E-MOBILITY EIN ZUKUNFTSFÄHIGES KONZEPT?

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Eugen Rosenberg
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1 E-MOBILITY EIN ZUKUNFTSFÄHIGES KONZEPT? VON ELEKTROMOTOREN DER ZUKUNFT BIS HIN ZU ERFOLGREICHEN UMSETZUNGSPROJEKTEN Univ.Prof. Dr. Manfred Schrödl Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe TU Wien Im Rahmen der Veranstaltung Mobilität an der TU Wien 14. Oktober 2014

2 Inhalt 1. Statements von Experten zu Technologien 2. Lernkurven von Technologien (PV und Li-Ionen-Akkus) 3. Hype Zyklus des Elektroautos 4. Der Antriebsstrang eines Elektroautos 5. Elektro-Motorkonzepte 6. Das Problem der Seltenen Erden 7. Einige Antriebslösungen 8. Zusammenfassung und Ausblick

Hype Zyklus des Elektroautos 4. Der Antriebsstrang eines Elektroautos 5.

3 Einfach zum Nachdenken.. Statements von Experten 640 KB sollten genug für jedermann sein. Bill Gates, 1981 "Ich denke, dass es einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer gibt." Thomas Watson, Vorsitzender von IBM, 1943 "Auf das Fernsehen sollten wir keine Träume vergeuden, weil es sich einfach nicht finanzieren lässt. Lee De Forest, Vater des Radios, 1926 "Die weltweite Nachfrage nach Kraftfahrzeugen wird eine Million nicht überschreiten - allein schon aus Mangel an verfügbaren Chauffeuren." Gottlieb Daimler, 1901

" Thomas Watson, Vorsitzender von IBM, 1943 "Auf das Fernsehen sollten wir keine Träume vergeuden, weil es sich einfach nicht

4 Experten denken oft linear, Technologieänderungen sind aber exponentiell Großmann: Photovoltaikförderung so sinnvoll wie Ananas züchten in Alaska RWE-Chef Jürgen Großmann. Bild: RWE. Der Chef des Energieversorgers RWE, Jürgen Großmann, hat seinem Unmut über den Photovoltaikausbau Luft gemacht. Bei einer Tagung der Energiewirtschaft in Berlin bezeichnete er die Förderung von Solarenergie in Deutschland als so sinnvoll wie Ananas züchten in Alaska RWE-Chef* Jürgen Großmann. Bild: RWE. (*..2012) Anmerkung: Die PV-Förderung in Deutschland hat das Voranschreiten auf der Lernkurve massiv beschleunigt.

Bei einer Tagung der Energiewirtschaft in Berlin bezeichnete er die Förderung von Solarenergie in Deutschland als so sinnvoll wie Ananas züchten in

5 Eindringen neuer Technologien Prognosen anhand von Lernkurven Beispiel: Lernkurve der Photovoltaik Installierte Leistung PV 1993: 100 MW 2003: 3000 MW 2013: MW Faktor 30 pro Jahrzehnt oder Faktor 1000 in den letzten 20 Jahren Lernkurve: PV-Preise fallen um 20% pro Verdopplung der installierten Leistung

6 Das Elektroauto durchläuft einen sogenannten Hype-Zyklus ( The Microsoft System Software Hype Cycle Strikes Again, Jackie Fenn, 1995)

7 Das Elektroauto durchläuft einen sogenannten Hype-Zyklus Bleibatterie war KO- Kriterium Produkteinführung Tesla Model S Auslöser: IGBT- Leistungselektronik und Drehstrom- Antriebstechnik 1990 Technologiesprung: Lithium-Ionen-Batterie Für das Elektroauto bedeutet dies: : Überzogene Erwartungen an die E-Mobilität, jede Elektrofirma baute ein Elektrofahrzeug : Tal der Enttäuschungen, aber Lithium-Batterie löst Technologiesprung aus. Derzeit: Pfad der Erleuchtung, ab 2020: Produktivität

Elektroauto bedeutet dies: 1990-1995: Überzogene Erwartungen an die E-Mobilität, jede Elektrofirma baute ein Elektrofahrzeug.

