Druckluftauto

Ein Druckluftauto (engl.: compressed air car) ist ein Kraftfahrzeug, das mit Hilfe von Druckluft und einem Gasexpansionsmotor angetrieben wird. Die komprimierte Luft wird in Druckbehältern mitgeführt und dem Motor zugeführt.

Es handelt sich daher um ein emissionsfreies Fahrzeug gemäß kalifornischen Abgasstandards mit alternativer Antriebstechnik.

Druckluftautos für den öffentlichen Straßenverkehr werden seit den 1990er Jahren unter dem Oberbegriff der alternativen Fahrzeugtechnik immer wieder vorgestellt, eine Serienproduktion fand bisher nicht statt.^[1]

Druckluftantrieb allgemein

Stationäre Druckluftmotoren finden sich vielfältig in Maschinen und Werkzeugen.

Verschiedene Anwendungen mit Druckluftantrieb, wie Straßenbahnen in Bern und druckluftbetriebene Lokomotiven, z. B. beim Bau des Gotthardtunnels oder Grubenlokomotiven^[2], wurden in der Vergangenheit realisiert. Viele dieser speziellen Einsatzgebiete sind heute durch elektrische Antriebssysteme abgelöst worden, die einfacher und ebenfalls emissionsfrei sind.

Häufig wird Druckluft auch zum antrieb von kleinen Maschinen im Handwerksbereich und der Industrie verwendet.

Sie kommen auch in Umgebungen zum Einsatz in denen keine Elektronischen Bauteile verbaut werden können. Z.b Bei MRTs.

Industriell genutzte Speicherdampflokomotiven haben ein ähnliches Konzept sowie ähnliche Technik.

Geschichte

Bereits 1838 wurde von Adraud und Tessié du Motay in Paris ein Druckluftauto konstruiert und 1840 vorgestellt.^[3] Im Schienenverkehr wurde diese Antriebsform erstmals 1879 bei der Straßenbahn in Nantes (Frankreich) eingesetzt.^[4] Die Systeme wurden von dem französischen Ingenieur polnischer Abstammung Louis Mékarski entwickelt.

Zum Rennen Paris-Rouen 1894 waren sechs Fahrzeuge aus Frankreich mit Druckluftantrieb gemeldet, keines erschien jedoch am Start:^[5]

Die US-Hersteller MacKenzie & McArthur in New Haven (Connecticut)^[6] und die Autocrat Manufacturing Company in Hartford (Connecticut)^[7] beschäftigten sich mit dem Druckluftauto. Den Namen American Pneumatic sollte ein mit Druckluft angetriebenes Automobil tragen, dessen Planung im Februar 1900 von der American Vehicle Company angekündigt wurde. Ebenfalls nicht vermarktet wurden Druckluftfahrzeuge der Marken Automatic Air, Carrol, Meyers^[8], Muir^[9] und Pneumatic.^[10] Gemäß der frühen US-amerikanischen Fachzeitschrift The Hub wurde 1899 in Delaware die United States Vehicle Company mit einem gewaltigen Aktienkapital von 25 Mio. US$ gegründet zum Zweck der „Entwicklung der Erfindungen von Stackpole und Francesco sowie zur Herstellung von Mittelklasse-Automobilen mit Druckluftantrieb“. Das Unternehmen wird 1900 mit der Adresse 1129 Broadway im Buch Horseless Vehicles, Automobiles and Motorcycles von Hiscox erwähnt und findet sich noch 1911 im Register der Stadt New York mit Sitz an 52 Broadway. Was mit diesem enormen Kapitaleinsatz letztlich erreicht wurde, ist unklar.^[11]

Eigenschaften

Der Druckluftantrieb arbeitet ohne Verbrennungsvorgänge und ohne die Gefahr von Funkenbildung, wie sie an elektrischen Anlagen besteht. Er ist daher sehr gut in explosiven Umgebungen einsetzbar, wie z. B. im Bergbau unter Tage.

Dem gegenüber stehen jedoch Einschränkungen, die gegen den Einsatz als Massenverkehrsmittel sprechen. Um eine ausreichende Menge Antriebsenergie mitzuführen, sind große (schwere) Drucklufttanks notwendig. Die Energiedichte des Antriebssystems ist bereits im Vergleich mit einfachen Bleiakkumulatoren ungünstig.

