Wasserstoffgemischen als Treibstoff in Erdgas-Hybridfahrzeugen

Transkript

1 Die Nutzung von Erdgas/Biogas- Wasserstoffgemischen als Treibstoff in Erdgas-Hybridfahrzeugen Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

2 Inhalt Ausgangslage CO 2 - und Kostenpotentiale von Erdgas-Elektrohybridantrieben (Effizienzsteigerung) Erdgas/Biogas-Wasserstoffgemische als Treibstoff (Nachhaltiger Treibstoff) Zusammenfassung

3 CO 2 Emissionen Der Verkehr ist der grösste Einzelemittent 12 Mio-t CO 2 Quelle: BAFU, Treibhausgasinventar 211 Handbuch Emissionsfaktoren (355+)

4 CO 2 Emissionen der neuen PW Von 161 g/km 13 g/km (215) 95 g/km (22) Gasoline Diesel Natural Gas Linear (Diesel) Linear (Gasoline) 4 35 emission in g/km CO CH g/km, 1 45 kg 1 Source: Auto-Schweiz 5 5 1' 1'5 2' 2'5 3' 3'5 Vehicle mass in kg Quelle: Auto-Schweiz (21)

5 Erdgasbetriebenes Elektro-Fahrzeug Die Stromproduktion macht s aus Ich bin auch ein «Erdgasauto»

6 Strombetriebenes Erdgas-Fahrzeug Wasserstoff im Erdgasnetz als Stromspeicher Überschuss-Elektrizität Ich bin auch ein «Elektroauto» Wasserstoff Methan

7 Inhalt Ausgangslage CO 2 - und Kostenpotentiale von Erdgas-Elektrohybridantrieben (Effizienzsteigerung) Erdgas/Biogas-Wasserstoffgemische als Treibstoff (Nachhaltiger Treibstoff) Zusammenfassung

8 Erdgas/Biogas als Motorentreibstoff Besonders gute Eignung als motorischer Treibstoff 1 = 1 ε κ 1 Therm. Wirkungsgrad: nth 1 wobei: ε = Verdichtungsverhältnis κ = Isotropenexponent c c p v Spezifikation Benzin Methan Oktanzahl Verdichtungsverhältnis Heizwert 43 MJ/kg 5 MJ/kg Flammentemperatur 2 5 K 2 15 K H:C Verhältnis 2 : 1 4 : 1 Spez. CO 2 Emissionen 74 g/mj 55 g/mj Energiedichte 3 MJ/dm 3 7MJ/dm 3 Reduzierte CO 2 Emissionen Nachteil?

9 Projekt CLEVER (Erdgas-Hybridantrieb) Empa/ETH-Gemeinschaftsprojekt Untersuchung der Potentiale neuer Brennverfahren für Gasmotoren Optimierung des thermodynamischen Kreis- prozesses für Erdgas (z.b. Miller-Zyklus) Realisierung Erdgas/ Biogas-Hybridantrieb id i b (Auslegung auf Rekuperation, Anfahr- drehmoment, Turbolochkompensation ) Touran 1.4 Touran 1.4 TSI Benzin: TSI CNG/Hybrid: -4 CO g CO 2/km 15 g CO 2/km BFE BAFU

10 Erdgas-Hybridantrieb für Mittelklasse-PW Ziel: 4% CO 2 -Reduktion Optimierung i der Methanverbrennung Erdgas-Direktinblasung (Verbrennungsforschung) Optimierung Gemischbildung Opt. des thermodynamischen Zyklus Downsizing / Turboaufladung Miller-Zyklus (frühes EV-Schliessen) Hybridisierung Kompensation der Nachteile kleiner aufgeladener Motoren Rekuperation von Bremsenergie Start/Stop-Funktion Untersuchung der Gemischbildung im Zylinder Einfluss des Verdichtungsverhältnisses und des EV- Schliessens Auslegung des Hybridantriebs

