Alternative Antriebe bei Bussen. Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

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1 Alternative Antriebe bei Bussen Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

2 Inhalt Die zwei Mega-Trends im Energie- und Mobilitätsbereich Hybridantrieb Erdgasbusse Erneuerbare Treibstoffe Wasserstoffantriebe Zusammenfassung

3 Mega-Trend im Energiebereich Die Energiewende Ziele Neue Energiepolitik (Atomausstieg) - Zubau EE um 22.6 TWh - Zubau WKK um 2 TWh - Zubau Wasserkraft um 3.2 TWh Beibehaltung CO 2 -Ziel - bis 2012: -10% ggü 1990 (CO 2 -Gesetz) - bis 2020: -20% ggü 1990 (Anhörung) Bedeutung für Umsetzung: Integration von dezentral produzierter Elektrizität (Anpassung Stromnetz) Nutzbarmachung von Überschussenergie (Stromspeicherung)

4 Mega-Trend in der Mobilität CO 2 -Vorschriften für Personen- und Lieferwagen CO2 emission in g/km Gasoline Diesel Natural Gas Linear (Diesel) Linear (Gasoline) CH g/km, kg 500 1'000 1'500 2'000 2'500 3'000 3'500 Quelle: Auto-Schweiz (2012) Vehicle mass in kg Gilt für Emissionsgemeinschaft Busse bei Überschreitung: 1. Gramm >130 g/km: 7.50 CHF 2. Gramm >130 g/km: CHF 3. Gramm >130 g/km: CHF weitere g>130 g/km: CHF Fall 1 (1 426 kg) 151 g/km (6.5 l Benzin /100 km) 19 g/km zu hohe CO 2 -Emissionen Busse von /Fz Fall 2 (1 650 kg) 182 g/km (7.9 l Benzin /100 km) 39 g/km zu hohe CO 2 -Emissionen Busse von /Fz

5 Mega-Trend in der Mobilität Bedeutung für Stadtbusse Erneuerbare Energie rückt (politisch gewollt) in den Vordergrund, fossile Energie im Allgemeinen und nukleare Energie im Speziellen muss zunehmend substituiert werden. Nach der («erfolgreichen») Abgasgesetzgebung steht mit der Gesetzgebung eine neue Aera am Anfang, die die Fahrzeugantriebe stark beeinflussen/prägen wird. Für schwere Nutzfahrzeuge sind CO 2 - Grenzwerte in Entwicklung

7 Hybridantriebe Übersicht Energierückgewinnungskonzepte Elektro-Hybrids Druckluft-Hybrid Schwungrad-Hybrid

8 Elektro-Hybridantrieb Sparsamer dank Rekuperation von Bremsenergie Annahmen: Fz-Masse: kg Fahrwiderstand: 150 [N] [N/km/h] * V [km/h] [N/(km/h) 2 ] * V 2 [(km/h) 2 ] Batterie: NiMH-Batterie mit Rekuperationsgrenze bei 3.7 kw V [km/h] P Rad [kw] P Rad Rek [kw] Geschwindigkeit in km/h Beschleunigungsenergie ca. 0.6 ml Benzin Rekuperationsenergie ca ml Benzin Beschleunigungsenergie ca. 2.4 ml Benzin Elektrisches Bremsen (Rekuperation) Mechanisches Bremsen Rekupartionsenergie ca. 1.0 ml Benzin Rekuperationsgrenze (3.7 kw) Leistung in kw Zeit in s Materials Sci ence & Technolog y

9 Wirkungsgrade Benzin- & Hybridauto Starke Abhängigkeit vom Fahrzyklus Mean energy efficiency in % 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Warm start cycles Gas-1 Gas-2 Gas-3 Gas-4 Gas-5 Gas-6 Gas-7 Gas-8 Gas-9 Mean -3%-P +3%-P conv. powertrain y = Ln(x) Mean pos. wheel-power in kw Mean efficiency in % Warm start cycles HEV-1 HEV-2 Mean -3%-P +3%-P 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% y = Ln(x) % 0% Mean pos. wheel-power in kw Konventionelle Benzinfahrzeug Hybridfahrzeuge CADC = Common Artemis Driving Cycle Das EU-Projekt ARTEMIS hatte zum Ziel, als Gegenstück zum schwachlastigen und niedrigdynamischen Normzyklus NEFZ einen realitätsnahen Fahrzyklus zu entwickeln.

