Fahrzeugkonzepte der Zukunft Wolfgang Kriegler, Erich Ramschak

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1 Fahrzeugkonzepte der Zukunft Wolfgang Kriegler, Erich Ramschak Vierte Österreichische Wasserstoff-Konferenz 27.September 2012, Graz

2 Steigender Bedarf alternativer Energien Begrenzte Fördermengen bei Erdöl versus steigender Nachfrage Eingrenzung von Treibhausgasen aufgrund Klimaerwärmung Energieunabhängigkeit von Ländern Auswirkung auf die Mobilität Diversifizierung von Treibstoffen mit regionalen Unterschieden 2

3 VKM Kombination E-Motor Zukünftige Mobilität Überland große Reichweiten Niedrigemissionen Städte emissionsfreie Zonen Brennstoffzellenfahrzeug Batterie E- Fahrzeug range-ext VKM Batterie E-FZG plug-in Hybrid mit VKM (PHEV) Hybrid Fahrzeug mit VKM bi-fuel VKM CNG, H2 effiziente Verbrennungskraftmaschiene (VKM) lokal emissionsfrei niedrige CO2, NOx, etc. CO2, sonst. Emissionen (PM, NO x, HC, CO, O 3 ) Diversifizierung von Antrieben und Treibstoffen Einflussfaktoren: Verfügbarkeit von Energien gesetzliche Standards Kundenverhalten Treibstoffe/Energien: Benzin, Diesel, Alkohole, Agrotreibstoffe, CNG, LNG, Mischprodukte (z.b. E85, H2-CNG), Wasserstoff, Strom Legende Antriebsvarianten: Benzin/Dieselmotor (VKM,ICE), Hybridfahrzeug mit/ohne Ladeanschluss (PHEV,HV), vollelektrischer Antrieb mit Batterie (AEV) oder Brennstoffzellen (FCV) 3

4 Differenzierungsmerkmale für den Käufer ~20 ct/km : ICE, PHEV, FCV, AEV Die Kosten werden für den Endnutzer annähernd neutral sein* Frage Differenzierungsmerkmale seitens Antrieb für den Fahrzeugkäufer: Reichweite, Treibstoff, Fahrerlaubnis in städt. Zonen, Leistung? * auf Lebensdauer bezogen ohne Steuer 4

5 Kernmodule und Komponenten der Zukunft effizienter Verbrennungsmotor Otto,Diesel,Dies-Otto Energie- od. Leistungs- Batterie Li-Luft,Li-Ionen modulare Brennstoffzellen- Systeme (PEMFC) Herausforderung für die Fahrzeugentwicklung Integration einer Vielfalt von Antrieben und Systemen in globale Plattformen geringste Mehrkosten minimale Kompromisse Bestimmung von Bauraum- Vorhaltegrade Hybrid- Getriebe- Varianten E-Motoren mit/ ohne seltene Erden Tanksysteme für H2, CNG gas/flüssig/fest E-Achse für 2/4WD kosteneffiziente Hybridmotoren modulare Leistungsumrichter 5 Page 5

6 Zero Emission Race PHEV, FCV, AEV Potentiale PHEV: Kombination von kurzen emissionsfreien Reichweiten und effizienten Benzin/Diesel-Betrieb mit gewohnter Performance und Reichweite; CO2 Relevanz im NEDC, billige Kurzstreckenfahrten AEV: geringe Energiekosten, effizient, leichtes Handling, bevorzugt Kleinstfahrzeuge FCV: emissionsfrei, große Reichweiten, kurze Betankungszeit, mittlere bis große Plattformen gewohnte Funktionalität und Reichweite, aber emissionsfrei Opel Ampera (BEV RE) Honda Clarity (FCV) Renault Twizzy (AEV) 6

7 Weg zur Markteinführung BZ-Fahrzeug (FCV) 6 Fahrzeughersteller beginnen mit der Markteinführung in Regionen mit H2 Infrastruktur (EU,US,JP,S-Korea) 3 Hauptthemen: Kostenoptimierung von Material (Kat.) bis Gesamtsystem Lebensdauer und Zuverlässigkeit volle Absicherung über Lebenszyklus Infrastruktureinführung Erreichen kritischer Masse GM/Opel 2017 Nissan 2018 Toyota Honda 2014 Daimler 2013 Hyundai Das Volumen und eine qualifizierte automotive Zulieferkette sind entscheidend für eine erfolgreiche Markteinführung 7

8 Typische technische Spezifikationen BZ-Fahrzeug Technik Leistung: kW Brennstoffzelle: PEMFC Tank: Wasserstoff 700bar gasförmig, Inhalt 4-6kg Betankungszeit: <3min Praktisches Reichweitenziel: >500km Kaltstartfähigkeit: -25 C Antriebskonzept: BZ-Batterie-Hybrid Batteriegröße entspricht VKM Hybrid (~1.5kWh) Fahrzeugplattformen: Kompakt bis SUV PEMFC E-Motor Batterie H2 Tank Grafik: Opel/GM Trend Synergienutzung: Anwendung von Serienkomponenten aus Hybrid- und/oder Batteriefahrzeugen Anpassung von Spannungs- und Leistungsniveaus 8

