Warum gibt es keine Elektroherde, mit denen man kochen kann, wo man kein Feuer machen kann?

Vergleich von Kohlenwasserstoffen mit Batterien

Wie Olin Lathrop schrieb, ist das große Problem die Energiedichte: Kohlenwasserstoffbrennstoffe bieten im Vergleich zu jeder aktuellen Batterietechnologie einfach eine riesige Energiemenge pro Masseneinheit. Um einige Zahlen dazu zu nennen, können wir uns die Wikipedia-Seite zur Energiedichte ansehen . Vergleichen wir Ethanol (wahrscheinlich der am wenigsten energiedichte der üblicherweise verwendeten Campingkocherbrennstoffe) mit nicht wiederaufladbaren Lithiumbatterien (der energiedichtesten der aktuellen Batterietechnologien).

Ethanolkraftstoff liefert 26,4 MJ/kg; Lithiumbatterien liefern 1,8 MJ/kg – weniger als ein Vierzehntel davon pro Masseneinheit. Wenn Sie also 100 g Ethanol (ca. 127 ml) zum Kochen hätten und es durch elektrischen Strom ersetzen wollten, bräuchten Sie etwa 1,4 kg Einweg-Lithiumbatterien . Wenn Sie wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien möchten, benötigen Sie etwa 2,8 kg davon (die Energiedichte ist etwa halb so hoch wie bei Einwegbatterien). Wie Gerrit in den Kommentaren betonte, müssen Sie auch über die Leistungsdichte nachdenken : Selbst wenn Ihre Batterie genug Energie zum Kochen enthält, kann sie diese Energie möglicherweise nicht schnell genug für das praktische Kochen abgeben.

Die Batterietechnologie verbessert sich ständig, aber es gibt derzeit keine Technologien in der Entwicklung, die auch nur annähernd die Größenordnung erreichen würden, die erforderlich wäre, um sie hinsichtlich der Energiedichte mit Kohlenwasserstoffen konkurrenzfähig zu machen.

Es ist also nicht ideal, aber ist es machbar?

Es ist klar, dass Batterien eine weitaus geringere Energiedichte als Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe haben, aber das bedeutet nicht unbedingt, dass sie eine verlorene Sache sind – vielleicht wäre das zusätzliche Gewicht klein genug, um handhabbar zu sein, besonders wenn Sie in einem wandern Deutscher Wald, wo die einzigen Alternativen zum flammenlosen Heizen Gesetzesverstöße und kalte Speisen sind.

Ich beginne mit der Auswahl eines Batteriepakets und schaue dann, wie viel Kochen wir daraus machen können. Dieser E-Bike-Akkupack wird derzeit bei Amazon für etwa 277 USD verkauft. Seine Eckdaten sind: 24 V, 11 Ah, 262 Wattstunden oder 943 kJ Energiekapazität. Es wiegt etwa 2,3 kg und kann 15 Ampere Dauerleistung abgeben, was maximal 360 Watt ergibt. (Ich habe speziell nach einem E-Bike-Akkupack gesucht, da dieser eher auf relativ hohe Leistung ausgelegt ist.) Zum Kochen halten wir es einfach und entscheiden uns, dass wir nur Wasser kochen wollen, das wir dann für Getränke verwenden können. Instant-Suppen, Nudeln, dehydrierte Mahlzeiten und so weiter. So können wir den Akkupack an einen 24-Volt-Elektroheizstab wie diesen anschließen. Es hat eine Nennleistung von 200 Watt, was gut innerhalb der Kapazität des Akkus liegt. Ich sehe hier kein Gewicht angegeben, aber andere ähnliche Heizelemente, die ich online gesehen habe, wiegen weniger als 100 g, sodass unser gesamtes elektrisches Heizsystem weniger als 2,4 kg wiegt.

Wie viele warme Mahlzeiten können wir mit dieser Einrichtung zubereiten? Wasser hat eine spezifische Wärmekapazität von etwa 4,18 J⋅g ⁻¹ ⋅K ⁻¹ . Nehmen wir an, wir wollen für jede Mahlzeit 500 ml Wasser von 15°C auf 100°C erhitzen. Dafür werden 4,18 × 500 × 85 = 177650 J Energie benötigt. Runden wir auf und nennen es 200 kJ, da das Wasser möglicherweise kälter ist und wir etwas Wärme an den Topf verlieren. Um diese Berechnung noch einmal zu überprüfen, habe ich gerade meinen 1-kW-Wasserkocher so eingestellt, dass er 500 ml 11 °C warmes Leitungswasser zum Kochen bringt; Es dauerte 210 Sekunden, also (vorausgesetzt, die Nennleistung stimmt) wurden 210 kJ Energie verbraucht. Wenn wir uns daran erinnern, dass der Akku 943 kJ fasst, und diesen höheren Wert für das Kochen des Wassers verwenden, erhalten wir 943 / 210 = ~ 4,5 halbe Liter Kochen aus einem 2,4 kg elektrischen Heizsystem.

