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Zukünftige Antriebstechniken:Welche Energien können uns antreiben ?

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henning Wallentowitz, Dipl.-Ing. Bruno GnörichInstitut für Kraftfahrwesen Aachen

Fachkongress “Kraftstoffe der Zukunft”, Essen 2005Mittwoch, 16. März 2005

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Inhalt

51

� Einleitung

� Zukünftige Antriebstechniken

� Verfügbare Energien

� Abschätzung der zweckmäßigen Verknüpfungen

� Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen

� Zusammenfassung

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Rückgang des argentinischenUpsala-Gletschers zwischen 1928 und 2004

Quelle: BBC News Online

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Schematische Darstellungdes Treibhauseffekts

10%

Treibhausgase

30%

5 5gn0013.ppt


10%

Treibhausgase

30%

6 5gn0013.ppt


10%

Treibhausgase

30%

Temperaturan der

Erdoberfläche15°C

theoretischeTemperatur

ohneTreibhausgase

-18°C

FCKW (+0,7°)

Methan (+0,8°)

Distickstoffoxid (+1,4°)

Ozon (+2,4°)

Kohlenstoffdioxid (+7,2°)

Wasserdampf (+20,6°)

Tem

pera

tura

nstie

g: 3

3°

7 5gn0013.ppt


10%

Treibhausgase

30%

Temperaturan der

Erdoberfläche15°C

theoretischeTemperatur

ohneTreibhausgase

-18°C

FCKW (+0,7°)

Methan (+0,8°)

Distickstoffoxid (+1,4°)

Ozon (+2,4°)

Kohlenstoffdioxid (+7,2°)

Wasserdampf (+20,6°)

Tem

pera

tura

nstie

g: 3

3°

Quelle: Wikipedia

Große Wirkung bei kleiner Konzentration(ca. 384ppm in der Erdatmosphäre in 2004)

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Inhalt

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� Einleitung





� Zusammenfassung

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Verbrennungsmotorische Antriebe

�Benzin

�Diesel

�Methanol

�Erdgas

�Autogas / LPG

Unterschiedliche Anforderungen an Motor und Aggregate je nach Treibstoff

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Beispiel für Erdgasfahrzeug: Opel Zafira

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Nachteile beim Einsatz im Pkw:

• Schlechtes dynamisches Verhalten, daLeistungsänderungen durch Steuerung desWärmestromes erfolgen.

• Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigengroße Wärmetauscher und sind deshalb schwer.

Andere verbrennungsmotorische Konzepte:Stirlingmotor und Gasturbine

Quelle: Kockums

Quelle: Chrysler Plymouth

Stirlingmotor in einem U-Boot Gasturbine in einem PKW

Nachteile beim Einsatz im Pkw:

• Hoher Treibstoffverbrauch, besonders imTeillastbereich

• Hohe Abgastemperatur (ca. 1500°C)

• Schlechtes dynamisches Verhalten

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Elektrofahrzeuge: Batterie als Energiespeicher

Quelle: Ford AG, Varta

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Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb undBrennstoffzelle (z.B. Mercedes-Benz A-Klasse)

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Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb undBrennstoffzelle (z.B. Mercedes-Benz A-Klasse)

15 5gn0013.ppt

Split-Hybrid

Parallel-Hybrid

SeriellerHybrid

Vorteile:+ rekuperativer Betrieb

(Verzögerungsphasen)+ Reduktion EmissionenNachteile:- höheres Fahrzeuggewicht- kostenintensive

Komponenten

Vorteile:+ rekuperativer Betrieb

(Verzögerungsphasen)+ Reduktion EmissionenNachteile:- höheres Fahrzeuggewicht- kostenintensive

Komponenten

Hybridantriebe

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Vergleich von Fahrzeugen:Wirkungsgrad (Tank bzw. Speicher zum Rad)

30 – 40Hybridfahrzeuge

20 – 30KonventionelleFahrzeuge

25 – 35Wasserstoff-VM

60 – 70Elektrofahrzeuge

40 – 50Brennstoffzellen-Fahrzeuge

20 – 30Erdgasfahrzeuge

20 – 30Biodieselfahrzeuge

Wirkungsgrad[%]

Drehzahl [1/min]

Mom

ent [

Nm

]

Beispiel:Kennfelder von Elektromotor [%] & Verbrennungsmotor [g/kWh]

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Vergleich von Fahrzeugen:Reduktion der Schadstoffemissionen

o100%100%100%100%KonventionelleFahrzeuge

Potenziell emissionsfrei ( < 2%), wenn H2 ausregenerativen (“sauberen”) Quellen stammt

Potenziell emissionsfrei ( < 2%), wennsolargeladene Batterien verwendet werden

3% - 10%

57% - 87%

CO

+30% - 85%106% - 101%44% - 89%Biodieselfahrzeuge

+++

+++

25% - 50%

HC

40% - 65%

NOx

3% - 10%

Partikel

++

Rating

Wasserstoff-VM

Brennstoffzellen-fahrzeuge

Elektrofahrzeuge

Erdgasfahrzeuge

Quelle: US Department of Energy

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Inhalt

51

� Einleitung





� Zusammenfassung

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Andere

Kohle

Gas

Öl

0

50

100

150

200

250

300

1980 1990 2000 2010 2020

Jahr

MB

DO

EAufteilung der Energiequellen

von 1980 bis 2020

Quelle: ExxonMobil1 MBDOE = 1 Millionen Barrel Öläquivalent pro Tag = 70,8 Gigawatt

