Institut für Fahrzeugtechnik
Alternative Antriebe
- Warum ?
Prof. Dr.-Ing. K.-U. Münch Institut für FahrzeugtechnikBetzdorfer Str. 2, 50679 Kö[email protected]
Fachhochschule KölnInstitut für Fahrzeugtechnik
• ca. 18.000 Studenten
• ca. 450 Professoren
• Fahrzeugtechnik:
–120-140 Neuanfänger jeweils im Wintersemester
–21 Professoren
• Numerus Clausus ca. 2,3
KlimadiskussionGlobaler mittlerer Temperaturanstieg
Begrenzung des weltweiten Temperaturanstiegs um 2 °C bis 2030 (bezogen auf den absoluten Wert von1990)
Quelle: NASA 2005"Größtenteils beruht der beobachtete Anstieg der globalen mittleren Tempera-turen wahrscheinlich auf dem beobach-teten Anstieg der vom Menschen gemachten Treibhausgas-Emissionen"
Klimadiskussion
• Dicke Luft
und in den Mega City‘s
• Verkehrskollaps
Expo in Shanghai:
„Wer das Auto retten will, muss es neu erfinden“
Mehr als die Hälfte aller Menschen wohnt in Städten - Tendenz steigend.
Schon heute stellen Luftverschmutzung und der drohende Verkehrsinfarkt
in den Mega-Citys Stadtplaner vor besondere Herausforderungen. Auf der
Expo in Shanghai präsentieren Planer und Autobauer Lösungen für die
Verkehrsprobleme der Zukunft
New YorkPeking
IT, Verkehrsplanung, - Lenkung …Lösung:
Münch, 6/2010
Bedeutung von Verkehr am Energieverbrauch
Quelle:. /BINE_BE_7: Energie im Wandel,2000, Abb7, p.3; O-Folie aus bild0700...ptt
Endenergie nach Verbrauchergruppen
Anteil des Verkehr nach unter-schiedlichen Quellen ca. 20-30 %
Münch, 2/2009
Technologieeinführung„Die Verbrennungskraftmaschine“
Viertakt-Versuchsmotor von 1876, mit ihm begann von Köln aus die „Motorisierung“ der Welt
Münch, 2/2009… aber langsam, wie bei jeder neuen Technik !
Technologieeinführung„Roadmap“
Entwicklung von der Dampfmaschine zum Elektroantrieb
Dampf-maschine
Verbrennungs-kraftmaschine
Elektro-antrieb
Erster Verbrennungsmotor
1876
Erster Serien-Elektroantrieb
2010
Erste verwendbareDampfmaschine
1712 von T. Newcomen
164 Jahre 134 Jahre ??? Jahre
Münch, 2/2009
Zum CO2 freie Fahrzeugantrieb
Das
Spannungsfeld:
Münch, 6/2010
IT
Finales Ziel der Antriebsentwicklung
Der CO2 freie / neutrale Antriebheute
Zukunft
Alternative Antriebe
e - Antrieb
Auf dem Weg dort hin:
Münch 4/2013
e-Antrieb - heute -
Reichweite
Heute bei ausgeführten Fahrzeugen:
50 – 200 km rein elektrisch
Weiter Strecken mit Range Extender
(Stromgenerator)
Problem des rein elektrischen Antriebs:
„Speicherkapazität“
Münch, 6/2010
Speicherkapazität:.
Energieträger Energiedichte Wh/kg
Bleiakku 40
NiMH 90
Li Ion (Li Polymer) 200-250
Ultra Caps (Kondensator) 5
Ottokraftstoff 8500
Li-Luft ~ 8000Li-Luft Akkumulatoren sind noch im Forschungs-/ Vorausentwicklungsstadium
Verfügbarkeit voraussichtlich erst in 10-20 Jahren !
