Elektrifizierung des Antriebsstranges bei Leichten ... des... · Wasserverkehr und sonstige 80 %Pkw 10 %Leichte Nutzfahrzeuge. Prof. Dr.-Ing. Horst Oehlschlaeger IAA_Symposium__Umwelt-_und_klimafreundlicher_Strassentransport___20100929.2_jos.ppt

CO2-Emission und

Ressourcenbedarf

Elektrifizierung des Antriebsstranges bei Leichten Nutzfahrzeugen

Prof. Dr.-Ing. Horst Oehlschlaeger, Volkswagen Nutzfahrzeuge

IAA Symposium: Umwelt- und klimafreundlicher Straßentransport, 29.09.2010

… ÖKOSTROM

Technologie und Energieträger

E-TRAKTION

bill

ig.s

trom

.1tip

p.d

e

ZIEL

Prof. Dr.-Ing. Horst OehlschlaegerIAA_Symposium__Umwelt-_und_klimafreundlicher_Strassentransport___20100929.2_jos.ppt

29.09.2010Seite 2

Gliederung

• Mobilität und Ökologie

• Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie

• Elektrifizierung des Antriebes

• Batterieelektrischer Antrieb von LNfz

− Randbedingungen, Anforderungen für LNfz

− Technische Konzepte

− Wirtschaftliche Aspekte

• Zusammenfassung


29.09.2010Seite 3

Gliederung








• Zusammenfassung


29.09.2010Seite 4

Gesetzliche Herausforderungen, globale Verpflichtungen

Globale

Emissionsverpflichtung

Lokale

Emissionsgesetzgebung

Fahrverbote

Immissionsgesetze

Globale

Emissionsverpflichtung

Lokale

Emissionsgesetzgebung

Fahrverbote

Immissionsgesetze


29.09.2010Seite 5

Weltweites Entstehen von Mega-Cities

Tokyo: 629 km2, 12 Mio. Einwohner, 10 Mio. FahrzeugeTokyo: 629 km2, 12 Mio. Einwohner, 10 Mio. Fahrzeuge


29.09.2010Seite 6

Verfügbarkeit von nicht-erneuerbaren Energien

2000 2050 2100 2150

0 50 100 150 >200 >1000 Jahre

Stein-kohle

Braun-kohle

Uran

Reserve Ressource

62 157

64 756

207 1425

198 1264

42 527

Erdöl(konventionell und nicht konventionell)

Erdgas(konventionell und nicht konventionell)

in Gt SKE (Gigatonne=109 Tonnen, Steinkohleeinheiten)

Rohölpreis in 2009 wieder steil ansteigend !

Quelle: BGR 2002

2000 2050 2100 2150

0 50 100 150 >200 >1000 Jahre

Stein-kohle

Braun-kohle

Uran

Reserve Ressource

62 157

64 756

207 1425

198 1264

42 527

Erdöl(konventionell und nicht konventionell)

Erdgas(konventionell und nicht konventionell)

in Gt SKE (Gigatonne=109 Tonnen, Steinkohleeinheiten)

Rohölpreis in 2009 wieder steil ansteigend !

Quelle: BGR 2002


29.09.2010Seite 7

Prognostizierte Erdölförderungen weltw eit, erwartete Deckungslücke


29.09.2010Seite 8

Tra

nsp

ort

er

198

0

Tra

nsp

ort

er

200

8

180

200

220

240

260

280

300

320

Moto

r

Getrie

be

Aerodynam

ik

Nebenaggre

gateRei

fen

Emissio

nen

Gewic

ht

CO

2 [g

/km

]

Entwicklung Vergangenheit bis heute (Crafter - Klasse)

Quelle: VDA

1980 2008

Neue Motoren-generation

Anpassung der Übersetzung und Reibungs-reduzierung

Verringerung des cw-Wertes

Optimierung der Lichtmaschine, Lenkhilfepumpe usw. Verringerung des

Rollwiderstandes

Gestiegene Kundenerwartungen und Sicherheits-anforderungen

Euro IV/V NOX Emissionen

Technologie

Marktanforderungen

Gesetzl. Bestimmungen

Entw icklung der CO2-Emissionen für Leichte Nutzfahrzeuge

Leichte Nutzfahrzeugesind bereits hocheffizient:

• Ein Transporter emittiert heute ein Drittel CO2weniger als noch 1980.

• Alle relevanten Komponenten eines leichten Nutzfahrzeugs sind verbrauchsoptimiert.

