Die Elektrifizierung des automobilen Antriebs. Technik, Status und Perspektiven. Wolf-Henning Scheider,

Transkript

1 Juni 2009 RF d mic/na Die Elektrifizierung des automobilen Antriebs Technik, Status und Perspektiven Wolf-Henning Scheider, Vorsitzender des Bereichsvorstands Gasoline Systems Vortrag zum 59. Internationalen Motorpressekolloquium Juni 2009 in Boxberg Es gilt das gesprochene Wort. Robert Bosch GmbH Postfach Stuttgart Corporate Communications Telefon: Telefax: Leitung: Uta-Micaela Dürig Presse-Forum :

2 Sehr geehrte Damen und Herren, Diesel und Benziner werden in den kommenden 20 Jahren im Automobil dominieren. Wir sehen ein Verbrauchs-Einsparpotenzial von bis zu einem Drittel für beide Antriebsarten. In wenigen Jahren wird ein serienmäßiges Auto in der unteren Mittelklasse nur noch drei Liter Diesel auf 100 Kilometer verbrauchen. Nichtsdestotrotz: Wir wissen, dass die Vorräte an fossilen Brennstoffen begrenzt und für die Zukunft Alternativen gefragt sind. Deswegen bereiten wir uns schon heute auf die Zeit nach den fossilen Kraftstoffen vor. Zum einen haben wir unsere Einspritzsysteme auf die Nutzung alternativer Kraftstoffe angepasst. Dazu gehören Ethanol, Compressed Natural Gas sowie Bio- oder synthetische Kraftstoffe. Zum anderen arbeiten wir an der Elektrifizierung des Antriebs, der das Auto der Zukunft mit mehr Effizienz und weniger CO2-Emissionen antreiben wird insbesondere dann, wenn der Strom dafür aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Die Bandbreite an Antriebstechnologien wächst also in den kommenden Jahren. Für die Elektrifizierung des Antriebs stehen im Fokus heutiger Entwicklungsaktivitäten Technologien wie der Hybridantrieb, der rein elektrische Antrieb oder der Range Extender, ein kleiner Verbrennungsmotor, der einen Generator antreibt und damit bei langen Fahrstrecken eine Batterie auflädt, die wiederum Energie für einen elektrischen Antrieb liefert sowie die Brennstoffzelle als Energiewandler. Die Elektrifizierung des Antriebs gewinnt immer mehr an Bedeutung. Denn betrachtet man den Wirkungsgrad, so ist der elektrische Antrieb das effizienteste Konzept. Steckt man in einen herkömmlichen Verbrennungsmotor eine Kilowattstunde Energie, so lassen sich 2von 12

3 damit zwischen 1,5 und 2,5 Kilometer zurücklegen. Selbst ein Diesel-Hybrid, die Kombination aus Diesel- und Elektromotor, schafft maximal 3,2 Kilometer. Ein Elektromotor setzt eine Kilowattstunde in mehr als 6,5 Kilometer um. Deswegen sind wir davon überzeugt: In ferner Zukunft fährt das Automobil mit einem elektrischen Antrieb. Wie schnell sich elektrische Antriebe auf unseren Straßen durchsetzen werden, hängt von einer Vielzahl von Treibern ab. Ein wesentlicher Aspekt ist die Weiterentwicklung der Lithium- Ionen-Batterie in Bezug auf Kosten und Kapazität. Weiterhin zählen die Entwicklung des Rohölpreises und gesetzliche Vorgaben, wie die der EU zur Reduzierung der CO2-Emissionen oder die der amerikanischen Corporate Average Fuel Economy dazu. Zudem wächst die Zahl der Mega-Cities weltweit. Demnach wohnen in sieben Jahren mehr als 500 Millionen Menschen in Mega-Städten. Elektrofahrzeuge sind prädestiniert für innerstädtischen Verkehr mit kurzen Distanzen. Mit ihrem weitgehend emissionsfreien Antrieb erfüllen sie zudem städtische Verkehrsbeschränkungen, wie sie zum Beispiel bereits in London in Kraft sind. Besonderes Potenzial für Elektrofahrzeuge sehen wir etwa in den Mega-Städten Chinas. Die Menschen dort steigen gerade auf das Auto um. Mobilität mit einem Automobil steht hier im Vordergrund und weniger die Art der Antriebstechnologie. 3von 12