9 Integration von gasförmigen Wasserstoff-Tanksystemen Herausforderung Eingeschränkter Bauraum vs. Reichweite ohne Änderung der Plattform Einhaltung der strukturrelevanten Randbedingungen bezüglich Bodenfreiheit, Bauräume und Abstände für H 2 Nebenkomponenten, internationale CRASH-Anforderungen (z.b. keine Tanks hinter der Hinterachse) 9

10 Magna Steyr H 2 -Speichersysteme Produkte & Serviceangebot Fahrzeugintegration Speichersysteme Hochdruck- Komponenten Entwicklung und Produktion von Hochdruckbehälter und Komponenten für gasförmigen H 2 bis 700bar Fertigung inkl. Qualtitätskontrolle für Tankmodule Systemqualifikation, Validierung & Zertifizierung Packaging Installation Fahrzeugvalidierung und Zertifizierung Schlüsselaspekte der Tankentwicklung: Kostenreduktion, Erhöhung der volumetrischen und gravimetrischen Dichte, Fertigungsprozesse 10

11 Hochdruckspeichersystem für Wasserstoff (70MPa) Anwendung in mobilen Fahrzeugen mit verschiedenen Druckniveaus (BZ, H2-VKM, Flurförderfahrzeuge) und stationären Anlagen (Elektrolyseanlagen, mobile Energieversorgung mit lokaler Strom-Gas Wandlung) Leichtbau Typ-IV Behälter mit Plastik Diffusionsbariere und Karbonfaserumwicklung Reduzierte Teileanzahl und optimiertes Konzept hinsichtlich Gleichteile und Modularität Spezifikationen Abmessungen 1200 x 850 x 500 mm Füllvolumen ~80 l Systemgewicht ~75 kg Systemgewicht, spez. ~0.9 kg/l Druck C H2 Speichermasse ~ 3 kg Temperaturbereich f. Gas - 40 C to + 85 C Geringer Wartungsaufwand Voll ausgerüstetes und akkreditiertes Testlabor für Hochdruckkomponenten und Gesamtsystem (DIN EN ISO/IEC 17025) Entwicklungsziele Kosten, Modularisierung, maximale Ausnutzung der verfügbaren Bauraumgeometrie, hohe Gleichteileanzahl, Industrialisierbarkeit (Fertigungsprozesse, EoL Tests) Auswirkung auf Kosten und Fahrzeugreichweite 11

12 Bereich Luftfahrt: Flüssigtank-Entwicklung für Airbus Multifunktionales Brennstoffzellensystem für Flugzeuge. Magna Steyr entwickelt die Speicher für Flüssigwasserstoff inklusive H2 Versorgungskomponenten. IV & OJ ASC Subsystemkomponenten von MS: Innentank (IV), Außenhülle (OJ), Nebensystemkapsel (ASC). Nutzung von Synergien bei Flüssigtanks für die Luftfahrt und gasförmigen Speichern für automotive Anwendungen 12

13 Motivation FCH Cluster Austria Fuel Cell and Hydrogen Cluster Austria H 2 F&E: Technologieaufbau und industrialisierte Produktion Demo & Markteinführung: Marktvolumen, H2 Korridore, Kundenakzeptanz Energiewirtschaft: Verstetigung von Wind-& Solarstrom (Elektrolyse) Phasenweiser Aufbau von Technologie, Infrastruktur und industrialisierter Produktion zur regionalen und überregionalen E-Mobilität mit großer Reichweite Testen und Integrieren von BZ-Systemen / BZ Fahrzeuge Wasserstoff Tanksysteme inklusive Komponenten 13

14 Zusammenfassung / Ausblick Konventionelle Antriebe und Karosseriebauformen werden uns noch lange begleiten, mittelfristig wird es aber zu einer Umkehrung der Gewichtsspirale und zu einer fortschreitenden Elektrifizierung kommen. Mittelfristig sind die erfolgsversprechendsten Fahrzeugkonzepte: PHEV, AEV, FCV;. Langfristig eröffnet die Brennstoffzellentechnologie das Tor zur CO 2 -freien, elektrischen Langstreckenmobilität. Sowohl beim EV als auch beim FCV sind die Schlüsselsysteme die Speicher (Batterie und H 2 -Speicher). Sie sind neben der BZ entscheidend, ob so ein Antriebssystem leistbar wird und somit auch die entsprechende Kundenakzeptanz und Stückzahlen erreichen kann. Das Ziel von MAGNA STEYR ist es, sich über geeignete Vorentwicklungsprogramme und über Joint Research Projekte als automobilgerechter Engineering Dienstleister und Komponenten Zulieferer zu qualifizieren und zu etablieren. 15