Alternative Kraftstoffe & Antriebssysteme

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1 Alternative Kraftstoffe & Antriebssysteme Dr.- Ing. Franz-Martin Dübel Leiter, - Institut für die Markterschließung alternativer Kraftstoffe

2 Inhalt: Motivation zur Einführung alternativer Kraftstoffe Überblick über die Kraftstoffalternativen Erzeugungspotentiale, Effizienz & Kosten Eignung für den Fahrzeugantrieb Verbrauchs- & Leistungspotentiale Kraftstoffspeicherung Resumee

3 Wir leben im Erdölzeitalter & verbrauchen Erdöl in nahezu allen Lebensbereichen Kleidung, Geräte & Baustoffe aller Art Heizung, Stromerzeugung & Prozeßenergie Kraftstoffe & Öle Folge: Luftbelastung mit Schadstoffen Treibhausgasen (CO 2 ) Klimaveränderungen Wetteränderungen sind die Vorboten! Frage: Und wie lange reicht das Öl?

4 Erdöl - Ressourcen 2001 max. Nordseeölproduktion Neue Verbraucher drängen auf den Markt Asien + 2,4 Mrd.

5 EU Target 2020 zur Markteinführung alternativer Kraftstoffe EU Marktanteilsziele Biokraftstoffe 2% 5,75% 7% 8% Erdgas - 2% 5% 10% H % 5% Gesamt 2% 7,75% 14% 23% Hauptmotivation der EU-Zielvorgaben Mittelfristig: Forcierung CO 2 -armer/freier Kraftstoffe, diversifizierte Bezugsstruktur Langfristig: Förderung von regenerativem Wasserstoff als nachhaltigem Energieträger

6 Alternative Kraftstoffe für Fahrzeuge I Flüssige Kraftstoffe Äthanol (C 2 H 5 OH), bekannt als Trink-Alkohol Methanol (CH 3 OH) Pflanzenöl-Methylester (z.b. RME, genannt Biodiesel) Synthetisches Benzin/Diesel GTL (Gas-to Liquid) Flüssige Kraftstoffe aus Biomasse synthetisiert (BTL = Biomass-to-Liquid, Sun-Fuel, SunDiesel) =>

7 Alternative Kraftstoffe für Fahrzeuge II Gasförmige Kraftstoffe Flüssiggas (C 3 H 8 /C 4 H 10 -Gemische) Erdgas, komprimiert (CNG) - (CH 4 /N 2 -Gemische) Erdgas, verflüssigt (LNG) (CH 4 /N 2 -Gemische) Biogase, Klärgase - gereinigt (CH 4 /CO 2 -Gemische) Wasserstoff (H 2 ) mittels Primärenergie erzeugt Elektrischer Strom Solar erzeugt Mittels Primärenergie erzeugt Summe: 12

8 Äthanol Produktion, Mengen, Kosten Produktionsmengen für Transportzwecke im Jahr 2000 Region/Land Mill. Kubikmeter Basisstoff Brasilien 13 Zuckerrohr USA* 6 Mais, Weizen West Europa 0,8 Weizen, Wein Kanada 0,3 Weizen, Mais *) US-Plan - Produktionssteigerung von ca. 6 Mio. auf 18 Mio. m 3 Zukunft: Neue Herstellprozesse sollen die Verfügbarkeit deutlich steigern Theoretisches Erzeugungspotential, weltweit: TWh; d.h. max Mill m 3 - ca. 38% (Benzin & Diesel - Basis 1996) Kraftstoffkosten: Brasilien: ca. 0,4 /Liter BRD (Rüben): ca. 0,7 /Liter (Herstellkosten)

9 Äthanol als Kraftstoff Mehrstoffantrieb (FFV) möglich, d.h. Benzin/Äthanol und - Gemische möglich Basisantrieb: Benzinmotor Alkohol und Benzin sind in beliebigem Verhältnis mischbar 1 Kraftstofftank Üblicher Kraftstoff = E85, d.h. 85 vol % Alkohol & 15 vol % Benzin Bedeutende Märkte: Brasilien, Fahrzeugzahl stark steigend, 77% FFV-Fahrzeuge 2/06 USA > Zulassungen in 2001 Europa: Schweden: hohe Subventionen Ford Focus FFV in 2004 D: Steuerfreistellung bis Ende 2009 dadurch jetzt wettbewerbsfähig Tankstellennetz im Aufbau (29 Stellen bis ) 1. Serienprodukt Ford Focus FFV