4 Hybridantriebe als Brückentechnologie Mittels Hybridantrieb lassen sich Verbrauch und Emissionen von konventionellen und bereits auf dem Markt eingeführten Antriebskonzepten reduzieren. Der Mild-Hybrid nutzt dafür eine Start/Stopp-Funktion und kann zusätzlich elektrische Energie beim Bremsvorgang zurückgewinnen. Beim Beschleunigen unterstützt die elektrische Maschine mit ihrem Antriebsmoment den Anfahrvorgang. Dies ermöglicht den Einsatz eines kleineren Verbrennungsmotors. Das Ergebnis ist eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 15 Prozent im Mittel des NEFZ beim Vergleich mit einem Benzinmotor mit Direkteinspritzung. Je nach Auslegung liegen die Mehrkosten des Systems für den Autohersteller, einschließlich einer kleinen Lithium-Ionen-Batterie, künftig auf dem Niveau eines hocheffizienten Dieselantriebs. Ein Strong-Hybrid bietet alle Vorteile eines Mild-Hybrids. Darüber hinaus lassen sich damit kürzere Strecken ausschließlich im Elektrobetrieb zurücklegen. Hierfür verfügt das Fahrzeug über eine deutlich stärkere elektrische Maschine und eine größere Batterie. Diese zusätzliche Kraft sorgt zudem in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor für eine stärkere Beschleunigung zum Beispiel beim Überholen dem sogenannten Boost-Effekt. Die Kraftstoffeinsparung beträgt bis zu 25 Prozent im Mittel des NEFZ, die Zusatzkosten für das System liegen jedoch bei rund einem Anderthalbfachen eines Mild-Hybrids. Der Plug-in-Hybrid kann zusätzlich über das Stromnetz aufgeladen werden und ermöglicht damit lokal emissionsfreies Fahren. In allen Varianten bietet die Verbindung aus Dieselmotor mit Hybrid das größere Potenzial bei der CO2-Reduktion. 4von 12

5 Wir sehen Hybridantriebe als eine Brückentechnologie auf dem Weg zum rein elektrischen Fahren. Besonders im Stadtverkehr etwa bei Lieferfahrzeugen von Kurierdiensten stellt er dank der häufigen Start/Stopp-Intervalle einen effizienten Antrieb dar. Allerdings ist die Integration des elektrischen Antriebs bei einem Strong-oder Plug-in-Hybriden technisch aufwändig und mit hohen Kosten verbunden. Zudem belastet der zweite Antrieb ein Hybridfahrzeug durch zusätzliches Gewicht. Für Oberklasse-Fahrzeuge mag das im Hinblick auf das mögliche CO2-Einsparpotenzial Sinn machen. Klein- und Mittelklassewagen lassen sich hingegen mittels konventioneller Techniken kostengünstiger auf die künftig gesetzlich geforderten CO2- Werte bringen. Weniger Technik an Bord: der Range Extender Ein weiteres Konzept auf dem Weg zum elektrischen Fahren ist der Range Extender: ein kleiner, leichter, akustisch optimierter Verbrennungsmotor mit 15 bis 35 Kilowatt Leistung, der stets im optimalen Betriebspunkt läuft und damit wenig Kraftstoff verbraucht. Er lädt im Bedarfsfall die Batterie, die die Energie für den elektrischen Antrieb liefert. Die Vorteile: Weniger Technik an Bord senkt im Vergleich zum Hybridantrieb die Kosten und das Gewicht. So entfällt etwa das Getriebe des Verbrennungsmotors oder der herkömmliche Generator. Die Batterie kann verglichen mit einem reinen Elektrofahrzeug zudem kleiner ausgelegt werden, was ebenfalls Kosten und Gewicht spart. Durch den Einsatz des Range Extenders sind grundsätzlich Distanzen wie bei einem konventionellen Fahrzeug möglich. Auch für diesen kleinen Verbrennungsmotor können wir eine Vielzahl von bereits bewährten Komponenten anbieten. Dazu zählen zum Beispiel das Motormanagement oder 5von 12

