Technikrevolution Elektroauto:

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1 1 W I S S E N T E C H N I K L E I D E N S C H A F T Technikrevolution Elektroauto: Durch Forschung zum Durchbruch Univ.-Prof. Dr. Georg Brasseur Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung, Technische Universität Graz August 2014

2 2 Gliederung Die ersten Automobile am Ende des 19ten Jahrhunderts Was erwartet man von einem heutigen Auto? Was lernen wir aus dem bisher gesagten? Beispiele zu Elektrofahrzeugen Forschung zum Durchbruch der Elektromobilität Beispiele für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe Europäisches Potenzial für Wind- und Solarenergie Beispiele für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe Energiekonverter Hochleistungs-Energiespeicher für gute Fahrdynamik Supercaps als Hochleistungs-Energiespeicher Schwungräder als Hochleistungs-Energiespeicher Schwungradprototyp im Rennsport

3 3 Die ersten Automobile entstehen am Ende des 19ten Jahrhunderts Der Pionier Siegfried Marcus baut 1888/89 seinen zweiten mit einem Benzinmotor angetriebenen Marcus-Wagen. Der Wagen hat bereits wesentliche Konstruktionsmerkmale heutiger Fahrzeuge, wie Bremsen, Lenkung und Kupplung. Zweiter Marcuswagen im Technischen Museum Wien

4 4 Die ersten Automobile entstehen am Ende des 19ten Jahrhunderts Lohner-Porsche-Elektromobil um 1900 mit Elektromotoren als Antrieb in den Vorderrädern. Die schweren Vorderräder waren schwer zu lenken und das Auto wies deshalb ungünstige Fahreigenschaften auf. Dieses Fahrzeug hielt sich einige Jahre am Markt, unterlag jedoch aufgrund mangelnder Speicherkapazität der Akkumulatoren den Benzinfahrzeugen. Bleiakkumulator mit 44 Zellen und ca. 80 V Gleichspannung. Betriebsdauer ca. 3 Stunden. Lohner-Porsche-Elektromobil Semper Vivus, Technisches Museum Wien

5 5 Benzingetriebene Fahrzeuge und Elektrofahrzeuge waren um 1900 ebenbürtige Konkurrenten am Markt. Warum hat der Verbrennungsmotor das Duell klar gewonnen? Den Ingenieurwissenschaften ist es im 20. Jahrhundert gelungen eine leistungsstarke Antriebsquelle (Otto- oder Dieselmotor) zu erfinden, die gleichzeitig Energiekonverter ist und mit flüssigen Kraftstoffen sehr hoher Energiedichte zu kombinieren. Das Resultat nach über 100 Jahren Forschung ist: Hohe Leistung und damit gute Antriebsdynamik UND große Reichweite UND Einfache und rasche Betankung. Beispiele: Vkm, 25 l Benzin pro Min. 50 l in 2 Min. 450 kwh Elektrischer Speicher in 2 Min.@13,5 MW 13,5/ kwh Völlig unrealistisch!

6 6 Was erwartet man von einem heutigen Auto? Hervorragende Leistung und Antriebsdynamik Schnelle Überholmanöver: 20 s mit z.b. 100 kw - Energie E = = 2 MWs = 0,555 kwh Beispiel: eine typische Autobatterie hat 12 V / 80 Ah 0,96 kwh Instationär: hohe Leistung (100 kw) aber wenig Energie Energieversorgung beim Fahren über viele Stunden Wien - München auf der Autobahn = 430 km -Mit Benzin & Diesel: 8 l /100 km 34,4 l 310 kwh 43 kg Wirkungsgrad Vkm Antriebsstrang 25 % 77,5 kwh zum Fahren - Mit Elektroantrieb: 22,5 kwh /100 km 96,8 kwh 968 kg Wirkungsgrad Antriebsstrang 80 % 77,5 kwh zum Fahren Stationär: Wenig mittlere Leistung (23,4 kw) aber viel Energie

7 7 Was erwartet man von einem heutigen Auto? Einfache und rasche Betankung: Beispiel: Tank mit 60 Liter flüssigen Kraftstoff: Betankungszeit wenige Minuten Benzin & Diesel: ca. 9 kwh/l 540 kwh (Tankgewicht) = 63 kg Ethanol (100 %): ca. 5 kwh/l 354 kwh = 62 kg Betankungszeit 5 bis 15 Minuten bei gasförmigen Kraftstoffen Erdgas (Methan, CH4): ca. 13 kwh/kg + schwerer Drucktank (250 bar) Wasserstoff (H2): 33 kwh/kg + schwerer Drucktank (350/700 bar) Beispiel: Elektrofahrzeug mit unterschiedlichen Energiespeichern Betankungszeit viele Stunden Blei Akku: ca. 35 Wh/kg, bei 63 kg Energiespeichergewicht 2,2 kwh; Lithium Ionen Akku: ca. 100 Wh/kg, bei 63 kg 6,3 kwh; Betankungszeit Sekunden bis Minuten Supercaps: ca. 5 Wh/kg, bei 63 kg 0,32 kwh; Schwungräder: ca. 15 Wh/kg, bei 63 kg 0,95 kwh; Nahezu beliebige Lade- & Entladeleistung