10 Äthanol Ford Focus FFV Motortechnologie (preiswert) Ventile & sitze - härter Tank & Leitungen - spezial Zylinderblock mit Kaltstartvorwärmung Focus FFV (Schweden, D ab 8/2005) Basisdaten 1,8 Liter, 92 kw-leistung Abgaseinstufung: Euro 4 Aufpreis über Benzin: 300 Sensorsystem zur Kraftstofferkennung Steuerung Zündkennfeld zur Anpassung an wechselnde Benzin-Äthanolgemische Verbrauchspotential: etwas besser als Benzinmotor

11 Biodiesel Herkunft & Potential Herstellung Rapsöl verestert mit Methanol = Rapsmetylester (RME) Potential in Deutschland 1,5% bis max. 5% des deutschen Kraftstoffbedarfs ( im Flächenwettbewerb mit anderen Energiepflanzen z.b. Getreide) Gewinnung verzehrt ca. 80% der gewonnenen Energie

12 Biodiesel Umwelt & Antrieb Umwelt Erneuerbare Energie, CO 2 -mindernd, ökologisch umstritten (Flächenkonkurrenz für Nahrungsmittel) Mögliche Geruchsemission Pommes Frites Antrieb Im Dieselfahrzeug Geringe Änderungen erforderlich heute noch Gefahr von Einspritzpumpenschäden ohne Schäden schon heute bis 5 vol% zumischbar Fazit Ein Nischenkraftstoff sinnvoll als Dieselzusatz mit 5 bis10 vol%

13 Flüssiger Kraftstoff aus Biomasse Herstellung von Benzin oder Diesel aus Biomasse (Schlagworte: Biomass-to-Liquid = BtL; SunDiesel, Sunfuel) Biomasse: Organische Abfälle, Energiepflanzen, Holz, Stroh, etc. Beispiele: Mais oder Hackholzschnitzel => Kraftstoff

14 Flüssiger Kraftstoff aus Biomasse z.b. durch Verflüssigungsverfahren, Lt. Choren, Freiberg seien herstellbar aus Biomasse ( ohne Energiepflanzen & org. Müll) 30 Mio t Diesel pro Jahr (Quelle: Uni Kassel, Prof. K. Scheffer) Memo: Dieselverbrauch im Jahr 2004: 28,9 Mio. t (Quelle: MWV) CarboV-Verfahren Fa. Choren Stoffvergasung + Fischer-Tropsch-Prozeß Diesel Produktionsmengen: Freiberg, Sachsen (2006) t/a aus t Hackholzschnitzel Geplante Standorte: Lubmin (M-V) mit t/a ca Dormagen (NRW) mit t/a

15 Flüssiger Kraftstoff aus Biomasse Vorteile des synthetischen Kraftstoffs: - Einheitliche Struktur, hohe Cetanzahl - Schadstoffemission erheblich vermindert 50% PM - Fahrzeuge, weitgehend unverändert Nachteile: Transport großer Rohstoffmengen Restfeuchte im Rohmaterial max. 20% Herstellkosten, derzeit 0,6 bis 0,7 pro Liter SunDiesel (zuzüglich Gewinn, Mineralölsteuer & Mehrwertsteuer)

16 Methanbasierte Kraftstoffe Methan (CH 4 ) ist ungiftig geringes C/H-Verhältnis wenig Treibhausgase im Fahrzeugabgas Keine Partikel oder Ruß Überlegene Klopffestigkeit ROZ 130/140 (Benzin 95/98, Äthanol 111) Erdgas: Methan/Stickstoff-Gemische 88% bis 96% CH 4 -Anteil Förderung unabhängig vom Erdöl Reserven/Resourcen für ca. 60/120 Jahre Preislich bereits heute wettbewerbsfähig Biogase: Methan/CO 2 -Gemische - 40% bis 80% CH 4 -Anteil Biomethan genannt nach CO 2 -Wäsche: 95% Methan Erneuerbar aus heimischer Biomasse & Abfällen Gewinnungspotential, ca. 15% des deutschen Kraftstoffbedarfs F & E -Bedarf

17 Biogas (50% - 65% CH 4 ) aus Grünpflanzen Biogasertrag (m 3 /a/ha) Basis Material: Grünroggen, nach Mais oder Raps Gras Mais-Silage (nach Roggen) Mais-Silage Plus: Organische Abfälle!