6 die Einspritztechnik des Verbrenners, während ein Hoch-Volt- Generator hinzukommt, der die Batterie lädt. Allerdings wird der Autofahrer beim Range Extender umdenken müssen. Geht die Batterieladung zur Neige, wird ein Range Extender mit 28 Kilowatt Leistung ausreichen, um mit dem Fahrzeug weiterfahren zu können allerdings mit maximal 120 Stundenkilometern für Fahrten in der Stadt oder Überlandstrecken ausreichend. Das Fahrprofil des Fahrzeugs wird also die Auslegung des Range Extenders hinsichtlich seiner Leistung bestimmen. Für höhere Geschwindigkeiten über längere Distanzen ist eine stärkere Motorisierung vergleichbar mit der eines Strong- oder Plug-in-Hybrids erforderlich. Ein solches Fahrzeug muss in allen Komponenten stärker ausgelegt werden und wird damit schwerer und weniger energieeffizient. Hybrid- wie elektrische Antriebe haben eine hohe Komplexität. Als Beispiele sind hier die Hybridantriebe im VW Touareg und im Porsche Cayenne zu nennen zwei wichtige Meilensteine für die Automobilindustrie. Verbrenner und elektrische Maschine sind perfekt aufeinander abgestimmt. Die Technik für diese Parallelhybride stammt komplett von Bosch. Hierfür steuern wir umfassendes System-Know-how bei: beim Elektroantriebs- und Bremsenmanagement sowie zur Steuerung von Motor, Kupplung und Getriebe. Damit der Fahrkomfort nicht leidet, erfordert etwa das Zusammenspiel von Elektro- und Verbrennungsmotor sowie dem Getriebe eine ausgeklügelte Steuerungselektronik. Diese Steuerung zählt zu den Kernkompetenzen von Bosch. Anspruchsvoll ist auch das Energiemanagement. Hier arbeiten wir an einer kompakten Leistungselektronik, die im Hybrid- und Elektrofahrzeug die Energieströme steuert. Bei der ersten 6von 12

7 Generation haben wir bei 50 Kilowatt elektrischer Leistung noch ein Bauvolumen von 13 bis 14 Litern. Die nächste Generation wird nur noch fünf Liter haben und wir arbeiten inzwischen bereits an einer Drei-Liter-Variante. Komplex gestaltet sich auch die Energierückgewinnung während des Bremsvorgangs die Rekuperation. Wir entwickeln ein neues ESP, das elektronisch die Bremsleistung von Elektromotor und Reibbremse koordiniert. Zudem werden elektrische und hocheffiziente Nebenaggregate benötigt, wie etwa eine elektrische Unterstützung der Servolenkung, wie wir sie bereits heute in unserem Joint Venture mit der ZF Lenksysteme GmbH anbieten. Denn bei allen Reichweiteberechnungen wird für zukünftige Elektrofahrzeuge ein hocheffizientes Gesamtsystem unterstellt, damit der Batteriestrom vor allem dem Antrieb zugute kommt. Und dank unseres im Jahr 2008 mit Samsung SDI gegründeten Joint Ventures SB LiMotive bieten wir künftig auch die notwendigen Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher einschließlich des Batteriemanagementsystems an. Auch an der für Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge notwendigen Ladetechnik arbeiten wir. Mit diesem Portfolio bei der Systemintegration als auch bei den Einzel-Komponenten zählt Bosch zu den wenigen Komplettanbietern für Hybrid- und elektrische Antriebe in der Branche. Wir sehen uns damit für den Hybrid- und elektrischen Antriebsstrang umfassend und gut aufgestellt. Und unsere Kunden honorieren dieses Engagement: So haben wir mit PSA Peugeot Citroën ein strategisches Partnerschaftsabkommen für Diesel-Hybridfahrzeuge geschlossen. Neben der Antriebselektronik entwickelt und liefert Bosch auch die Elektromotoren für den elektrischen Achsantrieb auf der Hinterachse dieser allradgetriebenen Fahrzeuge. Ein weiterer Schritt hin zum Elektrofahrzeug. 7von 12