8 8 Was lernen wir aus dem bisher gesagten? Der Elektroantrieb bietet locker die von der Vkm gewohnte Leistung und Antriebsdynamik. Weiters hat er Vorteile bei Kosten (bei Serienstückzahlen), Komplexität (höhere Zuverlässigkeit), Bauraum und Gewicht. ABER ein elektrischer Antriebsstrang bedeutet eine revolutionäre Umgestaltung eines Fahrzeuges HOHES Risiko beim Hersteller (OEM) Die Speicherung der elektrischen Energie im Fahrzeug ist bis auf Nischen wie Fahrräder, e-scooter, Elektro-Stadtfahrzeuge (nicht Autos!) ungelöst. Die Energiedichte von Batterien (heute UND morgen) ist um mindestens eine Größenordnung schlechter als die von flüssigen Kraftstoffen: Benzin oder Diesel: 12 kwh/kg, Lithium Batterien 0,2 kwh/kg (Faktor 60!) Die Leistungsdichte von Batterien (heute UND morgen) ist viel zu gering: Batterien können permanent nur mit 3 C geladen oder entladen werden. Die Fahrdynamik verlangt weit mehr, die Batterien überhitzen (Lebensdauer): Unser Beispiel war 20 s mit 100 kw (= 0,555 kwh) beschleunigen oder bremsen. Ein Elektroauto mit typisch 16 bis 20 kwh Batterieenergie [BMW i3 = 18,8 kwh; 125 kw; 6,6 C Lade-/Entladerate (9 Min.)] überfordert die Batteriekühlung. Man kann somit nur für kurze Zeit die volle Antriebsleistung abverlangen.

9 9 Beispiele zu Elektrofahrzeugen BMW i3: 125 kw, Reichweite 130 km, Karbonfaserkarosserie, 1270 kg. Main Stream Meinung: Li-Ionen-Batterien: Neue Systeme wie LiFePO 4, Ni-MH, Li-S, Na-Batterien, Entwicklung von Batterien mit höherer Kapazität, schnellerer Aufladung, längerer Lebensdauer Wasserstoff-Brennstoffzellen: Erhöhung des Wirkungsgrades von 40 auf 70%, Verlängerung der Lebensdauer, Erweiterung des Betriebsbereiches bis -30 C Renault Twizy: Länge 2.30m, Breite 1.13m Quellen: BMW, Renault 2013 und Manfred Grasserbauer, Wandel durch Technik, Technik im Wandel, Vortrag ÖAW,

10 10 Forschung auf den folgenden Gebieten wird der Elektromobilität zum Durchbruch verhelfen Der Energiebereitstellung in einem Elektrofahrzeug muss zweigeteilt sein: Ein Energiespeicher mit flüssigem Kraftstoff und Energiekonverter zur Bereitstellung der Gesamtenergie der Fahrstrecke Die die optimale Chemie eines Kraftstoffes ist und von der Natur vorgegeben: Evolutionäre Selektion: Kohlenwasserstoffe, Alkohole Der flüssige Kraftstoff wird über Solar- oder Windstrom hergestellt (synthetisiert) oder ist ein Biokraftstoffe der dritten oder vierten Generation Der Energiekonverter ist heute eine Vkm mit Generator und übermorgen eine Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Brennstoffzelle. Ein Hochleistungs-Energiespeicher mit wenigen kwh zur Abdeckung der Fahrdynamik aber mit 60 C oder mehr Lade-/Entladerate und

11 11 Beispiele für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe Carbon Capture and Storage (CCS) Abscheidung von CO2 durch Verflüssigung und Lagerung in unterirdischen Speichern oder Nutzung als Rohstoff. 12 Pilotkraftwerke in der EU im Bau Vattenfall Pilotanlage Schwarze Pumpe Abb.: Withgott & Brennan, Vattenfall 2103 CO2 ist Rohstoff für die Herstellung von Methanol oder Methan durch Reaktion mit Wasserstoff - gewonnen mit Hilfe von Solaroder Windenergie. EU SET-Plan: The European CO 2 Capture, Storage and Transport Initiative (13 Milliarden EUR) Quelle: Manfred Grasserbauer, Wandel durch Technik, Technik im Wandel, Vortrag ÖAW,

