Stand der Technik und Entwicklungen im Bereich Gasmotoren. Christian Bach Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme

Stand der Technik und Entwicklungen im Bereich Gasmotoren Christian Bach Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme

Inhalt Die CO 2 -Gesetzgebung für Personenwagen Gasmotoren Treibstoffe für Gasmotoren Future Mobility Demonstrator an der Empa Zusammenfassung

Die Norm-CO 2 -Emissionen Schweiz und EU im Vergleich Einfluss «AFV» steigt CH-Flotte («all fuels») ist 18 g/km höher, als die EU27-Flotte Benzin-/Dieselflotte (EU27) mit vergleichbaren CO 2 -Norm-Emissionen CO 2 -Emissionen der Flotte mit «alternative Fuels» sind am niedrigsten AFV: Alternative Fueled Vehicle Quelle: EEA (2014); Auto-Schweiz (2014)

Normverbrauch Norm-CO 2 -Emissionen Bis 2020 bleibt noch einiges zu tun! Personenwagen Die mittleren CO 2 -Norm-Emissionen 2013 (EU27) der 9 grössten PW-Hersteller mit einem Marktanteil von insgesamt 86% Quelle: ICCT (2014) Lieferwagen Die mittleren CO 2 -Norm-Emissionen 2013 (EU27) der 9 grössten LiW-Hersteller mit einem Marktanteil von insgesamt 95% Quelle: ICCT (2014)

Erdgas/Biogasfahrzeuge Stand der Technik bis 2000 2000-2010 seit 2010 >2020 Umrüstmarkt 1 st Generation OEM-Erdgasfahrzeuge 2 nd Generation OEM-Erdgasfahrzeuge 3 rd Generation OEM-Erdgasfahrzeuge Vorteile: Alle Benzinfahrzeuge konnten umgerüstet werden. Nachteile: Tiefer technischer Stand Verbrauch: wie Benzinfahrzeuge Reichweite: 150 250 km (Gas) Vorteile: Grosser technischer Sprung. Nachteile: Wenig Modelle und ältere Motoren Verbrauch: wie ältere Benzin-Fzge Reichweite: 250 450 km (Gas) +250 600 km (Benzin) Vorteile: Technisch auf Stand Benzin- Fz (z.b. Turbomotoren) Nachteile: Kaum mehr Nachteile für Endanwender Verbrauch: wie moderne Benzin-Fzge Reichweite: 450 km (Gas) +250 600 km (Benzin) Vorteile: Potentiale ausgenutzt Nachteile:? Verbrauch: wie moderne Diesel-Fzge Reichweite: >600 km (Gas)

Clean Engine Vehicle-Projekt (2000-2005) Entwicklung eines Erdgas/Biogas-Turbomotor-Konzeptes Projektziele -30% CO 2 Euro-4 und SULEV Abgasnachbehandlung Katalysatorkonzept Lambdastrategie www.empa.ch/cev Motor Erhöhung Verdichtung Turboaufladung mit Ladedruckregelung Angepasste Motorsteuerung

Projekt CLEVER (2007 2013) Entwicklung eines Erdgas-Elektrohybridantriebs Untersuchung der Potentiale neuer Brennverfahren für Gasmotoren Optimierung des thermodynamischen Kreisprozesses für Erdgas (z.b. Miller-Zyklus) Realisierung Erdgas/ Biogas-Hybridantrieb (Auslegung auf Rekuperation, Anfahrdrehmoment, Turbolochkompensation ) BFE BAFU pressure regulator CNG tanks intercooler Air filter throttle turbocharger Touran 1.4 TSI Benzin: ECU catalyst 173 g CO 2 /km wastegate Hybrid Controller power elctronics electrical motor/ generator gerbox + - Driver s signals (accelerator position, brake pedal pressure, gear, etc.) Battery wheel -40 CO 2 (bereits ohne Biogas) Touran 1.4 TSI CNG/Hybrid: 105 g CO 2 /km

Erdgas/Biogas als Treibstoff Weshalb eigentlich? Therm. Wirkungsgrad: nth 1 wobei: 1 1 Verdichtungsverhältnis Isotropenexponent c c p v Spezifikation Benzin Methan Oktanzahl 95 98 130 Verdichtungsverhältnis 10-11 13-13.5 Heizwert 43 MJ/kg 50 MJ/kg Flammentemperatur 2 500 K 2 150 K H:C Verhältnis 2 : 1 4 : 1 Spez. CO 2 Emissionen 74 g/mj 55 g/mj Energiedichte 30 MJ/dm 3 7 MJ/dm 3 Reduzierte CO 2 Emissionen Erzwingt vernünftige Gasautos