18 Biomethan / Ertrag & Fahrstrecke z.b. Biogas aus Pflanzen mit 60 vol % Methan Beispiel: Maissilage (nach Roggen): 7000 m 3 /Jahr/ha Umwandlung in Biomethan (98% CH 4 ) 4200 m 3 (Biomethan ist praktisch identisch CNG-H) 3400 kg BM Fahrstrecke pro Jahr mit Mittelklasse Fahrzeug: Verbrauch: 5,5 kg/100 km (BM/Erdgas) km / pro Jahr / pro ha

19 Methan-Kraftstoffe - Aufgabenstellungen Drehmoment & Leistung sind bei Verwendung von Erdgas im heutigen Benzin-Motor 8% bis 12% geringer als bei Benzin Methan wird als Druckgas gespeichert. Deshalb sind die Tanks erheblich größer als bei Benzin oder Diesel. Der Aufbau des Fahrzeugs muß für Gastanks angepaßt werden Investitionskosten der Autoindustrie sind hoch! Neue Fahrzeuge haben bis zu 450/500 km Reichweite Die Änderungen sind Vorleistungen auf eine Wasserstofftechnologie Tankstellennetz: heute 650, im Ausbau auf 1000 bis zum Jahr 2007 Neu: Selbstverpflichtung der Erdgasindustrie zum Einsatz von Biogasen

20 Leistungspotentiale - Methankraftstoffe Opel 1,6 L Ecotec 130/150 PS Erdgasmotor

21 Leistungssteigerung - ATL 1) Mit ATL - Leistung des 1,0 l Motors auf 2 l Niveau bringen oder 2 ) Hubraum verkleinern 2,0 l auf 1,0 l Folge: Geringere Kosten Geringerer Verbrauch

22 Flüssiggas Verbrauch & Verfügbarkeit Flüssiggas (LPG), genannt Autogas - Gemisch aus Propan & Butan (60/40 vol%) bis 95/5 vol%) Verbrauch weltweit: > 200 Mio. Tonnen (Haushalte 50 %, Chemie 22 %, Transportzwecke 8 %, Sonstige 20%) Verbrauch West-Europa: ca. 22 Mio. Tonnen (für Fahrzeuge ca. 11 % - für ca. 2 Mio. Fahrzeuge) Größte Märkte: Italien >1,2 Mio. Fahrzeuge -stagnierend BENELUX & Frankreich wieder anziehend Großbritannien - Absatz stagnierend Deutschland Umrüstmarkt, Bestand: Höherer Kohlenwasserstoff mit Eignung zur Kunststoffherstellung Einsatz von Propan stieg um 40% von 2000 bis 2004 Verfügbarkeit: > 50% abhängig von Erdölförderung & Erdölraffination folglich: keine Einstufung als strategischer Zukunftskraftstoff

23 Elektrofahrzeuge Marktpotential Bei Kundenpreiserwartung von max waren Th!nk City und e-ka nicht profitabel Kundenpotential - Elektrizitätsindustrie, umweltorientierte Kunden - Marktvolumen D ca. 200 Einheiten pro Jahr - Zu geringe Reichweite -Th!nk 85 km -e-ka 200 km Fazit: - Marktpotential noch immer nicht gegeben Leichtbau & NiCd-Batterien Leichtbau & Li-Ion-Batterien

24 Hybridfahrzeuge - Marktbeispiele Toyota Prius II (Kompaktklasse) Leistungsverzweigter Hybridantrieb Leistung: Benzinmotor: 57 KW/ 78 PS Elektromotor: 50 KW/ 68 PS Drehmoment: 400 Nm, /min Verbrauch: 4,3 Liter pro 100 km, CO 2 -Emission 104 g/km Preis: ab ,- Fiat Multipla (nur in Italien) Leistungsverzweigter Hybridantrieb Kompakt-Van Leistung: 75 KW/ 103 PS Benzinmotor 30 KW/ 41 PS Elektromotor Verbrauch: 6,8 L/100 Km Preis: keine Angabe

25 Vorteile: Vergleich Hybrid mit Benzin-/ Dieselfahrzeugen bzw. Elektrofahrzeugen Reichweitenproblem im Vergleich zu Elektro-Fahrzeugen gelöst Verbrauchsvorteile ca. 20% gegenüber Benzin-/Dieselmotor im kombinierten Betrieb Örtlich emissionsfreies Fahren mit Elektroantrieb möglich Nachteile: Höheres Fahrzeuggewicht, wegen der Batterien und dem Elektromotor Höherer Raumbedarf der komplexen Antriebstechnik als bei konventionellem Benzin-/Dieselantrieb Erheblich höhere Herstellkosten

