Elektromobilität Heute und in Zukunft

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1 Elektromobilität Heute und in Zukunft Dr. Tobias Lösche-ter Horst Leiter Konzernforschung Antriebe, Volkswagen Aktiengesellschaft

2 Zur Begrenzung der Erderwärmung sind drastische Schritte nötig Reduktion CO 2 -Emissionen bis 2050 um ca. 90 % Emissionen und ihre Verursacher Treibhausgasemission in Deutschland pro Pkw 1) [CO 2 /km] [Benzin/100 km] 221 g (2005) ~ 9,5 l Ist 2005 Ziel 2050 Begrenzung der Erderwärmung auf 2 C bis ) -91 % 20 g (2050) ~ 0,9 l Ø 20 g CO 2 /km ~ 0,9 l Benzin/100 km (Deutschland) Deutschland [Jahr] 1) Quelle: IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007, teilw. McKinsey & Company 2) Politische Absichtserklärung, z. B. der EU- und G8+5-Staaten, Teil des Copenhagen Accord

3 20 g CO 2 / km sind keine Utopie XL1 PHEV: 0.9 l / 100 km Motor: ccm TDI - 35 kw Nm Elektromotor: - 20 kw Nm Getriebe: - 7-Gang-DSG 3

4 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 4

5 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 5

6 Anforderungen an elektrische Speicher Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik Lebensdauer Zyklen, Standzeit Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit 6

7 Wh/l Energiedichten im Vergleich Benzin/Diesel H 2 (700bar) Li/O 2 Erdgas (200bar) H 2 (350bar) Li-Ionen Li/S Pb Ni-MH Wh/kg 7

8 Reichweite noch nicht für Massenmobilität geeignet Aufladen Batteriefahrzeug 150 km Gesamtreichweite Tankstopp Konventionelles Fahrzeug km Gesamtreichweite (Golf TDI BlueMotion) 8

9 Elektrofahrzeuge - Herausforderung Betankungsdauer Benzin Zapfsäule kw (ca. 50 dm³/min) Drehstromsteckdose 10 kw Wasserstoff Tankstelle kw (ca. 1 kg/min) 1 min Tanken = km fahren 1 min Tanken = 1 km fahren 1 min Tanken = 100 km fahren 9

10 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 10

11 Woher kommt die Energie? Well-to-Wheel CO 2 -Emissionen Golf TDI BlueMotion (99 g CO 2 /km Tank-to-Wheel) Diesel 109 g mix 3% 5% 11% 27% Kohle Öl Erdgas Nuklear Well-to-Wheel CO 2 -Emissionen eines Golf Blue-e-Motion** bei erzeugung aus: Braunkohle 219 g Steinkohle 190 g 28% 23% mix EU % Hydro Wind Sonstige Heizöl Erdgas 1 g Nuklear 95 g 152 g Steinkohle 196 g 2% 1% 17% 0% 1% 1 g Grüner (Windenergie) Braunkohle 215 g 1% mix EU 2020 * 71 g mix EU 2008 * 88 g 78% mix China 2020 * 140 g mix China g mix China 2008 mix Deutschland g CO 2 -Emissionen/km Allgemein: CO 2 -Werte sind CO 2 -Äquivalente *mix auf Datenbasis WEO 2010 **Verbrauch: 18 kwh/100 km (NEFZ, E-Golf Flotte) 11

12 Optionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem H 2 aus Elektrolyse ( nutzung > Elektrolyse ) H 2 H 2 Kraftwerk H 2 Speicher H 2 Tankstelle H 2 Tankstelle netz Grüner Elektrolyse 12

13 Optionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem Methanisierung ( nutzung > Elektrolyse > Methanisierung ) H 2 Tankstelle netz Grüner Elektrolyse Direkteinspeisung CO 2 Methanisierung CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle 13

14 Optionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem Methanisierung ( nutzung > Elektrolyse > Methanisierung ) Methan aus grünem ist voll kompatibel zu Erdgasfahrzeugen (EcoFuel) H 2 Tankstelle netz Grüner Elektrolyse Direkteinspeisung CO 2 Methanisierung CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle 14

15 Optionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem H 2 H 2 Kraftwerk H 2 Speicher H 2 Tankstelle CO 2 Fischer-Tropsch- Synthese H 2 H 2 C x H y Tankstelle netz Grüner Elektrolyse Direkteinspeisung CO 2 Diesel Tankstelle Methanisierung CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle 15

