Energie, Motoren und Transport: Grundlagen und Anwendungen

Energieverbrauch und Dienstleistungen

Ein Unternehmen setzt große Mengen Energie für verschiedene Aktivitäten ein. Dazu gehören der betriebliche Einsatz aller Maschinen und Geräte sowie die Konditionierung von Wohn- und öffentlichen Räumen durch die Lieferung und Montage von Beleuchtungs-, Heizungs- und Wasserinstallationen.

Materialgewinnung und -verarbeitung

Ein weiterer wichtiger Bereich ist die Gewinnung und Bearbeitung von Materialien wie Metallen und Kunststoffen. Dies schließt die Weiterverarbeitung zu Endprodukten ein, wobei Fabriken spezielle Materialien und Prozesse nutzen.

Erneuerbare Ressourcen

Erneuerbare Ressourcen sind unbegrenzt oder regenerieren sich schnell. Dazu gehören:

• Solarenergie: Nutzung der Sonne
• Wasserkraft und Meeresenergie: Nutzung von Wasser
• Windenergie: Nutzung des Windes
• Geothermie: Nutzung der Erdwärme
• Muskelkraft: Energie aus den Muskeln von Menschen und Tieren
• Biomasse: Organische Substanz

Nicht erneuerbare Ressourcen

Nicht erneuerbare Ressourcen sind begrenzt oder nur in sehr langen Zeiträumen verfügbar. Dazu zählen:

• Fossile Brennstoffe: Erdgas, Erdöl und Kohle
• Kernenergie: Uran

Kraftstoffe und Verbrennung

Kraftstoffe sind organische Stoffe wie Kohle oder Holz, die in Verbindung mit Sauerstoff eine Reaktion namens Verbrennung eingehen. Diese Verbrennung setzt große Mengen Wärme frei, benötigt jedoch eine anfängliche Energiezufuhr, um den Prozess zu starten.

Fossile Brennstoffe im Detail

• Kohle: Wird durch Bergbau gewonnen und hauptsächlich in thermischen Kraftwerken zur Stromerzeugung sowie in der Eisen- und Stahlindustrie eingesetzt.
• Erdöl: In Raffinerien werden verschiedene Kohlenwasserstoffe gemischt, um Produkte wie Butan, Propan und Benzin zu gewinnen. Erdöl ist eine knappe Ressource.
• Erdgas: Entsteht aus der Zersetzung organischer Stoffe und besteht hauptsächlich aus Methangas.

Alternative Kraftstoffe

Alternative Kraftstoffe umfassen städtische und landwirtschaftliche Abfälle sowie Biokraftstoffe. Letztere werden aus Alkoholen und Ölen von Pflanzen wie Sonnenblumen, Radieschen, Mangold oder anderen gewonnen.

Anwendungen von Motoren und thermischen Systemen

Diese Kraftstoffe finden Anwendung in Motoren und thermischen Maschinen. Heizsysteme nutzen beispielsweise Heizungen, Öfen oder Kessel und Brenner, um die Umgebungstemperatur zu regulieren.

Die Mehrheit der Fahrzeuge wird von Verbrennungsmotoren angetrieben. Strom kann zudem durch den Antrieb elektrischer Generatoren mittels Dampfturbinen oder Verbrennungsmotoren erzeugt werden.

Die Dampfmaschine

Die Dampfmaschine wurde ursprünglich zur Anregung der Maschinen in Fabriken genutzt. Sie wandelt die Energie von Brennstoffen wie Holz und Kohle um, die im Kessel verbrannt werden.

Die dabei entstehende Wärme wird über einen geschlossenen Wasserkreislauf geleitet, um Wasser unter Druck in Dampf umzuwandeln. Dieser Dampf treibt einen Kolben an, der mittels verschiedener mechanischer Teile eine kontinuierliche Bewegung und Drehung der Ritzel ermöglicht.

Die Fortschritte in der Dampfmaschinentechnologie führten zur Entwicklung von Dampfturbinen und den heute weit verbreiteten Verbrennungsmotoren.

Der Verbrennungsmotor

Der 4-Takt-Motor

Der 4-Takt-Motor besteht aus einem Block mit mehreren Zylinderbohrungen. Im Inneren bewegt sich ein Kolben, der über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist und die Motorwelle dreht. Diese Motoren können entweder mit Benzin oder Diesel betrieben werden.

Bei Dieselmotoren wird der Kraftstoff nach dem Komprimieren der Luft eingespritzt, was eine Selbstzündung ohne Zündkerze auslöst.

Der 4-Takt-Zyklus umfasst folgende Phasen:

1. Ansaugtakt: Der Kolben bewegt sich nach unten und saugt Luft und Kraftstoff in den Zylinder.
2. Verdichtungstakt: Die Ventile schließen, und der Kolben bewegt sich nach oben, um das Gemisch zu verdichten.
3. Arbeitstakt (Explosion): Ein Funke der Zündkerze entzündet das Gasgemisch, wodurch der Kolben nach unten gedrückt wird.
4. Ausstoßtakt: Der Kolben bewegt sich wieder nach oben und drückt die Abgase aus dem Zylinder.

Der 2-Takt-Motor

Der 2-Takt-Motor ist ein einfacherer Motortyp, der keine Ventile benötigt. Er ist in der Regel ein Einzylinder und wird mittels Kühlrippen luftgekühlt.

Zylinderinhalt (Hubraum)

Der Zylinderinhalt (oder Hubraum) eines Verbrennungsmotors ist die Summe des Gesamtvolumens aller Zylinder.

Transport und Logistik

Der Transport dient dazu, die Bewegung von Personen und Gütern zu erleichtern. Er umfasst verschiedene Bereiche:

Straßenverkehr

Im Straßenverkehr werden Straßen nach ihrer Bedeutung und Beschaffenheit klassifiziert, darunter Autobahnen, Schnellstraßen, Landstraßen und konventionelle Straßen.

Schienenverkehr

Der Schienenverkehr basiert auf einem System aus Gleisen und zugehörigen Elementen, auf dem Züge verkehren.

Seetransport (Häfen)

Häfen sind Orte, an denen Schiffe und Boote anlegen können, um Güter und Reisende zu be- und entladen. Sie werden unterschieden:

• Nach ihrer Herkunft: natürlich und künstlich
• Nach Ort: Meer, Fluss und See
• Nach Funktion: Fischerhäfen, Schutzhäfen, Handelshäfen, Militärhäfen und Sporthäfen

Luftverkehr (Flughäfen)

Flughäfen sind definierte Flächen oder Wasserbereiche, die ganz oder teilweise für die Ankunft, den Abflug und die Bodenbewegung von Flugzeugen bestimmt sind.