Antriebskonzepte der Zukunft

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1 Antriebskonzepte der Zukunft Quo vadis? 8. November 2013, Gelnhausen Veritas auto.mobilforum Helmut Tschöke Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Adresse: Institut für Mobile Systeme (IMS) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Postfach Magdeburg Telefon: 0391/ Fax: 0391/ www:

2 Antriebsmix LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Alternative Kraftstoffe Bio, Gas

3 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) Die Elektromobilität wird überschätzt (Samuelsson, Volvo 2013)

4 Einige Fakten... Energie-Infrastruktur für Mobilität in D: LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Tankstellen (konv. Kraftstoffe): davon 805 mit Erdgas und ca mit Autogas Stromtankstellen: ca Ziel 2020: Wasserstofftankstellen: 15 Ziel 2015: 50 EU: Stromtankstellen: Ziel 2020: (NL hat mit heute höchste Dichte) Erdgas: Ziel 2020: an überregionalen Straßen alle 150 km eine CNG Tankstelle ( alle 400 km eine LNG Tankstelle an Autobahnen) Gesamtkosten (Strom- und Gastankstellen): ca. 10,5 Mrd. 4

5 Fahrzeugbestand LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Fahrzeugbestand in D: ca. 43,4 Mio Pkw ( ) davon: Benzin Fzg. : 69 % Diesel Fzg. : 29,5% Alternative : 1,5 % davon: E-Fahrzeuge (0,016%) Hybrid Fahrzeuge Erdgas Fahrzeuge Autogas Fahrzeuge Zweit- und Drittfahrzeuge: ca.10 Mio mit ø 27,5 km Tagesfahrleistung Hohes Potential für E-Fahrzeuge auch ohne zusätzliche Ladestationen Garagensteckdose reicht!

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

7 Szenario Fahrzeugantriebe Neuzulassungen Neuzulassungen in Deutschland Range der Prognosen Quelle: Shell, DLR Stuttgart 7

8 E-Mobilität Markthochlaufkurve (D) LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Quelle: Zweiter Bericht der Nationalen Plattform Elektromobilität, 05/2011und

9 Zusammenfassung E-Mobilität 2020 Zulassungszahlen reiner E-Fahrzeuge << 5% in D Unsicherheit bei der Akzeptanz von Hybridantrieben VM wird bei mehr als 95 % der Fahrzeugantrieben beteiligt sein Otto-Motor bleibt bei Pkw-VM- und -Hybrid-Antrieben der dominierende Energiewandler 9

10 Antriebskonzepte heute und in Zukunft LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN 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 Erdölbasiert Kraftstoffmix Antriebsmix

11 Antriebsarten für Straßenfahrzeuge diskontinuierliche innere Verbrennung Ottomotor Dieselmotor Benzin, Erdgas Alkohol, Wasserstoff Diesel, RME, BTL, GTL Verbrennungskraftmaschine kontinuierliche innere Verbrennung Gasturbine diverse Energieträger Hybrid kontinuierliche äußere Verbrennung Stirlingmotor diverse Energieträger Dampfmotor diverse Energieträger Elektro- Antrieb elektrische Energie E-Fahrzeug E-Fahrzeug Akkumulator Brennstoffzellen (H 2 ) 11

12 Elektrifizierung des Antriebsstrangs Verbrennungsmotoren LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Otto-Verfahren Diesel-Verfahren Hubkolben- motor Kreiskolbenmotor Wankelmotor Hubkolbenmotor 2-Takt 4-Takt 2-Takt 4-Takt 4-Takt 2-Takt