• Die Umwelt- und Sicherheitsanforderungen, die durch zusätzliche Fahrzeug- und Motormaßnahmen das Fahrzeug mit über 30 g/km CO2 –Mehrausstoß belasten, konnten durch verbesserte Antriebstechnologien mehr als kompensiert werden.

• Moderne und saubere Turbodieselmotoren der neuesten Generation haben diese positive Entwicklung ermöglicht.


29.09.2010Seite 9

2005

Drastische Schritte zur Begrenzung der Erderw ärmung auf 2 °C bis 2050

Begrenzung der Erderwärmung auf 2 °C bis 2050 2)

2050 [Jahr]

Treibhausgasemission Transportsektor

(EU25 2004)

Ø 20 g CO2/km~ 0,9 l Benzin/100 km

(Deutschland)

Ist 2005

Ziel 2050Emissionen und ihre Verursacher

1) Quelle: McKinsey & Company, Bundesumweltminister Röttgen2) Politische Absichtserklärung, z. B. der EU- und G8+5-Staaten, Teil des Copenhagen Accord 2009

CO2-Emission durch Leichte Nutzfahrzeuge

10 % Flug-, Schienen-,Wasserverkehr und sonstige

80 % Pkw

10 % Leichte Nutzfahrzeuge


29.09.2010Seite 10

OPTIMIERTE KONV. ANTRIEBE

ALTERNATIVE KRAFTSTOFFE

HYBRIDE

[CO

2-E

mis

sio

n u

nd

Re

sso

urc

en

bed

arf

]

MultiFuel

Mild-Hybrid

CNG

Full-Hybrid

Rollwiderstand

Start-Stopp …

LPG

Rekuperation

Mögliche Antriebstechnologien zur Senkung der CO2-Emission und des Ressourcenbedarfs

E-TRAKTION

Plug-In-Hybrid

Batteriefahrzeug

ÖKOSTROM

Range Extender

[CO2/km]

203 g

175 g

(2007)

(2014)

ZIEL

[Technologien und Energieträger]

Treibhausgasemission LNfz EU27

Rollenzulassung

Sollwert CO2-Regulierung 2014

Geringere künftige

CO2-Sollwerte in Diskussion

~ 8,8 l

~ 7,6 l

[l/100 km]Kraftstoffvebr.

lokale Emissionsfreiheit


29.09.2010Seite 11

Mögliche Kundenreaktionen beinicht-realistischen CO2-Grenzwerten

Für das max. Ladevolumen eines Crafter Kasten von 17 m³…

CO2 100%

CO2 161%

… sind 2 T5 Kasten mit einem max. Ladevolumen von je 9,3 m³ …

… oder 6 Caddy Kasten mit einem max. Ladevolumen von je 3,2 m³ nötig.

CO2 373%


29.09.2010Seite 12

ZielkonfliktIndividuelle Mobilität vs. Transportaufgabe


29.09.2010Seite 13

Gliederung








• Zusammenfassung


29.09.2010Seite 14

Energiepfade für Automobilantriebe

RohstoffeRohstoffe Energie (-träger)Energie (-träger)

KraftstoffeKraftstoffe

BTLBTL

CTLCTL

GTLGTL

fossilfossil

UranUran

AntriebeAntriebe

Brenn-stoffzelleBrenn-

stoffzelle

Batterie/E-MotorBatterie/E-Motor

konvent-ionelle

Antriebe(ICE)

konvent-ionelle

Antriebe(ICE)

Benzin/DieselBenzin/Diesel

ErdgasErdgas

ErdölErdöl

KohleKohle

StromStrom

regenerativregenerativWindWind

WasserWasser

SolarSolar

GeothermieGeothermie

H2H2

BiomasseBiomasse BiogasBiogas

RohstoffeRohstoffe Energie (-träger)Energie (-träger)

KraftstoffeKraftstoffe

BTLBTL

CTLCTL

GTLGTL

fossilfossil

UranUran

AntriebeAntriebe

Brenn-stoffzelleBrenn-

stoffzelle

Batterie/E-MotorBatterie/E-Motor

konvent-ionelle

Antriebe(ICE)

konvent-ionelle

Antriebe(ICE)

Benzin/DieselBenzin/Diesel

ErdgasErdgas

ErdölErdöl

KohleKohle

StromStrom

regenerativregenerativWindWind

WasserWasser

SolarSolar

GeothermieGeothermie

H2H2

BiomasseBiomasse BiogasBiogasBöhm, T.; Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe –Herausforderung Energiespeicher, Berlin. 05.07.07


