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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
2 5gn0013.ppt
Inhalt
51
� Einleitung
� Zukünftige Antriebstechniken
� Verfügbare Energien
� Abschätzung der zweckmäßigen Verknüpfungen
� Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen
� Zusammenfassung
3 5gn0013.ppt
Rückgang des argentinischenUpsala-Gletschers zwischen 1928 und 2004
Quelle: BBC News Online
4 5gn0013.ppt
Schematische Darstellungdes Treibhauseffekts
10%
Treibhausgase
30%
5 5gn0013.ppt
Schematische Darstellungdes Treibhauseffekts
10%
Treibhausgase
30%
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Schematische Darstellungdes Treibhauseffekts
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°
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Schematische Darstellungdes Treibhauseffekts
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
51
� Einleitung
� Zukünftige Antriebstechniken
� Verfügbare Energien
� Abschätzung der zweckmäßigen Verknüpfungen
� Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen
� Zusammenfassung
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Verbrennungsmotorische Antriebe
�Benzin
�Diesel
�Methanol
�Erdgas
�Autogas / LPG
Unterschiedliche Anforderungen an Motor und Aggregate je nach Treibstoff
10 5gn0013.ppt
Beispiel für Erdgasfahrzeug: Opel Zafira
11 5gn0013.ppt
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
� Zukünftige Antriebstechniken
� Verfügbare Energien
� Abschätzung der zweckmäßigen Verknüpfungen
� Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen
� 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
Quelle: ExxonMobil1 MBDOE = 1 Millionen Barrel Öläquivalent pro Tag = 70,8 Gigawatt
21 5gn0013.ppt
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
Quelle: ExxonMobil1 MBDOE = 1 Millionen Barrel Öläquivalent pro Tag = 70,8 Gigawatt
22 5gn0013.ppt
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
24 5gn0013.ppt
Globale Erdölförderung 1930 – 2050
2005
Quelle: Association for the Study of Peak Oil & Gas
NGL: Natural Gas Liquids
25 5gn0013.ppt
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
27 5gn0013.ppt
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
28 5gn0013.ppt
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
33 5gn0013.ppt
Inhalt
51
� Einleitung
� Zukünftige Antriebstechniken
� Verfügbare Energien
� Abschätzung der zweckmäßigen Verknüpfungen
� Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen
� Zusammenfassung
34 5gn0013.ppt
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
36 5gn0013.ppt
Inhalt
51
� Einleitung
� Zukünftige Antriebstechniken
� Verfügbare Energien
� Abschätzung der zweckmäßigen Verknüpfungen
� Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen
� Zusammenfassung
37 5gn0013.ppt
Zusammenwirkenvon Energiesektor und Verkehrssektor
Derzeitige Struktur
Mineralöl
Verkehr Energie(Strom)
Beispiel einer H2–Versorgung
Verkehr Energie(Strom)
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
Verkehr Energie(Strom)
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
38 5gn0013.ppt
Inhalt
51
� Einleitung
� Zukünftige Antriebstechniken
� Verfügbare Energien
� Abschätzung der zweckmäßigen Verknüpfungen
� Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen
� Zusammenfassung
39 5gn0013.ppt
Zusammenfassung: Fahrzeugvergleich
o–––o++
Kosten
++–oWasserstoff-VM
+
+o+++
Sicherheit
o
++ooo
Komfort
+
–+o++
Infrastruktur
oBiodieselfahrzeuge
+Hybrid-Fahrzeuge
+Brennstoffzellen-fahrzeuge
+ / –Elektrofahrzeuge
+Erdgasfahrzeuge
–KonventionelleFahrzeuge
Emissionen
+ gut – schlechto mittel
40 5gn0013.ppt
Zusammenfassung: Fahrzeugvergleich
o–––o++
Kosten
++–oWasserstoff-VM
+
+o+++
Sicherheit
o
++ooo
Komfort
+
–+o++
Infrastruktur
oBiodieselfahrzeuge
+Hybrid-Fahrzeuge
+Brennstoffzellen-fahrzeuge
POLITIKElektrofahrzeuge
+Erdgasfahrzeuge
POLITIKKonventionelleFahrzeuge
Emissionen
+ gut – schlechto mittel
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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 !