Der elektrifizierte Antrieb Lösungen, Probleme und Konsequenzen

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1 Der elektrifizierte Antrieb Lösungen, Probleme und Konsequenzen Anlässlich des 80. Geburtstages von Dr.-Ing. Manfred Bergmann Helmut Tschöke Helmut Tschöke Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Institut für Mobile Systeme (IMS) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg htttp://

2 KFT von

3 Mobilität LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN?? Mobilitätskonzepte 06/2013 Quelle: 33. Internationales Wiener Motorensymposium 2012, L. Eckstein u. A., Institut für Kraftfahrzeuge, RWTH Aachen 3

4 Antriebskonzepte heute und in Zukunft Heute: Unsere Mobilität ist zu über 95% vom Erdöl abhängig! Morgen: Ergänzende Kraftstoffe substituieren teilweise das Erdöl Übermorgen: Neue Antriebskonzepte führen zur Mobilität der Zukunft 3-Phasen-Strategie Erdölbasiert Kraftstoffmix Antriebsmix 4

5 Antriebsmix LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Alternative Kraftstoffe Bio, Gas 06/2013 5

6 Einige Aussagen... LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Wir haben bereits seit längerem gesagt, dass die bisherigen Maßnahmen nicht ausreichen, um das von der Regierung angestrebte Ziel zu erreichen (Zetsche 2012, ams) Eine vollständige Ablösung des Verbrennungsmotors durch einen batterieelektrischen Antrieb ist derzeit überhaupt nicht abzusehen. (Scholl, Bosch, 2010) Beliebtheit der E-Fahrzeuge sinkt: 2011: 28 % 2009: 36 % (Süddeutsche Zeitung 12/2011) Das vernetzte Elektroauto ist immer das Beste Denner, Bosch 2/15 Die Elektromobilität wird überschätzt (Samuelsson, Volvo 2013) 06/2013 6

7 Szenario Fahrzeugantriebe Produktion Produktion Welt Reine E-Fahrzeuge (B+BZ) 2030: < 5-30% Range der Prognosen Quelle: McKinsey, Bosch, Conti, Fraunhofer, Pierburg 7

8 Szenario Fahrzeugantriebe Neuzulassungen Neuzulassungen in Deutschland Range der Prognosen Quelle: Shell, DLR Stuttgart 8

9 Fahrzeugbestand Fahrzeugbestand in D: ca. 44,4 Mio Pkw ( ) > davon: Benzin Fzg. : 67,2 % < Diesel Fzg. : 31,2 % > Alternative : 1,58 % < (absolut >) davon: E-Fahrzeuge (0,043%) > Hybrid Fahrzeuge (0,24%) > Erdgas Fahrzeuge (0,18%) > Autogas Fahrzeuge (1,11%) < Zweit- und Drittfahrzeuge: ca.10 Mio mit ca. ø 30 km Tagesfahrleistung Hohes Potential für E-Fahrzeuge auch ohne zusätzliche Ladestationen Garagensteckdose reicht oft! 9

10 Alternative Fahrzeugantriebe - Übersicht Mild Hybridantrieb Full-/Plug-In Hybridantriebe Elektrofahrzeug Paralleler Hybrid Axle-Split Hybrid Leistungsverzweigter Hybrid Serieller Hybrid (Batterie/Brennstoffzelle) Unterstützung der VKM beim Anfahren Fahren mit VKM und/oder E-Motor Fahren nur mit E-Motor möglich Rein elektrisches Fahren Kein rein elektrisches Fahren üblich Rekuperation Laden der Batterie während der Fahrt möglich Rekuperation VKM treibt ausschließlich Generator an Rekuperation Rekuperation Range Extender (nur bei Batteriefahrzeugen) Quelle: OVGU, IMS-KM Definition Hybridantriebe: Fahrzeug mit mindestens 2 unterschiedlichen Energieträgern/Energiewandlern für den Fahrantrieb 1 Verbrennungsmotor 2 Kupplung 3 E-Maschine 4 Getriebe 5 Leistungselektronik 6 Traktionsbatterie 7 Plug-In 8 Generator 9 Tank 10 Planetengetriebe 10

11 Blockschaltbild eines Hybridantriebs Quelle: Lindemann, MTZ 11/

12 Betriebspunkte und Energieumsatz für Verbrennungsmotor im NEFZ Quelle: Continental, Antrieb von morgen,

13 Beiträge zur CO 2 -Reduktion bis 2020/21 am Beispiel der EU CO 2 -Emissionen [g/km] ,7 g/km E-Fahrzeuge + PHEV Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor % Ziel: 95 g/km Flotte EU* 2013 Flotte EU 2020/21 * D: 131 g/km 12/2014 Quelle: Nach Bosch

14 Kennwerte der Hybridfahrzeuge Quelle: OVGU, Bachelor-Arbeit, S. Schneider,

15 Reichweite versus Elektrifizierung Quelle: VW, Antrieb von morgen

16 Historie der Elektromobile 1900 : USA Bestand: ca Elektromobile Produktion Fahrzeuge /Jahr davon: 40% Dampfwagen 38% Elektromobile 22 % Benzinwagen : viele erfolglose Aktivitäten (GM:EV1 ) erfolgreicher: Hybridfahrzeuge (Toyota ) Seit 2005: intensive Entwicklung von E-Antrieben 16