Ob dies praktikabel ist oder nicht, hängt von den Umständen und dem persönlichen Urteil ab. Bei einer zweitägigen Wanderung würde Ihnen diese Anordnung jeden Morgen mindestens ein heißes Getränk und jeden Abend ein heißes Getränk und eine warme Mahlzeit geben. Wenn Sie mit 560 ml kochendem Wasser pro Tag auskommen, könnten Sie sogar bis zu vier Tage ausdehnen. Die 2,4 kg wären für ein Hardcore-Ultraleichtgewicht wahrscheinlich undenkbar, aber es ist eindeutig kein untragbares Gewicht. Für längere Wanderungen wird es natürlich schnell unpraktisch. An dieser Stelle muss man wohl über Solarpanels zum Aufladen in der Wildnis nachdenken :-).

Die Dinge werden besser (aber sehr langsam)

Die Lithium-Ionen-Technologie ist seit 1991 auf dem Markt, mit variablen, aber ziemlich kontinuierlichen Verbesserungen von einem Jahr zum anderen. Die Energiedichte nimmt tendenziell im Durchschnitt um einige Prozent pro Jahr zu. Dies führt langfristig zu deutlichen Verbesserungen: Wie die unten stehende Grafik von Masias et al. (2013) zeigt, verbesserte sich die Energiedichte der üblichen 18650er Batteriezelle zwischen 1991 und 2013 um mehr als den Faktor 2,5:

Ähnliche Trends sind in den Daten von Jeong et al. (2011) und Pistoia (2014).

Wir können wahrscheinlich davon ausgehen, dass diese geringfügigen Verbesserungen noch mindestens ein paar Jahre anhalten (Tesla scheint zum Beispiel ziemlich zuversichtlich zu sein). Unser 2,4-kg-Wochenendwasserkocher wird also in absehbarer Zeit wahrscheinlich unter 2 kg fallen, aber darüber hinaus ist es schwer zu sagen. Selbst wenn sich die Energiedichte von Lithium-Ionen auf unbestimmte Zeit um 10 % pro Jahr verbessern könnte, würde es mehr als zwei Jahrzehnte dauern, um Ethanol einzuholen. Möchtegern-Elektrowanderer sollten ihre Hoffnungen besser auf die Entwicklung eines völlig neuen Batteriedesigns setzen. Es gibt viele Forschungsgruppen, die an möglicherweise revolutionären neuen Batterietechnologien arbeiten, aber potenziell ist hier das Schlüsselwort: Nur sehr wenige gute Ideen überleben den langen Weg vom Notebook über das Labor bis zur Fabrik.

Verweise

Jeong, G., Kim, YU, Kim, H., Kim, YJ, & Sohn, HJ (2011). Prospektive Materialien und Anwendungen für Li-Sekundärbatterien. Energie- und Umweltwissenschaften , 4(6), 1986-2002.

Masias, A., Snyder, K., & Miller, T. (2013). Energiespeicherbedarf der Autohersteller für Elektrofahrzeuge. In Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress (S. 729-741). Berlin: Springer.

Pistoia, G. (Hrsg.). (2014). Lithium-Ionen-Batterien: Fortschritte und Anwendungen . Amsterdam: Elsevier.

Es gibt keine elektrischen Backcountry-Kocher, weil die Verlängerungskabel nicht lang genug sind.

Im Ernst, woher schlagen Sie vor, die Energie zu beziehen? Batterien der aktuellen Technologie haben nicht die gleiche Energiedichte nach Gewicht oder Volumen wie chemische Kraftstoffe. Die Batterietechnologie schreitet schnell voran, so dass dies eines Tages vielleicht nicht mehr der Fall sein wird, aber heute ist es so.

Anders ausgedrückt, Sie möchten nicht die Batterien herumschleppen, die für den Betrieb Ihres Elektroherds erforderlich wären, also sind wir wieder bei langen Verlängerungskabeln.

Energiedichte

Ich hatte gestern keine Zeit, als ich diese Antwort schrieb, aber hier ist eine detailliertere Analyse von Batterien im Vergleich zu chemischem Brennstoff für einen Backcountry-Kocher.

Ich konnte keine genauen Energiedichtewerte für "Coleman-Kraftstoff" finden, wie ich es beabsichtigt hatte, aber Benzin sollte nahe genug sein. 1 Liter Benzin enthält etwa 32 MJ Energie, hat eine Masse von etwa 730 g und wiegt etwa 1,6 Pfund. Es erfordert einen Behälter, also sagen wir, es wiegt insgesamt 2 Pfund .

Wenn Sie es ernst meinen, einen Backcountry-Kocher mit Batterien zu betreiben, sollten Sie wiederaufladbare Batterien verwenden. Ich denke, nur wenige hier mit einer anständigen Umweltethik würden bei jeder Reise einen Haufen Einwegbatterien verbrauchen und dann wegwerfen wollen.

