Erdgas/Biogasfahrzeuge im Kontext der Energiestrategie und der CO 2 -Gesetzgebung. Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

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1 Erdgas/Biogasfahrzeuge im Kontext der Energiestrategie und der CO 2 -Gesetzgebung Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

2 Inhalt! Was ist der Stand der Technik bei Erdgas/Biogasfahrzeugen?! Wie sind die Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen?! Woher kommt die Energie für Gasfahrzeuge?! Zusammenfassung Gasfahrzeuge sind Bestandteil von Fragestellungen im SCCER Mobilität (Antriebstechnologie), SCCER Biomasse (Biogas) und SCCER Speicher (Stromspeicherung), wo eine enge Zusammenarbeit zwischen der ETH, dem Paul Scherrer Institut (PSI) und der Empa besteht.

3 Erdgas/Biogasfahrzeuge Stand der Technik bis seit >2020 Umrüstmarkt 1 st Generation OEM-Erdgasfahrzeuge 2 nd Generation OEM-Erdgasfahrzeuge 3 rd Generation OEM-Erdgasfahrzeuge Vorteile: Alle Benzinfahrzeuge konnten umgerüstet werden. Nachteile: Tiefer technischer Stand Verbrauch: wie Benzinfahrzeuge Reichweite: km (Gas) Vorteile: Grosser technischer Sprung. Nachteile: Wenig Modelle und ältere Motoren Verbrauch: wie ältere Benzin-Fzge Reichweite: km (Gas) km (Benzin) Vorteile: Technisch auf Stand Benzin- Fz (z.b. Turbomotoren) Nachteile: Kaum mehr Nachteile für Endanwender Verbrauch: wie moderne Benzin-Fzge Reichweite: 450 km (Gas) km (Benzin) Vorteile: Potentiale ausgenutzt Nachteile:? Verbrauch: wie moderne Diesel-Fzge Reichweite: >600 km (Gas)

4 Clean Engine Vehicle-Projekt ( ) Entwicklung eines Erdgas/Biogas-Turbomotor-Konzeptes Turbomotoren sind seit 2010 Stand der Technik bei Erdgas/Biogasfahrzeugen Projektziele! -30% CO 2! Euro-4 und SULEV Abgasnachbehandlung! Katalysatorkonzept! Lambdastrategie Motor! Erhöhung Verdichtung! Turboaufladung mit Ladedruckregelung! Angepasste Motorsteuerung

5 Projekt CLEVER ( ) Entwicklung eines Erdgas-Elektrohybridantriebs " Untersuchung der Potentiale neuer Brennverfahren für Gasmotoren " Optimierung des thermodynamischen Kreisprozesses für Erdgas (z.b. Miller-Zyklus) " Realisierung Erdgas/ Biogas-Hybridantrieb (Auslegung auf Rekuperation, Anfahrdrehmoment, Turbolochkompensation ) pressure regulator intercooler CNG tanks Air filter throttle turbocharger Touran 1.4 TSI Benzin: ECU catalyst 173 g CO 2 /km Umsetzung ab 2020 denkbar; vergleichbare Total Cost of Ownership (TCO) wie Benzinfahrzeuge wastegate Hybrid Controller power elctronics electrical motor/ generator gerbox + - Driver s signals (accelerator position, brake pedal pressure, gear, etc.) Battery wheel -40 CO 2 (bereits ohne Biogas) Touran 1.4 TSI CNG/Hybrid: 105 g CO 2 /km BFE BAFU

6 Erdgas/Biogas als Treibstoff Weshalb eigentlich? 1 = # " 1!! Therm. Wirkungsgrad: nth 1 wobei:! = Verdichtungsverhältnis cp! = Isotropenexponent c v Spezifikation Benzin Methan Oktanzahl Verdichtungsverhältnis Heizwert 43 MJ/kg 50 MJ/kg Flammentemperatur K K H:C Verhältnis 2 : 1 4 : 1 Spez. CO 2 Emissionen 74 g/mj 55 g/mj Energiedichte 30 MJ/dm 3 7 MJ/dm 3 Methan ist wegen der Oktanzahl (130 Oktan) ein ausgezeichneter Treibstoff. Die CO 2 -Emissionen sind 25% niedriger als bei Benzin. Reduzierte CO 2 Emissionen Erzwingt vernünftige Gasautos

7 Erdgasfahrzeuge in der Energiestrategie 0.55 TWh (50% Erdgas/50% Biogas) # ca Fzge Quelle: Botschaft zur Energiestrategie 2050: Ziele und Massnahmen in der Übersicht; Faktenblatt zur Medienmitteilung vom ! Erdgas/Biogasfahrzeuge sind den Benzin/Dieselfahrzeugen subsummiert. Damit werden die niedrigeren CO 2 -Emissionen und die viel einfacheren Bedingungen zur Integration von erneuerbaren Treibstoffen etwas ausser Acht gelassen.! Strombasierte Treibstoffe kommen in der Energiestrategie bisher nicht vor. Gasfahrzeuge (Methan und Wasserstoff) bieten in diesem Bereich wichtige Möglichkeiten.

8 Inhalt! Was ist der Stand der Technik bei Erdgas/Biogasfahrzeugen?! Wie sind die Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen?! Woher kommt die Energie für Gasfahrzeuge?! Zusammenfassung

9 Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen Der sauberste fossile Treibstoff Erdgas Erdgas ist der sauberste fossile Energieträger. Bei Förderung und Transport entsteht eine Zusatzemission an Treibhausgasen von ca. 5 g/km. Quelle: JRC Technical Reports; Well-to-Tank Report Version 4.0 (2013) Biogas Biogenes Methan (Biogas) zählt zu den saubersten erneuerbaren Energieträgern. Ein biogasbetriebenes Gasfahrzeug emittiert 80% weniger Treibhausgase als ein mit fossilem Erdgas betriebenes Fahrzeug. Quelle: Empa, ART, PSI, Doka Ökobilanzen (2012)

10 Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen Erdgas/Biogasfahrzeuge im Vergleich % $ & % $ $ Quelle: TU München: Elektro EU-Mix/ erneuerbarer Strom & Diesel; Empa Erdgas/Biogas & Benzin $ Mit fossilem Erdgas betriebene Fahrzeuge weisen eine ähnliche Klimabelastung auf, wie Dieselfahrzeuge oder mit EU-Strom betriebene Elektrofahrzeuge. % Die Klimabelastung aktueller Gasfahrzeuge (CH-Gas-Mix) ist 70% höher, als diejenige von mit CH-Strom-Mix betriebenen Elektrofahrzeugen (Normverbräuche). Berücksichtigt man reale Verbräuche, nähern sich die Klimabelastungen an. & Mit erneuerbarer Energie betrieben, ist das Gasfahrzeug das sauberste Antriebskonzept

11 Inhalt! Was ist der Stand der Technik bei Erdgas/Biogasfahrzeugen?! Wie sind die Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen?! Woher kommt die Energie für Gasfahrzeuge?! Zusammenfassung

12 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Ungenutzte, nachhaltige Biomasse Die Schweiz verfügt über 2-11 TWh ungenutzte, nachhaltige Biomasse, die grösstenteils in Biogas umgewandelt werden könnte. (B. Steubing et al., 2010)

13 Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen Nutzbarmachung von temporär überschüssigem Strom Photovoltaik Starker Überhang im Sommerhalbjahr Windenergie Stochastische Produktion Simulation der Elektrizitätsversorgung 2050 (Prognos)! 35 TWh (d.h. 50%); wobei ca. 15 TWh stark fluktuierend! 9 TWh Überschuss-El. (Sommer), wenn WKK/GuD nicht regelbar! 4.5 TWh Überschüss-El. (Sommer), wenn WKK/GuD regelbar

14 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Die einzigen «freien» einheimischen Energieressourcen. Frage: Wie nutzbar machen? Ungenutzte, nachhaltige Biomasse Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität Mit der neuen Energiestrategie werden bis 2050 pro Jahr TWh temporär überschüssige, erneuerbare Elektrizität erwartet. (Prognos 2012).

15 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Elektro- Auto El. Netz-Batterie Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität Die temporär überschüssige Elektrizität kann in Netzbatterien gespeichert und für das Laden von Elektroautos genutzt werden. Herausforderung: Energie- und Fahrzeugkosten.

16 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Elektro- Auto Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität El. El. Netz-Batterie Elektrolyse Die temporär überschüssige Elektrizität kann mittels Elektrolyseanlagen in Wasserstoff (H 2 ) umgewandelt und gespeichert werden. Herausforderung: H 2 -Nutzung, Fz-Kosten. Wasserstoff- Fahrzeug

17 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität H 2 kann mit CO 2 (z.b. aus Biogasanlagen) in synthetisches Methan (CH 4 ) umgewandelt, gespeichert und in Erdgas/ Biogasfahrzeugen genutzt werden. H 2 kann zudem an der Tankstelle Netz-Batterie dem Erdgas/Biogas direkt e + beigemischt werden, was neue, effiziente motorische Brennverfahren ermöglicht. Herausforderung: Energiekosten, Materialverträglichkeit. e + Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität Elektrolyse Elektro- Auto H 2 Biogas-Anlage Methanisierung CO 2 CH 4 Erdgas/Biogas- Auto Wasserstoff- Fahrzeug H 2

18 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Elektro- Auto Biogas-Anlage El. Netz-Batterie CO 2 CH 4 Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität El. Elektrolyse H 2 Methanisierung Erdgas/Biogas- Auto Wasserstoff- Fahrzeug H 2

19 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität El. El. Netz-Batterie Elektrolyse Elektro- Auto H 2 Biogas-Anlage Die Vision: Würde das ungenutzte Biomasse-Potential und der in Wind- und Solaranlagen anfallende, temporär überschüssige Strom je zur Hälfte als Treibstoff genutzt, könnten mehrere Fahrzeuge CO 2 -neutral mit einheimischer Energie betrieben werden. Methanisierung CO 2 CH 4 Erdgas/Biogas- Auto Wasserstoff- Fahrzeug H 2

20 Strombasierte Treibstoffe Stromspeicher und alternativer Strommarkt Kostenschätzung für saisonale Speicherung von Gas Strom 5 Rp/kWh ohne Netzentgelte PtG (!=50%) Methan 10 Rp/kWh PtG-Anlage/ Gasnetz Rp/kWh Total: Rp/kWh Benzin (inkl. MinSt): 20 Rp/kWh Erdgas (inkl. MinSt): 14 Rp/kWh Kostenschätzung für saisonale Speicherung von Strom Strom 5 Rp/kWh ohne Netzentgelte Methan Rp/kWh GuD (!= 60%) Total: Rp/kWh Strom (o. Netz): 7.5 Rp/kWh Fazit: Überschüssige erneuerbare Elektrizität kann aus wirtschaftlichen Gründen nur in die Mobilität transferiert oder muss abgeregelt werden. Die saisonale Speicherung von Strom ist nicht möglich wohl aber die saisonale Speicherung von Gas.

21 Treibstoffe aus Wasserkraft!? Ein alternativer, höherpreisiger Strommarkt Problem: Die Wasserkraft weist eine sehr niedrige Klimabelastung auf, ist aber im Strommarkt zunehmend nicht mehr wirtschaftlich. Ansatz: Die Mobilität (über Power-to-Gas-Anlagen) könnte für die Wasserkraft ein neuer Markt darstellen. (z.b. 100 Anlagen x 6 MW = Fahrzeuge;=> Mio-t CO 2 /a) Voraussetzung: Die CO 2 -Einsparung kann im Rahmen einer freiwilligen Massnahme des CO 2 -Gesetzes von der Automobil-Industrie angerechnet werden. Gespräche auf Fachebene mit BAFU und OZD sind angelaufen

22 Inhalt! Was ist der Stand der Technik bei Erdgas/Biogasfahrzeugen?! Wie sind die Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen?! Woher kommt die Energie für Gasfahrzeuge?! Zusammenfassung

23 Zusammenfassung Erdgas/Biogasfahrzeuge weisen grosse CO 2 -Absenkpotentiale zu vergleichsweise geringen Kosten auf. Sie Klima- und Umweltbelastung zählt (insbesondere bei Berücksichtigung realer Verbrauchswerte) zu den niedrigsten. Die ungenutzte, einheimische Biomasse und die erwarteten PV-Stromüberschüsse ermöglichen den Betrieb mehrerer Gasfahrzeuge. Nachteilig ist die Tankstellen-Infrastruktur (heute ca. 140 Tankstellen bei Gasfahrzeugen = 70 Fzge/Tankstelle). Ab ca. 150 Fahrzeugen pro Tankstelle beginnen diese zu rentieren. Bereits ab einer Marktpenetration von 2% ( Fzge) sind Gasfahrzeuge mit MinSt-Normalsteuersatz wirtschaftlich. Prüfenswerter, neuer Ansatz Gasfahrzeuge könnten einen alternativen (höherpreisigen) Markt für die Wasserkraft darstellen. Wichtigste Voraussetzung ist die Anrechenbarkeit der CO 2 -Einsparung für die Automobil-Industrie. Die Wirtschaftlichkeit bleibt zwar eine Herausforderung, allerdings wesentlich entschärft gegenüber dem Strommarkt.

24 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Mit Dank für die Unterstützung an: Dr. Brigitte Buchmann Dr. Patrik Soltic Urs Cabalzar Thomas Bütler Kontakt: