Roadmap Elektromobilität: was wir aus Life-Cycle Betrachtungen und Nutzerverhalten lernen können

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1 Roadmap Elektromobilität: was wir aus Life-Cycle Betrachtungen und Nutzerverhalten lernen können E-Motion-Days, Innsbruck Okt. 216 Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

2 Einleitung Institut für Fahrzeugtechnik, Member [FSI] Verkehr Entwicklung der Weltbevölkerung 7% des motorisierten Individualverkehrs erfolgt in urbanen Gebieten. Popultaion (Mrd.) Energiebedarf, Emissionen Abstellflächen population in congested areas, more developed regions (bio.) population in congested areas, less developed regions (bio.) population in congested areas, least developed regions (bio.) population rural (bio.) Quellen: Brinkhoff, UNDESA, EU Transport in Figures, Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

3 Vereinbarung zur Reduktion der CO 2 -Emissionen, Flottenverbrauch EU Durchschnittl. CO 2 - Flotten Emissionen: 212 ca. 16 Gramm pro Flottenemissionen Neufahrzeuge: 215: 13 g/. Weitere Reduktion: 22: 95 g/. Bei Verletzung dieser Grenzwerte: Strafzahlungen durch OEM. =>>>> Das bedeutet eine Reduktion von ca. 4% in 8 Jahren Wie kann das funktionieren? Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

4 Vereinbarung zur Reduktion der CO 2 -Emissionen, Flottenverbrauch EU Die Emissionsgrenzwerte basieren auf standardisierten Testzyklen: für CO 2 Flottenemissionen gilt NEDC bis 22. Velocity (/h) NEDC velocity (/h) engine torque operating range engine NEDC testcycle Emissions not limited! Time (s) engine speed Elektrifizierung und Hybridisierung: nur CO 2 aus Fahrzeug-Abgas wird berücksichtigt. Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

5 Vereinbarung zur Reduktion der CO 2 -Emissionen, Flottenverbrauch EU Deutliche Verschärfung für Schadstoffe (NO x, C x H x ) ab 216/17: WLTC-Zyklus und Real Drive Emissions 135 Geschw. [/h] 9 18 Zeit [sec] engine torque Real Drive Emissions WLTC test-cycle NEDC testcycle engine speed Geplant ab 22: WLTC auch für CO 2, bei gleichbleibendem Grenzwert 95 g/. Verschärfung für Realemissionen. Weiterhin: Emissionen Tank to Wheel (Fahrzeugabgas) Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

6 Anteil der elektrischen Energieerzeugung in EUROPA Die Erzeugung von elektrischer Energie aus erneuerbaren Ressourcen ist die Basis für nachhaltige und unabhängige Mobilität. Anteil an gesamter Stromproduktion (%) 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % regenerative Kohle Öl Gas Kernenergie Wasserkraft Wind Sonstige Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

7 CO 2 Emissionen PKW 25 Für Fahrmuster Kurzstrecke (hauptsächlich im Stadtverkehr), d.h. man könnte alles elektrisch fahren Energiemix Österreich CO2 Emissionen (g/) ,16 114,41 17,89 47,39 36,79 21,83 22,92 39,22 42,5 43,29 22,99 Benzin Diesel HEV PHEV(3) PHEV(6) EV Micro EV Diesel HEV PHEV (3) PHEV (6) EV Micro-EV Diesel-PKW Vollhybrid Plug In-Hybrid (el. Reichweite 3 ) Plug In-Hybrid 6 (el. Reichweite 6 ) E-Fahrzeug, 4-Sitzer Elektrofahrzeug, 1-er CO2 WTT (g/) Quelle zu Tank CO2 TTW (g/) Tank zu Rad Energiemix EU CO2 Emissionen (g/) ,16 47,39 114,41 17,89 64,39 77,96 8,67 36,79 42,84 21,83 22,92 Benzin Diesel HEV PHEV(3) PHEV(6) EV Micro EV CO2 WTT (g/) CO2 TTW (g/) Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

8 LCA - Life Cycle Assessment Transport Transport Transport Bildquellen: Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

9 Reale Emissionen von Mobilität werden auf 4 Ebenen verursacht Technische Spezifikationen des Fahrzeugs Größe, Masse Art und Effizienz der jeweiligen Technologie (Antrieb, Nebenverbraucher ) dzt. Emissionsgesetzgebung Well-to-Wheel Betrachtung Energiebereitstellung Life-Cycle Betrachtung Produktion und Verwertung Nutzungsweise Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

10 Eine weitere wichtige Dimension: Einfluss der Nutzungsweise Tageskilometerleistung () Täglicher Stadtverkehr MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO Stadverkehr mit Wochenendausflügen (5% Landstraßen und Autobahn) MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO WochenpendlerIn/ LangstreckenfahrerIn (95% Landstraßen und Autobahn) MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO urban suburban Überland Autobahn Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