16 Bedeutung Biokraftstoffe relativ zu CO 2 -Ausblick im Vergleich Reduktion % Biokraftstoffe E-Mobilität CO 2 -Reduktion Biokraftstoffe CO 2 -Reduktion durch E-Fahrzeuge Einflussfaktoren: Tank-Teller -Diskussion Alternative Nutzer Flugverkehr Intensivierung der Landwirtschaft Gesamtfahrleistung Verlagerung zur E-Mobilität Beispiel Deutschland, Abschätzung auf Basis von: volumetrischer Kraftstoffanteil, Laufleistung, mittleres CO 2 -Einsparpotenzial, Änderung im mix 16

17 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 17

18 Das Elektrofahrzeug ist mehr als nur Batterie und Elektromotor Heizung Klima E-Bremskraftverstärker Traktionsbatterie und Batteriemanagement Leistungselektronik E-Motor und Getriebe Hochvoltleitungen Vernetzung der Komponenten

19 Energieverbrauch in kwh/100 km Elektrische Reichweite in km Reichweite hängt stark von der Außentemperatur ab Klimaleistung bedarf Antriebsleistung Außentemperatur in C Quelle: P. Gebhard Innovative Vehicle Energy Management (Aachener Kolloquium 2011) 19

20 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 20

21 Verschiedene Arten des Ladens einfache Ladung : uni-direktional, 3 kw, haushaltsübliche Steckdose intelligente Ladedose : bidirektional, Laststeuerung, 3 kw 230V 16A 230V 16A 300V 100A Schnellladegerät : bi-direktional, Laststeuerung, bis zu 30 kw (DC) Induktives Laden 21

22 Notwendigkeit einer Standardisierung am Bsp. Ladeanschluss 1. Generation 2. Generation 3. Generation Regionale Ladeanschlüsse, untereinander nicht kompatibel Globaler Adapateranschluss für Wechsel- und Gleichstromaufladung Rückwärtskompatibler Anschluss, Ladeleistung bis zu Hochspannungs- Gleichstrom 22

23 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 23

24 Das Batteriefahrzeug in der vernetzten Welt Mobile Dienstleistungen für BEV-Fahrer Energiemanagement Ladezustandsanzeige und Batteriemanagement Klimatisierung aus der Steckdose vor Abfahrt Navigationsdienste Anzeige von freien Ladeplätzen Standortüberwachung Für Car-Sharing-Anwendungen Batteriefahrzeug Dienstanbieter 24 / Fahrzeugübergreifendes

25 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 25

26 e-up! Motor Leistung Drehmoment km/h Höchstgeschwindigkeit 60 kw 210 Nm < 14 s 130 km/h Batterie Technologie Kapazität Reichweite Gewicht Lithium-Ionen 18,7 kw/h 150 km 230 kg 26

27 TwinDrive Konzeptidee E-Motor Leistung 85 kw Verbrauch 18,3 kwh/100 km* Höchstgeschwindigkeit 120 km/h TSI-Motor Leistung 85 kw Hubraum 1,4 l km/h < 12 s Höchstgeschwindigkeit (hybr.) 170 km/h Verbrauch (autark) 5,7 l/100 km** Batterie Technologie Lithium-Ionen Kapazität kwh Reichweite 57 km * Verbrauchswert eines möglichen twïndrive II Serienfahrzeugs (ohne Zusatzgewicht und elektr. Zusatzverbraucher) ** Verbrauchswert für Vergleichsfahrzeug (Golf Var., 1,4l TSI DSG, ohne Mehrausstattung u. Schlechtwegefahrwerk) Verbrauchswert im Hybridbetrieb: 2,0 l/100 km *; 11,8 kwh/100 km * 27

28 Neue Mobilitätskonzepte: Klein und fein 28

29 Neue Mobilitätskonzepte: Klein und fein 29

30 Elektromobilität: Optimal im städtischen Lieferverkehr Andreas Hartl FH Pforzheim ENERGIE 30

31 Mikromobilität für die letzte Meile: Passt perfekt in mein Auto 31

32 Wir brauchen ein effizientes Gesamtsystem Fahrzeug Infrastruktur Effiziente Antriebe Elektromobilität Fahrzeugkonzepte Assistenzsysteme Leise und sauber CO2 neutrale Mobilität Erneuerbare Energien Mobilitätskonzepte Verkehrsfluss verbessern Verkehrsleitsysteme Aktuelle Verkehrsinformationen Micro City Parkraum Sicherheit Car to X Kommunikation Innovative Mobilitätskonzepte Kurzstreckenmobilität Mikromobilität für die letzte Meile Nahtlose Mobilität Langstreckenmobilität 32

