PW-Hybride: Lösungen und Potenziale

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1 Willkommen Welcome Bienvenue PW-Hybride: Lösungen und Potenziale 25 Jahre Hybrid-Feldversuch ETH Rückblick und Ausblick 20. November 2014 Patrik Soltic Empa Abteilung Verbrennungsmotoren

2 Inhalt Hybridantrieb versus verbesserter Verbrennungsmotor Vergleich der Potenziale Plug-in Hybride Vom Gesetzgeber bevorzugte Technologie

3 Frage: wo sind die Potenziale grösser? Bildquellen: Internet, Bilder ev. urheberrechtlich geschützt

4 Neue Situation gegenüber der «schadstoffgetriebenen Vergangenheit»: CO 2 Grenzwerte Ab 2015: Ab 2021: (m-1372 kg) (m-1372 kg) Zyklus (bis 2017): NEFZ vehicle speed [km/h] ECE EUDC time [s] Werte für 2012 Quelle: ICCT Policy Update, EU CO2 Emission Standards for Passenger Cars and Light-Commercial Vehicles, January 2014 vehicle speed [km/h] Zyklus («wenn möglich» ab 2017): WLTP phase 1 phase 2 phase 3 phase time [s] Knackpunkt: welche Grenzwerte im WLTP?

5 Verbrennungsmotor: Kennfeld eines einfachen PFI 2 Liter 4-Zylinder Saug-Ottomotors % % Bestbereich = Hochlast 0.34 PW-Anwendung = Teillastproblem. Zwei Möglichkeiten zur Verbesserung: p me [bar] % % 0.30 typischer Betrieb im PW = Tieflast 10% % % % % Wirkungsgradabfall in der Teillasst reduzieren Verbrennungsmotor verbessern n [1/min] Drehzahl [1/min] 2. «schlechte» Betriebspunkte vermeiden Hybridantrieb

6 «Willans-Linien» bilden das Wirkungsgradverhalten einfach ab (proportional zur Treibstoffmenge pro Arbeitszyklus)

7 Verlustaufteilung Tieflastpunkt (2000 min -1, 2 bar effektiver Mitteldruck) Wirkungsgrad (%) Verlust idealer Gleichraumprozess unvollständige Verbrennung endlich schnelle Verbrennung Wandwärme Leckage Gaswechsel Reibung effektiver Wirkungsgrad

8 Gedankenexperiment perfekter Ottomotor (vereinfacht) Wirkungsgrad (%) Verlust idealer Gleichraumprozess unvollständige Verbrennung endlich schnelle Verbrennung Wandwärme Leckage Gaswechsel Reibung effektiver Wirkungsgrad Verdoppelung des Wirkungsgrades (Halbierung des Verbrauches) im Teillastpunkt 0

9 Willans-Linie für verschieden perfekte Ottomotoren (proportional zu Treibstoffmenge) Perfekter Ottomotor: Wirkungsgrad von etwa 39% für alle Lasten und Drehzahlen, kein Leerlaufverbrauch

10 Betrachtung «Normalfahrzeug» Masse: 1372 kg Motor: 1.2 Liter Hubraum, 4 Zylinder, 5-Gang Getriebe manuell, Benzin c w * A = 0.59 m 2, Rollreibungskoeffizient Reifen = 0.01, Nebenaggregatelast = 300 W, keinerlei Rekuperation Simulation in EU Testzyklus NEFZ mit verschieden «perfekten» Ottomotoren (ohne Kaltstart) vehicle speed [km/h] ECE EUDC [ ] time [s] fuel consumption [kg/h] ) time [s]

11 NEFZ Verbräuche und CO 2 Emissionen verschieden «perfekter» Benzinmotoren (ohne Kaltstart) g/km g/km 92 69

12 Zwischenfazit für das «Normalfahrzeug» Um die 80 g/km wären mit einem perfekten Ottomotor (gemäss unserer Definition) für ein Referenzfahrzeug mit manuellem 5-Gang Getriebe im Testzyklus erreichbar Je perfekter der Verbrennungsmotor, desto tiefer der Verbrauch Je perfekter der Verbrennungsmotor, desto tiefer der NEFZ-Unterschied Stadt/Überland Diverse Massnahmen in Richtung «perfekter Ottomotor» sind bereits umgesetzt oder in Entwicklung (Beschichtungen, Tribologie, Variabilität in der Ventilsteuerung, Zylinderabschaltung, Abgasrückführung, Verschnellerung der Verbrennung durch Ladungsbewegung und DI, etc.) Zusätzliche Massnahmen (hier nicht berücksichtigt, in Serie bereits umgesetzt): mehr Gänge, automatisierte Getriebe, intelligente Lichmaschine, weniger Zylinder, etc. Hier auch nicht berücksichtigt: Potenziale exergetischer Abwärmenutzung (ORC, Thermoelektrik, Turbocompounding) Weitere CO 2 -Absenkungen sind durch kohlenstoffarme Primärenergieträger oder biogene/synthetische Kraftstoffe machbar, z.b. Erdgas / Biogas / Power-to-Gas

