Busantriebstechnik Status quo und Zukunft

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1 Busantriebstechnik Status quo und Zukunft Prof. Dr. Ralph Pütz Hochschule Landshut Fachtagung Klimafreundliche Mobilität Neumünster, 8. Mai 2014

2 Inhaltsübersicht 1. Verbrennungsmotortechnik - Diesel - Erdgas - Dual Fuel 2. Hybridtechnik 3. Elektromobilität - Brennstoffzellen - Batterien 2

3 Antriebstechnologien in der deutschen Linienbusflotte (Stand: 12/2013) 4,1 94% Dieselbusse Erdgasbusse Wasserstoffbusse Trolleybusse Hybride Folie 3

4 Treiber für die Weiterentwicklung von Antriebssystemen bei Linienbus-Verkehrssystemen Wirtschaftlichkeit Geringe Investitions- und IH-Kosten Niedriger Kraftstoffverbrauch LCC-Optimierung der Fahrzeugkosten Umfangreiche automatisierte Diagnose Standardisierte Antriebskonzepte Ressourcenschonung Endlichkeit fossiler Energieträger Weltweit steigender Verbrauch Anstieg der Kraftstoffpreise Abhängigkeit von Kraftstoffimporten aus politisch instabilen Regionen Umweltschutz Lokale Emissionen Globale Emissionen Geräuschemissionen Folie 4

5 5 1.Verbrennungsmotortechnik

6 Vergleich der Typprüfverfahren bis EURO V/EEV (alt) und ab EURO VI (neu) -80% NOx bezogen auf EURO V/EEV -50% PM bezogen auf EURO V/EEV zus.: Teilchenreduzierung (PN) kältere Typprüfzyklen In-Use-Compliance bis km 6

7 EURO VI: Prüfinhalte und Prüfverfahren Quelle: GRPE Folie 7

8 Ergebnisse mit der neuesten Dieseltechnik im schweren Stadtverkehr 8

9 9 Verwendete Messtechnik: Semtech Ecostar (Module: FID Control, FID, NO X, FEM, PDM)

10 Geschwindigkeit in [km/h] Höhe über n.n, in [m] Basis für Vergleiche: Linie 17F als charakteristische Wiesbadener Stadtlinie 250 Höhenprofil Höhenprofil Zyklus 1 Höhenprofil Zyklus 4 50 v (km/h) 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 v (km/h) 10,0 5,0 0,0 0, , , ,00 Wegstrecke in [m] 8000,00 0 0, , , , ,00 Weg in [m] Topologie: Schwerer Stadtverkehr (SORT 1 bis hin zu SORT 2) 10

11 Abgastemperatur [ C] Höhenmeter [m] Vergleich der Abgastemperaturen von EURO-V/EEV- und EURO-VI-Gelenkbus EURO VI Abgastemperatur [ C] Höhenmeter [m] Wegstrecke [m] 0 EURO V / EEV Höhenmeter [m] Abgastemperatur [ C] Pütz, R. /BELICON 2013

12 Vergleich der lokalen Emissionen von EURO-V/EEV- und EURO-VI-Gelenkbus (bei normierter Zyklusgeschwindigkeit 19 km/h) Emissionen [g/km] 8,97 0,324 3,06 0,323 12,03 0,647 0,92 0,912 14,46 13,56 0,09 0, Euro 5 Euro NO [g/km] NO2 [g/km] Nox [g/km] CO [g/km] CO2 [kg/10km] THC [g/km] 15 Pütz, R. /BELICON 2013

13 Ergebnisse mit der neuesten Dieseltechnik im Regionalverkehr 13

14 Höhe über n.n. [m] Geschwindigkeit [km/h] Basis für Vergleiche: Überland-Linie Passau- Waldkirchen und zurück Höhenprofil von Passau nach Waldkirchen Passau - Waldkirchen Geschwindigkeitsausschnitt über der Zeit (Zyklus 1) Geschwindigkeit [km/h] Zeit [s] Zeit [s] Topologie: Klassischer Überlandverkehr (34 km/h) 14

15 0,067 0,231 0,236 0,298 1,179 1,415 Vergleich der NOx-Emissionen von EURO-VI- Solobussen im Regionalverkehr ( kleine Motoren ) 1,6 Vergleich der Stickoxide am Beispiel der Zyklusgeschwindigkeit 35 km/h 1,4 1,2 1 0,8 0,6 EURO 6 -Bsp 1 EURO 6 -Bsp 2 0,4 0,2 0 NO [g/km] NO2 [g/km] NOx [g/km] 15 Pütz, R. /BELICON 2013

16 Vergleich der Abgastemperaturen und NOx- Emissionen von EURO-VI-Solobussen ( kleine Motoren ) EURO VI Bsp. 1 EURO VI Bsp Pütz, R. /BELICON 2013

17 Stickoxid-Emissionsfaktoren im Fahrzyklus e NOx;FZ in Abhängigkeit der Zyklusgeschwindigkeit e NOx;FZ in g/km (eigene Messungen ) EURO VI ist ein echter Quantensprung in der Reduzierung lokaler Emissionen! EEV Diesel Solo 1 EEV Diesel Solo 2 EURO VI Diesel Solo EEV Diesel Gelenk1 EEV Diesel Gelenk 2 EURO VI Diesel Gelenk Pütz, R. /BELICON Zyklusgeschwindigkeit in km/h 17

18 Erdgastechnik 18

19 Erdgasmotor-Weiterentwicklung für EURO VI 19

20 Erdgasmotor-Weiterentwicklung für EURO VI Bis zur Stufe EURO V/EEV: Tendenziell NOx-Vorteile für CNG-Busse Ab EURO VI: CNG und Diesel auf gleichem NOx- Niveau Prinzip-bedingt tendenziell CO 2 -Nachteile für CNG-Busse Verfügbarer Lösungsansatz: Biogas, dann signifikante Vorteile! Signifikant höherer Kapitaldienst bei CNG-Bussen kann kaum durch geringere Kraftstoffkosten kompensiert werden Mit EURO VI müssten eigentlich die technik-bedingten CNG-Mehrkosten signifikant sinken. 20

21 Dual Fuel-Technik ( Hybridmotoren ) 21

22 Wasserstoffantriebe: Vergleich der lokalen Schadstoffemissionen in g/kwh im ETC 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Grenzwert EURO VI Grenzwert EURO V H2 Ottomotor BZ 1 0,5 0 NOx PM*10 NMHC+CH4 CO Folie 22

23 Dual Fuel-Technik auf dem Weg in die Wasserstoffwirtschaft (Gas-Saugrohreinspritzung) CNG, LNG, H2 von Diesel-Pilot-Einspritzung zur Zündung bis 100% Dieselbetrieb Pütz, R. /BELICON 2013 Folie 23

24 2. Hybridtechnik 24

25 Potenzial der Bremsenergierekuperation (exemplarisch für η e 35%, ohne Klimatisierung) 100% / 41 l/100 km Leerlaufverluste e 35% (25 50%) Kraftstoff - Energie 2% / 0,8 l/100 km Wärmeverluste Antriebsstrang- Verluste 11 % / 4,5 l/100 km Nebenaggregate 3,5% / 1,4 l/100 km Beschleunigung, Steigung Luftwiderstand Rollwiderstand > 13,5% / > 5,5 l/100 km 0,5% / 0,2 l/100 km 4,5% / 1,8 l/100 km Fahrenergie im Zyklus 35% / 14,3 l/100 km Kühlsystem/ Abstrahlung 65% / Abgas 26,7 l/100 km 5,5 l η η 4,5 l ca. 11% 25 Quelle: Pütz, R., 2012

26 Hybrid: Einflussfaktor Funktionalitäten in Bezug auf das Kraftstoffeinsparungspotenzial 35 Mittelwerte einer Anzahl von Referenzstrecken Elektrifizierung der Nebenaggregate Automatisiertes Schaltgetriebe, adaptive Schaltprogramme 20 Start/Stopp-Funktion 15 Downsizing des Verbrennungsmotors 10 5 Bremsenergierekuperation 0 Schwerer Stadtverkehr 12 km/h Normaler Stadtverkehr 18 km/h Vorortverkehr 25 km/h 26 Quelle: Volvo, 2010

27 Hybridtechnik: Einflussfaktor Betriebsstrategie ist von entscheidender Bedeutung individuelle Betriebsstrategie Weiterentwicklung: Plug-In-Hybride 27 Quelle: Krüger, M.; Bosch, 2010

28 Von entscheidender Bedeutung für Markterfolg: Weitere Wirtschaftlichkeitsverbesserung und öffentliche Förderung Kraftstoffeinsparung in /a Hybrid-Mehrkosten (KD + IH) in /a Kraftstoffeinsparungen vs. Hybridmehrkosten in Abhängigkeit des Dieselpreises (für Solobus) % Rekuperation % Rekuperation % Rekuperation % Rekuperation Mehrkosten KP Instandhaltung Quelle: Pütz, R. 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,10 Dieselpreis in /l 2,20 2,30 2,40 2,50 Mehrkosten KP Instandhaltung Mehrkosten KP Instandhaltung Mehrkosten KP Instandhaltung Annahmen: keine Fahrzeug-Förderung! Verbrauch: 42 l/100 km km/a 12 a Betrieb

29 3. Elektromobilität 29

30 Technologie-Wettbewerb hin zur Zielvorstellung Batterieelektromobilität : Strecken-/Betriebs- Management : Diesel, CNG, LPG, H 2 : Adaptive Schaltprogramme : Zwischenladung (Induktiv, Ultra- Caps, Oberleitung, Schwungrad) Elektromobilität = Systemansatz!!! : Speicher- Wechseltechnik 30 Pütz, R.

31 Kostenstruktur eines PEM-Brennstoffzellenstacks: nach wie vor aktuell, aber Lebensdauer steigt 31 Quelle: Siemens, 2002

32 Energieverbrauchsmessung an Batteriebussen 32 Pütz, R. /BELICON 2013

33 Außengeräusch bei Haltestellenanfahrt: A-bewerteter Summenpegel Vorteile für E-Busse Pütz, R. /BELICON

34 Umweltverhalten einer Muster-Busflotte (100 Fahrzeuge; 70 Solo- und 30 Gelenkbusse) im gesamten Lebenszyklus (systembezogene externe Kosten über 12 a) Externe Kosten in /a CO2 Kraftstoffbereitstellung CO2 Busherstellung CO2 Fahrbetrieb NOx Kraftstoffbereitstellung NOx Busherstellung NOx Fahrbetrieb PM Kraftstoffbereitstellung PM Busherstellung PM Fahrbetrieb 0 Szenario 1 (VDV- Durchschnitt, Referenz) Szenario 2 (EEV- Diesel, fossil) Szenario 3 (EURO VI-Diesel, fossil) Szenario 4 (Batteriebus, fossil) Szenario 5 (Batteriebus, regenerativ)

35 Prognose der Total Cost of Ownership im Zeitraum