ca. 40 x geringer Speicher-kapazität im Vgl. zu Ottokraft-stoff
Quelle:
AVL ,2010
Münch, 6/2010
Reichweite e - Antrieb
• Reichweitenproblem zukünftig z.B. mit Li-Luft Akkumulatoren gelöst
• Verfügbarkeit aber heute nicht gegeben
„Plug in Hybrid“ als Übergangslösung
• Reichweiten 50-200 km für städtische Mobilität ausreichen
• Weiter Strecken mit Range Extender
Münch, 6/2010
AusgeführteBeispiele:
Münch, 6/2010
Quelle:
Auto Bild 5/2010
Ausgesuchte Beispiele
GOLF Blue-E-Motion
85 kW E-Motor, max. Dreh. 270 Nm Lithium-Ionen-Batterie mit 26,5 kWh
0-100 km/h in 11,8 s
Spitze: 135 km/h
Reichweite je nach Fahrweitebis zu 150 Kilometer
Gewicht: 1.545 Kilogramm, SOP 1/2014
e - up55 PS , max. Dreh. 210 Nm
Lithium-Ion.-Batt. mit 26,5 kWh
0-100 km/h: 14 s
Spitze 135 km/h
Reichweite: ca. 150 km
Preis ca. 22.500 Euro
SOP 9/2013
Münch 4/2013
.
Leistung: 125/170 kW/PS Drehmoment: 250 Nm Batterie: Lithium-Ionen-Akkus Kapazität: ? kWh Heckantrieb
Spitze: 150 km/h 0 - 100 km/h: 7,9 s Reichweite: 130 bis 160 km (FTP72 Fahrzyklus: 225 km)Preis: ca. 40.000 € SOP: Herbst 2013
BMW i3
In Kürze:
Sportwagen BMW i8
Plug-in Hybrid
Münch 4/2013
.
Renault Kangoo Maxi Z.E.
44 kW, max. Drehmoment 226 Nm
Spitze: 130 km/h
Beschl. 0-100 km/h: 22,4 s
Getriebe1-Gang-Untersetzungsgetriebe, Frontantrieb
Länge 4597 mm, Breite 1829 mm, Höhe 1836 mm, Gewicht 1628 kg, max. Zuladung 632kg
Preis 26 180 € + Batterieleasing seit Ende 2012 auf dem Markt
Münch 4/2013
ÜbersichtAlternative Antriebe
Gas - Antrieb
Hybrid Antriebe
e - Antriebkonventionell (Batterie)
Brennstoffzelle (H2)
Alternative Kraftstoffe
RME Dieselmotor
E85 (Ethanol- Anteil) Ottomotor CO2 frei
bzw.
neutral
LPG „Autogas“ Popangas
CNG „Erdgas“ Hochdruck
konv. Ottomotor
Paralleler Hybrid
Serieller Hybrid
SynergieVerbr.-Motor/ e-Motor
Münch 4/2013
ener
giee
ffiz
ient
GasantriebLPG – Autogas (Propan- /Butangas)
„Flüssiggas“, da bei Umgebungstemperatur und > 8 bar flüssig
hohe Energiedichte kleines Speichervolumen notwendig
(zusätzlicher Tank in der Reserveradmulde, 30 l – 90 l)
konventionelle Fahrzeuge mit Ottomotor umrüstbar
bivalenter Betrieb möglich (hohe Reichweite)
Relativ geringe Umrüstkosten (ca. 1500,- € - 3500,- €)
LPG nicht bei
DI-Otto einsetzbar !
Gasantrieb LPG – Autogas (Propan- /Butangas).
Interessante Fakten über LPG
• Autogasfahrzeuge werden noch bis etwa zum 31. Dezember 2018 steuerlich begünstigt
• Der Einsatz von LPG senkt die Verbrauchskosten um etwa 45%
• CO2 - Ausstoß um etwa 15% gegenüber einer üblichen Benzinverbrennung reduziert
GasantriebCNG – Compressed Natural Gas (Erdgas)
Mit Erdgas fahren und sparenMit einem Erdgasfahrzeug sparen Sie im Vergleich zu einem Benzinfahrzeug bis zu 50% Kraftstoffkosten, im Vergleich zu Dieselfahrzeugen sind es immerhin noch 30%.
