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1 Beitrag zur Versachlichung der Diskussion: Verbrennungsmotor gegen Elektromotor Dr. Amin Velji, Dr. Heiko Kubach, Prof. Dr. Ulrich Spicher Karlsruher Institut für Technology Karlsruher Innovationsabend Automotiv Pfinztal, 24. November 2010 INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und Nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Inhalt Situation in Deutschland Well-to-Wheel-Energiebilanz Gesamtsystembetrachtung Vergleich: E-Auto Auto mit Verbrennungsmotor zukünftige Mobilitätsstruktur Schlussfolgerungen 2

3 Situation in Deutschland Regierung möchte CO 2 -Emissionen reduzieren Öffentlich diskutiert: CO 2 -Reduktion im Verkehrsbereich und massive Unterstützung und Förderung der E-Mobilität Häufige Aussage in Politik und Medien: In 20 Jahren fahren wir elektrisch Elektrofahrzeuge sind emissionsfrei Frage: Wie groß ist das CO 2 -Reduktionspotenzial verschiedener A t i b t Antriebsarten? 3

Aussage in Politik und Medien: In 20 Jahren fahren wir elektrisch Elektrofahrzeuge sind

4 Situation in Deutschland Regierung möchte CO 2 -Emissionen reduzieren Öffentlich diskutiert: CO 2 -Reduktion im Verkehrsbereich und massive Unterstützung und Förderung der E-Mobilität Häufige Aussage in Politik und Medien:? In 20 fahren wir elektrisch Elektrofahrzeuge sind emissionsfrei Frage: Wie groß ist das CO 2 -Reduktionspotenzial verschiedener Antriebsarten? t 4

5 Woher kommt der Strom? Der Strom kommt aus der Steckdose Aber: Wie kommt der Strom IN die Steckdose? Eine Energiebilanz muss immer von der Quelle bis zum Rad gehen. Well-To-Wheel - Bilanz 5

6 Bewertungsverfahren heute: Tank to Wheel (nur Antrieb!); Realer Fahrbetrieb Mechanische Energie (Antrieb) (Antrieb) 18-30% Kraftstoff im Tank 100% Verlustwärme (Kühlmittel) Verlustwärme (Abgas) Verlustwärme (Strahlung) 70-82% Systemgrenzen Elektrische Energie (Steckdose) 100% Mechanische Energie (Antrieb) 90% Verlustwärme 10% 6

Tank 100% Verlustwärme (Kühlmittel) Verlustwärme (Abgas) Verlustwärme (Strahlung)

7 Complete system: vehicle with ICE fue el production and transport chemical energy (fuel tank) mechanical energy (drivetrain, ancillary units) waste heat (cooling) waste heat (exhaust) waste heat (radiation) chemical energy (fuel tank) Frischluft Otto Diesel Heizu ung Kardanwelle Innenraum waste heat drivetrain, cooling, exhaust, radiation i mechanical energy (drivetrain, ancillary units) use of cooling and exhaust heat cabin heating (no additional el. heater), engine oil heating, gear oil heating, electrical system, Waste 7

Diesel Heizu ung Kardanwelle Innenraum waste heat drivetrain, cooling, exhaust, radiation i mechanical energy (drivetrain, ancillary

8 Systembetrachtung: Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (optimiert) Chemische Energie (Kraftstofftank) Mechanische Energie (Antrieb, Nebenaggregate) g Verlustwärme (Kühlmittel) Verlustwärme (Abgas) Verlustwärme (Strahlung) Chemische Energie (Kraftstofftank) Frischluft Otto Diesel Heizu ung Kardanwelle Innenraum Verlustwärmen Antriebsstrang, Kühlmittel, Abgas, Strahlung Mechanische Energie (Antrieb, Nebenaggregate) Nutzung der Kühlmittel- und Abgaswärme Innenraumheizung (Entfall el. Zuheizer), Motorölaufheizung, Getriebeölaufheizung, Bordnetz, Verluste 8

- Otto Diesel Heizu ung Kardanwelle Innenraum Verlustwärmen Antriebsstrang, Kühlmittel, Abgas, Strahlung Mechanische Energie (Antrieb,

