Energetische Bewertung von Automobilantrieben. Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

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1 Energetische Bewertung von Automobilantrieben Christian Bach Abteilungsleiter Verbrennungsmotoren

2 Inhalt Der Normverbrauch - die Norm-CO 2 -Emissionen Der Norm-Primärenergieverbrauch Der Realverbrauch und die realen CO 2 -Emissionen Erneuerbare Energie in der Mobilität die Potentiale Zusammenfassung Fahrzeugantriebe der Zukunft sind Bestandteil von Fragestellungen im SCCER Mobilität (Antriebstechnologie), SCCER Biomasse (Biogas) und SCCER Speicher (Stromspeicherung), wo eine enge Zusammenarbeit zwischen ETH-Bereich (ETH, PSI, Empa) und Fachhochschulen besteht.

3 Normverbrauch Norm-CO 2 -Emissionen Einige Kennzahlen CH-Flotte (All fuels) ist 18 g/km höher, als die EU27-Flotte Benzin-/Dieselflotte (EU27) mit vergleichbaren CO 2 -Norm-Emissionen CO 2 -Emissionen der Flotte mit alternative Fuels sind am niedrigsten Quelle: EEA (2014); Auto-Schweiz (2014) AFV 2013 (EU27) Zulassung Mittl. CO 2 Mittl. Fz-MasseMittl. Hubraum [Anz. Fahrzeuge [g/km] [kg] [cm 3 ] LPG 130' '206 1'331 NGV 81' '288 1'134 Electric 24' ' Plug-in HEV (petrol) 22' '478 1'693 Plug-in HEV (diesel) 8' '951 2'350 E85 4' '492 1'649 Biodiesel '297 1'720 Elektrisches Fahren (EV und PHEV) wird mit 0 g CO 2 /km angenommen Quelle: EEA (2014)

4 Normverbrauch Norm-CO 2 -Emissionen Marktanteil alternativer Antriebe nimmt zu Quelle: EEA (2014) 2013 wurden in der EU27 rund Fahrzeuge mit alternativen Antrieben registriert. Bezogen auf den PW-Gesamtmarkt mit ca. 12 Mio Neuzulassungen sind das 2.5%. In einzelnen Länder wie Italien erreichen die Fahrzeuge mit alternativen Antrieben bis 15%.

5 Normverbrauch Norm-CO 2 -Emissionen Bis 2020 bleibt noch einiges zu tun! Personenwagen Die mittleren CO 2 -Norm-Emissionen 2012 (EU27) der 9 grössten PW-Hersteller mit einem Marktanteil von insgesamt 86% Quelle: ICCT (2014) Lieferwagen Die mittleren CO 2 -Norm-Emissionen 2012 (EU27) der 9 grössten LiW-Hersteller mit einem Marktanteil von insgesamt 95% Quelle: ICCT (2014)

6 Inhalt Der Normverbrauch - die Norm-CO 2 -Emissionen Der Norm-Primärenergieverbrauch Der Realverbrauch und die realen CO 2 -Emissionen Erneuerbare Energie in der Mobilität die Potentiale Zusammenfassung

7 Der Norm-Primärenergieverbrauch Die «aussagekräftigere» Vergleichsgrösse Normverbräuche des VW Golf (DSG): TDI (Diesel, 81 kw): 3.9 l/100 km (38.0 kwh/100 km) TSI (Benzin, 81 kw): 4.7 l/100 km (40.9 kwh/100 km) TGI (Erdgas, 81 kw): 5.2 m 3 /100 km (46.9 kwh/100 km) E (Elektro; 85 kw): 13.9 kwh/100 km (13.9 kwh/100 km) Primärenergieverbräuche des VW Golf (DSG), entsprechend der Energieetikette für Personenwagen: Achtung: Im Normverbrauch wird nicht berücksichtigt: Heizung / Kühlung Reale Geschwindigkeitsprofile Reale topographische Profile Elektrische Zusatzverbraucher

8 Inhalt Der Normverbrauch - die Norm-CO 2 -Emissionen Der Norm-Primärenergieverbrauch Der Realverbrauch und die realen CO 2 -Emissionen Erneuerbare Energie in der Mobilität die Potentiale Zusammenfassung

9 Der Realverbrauch Signifikante Mehrverbräuche im realen Betrieb Die Verbräuche im ADAC- Eco-Test weichen teilweise stark von den Europäischen Normverbräuchen ab. Quelle: ADAC (2014) Elektrofahrzeuge Verbrauchsaufzeichnungen privater Personenen zeigen ein ähnliches Bild: Golf TDI Diesel Norm: 3.9 l/100 km Golf TSI Benzin Norm: 4.7 l/100 km Golf TGI Erdgas Norm: 3.4 kg/100 km Golf E Norm: 13.9 kwh/100 km Mittel: +31% (+11% +75%) Mittel: +41% (+5% +85%) Mittel: +27% (-1% +61%) Mittel: +36% (-9% +109%) Quelle:

10 Der Realverbrauch Der Einfluss des Fahrzyklus auf den Verbrauch NEFZ(kalt) + Autobahnzyklus «BAB» Speed in km/h Speed in km/h Speed in km/h ECE (cold start) EUDC BAB Time in s Artemis Driving Cycle (CADC) CADC_1 CADC_2 CADC_ Time in s Schweizer-Zyklus «Ra» Ra_1 Ra_2 Ra_ Time in s Schweizer-Zyklus «Rb» Speed in km/h Speed in km/h Rb 1 Rb FTP-75 (kalt) Time in s FTP_1 FTP_2 FTP_ Time in s Zur Ermittlung des Zykluseffektes werden nur warmgestartete Teilzyklen verwendet.

11 Der Realverbrauch Der Einfluss des Fahrzyklus auf den Verbrauch Mean energy efficiency in % 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Rb_1 CADC_2 Ra_3 Rb_2 FTP_3 EUDC FTP_2 FTP_1 NEDC CADC_1 Rb_3 ECE Warm start cycles (WS) NEDC Ra_2 Cold start cycles (CS) Interpol. (WS cycles) Ra_1 BAB y = ln(x) R² = CADC_ Mean speed in km/h Cold start cycles (CS) NEDC Ra_2 CADC_2 Ra_3 Rb_1 Rural driving EUDC FTP_3 FTP_1 Rb_2 NEDC ECE CADC_1 City driving FTP_2 Rb_3 Warm start cycles (WS) Interpol. (WS cycles) Ra_1 BAB Motorway driving y = ln(x) R² = CADC_ Mean pos. wheel-power in kw Mean pos. wheel-power in kw Der Wirkungsgrad zeigt eine Abhängigkeit von der mittleren positiven Radleistung in kw (Erdgas-Fahrzeug in 13 warmgefahrenen und 2 kalt-gestarteten Fahrzyklen) Die Fahrzyklen lassen sich in die 3 Kategorieren «Stadtfahrten» mit 1-6 kw, «Überlandfahren» mit 6-12 kw und «Autobahnfahren» mit kw mittlerer positiver Radleistung einteilen.

12 Der Realverbrauch von Benzinfahrzeugen Der Einfluss des Fahrzyklus auf den Verbrauch Mean chem. power in kw % 20% 25% 30% 35% BAB CADC_3 Ra_1 45% Ra_2 EUDC Ra_3 Rb_1 CADC_2 CADC_1 FTP_3 Rb_3 Rb_2 y = x FTP_2 R 2 = Mean pos. wheel-power in kw Willans-Ansatz für Gesamtfahrzeug: Der Willans-Ansatz beschreibt einen affinen Zusammenhang zwischen Drehmoment und Treibstoffverbrauch bei definierten Motorlasten. Mit der Funktion dieser Kurve kann der Verbrauch «beliebiger» Fahrprofile berechnet werden. Mean chem. Power in kw Gas-1 Gas-2 Gas-3 Gas-4 Gas-5 Gas-6 Gas-7 Gas-8 Gas-9 Mean -4 kw +4 kw conv. powertrain turbo charged engine 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% y = x R2 = Mean pos. wheel-power in kw Der Ansatz zeigt die technische Entwicklung: Das Diagramm zeigt eine Flotte von 9 Euro-4- Benzinfahrzeugen. stellen konventionelle Saugmotoren dar stellen turboaufgeladene Motoren dar Quelle: Bach C., Soltic P.; SAE-Paper

13 Der Realverbrauch von Hybridfahrzeugen Der Einfluss des Fahrzyklus auf den Verbrauch Mean chem. Power in kw HEV-1 +4 kw HEV-2 Reihe3 Mean Reihe4-4 kw Reihe5 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% y = x R2 = Mean pos. wheel-power in kw Willans-Ansatz für Hybridfahrzeuge (HEV): Der Willans-Ansatz funktioniert auch bei Hybrid- Fahrzeugen, die Wirksungsgrade im gesamten Betriebsbereich >30% aufweisen. Quelle: Bach C., Soltic P.; SAE-Paper

14 Der Realverbrauch von Elektrofahrzeugen Der Einfluss des Fahrzyklus auf den Verbrauch + charging losses - recuperation energy + / - = + heating/cooling Verbrauchsmessungen Quelle: Bütler, (2013)

15 Berücksichtigung der Fz-Herstellung Betrieb mit fossiler und erneuerbarer Energie Quelle: TU München: Elektro EU-Mix/ erneuerbarer Strom & Diesel; Empa Erdgas/Biogas & Benzin Erneuerbare Energie Hauptsächlich fossile Energie Eine signifikante Reduktion der CO 2 -Emissionen gelingt nur durch den Einsatz von erneuerbarer Energie. Verbrennungsmotorische Fahrzeuge, die mit erneuerbarer Energie (z.b. Biogas, synth. Methan) betrieben werden, zählen aufgrund der geringeren CO 2 -Emissionen bei der Fahrzeugherstellung zu den saubersten Antrieben überhaupt.

16 Inhalt Der Normverbrauch - die Norm-CO 2 -Emissionen Der Norm-Primärenergieverbrauch Der Realverbrauch und die realen CO 2 -Emissionen Erneuerbare Energie in der Mobilität die Potentiale Zusammenfassung

17 Erneuerbare Treibstoffe 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)

18 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

19 Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Ungenutzte, nachhaltige Biomasse Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität Mit der neuen Energiestrategie werden bis 2050 pro Jahr TWh temporär überschüssige, erneuerbare Elektrizität erwartet. (Prognos 2012).

20 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.

21 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

22 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

23 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

24 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

25 Inhalt Der Normverbrauch - die Norm-CO 2 -Emissionen Der Norm-Primärenergieverbrauch Der Realverbrauch und die realen CO 2 -Emissionen Erneuerbare Energie in der Mobilität die Potentiale Zusammenfassung

26 Zusammenfassung Die Reduktion der CO 2 -Emissionen stellt den aktuellen Mega-Trend in der Entwicklung der Fahrzeugantriebe dar. Die CO 2 -Gesetzgebung der EU sieht eine Halbierung der CO 2 -Norm-Emissionen innerhalb von 10 Jahren vor. Die CO 2 -Normemissionen müssen im Kontext der entsprechenden Regelungen gesehen werden sie sind dabei nicht immer physikalisch begründet. Die Reduktion der CO 2 -Normemissionen führt nicht zwangsläufig zu einer CO 2 - Reduktion in der Realität. Es empfiehlt sich, eine physikalisch korrekte CO 2 -Reduktion anzustreben, da nur so ein «sicherer Pfad» beschritten wird. Eine signifikante CO 2 -Reduktion ist nur möglich, wenn erneuerbare Energie eingesetzt wird. Die Schweiz hat das Potential, mehrere Fahrzeuge mit einheimischer erneuerbarer Energie zu betreiben. Verbrennungsmotorische Fahrzeuge, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden, zählen zu den saubersten Antrieben überhaupt.

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