Druckluft ist einer der teuersten Energieträger. Ihre Erzeugung ist energetisch mit sehr großen Verlusten behaftet. Wenn die bei der Kompression entstehende Wärme nicht genutzt werden kann, ist sie für die Energiebilanz verloren. Ein effizienter Druckluftmotor benötigt eine mehrstufige Entspannung mit Zwischenerwärmung und ist daher aufwändig (Motorenkonzept). Durch Entspannung der Druckluft kommt es zu einer Abkühlung des Motors. Es muss Wärme aus der Umgebung zugeführt werden. Ist das nicht ausreichend gewährleistet, sinkt die Leistung des Expansionsmotors. Dieser Effekt wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen verstärkt.

Die Entwicklungen von Nègre

Mit seiner Firma MDI aus Frankreich begann der französische Formel-1-Motorkonstrukteur Guy Nègre Anfang der 1990er Jahre, einen speziellen Druckluftmotor für den Fahrzeugantrieb zu entwickeln. Diese Bemühungen führten zum Konzeptfahrzeug Tata OneCAT.

Pressemitteilungen kündigten seit 1995 immer wieder den geplanten Produktions- und Verkaufsstart an, und seit Jahren wird jeweils für das nächste Jahr eine Serienfertigung angekündigt. In Zusammenarbeit mit dem indischen Fahrzeughersteller Tata-Motors wird weiter an der Entwicklung gearbeitet. In Europa wird ein neuartiges Konzept zur Produktion angekündigt, bei dem die Fahrzeuge direkt beim Händler produziert werden sollen.

Guy Nègre war 2002 für den Eurosolar-Preis für alternative Verkehrssysteme nominiert. Die Nominierung wurde jedoch zurückgezogen, nachdem Fragen zu Betriebserfahrungen der Prototypen nicht beantwortet werden konnten.^[12] Die angegebenen Fahrleistungen konnten bisher nicht unabhängig überprüft werden. Ein Crashtest fand in der Praxis ebenfalls noch nicht statt.

Als Vorteile werden vom Entwickler niedrige Wartungskosten und eine lange Lebensdauer angegeben. Die Funktionsweise des von Nègre entwickelten Motors unterscheidet sich nicht grundsätzlich vom bekannten Prinzip eines Gasexpansionsmotors: Druckluft expandiert in zwei Zylindern, deren Kolben den Wagen antreiben. Die Motoren der nur 500 bis 700 Kilogramm schweren Fahrzeuge sollen eine Leistung von 30 PS (22 kW) haben. Als Schmierstoff wird Speiseöl verwendet.

Für eine Tankfüllung werden 90.000 Liter Luft (etwa 110 Kilogramm) auf einen Druck von 300 bar verdichtet und in vier mit Kevlar ummantelten Druckluftflaschen mit einem Gesamtvolumen von 300 Litern gespeichert. Laut Herstellerangaben dauert der Ladevorgang an einer 230-Volt-Steckdose etwa vier bis sechs Stunden, an einer entsprechenden Kompressorstation zwei Minuten.

Laut Hersteller fallen für den Betrieb lediglich Kosten für elektrische Energie, Verschleißteile, Schmierstoffe und Steuern an, für eine Tankfüllung seien nur 20 kWh nötig (je nach Stromtarif etwa 3 bis 6 Euro). In der Vergangenheit sprach der Hersteller von 240 km Reichweite bei konstant 60 km/h, bei der Höchstgeschwindigkeit von 110 km/h sollten 100 Kilometer möglich sein. Um höhere Reichweiten zu ermöglichen, soll es Modelle mit einem Verbrennungsmotor geben, der weitere Druckluft erzeugt. 2009 wurde vom Hersteller eine Reichweite von etwa 70 Kilometern angegeben. Diese Werte wurden von Fachleuten als deutlich zu optimistisch angesehen. Eine unabhängige Referenz für die Herstellerangaben existiert nicht.

Weitere Modelle

Auf dem Genfer Autosalon 2009 wurden von MDI zwei neue Modelle, AirPod und OneFlowAir, vorgestellt.^[13]

Bei dem AirPod handelt es sich um einen knapp über zwei Meter langen Viersitzer mit 220 kg Leergewicht. Laut Spezifikation^[14] besteht das vordere Fahrwerk aus einer vertikalen Einachssteuerung mit Schubkarren-Rädern in Doppelausführung (auch bekannt als „Möbelrollensteuerung“), mit der Größe 10×4.00-5 (Auszug aus den veröffentlichten techn. Daten: «Train avant: Diabolo deux roues, Pneumatiques Avant : 10×4.00-5»).