9 Systembetrachtung: Fahrzeug mit elektrifiziertem Antrieb Elektrische Energie (Batterie-Package) Mechanische h Energie (Antrieb) Verlustwärme Elektrische Energie (Antrieb) Elektrische Energie Heizung, E-Drive Mechanische Energie (Antrieb) Mechanische Energie (Nebenaggregate) Verlustwärme Kühlung und Heizung von Innenraum und Batterie, Licht sowie andere Verbraucher müssen ebenfalls mit Energie versorgt werden Thermische Rekuperation nur in geringem Maße möglich Steigendes Batteriegewicht erfordert zusätzliche Energie Optimum zwischen Reichweite und Gesamtmasse 9

Verlustwärme Kühlung und Heizung von Innenraum und Batterie, Licht sowie andere Verbraucher müssen ebenfalls mit Energie versorgt werden

10 Von der Quelle zum Rad Pi Primärenergie i % Kraftwerksmix 90% Stromtransport 90% Speicherung in Batterie 95% Elektromotor Wirkun ngsgrad [% %] % Dieselmotor 33% Ottomotor 20 31% Elektromotor Grundlage: Jahrestemp.- (Abschätzung für NEFZ) vert. Frankfurt 23% Elektromotor inkl. Heizung 0 Kraftstoffproduktion und Transport Stromerzeugung Stromtransport, Speicherung Umsetzen in Antriebsenergie (Verbrennungs- motor, E-Motor) 10

Grundlage: Jahrestemp.- (Abschätzung für NEFZ) vert. Frankfurt 23% Elektromotor inkl.

11 Marktreifes E-Fahrzeug im Vergleich Mitsubishi i-miev VW Polo Blue Motion 47 kw Leistung 55 kw kg Gewicht 1150 kg. 130 Km/h max. Geschwindigkeit 173 km/h. 16,2 s km/h 13,9 s. 7 h Aufladung Batterie 10 min (Tanken). 21,9 kwh/100 km (1) Energieverbrauch 3,3 l /100 km (2). 77 km Reichweite 1360 km. 125 g/km (1,3) CO 2 Emission 87 g/km (2). (1) Auto Motor und Sport Teststrecke Stuttgart (2) NEFZ (3) Kraftwerksmix in Deutschland source: Auto Motor und Sport 6/2010, S. 58 ff 11

21,9 kwh/100 km (1) Energieverbrauch 3,3 l /100 km (2). 77 km Reichweite 1360 km.

12 Energiedichte der Energieträger Benzin E85 CNG Wasserstoff Batterie energ gy densit ty [kwh/k kg] factor 60 12

13 Spezifische Speicherkosten der Energiträger Benzin E85 CNG Wasserstoff Batterie speci ific costs in / kw Wh factor

14 Reduzierung von Verbrauch und CO 2 (bei konsequenter Weiterentwicklung) ohne Hybridisierung m] en [g/km missione CO 2 -Em Benzin Diesel Quelle: Bosch

15 zukünftige Mobilitätsstruktur Fazit: E-Mobilität sinnvoll für Nischenanwendungen und Stadtverkehr Verbrennungsmotor wird auf lange Sicht der dominierende Antrieb sein und durch Weiterentwicklung zur Senkung der CO 2 -Emissionen beitragen 15

wird auf lange Sicht der dominierende Antrieb sein und

16 Schlussfolgerungen Verbrennungsmotoren wird es noch lange geben Flüssige Kraftstoffe mit sehr hoher Energiedichte wird es ebenfalls so lange geben, so lange es Verbrennungsmotoren gibt Empfehlung Flüssige Kraftstoffe für automobile Anwendung Nicht-Flüssige Kraftstoffe für stationäre Anwendung 16

geben, so lange es Verbrennungsmotoren gibt Empfehlung Flüssige

17 Energiedichte? Energieinhalt 0,5 kwh = Benzin Schokolade Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Reichweite: 7 km Batterie des Touareg Hybrid 17

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Vergleich verschiedener Technologien Vergleich Technologien Der Vergleich der Antriebssysteme erfolgt sowohl durch die Tank to Wheel als auch durch die Well to Wheel -Analyse, siehe Abbildung 1. Abbildung 1: Grenzen der Energiebilanzen Die