11 Startwert CO 2 -Emissionen (kg): Produktion Antrieb + Karosserie Plug-In Hyb ALU Mehraufwand ALU-Kar. ANTRIEB + Karosserie STAHL kg CO 2 Benzin Stahl Benzin Diesel Erdgas Mild Hybrid Voll Hybrid Plug In Hybrid Elektrofahrzeug Mit Range Ext. Verbrennungsmotoren Hybride E Fahrzeuge *) durchschnittliches österr. Fahrzeug: C-Segment ( Golf-Klasse ), E-Fahrzeug 14 Reichweite, Plug-In Hybrid 3 elektrische Reichweite, Hybride auf Basis Benzin-Motor **) Stahlkarosserie 4 kg, Alukarosserie 24 kg, Strommix EU ***) alle weiteren Produktionsprozesse: Parallelverschiebung der Balken Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

12 CO 2 -Emissionen (kg): Stadtverkehr 5 kg Tageskilometerleistung () 2 1 MO DI MI DO FR SA SO urban suburban Überland Autobahn 25 kg 5 kg *) Erdgas etwa gleich wie Diesel: 24% Vorteil aus chem. Zusammensetzung kompensiert durch Otto-ähnliche Verbrennung und Kompression zur Speicherung **) E-Fahrzeug mit Range Extender etwa gleich wie reines E-Fahrzeug: Range Extender kommt nicht zum Einsatz Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

13 Handlungsempfehlung Österreich Szenario europ. OEM 225: ca. 1% BEV ca. 1% PHEV Urbaner Verkehr: Elektrifizierung Zweitwagen & Verteilerverkehr, Ladepunkte in 22/38 V in allen Parkzonen öffentl. & privat (Supermarkt, ) Naherholungsgebiete, städtisches Umfeld (bis 1), Überland: 22/38 V Ladepunkte in typischen Erholungszonen, Skigebiete, Badeseen, Bergsteigerparkplätze, Ausflugsgasthöfe, Ortszentren, Notiz: Umfrage USA: Bevölkerung Langstrecke: will, wenn im öffentlichen Bereich geladen wird, hauptsächlich Schnelladen. 38 V in neuen privaten Garagen, 2-3 DC Schnelladestationen an allen Autobahntankstellen, Raum kaum DC-Schnelladezentren genutzt, wenn Schnellademöglichkeit an Verkehrsknoten vorhanden. und in großen / 22 V wird im öffentlichen 38 V bis 44 kw Ladeleistung mittleren Städten, Kompromiss aus Kosten Ladestation, Verfügbarkeit el. Anschlussleistung und Ladezeit => bei jedem Supermarkt möglich Voraussetzung: Ausbau regenerativer Energie, kompetitive BEV / PHEV Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

14 CO 2 -Emissionen (kg): Stadtverkehr mit Ausflügen 5 kg Tageskilometerleistung () 2 1 MO DI MI DO FR SA SO MO DI MI DO FR SA SO urban suburban Überland Autobahn Serien-Technologien IST, kg 5 kg *) reines E-Fahrzeug IST-Technologie NICHT dargestellt: Reichweitenproblem, ausgenommen sehr teure Luxusfahrzeuge **) nächste Batteriengeneration, Vorserie 216: ca. 5% mehr Reichweite als bisherige vergleichbare Fahrzeuge bei ca. gleichem Bauraum & gleiches Gewicht (Bsp. Herstellerangabe 3 ), verbessertes Laden 38V/11kW Volladung in ca. 3 h. Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

15 Handlungsempfehlung Österreich Szenario europ. OEM 225: ca. 1% BEV ca. 1% PHEV Urbaner Verkehr: Elektrifizierung Zweitwagen & Verteilerverkehr, Ladepunkte in 22/38 V in allen Parkzonen öffentl. & privat (Supermarkt, ) Naherholungsgebiete, städtisches Umfeld (bis ca. 1), Überland: 22/38 V Ladepunkte in typischen Erholungszonen, Skigebiete, Badeseen, Bergsteigerparkplätze, Ausflugsgasthöfe, Ortszentren, Langstrecke: 38 V in neuen privaten Garagen, 2-3 DC Schnelladestationen an allen Autobahntankstellen, DC-Schnelladezentren an Verkehrsknoten und in großen / mittleren Städten, Voraussetzung: Ausbau regenerativer Energie, kompetitive BEV / PHEV Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

16 CO 2 -Emissionen (kg): Langstrecke 5 kg Tageskilometerleistung () 2 1 MO DI MI DO FR SA SO urban suburban Überland Autobahn Serien-Technologien IST, kg 5 kg 5 1 *) reines E-Fahrzeug IST-Technologie, NICHT dargestellt: Reichweitenproblem **) E-Fahrzeug mit Range Extender IST-Technologie NICHT dargestellt: technisch wenig sinnvoll 15 2 ***) E-Fahrzeuge in Startphase Serienentwicklung: 7-8V Systeme, etwa doppelte Reichweite als derzeitige vergleichbare Fahrzeuge + Elektrifizierung Prämiumsegment, Reichweiten Herstellerangaben erwartet bei 4 5(+) Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