8 Aus der Frühzeit des Hype-Zyklus (1993): Erfahrungen des ESEA mit Asynchronmaschinen in der Traktion Diese reichen zurück bis ESEA entwickelte damals gemeinsam mit einem österr. Unternehmen einen Antrieb mit Asynchronmotor für einen VW T4.*) Antrieb funktionierte gut, Problem: Gewicht, Wirkungsgrad, Zyklenzahl und Reichweite der Bleibatterie. *) Schrödl, M. (Elin Verkehrstechnik, Vienna): Electric Vehicle with Robust Sensorless Induction Motor Drive. ICEM, Paris, 1994, pp. 338ff.

*) Antrieb funktionierte gut, Problem: Gewicht, Wirkungsgrad, Zyklenzahl und Reichweite der Bleibatterie. *) Schrödl, M.

9 Neuer Anlauf ab 2005: Lithium-Ionen Batterie und Permanentmagnet-Synchronmotor Hauptkomponenten: Antriebsunabhängig.. 40 % Batterie.. 40 % Elektroantrieb.. 5% Rest.. 15 % Zyklenwirkungsgrad Li-Batterie: 90 % z.b. E-Auto 45 kwh, Zyklen..200 km x = km..ok! Danach Sekundärnutzung im Haus als PV-Puffer Wirkungsgrad des E-Antriebs: 90% -> Verbesserungspotenzial des Antriebs: 5% der Gesamtenergie, 2-3% des Gesamtpreises am Fahrzeug -> Verbesserungspotenzial der Batterie: 5 % der Gesamtenergie, 30% des Gesamtpreises.

.ok! Danach Sekundärnutzung im Haus als PV-Puffer Wirkungsgrad des E-Antriebs: 90% -> Verbesserungspotenzial des Antriebs: 5% der

10 Höchster Wirkungsgrad, kompaktester Aufbau: Permanentmagneterregte Synchronmaschine Vorteile: Höchste Drehmomentdichte, höchster Wirkungsgrad. Nachteile: Teure Magnete auf Basis Seltene Erden (Neodym, Samarium-Kobalt, etc.) Beispiel: ESEA baute einen 90 kw- Antrieb für ein Hybridprojekt (2010) Reference motor voltage Reference motor current Reference power Reference/maximum speed Motor diameter 250 V (rms) 220 A (rms) 90 kw 3500 /8000 rpm 250 mm Links: CAD Design Mitte: Motor am Prüfstand Rechts: Stator mit Wasserkühlung

) Beispiel: ESEA baute einen 90 kw- Antrieb für ein Hybridprojekt (2010) Reference motor voltage Reference motor current Reference

11 Vergleich der Wirkungsgrade von Verbrennungskraftmaschinen und Elektromotoren Typisches Drehmoment-Drehzahl- Kennfeld eines Permanentmagnet- Synchronmotors (TU Wien). Wirkungsgrad in weitem Bereich über 90%. Sehr guter Wirkungsgrad auch im Teillastbereich. Typisches Kennfeld eines Ottomotors. Wirkungsgrad im Bestpunkt etwa 35%. Rasches Absinken im Teillastbereich.

Wirkungsgrad in weitem Bereich über 90%. Sehr guter Wirkungsgrad auch im Teillastbereich.

12 Blick unter die Fronthaube.... eines konventionellen PKWs Hohe mechanische Komplexität Jede Menge Nebenaggregate

13 Vergleich des Aufbaus eines Elektroautos mit einem konventionellen Verbrenner-PKW Blick unter die Fronthaube.... eines konventionellen PKWs und eines Elektroautos Hohe mechanische Komplexität Jede Menge Nebenaggregate Geringe Komplexität des Antriebs bei konsequenter elektro-orientierter Konstruktion

... eines konventionellen PKWs und eines Elektroautos Hohe mechanische

14 Front und Heck sind frei für Stauraum-Nutzung Fazit: Der vollelektrische Antrieb reduziert die mechanische Komplexität des Fahrzeugs drastisch

15 Front und Heck sind frei für Stauraum-Nutzung Fazit: Der vollelektrische Antrieb reduziert die mechanische Komplexität des Fahrzeugs drastisch Wo ist eigentlich der Antrieb?

16 Wo ist eigentlich der Antrieb? Energiespeicher in die Bodenplatte integriert, Antrieb nahe am Rad ohne Schaltgetriebe und Kupplung.

17 Lithium-Ionen-Speicher Lernkurve Installierte Kapazität und Lernkurve von Lithium-Ionen Speichern Installierte Kapazität Lithium Speicher Etwa Verdopplung pro Jahr erwartet Preise für Li-Akkus: 2011: 500 EUR/kWh 2012: : 200 Lernkurve: Li-Batteriepreise fallen um 15% pro Verdopplung der installierten Kapazität (Bild: W. Hoffmann)

Jahr erwartet Preise für Li-Akkus: 2011: 500 EUR/kWh 2012: 350 2013: 200 Lernkurve:

18 Verdopplung der weltweiten Produktionskapazität: Teslas Gigafactory für Lithium-Ionen Akkus Produktionskapazität der Gigafactory (Tesla/Panasonic, Nevada, USA) ab 2020 Geplante Fabrik verdoppelt die weltweit installierte Kapazität von 2013 Konservative Schätzung: Kostenreduktion um 30% in der Gigafactory ab 2017 (Bild: Tesla)

Nevada, USA) ab 2020 Geplante Fabrik verdoppelt die weltweit installierte

19 Schock auf der Antriebsseite: Neodym-Preisexplosion 2011 Durch die gezeigten Vorteile der PM-Maschine (Wirkungsgrad, Kompaktheit): Nachfrage nach Seltenen Erden steigt ab 2009 stark an. Durch die Monopolstellung Chinas: Preis explodiert (Bild). Preis steigt um Faktor 10 Innerhalb von einem Jahr. Hersteller suchen Alternativen: Kupferläufer Asynchronmaschinen (Tesla) Elektrisch erregte Synchronmaschinen (Continental) Reluktanzmaschinen (ABB im Industriebereich)

Durch die Monopolstellung Chinas: Preis explodiert (Bild). Preis steigt um Faktor 10 Innerhalb von einem Jahr.

20 Neue Antriebe für die Mobilität (ab 2011): Motto: Raus aus den Seltenen Erden Aufgrund der Preisexplosion wurden 2 Faktoren ausgelöst: Minen für Seltene Erden außerhalb Chinas werden wirtschaftlich (Australien, USA, Kanada, etc.) Die Fahrzeughersteller führen alternative Antriebskonzepte ein, die ohne Seltene Erden auskommen. Effekt: Preis für Seltene Erden hat sich wieder stabilisiert.

wirtschaftlich (Australien, USA, Kanada, etc.

21 Alternative zu Seltenen Erden: Beispiel Kupferläufer-Asynchronmaschine Symbolischer Kupferrotor Asynchronmaschine mit Kupferläufer und Flüssigkeitskühlung (Tesla) Durch Kupferkäfigläufer werden die Verluste gegenüber konventionellem Aluminiumkäfigläufern deutlich reduziert. Durch Flüssigkeitskühlung steigt die Leistungsdichte stark an.

22 Alternative zu Seltenen Erden: Elektrisch erregter Synchronmotor (Continental) Beispiel: Serienanwendung des Synchronmotors im Renault ZOE

23 Alternative zu Seltenen Erden: Synchron-Reluktanzmotor Beispiel: Reluktanzantrieb am ESEA- Prüfstand Sehr gute Wirkungsgrade in weitem Betriebsbereich gemessen (verglichen mit Asynchronmotor), sehr einfacher und robuster Motoraufbau, geringe Materialkosten, sensorlose Regelung implementiert.

24 Oder doch wieder Permanentmagnet-Maschinen, womöglich in der Variante Radnabenmotor? Beispiel: PM-Synchron-Antriebsmotor mit Übersetzung auf das Rad (Michelin). Motorgewicht: 7 kg, Leistung 30 kw Rechts: Anwendung im Venturi Volage (4 Radnabenmotoren)

25 Zusammenfassung Elektromobilität steht einige Jahre vor der breiten Marktdurchdringung Bei elektrischen Antrieben kann die eingesetzte Technologie an ökonomische Einflussfaktoren (Preise, Verfügbarkeit,..) angepasst werden Die Batterietechnik ist in absehbarer Zeit ausreichend preiswert und kompakt. Elektrofahrzeuge passen hervorragend zu Photovoltaik (konsequenterweise sollte ein Elektrofahrzeug nicht über fossil erzeugten Strom versorgt werden). Die TU Wien hat breite Kompetenz in antriebstechnischen Fragestellungen und steht der Industrie als Partner zur Verfügung.

26 Gestalten wir gemeinsam die Mobilität von morgen! Manfred Schrödl, Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe Technische Universität Wien

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