29.09.2010Seite 15

Volksw agen Kraftstoff- und Antriebsstrategie

SunFuel®

erneuerbar

E-Traktion

TSI®/ TFSI

TDI

DSG®

BlueMotion®

Erdöl

Erdgas

Benzin

Diesel

elektrische Energie (Batterie/ Wasserstoff)

CNG

LPG


29.09.2010Seite 16

Der Volksw agen Caddy Ecofuel und Caddy Maxi Ecofuel

Volksw agen Caddy Maxi Ecofuel (Klammerw erte Caddy Ecofuel)

• optimierter Motor: 2.0l, 80 kW, 160 Nm

• quasi-monovalent

• Benzinreservetank 13 l

• Unterflur-Gasflaschen, Gasvolumen ca. 210 l (160 l):

Keine Einschränkung der Innenraumvariabilität

Keine Einschränkung des Ladevolumens

• Wettbewerbsüberlegene Reichweite:

630 km (440 km) CNG

130 km Benzin


29.09.2010Seite 17

Zukünftige Tankstellenwelt -Kraftstoffdiversifikation


29.09.2010Seite 18

Gliederung








• Zusammenfassung


29.09.2010Seite 19

Elektrifizierung des Antriebes

2 km20-80 km

50-120 km

80-200 km

400-600 km

Batterie-Reichweite

+Stromerzeuger

Elektromotor

Boost

Verbrennungsmotor

Micro-Hybrid/Start-Stopp

Mild-Hybrid Full-Hybrid(HEV)

Plug-In-Hybrid(PHEV)

Range Extender(RE BEV)

Batterie-fahrzeug

(BEV)

+ + + +

ELEKTROFAHRZEUG

+

Brennstoffzelle(FCEV) 1)

1) ab 2020


29.09.2010Seite 20

innerstädtische LieferfahrzeugeLieferfahrzeuge im

Kurz- und Langstreckenverkehr

mit

emissionsarmem Innenstadtbetrieb

emissionsoptimierte Lieferfahrzeuge im

Kurz- und Langstreckenverkehr

Lieferfahrzeuge im Kurz- und

Langstreckenverkehr mit

uneingeschränktem Zugang zu City- und

Umweltzonen

Elektrifizierung des Antriebesvon Leichten Nutzfahrzeugen

Micro-Hybrid/Start-Stopp

Mild-Hybrid Full-Hybrid(HEV)

Plug-In-Hybrid(PHEV)

Range Extender(RE BEV)

Batterie-fahrzeug

(BEV)

+ + + +

2 km 20-80 km 50-120 km 80-200 kmElektromotor

Boost

Verbrennungsmotor +Stromerzeuger

ELEKTROFAHRZEUG

+

Brennstoffzelle(FCEV) 1)

400-600 km

1) ab 2020

langfristig:

Lieferfahrzeuge mit Brennstoffzellen-

antrieb im Kurz- und Langstreckenverkehr


29.09.2010Seite 21

Gliederung








• Zusammenfassung


29.09.2010Seite 22

Typisches Einsatzszenario und Randbedingungen von E-LNfz

•Täglich wiederkehrende Fahrtrouten und Rückkehr zu Betriebshöfen, dadurch keine flächendeckende Lade-Infrastruktur notwendig

•Geplante innerstädtische Fahrtrouten durchschnittlich klein (Deutsche Post Caddy´s: 80% der Fahrzeuge fahren weniger als 50 km/ Tag, Ø-Fahrstrecke 34 km/ Tag)

•Zufahrt in mögliche Ökozonen bzw. Innenstadtsperrungen

•Bevorzugung bspw. in City-Maut- oder Umweltzonen

•Nahezu geräuschloser Antrieb, d.h. Innenstadtbelieferung auch zu bisher unüblichen oder auch gesperrten Zeiten möglich

•Vorteile bei der CO2-Besteuerung oder möglichen Strafzahlungen

•Geringe Betriebs- und Wartungskosten

•Wegfall des konventionellen Antriebsstranges schafft Freiheitsgrade bei der Fahrzeuggestaltung; neue Fahrzeuggesamtkonzepte werden möglich


29.09.2010Seite 23

Typischer Lieferverkehrzyklus (Ausschnitt) und dabei ermittelter Verbrauch

0

10

20

30

40

50

60

V KM V KM + M SS V o llhyb rid E- T ranspo rt er

Verbrauch / Kraftstoffkosten für T5im "Lieferzyklus Österreich" *

Verbrauch l/100km

Kraftstoffkosten € /100km

* Basierend auf 1,50€/l bzw. 0,13€/kWh

VKM = Verbrennungskraftmaschine

MSS = Motor Start/Stop

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

Ge

schw

ind

igke

it [k

m/h

]

Zeit [sec]

Dauer [sec]: 1200Gesamtstrecke [km]: 1.37Mittlere Geschw. [km/h]: 4.1Mittlere Beschl. [m/s²]: 0.70Mittlere Verz.[m/s²]: -0.71

Lieferzyklen führen zu extremenKraftstoffverbräuchen!