33 Vielschichtige Anforderungen in den globalen Märkten 33

34 Energie (100 %) Mögliche Entwicklung im Automobilsektor ICE Hybrid PlugIn Range Extender Konventionelle Kraftstoffe Kurzstreckenmobilität BEV Biokraftstoffe Zeit Elektrizität Langstreckenmobilität FCEV ICE? 34

35 Szenarien zur Marktdurchdringung alternativer Antriebe * * * langsames Szenario Gesetzgebeung: 95 g CO 2 /km Well-to-Wheel in 2050 keine H 2 -Infrastruktur gemäßigtes Szenario Gesetzgebung: 40 g CO 2 /km Well-to-Wheel in 2050 => wird favorisiert schnelles Szenario Gesetzgebeung: 10 g CO 2 /km Well-to-Wheel in 2050 Quelle: Boost! Transforming the powertrain value chain a portfolio challenge, McKinsey & Company, Januar 2011 * REEV beinhaltet Range Extender und Plug-In-Hybride 35

36 Szenarien zur Marktdurchdringung alternativer Antriebe Vehicles with HV-battery ICE + REEV + HEV ICE + REEV + HEV * gemäßigtes Szenario Gesetzgebung: 40 g CO 2 /km Well-to-Wheel in 2050 => wird favorisiert Quelle: Boost! Transforming the powertrain value chain a portfolio challenge, McKinsey & Company, Januar 2011 * REEV beinhaltet Range Extender und Plug-In-Hybride 36

37 Koexistenz der Antriebstechnologien CO 2 -neutrale Elektrizität Brennstoffzelle konventionelle Elektrizität konventionelle Kraftstoffe Batteriefahrzeuge Plug-In-Hybride Hybridantriebe CO 2 -neutrale und nachhaltige Mobilität CO 2 -neutrale Kraftstoffe (flüssig, gasförmig) Verbrennungsmotor 37

38 38

39 Vielen Dank! 39

40 Die Grenzen zwischen Online und Offline lösen sich zunehmend auf. Mit Car2Car und Car2Backend wird das mobile Internet real. IP: IP: IP: IP:

41 Mobile Apps sind ein zukünftiger Enabler für alle Services rund um das Auto von morgen insbesondere bei der Generation Facebook Car sharing vehicle access News online radio news, RSS feeds reader Remote vehicle horn/light flash security app Integrated telematics ecall/bcall/ Tolling EV billing 3D navigation with video support Multimodal transport apps for real time bus/transit Social networking e.g. Twitter, Facebook Remote car starter/security Diagnostics TPMS service/ oil notifications Interior precondition app Real time traffic information Vernetzte Auto Car/Van pooling car and van pooling apps IP TV live tv using internet, e.g. SPB TV Vehicle access converting phone in to smart key Real time video traffic feeds Charging station locator Dynamic POI finder Car sharing choosing, reservation and locating cars Internet radio e.g. Pandora, Radio Time Vehicle locator Emergency assistance app State of charge monitoring app Turn by turn navigation Mobility Entertainment Vehicle Access/ Security Telematics Electric Vehicle Navigation Quelle: Cisco, Frost & Sullivan, Arthur D. Little 41

42 Well-to-Wheel CO 2 -Emissionen unterschiedlicher Antriebe *Eingerechneter Biokraftstoffanteil von gegenwärtig 7% Bio-Diesel beim Diesel und 5% Bio-Etahnol beim Benziner, entsprechen EU-Vorschrift **50% ottomotorischer und 50% batterieelektrischer Betrieb (mit EU-) 1),2) siehe mix auf vorherigen Folie 42

43 Intelligente Parkräume: DIE MICROCITY 43

44 Elektromobilität ist viel mehr als die Entwicklung von E-Fahrzeugen Notwendige Aktivitäten zur erfolgreichen Umsetzung der Elektromobilität Innovation Mobilitätskonzepte handel Mobilitätssteuerung Infrastruktur Batteriemgmt. E-Fahrzeug Level 1 Level 2 Level 3 Level 4 Wallbox Nutzungsverträge vertrag / Vermittlung lieferung Fahrzeug + Fernbedienung + Batterie + Finanzierung + Batteriemanagement Level 5 Level 7 Level 6 Schwarmstrom Smart Grid Parkplatzsteuerung Ladestation buchen Neue Dienstleistungen Micromobility Mobility Card 44