11 Verbrauchsmessungen an EuroEuro-4-PW s 5 Fahrzyklen, 12 Sub-Zyklen 18 NEDC(cold) + BAB 16 ECE (cold start) EUDC BAB Speed in km/h Speed in km/h Swiss Rb Rb 1 5 Rb 2 1 Time in s 16 CADC 2 CADC_ FTP_ FTP_ Time in s Time in s Swiss Ra Ra_1 14 Speed in km/h FTP_ FTP-75 (cold) 12 CADC 3 CADC_3 Speed in km/h Speed in km/h 14 2 Time in s CADC CADC 1 CADC_1 15 Ra_2 Ra_ Time in s Ma terials Sci ence & Technolog y

12 Verbrauchsmessungen an Euro-4-PW s Berechnung der Wirkungsgrade Me ean energy effic ciency in % 6% 5% 4% 3% 2% 1% % 16 Warm start cycles (WS) Cold start cycles (CS) NEDC Rb_1 CADC_2 Ra_3 Rb_2 FTP_3 EUDC FTP_2 FTP_1 NEDC CADC_1 ECE Rb_3 Interpol. (WS cycles) Ra_1 BAB Ra_2 y =.632ln(x) 632l +.13 R² =.9643 CADC_ Mean pos. wheel-power in kw Mean speed in km/h Cold start cycles (CS) NEDC Ra_2 CADC_2 Ra_3 Rb_1 Rural driving EUDC FTP_3 FTP_1 Rb_2 NEDC ECE CADC_1 City driving FTP_2 Rb_3 Warm start cycles (WS) Interpol. (WS cycles) Ra_1 BAB Motorway driving y = ln(x) R² =.883 CADC_ Mean pos. wheel-power in kw Quelle: SAE-Paper

13 Verbrauchsmessungen an Euro-4-PW s Willans-Ansatz für Fahrzeuge Einzelfahrzeug (Beispiel) Affiner Zusammenhang zwischen Verbrauch (mean chem. Power) und Drehmoment (mean pos. wheel-power) chem. pow wer in kw Mean % 2% 25% 3% 35% BAB CADC_3 Ra_1 45% Ra_2 EUDC Ra_3 Rb_1 CADC_2 CADC_1 FTP_3 Rb_3 Rb_2 y = x FTP_2 R 2 = Mean pos. wheel-power in kw

14 Verbrauchsmessungen an Euro-4-PW s Willans-Ansatz 9 Benzinfahrzeuge 8 Erdgasfahrzeuge er in kw Mean chem. Pow Gas-1 Gas-2 Gas-3 Gas-4 Gas-5 Gas-6 Gas-7 Gas-8 Gas-9 Mean -4 kw +4 kw 1 9 conv. powertrain 15% 2% 25% 3% turbo charged engine 8 35% 7 4% 6 45% y = x R2 = Mean pos. wheel-power in kw er in kw Mean chem. pow NGV-1 NGV-2 NGV-3 NGV-4 NGV-5 NGV-6 NGV-7 NGV-8 Mean -5kW +5kW Reihe3 conv. powertrain turbo charged engine 15% 2% 25% y = 3.115x R2 = % 35% 4% 45% Mean pos. wheel-power in kw Mea an chem. Power in kw Hybridfahrzeuge HEV-1 HEV-2 Mean -4 kw +4 kw Reihe3 Reihe4 Reihe5 15% 2% 25% 3% 35% 4% 45% y = x R2 = Mean pos. wheel-power in kw = Saugmotor Δ = Turbomotor

15 Erdgas-Hybrid-Mittelklasse-PW Einsatzprofil: gemischter Betrieb Zuhause Langstrecke Arbeitsort Auto obahn (4 km/a) Moderner Benzin PW: 2. MJ/km 147 g CO 2 /km Erdgas Hybrid PW: 1.45 MJ/km ( 31%) 85 g CO 2 /km ( 46%) Moderner Benzin PW: 1.81 MJ/km 133 g CO 2 /km Erdgas Hybrid PW: 1.49 MJ/km ( 2%) 87 g CO 2 /km ( 37%) 1 = 1.2 CHF Moderner Benzin PW: 2.8 MJ/km 153 g CO 2 /km Erdgas Hybrid PW: 1.8 MJ/km ( 2%) 15 g CO 2 /km ( 23%) Benzin Preis: 1.92 CHF/l (1.6 EUR/l) Erdgas Preis: 1.7 CHF/kg (1.42 EUR/kg) 1.16 CHF/l Äq. (.96 EUR/l Äq.) 1.55 CHF/l Äq. (1.3 EUR/l Äq.)