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Wind und Sonne

Biomasse

Kernkraft

Wasserkraft0

10

20

30

40

50

1980 1990 2000 2010 2020

Jahr

MB

DO

E

AndereEnergiequellen

Aufteilung der Energiequellenvon 1980 bis 2020


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Wind

Sonne

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

1980 1990 2000 2010 2020

Jahr

MB

DO

EAufteilung der Energiequellen

von 1980 bis 2020


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Verursacher von CO2-Emissionen

Quelle: TU Wien, 1998

Haushalte +

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Klimaveränderungen:Kritische Stimmen zur Rolle des CO2

„CO2-Konzentration folgt der Temperatur um etwa 1000 Jahre nach“

400,000

100,000

200,000

300,000

180

220

260

300

340

380

CO

2 pp

mv

0

2

4

-2

-4

-6

-8

-10

Tem

pera

tur°

C

Daten aus Eisbohrkernen der Antarktis (1999)

Jahre vor heute Temperatur-Variation CO2-KonzentrationQuelle: Petit et al; Nature, Vol. 399, 3. Juni 1999

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Globale Erdölförderung 1930 – 2050

2005

Quelle: Association for the Study of Peak Oil & Gas

NGL: Natural Gas Liquids

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0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

1949 1953 1957 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005

Jahr

US$

/ B

arre

l (Ja

hr-2

000-

$) *

Politische Lage: Einfluss auf den Rohölpreis

Ölkrise 1973(Öl-Embargo)

Revolutionim Iran

11.9.2001

Steigerung der FördermengenWirtschaftskrise in Asien

Verringerung derFördermengen

Irak-Krieg2. Golfkrieg

1. Golfkrieg

Quelle: WTRG Economics* inflationsbereinigt 5gn0013.ppt

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Energiequellen

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Benzin und Diesel: Eigenschaften undVerwendung im Kraftfahrzeug

Benzin

� Herstellung aus Erdöl mittelsDestillation und Cracken

� Veredelung mit Additiven� Wirkungsgrad der Herstellung:

ca. 88%

� Fremdzündung� Meistgenutzter PKW-Kraftstoff in

Deutschland� Neue Fahrzeuge z.T. mit

Direkteinspritzung

Diesel

� Mitteldestillat aus Erdöl� Breiter Fraktionierbereich, daher

Neigung zur Rußbildung� Wirkungsgrad der Herstellung: ca.

88 %

� Selbstzündung� Steigende Nutzung im Pkw� Nahezu einziger Kraftstoff für Nfz� Neue Fahrzeuge z.T. mit

Partikelfilter

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Biodiesel

� Herstellung aus Raps, Soja,Kokos oder Sonnenblumen

� Nicht zu verwechseln mitPflanzenöl (Elsbett-Motor)

� Nicht geeignet für Fahrzeuge mitPartikelfilter

� Niedrige CO2- Ruß-Emission� Nahezu schwefelfrei� Große Anbauflächen erforderlich� Hoher Herstellungaufwand für

Mineraldünger verschlechtertCO2-Bilanz

Biodiesel und Erdgas: Eigenschaften undVerwendung im Kraftfahrzeug

Erdgas

� Hauptbestandteil: Methan (CH4)� Nicht zu verwechseln mit

Autogas (LPG, Butan-Propan-Gemisch)

� Unterscheidung H-Gas (hoherEnergieinhalt) und L-Gas(niedriger Energieinhalt)

� Energieinhalt von 1 kg Erdgas(H-Gas) entspricht 1,5 l Benzinbzw. etwa 1,33 l Diesel

� Schadstoffarme Verbrennung� In Deutschland 19.200

Fahrzeuge (1/2004) und 500Tankstellen

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Wasserstoff: Eigenschaften

� Massenanteil etwa 75% im Universum� Volumenanteil 1ppm in der Erdatmosphäre� Vorkommen in Wasser, Kohlenwasserstoffen

(z.B. Methan) und anderen Stoffen� Hoher Heizwert (120 MJ/kg) und geringe Dichte

im Vergleich zu Benzin (42 MJ/kg)� Leicht brennbar bei Mischung mit Luft

(Wasserstoffanteil 4 bis 76%)� Leicht verflüchtigend� Verbrennungsprodukt mit Luft: Wasser� Verschiedene Herstellungsverfahren

Quelle: Wikipedia

Reformierung von Erdgas (Air Liquide)

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Stromerzeugung

� Aus fossilen Energieträgern:z.B. Kohle, Erdgas

� Aus Kernenergie:z.B. Uran, Plutonium

� Aus regenerativen Quellen:z.B. Wasser, Sonne, Biomasse

31 5gn0013.ppt100806040200 [%]

