Zukünftige Fahrzeug-Kraftstoff-Systeme

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1 Bernd Höhlein Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik (IWV) IWV 3: Energieverfahrenstechnik Zukünftige Fahrzeug-Kraftstoff-Systeme KRAFTSTOFFE für die ZUKUNFT: Fachtagung zu den Themen Biogene Kraftstoffe und Erdgasfahrzeuge der Landesinitiative Zukunftsenergien NRW im Rahmen der E-World energy & water 2005, Essen

2 Fahrzeug-Kraftstoff-Systeme Strategien für Antriebe Weiterentwickelte Verbrennungsmotoren Hybridantrieb: Verbrennungsmotor und Elektromotor und Batterie Elektroantrieb mit Brennstoffzellen* Batterien Strategien für Kraftstoffe PET diversifizieren: langfristige wirtschaftliche und umweltfreundliche Verfügbarkeit zunehmend regenerative PET Zahl der Varianten gering halten in unterschiedlichen Antrieben umweltfreundlich nutzen neue Infrastrukturen minimieren externe Kosten internalisieren * auch Hybridvarianten

3 Zukünftige Primär- und Sekundärenergieträger Erdgas Kohle Biomasse Vergasung Reformierung CO 2 -freies Kraftwerk Pre-combustion + CO 2 -Capture H 2 CO CO 2 CO 2 CO 2 -Lager CO 2 -freie Stromerzeugung: Synthesegas (H 2, CO 2, CO) Elektrolyse Heterogen katalysierte Synthese H 2 -Abtrennung Aufbereitung Erdgas Methanol Syn-/ Sunfuel Wasserstoff Strom

4 Gesamter Primärenergieaufwand [MJ PET /MJ Kraftstoff ] Quelle: [Mittelwerte aus Studienvergleich FZJ, LBSt 2003] nichtregenerativer Primärenergieaufwand [MJPET/MJKraftstoff] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Benzin Diesel fossil basierte Kraftstoffe CNG C.H2 L.H2 MeOH FTD DME C.H2 L.H2 biogene Kraftstoffe MeOH FTD RME EtOH CMG

5 Kraftstoffbereitstellung: CO 2 -Emissionen und Kraftstoffkosten Treibhausgasemissionen: Bereitstellung und Nutzung/ g CO2eq / MJ Diesel (Erdgas) Benzin/ Diesel (Öl) Methanol (Erdgas) Druckerdgas Fossil to renewable Flüssigwasserstoff (Erdgas) Druckwasserstoff (Erdgas) Benzin, mit Steuern (Öl) Biodiesel Ethanol (Raps, Zuckerrüben) Druckwasserstoff (Wind-Strom) Ohne Steuern Ohne CO 2 -Management Fossile Herkunft Regenerative Herkunft Druck- oder Flüssigwasserstoff (Solar-Strom) Diesel (Holz) Kraftstoffkosten / EUR / GJ

6 Weltweite Studien im Vergleich Herausragende Studien (siehe Literaturverzeichnis) MIT [2000/2003] GM [2002] CONCAWE [2003]: CONCAWE/ EUCAR/ JRC European Commission (2003) Anforderungsprofil für Hybridantriebe mit Verbrennungsmotor, Elektromotor, Generator, Kupplung, Batterien (Zeithorizont 2010, nach CONCAWE [2004]) Parallel Hybrid für eine Reichweite < 600 km Beschleunigungsvermögen: km/h in < 13 s, Höchstgeschwindigkeit: Maximale Beschleunigung: Batteriekapazität: v max > 180 km/h ohne Elektromotor > 4,5 m/s 2 mit Normalleistung des Elektromotors 20 km Fahrt (emissionsfrei), 40 kg Lithium/Ion

7 CONCAWE [2003]: Vergleich verbesserter konventioneller und Hybridantriebe Energie [MJ/100 km] Energievorteil Standard 2002 Standard 2010 Hybrid 2010 Standard 2010 vs. Standard 2002 Hybrid 2010 vs. Standard 2010 Hybrid 2010 vs. Standard 2002 Vorteil gg. VM Benzin 2002 Energie Standard 2010 Energie Hybrid 2010 Klimagasemissionen Hybrid 2010 VM Benzin * % 15 % 28 % 15 % 28 % 29 % VM Diesel ** 148 ** 2 % 17 % 19 % 20 % 34 % 34 % VM C.NG * % 24 % 36 % 14 % 34 % 50 % VM L.H 2 * % 25 % 37 % 100 % * als PISI (port injection spark ignition); ** mit Partikelfilter VM... Verbrennungsmotor; C.NG... Druckerdgas; BZ... Brennstoffzelle (PEFC); C.H 2 /L.H 2... Druck-/Flüssigwasserstoff; Kaltstart + 3%, Leerlaufverbrauch nach GM 0,3% von Max BZ C.H 2 / L.H % 58 % 63 % 100 %