16 Erdgas-Elektrohybrid-Mittelklasse-PW 36% CO 2 -Reduktion ohne Mehrkosten Fahrzeug-Amortisation Treibstoff-Kosten Betriebs-Hauptkosten CO 2 -Emissionen

17 Inhalt Ausgangslage CO 2 - und Kostenpotentiale von Erdgas-Elektrohybridantrieben (Effizienzsteigerung) Erdgas/Biogas-Wasserstoffgemische als Treibstoff (Nachhaltiger Treibstoff) Zusammenfassung

18 Future fuel project an der Empa egas (H 2 und CH 4 ) basierend auf erneuerbarer Energie

19 Future-Gas Project (in Anbahnung) egas (H 2 und CH 4 ) basierend auf Überschuss-Elektrizität

20 Low Carbon Fuel-Projekt Einfluss von Wasserstoff auf Verbrennung (2 bar/2 U/min) ST 2bar bmep M FB5, 2bar bmep M FB5, 2 bar bmep M FB9, 2 bar bmep no H2 DoE 5vol% H2 DoE 15vol% H2 DoE no H2 Meas. 1vol% H2 DoE 15vol% H2 Meas [Crank. pt. Spark Tim. Deg.] Op [Crank. istance to ST [ Deg.] D fficiency [%] Engin ne Fuel Conv. Ef Hydrogen in Fuel [vol%] EGR rate [mass-%] Beschleunigte Entflammung ohne Erhöhung der globalen Brenngeschwindigkeit Hoch-AGR-Konzepte mit hohem Wirkungsgrad möglich

21 Erdgas-Wasserstoffgemisch als Treibstoff 5-1 E% H 2 in konventionellen Erdgasfahrzeugen Wirkunsgradgewinn bei Teillast Phase 1 (konventionelle Erdgasfahrzeuge): (Entdrosselung) Beimischung: 5-1 vol% bzw. 2-4 E% H 2 Phase 2 (optimierte Erdgasfahrzeuge): Bemischung: vol% bzw. 5-1% E% H 2

22 Inhalt Ausgangslage CO 2 - und Kostenpotentiale von Erdgas-Elektrohybridantrieben (Effizienzsteigerung) Erdgas/Biogas-Wasserstoffgemische als Treibstoff (Nachhaltiger Treibstoff) Zusammenfassung

23 Zusammenfassung Der Verkehr ist die grösste CO 2 -Verursachergruppe in der Schweiz. Die PW s leisten ihrerseits mit fast 8% an den CO 2 -Emissionen den grössten Beitrag. Die Mittelklasse- fahrzeug mit einem sehr universellen Einsatzspektrum spielen dabei eine zentrale Rolle Erdgas-/Biogasfahrzeuge stellen im PW-Bereich (insbesondere Mittelklasse, Gewerbefahrzeuge) die kostengünstige CO 2 -Reduktion dar. Erdgas-Hybridantriebe erlauben eine 4-5 %-ige CO 2 -Reduktion (bei Berücksichtigung vorgelagerter Prozesse), selbst ohne Biogasanteil. Mit Biogasanteilen lassen sich noch niedrigere CO 2 -Emissionen darstellen. Mittel- und längerfristig könnte das Erdgasnetz neben der Speicherung von Biogas auch für die Speicherung von Überschuss-Strom genutzt werden. Dieser sollte ohne weitere verlust- und investitionsbehaftete Umwandlung direkt genutzt werden können. Konventionelle Erdgasfahrzeuge mit Stahltanks können ohne Anpassung gemäss Norm 2 Vol% H 2 nutzen; optimierte Erdgasfahrzeuge vol%. Dank Verbesserungen in der Verbrennung kann damit eine überproportionale CO 2 -Reduktion realisiert werden.

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! und bestem Dank an die Kollegen für ihre Inputs: Dr. Patrik Soltic Dr. Panayotis Dimopoulos Eggenschwiler Reto Egli Kontakt: