ZUKUNFT DER ANTRIEBSTECHNIK

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1 ZUKUNFT DER ANTRIEBSTECHNIK VOLKSWAGEN AG KONZERNFORSCHUNG ANTRIEBE DR. TOBIAS LÖSCHE TER HORST CO 2 die Herausforderung für konventionelle Antriebstechnik, Wien, 10. November 2016

2 AUTOMOBILITÄT IM 21. JAHRHUNDERT Wasserstoff Plug In Hybrid Klimawandel Car Sharing Digitalisierung Connected Car Downsizing CO 2 Emissionen Urbanisierung Nachhaltigkeit Elektromobilität Batterietechnologie Automatisches Fahren Lithium Ionen Metropolen Peak Oil 2

3 HERAUSFORDERUNGEN ALLGEMEIN Europa China USA RAHMENBEDINGUNGEN: Deutliche Verschärfung der Verbrauchs und Emissionsgesetzgebung Deutlich gestiegene Erwartungshaltung der Politik, NGOs und der Öffentlichkeit Elektrifizierungsstrategien bei allen Wettbewerbern (BEV und Fuel Cell) ZIEL 2025 deutlicher Elektrifizierungsgrad der Neuwagenflotte bei gleichzeitiger signifikanter Verbesserung der verbrennungsmotorischen Antriebe HERAUSFORDERUNGEN ELEKTROMOBILITÄT: HERAUSFORDERUNGEN KONVENTIONELLER ANTRIEBE: Reichweite und Kosten, aber auch Kraftstoffverbrauch und Emissionen, aber auch Sicherheit (Batterie) und Robustheit (Fuel Cell) Kosten und Robustheit (Märkte) 3

4 CO 2 MAßNAHMEN Motoreffizienzmaßnahmen Hochleistungsbrennverfahren Optimale Kennfeldpunkte Höchstdruckeinspritzung Kombinierte Aufladung Variabler Ventiltrieb Variable Verdichtung Zylinderabschaltung Freilauf Motor Aus Downspeeding NVH bei niedrigen Drehzahlen Alternative Werkstoffe Beschichtung Strukturoptimierter Leichtbau Antriebsstrang Mikro-Hybridisierung Thermomanagement Nutzung Abgaswärme Direktschaltgetriebe Spreizung Wirkungsgrad Anfahrperformance Niedrigdrehzahl-konzept 4

5 ANTRIEBS UND KRAFTSTOFFSTRATEGIE CO 2 neutrale Elektrizität Brennstoffzelle konventionelle Elektrizität konventionelle Kraftstoffe Batteriefahrzeuge Plug In Hybride Hybridantriebe CO 2 neutrale und nachhaltige Mobilität CO 2 neutrale Kraftstoffe (flüssig, gasförmig) Verbrennungsmotor 5

6 OPTIONEN ZUR SPEICHERUNG UND NUTZUNG VON GRÜNEM STROM Strom H 2 H 2 Kraftwerk H 2 Speicher H 2 Tankstelle Fischer Tropsch Synthese Strom Strom Strom H 2 H 2 C x H y Strom Tankstelle Stromnetz Grüner Strom Elektrolyse H 2 Diesel Tankstelle Direkteinspeisung CO 2 Methanisierung Strom Strom CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle 6

7 LANGSTRECKENELEKTROMOBILITÄT?? BEV BZ ekraftstoff 7

8 LI IONEN BATTERIE: ROADMAP HOCHENERGIEBATTERIEN Elektrische Reichweite in km ** Konventionelle Lithium Ionen Technologie 380 Wh/L* 510 Wh/L* 650 Wh/L* 1000 Wh/L* Lithium Festkörperbatterie Neue Batterietechnologien Wh/L* FORSCHUNGSROADMAP * Energiedichte bezogen auf Zelle ** Basis: Batterie mit ca. 100 Liter Zellvolumen

9 BATTERIE MIT FESTKÖRPERELEKTROLYT Technologische Vorteile: Höhere Energiedichte durch kompaktes Design Höhere Sicherheit Lithium ionen Zelle Aluminium Metalloxid Stromableiter Kathode Festkörperzelle Aluminium Metalloxid Separator Separator/Elekrolyt Festkörperelektrolyt Graphit Anode Lithium Kupfer Kupfer Stromableiter Anode, Kathode und Separator sind mit einem flüssigen Elektrolyt getränkt. Festkörperelektrolyt substi tuiert Funktion von Elektrolyt und Separator. Herausforderungen: Materialien: Prozess: Schlechte ionische Leitfähigkeit im Festkörperelektrolyt Hohe Volumenänderung während des Lade und Entladevorgangs Aufwendige Herstellung des Festelektrolyts Anbindung der Elektroden an den Festelektrolyt schwierig Hohe Kosten 9

10 BRENNSTOFFZELLE Audi A7 Sportback h tron quattro Volkswagen NMS HyMotion 10

11 INFRASTRUKTURBEDARF AUF AUTOBAHNEN ZIELE UND MOTIVATION Können heutige Autobahntankstellen für eine BEV* oder FCEV* Flotte erweitert werden? Ist eine der Infrastruktur Technologien mittelfristig (2030) auszuschließen? Autobahnrasthof BEV Parkplätze mit Ladesäulen Technologische Hürden? Onsite Elektrolyse Wirtschaftlichkeit? FCEV H 2 Zapfpunkte Offsite Elektrolyse + Anlieferung Zapfsäulen für Benzin/Diesel *BEV = Battery Electric Vehicle FCEV = Fuel Cell Electric Vehicle 11

12 INFRASTRUKTURBEDARF DER DREI KONZEPTE IM VERGLEICH, GROBKALKULATION 5% UND 30% ANTEIL AN BEV ODER FCEV IN 2030 Schnellladesäulen H 2 Tankstellen Parkplätze je Rasthof 14 DC Ladesäulen 5% 30% 5% EV Anteil 30% 12 Zapfsäulen Zapfsäulen heute 2030 Zapfsäulen je Zapfsäulen Zapfsäulen 2030 Rasthof heute % EV Anteil 30% 3 Wasserstoff Otto/Diesel Wasserstoff Otto/Diesel + Flexible Bedarfsanpassung Ladezeit ~15 Minuten bis 80% SOC Belastung der Batterie Anschlussleistung Rasthof > 2,5 MW bzw. 20 MW + Onsite Elektrolyse Tankzeit: 6 Minuten Anschlussleistung Rasthof > 3 MW bzw. 18 MW Offsite Elektrolyse + Tankzeit: 6 Minuten + Anschlussleistung Rasthof analog heute 12

13 KONZEPTE FÜR UNTERSCHIEDLICHE FAHRPROFILE Dr. Tobias Lösche-ter Horst 13 13

14 ANTRIEBSMIX 2030 WELT WAS SAGEN EXTERNE QUELLEN? Mittelwert Welt, Neuzulassungen PKW und LNF in % (Mittelwerte auf 100% normiert) 29 58% 10 35% 7 14% 5 14% 2 3% Otto Diesel Gas* HEV PHEV BEV FCEV Die Koexistenz aller Antriebsarten bleibt auch in 2030 weiter bestehen Ottomotoren insbesondere in Verbindung mit Hybridsystemen bleiben marktdominierend Im Durchschnitt der Studien ergebnisse überholt der BEV den Diesel Die Einschätzung zur Marktdurchdringung der BEV weist eine großen Streuung auf (7% 27%) Von einigen Studien wird prognostiziert, dass die Brennstoffzellenantriebe ab 2030 erste spürbare Marktanteile erzielt Quellen: 20 Globale Studien von: Ricardo, McKinsey, BCG, Büro für Technikfolgen Abschätzung beim Deutschen Bundestag, Center for International Automobile Management RWTH Aachen, Bosch, IHS Global, Navigant Research, etc. Hinweis: nicht alle Jahre in allen Studien verfügbar, Grundgesamtheit der einzelnen Jahre unterschiedlich; Mittelwerte auf 100% normiert; *geringe Stichprobe, nur 3 der 20 Studien machen eine Aussage zu Gas 7 27% 0 6% 45% 11% 2% 18% 9% 13% 2% Quelle: Foliensatz zur Audi Denkwerkstatt Lebenswelten ( ) Max. Min. Mittelwert 14

15 BEISPIEL 1: ANTRIEBSSZENARIO DER FVV FÜR PKW NEUZULASSUNG IN DEUTSCHLAND Quelle: LBST 15

16 BEISPIEL 2: ANTRIEBSSZENARIO DER FVV FÜR NFZ NEUZULASSUNG IN DEUTSCHLAND Quelle: LBST 16

17 BEISPIEL 3: ANTRIEBSSZENARIO (CARB SZENARIO ) FÜR PKW NEUZULASSUNG ZEV GESETZGEBUNG 100% Marktanteil bis % Marktanteil bis 2030 Markteinführung ab 2019 Quelle: 17

18 ENTWICKELTE KLIMASCHUTZSZENARIEN METHODIK Szenario Nr. Zielwert CO 2 Energe tische Gebäudesanierung Antriebsszenario Kohlekraftwerke Kurzbezeichnung PKW Antriebsmix der Szenarien (keine Aussage zur LKW Flotte vorhanden) 1 klassisch nicht beschleunigt 80/gering/klass./n.b. 2 CH 4 nicht beschleunigt 80/gering/CH4/n.b. 3 gering H 2 nicht beschleunigt 80/gering/H2/n.b % elektrisch nicht beschleunigt 80/gering/elektrisch/n.b. 5 Mix nicht beschleunigt 80/gering/Mix/n.b. 6 nicht beschleunigt 80/amb/Mix/n.b. ambitioniert Mix 7 beschleunigt 80/amb/Mix/beschl % ambitioniert Mix beschleunigt 85/amb/Mix/beschl % ambitioniert Mix beschleunigt 90/amb/Mix/beschl. Anteil der Antriebe 100% 80% 60% 40% 20% 0% Antriebsszenario Batterie H2 Plug in Hybrid H2 CH4 Plug in Hybrid CH4 Otto/Diesel Plug in Hybrid Otto/Diesel Quelle: Fraunhofer ISE, Was kostet die Energiewende? Wege zur Transformation des deutschen Energiesystems bis

19 TRANSFORMATIONSKOSTEN DES ENERGIESYSTEMS IN ABHÄNGIGKEIT DER BRENNSTOFFPREISE Transformationskosten ohne Preissteigerung fossiler Brennstoffe Transformationskosten mit 3 % p.a. Preissteigerung foss. Brennstoffe Finanzierung Finanzierung Kosten [Mrd. ] Betrieb und Wartung Biomasse fossile Brennstoffe Investitionen Kosten [Mrd. ] Betrieb und Wartung Biomasse fossile Brennstoffe Investitionen 90 % CO 2 Reduktion führt zu stark steigenden Transformationskosten Hoher Anteil an Batteriefahrzeugen wirkt kostensenkend Klimaschutzszenarien können bei steigenden Brennstoff (oder CO 2 ) Preisen Kostenvorteile ggü. Referenzszenario erreichen Alle Klimaschutzszenarien bieten die volkswirtschaftliche Chance, große Anteile der Wertschöpfung nach Deutschland zu verlagern Quelle: Fraunhofer ISE, Was kostet die Energiewende? Wege zur Transformation des deutschen Energiesystems bis

20 MÖGLICHE ENTWICKLUNG NACHHALTIGER ENERGIEN IM AUTOMOBILSEKTOR (PKW, BESTAND) Otto/Diesel Energie im Fahrzeug (100 %) CNG Ethanol/ Fame/HVO BioCNG efuel ecng H 2 ICE FC PHEV/REEV Strom BEV

21 KHALIL GIBRAN ( , LIBANESISCH AMERIKANISCHER MALER, PHILOSOPH UND DICHTER): FORTSCHRITT BESTEHT NICHT IN DER VERBESSERUNG DESSEN, WAS WAR, SONDERN IN DER AUSRICHTUNG AUF DAS, WAS SEIN WIRD. 21