Die Umrechnung auf Basis des Energiegehalts zeigt, wie günstig Erdgas wirklich ist:
Quelle: Rhenag
Münch 4/2013
GasantriebCNG – Compressed Natural Gas (Erdgas)
Steuervorteil: Bis mindestens 2018 ist ein günstiger Mineralölsteuersatz für Erdgas als Kraftstoff festgeschrieben. Die Steuerreform gilt nur für Neuwagen, die ab dem 01. Juli 2009 zugelassen wurden.
Beispiel:
Ein erdgasbetriebener VW Passat 1.4 TSI EcoFuel, der nur 119 g/km ausstößt, bleibt unterhalb der CO2 Freigrenze, der CO2-Anteil ist damit kostenfrei. Hinzu kommt die Hubraum-Komponente, die bei Erdgasfahrzeugen wie bei Benzinern 2 € je angefangene 100 cm3 Hubraum kostet, beim Diesel sind es je 100 cm3 9,50 €. Für den Passat TSI EcoFuel mit 1,4-Liter-Motor ergeben sich unterm Strich 28 Euro Steuern. Die CO2-Steuer eines vergleichbaren VW Passat mit Benzinmotor kostet 186 Euro, beim vergleichbaren Passat-Dieselmodell 266 Euro.
Quelle: Rhenag
Münch 4/2013
GasantriebCNG – Compressed Natural Gas (Erdgas)
Ausschnitt in Deutschland erhältliche Erdgasfahrzeuge:
- Fiat Doblò 1.4 T-Jet 16V Natural Power- Fiat Fiorino 1.4 8V Natural Power- Fiat Panda Panda 1.4 8V Natural Power- Fiat Punto Evo 1.4 8V Natural Power- Fiat Qubo 1.4 8V Natural Power- Mercedes B 180 NGT- Mercedes E 200 NGT- Opel Combo 1.6 CNG ecoFLEX- Opel Zafira 1.6 CNG ecoFLEX Turbo- VW Caddy 2.0 EcoFuel- VW Caddy 2.0 Maxi EcoFuel- VW Caddy Tramper 2.0 EcoFuel- VW Passat 1.4 TSI EcoFuel- VW Passat Variant 1.4 TSI EcoFuel- VW Touran 1.4 TSI EcoFuel- VW Touran Cross 1.4 TSI EcoFuel- VW T5 2.0 BiFuel
Münch 4/2013
Technik: CNG (monovalent)
• Ottomotor auch DI
• 10 l Benzin Reservetank Reichweite: Gas: ca. 350-400 km + Benzin 100-150 km
• HochdruckspeicherBislang kommen im Druckbereich bis 20 MPa hauptsächlich schwere Stahlbehälter wegen der niedrigen Preise zur Anwendung. Doch es ist eine Tendenz hin zu Behältern mit Composite-Umwicklung, einem Werkstoffverbund aus Kohlefaser und Duroplast, erkennbar, um Gewicht einzusparen. Dieser Behältertyp soll Arbeitsdrücke von 70 MPa und höher ermöglichen.
GasantriebCNG – Compressed Natural Gas (Erdgas)
Münch 4/2013
Tankstellennetz 2013:
Rund 1.200 Anbietern von Erdgas in der Bundesrepublik Deutschland
z.B.7 Anbieter z.B. in Köln1 Anbieter in Bonn1 Anbieter in Siegburg
www.erdgas-mobil.de
GasantriebCNG – Compressed Natural Gas (Erdgas)
Münch 4/2013
ÜbersichtAlternative Antriebe
Gas - Antrieb
Hybrid Antriebe
e - Antriebkonventionell (Batterie)
Brennstoffzelle (H2)
Alternative Kraftstoffe
RME Dieselmotor
E85 (Ethanol- Anteil) Ottomotor CO2 frei
bzw.
