Antriebskonzepte für die Mobilität von morgen Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich DLR, f-cell, 25. September 2007, Stuttgart Folie 1 Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007
Megatrends der Zukunft Umsteuern bei Energie und Ressourcen Antworten auf Klimawandel Berücksichtigen von Mobilisierung und Urbanisierung Antriebskonzepte von morgen: Verringerung des absoluten Energiebedarfs Vermeidung schädlicher Emissionen Erreichen einer geopolitischen Unabhängigkeit durch Einsatz alternativer Kraftstoffe Verzichtsfrei und finanzierbar 1* 1* nach: Die 20 wichtigsten Megatrends, Z_punkt GmbH, 2007 Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 2
Antriebskonzepte der Zukunft - Verbrennungsmotoren Ansatzpunkte: Technologiestränge Ladungswechselverluste / Entdrosselung Verschiebung des Lastkollektivs Verbrauchsoptimale Verbrennungsführung Verbesserung Wirkungsgrad Verlustleistungen Zylinderabschaltung verbrennungsmot. Antrieb variable Ventilsteuerung variable Verdichtung Homogenbetrieb/CCS Downsizing opt. Aufladung Direkteinspritzung/Otto 2000 2025 Film: Schulé, 2005 Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 3
Nutzung von Verlustwärmeströmen Berechnete Leistungsprognose eines TEG aus PbTe 700 400 Heissgastemperatur [ C] 650 600 550 500 450 400 350 150 50 100 200 150 250 200 350 300 250 450 500 150 350 300 200 550 400 450 500 250 650 600 550 550 500 450 400 40 350 350 300 300 250 700 200 200 6 100 20 60 100 140 180 220 260 300 340 Massenstrom [kg/h] Elektrische Leistung des TEG in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms und der Eintrittstemperatur bei einer Kühlwassereintrittstemperatur T KW von 90 C. Bildquelle: DLR Fahrzeugkonzepte u. Werkstofftechnik Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 4
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 > f-cell > 25.09.2007, Folie 5
Batterien Energiedichte versus Leistungsdichte - Trends Energiedichte in Wh/kg 100 10 1 0,1 Pb 10000s Li-Ion NiMH 0,01 10 100 1000 10000 Leistungsdichte in W/kg 1000s Ultra Caps Elektrolytkondensatoren 100s 10s 1s 0,1s Forschung an neuen Kathodenmaterialen (Co, Mn, Ni, Fe) Steigerung der Energiedichte Reduktion der Herstellkosten Erhöhung der Sicherheit (Überladung) Steigerung der maximalen Spannung Steigerung der Energiedichte Gewichtsreduktion Erhöhung der Lebensdauer bzgl. Temperatur- und Spannungsbelastung UltraCap-Controller zur Symmetrisierung der Zellenspannungen Quelle: Dr. M. Waidhas Siemens AG, Workshop UltraCaps, 21.01.04, F.a.M.; Dr. Fiorentino Valerio Conte, Mobilität und Energie, 31.6.2006, M; DLR Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 6
Freikolbenlineargenerator (FKLG) Hohe Teillastwirkungsgrade durch variable Verdichtung und variablen Hubraum 90 80 70 60 Variable Verdichtung OT OT FKLG Konv. Ottomotor p [bar] 50 40 30 20 10 0 Lastpunkt 25 % UT UT Variabler Hubraum 0 50 100 150 200 250 300 350 400 V [cm³] Erste Abschätzung der Wirkungsgradpotentiale für - Variabler Hubraum - Variable Verdichtung im Vergleich zu einem konv. Ottomotor mit Kurbelwelle Lastpunkt 25 % 50 % 75 % 100 % FKLG: η th = 42.5 % η th = 45.5 % η th = 42.2 % η th = 38.4 % Konv. Ottomotor: η th = 37.6 % η th = 38.6 % η th = 39.3 % η th = 38.2 % DLR Fahrzeugkonzepte Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 7
Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen Well-to-wheel CO 2 -Jahresemissionen verschiedener Antriebskonzepte Fahrleistungen für Deutschland 2003 (TREMOD-Modell, IFEU 2004) Innerorts Otto Segment CD: 3877 km / Jahr Außerorts Otto Segment CD: 8409 km / Jahr Nutzungszeit des Fahrzeugs zur Umlage der Herstellemissionen: 10 Jahre Quellen: eigene Abschätzungen; R. Edwards JRC/EUCAR-Studie, 2003; M. Pehnt DLR Institut TT, 2002; G.W. Schweimer, Sachbilanz des Golf A4 Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 8
Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen Hylite Brennstoffzellenhybrid (DLR) Kompetenzaufbau bei der Entwicklung von Komponenten für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb 10 Partner aus der Industrie Nuvera Brennstoffzellenstapel 2 x 120 Zellen (23kW) Thien GT20-T Asynchronmotor (34 kw) Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 9
Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen Mercedes-Benz F-600 Hygenius Brennstoffzellenhybrid Permanent erregter Synchronmotor (85 kw, 350 Nm) Wassergekühlte Lithium-Ionen-Batterie Brennstoffzellenstack (60 kw) Wasserstoffdrucktank (700 bar) Neuer elektrischer Turbolader (3 x kleiner und 7 x kleiner als bisher verwendete Schraubkompressoren) Neues Befeuchtungssystem aus Hohlfasern 400 km Reichweite 170 km/h Höchstgeschwindigkeit Quellen: Brennstoffzellenantriebe Technischer Status und Ausblick, ATZ 09/2007; www.all4engineers.com, www.daimlerchrysler.com Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 10
Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen GM Volt (E-Flex) Serieller Plug-in-Hybrid 3-Zylinder Turbo (Benzin, E85) Elektrischer Generator (53 kw) Li-Ionen-Batterie (16 kwh, 320 V, 181 kg) Elektrischer Motor vorne (120 kw) Reichweite mit Batterie 65 km Reichweite gesamt 1000 km Brennstoffzellensystem (80 kw) 4 kg Wasserstofftank Li-Ionen-Batterie (8 kwh, 320 V) Elektrischer Motor vorne (70 kw) 2 Radnabenmotoren hinten (25 kw) Reichweite mit Batterie 34 km Reichweite gesamt 514 km Quellen: Eberle: FVS-Workshop Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, Ulm, 2007 ; www.gm-volt.com; www.heise.de/autos; www.greencarcongress.de Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 11
Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen Modulares Antriebskonzept (DLR) Ziele Anpassungsflexibilität für unterschiedliche Antriebstechnologien Hybrid (Verbrennungs-/E-Motor) FKLG Brennstoffzelle Integration der Speicher und der Medienführung in die Last tragenden Strukturelemente Synfuel CNG H 2 Skalierbarkeit (Leistung) Quelle: DLR Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 12
Wasserstoffspeicher Druckgasspeicher Flüssiggasspeicher Metallhydridspeicher Betriebsdruck 700 bar 1 bar 6-30 bar 1 Betriebstemperatur 25 C -252,3 C 70 C - 170 C 1 Kraftstoffmasse 10 kg 10 kg 10 kg 2 Systemmasse 180 kg 190 kg 240 kg 2 Systemvolumen 325 l 270 l 200 l 2 Systemkosten bei 2000 - - Massenfertigung (6 kg H 2 ) 1 Abhängig vom Material 2 Für NaAlH 4 Quellen: DLR; Wörner, Brinner, Hinot (DLR) u. Eberle (GM): FVS-Workshop Wasserstoff aus erneuerbaren Energien, Ulm, 2007 Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 13
Kraftstoffszenario für Deutschland Hohe Fahrzeugeffizienz & flüssige Biokraftstoffe PJ/a 2.500 Fahrleistung Mrd. Fzg-km PKW SNF 750 75 2.000 700 70 Wasserstoff 1.500 650 65 Strom Erdgas Bioethanol 1.000 600 60 Benzin Diesel fossil, Pkw 500 550 55 Biodiesel (BtL) Biodiesel (RME) 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 500 50 Diesel fossil, Lkw Quelle: DLR Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 14
Kraftstoffszenario für Deutschland Hohe Fahrzeugeffizienz & flüssige Biokraftstoffe 2.500 PJ/a 2.000 Senkung des Energieverbrauchs durch Effizienz der Fahrzeugkonzepte 1.500 1.000 500 Diversifizierung durch Alternative Antriebe/Kraftstoffe Senkung der CO 2 Emissionen durch Biokraftstoffe der 2. Generation 0 2000 2010 2020 2030 2040 2050 Quelle: DLR Prof. H.E. Friedrich > f-cell > 25.09.2007, Folie 15
Technologiemix in der Flotte Szenario Ambitioniertes CO 2 -Ziel Kostenoptimaler Mix von Technologien CO2 Emissionen Pkw-Neuwagenflotte in g/km (NEFZ) 180 160 140 120 100 80 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 > f-cell > 25.09.2007, Folie 16