Analyse des Ethanol-Einflusses auf die CO 2 - Emissionen und die Partikelanzahl- Emissionen von PKW bei der Realfahrt

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1 am Analyse des Ethanol-Einflusses auf die CO 2 - Emissionen und die Partikelanzahl- Emissionen von PKW bei der Realfahrt Univ. Prof. Dr. Bernhard GERINGER Dipl.-Ing. Marcus SZIKORA

2 Motivation Feinstaubalarm öffentliche Wahrnehmung Quelle: orf.at; Entwicklung der Feinstaub-Emissionen in Österreich PM 10 [1000 Tonnen] Verkehr 18,5% Sonstige 2,0% Landwirtschaft 15,7% PM 10 -Verursacher 2014 Energieversorgung 4,3% Kleinverbrauch 23,9% Energieversorgung Kleinverbrauch Industrie Verkehr Landwirtschaft Sonstige Quelle: Umweltbundesamt, 2016 Industrie 35,5% Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 2

3 Motivation Feinstaubalarm Entwicklung der Feinstaub-Immissionen PM 10 Jahresmittelwerte (verkehrsnah) [µg/m³] Berlin Karl-Max-Straße (v) Düsseldorf-Cornelisusstraße (v) Hamburg Stresemannstraße (v) Linz-ORF Zentrum (v) Stuttgart-Am Neckartor (v) Wien-Rinnböckstraße (v) Zürich- Stampfenbachstraße (v) Grenzwert EURO 1 PKW EURO 2 PKW EURO 3 PKW Dresden - Nord (v) Düsseldorf-Mörsenbroich (v) Innsbruck Fallmerayerstraße (v) München-Stachus (v) Stuttgart-Mitte, Arnulf-Klett-Platz (v) Wien-Liesing-Gewerbegebiet (v) PM10 Mittelwert (v) EURO 4 PKW EURO 5 PKW EURO 6 PKW Quelle: Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 3

4 Motivation Maßnahmen zur Reduktion der Feinstaubbelastung durch PKWs zulässige Emissionsgrenzwerte - Benzinfahrzeuge Stufe CO HC HC+NOx NOx PM PN g/km #/km Euro (3.16) (1.13) Euro Euro Euro Euro d Euro d * * /km innerhalb der ersten drei Jahre nach Einführung von Euro 6 Quelle: Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 4

5 Motivation Umsetzung der Richtlinie 2003/30/EG und der Richtlinie zur Förderung erneuerbarer Energieträger 2009/28/EG erfolgt im Rahmen der österr. Kraftstoffverordnung legt fest, dass pro Jahr ein vorgegebener Anteil durch Biokraftstoffe oder andere erneuerbare Kraftstoffe zu substituieren ist, um (u.a.) die CO 2 -Emissionen zu reduzieren Beimischungsquote lag 2013 bei 5,6 Vol.-% Neben geringeren CO 2 -Emissionen aufgrund der nachhaltigen Erzeugung, weist Ethanol aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung weitere CO 2 - Vorteile bei der motorischen Verbrennung auf. Untersuchungsziele Fokus erhöhte Ethanol-Beimischung: Ermittlung der CO 2 -Vorteile bei der motorischen Verbrennung unter kundenüblichen Betriebsbedingungen (Realfahrt auf der Straße) Ermittlung zu erwartender Vorteile bei den Partikelemissionen bei direkteinspritzenden Otto-Motoren unter realen Fahrbedingungen Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 5

6 Arbeitsumfang Für die Beurteilung des Einflusses höherer Ethanolanteile im handelsüblichen Ottokraftstoff werden drei Kraftstoffe untersucht. Untersuchte Kraftstoffe: E5 (5 prozentige Ethanol-Beimischung; Basiskraftstoff) E10 (10 prozentige Ethanol-Beimischung) E20 (20 prozentige Ethanol-Beimischung) Als Fahrzeuge werden drei direkteinspritzende Otto-PKW herangezogen. Eines der drei Fahrzeuge verfügt über einen elektrifizierten Antriebsstrang (Plug-In Hybrid), um etwaig abweichende Ergebnisse bei alternativen Antriebsstrangkonzepten zu erfassen. Testdurchführung Onroad, d.h. im realen Straßenverkehr (Verkehr, Witterung, etc. veränderlich) Rollenprüfstand (Bedingungen und Geschwindigkeitszyklus definiert) Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 6

7 Testdurchführung Fahrzeugauswahl Im Rahmen der Untersuchungen verwendete Fahrzeuge Allgemein Bezeichnung Fahrzeug 1 Fahrzeug 2 Fahrzeug 3 Antriebskonzept PHEV konventionell konventionell Emissionsklasse EU 6 EU 6 EU6 VKM Elektromaschine - 4-Zylinder-Reihenmotor - 1,4 l DI-Ottomotor mit ATL - Leistung: 110 kw - Drehmoment: 250 Nm - Leistung: 75 kw - Drehmoment: 330 Nm Antriebsstrang - 4-Zylinder-Reihenmotor - 1,2 l DI-Ottomotor mit ATL - Leistung: 63 kw - Drehmoment: 160 Nm - 4-Zylinder-Reihenmotor - 1,6 l DI-Ottomotor mit ATL - Leistung: 90 kw - Drehmoment: 200 Nm - - Getriebe 2 hintereinander angeordnete 3- Wege Katalysatoren HV-Batterie 8,8 kwh - - Abgasnachbehandlung 3-Wege Katalysator 3-Wege Katalysator 6-Gang- Doppelkupplungsgetriebe (automat.) 5-Gang Schaltgetriebe 7-Gang- Doppelkupplungsgetriebe (automat.) Antriebssart Vorderradantrieb Vorderradantrieb Vorderradantrieb Testmasse ca kg ca kg ca kg Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 7