45 Neue Mobilitätskonzepte Mobility Card Vision 2020 Volkswagen Smart Card für mehr Komfort beim Umsteigen? Angebotsportfolio Kernelemente Angebote für Geschäfts- und Freizeit-Kunden Smart City Card Nutzung für Bibliotheken, Universitäten, Schulen, Museen usw. Integration Mitarbeiterausweis Diverse Zahlungsmodalitäten (Handy-NFC, Accessoires, Schüsselanhänger, Uhren ) Technologieanforderungen Anpassung Technologie an neue Zahlungstechnologien (NFC, Accessoires ) Benchmarks Hong Kong Octopus Card Hohe Penetrationsrate bis 2020 (1,5 2 pro Einwohner) Steigerung ÖPNV-Anteil auf 40% Tarifsystem bleibt unberührt Auflade- und Lesegeräte für Dritte (Shops, Entertainment usw.) Singapur CEPAS EzLink Card 45

46 Mobilitätskarte: Octopus, weltweit erfolgreichstes Beispiel Transport Retail Parking Sämtliche ÖPNV-Mittel: Busse, U-Bahnen, S-Bahnen, Straßenbahnen, Fähren, Reisebusse, Fernzüge Mode (3 Ketten), Buchhandlungen (1), Konditoreien (20), Convenience (2), Kaufhäuser (1), Entertainment (4), Fast-food (40), Haushalt (1), Personal Care (1), Photo (1), Supermärkte (6), Telekommunikation (3), Zentralmarkt (1) 600 Parkhäuser und Parkplätze Sämtliche Straßenparkplätze in Hongkong Self Service Kopiergeräte (6 Hersteller), Verkaufsautomaten (20 Ketten) Freizeit Kinos (5), private Klubs (50), Rennbahn (1), Sportanlage (1), Schwimmbad (1), Themenpark (1) Erfolgreichste Karte von > 260 Mobility Cards weltweit > 20 Mio. Karten im Umlauf Penetrationsrate ca. 2,9 Karten pro Einwohner 95% der Hongkong-Bevölkerung besitzen Octopus 11 Mio. Transaktionen pro Tag Volumen ca. 100 Mio. HKD (9,4 Mio. EUR) 25% der Transaktionen nicht transportbedingt 12% der Karten personalisiert Dienstleistungsanbieter akzeptieren Octopus > Lesegeräte für Octopus Card in Hongkong installiert 5 Medienträger: Smart Card, Handy/ NFC 1), Schlüsselanhänger, Uhren, Schmuck/ Accessoires Zugang Andere 200 Firmen-Gebäuden und Wohnanlagen 30 Krankenhäuser, 180 Schulen, Polizei, Bibliotheken, weitere öffentliche Einrichtungen 46

47 Neue Mobilitätskonzepte Mobility Card Vision 2020 Volkswagen Smart Card für mehr Komfort beim Umsteigen? Angebotsportfolio Hong Kong Octopus Card Singapur CEPAS EzLink Card 47

48 Energieketten Biomasse Kraftstoffe Einlagerung Erdöl Erdgas Benzin Diesel Biomasse Gas Sonnenenergie Biomasse Einlagerung Kohle Erdöl Erdgas Batteriefahrzeug Brennstoffzelle 48

49 Brennstoffzellenfahrzeuge - Internationale Vorstellungen Gründung CaFCP (2000) Challenge Bibendum (2007) Hydrogen Tour (2009) Beitritt CEP (2006) Olympische Spiele (2008) HyMotion4 (2012) Fahrzeugbetrieb Kalifornien Fahrzeugbetrieb Berlin 49

50 Package Tiguan HyMotion3 Hybridbatterie Brennstoffzellen- Aggregat hinterer H 2 -Tank Elektromotor vorderer H 2 -Tank 50

51 Vergleich Brennstoffzellen-Aggregat HyMotion3 zu HyMotion4 HyMotion3 (Tiguan, Caddy Maxi, Audi Q5) HyMotion4 elektr. Leistung: 82 kw Hüllvolumenreduktion: ca. 40 % elektr. Leistung: ca. 85 kw Zielrichtung HyMotion4 Hochintegriertes Aggregat Optimierung der Gesamtakustik des Aggregates Reduzierung der Komplexität Massenreduktion: ca. 25 % Bauteilreduktion: ca. 20 % Steigerung der Leistungsdichte 51

