Optionen der zukünftigen individuellen Mobilität

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Markus Geiger
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1 Optionen der zukünftigen individuellen Mobilität Grenzpotential: PAC Car II Lino Guzzella 1

2 Fahrzegdichte (2005) cars per 1000 inhabitants India USA I F D J UK Poland Russia Korea Brazil China GDP per capita (US $) Source: OECD/IEA (2006) Seite 2

Brazil China GDP per capita (US $) 10000 20000 30000

3 Viele Vorteile, aber auch Nachteile: Umweltbelastung mit Schadstoffen Verkehrsunfälle CO2 Ausstoss/Energieverbrauch Was ist relevant? Seite 3

4 Stadt Zürich NO 2 Belastung Quelle: Umwelt- und Gesundheitsschutz Zürich (UGZ) Seite 4

5 Das CEV Projekt Seite 5

6 Unfälle im Strassenverkehr Tote absolut Tote pro Mio. Einwohner Quelle: BfU Dieser Trend MUSS fortgesetzt werden ( vision zero )! Seite 6

Einwohner 1209 925 592 371 192 193 83 49 Quelle: BfU

7 Zukunftsszenario (optimistisch!) Quelle: IEA Seite 7

8 Seite 8

9 Konsequenzen Die Energieproblematik stellt eine ernsthafte Herausforderung dar. Die individuelle Mobilität ist eine (aber nicht die einzige) Ursache. Sparsame Fahrzeuge sind unsere besten Ölquellen. Seite 9

10 Analyse der Wandlungskette There is no free lunch Seite 10

11 primary energy sources reffineries, well-to-tank on-board storage + - H 2 propulsion system tank-to-vehicle vehicle driving losses vehicle-to-miles driving profile Seite 11

12 Energie am Rad Teil 1 primary energy sources reffineries, on-board storage H propulsion system vehicle driving losses driving profile Seite 12

13 Benötigte Fahrenergie II Fahrprofil Als Referenz: Konstantfahrten und EU Normprofil v km/h Wiederholungen t s Reales Fahrverhalten aggressiver Seite 13

Wiederholungen 40 20-40 0 100 200 800 900 1000 1100 1200 t

14 Benötigte Fahrenergie I Kräfte am Fahrzeug Widerstandskräfte am Auto v Luftwiderstand F b F l F r Rollreibung (Steigung) Beschleunigungswiderstand Seite 14

15 Mechanische Energie am Rad (EU Zyklus) Masse E A f c w 19'000 + m c r m 11 kj /100km Form Frontfläche Reifen Seite 15

16 Relativer Bedarf an mechanischer Energie für einen EU Zyklus SUV Mittelklasse Kompakt Potential Seite 16

17 Sensitivitäten EU Profil Pro 1% Reduktion der x% Reduktion der Energie am Rad 0.5 Masse Aerodynamik Rollreibung 0 Mittelklasse PW A f c w = 0.7 m 2, c r = 0.012, m = 1'500 kg Seite 17

18 Vergleich mit Energieinhalt von Dieseltreibstoff I l / 100 km Diesel 1.4 v= 120 km/h 1 EU-Zyklus 0.6 v=50 km/h m kg Automobil der Mittelklasse A f c w = 0.7, c r = Seite 18

6 v=50 km/h 600 800 1000 1200 1400 m kg Automobil der

19 Bord-Energiewandler Teil 2 primary energy sources reffineries, on-board storage H propulsion system vehicle driving losses driving profile Seite 19

20 Wirkungsgradkennfeld moderner Ottomotor 1 kj T Drehmoment ( Gaspedal ) (1-x) kj x kj n, T Drehzahl ( Gang ) n Seite 20

21 Begründung Teillastproblem VM Output Volllast-Input 0 Teillast-Input Teillast- Output Leerlauf-Input ( Grundumsatz ) Volllast- Output Input Seite 21

22 Übermotorisierung Konsequenz: Baugleiche Autos mit kleineren Motoren verbrauchen weniger Treibstoff! Wieso kaufen dann die Leute meistens die grösseren Motoren? Masse Fahrzeug t m P max Zeit von 0 auf 100 km/h Volllast-Leistung 115 kw Maximalleistung für 0 auf 100 km/h in 10 s 7 kw Durchschnittsleistung für EU Zyklus Seite 22

23 Optionen Verbrennungsmotoren, Null-Emissionen machbar, Bestwirkungsgrade kaum Fortschritte Potenzial im Teillastbereich, viele Ansätze vorgeschlagen (Mager/Homogen-Verbrennung, Aufladung, Getriebe,, Elektrohybride) Elektroantriebe auf hohem Niveau, Problematik der Batterien für Normalautos immer noch offen Brennstoffzellenantriebe beste tank-to-wheel Wirkungsgrade, Problematik vorgelagerte Prozesse, Infrastruktur, Kosten, haben zu einer gewissen Ernüchterung geführt Seite 23

