Potentiale und Herausforderungen bei der Entwicklung von umweltverträglichen Verbrennungsmotoren

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1 CIO Campus Was treibt uns voran? Entwicklungsstand umweltfreundlicher Antriebstechnologien JUNI 2016 HTW DRESDEN Potentiale und Herausforderungen bei der Entwicklung von umweltverträglichen Verbrennungsmotoren 1 Prof. Dr.-Ing. Gennadi Zikoridse HTW Dresden Fakultät Maschinenbau Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik

2 Gliederung Einleitung Was treibt uns voran? Herausforderung Emissionsgesetzgebung CO 2 -reduzierte Kraftstoffe Erdgasantriebe und Abgasnachbehandlung Neue Kraftstoffe und zukünftige Anforderungen an Abgasnachbehandlung Zusammenfassung 2

3 Dieselmotor unter Anklage PM NO NO 2 CO HC CO 2 Wegen Auswirkungen auf die Gesundheit drastische Limitierung der Schadstoffe (PM, PN, HC, CO und NO X ) Der CO 2 -Ausstoß als Hauptverursacher des Klimawandels muss reduziert werden Seit 2010 gibt es in Europa einen Immission-Grenzwert für NO 2 (Jahresdurchschnitt 40 µg/m 3 ) Traditionelle" Testzyklen liefern keine realen Fahremissionen (RDE) von limitierten Schadstoffen (CO, HC, NO X, PM / PN) 3

4 NO 2 -Immissionssituation in Deutschland 2014 Luft in deutschen Städten nach wie vor stark mit Stickstoffdioxid belastet 2014: ca. 50% der verkehrsnahen Messstationen lagen über dem zul. Jahresmittelwert von 40 μg/m³ Die Stickstoffdioxid Belastung ist vor allem für Asthmatiker gefährlich, da sie bei diesen zu Atemnot und Bronchitis führen kann Der Verkehr, insbesondere auch der individuelle Pkw-Verkehr von Dieselfahrzeugen ist maßgeblich für diese Emissionen verantwortlich Quelle: L. Mönch, UBA, 2. RDE-Workshop, FAD e.v. 4

5 Was treibt uns voran? Ganzheitliche Betrachtung der zukünftigen Mobilität Antriebstechnologien Ottomotoren Dieselmotoren Gasmotoren Hybridantriebe Elektroantriebe Brennstoffzelle H 2 -Verbrennungsmotor Verkehrsinfrastruktur Infrastruktur Tankstellen Verkehrsregelung Verkehrsströme Stadt- und Umfeldplanung Abgasnachbehandlung Partikelfilter (DPF, GPF) DOC/TWC SCR/NSC Kombisysteme Kraftstoffe Antriebe Mobilität Infrastruktur Kraftstoffe Benzin Diesel Erdgas Biomethan (Biogas) Biodiesel (FAME) Bioethanol CTL, GTL, BTL PtL, PtG, H 2 Applikation Autonomes Fahren Funktionen & Kennfelder ECU-Bedatung OBD AGR Emissionen CO; THC, NO X PM/PN CO 2 5

6 Erneuerbare Energien und Antriebslösungen für nachhaltige Mobilität Verbrennungsmotoren Elektromotoren Biokraftstoffe - Pflanzenöle - Ethanol - Algenkraftstoffe Elektrokraftstoffe - Power to Gas (PtG) - Power to Liquide (PtL) Batteriezelle Brennstoffzelle Verbrennungsgleichung Li-Ionen-Batterie Reaktionsgleichungen Negative Elektrode (Entladung): Positive Elektrode (Entladung): Redox-Gleichung: 2H 2 + O 2 2H 2 O + elektrische Energie + Wärme 6

7 Jahresbilanz der PkW-Neuzulassungen in Deutschland 2015 Pkw-Neuzulassungen ,2 Millionen Benzin-Anteil 50,3% Diesel-Anteil 48,0% Alternative Antriebe und Kraftstoffe 1,7% Elektrofahrzeuge Hybridfahrzeuge Euro 6-Anteil 73,2 % Durchschnittlicher CO 2 -Ausstoß 128,8 g/km Aufteilung der PkW-Zulassungsanteile 2015 Benzin-Anteil Diesel-Anteil Alternative Antriebe 48% 1,7% Quelle: KBA 7 50,3%

8 Warum nachhaltige Mobilität? Sicherstellung der nachhaltigen Mobilität ist für unsere Volkswirtschaft unabdingbar Die Mobilität ist und bleibt größte Wachstumsmotor für die Zukunft Dieser Motor muss auf Ressourceneffiziente und umweltschonende Art und Weise angetrieben werden Der CO 2 -Ausstoß des Verkehrssektors muss weiter abgesenkt werden Neben der Entwicklung neuer Antriebstechnologien ist auch die Entwicklung neuartiger, CO 2 - reduzierter Kraftstoffe erforderlich Diese Kraftstoffe müssen allerdings bessere Eigenschaften für die innermotorische Verbrennung und folglich Emissionen als die fossilen Energieträger besitzen Das Ziel der nachhaltigen Mobilität der Zukunft ist eine CO 2 neutrale Fortbewegung 8