Heute (Februar 2016) ist wahrscheinlich die am besten verfügbare und zugänglichste wiederaufladbare Batterie mit anständiger Energiedichte eine Art Lithium im 18650-Formfaktor. Diese haben eine Betriebsspannung von etwa 3,5 - 4,3 V über einen Entladezyklus. Sie können heute verschiedene Zellen mit einer Nennleistung von 5 Ah von No-Name-Unternehmen erhalten. Seriöse Firmen versprechen etwa die Hälfte, daher ist die Zahl von 5 Ah eher suspekt. Lassen Sie uns dennoch so optimistisch wie möglich sein. Nehmen wir auch an, dass die durchschnittliche Entladespannung 4,0 beträgt, was wiederum optimistisch ist. Das ergibt 20 Wh oder 72 kJ pro vollgeladenem Akku. Es bräuchte also 444 Batterien , um die gleiche Energie wie der Liter Benzin zu liefern.

Diese Batterien haben eine Masse von etwa 50 g, das sind also 22 kg Batterien für die 730 g Benzin. Das sind 49 Pfund Gewicht im Vergleich zu 2 Pfund für das Benzin in einem Container oder etwa 24 Mal schwerer .

Lautstärke ist ein weiteres Problem. Diese Batterien sind zylindrisch, 65 mm lang und 18 mm im Durchmesser, für jeweils insgesamt 16,5 ml. Sie können nicht ohne Zwischenraum verpackt werden, aber selbst wenn sie könnten, würden die 444-Akkus 7,3 Liter Platz einnehmen, in Wirklichkeit wahrscheinlich eher 10 Liter .

Nehmen wir an, Sie möchten mindestens 100 ml Benzin mitnehmen . Das reicht kaum aus, um mit den meisten Herden einen Topf Wasser zum Kochen zu bringen, und ich denke, in Wirklichkeit würde niemand so wenig nehmen. Aber vergleichen wir das trotzdem mit den Batterien. Das wären 44 Zellen mit einer Masse von 2,2 kg und einem Gewicht von 4,8 Pfund .

Natürlich ist das eine persönliche Einschätzung, aber für mich wäre das "zu schwer und zu groß", um sich zu lohnen. Ich würde entweder das Benzin mitnehmen oder auf einen Kocher verzichten.

Batteriebetriebene Herde und Öfen sind erhältlich, aber sie werden nicht so heiß wie ein normaler Ofen. Sie sind so konzipiert, dass sie an die 12-V-Steckdose eines Autos angeschlossen werden können, daher benötigen sie eine Autobatterie, was für jemanden, der zu Fuß geht, unpraktisch ist. Infolgedessen sind sie nicht auf ein geringes Gewicht ausgelegt. Sie arbeiten jedoch für Autocamping. In den USA werden sie oft von Truckern genutzt, die tagelang außerhalb ihrer Fahrzeuge leben.

Möglicherweise können Sie eine Möglichkeit finden, eines dieser Geräte mit einem Lithium-Ionen-Akku zu betreiben, wodurch das Gewicht für einen Wanderer, der bereit ist, ein erhebliches zusätzliches Gewicht zu tragen, akzeptabel wird. Aber dafür müssten Sie mit einem Elektriker sprechen, nicht mit mir.

Wie andere bereits betont haben, besteht das Hauptproblem bei elektrischen Heizmethoden darin, dass sie viel Energie benötigen, und die aktuelle Batterietechnologie ist weit davon entfernt, diese Energie in einer bequem tragbaren Einheit zu speichern.

Da Ihr Hauptziel darin zu bestehen scheint, beim Camping, wo Feuer / Flammen nicht erlaubt sind, heißes Essen / Wasser zu bekommen, würde ich vorschlagen, dass Sie sich nach nicht brennbaren chemischen Heizbeuteln umsehen. Diese flammenlosen Rationserhitzer geben über mehrere Minuten genug Wärme ab, um einen Beutel mit Essen oder Wasser zu erhitzen - es ist weit entfernt von einem frisch zubereiteten Frittierten, aber es könnte das Beste sein, was Sie bekommen können!

Wie wir in anderen Antworten gesehen haben, würde die aktuelle Batterietechnologie etwa 1 bis 2 Pfund Batterie pro halben Liter gekochtem Wasser erfordern (oder einfach mehr Batterie als Wasser). Die einzige praktische Möglichkeit, die wir heute haben, um genügend Strom für ein vernünftiges Gewicht zu erhalten, wäre die Verwendung einer Wasserstoff-Brennstoffzelle. Sie werden allmählich kleiner und billiger, sodass Sie vielleicht eines Tages eines verwenden können, wenn Sie (heute) jung genug oder reich genug sind, um die Forschung und Entwicklung selbst voranzutreiben.