8 Testdurchführung Onroad Messstrecke Wien-Umgebung Dauer: ca. 100 min ø-geschwindigkeit: ca. 50 km/h Strecke: ca. 82 km Anteile (bezogen auf Ges.strecke): Innerorts: ca. 34 % Außerorts: ca. 33 % Autobahn: ca. 33 % kumulierte pos. Höhendifferenz: 675 m/100 km sechs Messfahrten je Kraftstoff insgesamt 54 Messfahrten Höhe [m] Messung der CO 2 -Emissionen sowie der Partikelanzahl (PEMS) Zeit [s] Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 8

9 Testdurchführung Onroad - Setup Messgrößen PEMS* Konzentrationen gasförmiger Abgasbestandteile (CO, CO 2, NO, NO 2, O 2 ) Partikelanzahl (PN) im Abgasstrom Abgasmassenstrom Umgebungsdaten (z.b. Temperatur, Luftdruck) Fahrzeugdaten (z.b. Fahrgeschwindigkeit, Motordrehzahl mittels OBD- Schnittstelle) * PEMS = Portable Emission Measurement System Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 9

10 Testdurchführung Rollenprüfstand Geschwindigkeitsprofil aus einer repräsentativen Realfahrt Geschwindigkeit [km/h] Zeit [s] Dauer: 103 min ø-geschwindigkeit: 48,2 km/h Strecke: ca. 82,6 km Anteile: Innerorts 32 % Außerorts 38 % Autobahn 30 % Umgebungstemperatur: 21,6 C (konst.) (mind.) 2 Messfahrten je Kraftstoff insgesamt 18 Messfahrten Messung der CO 2 -Emissionen sowie der Partikelanzahl (PEMS) Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 10

11 Testdurchführung Rollenprüfstand - Setup Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 11

12 Ergebnisse Fahrzeug 1 (PHEV) Vergleich der Emissionsergebnisse Streckenspezifische CO 2 -Emissionen in g/km Realfahrten Rollenprüfstand streckenspez. CO 2 - Emissionen [g/km] Mittelwert [g/km] 121,1 118,8 116,9 Abw. zu E5 - -1,9 % -3,5 % 113,3 112,6 112,2 - -0,7 % -1,0 % Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 12

13 Ergebnisse Fahrzeug 1 (PHEV) Vergleich der Emissionsergebnisse Streckenspezifische Partikelanzahl-Emissionen in Partikel/km Realfahrten Rollenprüfstand streckenspez. PN- Emissionen [Partikel/km] 1,5E+12 1,0E+12 5,0E+11 0,0E+00 1,5E+12 1,0E+12 5,0E+11 0,0E+00 Mittelwert [P/km] 1,13E+12 8,93E+11 4,39E+11 Abw. zu E ,0 % -61,2 % 9,58E+11 8,70E+11 6,01E ,2 % -37,3 % Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 13

14 Zusammenfassung CO 2 -Emissionen Bei den CO 2 -Emissionen ergibt sich eine Reduktion von bis zu 3,5 % (Gesamtergebnisse der 3 Fahrzeuge Vergleich E5 mit E20) CO 2 -Emissionen 100% 98% 96% -0,3 % -1,9 % -1,0 % -3,5 % 94% Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 14

15 Zusammenfassung CO 2 -Emissionen CO 2 -Gesamtbilanz Vorteile von Bio-Ethanol 120% 100% E0 Wechsel auf E20 (C/H Verhältnis) CO 2 Reduktionspotenzial TTW WTT Kraftstoff CO 2 Reduktionspotenzial WTT Ethanol CO 2 -Emission [%] 80% 60% 40% thermodynamische Vorteile (Verbrennung) bis zu - 5% bis zu -70% 20% 0% Tank-to-Wheel (TTW) Well-to-Tank (WTT) Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 15

16 Zusammenfassung Partikelanzahl-Emissionen Bei den Partikelanzahl-Emissionen ergibt sich eine Reduktion von bis zu 61 % (Gesamtergebnisse der 3 Fahrzeuge Vergleich E5 mit E20) PN-Emissionen 100% 80% 60% 40% 20% -9 % -23 % -37 % -61 % 0% Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 16

17 Fazit Im Rahmen der Untersuchungen wurden 3 Fahrzeug mit E5, E10 und E20 auf der Straße als auch auf dem Rollenprüfstand vermessen. Insgesamt wurden dabei 72 Messfahrten durchgeführt. Emissionsreduktion von Ethanol-Beimischungsgrad gegenüber Tankstellenbenzin (E5) CO 2 -Emissionen: E10 bis zu -2,0 % E20 bis zu -3,5 % Partikelanzahl-Emissionen: E10 bis zu -23 % E20 bis zu -61 % Die beschriebenen Vorteile wurden an modernen EURO-6 Fahrzeugen festgestellt, ergeben sich jedoch in analoger Weise auch bei älteren Fahrzeugmodellen und wirken somit auf die gesamte Fahrzeugflotte bei Beimischung Univ. Prof. Dr. B. Geringer Folie 17

18 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Univ. Prof. Dr. Bernhard GERINGER Dipl.-Ing. Marcus SZIKORA