Stärken und Schwächen des Elektroantriebes im Vergleich zum Verbrennungsmotor- und Hybridantrieb Jahrestagung e-mobile 2010, Sion 25. August 2010 Philipp Dietrich, Competence Center Energy & Mobility Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 1
Agenda Herausforderungen Antriebsarchitektur und Potenziale der Antriebe (Energiewandler) Energiespeicher, Treibstoffe Einsatzbereiche Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 2
Herausforderungen: Entkarbonisierung Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 3
Herausforderungen: Vernetztes System Forderungen: Höhere Effizienz der Transporte Weniger CO2-Ausstoss durch die Energieträger des Verkehrs Erhöhung der Effizienz des Transportsystems Reduktion der Verletzen und getöteten im Verkehr Auswirkungen: Treibhausgasemissionen Sicherheit der Energieversorgung Gesundheit Luftqualität Wettbewerbsfähigkeit Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 4
Herausforderungen: Komplexität der Verkehrs Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 5
Verbrennungsmotor Antriebsarten Tank Getriebe Verbrennungsmotor Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 6
Potenzial Verbrennungsmotor Downsizing + Aufladung Aufladung (Turboaufladung und/oder mech. Aufladung) Reibungsoptimierung Variable Ventilsteuerung Direkteinspritzung Minimaler Ölkreislauf Thermomanagement Doppelkupplungsdirektschaltgetriebe Reduktion von 5-7% gegenüber Handschaltgetriebe Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 7
Potenzial von aufgeladenen Ottomotoren Literleistungen von 80 100 kw machbar Drehmoment 180 Nm/Liter Hubraum 3-Zyl. Motoren möglich Verbrauchspotenzial ca. 25% im NEFZ Quelle:Volkswagen AG Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 8
Hybridantriebe Antriebsarten Kombination von VM und EM Energieflüsse (parallel, serielle, splitt.) Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 9
Betriebskonzepte von Hybridantrieben Autarke Hybride Leistungsanteil aufteilen Grösse des Energiespeichers Reduktionspotenzial 18 22 % durch Betriebspunktverschiebung (einfacherer Motor) - Leistungsfluss vom E-Speicher E-Laden Anteil Stromfahrt? Vergleich Energieformen Strommix? Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 10
Elektroantrieb Antriebsarten Elektroantrieb (Batt und/oder BZ) Brennstoffzelle 2 Tank 3 Brennstoffzelle 4 Elektromotor 5 Inverter 6 Batterie Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 11
Vergleich von Verbrennungs- zu Elektromotor Vorteile des Elektromotor: Drehmoment - Drehmoment ab Stillstand - Grösserer Drehzahlbereich - Überlastbar - Leise - Rekuperation möglich - Wirkungsgrad inkl. Inverter (gemittelter Betrieb) 0.8 0.85 - Kein Schaltgetriebe nötig Diesel Benzin Elektromotor Kurzzeit Dauer Drehzahl/Geschwindigkeit Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 12
Neue Komponenten ermöglichen Fz-Innovationen Hohe Leistungsdichte möglich (7 kw/kg) Antrieb in Räder integrieren Wieviele Motoren? Motorraum kann aufgeteilt werden Quelle: Michelin Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 13
Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystem Wirkungsgrad des BZ-Systems des HY-LIGHT mit H 2 und O 2 Zusammenarbeit: PSI-Michelin Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 14
Leistung / kw Wieviel Leistung brauchen wir wann? 160 120 80 40 10 s 15 s 20 s 160 km/h 140 km/h 120 km/h Aufteilung möglich 40 kw Spitzenleistung für 10 Sekunden 0-100 30 kw Dauerleistung 0 0 500 1000 1500 2000 Fahrzeugmasse / kg Leistungsbedarf im Fahrzeug: für Bordnetz (Strom) Klima (Wärme/Kälte) Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 15
Energieverbrauch ist gewichtsabhängig Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 16
Energieträger müssen hergestellt werden Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 17
Gewicht, Volumen für Treibstoff für 500 km Diesel 300 kwh chem. Energie Erdgas (CNG) 300 kwh chem. Energie Wasserstoff 200 kwh chem. Energie Lithium-Ion-Batterie 100 kwh elektrische Energie Gewicht 33 kg System 25 kg Diesel 55 kg System 23 kg CNG 125 kg System 6 kg H 2 830 kg System 540 kg Zellen Volumen 35 L 108 L 670 L 260 L Tankzeit 2-3 Min. 2-3 Min. 3-5 Min 30 Min. 8 h Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 18
Leistungsbedarf Kundenbedürfnisse bestimmen Lösungen Kohlenwasserstoffe Brennstoffzelle Schwere Lasten, Verbrennungsmotor Lastwagen Range Extender Batterie- EV Reichweite Nahverkehr Mittelstrecken Lange Reichweiten Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 19
Vernetzung von Verkehr und Elektrizität Neue Energieträger ermöglichen effiziente Nutzung CO 2 -arme Primärenergiequellen Batterien oder H 2 stellen Potenzial dar, Stromspitzen bei Bedarf und Angebot abzufangen (Herausforderung Kundenbedürfnisse vs. Produzentenbedürfnisse) Wettbewerb von Treibstoffen vs. Brennstoffen, Kraft Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 20
adopters % Innovations-Verbreitung & Rolle der Nutzerklassen Referenz zur Länge der Betriebsdauer (Lebenszeit ca. 12 Jahre) High propensity to innovate High propensity to adopt an appropriate technology High propensity to follow the perceived social norm 48 Jahre 24 Jahre 36 Jahre 12 Jahre 2.5% Innovatoren 13.5% Frühe Adopters 34% Early Majority 34% Late Majority 16% Laggards Quelle: S. Ulli, PSI Time of adoption Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 21
Zeitbedarf für Veränderung Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 22
Zusammenfassung Verbrennungsmotoren verfügen über substantielles Verbesserungspotenzial, wobei Hybridanwendungen neue Optimierungspotenziale eröffnen (geänderte Anforderungen) Elektromotor (-generator) erfüllt sehr gut die Leistungs- und Drehmomentbedarf im Personenwagen Batterie kann Energiebedarf für beschränkte Reichweiten abdecken (< 150 km) Hybridantriebe bieten Lösungsansatz neue Komponenten schneller marktfähig zu machen. Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 23
Zusammenfassung II Neue Energieträger bieten Potenzial CO 2 -arme Primärenergien in den Verkehr zu bringen und können zu einer stabilen Elektrizitätsversorgung beitragen Es braucht das Zusammenspiel mehrerer Bereiche um neue Lösungen im Transportsektor zu etablieren und es braucht Zeit für eine signifikante Marktdurchdringung Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 24
Angebot in eigener Sache 6 th Call for proposals Offen für alle Themen des CCEM, auch für Mobilitätsfragen Einsendeschluss 15. September 2010 Was es braucht: - Gute Forschungsidee, - Komplementäres Team - Balanciertes Finanzierungskonzept Wenn Sie Unterstützung brauchen kontaktieren Sie mich www.ccem.ch Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 25
Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Competence Center Energy and Mobility - CCEM Philipp Dietrich August 2010 26