13 NEFZ Verbräuche und CO 2 Emissionen verschieden «perfekter» Erdgasmotoren (ohne Kaltstart) 130 g/km 123 (111) 95 g/km (Schweiz*) 110 (99) 95 g/km 96 (86) 82 (74) 69 (62) 55 (49) * Schweiz: Anrechnung 10% CO 2 Reduktion durch Biogasverpflichtung der Gasindustrie

14 Zwischenfazit für das «Normalfahrzeug» Um die 80 g/km wären mit einem perfekten Ottomotor (gemäss unserer Definition) für ein Referenzfahrzeug mit manuellem 5-Gang Getriebe im Testzyklus erreichbar Je perfekter der Verbrennungsmotor, desto tiefer der Verbrauch Je perfekter der Verbrennungsmotor, desto tiefer der NEFZ-Unterschied Stadt/Überland Diverse Massnahmen in Richtung «perfekter Ottomotor» sind bereits umgesetzt oder in Entwicklung (Beschichtungen, Tribologie, Variabilität in der Ventilsteuerung, Zylinderabschaltung, Abgasrückführung, Verschnellerung der Verbrennung durch Ladungsbewegung und DI, etc.) Zusätzliche Massnahmen (hier nicht berücksichtigt, in Serie bereits umgesetzt): mehr Gänge, automatisierte Getriebe, intelligente Lichmaschine, weniger Zylinder, etc. Weitere CO 2 -Absenkungen sind durch kohlenstoffarme Primärenergieträger oder biogene/synthetische Kraftstoffe machbar, z.b. Erdgas / Biogas / Power-to-Gas 130 g/km wie auch 95 g/km CO 2 sind mit CNG Fahrzeugen mit konventioneller Technik problemlos erreichbar In der Schweiz sind CNG Fahrzeuge durch die 10%-ige CO 2 Reduktion noch «attraktiver» als in der EU Power-to-Gas als Kraftstoff (Methanproduktion z.b. aus temporär überschüssigem grünen Strom): schafft die Schweiz hier auch eine CO 2 -Anrechenbarkeit? Politischer Prozess ist am Laufen.

15 Energiebetrachtung: Fahrzeug in der Ebene (Betrachtung ohne rotative Anteile, ohne Nebenaggregate) x Luftwiderstandskraft Antriebskraft Rollreibungskraft μ Kräfte in x-richtung: Antriebsleistung: +μ Beschleunigungsleistung geht in Wärme «verloren» (Dissipation) Ref: Ott, Zurbriggen, Onder, Guzzella, Cycle Averaged Efficiency of Hybrid Electric Vehicles, Proc IMechE Part D: J Auto. Eng., 227(1) 78 86, 2012

16 Energiebetrachtung: Fahrzeug in der Ebene (Betrachtung ohne rotative Anteile) + Antriebsenergiebedarf pro Strecke s: Antriebsenergiebedarf pro Strecke s für perfekten Hybrid:,.. beim perfekten Hybrid muss der Verbrennungsmotor nur die dissipativen Energien decken Antriebsenergiebedarf pro Strecke s ohne Rekuperation:, Ref: Ott, Zurbriggen, Onder, Guzzella, Cycle Averaged Efficiency of Hybrid Electric Vehicles, Proc IMechE Part D: J Auto. Eng., 227(1) 78 86, 2012

17 Energiebetrachtung: Fahrzeug in der Ebene (Betrachtung ohne rotative Anteile) Antriebsenergiebedarf pro Strecke s ohne Rekuperation:,. Ohne Rekuperationsmöglichkeit muss der Antrieb auch noch die beim Bremsen dissipierte Energie decken Antriebsenergiebedarf pro Strecke s mit realer Rekuperation:, Definition Rekuperationseffizienz: Somit: 1 Ref: Ott, Zurbriggen, Onder, Guzzella, Cycle Averaged Efficiency of Hybrid Electric Vehicles, Proc IMechE Part D: J Auto. Eng., 227(1) 78 86, 2012

18 Beispiel: Energieaufteilung für unser «Normalfahrzeug» mit 1372 kg kg für Hybridantrieb vehicle speed [km/h] ECE EUDC time [s] vehicle speed [km/h] phase 1 phase 2 phase 3 phase time [s]

19 Kraftstoffenergie: Schreibweise mit zwei intuitiv fassbaren Wirkungsgraden «Fuel to Traction» Wirkungsgrad ( ft ) Rekuperationseffizienz ( rek ) 1 1 Für Fahrsituationen mit dominierender dissipativer Energie (Ausserorts, Autobahn): hohes η ft wichtig Für Fahrsituationen mit viel zirkulierender Energie (Stadt, Stau): hohes η rek wichtig Ref: Ott, Zurbriggen, Onder, Guzzella, Cycle Averaged Efficiency of Hybrid Electric Vehicles, Proc IMechE Part D: J Auto. Eng., 227(1) 78 86, 2012

