Taugt das 1-Liter-Auto als Vorbild für die Massenmotorisierung? Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich DLR, energie trialog Schweiz, Villingen, 22. Juni 2007 Folie 1 Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007
Standorte und Mitarbeiter 5.300 Mitarbeiter arbeiten in 28 Forschungsinstituten und Einrichtungen in 8 Standorten, 7 Außenstellen. Außenbüros in Brüssel, Paris und Washington. Programmdirektionen Luftfahrt Weltraum Energie Verkehr Trauen Braunschweig Hamburg Köln-Porz Sankt Augustin Bonn Darmstadt Göttingen Lampoldshausen Stuttgart Neustrelitz Berlin- Charlottenburg Berlin-- Adlershof Oberpfaffenhofen Weilheim Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 2
Die Vision Innovative Fahrzeugkonzepte für Straßen- und Schienenfahrzeuge in einem nachhaltigen Verkehrssystem Alternative Antriebe & Energiewandlung Kraftstoff- & Energiespeicher Leichtbau & Hybridbauweisen Innovative Fahrzeugsysteme & Technikbewertung Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 3
VW 1-Liter Auto Erstfahrt: 15. April 2002 Verbrauch: 0,89 l/100 km (23 g CO 2 /km) (26 g CO 2 /km) Bauart Tandem-Monoposto Mittelmotor Mg-Spaceframe-Bauweise Leergewicht: 290 kg C w *A: 0,159 m 2 Fahrwerk Vorn: Doppelquerlenker aus Leichtmetall Hinten: DeDion- Achse in CFK-Aluminium Rollwiderstandsarme Leichtbaureifen (f R < 0,007) Antrieb Leistung: 6,3 kw 1 Zylinder-3V-PD-SDI 6-Gang Direktschaltgetriebe Schwungrad-Starter-Generator Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 4
Was ist für Mittelklasse-Fahrzeuge in Volumenserie erreichbar? Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 6
Einflussfaktoren auf den Energieverbrauch Fahrwiderstandsgleichung Streckenverbrauch Potenzialübersicht 0 b e : spez. Kraftstoffverbrauch -5 Rollwiderstand -10-15 Luftwiderstand -20 Fahrzeugmasse -25-30 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Achswirkungsgrad (gültig für Kleinwagen/Subcompact) Quelle: VW Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 7
Potenziale von konventionellen Antriebssträngen und Hybriden Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 8
Verbrauchsminderung bei Verbrennungsmotoren Ansatzpunkte Verlustleistungen Ladungswechselverluste Verschiebung des Lastkollektivs Entdrosselung Verbrauchsoptimale Verbrennungsführung Verbesserung Wirkungsgrad (u.a. Hochdruck) Dieselmotor Ottomotor Technologien Optimierung Lagerung, Tribologie Direkteinspritzung, Abgasrückführung Variable Verdichtung Downsizing & Aufladung, Zylinderabschaltung Variable Ventilsteuerung Optimierte Aufladung Homogenisierung Film: Schulé, 2005 Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 9
Elektro-Hybridantriebe Kraftstoffeinsparung versus Kosten Emissionsfreies elektrisches Fahren Ersparnis % 50 Rekuperieren/ Boosten + Start/Stopp 25 Elektrisches Anfahren + Mild- + Fullhybrid Innerorts EU-Fahrzyklus (NEFZ) Außerorts Micro- 0 1000 1500 3000 4500 6000 Zusatzkosten in Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 11
Nutzung von Verlustwärmeströmen Beispiel: Thermoelektrischer Generator (TEG) Fahrwiderstand (10%) Wärmeverluste durch Kühlung und Strahlung/Konvektion (30%) Nebenaggregate (6%) Verluste Trägheitsmomente (7%) Mechanische Verluste (2%) Mechanische Energie ab Motor (25%) Motor TEG Abgaswärme (35%) Ladungsverluste und Reibung im Motor (10%) Oberklasse-Fahrzeug/Otto im Kunden-Fahrzyklus Kraftstoff (100%) Einsparungspotenzial je nach Systemauslegung: etwa 4 g CO 2 /km Datenquelle: Eder, 2004 Bildquelle: DLR Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 13
Leichtbau Konzepte Topologie-Optimierung, Design Beispiel: Vorderwagen Multi Material Design Beispiel: Spant-Spaceframe Bauweise Hochintegration Beispiel: Integration von Federbeinaufnahme und A-Säule in einem Bauteil Reduktion der Masse um 100 kg führt zu Kraftstoffeinsparungen von ca. 0,35 l/100 km Otto- bzw. 0,28 l/100 km Dieselkraftstoff 8,4 bzw. 7,6 g CO 2 /km (Poznanski-Eisenschmidt) Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 15
Potenziale für Leichtbau Body-Konzepte Masse Referenz 280 kg 216 kg -23% 198 kg -29% 165 kg -41 % Gewichtsreduzierung % 75 50 25 Stahl-intensiv Konzept 1 Konzept 2 100 250 500 750 1000 Zusatzkosten Quelle: SLC Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 16
Aerodynamik Entwicklung Luftwiderstandsbeiwert C W 1,0 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 BMW X5 Reduktion cw A um 0,1 m 2 0,3 VW Lupo führt zu Kraftstoffeinsparungen von ca. 0,2 C W =0.15 C W =0.16 C W =0.14 VW 1-Liter Bionic car 0,14 l/100 km Otto- bzw. 0,11 l/100 km Dieselkraftstoff 3,4 g CO 2 /km (Otto) bzw. 3,0 g CO 2 /km (Diesel) (Poznanski-Eisenschmidt) 0,1 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Quellen: W.-H. Hucho, 1998; DLR Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 18
Rollwiderstand f R 0,04 Rollwiderstandszahl 0,03 0,02 0,01 SR HR VR 50 % Reduktion bis 2030 (Quelle: Michelin, Continental) 0 50 100 150 200 Geschwindigkeit in km/h Reduktion von f R um 0,001 führt zu Kraftstoffeinsparungen von ca. 0,08 l/100 km Otto- bzw. 0,06 l/100 km Dieselkraftstoff 1,9 g CO 2 /km (Otto) bzw. 1,6 g CO 2 /km (Diesel) Quellen: DLR, Poznanski-Eisenschmidt (VW) Bildquelle: Michelin Internet Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 19
Potenziale zur CO 2 -Reduktion Ottomotor Hybridfunktionen Leichtbau g CO 2 /km (NEFZ) 175 163 150 Fahrzyklus NEFZ -25 % Thermische Energierückgewinnung Aerodynamik & Rollwiderstand 125 100 75 50-21 % -3% bis -5% -14% Rollwiderstand ca. - 12 % Aerodynamik ca. - 8 % 25 0 Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 20
Technologiemix in der Flotte Szenario Ambitioniertes CO 2 -Ziel CO2 Emissionen Pkw-Neuwagenflotte in g/km (NEFZ) 180 160 140 120 100 80 Kostenoptimaler Mix von Technologien Ø Pkw-Neuzulassungen DE 2004 (Quelle: ifeu/kba) EU-Ziel für Fahrzeughersteller bis 2012 Zusätzliche Minderung durch Biokraftstoffe, Effiziente Klimaanlagen und Reifendruckanzeige Leichtbau, integral, Elektrohybrid Leichtbau, integral, Ottomotor Full Hybrid Mild Hybrid Motoroptimierung, Stufe 2 Luftwiderstand Red. des Rollwiderstands Motoroptimierung, Stufe 3 Effiziente Getriebe Leichtbau, Stufe 1 StopStart, extern Motoroptimierung, Stufe 1 60 g CO 2 /km-auto 60 2012 2020 2030 Quelle: DLR FK für Projekt UBA-H2, DLR, Wuppertal Institut, IFEU, 2005 unveröffentlicht Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 21
Alternative Kraftstoffe und Energiewandlung Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 23
Freikolbenlineargenerator (FKLG) Hohe Teillastwirkungsgrade durch variable Verdichtung und variablen Hubraum p [bar] 90 80 70 Variable Verdichtung OT OT FKLG Konv. Ottomotor 60 50 40 Lastpunkt 40 % 30 20 10 UT Variabler Hubraum UT 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 V [cm³] Lastpunkt 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % Wirkungsgrad für Ottokraftstoff - Strom ohne Aufladeverluste und Peripheriekomponenten 33.7 % 35.0 % 35.2 % 32.8 % 30 % Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 24
Kraftstoffszenario für Deutschland Hohe Fahrzeugeffizienz & flüssige Biokraftstoffe PJ/a 2.500 2.000 Fahrleistung Mrd. Fzg-km PKW SNF 750 75 Senkung des Energieverbrauchs 700 durch 70 Effizienz der Wasserstoff Fahrzeugkonzepte 1.500 1.000 500 650 600 550 Strom 65 Diversifizierung Erdgas durch Alternative Bioethanol Antriebe/Kraftstoffe 60 Benzin Senkung der CO 2 Emissionen durch Diesel fossil, Pkw Biokraftstoffe der 2. Generation Biodiesel (BtL) 55 Biodiesel (RME) 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 500 50 Diesel fossil, Lkw Quelle: DLR Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 25
Fazit Das 1-Liter Auto ist technisch machbar Ein 60 g CO 2 /km-fahrzeug in der Mittelklasse ist mittelfristig realisierbar Forschungs- und Entwicklungsaufwand ist notwendig um entsprechende Kostenziele zu erreichen Alternative Kraftstoffe müssen einen Beitrag zur weitgehend CO 2 - neutralen Mobilität liefern Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 26
Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Prof. H.E. Friedrich > energie trialog Schweiz > 22.06.2007, Folie 27