8 Fahrzeugpreise 2010 im Vergleich zu Fahrzeug mit Benzin-VM 2002 (70 kw, , dabei 30/ kw Antrieb und 125 für Tank, nach CONCAWE [2003]) Verbrennungsmotorische Antriebe (A) VM - Benzin DISI + 4 % EURO IV, Start/ Stop, Turbo (B) VM - Diesel DICI + 14 % EURO IV*, 50/kW, Start/Stop (C) VM - C.NG PISI + 14 % siehe (A) ohne GDI, Tank (D) VM - L.H 2 /C.H 2 PISI + 29 % Start/ Stop, Turbo, für 9 kg H 2 Tank (700 bar) Hybridisierte Antriebe einschließlich Brennstoffzellen (E)** VM - Benzin DISI + 13 % EURO IV, GDI, Li/Ion, 378 E-Motor (F)** VM - Diesel DICI + 23 % EURO IV*, 50/ kw, Li/Ion, 378 E-Motor (G)** VM - C.NG PISI + 19 % Batterie und E-Motor s. (E), Tank s. (C), VM < gg. (C) (H)** VM - L.H 2 /C.H 2 PISI + 33 % Batterie und E-Motor s. (E), Tank kleiner gg. (D) (I)*** BZ - L.H 2 /C.H % Tank, Batterie, BZ 105/kW, E-Motor 27/kW * Mit Partikelfilter ** Verbrennungsmotor-Leistung in kw: (A)/(E): 70, (B)/(F): 74, (C): 85, (G): 68, (D)/(H): 77; Elektromotor-Leistung (E)-(H): 14 kw; Batterie (E)-(H): 6 kwh *** Brennstoffzellen-Leistung 80 kw, Elektromotor-Leistung 75 kw; Batterie 6 kwh, Tank 4,2 kg BZ Brennstoffzelle (PEFC) C.NG Druckerdgas C.H 2 Druckwasserstoff DISI Benzindirekteinspritzung DICI Dieseldirekteinspritzung L.H 2 Flüssigwasserstoff PISI konventioneller Benzinmotor VM Verbrennungsmotor

9 Strategische Entwicklungsstufen (Kfz-Antriebe) Vergangenheit in EU Gut für VM; aufwendig für BZ Oil: Static reach? C.NG/SNG; FTD, MeOH, H 2 (Synthesegas) alle für VM; H 2 für PEFC MeOH für DMFC BTL als Blend, begrenztes Biomassepotential, LCA undeutlich Besondere Vorteile für BZ-, ggf. VM-Kfz Teurer Wasserstoff NG: static reach? Herkömmliche Kraftstoffe Schwefelhaltig Aromatenreich Saubere konventionelle Kraftstoffe Schwefelfrei Aromatenarm basiert auf Erdöl CNG, GtL, H 2 CO 2 -Capture möglich FAME, Synthetisches BTL Emissionsund CO 2 -frei Emissionsarm basiert auf Erdgas/Kohle Emissions- und CO 2 -arm Mittel- bis langfristig: keine Monolösung Neue Infrastrukturen: C.NG, Wasserstoff? L C C Bewertung und reg. Lösungen? basiert auf Biomasse basiert auf Reg. Energie Siehe auch: VDA-Kongress Wolfsburg, April 2003, Gemeinschaftsstand von DaimlerChrysler und Volkswagen

10 Weltweite Aktivitäten DoE Program FreedomCAR (R&D) California Fuel Cell Partnership Clean Energy Partnership (GER) VES, Hybert (GER) Initiativen: NRW, BW, Bayern (GER) European Bus Project Cute (EU) 6 th Framework Program (EU) Technology Platform 7. RP (EU) IPHE International Partnership for the Hydrogen Economy IEA International Energy Agency Hydrogen Fuel Cells METI, NEDO actions

11 18 th World Hydrogen Energy Conference 2010 in Essen, Germany, May 16-21,