20 Was bringt nun einen tieferen Verbrauch, verbesserter Verbrennungsmotor oder Hybridantrieb? alle Werte ohne Berücksichtigung Kaltstart / Katheizstrategien / Fahrbarkeit / Heizenergiebedarf / sonstige Limitierungen wie NVH Potenzial reiner Verbrennungsmotor < Potenzial Hybridantrieb

21 «Wie viel Hybrid» braucht es denn überhaupt aus energetischer Sicht? Simulationen von T. Ott (IDSC ETHZ) für ein 1500 kg schweres Parallel-Hybrid Fahrzeug im NEFZ und im Real-World Zyklus CADC Mit «wenig Hybrid» holt man bereits den Grossteil des Potenzials, üppig dimensionierte E-Systeme sind für den Fahrzeugeinsatz in der Ebene aus energetischer Sicht nicht notwendig Der «Fuel to Traction» Wirkungsgrad bei Vollhybriden bewegt sich in Richtung des Bestwirkungsgrades des Verbrennungsmotors, Teillastwirkungsgrade werden eher unwichtig.

22 Niedrigst-CO 2 -Konzept: Hybridantrieb + kohlenstoffarmer Kraftstoff Beispiel: CLEVER Projekt (CNG Hybridantrieb) Materials Sci ence & Technolog y BAFU

23 Niedrigst-CO 2 -Konzept: Hybridantrieb + kohlenstoffarmer Kraftstoff

24 Plug-in Hybride Bildquellen: Internet, Bilder ev. urheberrechtlich geschützt

25 Bemerkung zu Plug-in Hybriden Plug-in Hybride tanken in Europa per gesetzlicher Definition CO 2 -freien Strom Im NEFZ, ohne Nebenverbraucher Sobald ein Auto vom Stromnetz geladen werden kann, kann man auf dem Papier phantastisch tiefe CO 2 Emissionen erreichen Die Hersteller werden durch das Gesetz zu Plug-in Fahrzeugen «gezwungen»

26 Plug-in Hybride Was verbrauchen Plug-in Hybride im NEFZ, wenn sie nicht an der Steckdose tanken? Beispiel: Chevrolet Volt / Opel Ampera NEFZ Angabe: 27 g/km CO 2, 1.2 l/100km 80 km, = Beispiel: Toyota Prius Plug-in NEFZ Angabe: 49 g/km CO 2, 2.1 l/100km 25 km, = Beispiel: Mitsubishi Outlander Plug-in NEFZ Angabe: 44 g/km CO 2, 1.9 l/100km 52 km, =

27 Plug-in Hybride Emissionen im Plug-in Betrieb im Vergleich zum Benzinbetrieb Betrachtung von Status-Quo Strom- Mittelwerten ist bei der Frage nach zusätzlichem Strom nicht vertretbar. Kernkraft, EE zum richtigen Zeitpunkt Tag, Sommer Lademenagement Fossil, EE zum falschen Zeitpunkt (Grenzkraftwerk) Nacht, Winter Egal-wann, Ladung, Schnell-Ladung

28 PW-Hybride: Lösungen und Potenziale Fazit Der 95 g/km Grenzwert wird mit Benzinmotoren schwierig zu schaffen sein (mit Diesel schon, allerdings mit sehr aufwändiger Abgasnachbehandlung als Kostenproblem). Hybride werden, speziell bei grösseren/schwereren Fahrzeugen, sehr wichtig werden. Kohlenstoffarme/regenerative Kraftstoffe (speziell CNG, Biogas, Power-to-Gas) werden dem kostengünstigen Ottomotor mit Drei-Wege-Kat in der CO 2 -reglemetierten Zukunft helfen Das Potenzial der Hybridisierung ist grösser als das Potenzial der Verbrennungsmotorentwicklung, d.h. Hybridlösungen werden wichtig (speziell bei grösseren Fahrzeugen) Der «Fuel-to-Traction» Wirkungsgrad des Verbrennungsmotor ist wichtig, d.h. Hochlast ist bedeutender als Teillast, kleine Verluste vom Motor bis zu den Rädern sind wichtig (d.h. keine Serienhybride sondern immer eine mechanische Verbindung VM-Rad) Der «Rekuperationswirkungsgrad» des Antriebsstranges ist wichtig, d.h. gute Leistungselektronik, E-Maschine(n), Leistungsbatterien (oder ein Schwungrad?). Verbrennungsmotor muss im E-Modus abkoppelbar sein (d.h. keine kurbelwellenfeste E- Maschine). Steht meist im Gegensatz zur Anforderung «tiefe Kosten» Die aktuell bei Fahrzeugen geltenden CO 2 -Spielregeln «Strom ist immer Grün, Kohlenwasserstoffe sind immer fossil» bilden die Gegenwart und die Zukunft nicht ab und sind deshalb für alle Beteiligten als CO 2 -Absenkstratgie riskant

29 Kontakt: Patrik Soltic +41 (0)