Der OneFlowAir ist ein 3,40 m langes und bis zu fünfsitziges Cabrio, das von der Form her dem Citroën Méhari ähnelt. Der OneFlowAir soll neben dem Druckluftantrieb einen Verbrennungsmotor zur Reichweitenverlängerung enthalten.

Auch gab es 2013 Entwicklungen, Druckluft für Hybridantriebe in Kraftfahrzeugen zu nutzen.^[15]

Emissionen

Druckluftautos sind grundsätzlich emissionsfrei, solange die Verdichtung der Druckluft emissionsfrei ist. Druckluftmotoren die zum antrieb verwendet werden, stoßen selbst keine Emission aus.

Vorteile

Es kann eine einzige Umwandlung von mechanischer Energie in pneumatische oder hydraulische Energie geben.^[16]

Daher kann Druckluft eine hohe Energieeffizienz aufweisen, wenn mechanische erneuerbare Energien wie Windkraftanlagen oder Wasserkraft verwendet werden. Die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie ist möglich, aber weniger effizient.

Die Energiedichte von isothermischen Druckluftspeichern (ICAES) ist gut, ob nach Gewicht oder Volumen gemessen: Sie kann bis zu 2,7 MJ/kg oder 3,6 MJ/m³ betragen, was dem Vierfachen^[17] einer Lithium-Ionen-Batterie entspricht.

Dies könnte durch Behälter mit höherem Druck, bessere Motoren und bessere Wärmetauscher verbessert werden.

Die Drucklufttechnologie passt sich an erneuerbare Energien und möglicherweise eine Kreislaufwirtschaft an, wenn biobasierte oder recycelte Verbundstoffe verwendet werden können. Damit ist es nachhaltiger als Elektroautos. Beispielsweise werden viel weniger Metalle oder giftige Batteriechemikalien verwendet. Eine zentralisierte Fertigung und ein Stromnetz könnten weniger notwendig sein.

Zur Effizienz trägt auch das geringe Gewicht von Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen im Vergleich zu Stahltanks oder Lithium-Ionen-Batterien bei.

Das Gewicht könnte weiter reduziert werden, wenn die Tanks das Fahrzeugchassis tragen. Pneumatische Motoren haben auch ein geringeres Gewicht als Elektromotoren.

Tanken ist vielerorts nur mit Wind-, Sonnen- oder Wasserkraft möglich, um einen Luftkompressor, eine Hydraulikpumpe oder einen Stirlingmotor anzutreiben.

Pneumatische Energie hat Energiesynergie, weil sie gut für die Kfz-Mechatronik geeignet ist.

Kolbenlose Motoren, die Druckluft verwenden, sind sehr leise.^[18]

Im Gegensatz zu Systemen, die Verbrennungskraftstoffe oder Hochleistungsbatterien verwenden, besteht nach Unfällen keine Brandgefahr.

Druckluftmotoren reduzieren die Kosten der Autoproduktion, da kein Kühlsystem, Zündkerzen, Anlasser oder Schalldämpfer verbaut werden müssen.

Die Selbstentladungsrate ist im Vergleich zu Batterien sehr gering. Ein mit Kraftstoff betriebenes Druckluftfahrzeug kann länger ungenutzt bleiben als ein Elektroauto.

Druckluftautos könnten schneller „Befüllt“ werden als Elektroautos.

Druckluftmotoren haben oft weniger Mechanische Teile was sie wesentlich weniger anfällig für Störungen macht und Wartungskosten reduziert. Druckluftautos sind in mehr Situationen und Umgebungen vorteilhaft:

• explosionsgefährdete Arbeitsatmosphären
• in der Nähe starker magnetischer elektrischer Felder
• Funkruhezonen

Nachteile

Ein Nachteil ist, das zu große Behältnisse zum Speichern der Pressluft gebraucht werden um akzeptable Reichweiten zu erhalten.

Druckluft hat eine geringere Energiedichte als flüssiger Stickstoff oder Wasserstoff. Sie haben eine geringere Energieeffizienz und Reichweite als Gasturbinen, Verbrennungsmotoren oder Batteriefahrzeuge. Die Erzeugung von Druckluft ist jedoch energieeffizienter und erfordert daher weniger Windkraft und Infrastruktur pro Energieeinheit.