neutral
LPG „Autogas“ Popangas
CNG „Erdgas“ Hochdruck
konv. Ottomotor
Paralleler Hybrid
Serieller Hybrid
SynergieVerbr.-Motor/ e-Motor
Münch 4/2013
ener
giee
ffiz
ient
Hybride AntriebeSeriell
Modulares Antriebssystem
• 1. Stufe
- Verbrennungsmotor
- Generator
• 2. Stufe
- Brennstoffzelle
- H2 oder CH4
Verbrennungs-motor
AkkuGenerator
E-Motoren
Tank
Brennstoffzelle
Alternativ: Reiner E-Betriebmit Akkus
Lokal CO2 frei !
Münch 4/2013
Beispiel: Opel Ampera
Hybride AntriebeSeriell (Plug in)
Elektromotor vorne, quer (111 kW/150 PS) Leistung: 111 kW oder 150 PS Max. Drehmoment: 370 Nm 1,4-L - Benzinmotor als Stromgenerator (Range Extender) Vorderradantrieb Antrieb: 1,4-L-Benzinmotor (63 kW/86 PS) Range Extender: Generator (54 kW) Kapazität: 16 kWh Lithium-Ion.-Batt.Spitzengeschwindigkeit 161 km/h Gewicht: 1.732 kgReichweite: elektrisch 40-80 km, mit R.E. 500 km Preis: ca. 40.000 €
Münch 4/2013
Hybride AntriebeSeriellTwin Drive - Volkswagen:
SOP: Anfang 2014
Münch 4/2013
Hybride AntriebeTwin Drive (Plug in) - Funktion
Münch 4/2013
Hybride AntriebeParallel
Quelle: Green-Motor.de
Münch 4/2013
Hybride AntriebeParalell (Plug in)Bei einer Geschwindigkeit von max. 85 km/h. Gewichtete kombinierte Werte nach EU-Messverfahren:
Kraftstoffverbrauch: 2,1 l/100 km, CO2 Emission: 49 g/km, Elektrischer Energieverbrauch: 5,2 kWh/100km
Vom Toyota Prius gibt es neu eine XL-Version und damit das erste Hybridfahrzeug mit 7 Plätzen
Münch 4/2013
Hybride Antriebe Parallel: Verbrennungsmotor / Druckluft
System: Bosch/Rexroth
Quelle: PSA
Münch 4/2013
Hybride AntriebeVorteile des Systems
Münch 4/2013
• Niedrige Kosten und geringes Gewicht – es sind nur zwei
Druckluftbehälter und einige Steuerelemente erforderlich
• Hohe Leistungsdichte
• Effiziente Umwandlung kinetischer Energie in Druckluft-Energie
• Extrem schnelle Ladung und Freigabe gespeicherter Energie
• Fahrzeuge wie der Citroën C3 oder Peugeot 208 sollen mit
HybridAir nur 2,8 Liter/100 km verbrauchen und 69g CO2/ km
emittieren
• Bis zu 45 Prozent weniger Verbrauch im Stadtverkehr laut PSA
Peugeot Citroën
• Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterie oder anderen Batteriearten
fallen bei der Herstellung weniger Emissionen an Ersatzinvesti-
tionen bedürfen geringeren finanziellen Mitteln
Hybride AntriebeMeine Vorschläge - mittelfristige Lösungen
Kombination:
1. Kleiner Dieselmotor mit HybridAir:
Geringer Verbrauch auf der Langstrecke 3 - 4 l/ 100kmGeringer Verbrauch in der Stadt < 3 I/ 100 km
2. Erdgasantrieb (400-600 bar Speicherdruck, heute 200 bar) mit HybridAir:
Etwas geringerer Verbrauch auf Langstrecken 5 - 6 l/ 100 kmGeringer Verbrauch in der Stadt < 4 Liter (bezogen auf Benzin)
Langfristig: e - Antrieb
Münch 4/2013
Alternative AntriebeKeine „Patentlösung“
Münch 4/2013
Zukunft beginnt schon heute
und hört nicht 2020 auf !
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !