. Nach erfolgreicher
Rollprüfung mittels schieben wurden die Behälter zunächst wurden mit Druckluft von 10
bar geladen. Das Fahrzeug fuhr zwar problemlos, aber nicht weit. Bereits nach etwa 100
Metern Fahrt war der Speicherdruck soweit gesunken, dass es stehen blieb.
Weit besser waren die Resultate mit Heisswasser von 10 bar. Im Vergleich zu Druckluft
betrug die Reichweite ein Mehrfaches. Allerdings war die Zwischenwelle des Standardgetriebes
dem Drehmoment der Dampfmaschine nicht gewachsen, sodass der Antrieb so
umgebaut werden musste, dass die Dampfmaschine wie zuvor der Elektromotor die
Hauptwelle antrieb. Danach gab es keine Probleme mehr.
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Abb. 15: Die Messstrecke im Gelände der
Firma Hug Engineering in Räterschen. Die
genaue Streckenlänge wurde mit GPS
ermittelt.
Die in mehreren Versuchen ermittelte Fahrstrecke betrug etwas mehr als 7 km, wobei an
der einen Wendestelle jeweils manöveriert werden musste. Bei gleichmässiger Fahrt auf
ebener Strecke wären problemlos 8 km erreicht worden. Die Messfahrten wurden,
abgesehen vom Wenden, nicht unterbrochen und dauerten je rund 40 min., was einer
Durchschnittsgeschwindigkeit von 10.5 km/h entspricht. Die Übersetzung wurde ja so
gewählt, dass die Betriebsgeschwindigkeit etwa 15 km/h beträgt, was den Elektromobilen
in autofreien Orten entspricht. Es wäre kein Problem, mit einer anderen Übersetzung
deutlich schneller zu fahren, aber mehr als 15 km/h sind in autofreien Orten nicht erlaubt.
5.3.2 Demo-Mobil II
Während sich zuvor das Gewicht der Batterien dank Unterbringung im Fahrgestell
gleichmässig auf die beiden Fahrzeugachsen verteilte, belasteten die zwei Behälter
wegen der Platzierung auf der Ladefläche fast ausschliesslich die Hinterachse. Es wurde
deshalb beschlossen, das Demo-Mobil II nur noch mit einem 100 l-Behälter auszurüsten.
Abb. 16: Demo-Mobil II mit einem isolierten Speicherbehälter à 100 l. Bei einer Serieausführung
könnte der Speicher zum Beispiel quer unterhalb des DLM - Schildes vor der Hinterachse eingebaut
werden. Die Dampfmaschine würde liegend statt stehend eingebaut. Dadurch könnte die Ladefläche
wieder ihren Zweck erfüllen.
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Abb. 17: Demo-Mobil II beim Beschleunigen. Dampfmaschinen bringen ihr maximales Drehmoment
aus dem Stand heraus und benötigen deshalb keine Kupplung und in der Regel auch kein Getriebe.
theoretisch kann rückwärts genauso schnell gefahren werden wie vorwärts. Sollte die aus reinem
Wasserdampf bestehende Abdampffahne stören, könnte der Abdampf kondensiert werden. Das
Demo-Mobil II wog betriebsbereit 601 kg.
Abb. 18: zeigt die Antriebsanlage
mit dem silbernen
isolierten 100 l Speicher, der
umwickelten Dampfleitung mit
Regelventil und der rund 100-
jährigen Zweizylinder-Dampfmaschine,
die ihr Drehmoment
über einen Kettenantrieb auf das
mit Differential ausgerüstete
Getriebe der Hinterachse überträgt.
Das grosse, schräg
stehende Manometer diente dem
schnellen Ablesen bei den
Versuchen und würde in viel
kleinerer Ausführung im
Armaturenbrett platziert.
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Wie die Abbildung 17 zeigt, ist die Antriebsanlage ziemlich trivial und kommt ohne Elektrik
oder Elektronik aus. Entsprechend niedrig sollten die Anschaffungs- und Unterhaltskosten
ausfallen. Auch die Lebensdauer wird um ein vielfaches höher sein als diejenige von
Elektromobilen (Batterien !).
5.4 Rechnerische Extrapolation
Wie erwähnt entspricht der technische Stand des Demo-Mobil hinsichtlich Dampfprozess
und Dampfmaschine demjenigen von hundertjährigen Niederdruckspeicherlokomotiven,
demonstrierte aber umso mehr die Machbarkeit.