Während Batterien ihre Spannung während der gesamten Entladung einigermaßen halten und Chemiekraftstofftanks vom ersten bis zum letzten Liter die gleichen Leistungsdichten liefern, sinkt der Druck von Drucklufttanks, wenn Luft entnommen wird. Es gibt mechanische Verfahren (z. B. stufenlose Getriebe oder Hilfsmotoren), um diesen Effekt zu reduzieren, welche die kosten aber wieder erhöhen.

Des Weiteren existiert aktuell keine flächendeckende Infrastruktur wie Preslufttankstellen.

Siehe auch

• Heißluftmotor (Ericssonmotor, Stirlingmotor, Vakuummotor)
• Gasexpansionsmotor
• Themenliste Fahrzeugtechnik

Literatur

• Beverly Rae Kimes (Herausgeberin), Henry Austin Clark, jr.; The Standard Catalog of American Cars. 2. Auflage. Krause Publications, Iola WI, USA 1985, ISBN 0-87341-111-0, S. 42, 81, 875, 929, 967, 1173, 1542.

Weblinks

Commons: Druckluftauto – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Druckluft-Speicher und Druckluft im mobilen Einsatz. aktualisiert im Juni 2008
• Druckluft für Autos der Zukunft
• vossyline.de – Die Luftnummer aus Frankreich
• Podkast Schweizer Rundfunk DRS2 im Kontext zu Druckluftauto in Indien (MP3; 13,3 MB)

Einzelnachweise

1. ↑ Tata Airpod air-powered car likely to be launched by 2020. In: International Business Times, India Edition. 17. Februar 2017, abgerufen am 18. März 2018. 
2. ↑ Compressed-Air Propulsion. In: douglas-self.com. 10. Mai 2013, abgerufen am 16. Mai 2016. 
3. ↑ Tessié du Motay Andraud: Ueber die comprimirte Luft als universelle Triebkraft und unentgeltliches Ersatzmittel der Dampfkraft. Deutsch von C. H. Schmidt. Voigt, Weimar 1841.
4. ↑ Druckluft-Straßenbahn (englisch).
5. ↑ Le Petit Journal. 22. Juli 1894.
6. ↑ Kimes: Standard Catalog. 1985, S. 875.
7. ↑ Kimes: Standard Catalog. 1985, S. 81.
8. ↑ Kimes: Standard Catalog. 1985, S. 929.
9. ↑ Kimes: Standard Catalog. 1985, S. 967.
10. ↑ Kimes: Standard Catalog. 1985, S. 1173.
11. ↑ Kimes: Standard Catalog. 1996, S. 1489.
12. ↑ Eine windige Erfindung Rüdiger Vossberg, taz, 16. November 2002, abgerufen am 18. Februar 2022.
13. ↑ Luftikus: MDI präsentiert AirPod und OneFlowAir. heise Autos, 20. März 2009, abgerufen am 22. März 2009 (Mit Bildergalerie). 
14. ↑ www.mdi.lu.
15. ↑ "Eine Hydraulikpumpe am Getriebe baut Druck auf, wenn der Wagen verzögert. Die gespeicherte Energie genügt, um den Wagen nach einem Ampelstopp per Hydraulikmotor wieder auf Touren zu bringen."Antrieb aus der Pressluftflasche
16. ↑ Perry Li (University of Minnesota Twin Cities), Eric Loth (University of Virginia Chao), Chao Qin (Washington State University), Terrence W.Simon (University of Minnesota Twin Cities): Reserch Gate Open Accumulator Isothermal Compressed Air Energy Storage (OA-ICAES) System. In: Advances in Energy Storage: Latest Developments from R&D to the MarketChapter: 20Publisher: Wiley. Wiley, März 2022, abgerufen am 11. März 2023 (englisch). 
17. ↑ Adewale Odukomaiya, Ahmad Abu-Heiba, Kyle R. Gluesenkamp, Omar A. Abdelaziz, R. Jackson, C. Daniel, S. Graham, A. Momen: Thermal analysis of near-isothermal compressed gas energy storage system. In: Applied Energy. 2016 (semanticscholar.org [abgerufen am 11. März 2023]). 
18. ↑ Pumping up the silent engine | GE News. Abgerufen am 11. März 2023 (englisch).