Problemfall «Zündung» Methan: hohe Klopffestigkeit geringe Zündwilligkeit Zündprobleme führen zu hohen Zyklusvariationen: Erhöht thermodynamische Verluste Limitiert effiziente Motorauslegung, insbesondere für kleine, turboaufgeladene Motoren Verschlechtert den Motorrundlauf Gründe: Fluktuationen im Strömungsfeld im Zylinder sowie im Air/Fuel-Ratio Schlechte Zündung/Entflammung Zündung 100 Druckverläufe eines 1-Zylinder, 250 cm 3 Gasmotors, λ=1.37 (Source: H. Biffiger, Empa)

Prozesse nach der «Zündung» Zündfunken-Spektroskopie An die Zündkerze angelegte Hochspannung führt zu einem elektrischen Durchbruch, bei dem das Brennstoff/Luft-Gemisch zwischen den Elektroden kurzzeitig in ein Plasma umgesetzt wird. Die Licht-Emission des Zündfunken besteht dann aus den Spektrallinien der angeregten Atome und Ionen (mit Beiträgen der Plasmastrahlung). Zündspule + - 12 V DiCam Pro Linsen Kamera mit Bildverstärker Konstant-Volumen- Zelle Spektrograph

Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen Einfacher Umstieg auf saubere, erneuerbare Energie Erdgas Erdgas ist der sauberste fossile Energieträger. Bei Förderung und Transport entsteht eine Zusatzemission an Treibhausgasen von ca. 5 g/km. Quelle: JRC Technical Reports; Well-to-Tank Report Version 4.0 (2013) Biogas Biogenes Methan (Biogas) zählt zu den saubersten erneuerbaren Energieträgern. Ein biogasbetriebenes Gasfahrzeug emittiert 80% weniger Treibhausgase als ein mit fossilem Erdgas betriebenes Fahrzeug. Quelle: Empa, ART, PSI, Doka Ökobilanzen (2012)

Lebenszyklus-CO 2 -Emissionen Der Umstieg von Fossil auf Erneuerbar macht s aus Quelle: TU München: Elektro EU-Mix/ erneuerbarer Strom & Diesel; Empa Erdgas/Biogas & Benzin Erneuerbare Energie Hauptsächlich fossile Energie Der Primärenergieverbrauch der verschiedenen Antriebskonzepte (konventionell, hybridisch, elektrisch) ist im realen Betrieb 20% fast identisch. Die CO 2 -Belastung hängt primär von der verwendeten Fahrenergie und der Energie für die Herstellung des Fahrzeugs ab. Die CO 2 -Belastung in der Realität kann nur mit Umstieg auf erneuerbare Fahrenergie gesenkt werden.

Verbrauch / CO 2 -Emissionen Gasbusse Vergleich alte und neue Motoren 2010 2014 Begründung für Mehrverbrauch älterer Gasbusse ggü Dieselbussen: Basis waren i.d.r. Euro2-Dieselmotoren (Mehrverbrauch: 15%) Sehr einfache Otto-Brennverfahren (Mehrverbrauch: 20%) Mehrgewicht von rund 1 t (Mehrverbrauch von 5%) Neue EuroVI-Gasbus-Motoren: Basieren auf modernen EuroVI-Dieselmotoren Weisen angepasste Otto-Brennverfahren auf (Mehrverbrauch: 15-20) Mehrgewicht von rund 1 t (Mehrverbrauch von 5%)

Synthetisches Methan aus PtG-Anlagen Ein neues CO 2 -Reduktionsszenario für den Verkehr Szenario 1: Hohe CNG-Anteile ohne EE-Methan führen zu einer CO 2 -Minderung von ca. 20% Szenario 2: Hohe CNG-Anteile, die mit EE-Methan betrieben werden, führen zu einer CO 2 -Reduktion von ca. 75% Szenario 3: Hohe Anteile an Elektround BZ-Antrieben führt zu einer CO 2 -Reduktion von ca. 80%. Fahrzeugherstellung nicht berücksichtigt. Quelle: DLR, ifeu, LBS, DBFZ (2014)

Erdgas/Biogas-Wasserstoff als Treibstoff Laborversuche Praxiserprobung Effizienzsteigerung sogar bei konventionellen Gasfahrzeugen Überproportionale CO 2 -Reduktion (9 E% H 2 => 9-12% CO 2 -Red.) NOx- und HC-Emissionen werden massiv reduziert (kürz. Brenndauer) Potential für neue Brennverfahren

Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Ungenutzte, nachhaltige Biomasse Die Schweiz verfügt über 2-11 TWh ungenutzte, nachhaltige Biomasse, die grösstenteils in Biogas umgewandelt werden könnte. (B. Steubing et al., 2010)