10 Hybridantrieb im Vergleich Gemessene CO 2 -Emissionen in unterschiedlichen Fahrzyklen Stadt Ausserorts Autobahn CO2-Emissionen in kg/kwh Hybrid Erdgas Benzin Diesel Hybrid Erdgas Benzin Diesel Hybrid Erdgas Benzin Diesel Erdgas- und Hybridfahrzeuge haben ein vergleichbares CO 2 -Reduktionspotential gegenüber Benzinfahrzeugen von bis 25%. Hybridfahrzeuge sind sauberer in der Stadt, Erdgasfahrzeuge Ausserorts und auf der Autobahn.

11 Hybridantriebe Bedeutung für Stadtbusse Hybridantriebe sind überall dort sinnvoll, wo häufiges Bremsen vorkommt. Dies ist insbesondere auch bei Stadtbussen der Fall. In Veröffentlichungen werden Verbrauchseinsparungen bis 20% berichtet. Aufgrund des hohen Gewichts von Bussen resultieren hohe elektrische Bremsleistungen, die technisch aufwändige, «leistungsorientierte» Energiespeicher erfordern (Supercaps anstelle von Batterien). Hybridantriebe erhöhen das Gewicht (verringern die Nutzlast) und weisen oftmals eine geringere Gesamtleistung und Dauerleistung auf, als konventionelle Dieselantriebe. Deshalb sind Hybridantriebe bei Bussen vermutlich primär im ebenen Einsatz sinnvoll.

13 Erdgas/Biogas als Motorentreibstoff Besonders gute Eignung als motorischer Treibstoff Therm. Wirkungsgrad: nth 1 wobei: 1 1 Verdichtungsverhältnis Isotropenexponent c c p v Spezifikation Benzin Methan Oktanzahl Verdichtungsverhältnis Heizwert 43 MJ/kg 50 MJ/kg Flammentemperatur K K H:C Verhältnis 2 : 1 4 : 1 Spez. CO 2 Emissionen 74 g/mj 55 g/mj Energiedichte 30 MJ/dm 3 7 MJ/dm 3 Reduzierte CO 2 Emissionen Nachteil?

14 Erdgas-Turbomotoren in Serie Erdgas-Mittelklasse-PW mit Umweltbelastung von Kleinwagen Mazda 2 schwächster Benziner: 115 g CO 2 /km schwächster Diesel: 110 g CO 2 /km VW Polo schwächster Benziner: 128 g CO 2 /km schwächster Diesel: 99 g CO 2 /km VW Passat Ecofuel (Erdgas) 150 PS 119 g CO 2 /km Fiat 500 schwächster Benziner: 92 g CO 2 /km schwächster Diesel: 97 g CO 2 /km Quelle: AutoSchweiz 2012 Opel Corsa schwächster Benziner: 120 g CO 2 /km schwächster Diesel: 111 g CO 2 /km Opel Zafira Turbo Erdgas 150 PS 139 g CO 2 /km

15 Projekt CLEVER (Erdgas-Elektrohybridantrieb) Empa/ETH-Gemeinschaftsprojekt Untersuchung der Potentiale neuer Brennverfahren für Gasmotoren Optimierung des thermodynamischen Kreisprozesses für Erdgas (z.b. Miller-Zyklus) Realisierung Erdgas/ Biogas-Hybridantrieb (Auslegung auf Rekuperation, Anfahrdrehmoment, Turbolochkompensation ) Touran 1.4 TSI Benzin: 173 g CO 2 /km -40 CO 2 Touran 1.4 TSI CNG/Hybrid: 105 g CO 2 /km BFE BAFU