8 Die Zukunft: rein elektrisches Fahren Einen rein elektrischen Antriebsstrang heute technisch zu realisieren, ist ohne weiteres möglich. Bosch trägt hier mit seinen Systemen und Komponenten dazu bei angefangen bei der elektrischen Maschine. Wir bieten Motoren verschiedener Leistungsstufen bis 50 Kilowatt und bis 350 Newtonmetern Drehmoment an sowohl zur Integration in den Antriebsstrang von Hybridfahrzeugen als auch als separate Lösungen für reine Elektroantriebe. Für bestimmte Fahrzeugsegmente planen wir zudem Elektromotoren mit höherer Leistung. Weiterhin entwickeln wir effiziente Nebenaggregate sowie eine elektronische Steuerung des Gesamtsystems oder die Ladetechnik für die Batterie. Um allerdings mit einem Elektroauto über akzeptable Distanzen rein elektrisch fahren zu können, müssen noch viele technologische Meilensteine erreicht werden. Insofern werden Zwischenlösungen, wie etwa der Range Extender, so lange relevant bleiben, bis mit dem Elektroauto akzeptable Reichweiten realisierbar sind. Denn die Reichweite eines Elektroautos ist abhängig vom energetischen Gesamtkonzept des Fahrzeugs. Für die Zukunft werden deswegen völlig neue Fahrzeugkonzepte notwendig, deren Ausgestaltung in den Händen der Automobilhersteller liegt. So kommt dem Leichtbau des Fahrzeugs eine wesentliche Rolle zu. Gleiches gilt für eine optimierte Aerodynamik oder den Rollwiderstand, der sich mit Leichtlaufreifen reduzieren lässt. Weiterhin muss der Energieverbrauch der Nebenaggregate, wie etwa der Heizung oder der Klimaanlage minimiert werden. Wie sieht ein Elektroauto im Jahr 2015 aus? Dazu möchte ich auf die Darstellung von Herrn Bohr zurückkommen: Es wird rund 8von 12

9 1 000 Kilogramm wiegen. Der Cw-Wert liegt bei 0,34, die Höchstgeschwindigkeit mit einem 40 Kilowatt starken Motor bei etwa 120 Stundenkilometern. Heute liegen zum Beispiel im bundesdeutschen Durchschnitt 90 Prozent der pro Tag mit dem Auto zurückgelegten Strecken unter 80 Kilometern. Aktuellen Umfragen zufolge fordert der Autofahrer allerdings für ein Elektroauto eine Mindestreichweite von 200 Kilometern. Hierfür benötigen wir für unser Elektroauto eine Batterie mit einer Kapazität von 35 Kilowattstunden. Diese Batterie wiegt rund 250 Kilogramm. Und sie kostet rund Euro, bei von uns für das Jahr 2015 erwarteten 350 Euro pro Kilowattstunde. Je nach Auslegung des Elektrofahrzeugs etwa hinsichtlich geringerem Gewicht sowie der Weiterentwicklung der Lithium- Ionen-Batterie können die Batteriekosten künftig mit etwa Euro auch geringer ausfallen. Es wird deutlich: Die Grenzen des elektrische Fahrens setzt die Batterie. Sie ist noch zu teuer. Und sie wird nicht die Energiedichte von konventionellen Kraftstoffen liefern. Denn ein Kilogramm Benzin hat einen 50 bis 100-fach höheren Energiegehalt als ein Kilogramm Batterie speichern kann. Reichweiten jenseits von 600 oder gar 800 Kilometern, wie wir sie heute mit einem Benziner oder Diesel erzielen, werden mit einer Batterie auch in ferner Zukunft nicht zu akzeptablen Kosten erreichbar sein. Bei den Kosten und bei der Leistung der Batterie setzen die Entwicklungsaktivitäten in unserem mit Samsung SDI gegründeten Joint Venture an. Rund 200 Mitarbeiter passen bei SB LiMotive die Lithium-Ionen-Batterie-Technik an die sehr hohen Anforderungen im Automobil an. In den kommenden fünf Jahren investieren wir in das Gemeinschaftsunternehmen rund 500 Millionen US-Dollar. 9von 12

