Well-to-Wheel Analyse des Energieverbrauchs und der Treibhausgas-Emissionen von fortschrittlichen Kraftstoff/Fahrzeug-Systemen Eine europäische Studie Hart World Fuels Conference Brüssel, 21. Mai 2002 Raj Choudhury: Manager, Fuel Infrastructure & Business Development General Motors Fuel Cell Activities
Was ist eine Well-to-Wheel Analyse? Eine genaue Untersuchung des gesamten Prozesses der Herstellung und Verwendung von Kraftstoffen zur Kraftübertragung auf die Räder eines Fahrzeugs. Sie resultiert aus einer Abschätzung des erforderlichen Energieverbrauchs und der zugehörigen Treibhausgas- Emissionen. Well-to-Tank (Kraftstoff): Berechnung des Energieverbrauchs und der Treibhausgas-Emissionen über den gesamten Kraftstoffpfad, vom Ausgangsbrennstoff bis zur Zapfsäule. Tank-to-Wheel (Fahrzeug): Berechnung des Energieverbrauchs und der Treibhausgas-Emissionen bei Nutzung des Fahrzeugs im Fahrzyklus. Well-to-Wheel bedeutet die Kombination des Kraftstoff- und des Fahrzeugteils.
Zwei Well-to-Wheel Kraftstoffpfade Well-to-Tank Bohrloch Tank Tank-to-Wheel Tank Rad
Hintergrund Studie in Auftrag gegeben von GM Well-to-Tank Studie (Kraftstoff), geleitet durch L-B-Systemtechnik (LBST) mit Input von bp, ExxonMobil, Shell und TotalFinaElf Tank-to-Wheel Studie (Fahrzeug) durchgeführt von GM Berücksichtigt 36 Kraftstoffpfade and 18 konventionelle und fortschrittliche Antriebssysteme; auf 2010 projizierter Zeitrahmen Nordamerikanische WTW Studie vorgestellt auf der Hart World Fuels Conference, New Orleans, im März 2001
Motivation für die europäische Well-to-Wheel Studie Als Nachfolger der nordamerikanischen Studie Treibstoffbezogen Unterschiedliche Rohöl/Raffinerie-Szenarien Unterschiedliche Erdgasversorgungswege Unterschiedlicher Mix des Elektrizitätsnetzes Zusätzliche Pfade auf Basis erneuerbarer Energien Fahrzeugbezogen Unterschiedliches Fahrzeug und anderer Fahrzyklus Unterschiedliche Kundenerwartungen an Leistungsfähigkeit ACEA-Verpflichtung, CO 2 -Emissionen bis 2008 zu reduzieren
Analysierte Well-to-Tank Pfade* Rohstoff Erdölbasiert (3) Erdgasbasiert (16) Elektrizität (6) Biomassebasiert (11) Kraftstoff Benzin, Diesel, Naphtha Komprimiertes Erdgas (CNG), Methanol, Fischer-Tropsch Diesel und Naphtha (GTL), komprimierter Wasserstoff, flüssiger Wasserstoff Elektrizität, komprimierter Wasserstoff, flüssiger Wasserstoff Komprimierter Wasserstoff, Methanol, Ethanol, flüssige Kohlenwasserstoffe, Bio-Ester, ETBE, MTBE Gesamtzahl der untersuchten Pfade: 36 [+ 58 Varianten] *Produktionspotenzial für einige Pfade kann bis 2010 beschränkt sein
Europäische Tank-to-Wheel Analyse Fahrzeugpfade Basisfahrzeug: Opel Zafira Fahrzyklus: Europäischer Fahrzyklus (EDC) Alle Fahrzeugkonzepte so modelliert, dass sie den Leistungsanforderungen der europäischen Kunden entsprechen Technologien zielen auf den Zeitraum 2010 Fortschrittliche Verbrennungsmotor- und Getriebe-Technologien Fortschrittliche Fahrzeug-Technologien Hybridsystem-Technologien Kraftstoffreformer und Brennstoffzellen-Systeme in hybrider und nicht-hybrider Bauweise
Analysierte Fahrzeug-Antriebssysteme Verbrennungsmotor Verbrennungsmotor-Hybrid Brennstoffzelle Brennstoffzellen-Hybrid Benzin X X X X (+Fortschrittlicher Antriebsstrang) Diesel F-T Diesel X X X X CNG X (optimierter Mono-Fuel) X Methanol Ethanol (E100) Wasserstoff X X X X X X X X
Konsequente Real World Leistungsanforderungen an das Fahrzeug Europäische Minivan-Klasse Reichweite (20 km ZEV Reichweite für Hybride) (km) Beschleunigungszeit, 0-100 km/h (sec) 650 12 4 Beschleunigungszeit, 0-50 km/h (sec) Maximale Geschwindigkeit (kontinuierlich) (km/h) 180 15 Beschleunigung im höchsten Gang, (Elastizität 80-120 km/h) (sec) Steigfähigkeit bei 90 km/h für 20 Minuten (%) 6 30 Maximale Steigfähigkeit (%) 4.5 Maximale Beschleunigung (m/s 2 )
Tank-to-Wheel Energieverbrauch Nicht-Hybrid-Antriebe 2002 Basislinie (8.15 l/100 km) 2.5 Verbrennungsmotor Energieverbrauch / MJ/km 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Benzin Benzin-Direkteinspritzer Diesel-Direkteinspritzer Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Erdgas Flüssigwasserstoff BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug
Tank-to-Wheel Energieverbrauch Nicht-Hybrid-Antriebe 2002 Basislinie (8.15 l/100 km) 2.5 Verbrennungsmotor Brennstoffzelle Energieverbrauch / MJ/km 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Benzin Benzin-Direkteinspritzer Diesel-Direkteinspritzer Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Erdgas Flüssigwasserstoff Benzinreformer BZF Ethanolreformer BZF Methanolreformer BZF BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug Flüssigwasserstoff BZF
Antriebsarchitektur Parallelhybrid Batterie Inv E-Motor E-Motor kann Verbrennungsmotor unterstützen Überschüssige Motorenergie kann zur Batterieaufladung genutzt werden Verbrennungsmotor Regeneration Gang Fahrzeug kann mit Batterie gestartet werden Schaltgetriebe Verbrennungsmotor kann im optimalen Betriebspunkt betrieben werden Verbrennungsmotor kann im Stillstand, bei Verzögerung und Start entkoppelt werden
Tank-to-Wheel Energieverbrauch Hybrid-Antriebe 2002 Basislinie (8.15 l/100 km) 2.5 Verbrennungsmotor Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Energieverbrauch / MJ/km 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Benzin Benzin-Direkteinspritzer Diesel-Direkteinspritzer Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Erdgas Flüssigwasserstoff BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug
Tank-to-Wheel Energieverbrauch Hybrid-Antriebe 2002 Basislinie (8.15 l/100 km) 2.5 Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Verbrennungsmotor Brennstoffzelle Energieverbrauch / MJ/km 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Benzin Benzin-Direkteinspritzer Diesel-Direkteinspritzer Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Erdgas Flüssigwasserstoff Benzinreformer BZF Ethanolreformer BZF Methanolreformer BZF BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug Flüssigwasserstoff BZF
Well-to-Wheel Energieverbrauch Well-to-Tank Tank-to-Wheel Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Energieverbrauch / MJ/km 6 5 4 3 2 1 0 Benzin Erdöl Diesel-Direkteinspritzer Benzinreformer BZF : Verbrennungsmotor-Fahrzeug BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug
Well-to-Wheel Energieverbrauch Well-to-Tank Tank-to-Wheel Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Energieverbrauch / MJ/km 6 5 4 3 2 1 0 Benzin Erdöl Diesel-Direkteinspritzer Benzinreformer BZF Erdgas (EU Mix) Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer (entleg. Erdgasquellen) : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Erdgas Flüssigwasserstoff (EU Mix) Methanolreformer BZF (entlegene Erdgasquellen) Flüssigwasserstoff BZF (EU Mix) (EU Mix) BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug
Well-to-Wheel Energieverbrauch Well-to-Tank Tank-to-Wheel Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Energieverbrauch / MJ/km 6 5 4 3 2 1 0 Benzin Erdöl Erdgas Erneuerbar/Elektrizität Diesel-Direkteinspritzer Benzinreformer BZF Erdgas (EU Mix) Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer (entleg. Erdgasquellen) : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Flüssigwasserstoff (EU Mix) Methanolreformer BZF (entlegene Erdgasquellen) Flüssigwasserstoff BZF (EU Mix) (EU Mix) Ethanolreformer BZF (Zuckerrüben) (Holzanbau) BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug (EU Mix, Elektrolyse) Flüssigwasserstoff BZF (Windkraft, Elektrolyse)
Well-to-Wheel Treibhausgas-Emissionen Well-to-Tank Tank-to-Wheel Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Treibhausgas-Emissionen / gco 2 -Äquivalent/km 300 250 200 150 100 50 0 Erdöl -50 Benzin Diesel-Direkteinspritzer Benzinreformer BZF : Verbrennungsmotor-Fahrzeug BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug
Well-to-Wheel Treibhausgas-Emissionen Well-to-Tank Tank-to-Wheel Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Treibhausgas-Emissionen / gco 2 -Äquivalent/km 300 250 200 150 100 50 0 Erdöl Erdgas -50 Benzin Diesel-Direkteinspritzer Benzinreformer BZF Erdgas (EU Mix) Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer (entleg. Erdgasquellen) : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Flüssigwasserstoff (EU Mix) Methanolreformer BZF (entlegene Erdgasquellen) Flüssigwasserstoff BZF (EU Mix) (EU Mix) BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug
Well-to-Wheel Treibhausgas-Emissionen Well-to-Tank Tank-to-Wheel Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Treibhausgas-Emissionen / gco 2 -Äquivalent/km 300 250 200 150 100 50 0 Erdöl Erdgas -50 Benzin Diesel-Direkteinspritzer Benzinreformer BZF Erdgas (EU Mix) Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer (entleg. Erdgasquellen) : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Flüssigwasserstoff (EU Mix) Methanolreformer BZF (entlegene Erdgasquellen) Flüssigwasserstoff BZF (EU Mix) (EU Mix) (russisches Gas) BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug
Well-to-Wheel Treibhausgas-Emissionen Well-to-Tank Tank-to-Wheel Hybrid-Antriebe Nicht-Hybrid-Antriebe Treibhausgas-Emissionen / gco 2 -Äquivalent/km 300 250 200 150 100 50 0 Erdöl Erdgas Erneuerbar/Elektrizität -50 Benzin Diesel-Direkteinspritzer Benzinreformer BZF Erdgas (EU Mix) Fischer-Tropsch Diesel- Direkteinspritzer (entleg. Erdgasquellen) : Verbrennungsmotor-Fahrzeug Flüssigwasserstoff (EU Mix) Methanolreformer BZF (entlegene Erdgasquellen) Flüssigwasserstoff BZF (EU Mix) (EU Mix) (russisches Gas) Ethanolreformer BZF (Zuckerrüben) BZF: Brennstoffzellen-Fahrzeug (Holzanbau) (EU Mix, Elektrolyse) Flüssigwasserstoff BZF (Windkraft, Elektrolyse)
Well-to-Wheel Zusammenfassung (1/2) Ergebnisse der aktuellen Studie sind überwiegend übereinstimmend mit denen der GM-Argonne North American WTW Studie hinsichtlich der relativen Rangfolge der Kraftstoff-Antriebs-Kombinationen. Absolute WTW Werte sind niedriger, vorwiegend wegen der geringeren Masse des Referenzfahrzeugs in der europäischen Studie. Hybridisierung verringert den Kraftstoffverbrauch in allen Antriebssystemen. Der Nutzen ist für Verbrennungsmotoren höher als für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb aufgrund der höheren Teillast-Effizienz von Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Fahrzeuge, die mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden, bei denen der Wasserstoff aus reformiertem Erdgas stammt, weisen reduzierte Treibhausgas-Emissionen verglichen mit Benzin- und Diesel- Verbrennungsmotor-Fahrzeugen auf. Die Quelle von Erdgasvorkommen hat große Auswirkungen auf Treibhausgas-Emissionen für erdgasbasierte Pfade. Brennstoffzellen-Fahrzeuge haben das Potenzial, WTW Treibhausgas- Emissionen stark zu reduzieren oder zu vollkommen zu eliminieren, falls der Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.
Well-to-Wheel Zusammenfassung (2/2) Mit Methanol betriebene Brennstoffzellen-Fahrzeuge bieten keinen Vorteil gegenüber Benzin- oder Diesel-Verbrennungsmotor-Fahrzeugen oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen mit Benzinreformer. Elektrolyse-basierter Wasserstoff verursacht hohe Treibhausgas-Emissionen, sofern die Elektrizität aus dem herkömmlichen Kraftwerksmix gewonnen wird, und praktisch keine Emissionen, wenn die Elektrizität aus erneuerbaren Quellen stammt. Optimierte CNG-Fahrzeuge führen zu geringeren Treibhausgas-Emissionen verglichen mit Benzin-Verbrennungsmotor-Fahrzeugen. Sie bieten jedoch keinen Nutzen hinsichtlich des Well-to-Wheel Energieverbrauchs. Biokraftstoffe bieten reduzierte Treibhausgas-Emissionen. Das Ausmaß der Verbesserung hängt jedoch von den N 2 O-Emissionen beim Anbau der Biomasse ab. Fischer-Tropsch Diesel-Verbrennungsmotor-Fahrzeuge erzeugen einen höheren Energieverbrauch und höhere Treibhausgas-Emissionen als erdölbasierte Diesel- Verbrennungsmotor-Fahrzeuge. Mit flüssigem Wasserstoff aus Erdgas betriebene Verbrennungsmotor-Fahrzeuge erzeugen keine CO 2 -Emissionen im Fahrzeug, jedoch höhere WTW Treibhausgas- Emissionen als herkömmliche Benzin- oder Diesel-Verbrennungsmotor-Fahrzeuge.
Nächste Schritte Abschluss und Veröffentlichung der europäischen Well-to-Wheel Studie in diesem Sommer Studie wird unter http://www.lbst.de/gm-wtw verfügbar sein Teilnahme an der Joint European Well-to-Wheel Study (unter Schirmherrschaft von EUCAR und CONCAWE). Zusammenarbeit mit ähnlichen Ansätzen Prof. Ishitani, Tokyo University Prof. Heywood, MIT
Danksagungen Arbeitsgruppe der europäischen Well-to-Wheel Studie: Andrew Armstrong, bp Norman Brinkman, GM Jean Cadu, Shell Raj Choudhury, GM David Masten, GM Olivier Dautrebande, TotalFinaElf Martin Fasse, GM Volker Formanski, GM Dieter Hasenauer, GM Daniel Le Breton, TotalFinaElf Moshe Miller, Advanced Development Corp. Stephan Noodt, Fiat-GM Powertrain Joachim Quarg, Fiat-GM Powertrain David Rickeard, Exxon Mobil Jörg Schindler, LBST Christoph Schmidt, GM Trudy Weber, GM Hans Weidner, GM Werner Weindorf, LBST Reinhold Wurster, LBST