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Institut für Fahrzeugtechnik

Alternative Antriebe

- Warum ?

Prof. Dr.-Ing. K.-U. Münch Institut für FahrzeugtechnikBetzdorfer Str. 2, 50679 Kö[email protected]

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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

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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"

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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

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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

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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 !

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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

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Zum CO2 freie Fahrzeugantrieb

Das

Spannungsfeld:

Münch, 6/2010

IT

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Finales Ziel der Antriebsentwicklung

Der CO2 freie / neutrale Antriebheute

Zukunft

Alternative Antriebe

e - Antrieb

Auf dem Weg dort hin:

Münch 4/2013

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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

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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

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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

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AusgeführteBeispiele:

Münch, 6/2010

Quelle:

Auto Bild 5/2010

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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

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.

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

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.

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

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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

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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 !

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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

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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

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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

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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

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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)

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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)

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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

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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

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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

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Hybride AntriebeSeriellTwin Drive - Volkswagen:

SOP: Anfang 2014

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Hybride AntriebeTwin Drive (Plug in) - Funktion

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Hybride AntriebeParallel

Quelle: Green-Motor.de

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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

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Hybride Antriebe Parallel: Verbrennungsmotor / Druckluft

System: Bosch/Rexroth

Quelle: PSA

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Hybride AntriebeVorteile des Systems

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• 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

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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

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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 !