52 Brennstoffzellentechnologie - Herausforderungen Vereinfachung der Systemkomplexität Sicherer Start und Betrieb sowohl bei sehr tiefen als auch sehr hohen Umgebungstemperaturen Erhöhung der Lebensdauer Kostenreduktion durch technischen Herausforderungen Fortschritt und Erhöhung H 2 -Wirtschaft der Stückzahl H 2 -Bereitstellung aus regenerativen Quellen Wasserstofferzeugung unter Aufbau des Tankstellennetzes Berücksichtigung der Ökobilanz Aufbau einer flächendeckenden Tankstellen- Infrastruktur 52

53 Optionen zur Speicherung und Nutzung von Windenergie H 2 H 2 Kraftwerk H 2 Speicher H 2 Tankstelle H 2 H 2 netz Windkraftanlagen Elektrolyse Direkteinspeisung CO 2 Methanisierung CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz CH 4 Tankstelle 53

54 [CO 2 -Emissionen Flotte] Konventionelle Antriebstechnologien reichen für drastische Klimaziele nicht aus Ziellücke ist mit E-Mobilität zu schließen OPTIMIERTE KONV. ANTRIEBE ALTERNATIVE KRAFTSTOFFE [CO 2 /km] 143 g (2010) Flottenverbrauch Volkswagen Konzern Pkw 2010 (EU) CNG HYBRIDE E-TRAKTION ~ 95 g (2020) LPG Mild-Hybrid ~ 75 g (2025) MultiFuel Rekuperation Start-Stopp Rollwiderstand Full-Hybrid Plug-In- Hybrid Range Extender ÖKOSTROM Batteriefahrzeug ZIEL 20 g (2050) 0 g [Technologien und Energieträger] 54

55 Aspekte für Technologieentscheidungen Treibhausgas-Bilanz Nachhaltigkeit Kosten Kundennutzen Gesetzgebung Energieträger Reifegrad Infrastruktur Kompatibilität Klimawandel Verknappung von Ressourcen 55

56 Erstes Elektrofahrzeug von Porsche Vorstellung am 14. April 1900 auf der Weltausstellung in Paris Lohner-Porsche Elektromobil 2 Radnabenmotoren Pmax = 2 x 7 PS Pnenn = 2x 2,5 PS (bei 120 U/min) 44zelliger 300 Ah Akku mit 80 V Vmax = 50 km/h Reichweite 50km Elektrische Bremse vorne, mechanische Bandbremse hinten Gesamtgewicht 980 Kg Batteriegewicht 410 Kg 1 Vorderrad 115 Kg Ca. 300 Fahrzeuge verkauft 56

57 Historie der Elektro- und Hybridfahrzeuge Serienangebot HEV: Hybrid Electric Vehicle EV: Electric Vehicle 57

58 Volkswagen elektrifiziert alle Fahrzeugklassen Hybride VW Touareg Audi Q5 VW Jetta VW XL1 VW Passat Porsche Cayenne S Porsche Panamera S hybrid Audi A6 Porsche 918 Spyder Audi A4 Audi A8 Audi Q7 Batteriefahrzeuge Audi R8 e-tron VW Up! blue-e-motion VW Golf blue-e-motion» Weitere Konzernmarken Darstellung zum Teil Vorgängermodelle/konventionelle Fahrzeuge VW Caddy blue-e-motion / 2015

59 Die Elektrifizierung des Antriebs ELEKTROFAHRZEUG Micro-Hybrid/ Start-Stopp Mild-Hybrid Full-Hybrid (HEV) Plug-In- Hybrid (PHEV) Range Extender (RE BEV) Batteriefahrzeug (BEV) Brennstoffzelle (FCEV) 1) km km 2 km km km Batterie- Reichweite Elektromotor Boost 1) nach 2020 Verbrennungsmotor +erzeuger 59

60 Die Elektrifizierung des Antriebs ELEKTROFAHRZEUG Micro-Hybrid/ Start-Stopp Mild-Hybrid Full-Hybrid (HEV) Plug-In- Hybrid (PHEV) Range Extender (RE BEV) Batteriefahrzeug (BEV) Brennstoffzelle (FCEV) 1) km km 2 km km km Elektrische Reichweite Verbrennungsmotor Boost Elektromotor +erzeuger 1) >

61 Herausforderungen in der Elektromobilität Mobilitätskonzepte Energiespeicher Mobile Online-Dienste Integration Neue Komponenten 61

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