12 12 Europäisches Potenzial für Windenergie Quellen: M. Grasserbauer, Wandel durch Technik, Technik im Wandel, Vortrag ÖAW, Abb.: JRC, Enercon 2010 M. Hochleistungsnetz plus Speichersysteme EU: derzeit Windkraftwerke 5% der Elektrizität, 20% in 2020 Enercon E-126: 7.5 MW, Höhe198 m, Durchmesser126 m EU SET-Plan: European Wind Initiative (6 Md EUR)

13 13 Europäisches Potenzial für Sonnenenergie p-si: Ausbeute 14% Multijunction devices: > 40 % EU: derzeit 0,5% der Elektrizität, 10% in 2020 Quellen: Manfred Grasserbauer, Wandel durch Technik, Technik im Wandel, Vortrag ÖAW, Abb.: JRC 2010, Wikipedia Solarfolien und -fäden EU SET-Plan: The Solar Europe Initiative (16 Md EUR)

14 14 Beispiele für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe EU-Direktive: 10% des Treibstoffverbrauches Biokraftstoff Erste Generation: Ethanol aus Getreide und Zucker, Diesel aus Pflanzenölen. Werk in Babilafuente produziert jährlich t Ethanol aus Getreide. Abb.: Abengoa, Wikipedia 2010 Zweite Generation: Ethanol aus Holz oder Energiepflanzen Holzvergasunganlage Güssing für Ethanolproduktion EU SET-Plan: The European Industrial Bioenergy Initiative (9 Md EUR) Quelle: Manfred Grasserbauer, Wandel durch Technik, Technik im Wandel, Vortrag ÖAW,

15 15 Beispiele für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe Dritte Generation: Kraftstoffe (Benzin, Diesel) aus Algen. Algen der Klasse Chlorophyceae produzieren Kohlenwasserstoffe (hauptsächlich Triterpene) Anteil bis zu 50% ihrer Masse. C H Abb.: Wikipedia 2013 Vierte Generation: Künstliche Photosynthese CO 2 + H 2 O + Photonen Katalysator C x H y Biorefinery U.S. Patent #7,794,969 Sept auf HelioCultures an Joule Unlimited, Cambridge, Mass.: Katalysator gentechnisch modifizierte Organismen. Projekt Artificial Photosynthesis der EUCheMS: Katalysator Metallkomplexe Quelle: Manfred Grasserbauer, Wandel durch Technik, Technik im Wandel, Vortrag ÖAW,

16 16 Energiekonverter Der Energiekonverter ist heute eine Vkm mit Generator und übermorgen eine Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Brennstoffzelle. Beispiel: BMW i8 mit Range Extender Fahrleistung: Höchstgeschwindigkeit rein elektrisch (96 kw) 120 km/h Höchstgeschwindigkeit mit Range Extender (170 kw) 250 km/h Beschleunigung rein elektrisch 0 60 km/h in Sekunden 4,5 Beschleunigung km/h: 4,4 s Elastizität km/h: 4,0 s Elektrisches System: E-Motor, 96 kw an der Vorderachse Lithium Batterie mit 7,1 kwh Ladedauer unter 2 h (C-Rate!)

17 17 Hochleistungs-Energiespeicher zur Abdeckung der Fahrdynamik Gegenwärtig forscht man intensiv an zwei Speichersystemen zur Abdeckung der Fahrdynamik mit 60 C oder mehr Lade-/Entladerate. Prototypen der Speichersysteme (Supercap und Flywheel) werden bereits im Rennsport eingesetzt. Prüfstandsaufbau für Supercaps am Institut in einem Abzug

18 18 Supercaps als Hochleistungs-Energiespeicher Prüfstandsaufbau Detailaufnahmen: Kühlung der Zellen Prototypzellen dreier Herstellern Zelle Stromableiter Zelle Stromableiter

19 19 Schwungräder als Hochleistungs-Energiespeicher Brummkreisel als Spielzeug Antrieb Schnittmodell einer Switched Reluctance e-maschine Rotor = Schwungmasse Prototyp eines Flywheels

20 20 Schwungradprototyp im Rennsport Source: Armbruster D., GT3 R-Hybrid: Technology Champion and Race Lab, in Proceeding CD of the 22nd International AVL Confe-rence 'Engine & Environment', Graz, Austria, Sept. 9th-10th, Source: Williams Hybrid Power homepage: downloaded on April 2nd, 2011.

21 21 Schwungradprototyp im Rennsport 24 h Nürburgring Rennen in 2010 Porsche GT3 Rennfahrzeug mit Hybridsystem Source: Porsche, ttp:// racereports/?pool=motorsport&id=1616ecf2-ae5f-48e e99c5f19f2ab&lang=de#

22 22 Vielen Dank für Ihre geschätzte Aufmerksamkeit! Fragen?