16 Projekt CLEVER (Erdgas-Elektrohybidantrieb) Präsentation an AutoBasel 2012 BFE BAFU

17 Projekt CLEVER (Erdgas-Elektrohybridantrieb) Primärenergieverbrauch ist vergleichbar zu Elektroauto Im PW-Bereich ist der Primärenergieverbrauch eines Erdgas-Hybridfahrzeugs rund 30% niedriger als derjenige eines konventionellen Benzinfahrzeugs und vergleichbar zu einem Erdgas-GuD-Elektrofahrzeugs. BFE BAFU

18 Gasbusse Bedeutung für Stadtbusse Erdgas ist wegen der hohen Klopffestigkeit ein sehr geeigneter Treibstoff für Ottomotoren. Aufgrund des geringeren Kohlenstoffgehaltes emittiert ein Gasmotor rund 22-25% weniger CO 2 als ein Benzinmotor. Zudem ist die Nutzung erneuerbarer Treibstoffe viel einfacher, als bei Diesel- oder Benzinmotoren. Busmotoren sind (heute noch) Dieselmotoren. Bisher haben nur wenige Hersteller «richtige» Gasmotoren entwickelt, weshalb die Erfahrungen nicht allzu positiv sind. Dies hat primär mit der geringen Nachfrage nach Gasmotoren zu tun, und nicht mit Erdgas als Treibstoff. Gasbusse sind deutlich schwerer (solange nicht die teureren Vollkunststoff- Gasflaschen eingesetzt werden) und die Betankungsinfrastruktur ist aufwändiger.

20 Biomassepotential Schweiz 39 PJ/a (oder 1.2 Mio-l Benzin-Äquivalent) Bioabfall; 5.6 PJ/a Klärschlamm; 5.2 PJ/a Lebensmittelabfälle; 2.6 PJ/a Hofdünger; 21.4 PJ/a Bioabfall; 3.2 PJ/a Klärschlamm; 5.2 PJ/a Hofdünger; 0.2 PJ/a Waldenergieholz; 15.7 PJ/a Altpapier und Karton; 4.7 PJ/a Altholz; 7.4 PJ/a Nachhaltiges Potenzial: 82 PJ/a Lebensmittelabfälle; 2.3 PJ/a Altpapier und Karton; 4.7 PJ/a Genutztes Potenzial: 43 PJ/a Landschaftsholz; 6.6 PJ/a Industrieholz; 4.6 PJ/a Waldenergieholz; 23.7 PJ/a Lebensmittelabfälle; 0.3 PJ/a Altpapier und Karton; 0.0 PJ/a Altholz; 3.6 PJ/a Bioabfall; 2.4 PJ/a Klärschlamm; 0.0 PJ/a Altholz; 3.8 PJ/a Landschaftsholz; 3.0 PJ/a Industrieholz; 4.6 PJ/a Landschaftsholz; 3.6 PJ/a Industrieholz; 0.0 PJ/a Ungenutztes Potenzial: 39 PJ/a Hofdünger; 21.3 PJ/a Quelle: Empa 2010 Waldenergieholz; 8.0 PJ/a

21 Erneuerbare Treibstoffe Nur wenige Biotreibstoffe sind «grün» Biotreibstoffe aus Rodungsflächen verursachen in der Regel mehr Treibhausgase als fossile Treibstoffe. Dies gilt auch für eine indirekte Landumwandlung, wenn also bestehende Agrarflächen erstmals für die Biotreibstoffproduktion verwendet werden und deshalb Waldflächen gerodet werden müssen, um die bisherige Nahrungsmittel- oder Futterproduktion aufrechtzuerhalten. Quelle: Empa, PSI, ART, DOKA (2012)

22 Gasförmige CH-Biotreibstoffe Methanisierung von Holz Forschungsarbeiten am PSI Demo-Anlage in Güssing (A) Quelle: DVGW-EBI

23 Erneuerbare Treibstoffe Bedeutung für Stadtbusse Erneuerbare (flüssige) Treibstoffe haben mittlerweile ein sehr schlechtes Image (Tank-Teller-Problematik, kaum CO 2 - oder Energieeinsparungspotential) und die nachhaltig produzierbaren Mengen in der Schweiz sind klein. Erneuerbare Treibstoffe können deshalb keine eigentliche Strategie sind, sondern allenfalls ein begleitendes Element. Gasförmige erneuerbare Treibstoffe haben ein viel kleineres Akzeptanzproblem (allenfalls Geruchsemissionen bei der Biogasanlage) und erhöhen lokal die Wertschöpfung.

25 H 2 -betriebenes Kommunalfahrzeug Realisation Demonstrator, 2-jährige Praxiserprobung Kommunalfahrzeug + Brennstoffzellenantrieb Einsatz in sensiblen Bereichen (Fussgänger, Hallen) 50-70% niedrigerer energetischer Verbrauch Türöffner für Wasserstoffantriebe in der Praxis Onex-Genf

26 Das hy.muve-antriebskonzept Diesel-Hydraulik Wasserstoff-Elektro-Antrieb Diesel Motor 55 kw Antriebsräder 28 kw v,f 7 kw Sauger Zusatzaggregate: kw Bürsten, Lenkung, Bremsen Dieseltank Brennstoffzellensystem H 2 H bar 20 kw = = 12 kwh Leistungsbatterie (Li-Po) = = = = ~ ~ ~ = 28 kw 7 kw 5 kw Sauger M M <1 kw 12V Batterie Fahr- M antrieb Zus.- Klima- Hydr. anlage Dieselmotor/Hydraulikantrieb Wasserstoff-BZ/Elektroantrieb

27 TTW und WTW-Energie-/CO 2 -Bilanz H 2 -Bereitstellung und Nutzung End-energy consumption and CO 2 emissions of the vehicle End energy consumption in MJ/h MJ/h 16.4 kg/h EV [MJ/h] CO2 [kg/h] 63 MJ/h 0.0 kg/h Dieselhydraulic Hydrogen- FC hybrid electric CO 2 emissions in kg/h 65% Reduktion des Treibstoffverbrauchs (Praxiserprobung in Basel) 55% CO 2 reduction der gesamten Kette sogar mit konv. H 2 -Produktion (Erdgas-Dampfreformierung)

28 Überschuss-Elektrizität Wasserstoff Ein sauberer Treibstoff(bestandteil) für Fahrzeuge Morgen Heute

29 Potential Überschuss-Elektrizität Starker Anstieg in Deutschland 127 GWh könnten mit heutigen Elektrolyseuren ( =55%) in t H2 umgewandelt und ohne weitere verlustbehaftete Umwandlung energetisch genutzt werden. Rund 127 GWh Windstrom gingen ( ) verloren, weil Windräder abgeregelt wurden. ( ). H2-Produktionskosten: heute: 25 Rp/kWh ( Elektrolyseur=55%) : 15 Rp/kWh ( Elektrolyseur=75%) (Quelle: DLR, Trittin)

30 Wasserstoffantriebe Bedeutung für Stadtbusse Wasserstoff als Treibstoff ist längerfristig durchaus denkbar als Treibstoff. Die Erfahrungen in der Praxis sind sehr positiv, wenn der Treibstoff «intelligent» lokal hergestellt wird. Wasserstoff bietet die Möglichkeit, die Mega-Trends in der Energie (Stromspeicherung) und Mobilität (CO 2 -Minderung) zu kombinieren. Wasserstoffantriebe sind heute noch deutlich voluminöser, teurer und schwerer als Dieselantriebe. Allerdings sind grosse Kostenreduktionspotentiale

32 Zusammenfassung Politik: - «Energiewende» d.h. Druck zum Wechsel auf erneuerbare Energie wächst - Im Mobilitätsbereich ist die CO 2 -Reduktion das Leitthema Flüssige Treibstoffe: - Kostengünstig (heute); Preisentwicklung Diesel in Zukunft unklar - Hybridisierung bringt bis 20% Verbrauchseinsparung - Erneuerbare Treibstoffe bleibt schwierig (Vorschriften, Image, Ökobilanzen) Gasförmige Treibstoffe: - Ottomotorenentwicklung im NFz-Bereich wächst - Vorteilhaft, wenn Biogas genutzt werden kann - Mögl. Strategie: Erdgas/Biogas Erdgas/Biogas-Wasserstoff Wasserstoff

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: