Zukunftsweisende Gastankstrukturen proof of principle

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1 Folie 1 Zukunftsweisende Gastankstrukturen proof of principle VDI-Forum Tank- und kraftstoffführende Systeme 28. Juni 212, Regensburg Dipl.-Ing. Philipp Straßburger Dipl.-Ing. Roland Schöll DLR Institut für Fahrzeugkonzepte Stuttgart

2 Folie 2 Präsentationsüberblick - Technologie - Grundlagen/-konzept / Zielsetzung - Entwicklungshistorie - Aufbau eines Funktionsmusters - DLR intern gefördertes Gastank Projekt - Konzeptanpassung - Beispiel Vorversuch - Funktionsmusteraufbau - Nachweis der grundsätzlichen Tauglichkeit der Technologie - Multizeller Test - Markt- und Wettbewerbssituation - Weiteres Vorgehen zum Schließen der Validierungslücke -

3 Folie 3 Hochdrucktanks für gasförmige Kraftstoffe Bauweisenüberblick Zylindrisch, NG 1 4 NG 1 NG 2 NG 3 NG 4 Wicklung Umfangswicklung Spiralwicklung Spiralwicklung Gewichtseffizienz,95-1,15 kg/l,75 -,85 kg/l,38 -,68 kg/l ca.,36 kg/l

4 Folie 4 DLR-Wabentank Anforderungen und Ziele Sicher Kostengünstig Leicht Hohe Speicherkapazität Packagingfreundlich Großserientauglich (Reproduzierbar)

5 Folie 5 Technologie Wabentank Package und Kostenorientierte Gastanks sind ein Enabler für NG-Fahrzeuge Patentiertes Grundkonzept Bauraum- Variabilität Bauraumangepasst in einem realen Fahrzeug z. B. E-Klasse ca. + 38% nachgewiesen Technische Konzeption Insert Liner Adapterplatte Ventil & Handling Unit

6 Werte T -8 4 T 5 T 5 T T Folie 6 Entwicklungshistorie 3e. Modellierung Querspannung in MPa Material 12 und 122 3d. Fertigungsstrategie Längsspannung in MPa 3c. Lege-/Wickelstrategie 2c. Konzeptprüfung b. Werkstoff- und Fertigungsparameter a. Werkstoffqualifikation 5 2b. Werkstoffuntersuchungen 2a. Konzeption Patent 2. Voruntersuchungen* 3. Vorversuche** 4. Funktionsmuster*** * Voruntersuchungen zu einem formvariablen Hochdruckspeicher (Tank) für gasförmige Kraftstoffe, insbesondere NG Gastank ** Innovative Technologien zur Gestaltung von Last tragenden Leichtbauteilen aus kurzfaserverstärktem Thermoplast mit Endlosfaserverstärkungen am Beispiel eines NG-Tanks (LLBT) *** Entwicklung eines Funktionsmusters für einen NG-Flachtank in DLR-Wabenbauweise - DLR-Wabentank (Vorphase)

7 Folie 7 Vorgehensweise zur Erstellung des Duroplast Funktionsmusters Thermoplast Duroplast Konzeptvalidierung Historie Voruntersuchungen formvariabler Hochdruckspeicher Lasttragende Leichtbauteile am Beispiel Gastank Schritt 2: Simulationsnachweis Schritt 1: Konzeptanpassung an Duroplast Schritt 3: Vorversuche/ Schritt 4: 4: Monozeller Multizeller inkl. Tests Fertigung inkl. Tests

8 Folie 8 Konzeptanpassung an Duroplast Roving Laminat r = 2 mm Liner Roving Kraftstelle Kraftausgleichsstelle

9 Folie 9 Beispielvoruntersuchungen: Qualifizierung Lasercusing Voruntersuchungen omputertomographie bei DLR BK -45 Berstversuche bei der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart Druck [bar] Radialdehnung aus der Simulation [µm/m] Durchschnittsdehnung aus den Versuchen [µm/m] 1 ~ ~ ~ Max. Dehnung >> den max. gemessenen 2%

10 Folie 1 Fertigung des Multizellers Metallliner Faserlagenaufbau Vakuuminfusion der Einzelzellen Gewebe Flechtschlauch Schweißfittinge Verrohrung Positionierung der Zellen Fittinge zur Rohrverschraubung Druckmessung Einlass

11 Folie 11 Fertigung des Multizellers Wicklung mit vorimprägniertem Endlosroving Abstreifer Harztopf Roving Legemuster Endloswicklung

12 Folie 12 Wasserberstversuch Multizeller nach der EE R11 Druck-Zeit Verlauf des Wasserberstversuches Der Prinzipnachweis wurde mit dem Aufbau des ersten Wabentank-Funktionsmusters und dem erfolgreichen Berstversuch erbracht.

