Anforderungen an ÖV Systeme der Zukunft Welche straßen-bezogenen Antriebstechnologien sind richtungsweisend? Lino Guzzella 45 Minuten
Bevölkerungswachstum in Mio. Bewohner 45 40 35 30 25 20 15 10 5 São Paulo Beijing Shanghai Hong Kong Paris Delhi Mumbai (Bombay) Tokyo Ciudad de México (Mexico City) London Los Angeles- Long Beach- Santa Ana New York- Newark 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Tendenz: Urbanisierung, deshalb zunehmende Bedeutung ÖV Quelle: UN, Department of Economic and Social Affairs 2
Entwicklung ÖV Strasse CH Beförderte Personen in Tausend 700,000 600,000 500,000 400,000 300,000 200,000 Tram Trolleybusse Autobusse 100,000-1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 Quelle: Bundesamt für Statistik (Schweiz) 3
NO x -Emissionen Stadt Zürich 2005 Linienbusse, schwere Nutzfahrzeuge 30% 29% Schiffsverkehr Feuerungsanlagen Kehrrichtheizkra[werk 1% Baugewerbe 4% 11% 6% 19% Industrie und Gewerbe (ohne Baugewerbe) Personenwagen, Lieferwagen, Zweiräder Quelle: Umwelt- und Gesundheitsschutz Zürich (UGZ) 4
Stadt Zürich NO 2 Belastung 1991 2001 2011 Grenzwert Jahresmittel Quelle: Umwelt- und Gesundheitsschutz Zürich (UGZ) 5
Stadt Zürich Feinstaub Belastung (pm10) 1991 2001 2011 Grenzwert Jahresmittel Quelle: Umwelt- und Gesundheitsschutz Zürich (UGZ) 6
Dieselmotoren Partikel EURO III EURO IV EURO V EURO VI NO x 7
Prognose und Realität Energieverbrauch PJ/Jahr 532 000 PJ/Jahr Jahr Quelle: OECD/IEA (2005 und 2012) 8
primary Primärenergy energiesources quellen Raffinerien, refineries, well-to-tank on-board storage Treibstoffe + - H 2 propulsion Antriebssystem system vehicle Mechanische Energie tank-to-wheel driving Fahrverluste losses driving profile Fahrprofil 100 50 0 100 200 800 900 1000 1100 1200 9
Norm-Fahrprofil (SORT-Zyklus) Quelle: UITP 10
Kräfte am Fahrzeug Luftwiderstand Rollreibung Beschleunigungskraft Hangabtriebskraft 11
Wirkungsgradkennfeld Dieselmotor 1 kj T Drehmoment ( Gaspedal ) (1-x) kj 0.43 0.42 0.41 0.40 0.38 0.35 x kj n, T 0 0.30 0.15 Drehzahl ( Gang ) n 12
Downsizing and Supercharging T 0.43 downsizing V6 R3 0.43 0.42 0.42 0.41 0.40 0.38 0.41 0.40 0.35 0.35 0.30 0.30 0.15 0.15 supercharging - Turbolader - Kompressoren - Elektromotoren - n 13
Hybridantrieb Seriell E-Generator AK E-Motor zum Differential Zwischenkreis / Umrichter Batterie / SuperCaps 14
Prognose für die nächsten 10 Jahre Dieselmotoren werden ähnlich sauber wie Ottomotoren Hybridfahrzeuge werden zwar zunehmen, aber nur in finanzkräftigen Ländern Erdgasmotorenanteil kann spürbar ansteigen, besonders wenn Rahmenbedingungen stimmen (Tankstellen, Preise, ) Reine Elektrofahrzeuge werden im Busbereich Nischen besetzen Agro-Treibstoffe werden in kleinen Mengen beigefügt werden 15
Erdgas eine realistische Alternative Sehr saubere Abgase Relativ geringe CO 2 -Emissionen Potenzial für bessere Motoren Diesel" Erdgas"
Unkonventionelles Erdgas 17
Antriebsarten von Nahverkehrsbussen in der EU Quelle: UITP (2012) 18
Spotmarktpreise Erdgas (USA) $ pro Million BTU (1 mmbtu = 290 kwh) 1 mmbtu entspricht 29 l Erdöl 1 bbl Erdgas kostet also 11 $ 19
Zurzeit im Fokus: Elektrifizierung η? Bilder: Shutterstock, Image, Keystone
Wirkungsgradkennfeld Elektromotor 1 kj T (1-x) kj n x kj n, T 21
Energiedichten Bordenergieträger Diesel Benzin 2 CNG H 2 1 Li-ion "Zebra" Ni/MH Pb Kohlenwasserstoffe Batterien Netto Vortriebsenergie/Energieträgermasse Einheit kwh/kg 22
Batteriebetrieb 18 m Gelenkbus Ein paar Zahlen: Reine mechanische Traktionsenergie: 2.05 kwh/km Potential Rekuperation: 0.9 kwh/km à Verbrauch el. Energie: ~1.1 kwh/km Moderates Höhenprofil ca. 200 km/tag ~220 kwh/tag Batterie mit ca. 100 Wh/kg ergibt 2 200 kg Batteriemasse Bild: Hitachi 23
Aufladung Wartezeit an Haltestelle: ~ 20 s Leistung für 1 kwh (entspricht ca. 1 km) in 15 s: 240 kw Vgl. Tankstelle: 130 l/min (Lkw) Diesel: 42.5 MJ/kg (mit 0.83 kg/l) à 35.28 MJ/l. «Leistung» Tankstelle: 76.4 MW Bzgl. nutzbarer Energie η Diesel 20%. «Leistung» Tankstelle: 15.2 MW Max. ~ 2.2-5 MW Speicher und Umrichter an Ladestation nötig Batterie muss Leistung aufnehmen können à Gewicht? 24
Diversifizierung der Antriebssysteme Überland- und Berggebiete Innerstädtisch Stadt und nahe Agglomeration 25
Effizienzsteigerung Massgeschneiderte Fahrzeuge (d.h. streckenspezifische Auslegung) Intelligente Steuerungsalgorithmen im Fahrzeug (insbesondere der Nebenverbraucher) Intelligente Leitsysteme
Optimale Systemführung 27
Attraktivitätssteigerung Richtiger Bus zur richtigen Zeit am richtigen Ort
Zusammenfassung Sparsamere Fahrzeuge sind die besten Ölquellen. Alternativen zum klassischen Verbrennungsmotor haben in absehbarer Zukunft grosse technische und ökonomische Nachteile. Politik und Ökonomie sind aufgerufen, rationale Entscheidungen zu fördern 29
Merci für Ihre Aufmerksamkeit! Folienkopien: lguzzella@ethz.ch Laborwebsite: http://www.idsc.ethz.ch 30