Taugt das 1-Liter-Auto als Vorbild für die Massenmotorisierung?

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1 Taugt das 1-Liter-Auto als Vorbild für die Massenmotorisierung? Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich DLR, energie trialog Schweiz, Villingen, 22. Juni 2007 Folie 1 Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz >

2 Standorte und Mitarbeiter Mitarbeiter arbeiten in 28 Forschungsinstituten und Einrichtungen in 8 Standorten, 7 Außenstellen. Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington. Programmdirektionen Luftfahrt Weltraum Energie Verkehr Trauen Braunschweig Hamburg Köln-Porz Sankt Augustin Bonn Darmstadt Göttingen Lampoldshausen Stuttgart Neustrelitz Berlin- Charlottenburg Berlin-- Adlershof Oberpfaffenhofen Weilheim Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 2

3 Die Vision Innovative Fahrzeugkonzepte für Straßen- und Schienenfahrzeuge in einem nachhaltigen Verkehrssystem Alternative Antriebe & Energiewandlung Kraftstoff- & Energiespeicher Leichtbau & Hybridbauweisen Innovative Fahrzeugsysteme & Technikbewertung Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 3

4 VW 1-Liter Auto Erstfahrt: 15. April 2002 Verbrauch: 0,89 l/100 km (23 g CO 2 /km) (26 g CO 2 /km) Bauart Tandem-Monoposto Mittelmotor Mg-Spaceframe-Bauweise Leergewicht: 290 kg C w *A: 0,159 m 2 Fahrwerk Vorn: Doppelquerlenker aus Leichtmetall Hinten: DeDion- Achse in CFK-Aluminium Rollwiderstandsarme Leichtbaureifen (f R < 0,007) Antrieb Leistung: 6,3 kw 1 Zylinder-3V-PD-SDI 6-Gang Direktschaltgetriebe Schwungrad-Starter-Generator Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 4

5 Was ist für Mittelklasse-Fahrzeuge in Volumenserie erreichbar? Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 6

6 Einflussfaktoren auf den Energieverbrauch Fahrwiderstandsgleichung Streckenverbrauch Potenzialübersicht 0 b e : spez. Kraftstoffverbrauch -5 Rollwiderstand Luftwiderstand -20 Fahrzeugmasse Achswirkungsgrad (gültig für Kleinwagen/Subcompact) Quelle: VW Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 7

7 Potenziale von konventionellen Antriebssträngen und Hybriden Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 8

8 Verbrauchsminderung bei Verbrennungsmotoren Ansatzpunkte Verlustleistungen Ladungswechselverluste Verschiebung des Lastkollektivs Entdrosselung Verbrauchsoptimale Verbrennungsführung Verbesserung Wirkungsgrad (u.a. Hochdruck) Dieselmotor Ottomotor Technologien Optimierung Lagerung, Tribologie Direkteinspritzung, Abgasrückführung Variable Verdichtung Downsizing & Aufladung, Zylinderabschaltung Variable Ventilsteuerung Optimierte Aufladung Homogenisierung Film: Schulé, 2005 Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 9

9 Elektro-Hybridantriebe Kraftstoffeinsparung versus Kosten Emissionsfreies elektrisches Fahren Ersparnis % 50 Rekuperieren/ Boosten + Start/Stopp 25 Elektrisches Anfahren + Mild- + Fullhybrid Innerorts EU-Fahrzyklus (NEFZ) Außerorts Micro Zusatzkosten in Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 11

10 Nutzung von Verlustwärmeströmen Beispiel: Thermoelektrischer Generator (TEG) Fahrwiderstand (10%) Wärmeverluste durch Kühlung und Strahlung/Konvektion (30%) Nebenaggregate (6%) Verluste Trägheitsmomente (7%) Mechanische Verluste (2%) Mechanische Energie ab Motor (25%) Motor TEG Abgaswärme (35%) Ladungsverluste und Reibung im Motor (10%) Oberklasse-Fahrzeug/Otto im Kunden-Fahrzyklus Kraftstoff (100%) Einsparungspotenzial je nach Systemauslegung: etwa 4 g CO 2 /km Datenquelle: Eder, 2004 Bildquelle: DLR Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 13

11 Leichtbau Konzepte Topologie-Optimierung, Design Beispiel: Vorderwagen Multi Material Design Beispiel: Spant-Spaceframe Bauweise Hochintegration Beispiel: Integration von Federbeinaufnahme und A-Säule in einem Bauteil Reduktion der Masse um 100 kg führt zu Kraftstoffeinsparungen von ca. 0,35 l/100 km Otto- bzw. 0,28 l/100 km Dieselkraftstoff 8,4 bzw. 7,6 g CO 2 /km (Poznanski-Eisenschmidt) Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 15