Legende:

Strom

Wasser-stoff

BenzinDieselLPGDMERME

Ethanol

Methanol

RegenerativeEnergienSolarWindWasser

Kernenergie*

BiomasseHolzZuckerrübeRapsMais

Kohle

Erdgas

Mineralöl

Wirkungsgrad von Energieumwandlungsketten(Well to Tank)

* Wirkungsgrad (Turbine)inkl. Leitungsverluste;ohne Anreicherung,Kernspaltung,Wiederaufbereitung,Endlagerung

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Vergleich von Treibstoffen: Infrastruktur

Nur sehr wenige, spezialisierteWasserstofftankstellen vorhanden,

große Investitionen sind erforderlich

Stromnetz(modifizierter Hausanschluss, Starkstrom)

Tankstellennetz im Aufbau,eventuell Betankung zu Hause

Einfache Integration in bestehende Tankstellen

Flächendeckend

Infrastruktur

–

+

o

+

+

Bewertung

Benzin / Diesel

Wasserstoff

Elektrizität

Erdgas

Biodiesel

Treibstoff

+ gut – schlechto mittel

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Inhalt

51

� Einleitung





� Zusammenfassung

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Europäische Emissions-Standardsfür Diesel-Pkw

Quelle: www.dieselnet.com

Euro I Euro II Euro III Euro IV

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008Jahr

Emis

sion

en g

/km

CONOxPMHC + NOx

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Schadstoff-Emissionen

Wirkungs-grad

Reich-weite

��+++Hybrid-Fahrzeuge

+

+

+ / –

+

o

–

�

�

�

�

�

�

�

+

+

o

o

o

o

–

–

–

o

+

+

Erdgasfahrzeuge

Wasserstoff-VM

Brennstoffzellen-fahrzeuge

Elektrofahrzeuge

Biodieselfahrzeuge

KonventionelleFahrzeuge

+ gut

– schlechto mittel

Zweckmäßige Verknüpfung alternativangetriebener Kraftfahrzeuge

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Inhalt

51

� Einleitung





� Zusammenfassung

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Zusammenwirkenvon Energiesektor und Verkehrssektor

Derzeitige Struktur

Mineralöl

Verkehr Energie(Strom)

Beispiel einer H2–Versorgung


Raffinerie

Transport(Lkw)

Versch. Quellen

Strom-erzeugung

Stromnetz

Diesel &Benzin Elektrizität

Energiequelle(Regenerativ)

Strom-erzeugung

Elektrolyse

Versch. Quellen

Strom-erzeugung

Stromnetz

Wasserstoff Elektrizität

Voneinander unabhängigeEnergieversorgung

Verkehrs- und Energiesektorsind miteinander verknüpft

Beispiel für alternative Struktur


Energiequelle(Regenerativ)

Strom-erzeugung

Transport(Pipeline, Lkw)

Energiequelle(z.B. Erdgas)

Stromnetz

Wasserstoff Elektrizität

Verkehrs- und Energiesektorarbeiten sinnvoll zusammen

H2-Erzeugung(Dampfreformer)

Quelle: MIT/ika

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Inhalt

51

� Einleitung





� Zusammenfassung

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Zusammenfassung: Fahrzeugvergleich

o–––o++

Kosten

++–oWasserstoff-VM

+

+o+++

Sicherheit

o

++ooo

Komfort

+

–+o++

Infrastruktur

oBiodieselfahrzeuge

+Hybrid-Fahrzeuge

+Brennstoffzellen-fahrzeuge

+ / –Elektrofahrzeuge

+Erdgasfahrzeuge

–KonventionelleFahrzeuge

Emissionen


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Zusammenfassung: Fahrzeugvergleich

o–––o++

Kosten

++–oWasserstoff-VM

+

+o+++

Sicherheit

o

++ooo

Komfort

+

–+o++

Infrastruktur

oBiodieselfahrzeuge

+Hybrid-Fahrzeuge

+Brennstoffzellen-fahrzeuge

POLITIKElektrofahrzeuge

+Erdgasfahrzeuge

POLITIKKonventionelleFahrzeuge

Emissionen


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Zusammenfassung:Zukünftige Antriebstechnologien

Langstrecken: Hybridfahrzeuge mitVerbrennungs- & Elektromotor

Kurzstrecken: eventuell Elektrofahrzeuge

Weitere Zukunft: Fahrzeuge mit Wasserstoffantriebmittels Verbrennungsmotorenoder Brennstoffzellen

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Ausblick

� Alternative Energieträger sind mittelfristig Erdgas und eventuell Biodiesel,langfristig nur regenerative Quellen

� Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge sind vielversprechend, jedoch mitgroßen Problemen bezüglich Reichweite und erforderlicher Infrastruktur

� Hybrid-Fahrzeuge sind sehr interessant

� Mechanismen und Ursachen der Klimaveränderungen sind umstritten

� Verantwortungsbewusster Umgang mit fossilen Energie-Ressourcenist unverzichtbar

Ingenieure können positive Antworten auf die Fragen der Zukunft geben !

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