24 Energiedichten der wichtigsten Bordenergieträger Diesel Benzin 2 CNG 1 H 2 "Zebra" Li-ion Ni/MH Pb Kohlenwasserstoffe Batterien Netto Vortriebsenergie/Energieträgermasse Einheit kwh/kg Seite 24

25 Vorgelagerte Prozesse Teil 3 primary energy sources reffineries, on-board storage H propulsion system vehicle driving losses driving profile Seite 25

26 Komplexe Zusammenhänge mit vielen Aspekten (Energie, Umwelt, ) Grosse Zeitkonstanten und enorme Investitionen Nichttechnische Probleme! Seite 26

27 Fossil fuels Numbers: CO2-factors Oil Nat. Gas Coal Biomass 0.2% Solar energy Uranium Refinery, transportation 90% 86% 91% 80% EU PP 47% Diesel PP 48% Combi PP 55% Coal PP 35% Hydro PP 0.1% Solar PP 23% Nuclear PP 32% Diesel Gasoline Compr. 94% CH4 H2 Bio Methanol 47% NG Methanol 70% NG H2 74% Liquefaction 75% Compr. with electricity 94% Reformer 85% H2 Fuel cell 35 % Grid 94% Electrolysis 76% Battery, power electronics 80 % Seite 27

28 crude oil 100% refinery, transportation 90% electricity CC power plant 60% grid 94% Diesel H 2 compression with electricity 94% H 2 electrolysis 76% Diesel engine 20% fuel cell 40% 18% 16% Seite 28

29 Optionen Masse kg kg 800 kg Aero 0.7 m m m 2 Reifen 0,013 0,012 0,01 Antrieb l/100km 5.6 l/100km 2.4 l/100km Seite 29

30 Seite 30

31 Das PAC Car II Projekt Seite 31

32 Projektziel: Das sparsamste Strassenfahrzeug der Welt bauen. Verifikation in einem internationalen Wettbewerb unter kontrollierten Bedingungen. Deswegen Teilnahme an den Shell/Michelin Eco-Marathons. Seite 32

33 Motivation: Ausbildung: begeisterndes Projekt für Studierende ( Intelligenz ist der Treibstoff der Zukunft ). Forschung: Beiträge in einigen Spezialdisziplinen. Sensibilisierung: Aufzeigen der technischen Grenzen. Seite 33

34 Das Abenteuer 2002 Projektbeginn 2003 PAC Car I, erstes Brennstoffzellen- Antriebssystem, Teilnahme am Shell Eco-Marathon in Nogaro 2004 Grundlagen PAC Car II, Teilnahme in Nogaro und Rockingham mit PAC Car I, Optimierung PAC Car II 2005 Bau und Tests mit PAC Car II, Teilnahme an den Eco-Marthons in Nogaro und Ladoux Seite 34

35 Projektorganisation Fahrzeug/System entwickelt und realisiert von Mitarbeitern und Studierenden des IMRT, ETH Zürich Partner IFD/RUAG (Prof. Wildi) und IMES (Prof. Ermanni) Finanzielle Beiträge vom BfE und der ETH Zürich Fertigung Fahrzeugschale: ESORO Fertigung Stacks; PSI basierend auf ETH PowerPAC Technologie Entwurf Endplatten und Beratung Design/Struktur: Tribecraft Weitere Komponenten von Maxon, Festo, Seite 35

36 Experimentalfahrzeug PAC Car II Leermasse 29 kg, c w -Wert Dimensionen LxBxH = 2.78 x 0.57 x 0.61 m BZ-leistung 400 W, Wirkungsgrad tank-to-wheel = ca Seite 36

37 Vergleich Velo/PAC Car II km/l Benzinäquivalent PAC Car II Rennvelo Mountainbike Geschwindigkeit in km/h eta_fahr=0.25 c_w=0.9/1.1 A_f=0.33/0.45 M_v=10/15 c_r=0.003/5 Seite 37

38 Nogaro, 22. Mai Seite 38

39 Seite 39

40 Neuer Weltrekord am Shell/Michelin Eco-Marathon in Ladoux, 25./ Organisiert durch Shell und Michelin - Die 25 besten Teams aus dem Nogaro Event - Resultat km/l Benzinäquivalent Seite 40

41 Zusammenfassung Effizientere Fahrzeuge sind unsere besten Ölquellen. Die Technik bietet diverse Optionen an. Welche gewählt wird hängt von den Rahmenbedingungen und von den Entscheidungen der beteiligten Personen ab. Die Technik kann vieles, eine magische Lösung gib es aber nicht. Seite 41

42 Seite 42

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