17 Handlungsempfehlung Österreich Szenario europ. OEM 225: ca. 1% BEV ca. 1% PHEV Urbaner Verkehr: Elektrifizierung Zweitwagen & Verteilerverkehr, Ladepunkte in 22/38 V in allen Parkzonen öffentl. & privat (Supermarkt, ) Naherholungsgebiete, städtisches Umfeld (bis ca. 1), Überland: 22/38 V Ladepunkte in typischen Erholungszonen, Skigebiete, Badeseen, Bergsteigerparkplätze, Ausflugsgasthöfe, Ortszentren, Langstrecke: 38 V in neuen privaten Garagen, 2-3 DC Schnelladestationen an allen Autobahntankstellen, DC-Schnelladezentren an Verkehrsknoten und in großen / mittleren Städten, Voraussetzung: Ausbau regenerativer Energie, kompetitive BEV / PHEV Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

18 Problematik Laden => 22 V Haussteckdose (16 A, abgesichert) => 38 V Starkstrom Haushalt, Keller, Werkstatt Bsp.: 43 KW AC Schnelladen: 1 Std / 2 Bsp.: Tanken Diesel/Benzin: 5 min / 8 (12 Fahrzeuge / Std) Hochleistungs-Schnellladen erfordert schwere steife Kabel 5-fache Anzahl an Ladestationen im Vgl. zu Zapfsäule *) 216, max. Schnelladung: Tesla Model S : kurzfristig bis 85 kw, dann Reduktion der Ladeleistung Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

19 Problematik Wasserstoff Quelle bis Tank WTT Tank bis Rad TTW Herstellung Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

20 Problematik Wasserstoff Brennstoffzellenfahrzeug = E-Fahrzeug. FCEV Problemstellen Brennstoffzelle o Startverhalten o hohe spez. Energiedichte, geringe spez. Leistung o teuer (Platin) Batterie als Puffer f. Leistungsspitzen Szenario:. Quelle: M. Schmuck, VARTA Brennstoffzelle mittelfristig dann sinnvoll, wenn der politische Wille besteht, auch Langstrecke (Tank-to-Wheel) emissionsfrei zu fahren. Wenn überschüssige regenerative elektrische Energie zur Verfügung steht (räumlich, zeitlich). Beispiel Windstrom in Norddeutschland. Problem: Rentabilität: wie gut ist H 2 -Erzeugung auslastbar, wie hoch ist Preis dieser Energieform? Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

21 Mögliches Szenario Wasserstoff? Quelle: H. Wallentowitz Elektrifizierungs - -grad VKM-Hybride Hydrogenisierungs - -grad BEV-Hybride? BEV reines E-Fahrzeug BEV mit H 2 -Zelle REX H 2 -Zelle mit Plug-In Batt. H 2 -Zelle mit Batt.-Boost Voraussetzung: Ausreichend regenerat. Energie, kompetitive H 2 -Zelle Batt. H 2 Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

22 Conclusions Real Emissionen sind bestimmt durch 4 Ebenen: Technische Spezifikationen (Status Abgas- & Co 2 Gesetzgebung), Energieerzeugung, Life-Cycle und NUTZUNGSWEISE Empfehlungen CO 2 -Reduktion Österreich: Expliziter CO 2 -Gewinner urban: Batterieelektrische Fahrzeuge und Plug-In Hybride Je mehr Langstrecke: Batterie => VKM Hybridisierung Sehr langfristig??: Batterie => H 2 -Zelle Hybridisierung Schlüssel-Technologie zur CO 2 -Reduktion: primär VERSORGUNG mit ERNEUERBARER Energie. Schrittweise mit Elektrifizierung dort beginnen, wo größter Benefit: urbaner Verkehr; Fahrzeuge die viel Stehen und kurz Fahren (Ladeproblematik, Ladeinfrastruktur, Kaltstartemissionen VKM) Leichtbauwerkstoffe sind aus CO 2 -Sicht primär für urbane Fahrzeuge und konventionelle Verbrennungskraftmotoren empfehlenswert Benzin, Diesel). Leichtbau für E-Fahrzeuge hauptsächlich aus Gründen Reichweite & Fahrspaß. Peter Fischer, Helmut Brunner E-Motion-Days, Innsbruck, Okt

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Contact: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter Fischer Dipl._ing. Helmut Brunner Univ.-Prof. Dr. techn. Peter Fischer DI Helmut Brunner TU Graz, Institut für Fahrzeugtechnik Institute of Automotive Engineering Graz University of Technology A-81 Graz, Inffeldgasse 11/II p. +43 () f. +43 ()