13 Verbrauch: % Verbrauch: % Entwicklungsschwerpunkte VM 13 Direkteinspritzung mit /ohne Ladungsschichtung Kraftstoffe, Blends, Multi-Fuel-Engines Variable Ventilsteuerung Zylinderabschaltung Aufladung/Stufenaufladung Downsizing Thermo- / Nebenaggregatemanagement DeNO X - Katalysator Magnesium, Verbundmaterialien, Beschichtungen GPF Ottomotoren Homogene Selbstzündung (Teillast) Variable Verdichtung Hochdruckeinspritzung (> 2000 bar), elektronisch geregelt Kraftstoffe, Blends Dieselmotoren Optimierte Dieselverbrennung (z. B. teilhomogen) Zylinderdruckbasiertes Motormanagement Downsizing (p Zyl > 200 bar) ATL optimiert, zweistufig Variable Ventilsteuerung Abgasrückführung (kalt / warm / Niederdruck) Thermo- / Nebenaggregatemanagement Al-ZKG mit / ohne GG-Laufflächen, mit Bedplate verstärkt DeNO X - Katalysator, DPF Variable Düsengeometrie

14 Kraftstoffbedarf weltweit 14 Quelle: Exxon Mobil, EID 2013

15 3. Gen. Regenerativ Fossil 2. Gen. 1. Gen. Alternative Kraftstoffe Ottomotor Ethanol / Methanol Erdgas / Methan Flüssiggas LPG / Autogas (Wasserstoff) Dieselmotor Gas To Liquid (GTL) Coal To Liquid (CTL) DME Bioethanol / -methanol Biomethan Biobutanol (Wasserstoff) FAME Pflanzenöl HVO Biomass To Liquid (BTL) Algen 15 bevorzugt mobile Anwendung bevorzugt stationäre Anwendung

16 Entwicklung der durchschnittlichen CO 2 Emissionen LEHRSTUHL KOLBENMASCHINEN Quelle: Zeit Online

17 THG-Emissionen WtW Quelle: DENA 17 Quelle: VDA Jahresbericht 2013

18 Alternative Fahrzeugantriebe - Übersicht Mild Hybridantrieb Full-/Plug-In Hybridantriebe Elektrofahrzeug Paralleler Hybrid Axle-Split Hybrid Leistungsverzweigter Hybrid Serieller Hybrid (Batterie/Brennstoffzelle) BZ H Unterstützung der VKM beim Anfahren Kein rein elektrisches Fahren üblich Rekuperation Fahren mit VKM und/oder E-Motor Laden der Batterie während der Fahrt möglich Rekuperation Fahren nur mit E-Motor möglich VKM treibt ausschließlich Generator an Rekuperation Rein elektrisches Fahren Rekuperation Range Extender (nur bei Batteriefahrzeugen) 18 Definition Hybridantriebe: Fahrzeug mit mindestens 2 unterschiedlichen Energieträgern/Energiewandlern für den Fahrantrieb Quelle: OVGU, IMS-KM 1 Verbrennungsmotor 2 Kupplung 3 E-Maschine 4 Getriebe 5 Leistungselektronik 6 Traktionsbatterie 7 Plug-In 8 Generator 9 Tank 10 Planetengetriebe

19 Elektrofahrzeuge Hohe Effizienz Vorteile Emissionsarm/-frei* (CO 2 und Schadstoffe) Geräuscharm Geräuscharm Hohes Anfahrdrehmoment Bremsenergienutzung Geringe Betriebs- und Unterhaltskosten (?) Keine Ressourcenbegrenzung Entspanntes Fahren Nachteile Geringe Reichweite (Batterie) Hohe Kosten (Batterie/BZ) Hohes Gewicht (Batterie/BZ) Lange Ladezeit (Batterie) Temperaturabhängigkeit der Batterie Geringe thermische Energie (Heizung) Batterielebensdauer Ladestationen-Infrastruktur H 2 -Infrastruktur (Brennstoffzelle) *je nach Stromerzeugung bzw. lokal 19

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

21 Auswahl kompletter Antriebsstrang-Topologien Konventioneller Antriebsstrang Getriebeübersetzter Einzelantrieb individuell steuerbar HA Topologie 1 VA HA Topologie 3 VA B M SG DG G M LE B LE G M LE Zentralantrieb mit fester Getriebeübersetzung HA VA Topologie 2 HA Direktantrieb mit Radnabenmotoren Topologie 4 VA M B LE M DG LE LE B M 21 LE - Leistungselektronik VA - Vorderachse M- Elektromotor B - Batterie HA Hinterachse G,SG,DG- Getriebe Quelle: MTZ 10/2012; Kasper, R.; Schünemann, M.