12 Potenziale für Leichtbau Body-Konzepte Masse Referenz 280 kg 216 kg -23% 198 kg -29% 165 kg -41 % Gewichtsreduzierung % Stahl-intensiv Konzept 1 Konzept Zusatzkosten Quelle: SLC Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 16

13 Aerodynamik Entwicklung Luftwiderstandsbeiwert C W 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 BMW X5 Reduktion cw A um 0,1 m 2 0,3 VW Lupo führt zu Kraftstoffeinsparungen von ca. 0,2 C W =0.15 C W =0.16 C W =0.14 VW 1-Liter Bionic car 0,14 l/100 km Otto- bzw. 0,11 l/100 km Dieselkraftstoff 3,4 g CO 2 /km (Otto) bzw. 3,0 g CO 2 /km (Diesel) (Poznanski-Eisenschmidt) 0, Quellen: W.-H. Hucho, 1998; DLR Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 18

14 Rollwiderstand f R 0,04 Rollwiderstandszahl 0,03 0,02 0,01 SR HR VR 50 % Reduktion bis 2030 (Quelle: Michelin, Continental) Geschwindigkeit in km/h Reduktion von f R um 0,001 führt zu Kraftstoffeinsparungen von ca. 0,08 l/100 km Otto- bzw. 0,06 l/100 km Dieselkraftstoff 1,9 g CO 2 /km (Otto) bzw. 1,6 g CO 2 /km (Diesel) Quellen: DLR, Poznanski-Eisenschmidt (VW) Bildquelle: Michelin Internet Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 19

15 Potenziale zur CO 2 -Reduktion Ottomotor Hybridfunktionen Leichtbau g CO 2 /km (NEFZ) Fahrzyklus NEFZ -25 % Thermische Energierückgewinnung Aerodynamik & Rollwiderstand % -3% bis -5% -14% Rollwiderstand ca % Aerodynamik ca. - 8 % 25 0 Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 20

16 Technologiemix in der Flotte Szenario Ambitioniertes CO 2 -Ziel CO2 Emissionen Pkw-Neuwagenflotte in g/km (NEFZ) Kostenoptimaler Mix von Technologien Ø Pkw-Neuzulassungen DE 2004 (Quelle: ifeu/kba) EU-Ziel für Fahrzeughersteller bis 2012 Zusätzliche Minderung durch Biokraftstoffe, Effiziente Klimaanlagen und Reifendruckanzeige Leichtbau, integral, Elektrohybrid Leichtbau, integral, Ottomotor Full Hybrid Mild Hybrid Motoroptimierung, Stufe 2 Luftwiderstand Red. des Rollwiderstands Motoroptimierung, Stufe 3 Effiziente Getriebe Leichtbau, Stufe 1 StopStart, extern Motoroptimierung, Stufe 1 60 g CO 2 /km-auto Quelle: DLR FK für Projekt UBA-H2, DLR, Wuppertal Institut, IFEU, 2005 unveröffentlicht Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 21

17 Alternative Kraftstoffe und Energiewandlung Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 23

18 Freikolbenlineargenerator (FKLG) Hohe Teillastwirkungsgrade durch variable Verdichtung und variablen Hubraum p [bar] Variable Verdichtung OT OT FKLG Konv. Ottomotor Lastpunkt 40 % UT Variabler Hubraum UT V [cm³] Lastpunkt 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % Wirkungsgrad für Ottokraftstoff - Strom ohne Aufladeverluste und Peripheriekomponenten 33.7 % 35.0 % 35.2 % 32.8 % 30 % Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 24

19 Kraftstoffszenario für Deutschland Hohe Fahrzeugeffizienz & flüssige Biokraftstoffe PJ/a Fahrleistung Mrd. Fzg-km PKW SNF Senkung des Energieverbrauchs 700 durch 70 Effizienz der Wasserstoff Fahrzeugkonzepte Strom 65 Diversifizierung Erdgas durch Alternative Bioethanol Antriebe/Kraftstoffe 60 Benzin Senkung der CO 2 Emissionen durch Diesel fossil, Pkw Biokraftstoffe der 2. Generation Biodiesel (BtL) 55 Biodiesel (RME) Diesel fossil, Lkw Quelle: DLR Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 25

20 Fazit Das 1-Liter Auto ist technisch machbar Ein 60 g CO 2 /km-fahrzeug in der Mittelklasse ist mittelfristig realisierbar Forschungs- und Entwicklungsaufwand ist notwendig um entsprechende Kostenziele zu erreichen Alternative Kraftstoffe müssen einen Beitrag zur weitgehend CO 2 - neutralen Mobilität liefern Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 26

21 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > , Folie 27