9 Prognose für die CO 2 Gesetzgebung in der EU EU Treibhausgasziel gco 2 /km 2050 Wenn man das EU Treibhausgasziel auf die CO 2 -Emission neu zugelassener Fahrzeuge überträgt, führt dies zu ca. 30 gco 2 /km in 2050, falls nur ein moderates Verkehrswachstum unterstellt wird. Quelle: Dr.-Ing. Rolf Leonhard, Robert Bosch GmbH, Wege zur CO 2 -freien Mobilität 9

10 Ganzheitliche Betrachtung der Emissionen und Abgasnachbehandlung Einflussparameter 10

11 Herausforderungen - Emissions- und CO 2 -Gesetzgebung in der EU Hauptthemen für die Einhaltung der zukünftigen Emissionsgrenzwerte bei Dieselfahrzeugen wird weitere NO X -Reduktion erforderlich sein. bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung wird starke Absenkung der Partikelanzahlemission (PN) die Hauptherausforderung werden. die Abgasnachbehandlung muss praktisch kennfeldweit und unter deutlich verschärften Betriebsbedingungen funktionieren. Motorabstimmung für eine breite Palette von Betriebsbedingungen (Drehzahl, Drehmoment, Temperatur, Höhe,...) ist erforderlich, um die Emissionsgrenzwerte im realen Fahrbetrieb zu erfüllen. Neben Schadstoffemissionen müssen die CO 2 -Grenzwerte parallel betrachtet werden Das System Motor/Kraftstoff/Abgasnachbehandlung/Fahrzeug muss auf neue Anforderungen abgestimmt werden 11

12 Real Driving Emissions - Einflussparameter 12

13 CO 2 reduzierte Kraftstoffe ERDGAS Biokraftstoffe CO₂-basierte Kraftstoffe CNG LNG Pflanzenölkraftstoff Biodiesel Bioethanol Hydrierte Pflanzenöle (HVO) Biomethan Biomass to liquid (BtL) Power-to-Liquids (PtL) e-benzin e-ethanol e-diesel Power-to-Gas (PtG) e-gas Ein Fahrzeug das mit e-fuels betrieben wird, kann eine ähnlich gute CO 2 -Bilanz wie ein batteriebetriebenes Fahrzeug, das mit Strom aus Wind- und Solarenergie versorgt wird erzielen. [Quelle: Audi] 13

14 Konzepte für Erdgasantriebe Varianten für technische Realisierung 1. Otto-Brennverfahren λ=1 Konzept Monofuel: stöchiometrisch verbrennende Monofuel-Ottomotor, Kraftstoff: Methan (stöchiometrische, vorgemischte homogene Ladung, Fremdzündung) λ>1 Konzept: Monofuel-Ottomotor mit magerer Verbrennung, Kraftstoff: Methan (magere, vorgemischte Ladung, Fremdzündung) λ=1 Konzept Bivalent: stöchiometrisch verbrennende Bifuel-Ottomotor, Kraftstoff: Benzin/Methan (stöchiometrische, vorgemischte homogene Ladung, Fremdzündung) 2. Diesel-Brennverfahren HPDI-Motor: Dual-Fuel-Motor, bei dem gleichzeitig Gas und Diesel unter Hochdruck über einen Injektor eingespritzt werden. (innere Gemischbildung, Selbstzündung) Dual-Fuel-Diesel: Motorsystem, bei dem der Diesel mit unterschiedlich hohen Anteilen durch Erdgas ersätzt wird. (äußere Gemischbildung, Selbstzündung) 14

15 Abgasnachbehandlung für Erdgasantriebe: λ=1 Konzept Monofuel CNG/LNG Ottomotor Luft Luft Abgas TWC ATL Anwendung: NFZ AGR Gleichzeitiger Umsatz der Gase: CO, NO X, C m H n CO + 1/2O 2 CO 2 C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O NO + CO ½ N 2 + CO 2 C m H n + 2(m+1/4n) NO (m+1/4n) N 2 + n/2 H 2 O+m CO 2 15

16 Abgasnachbehandlung für Erdgasantriebe: λ>1 Konzept Monofuel CNG/LNG Ottomotor Luft AdBlue Luft Abgas Oxicat SCR Anwendung: NFZ AGR ATL Oxicat: CO + 1/2O 2 CO 2 C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O 2 NO + O 2 2 NO 2 SCR: 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N H 2 O NO + NO NH 3 2 N H 2 O 16

17 Abgasnachbehandlung für Erdgasantriebe: λ=1 Konzept Bivalent Ottomotor Luft CNG Benzin Abgas TWC Abgas Anwendung: PkW Quelle: erdgasautos.at Gleichzeitiger Umsatz der Gase: CO, NO X, C m H n TWC: CO + 1/2O 2 CO 2 C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O NO + CO ½ N 2 + CO 2 C m H n + 2(m+1/4n) NO (m+1/4n) N 2 + n/2 H 2 O+m CO 2 17

18 DOC ASC Abgasnachbehandlung für Erdgasantriebe: HPDI-Motor LNG Diesel Dieselmotor Luft Luft Abgas HC-Doser Diesel DPF AdBlue SCR ATL Anwendung: NFZ AGR DOC: CO + 1/2O 2 CO 2 C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O 2 NO + O 2 2 NO 2 DPF C + 2 NO 2 CO NO SCR: 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N2 + 6 H 2 O NO + NO NH 3 2 N H 2 O ASC 4 NH O 2 2 N H 2 O C + O 2 CO 2 18

19 Oxikat DOC ASC Abgasnachbehandlung für Erdgasantriebe: Dual-Fuel-Diesel CNG/LNG Diesel Dieselmotor Luft Luft Abgas HC-Doser Diesel DPF AdBlue SCR Anwendung: NFZ AGR ATL Oxikat: CO + 1/2O 2 CO 2 C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O 2 NO + O 2 2 NO 2 DOC: katalytischer Brenner C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O DPF SCR: 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N2 + 6 H 2 O NO + NO NH 3 2 N H 2 O ASC 4 NH O 2 2 N H 2 O C + 2 NO 2 CO NO C + O 2 CO 2 19

20 Elektrokraftstoffe - Power-to-Liquids (PtL) Herstellung von CO 2 -neutraler Kraftstoffe: Ausgangsstoffe für das Gesamtverfahren sind Wasser, CO 2 und elektrische Energie. als Rohstoff wird CO 2 aus großindustriell verfügbaren Quellen eingesetzt (z.b. aus Stahlwerken) Wasserstoffherstellung erfolgt mittels einer Hochtemperaturelektrolyse Die benötigte Elektroenergie kommt aus regenerativen Energiequellen (Wind, Solar, etc.) für die Synthese kann u. a. das Fischer-Tropsch-Verfahren eingesetzt werden Quelle: sunfire 20

21 Elektrokraftstoffe Herausforderungen Elektrokraftstoffe (Elektroenergie, H 2, CO 2 ) Power-to-Liquid (E-Benzin, E-Diesel, E-Kerosin, E-OME, E-Methanol) Power-to-Gas (E-H 2, E-CH 4 (SNG) Power-to-DME Die meisten synthetischen Kraftstoffen befinden sich in F&E Stadium. Die angestrebten Eigenschaften orientieren sich an konventionelle Kraftstoffe. 21

22 CO 2 - reduzierte Kraftstoffe und Abgasnachbehandlung Themenfelder für die Zukunft: ERDGAS CNG LNG Biokraftstoffe E-Kraftstoffe Anforderungen an neue Kraft- und Betriebsstoffe Biogene Kraftstoffe und Abgasnachbehandlung Synthetische Kraftstoffe und Abgasnachbehandlung CO 2 - reduzierte Kraftstoffe aus fossilen Quellen (CNG, LNG) Verbrennung und Emissionen Einflussparameter auf Real Driving Emissions (RDE) Anpassung der AGN-Systeme an neue Kraftstoffe neue Anwendungsfelder der AGN-Systeme etc. PtL PtG 22

23 Zusammenfassung - I Für die Einhaltung der zukünftigen Emissionsgrenzwerte und die Sicherstellung der Langzeitfunktionalität der AGN-Systeme bei Einsatz von CO 2 -reduzierten Kraftstoffen ist eine gezielte Anpassung des Verbrennungsmotors und der Abgasnachbehandlung auf diese Kraftstoffe zwingend erforderlich. Die Sicherstellung der nachhaltigen Mobilität erfordert eine ganzheitliche Betrachtung der durch Verbrennungsmotoren bedingten CO 2 - und Schadstoffemissionen. Die strengen globalen Vorgaben zur weiteren Reduzierung der Schadstoffemissionen und Verbesserung der lokalen Luftqualität bedingen einen Flächendeckenden Einsatz effizienter Abgasnachbehandlungstechnologien. Durch die Diversifizierung der Kraftstoffe werden neue Anforderungen an die Abgasnachbehandlungstechnologien gestellt. Eine funktionale Anpassung der Abgasnachbehandlung an neue Kraftstoffqualitäten wird erforderlich sein. 23

24 Zusammenfassung - II Fliegende Autos kommen später und werden mit erneuerbarer Energie angetrieben! Bis dahin brauchen wir: Quelle: Innovationen auf den Gebieten der Antriebstechnologien und Energieträger, damit die Mobilität der Zukunft nachhaltig und umweltverträglich gestaltet werden kann. 24

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Fakultät Maschinenbau Forschungsinstitut Fahrzeugtechnik Friedrich-List-Platz 1 D Dresden 25 Institutsleitung: WWW: gennadi.zikoridse@fif.mw.htw-dresden.de

26 Ankündigung 14. FAD-Konferenz Herausforderung Abgasnachbehandlung für Dieselmotoren in Dresden 26