17 Energiedichten im Vergleich Quelle: 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen, 01/2012, T. Lösche-ter Horst, VW AG 17

18 Prozentualer Anteil der wichtigsten elektrischen Komponenten (2025) Quelle: Bosch, Antrieb von morgen,

19 Aufbau einer Batterie Quelle: Bosch, Antrieb von morgen

20 Energieeffizienz von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen η 90-65% Hohe Energieeffizienz (Battery to Wheel: 0, ,73) Quelle: Elektroautos.de 20

21 Zeitlicher Verlauf des Energieverbrauchs im NEFZ 6,0 5,5 5,0 4,5 2,0l TDI Topologie 1 Topologie 3 Topologie 4 Topologie Energieverbrauch [kwh] 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 NEFZ Geschwindigkeit [km/h] 1,5 1,0 20 0,5 0, Zeit [s] Quelle: Uni Magdeburg, IMS

22 Ausgeführte Beispiele Range Extender Trailer Range Extender Modul im Anhänger 22

23 Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle Vorteile: H 2 BZ G E-Maschine Leistungselektronik O Batterie - Nachteile: hoher Wirkungsgrad (BZ und Antrieb) keine lokalen Emissionen große Reichweite hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen kurze Betankungszeit geräuscharmer Gesamtantrieb hohe Kosten (BZ und Wasserstoff) hohes Leistungsgewicht großer Bauraum hohe Anforderungen an H 2 -Qualität Langzeitverhalten? Quelle: MTZ 3/2013; Noreikat, K. N. 23

24 Brennstoffzellensystem eines Fahrzeuges Abluftsystem Abluft Druckregler Kondensation BZ-Controller Fahrzeug- Kontrolle Luftfilter Luft Verdichter Purge-Ventil Ladeluftkühler Wasserstoff Luftbefeuchter Verdampfung Membran- Elektroden Einheit (MEA) Kathode Leistungselektronik Bordnetzverbraucher Elektromotor Wasserstofftank Kühler Druckregler Wasserstoff Wasserstoff Kühlwasser Wasserstoffgebläse Pumpe Anode Kühlsystem Hochvoltverbraucher Traktionsbatterie Quelle: Noreikat, K. E., MTZ 4/

25 H 2 -Fahrzeuge in Deutschland Die nächsten Schritte: CEP: Clean Energie Partnership Quelle: TOTAL, EID

26 CO 2 -Gesamtbilanz Lebenszyklusanalyse (Beispiel) Treibhausgase (CO 2 -Äquivalent) Bereitstellung (Werkstoffe) Fertigung Montage Hybrid Batterie Diesel Otto Nutzungsphase Well to Wheel (ohne Wartung) 2) 1) Recycling 1) Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen 2) Elektrische Energie aus heutigem D -Mix 0 km km 26

27 Vergleich der Außengeräuschemission Quelle: Genuit. K.,HEAD acoustics,

28 Auswirkungen der Elektrifizierung auf den Verbrennungsmotor Kleinwagen (Stadtwagen) A/B Kompaktklasse B/ C Mittelklasse (obere) D/E Luxusklasse E/F SUV Reichweitenanforderung gering mittel mittel -hoch hoch hoch konventionelle Motorisierung Otto/Diesel 3-4 Zyl. Otto/Diesel 4 Zyl. Otto/Diesel 4-6 Zyl. Otto/Diesel 6-8 Zyl. Otto/Diesel 6-8 Zyl. Elektrifizierung BEV Mild-Hybrid Mild-Hybrid BEV+RE Voll-Hybrid Mild-Hybrid Voll-Hybrid (P-HEV) Voll-Hybrid (P-HEV) Voll-Hybrid (P-HEV) VM in Verbindung mit Elektromotor Otto 2-4 Zyl. Otto 3-4 Zyl. Aufladung/ Saugmotor Otto/Diesel 4 Zyl. Aufladung/ Saugmotor Downsizing Otto/Diesel 4-6 Zyl. Zylinderabschaltung Saugrohreinspritzung/DI Zylinderabschaltung Saugrohreinspritzung/DI Zylinderabschaltung DI Aufladung Downsizing Otto/Diesel 4-6 Zyl. Zylinder-abschaltung DI Aufladung (Downsizing) Downsizing 28

29 Alternative Antriebe Gesamtszenario Erdölbasiert Kraftstoffmix Antriebsmix Verbrennungsmotoren (Otto/Diesel mit verschiedenen Kraftstoffen) Hybridantriebe, Elektroantriebe Batterie (Nische) Elektroantriebe Brennstoffzelle Quelle: H. Tschöke, IMS 29

30 Szenario der Fahrzeugproduktion Szenario der Fahrzeugproduktion Mio/Jahr 120 Fahrzeugproduktion Verbrennungsmotoren (Otto/Diesel/alternative Kraftstoffe) Hybridantriebe/ Elektrofahrzeuge Jahr 30

31 Mobilität von morgen 31