Strombasierte Treibstoffe Nutzbarmachung von temporär überschüssigem Strom Photovoltaik Starker Überhang im Sommerhalbjahr Windenergie Stochastische Produktion Simulation der Elektrizitätsversorgung 2050 (Prognos) 35 TWh (d.h. 50%); wobei ca. 15 TWh stark fluktuierend 9 TWh Überschuss-El. (Sommer), wenn WKK/GuD nicht regelbar 4.5 TWh Überschüss-El. (Sommer), wenn WKK/GuD regelbar

Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Ungenutzte, nachhaltige Biomasse Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität Mit der neuen Energiestrategie werden bis 2050 pro Jahr 4.5 9 TWh temporär überschüssige, erneuerbare Elektrizität erwartet. (Prognos 2012).

Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Elektro- Auto El. Netz-Batterie Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität Die temporär überschüssige Elektrizität kann in Netzbatterien gespeichert und für das Laden von Elektroautos genutzt werden. Herausforderung: Winterbetrieb, Reichweite, Anreiz für erneuerbare Energie.

Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Elektro- Auto Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität El. El. Netz-Batterie Elektrolyse Die temporär überschüssige Elektrizität kann mittels Elektrolyseanlagen in Wasserstoff (H 2 ) umgewandelt und gespeichert werden. Herausforderung: H 2 -Nutzung, Fz-Kosten. Wasserstoff- Fahrzeug

Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität H 2 kann mit CO 2 (z.b. aus Biogasanlagen) in synthetisches Methan (CH 4 ) umgewandelt, gespeichert und in Erdgas/ Biogasfahrzeugen genutzt werden. H 2 kann zudem an der Tankstelle Netz-Batterie dem Erdgas/Biogas direkt e + beigemischt werden, was neue, effiziente motorische Brennverfahren ermöglicht. Herausforderung: Effizienz Gesamtsystem, Materialverträglichkeit. e + Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität Elektrolyse Elektro- Auto H 2 Biogas-Anlage Methanisierung CO 2 CH 4 Erdgas/Biogas- Auto Wasserstoff- Fahrzeug H 2

Strombasierte Treibstoffe Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von Überschussenergie für die Mobilität Elektro- Auto Biogas-Anlage El. Netz-Batterie CO 2 CH 4 Fluktuierende erneuerbare Überschuss-Elektrizität El. Elektrolyse H 2 Methanisierung Erdgas/Biogas- Auto Wasserstoff- Fahrzeug H 2

Future Mobility Demonstrator @ Empa Pilotanlage für betriebliche Untersuchungen H 2 -Speicher Methanisierung (in Zusammenarbeit mit PSI) H 2 -Verdichter 350 & 700 Bar H 2 -Tankstelle HCNG-Tankstelle CNG-Tankstelle Erdgas/Biogas (CNG)- Verdichter/Speicher Elektrolyseanlage FOGA Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der schweizerischen Gasindustrie Fonds de recherche, de développement et de soutien de l'industrie gazière suisse HCNG- Praxiserprobung 700 Bar H 2 - Fahrzeug (in Planung) Ultra Fast EV-Charging (in Anbahnung) 350 Bar H 2 - Kehrfahrzeug Fz- Hersteller

Zusammenfassung Erdgas ist der sauberste fossile Treibstoff. Biogas ist einer der saubersten erneuerbaren Energieträger. Gasmotoren weisen ein grösseres Effizienzsteigerungspotential auf, als Benzinoder Dieselmotoren. Gasfahrzeuge sind «normalo»-fahrzeuge (keine Sportwagen, keine SUVs, keine Luxusautos) PtX hilft der Energiewende (Nutzung temporärer Überschüss-Elektrizität, Engpass-Management im Stromnetz, Systemdienstleistungen) PtX ermöglicht als einziges Konzept den ganzjährigen Betrieb von Fahrzeugen mit erneuerbarer Energie (wegen saisonaler Speichermöglichkeit). Für strombasierte Treibstoffe gibt es keine physikalische Limitierungen (weder bei erneuerbarer Energie, noch beim CO 2 ). Damit ist langfristig eine vollständige Umstellung von fossilen Treibstoffen auf synthetische Treibstoffe möglich. PtG ist in der Mobilität wirtschaftlich, sobald die CO 2 -Minderung im Rahmen der Flottenemissionsregelung angerechnet werden können.

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Mit Dank für die Unterstützung an: Dr. Brigitte Buchmann Dr. Patrik Soltic Urs Cabalzar Thomas Bütler Kontakt: christian.bach@empa.ch