13 Folie 13 Gewicht Wabentank im Wettbewerb Zielsetzung: Gewichts- und Volumeneffizienz bei hoher Kostenattraktivität 1., NG1 Entwicklungsländer ~1,4kg/l; <5 /l NG1 Industrienation,9-1,2kg/l; ~5 /l Wabentank ~,6kg/l; ~5 /l Wabenwicklung (Zielpreis) NG2 ~,8kg/l; ~6 /l Umfangswicklung H ers tellkos ten 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, NG4 Mischfaser ~,4kg/l; ~7 /l Spiralwicklung 761,57 697,59 NG4 Rein FK ~,3kg/l; ~8 /l Spiralwicklung RTM Technologie S pritzgießtechnologie 717,58 699,9 627,41 592,75 1. T eile 15. T eile 2. T eile NG3 Rein FK ~,4kg/l; ~9 /l Spiralwicklung Prognose: Im Mittel sind für 2. Teile Jahresproduktion Herstellkosten in Höhe von 6 realistisch Potential für weitere Kostensenkung vorhanden (Minimalwerte) Berechnung für Gastank mit ca. 15 Liter Gasvolumen, 36 Liter Wandvolumen, 5mm Wandstärke, kohlenstofffaserverstärkt Kosten

14 Folie 14 Markt- und Wettbewerbssituation Automobile Wachstumsmärkte Wachstum (in Mio Fzg.) Quelle: International Association for Natural Gas Vehicles Quelle: IHS Global Insight (Stand: Februar 212), gerundet; Pkw und LNF, Daten für 211 teilweise vorläufig Nachhaltigkeitsstrategie bis 22: 2% - 4% Anteil von NG Fahrzeugen am Neufahrzeugmarkt DENA-Studie geht von > 2. NG-Fahrzeugen (D) als Neuzulassungen in 217 aus 2. NZ, davon 1% Wabenbauweise bei Kosten von 7 /Speicher daraus ergebendes Marktvolumen von 14 Mio. uro

15 Folie 15 Markt- und Wettbewerbssituation Marktumfeld NG-Fahrzeugantrieb Entwicklungsprognose Erdgasfahrzeuge (Weltweit) Niedrige O 2 -Emissionen im Vergleich zu konventionellen Antriebstechnologien Synthetische O 2 neutrale Herstellung möglich Kostengünstiger Treibstoff Reichweite mit 1 EUR Kraftstoffkosten 1 Benzin 111km Diesel LPG NG 173km 182km 241km Im Vergleich zu Elektroautos hohe Reichweiten von bis zu 4 km realisiert, Komfort-Ziel 6 km Bereits heute ausgedehnte NG- Infrastruktur vorhanden (in D 1 Tankstellen, weltweit 19,8 Tankstellen) Bis mindestens 218 profitiert NG von Steuervergünstigungen in Deutschland (Verlängerung bis 23 in Bearbeitung) 1 Referenzfahrzeug Fiat Punto

16 Material 12 und Werte Längsspannung in MPa T 4 4 T 5 4 T 5 4 T 4 T Folie 16 Entwicklungsstand und Validierungslücke Auslegung eines 1:1 Prototyp als zulassungsfähiges Bauteil. Querspannung in MPa Validierung der Ansätze zur wirtschaftlichen, industriellen Umsetzbarkeit Aufbau- und Materialoptimierung im Hinblick auf die Zylinderzulassungsprüfungen der EE R11 im realistischen Maßstab Integration von Speicher und Verbindungsstruktur, Anschluss u. Ventiltechnik im Fahrzeug 1. Patent 2. Voruntersuchungen 3. Vorversuche 4. Funktionsmuster 4. Wabentank (Validierungslücke)

17 Vielen Dank für Ihr Interesse