26 Wasserstoff - Brennstoff der Zukunft? Motivation Klimafaktoren erzwingen kohlenstoffarme Kraftstoffe Biomasse reicht nicht zur Energieversorgung Einfache Herstellbarkeit aus Wasser - (Primärenergie erforderlich) Aufgabenstellungen H 2 -Antriebe & Kosten H 2 -Herstellung, Verteilung & Infrastruktur

27 Wasserstoff (H 2 ) Verfügbarkeit, Herstellung & Kosten Herstellung aus Wasser erfordert kostengünstige Primärenergie Kosten und CO 2 -Emissionen bei der Herstellung Grossanlagen Ct/kWh H 2 CO 2 g/kwh H 2 Steamreforming aus Erdgas 2,2... 3, part. Oxidation von Schweröl 2,1... 2, Kohlevergasung 3,5... 3, bar Hochdruckelektolyse 5,3... 5,6 6 (mit solartherm. Kraftwerk) Quelle: Wagner et al, BWK 52/2000, Nr. 12

28 Kostenanteile PEM-Brennstoffzelle Gasdiffusions- Elektroden 15% Katalysator 41% (Pt 400 mg/kw el ) Membrane 2% Bipolar Platte 20% Quelle: Ford-Werke AG Kleinteile 5% Montage 7% Kühlerplatte 10%

29 Die Aufgabenstellung => Brennstoffzellenantrieb - BZ-Technik muss bezahlbar werden!!! => Motivation für H 2 -Verbrennungsmotor Beherrschbare Technologie - schon heute Bezahlbare technische Lösung kurzfristig verfügbar Bivalenter Antrieb H 2 /Benzin erleichtert den Übergang auf eine Wasserstoffwirtschaft Aufgabenstellung: ca. 30% Leistungsnachteil gegenüber Benzin sind zu kompensieren z.b. Turboaufladung

30 Wasserstofftanks - Reichweite Beispiel Focus C-Max mit H 2 -Motor 3 Tanks mit insgesamt 119 Liter Volumen Tankdruck 350 bar = 2,75 kgh 2 = 9,7 Liter Benzin Tankgröße & Reichweite noch nicht befriedigend Infrastruktur für die Betankung fehlt und ist kostenintensiv

31 Kraftstoffe - Herstellkosten & Preise jeweils dieseläquivalent heute Ct/L Zukunft Ct/L Kosten / Preis Kosten / Preis Diesel (ex Rotterdam) - / 22?? /?? Diesel aus Biomasse - Choren (VW, DC, Shell 7000 / / - - Alphakat (VW, et. al.) - / - 40? / - Äthanol aus Biomasse - Brasilien (Zuckerrohr) 42 / 68 - / - - Deutschland (Rüben, ) - / / - - Schweden (Holz/Stroh) - / - - / - RME (Biodiesel) / ~ 60 - / - Biomethan (Mais, Roggen) - / - - / - Erdgas H - GUS - / 55 - Tankstelle - / - Wasserstoff (solarthermisch) / - - / - (aus Erdgas) / - - / -

32 Alternative Kraftstoffe Vergleich der Tankgrößen mit Benzin/Diesel Aufgabenstellung: Große Energiemenge auf kleinstem Raum mitführen Flüssige Kraftstoffe heute Potential Äthanol / Methanol zu Benzin 1,5 / 1,9 - Biodiesel (RME) zu Diesel 1,05 - Diesel aus Biomasse (BTL) 1,3 1,0 Gasförmige Kraftstoffe heute Potential Flüssiggas (LPG 95% Propan) 1,8 - Erdgas (Druckgas bei 200 bar) 4,1 => 400 bar 1,7 Wasserstoff (Druckgas 200 bar ) 14,2 => 700 bar 4,3

33 Resumee Alle auf Biomasse basierten Kraftstoffe können Erdöl nicht vollständig ersetzen. Äthanol & Biodiesel erfordern nur geringe Fahrzeugänderungen, sind aber teuer in der Herstellung und begrenzt in der Verfügbarkeit. B-T-L- Kraftstoffe erweitern den Substitutionsgrad, sind aber bisher nur subventioniert wettbewerbsfähig. Methanbasierte Kraftstoffe (Erdgas & Biomethan) haben Vorteile in der Kosteneffizienz, der nachhaltigen Verfügbarkeit & sind Wegbereiter für H 2. Wasserstoff (H 2 ) und BZ-Systeme sind noch zu teuer & daher F&E-Fälle FAZIT: Erdgas/Methan bieten bis auf weiteres die besten Voraussetzungen Mobilität nachhaltig zu sichern!!! Wenn Mobilität bezahlbar bleiben soll, muss die F&E noch stärker gefördert werden.