Die Ergebnisse der rechnerischen Extrapolation vom Demo-Mobil zum Thermomobil sind
nachfolgend grafisch dargestellt. Angenommen wurde ein Fahrzeug analog den Elektromobilen,
wie sie in den autofreien Orten verkehren, mit einem Speichervolumen von 200
Liter. Wie ersichtlich erreicht bereits die Variante mit einem 80 bar Heisswasserspeicher
vernünftige Reichweiten. Weiteres Potential liegt in Speichermaterialen, die den Phasenwechsel
fest/flüssig ausnutzen (PCM = Phase Change Material). An dieser Technik wird
weltweit geforscht.
70
60
50
Fahrstrecke [km]
40
30
20
10
0
Druckluft 10 Bar Heisswasser 10
Bar
Heisswasser 80
(200) Bar
PCM (Salz,
Salzgemisch)
Demo-Mobil
Thermomobil
Abb. 19: Grafische Darstellung der rechnerischen Extrapolation vom Demo-Mobil zum Thermomobil.
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6. Thermomobil
Das Thermomobil wäre eine Weiterentwicklung der mit dem Demo-Mobil demonstrierten
Dampfspeichertechnik für Strassenfahrzeuge, mit rechnerisch optimierten, neu
konstruierten und neu gebauten Komponenten nach heutigem Stand der Technik.
6.1 Konzept
Nach unseren Vorstellungen würden die Thermomobile nach folgendem Konzept gebaut:
• Leichtbau der Fahrzeuge (wie von der Firma Horlacher praktiziert und im Gegensatz
zur heutigen Bauweise der Elektromobile)
• Hochdruckspeichertechnik mit Überhitzung des Arbeitsdampfes gemäss System von
Prof. Gilli
• Neue thermodynamisch und strömungstechnisch optimierte Dampfmaschine
• Wartungsfreie dauergeschmierte Wälzlagerungen für die beweglichen Teile der
Dampfmaschine und des Antriebs
• Anwendung der von der Firma Spilling entwickelten Schmierlostechnik für die (ölfreie)
Dampfmaschine
• Optimale Isolierung von Speicher, Leitungen und Dampfmaschine
• Soweit möglich Verwendung handelsüblicher Komponenten
• Optionale Möglichkeit für Zusatzausrüstung für die Kondensation des Abdampfes, wo
dieser stören könnte (Lagerhallen mit Lebensmittel u.ä.)
• Optional sichtbarer Antrieb (als Zusatzattraktion z.B. für Taxi)
6.2 Ladestationen
Die Gestaltung der Ladestationen soll Gegenstand einer weiteren Studie sein.
Grundsätzlich ist das Problem gelöst, siehe Dampfspeicherlokomotiven. Diese
Ladevorrichtungen wurden allerdings nur durch instruiertes Fachpersonal bedient. Bei
Anwendung durch Laien, wie es bei Thermomobilen zu erwarten wäre, müsste ein
geeignetes System entwickelt werden, das Temperaturschutz bietet und
Fehlmanipulationen ausschliesst, ähnlich jenem unserer Vorheizgeräte, bei welchen die
Kupplung nur bei geschlossenen Abschlusshähnen gelöst werden kann.
6.3 Patent
Unter dem Titel:
Wärmebetriebenes Fahrzeug mit externer Energieerzeugung
wurde die Idee des Thermomobil am 31. Mai 2005 beim schweizerischen Patentamt
angemeldet.
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Literatur
[1] Wohlgemut, N.: Energieverbrauch für Mobilität
Energy – Die Zeitschrift der Energieverwertungsagentur
[2] Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2003
Bundesamt für Energie BFE
[3] SVTI Schweizerischer Verein für technische Inspektionen
136. Jahresbericht 2004, April 2005
[4] www.lakehurst.navy.mil
[5] Waller, Roger: MODERN STEAM – AN ECONOMIC AND ENVIRONMENTAL ALTERNATIVE TO
DIESEL TRACTION
The Sir Seymour Biscoe Tritton Lecture 3 and 4 February 2003
Institution of Mechanical Engineers, Railway Division
[6] J. N. Walton: DOBLE STEAM CARS
3rd Edition, 1975
[7] Mit Volldampf in die Zukunft, Forschungsprojekt Dampfmotor
Automobil Revue Nr. 52/29.Dezember 2000
[8] Goldstern, Walter: Dampfspeicheranlagen
Springer Verlag Berlin, 1963, 2. verbesserte Auflage
[9] A. Giesl-Gieslingen: Die Hochdruck-Dampfspeicherlokomotive (Gilli-Lokomotive)
LOK-MAGAZIN
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