10 Der Energiespeicher: die Lithium-Ionen-Batterie Lithium-Ionen-Batterien haben aus heutiger Sicht die besten Zukunftsperspektiven, wenn es darum geht, einen Energiespeicher für die hohen Anforderungen im Automobil zu entwickeln. Unser vorrangiges Ziel ist es, die Energiedichte und die Kosten jeweils um den Faktor drei zu verbessern. Nur wenn wir die Leistungsfähigkeit der Batterie steigern und gleichzeitig die Kosten senken, wird das Elektroauto die notwendige Kundenakzeptanz erreichen. Zusätzlich gilt es, weitere technische Herausforderungen zu meistern. Dazu gehören eine hohe Zyklenfestigkeit oder eine Lebensdauer von mehr als zwölf Jahren. Denn der Autofahrer wird es kaum tolerieren, dass die Batterie wie heute bei einer 12-Volt-Starterbatterie seines Autos nach etwa sieben Jahren teuer ausgetauscht werden muss. Zudem muss unter allen Betriebszuständen und Umfeldtemperaturen eine sichere Funktion gewährleistet sein. Auch wenn sich Lithium-Ionen-Batterien bereits millionenfach in Consumer-Produkten wie Handys oder Laptops bewährt haben die Anforderungen an eine Batterie zum elektrischen Fahren sind weitaus höher. Mit Samsung SDI haben wir einen Partner gefunden, der in das Joint Venture umfassendes Wissen hinsichtlich der Zellenchemie und der Großserienfertigung von Lithium-Ionen-Batterien einbringt. Im Jahr 2008 hat Samsung SDI rund 800 Millionen Batteriezellen produziert. Bosch bringt auf der anderen Seite weitreichendes Automotive-Know-how mit. Fertigungstechniken für die Großserie, Produktlebenszyklen, Temperaturschwankungen im Auto, Sicherheitsanforderungen für die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen- Batterie müssen wir die Rahmenbedingungen in der Automobilindustrie und die Anforderungen im Automobil genau 10 von 12

11 kennen. Bosch hat als Spezialist für Antriebstechnologien nicht nur das Wissen für Elektrik, Elektronik und Software sondern auch ein tiefes Verständnis für Systeme, Prozesse sowie Standards in der Branche und nicht zuletzt für die Erwartungen der Automobilhersteller und Autofahrer. Dies ermöglicht es uns, über die gesamte Wertschöpfungskette aktiv zu werden von der Entwicklung über die Integration der Komponenten für den elektrischen Antrieb bis hin zu deren Massenfertigung. Und nicht zuletzt ist Bosch für sein Durchhaltevermögen bekannt, wenn es darum geht, neue Technologien auf dem Markt zu etablieren. Denn wir rechnen damit, dass sich ein Massenmarkt für Hybrid- und elektrische Antriebe zunächst langsam entwickeln wird. Von den 85 bis 90 Millionen neu produzierten Fahrzeugen im Jahr 2015 werden rund fünf Millionen einen Hybridantrieb haben, weitere Fahrzeuge werden Plugin-Hybride oder Elektrofahrzeuge sein. Der Markt für elektrische Antriebe gewinnt aus unserer Sicht frühestens im Jahr 2020 an Bedeutung: mit sechs Millionen Hybridfahrzeugen und drei Millionen Plug-in-Hybriden und Elektroautos bei rund 100 Millionen neu produzierten Automobilen. Meine Damen und Herren, seit mehr als 30 Jahren engagiert sich Bosch für die Elektrifizierung des Antriebs. Der erste Versuchsträger eines Hybridfahrzeugs drehte bei Bosch im Jahr 1973 seine Runden. Damals waren Hybridantriebe noch nicht wirtschaftlich genug umsetzbar. Von der Leistungsfähigkeit der damaligen Batterietechnologien ganz zu schweigen haben wir unser Projekthaus Hybrid gegründet. Es ist zwischenzeitlich in einen eigenen Produktbereich übergegangen. Über 400 Mitarbeiter arbeiten heute bei Bosch in der Entwicklung und Integration elektrischer 11 von 12

12 Antriebe ins Automobil. Gegen Ende des Jahres werden es voraussichtlich über 500 sein. Zusätzlich engagieren wir uns mit dem Joint Venture SB LiMotive in der Lithium-Ionen-Batterietechnik. Die ersten Hybridfahrzeuge mit Bosch-Technik der Porsche Cayenne und der Volkswagen Touareg kommen Anfang 2010 auf den Markt erste Schritte in neue Märkte und hin zu neuen, noch umweltfreundlicheren Antriebstechnologien ganz nach dem Slogan Technik fürs Leben. Bosch ist hierfür mit seinem Know-how ein innovativer wie zuverlässiger Entwicklungspartner für die Automobilindustrie. Wir sehen einer spannenden Zukunft entgegen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 12 von 12