22 Energieverbrauch [kwh] Geschwindigkeit [km/h] Zeitlicher Verlauf des Energieverbrauchs im NEFZ 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 2,0l TDI Topologie 1 Topologie 3 Topologie 4 NEFZ Topologie ,0 60 2,5 2,0 40 1,5 1,0 20 0,5 0, Zeit [s] 0 22

23 Energiedichten im Vergleich 23 Quelle: 7. MTZ Fachtagung Der Antrieb von morgen, 01/2012, T. Lösche-ter Horst, VW AG

24 Ragone-Diagramm mit spezifischer Leistung und spezif. Energie verschiedener Energiespeicher 24 Quelle: MTZ 02/2013, Kowal et al. RWTH Aachen

25 Elektrische Reichweite abhängig von der Fahrweise Battery Weight (at 80 Wh/kg) - kg Battery Costs (at 250 / kwh) - Elektr. Reichweite in Abhängigkeit von Gewicht, Batteriekosten und Zyklus (Simulation) Vehicle : 1350 kg / 75 kw Battery : 80 Wh/kg, 250 /kwh NYCC +AC (1.5 kw) NYCC NEDC +AC (1.5 kw) NEDC All Electrical Range km 31. Internationales Wiener Motorensymposium, Fraidl, AVL, 2010

26 Batterie WKM Batterie Definition Range Extender Chemisch-Elektrischer Range Extender Thermischer Range Extender Definition: BZ H 2 G E-Maschine Der Range Extender ist eine zusätzliche Energiequelle für rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge, um die km-reichweite über die reine Batterie- Reichweite hinaus zu erhöhen. Der Range Extender erzeugt im Bedarfsfall elektrische Energie zum Betreiben der Antriebsmotoren oder Laden der Batterie. Generator Kraftstoff G E-Maschine Leistungselektronik Leistungselektronik

27 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. 27

28 Qualitativer Verlauf des Wirkungsgrads von Brennstoffzellenantrieben und Verbrennungsmotoren Wirkungsgrad Brennstoffzellensystem Verbrennungsmotor P mittel im NEFZ Leistung Quelle: MTZ 3/2013; Noreikat, K. N. 28

29 Kühlsystem Anode Kathode Brennstoffzellensystem eines Fahrzeuges Abluftsystem Abluft Druckregler Kondensation BZ-Controller Fahrzeug- Kontrolle Luftfilter Luft Verdichter Purge-Ventil Ladeluftkühler Wasserstoff Luftbefeuchter Verdampfung Membran- Elektroden Einheit (MEA) Leistungselektronik Bordnetzverbraucher Elektromotor Wasserstofftank Kühler Druckregler Wasserstoff Wasserstoff Kühlwasser Wasserstoffgebläse Pumpe Hochvoltverbraucher Traktionsbatterie 29 Quelle: Noreikat, K. E., MTZ 4/2013

30 Brennstoffzellenfahrzeug Wasserstoff-Füllstutzen Traktionsbatterie Brennstoffzellensystem und E-Maschine Brennstoffzellen-Stapel Wasserstofftanks 30 Quelle: Audi AG

31 Brennstoffzelle Aktuelle Kooperationen Daimler Ford Nissan Serienstart von Daimler B-Klasse in 2014 wird verschoben (Kosten!) BZ-Fahrzeug in 2017 auf Kosten-Niveau eines Diesel-Hybrids ( gegenüber Ottomotor-Antrieb) Einheitliches BZ-System für alle drei Hersteller BMW Toyota Entwicklung eines BZ-Fahrzeug-Systems bis weitere BZ-Fahrzeugentwicklungen: GM Hyundai/Kia Honda

32 Der modulare Baukasten e-fusion für den Hybrid-Antriebsstrang Vergleich der Systemkosten inklusive Batterie bezogen auf die Basis Zweizylinder-Ottomotor mit Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebe 350 % 300 % 250 % Batterie Leistungselektronik Generator Elektromotor Getriebe VKM 30 % Grün: Konventionelle Architektur Blau: e-fusion Vorschlag AVL 200 % 150 % 10 % 100 % 50 % 0 % 6-Gang DKG Mild Hybrid Paralleler Plug-in- Hybrid Mild Hybrid Allzweck- Plug-in- Hybrid B-Segment Range Extender A-Segment Reiner Range Extender Reiner elektrischer Antrieb 32 Quelle: ATZ 02/2013, nach AVL List GmbH (A)

33 Vergleich der Aussengeräuschemission Quelle: Genuit. K.,HEAD acoustics,

34 Beiträge zur CO 2 -Reduktion bis 2020 am Beispiel der EU 136 * g/km % 2011 * D: 2011: 145,6; 2012: 141,8 Quelle: nach Bosch Media Service, R. Leonhard 33

35 CO 2 Emissions and Sources of different Powertrain Systems Quell: VDA Technischer Kongress 2009, Bosch 34

36 CO 2 -Gesamtbilanz Lebenszyklusanalyse (Beispiel) Treibhausgase (CO 2 -Äquivalent) Bereitstellung (Werkstoffe) Fertigung Montage Nutzungsphase Well to Wheel (ohne Wartung) Recycling 2) Hybrid Batterie Diesel Otto 1) 1) Elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen 2) Elektrische Energie aus heutigem D -Mix 0 km km 35

37 Antriebskonzeptionen 36 Reichweitenanforderung konventionelle Motorisierung Kleinwagen (Stadtwagen) Mittelklasse (obere) Luxusklasse SUV gering mittel mittel - hoch hoch hoch Otto/Diesel 3-4 Zyl. Otto/Diesel 4 Zyl. Elektrifizierung BEV Mild-Hybrid BEV+RE Voll-Hybrid VM in Verbindung mit Elektromotor - Otto 2-4 Zyl. Zylinder- abschaltung Aufladung/ Saugmotor Downsizing Otto/Diesel 4-6 Zyl. Mild-Hybrid Voll-Hybrid (P-HEV) Otto/Diesel 3-4 Zyl. Zylinderabschaltung Saugrohreinspritzung/DI Aufladung/ Saugmotor Downsizing Otto/Diesel 6-8 Zyl. Voll-Hybrid (P-HEV) Otto/Diesel 4-6 Zyl. Zylinderabschaltung DI Aufladung Downsizing Otto/Diesel 6-8 Zyl. Voll-Hybrid (P-HEV) Otto/Diesel 4-6 Zyl. Kompaktklasse Saugrohreinspritzung/DI Zylinderabschaltung DI Aufladung (Downsizing)

38 Schlussfolgerung Die Produktion konventioneller Antriebssysteme wird sich in den nächsten Jahren erhöhen Die CO 2 Emissionen müssen sofort gesenkt werden durch: Optimierung der Verbrennungsmotoren und Gesamtfahrzeug (Rollwiderstand, Luftwiderstand, Gewicht, Getriebe ) Einsatz alternativer (CO 2 -reduzierender) Kraftstoffe Einsatz von Hybridfahrzeugen Die modernen Verbrennungsmotoren mit/ohne Einsatz alternativer Kraftstoffe sind der beste Kompromiss hinsichtlich CO 2, Fahrverhalten, Kosten und Schadstoffen Elektromobilität wirkt sich frühestens in ca. 20 Jahren spürbar auf das Klima aus (global) Der Dieselmotor ist die einzige Lösung für mittelschwere und schwere Nutzfahrzeuge im Langstreckengüterverkehr 37

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

40 Vielen Dank für Ihre Quelle: ATZ Agenda 2012 Aufmerksamkeit.