0

10

20

30

40

50

60

V KM V KM + M SS V o llhyb rid E- T ranspo rt er

Verbrauch / Kraftstoffkosten für T5im "Lieferzyklus Österreich" *

Verbrauch l/100km

Kraftstoffkosten € /100km

* Basierend auf 1,50€/l bzw. 0,13€/kWh

VKM = Verbrennungskraftmaschine

MSS = Motor Start/Stop

0 200 400 600 800 1000 12000

10

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40

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Ge

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it [k

m/h

]

Zeit [sec]


0 200 400 600 800 1000 12000

10

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50

Ge

schw

ind

igke

it [k

m/h

]

Zeit [sec]


Lieferzyklen führen zu extremenKraftstoffverbräuchen!


29.09.2010Seite 24

Technologien von Energiespeichern für E-Traktionskonzepte

Lebensdauer 5 Jahre 8 - 10 Jahre >10 Jahre

el. Leistung ~ 2 kW ~ 6 kW ~ 15 kW ~ 30 kW ~75 kW

konv. Fzg.

MildHybrid

FullHybrid

Elektro-Fzg.

Typ

Funktion

Spannung 12 V < 60 V > 60 V >> 60 V

Starten Start-Stopp (Rekuperation)

Start-Stopp Rekuperation (Boost)

Start-Stopp Rekuperation Boost(E-Drive, 2 km)

E-Drive > 100 km

(gefordert)

Technologie

Blei-Säure

Nickel-Metallhydrid

Lithium-Ion

Energiespeicher

(typisch)

(typisch)

Plug-InHybrid

MicroHybrid

Start-Stopp Rekuperation BoostE-Drive, 20 km


29.09.2010Seite 25

Anforderungen an Energiespeicher

Technologie zukünftig:Lithium-Ionen

Zielkonflikt !

Energie

KostenWirtschaftlichkeit,

Marktakzeptanz,

Recycling

Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher

Performance,

Dynamik

Leistung

SicherheitFehler, Unfall,

Missbrauch, Wartung

LebensdauerZyklen, Standzeit

Technologie heute:Nickel-Metall-Hydrid

Technologie zukünftig:Lithium-Ionen

Zielkonflikt !

Energie

KostenWirtschaftlichkeit,

Marktakzeptanz,

Recycling

Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher

Performance,

Dynamik

Leistung

SicherheitFehler, Unfall,

Missbrauch, Wartung

LebensdauerZyklen, Standzeit

Technologie heute:Nickel-Metall-Hydrid


29.09.2010Seite 26

Erw artete Fortschritte bei der Batterieentw icklung

PowerE-Motor

Leistungselektr.

E-Motor

Batterie

Zusammensetzung Gesamtkosten des Antriebsstrangs bei einem E-Fahrzeug , entspr. 100%

Kosten für die Traktionsbatterie bei mehr als 80% desAntriebsstrangs

Weitere

Zusatzgewicht Batteriesystem (ggü. Zellen)

Reichweite

300 €500 €1.000 €

200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L

160 Wh/kg100 Wh/kg70 Wh/kg

20 - 25 %30 - 35 %40 %

200 km150 km100 km

20202015Heute

Preis €/kWh ca.

Energiedichte

Spezifische Energie

Reichweite

300 €500 €1.000 €

200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L


20 - 25 %30 - 35 %40 %

200 km150 km100 km

20202015Heute

Verbesserungje 5 Jahre

~40 %

~20 %

~50 %

~50 %

~50 %

Kostensituation heute

Ziel: Zukünftige Weiterentwicklungen verbessern spezifische Kennwerte der Batterie und liefern einen deutlichen Reichweitengewinn. Kosten für Batterie werden aber weiterhin dominieren !

PowerE-Motor

Leistungselektr.

E-Motor

Batterie

Zusammensetzung Gesamtkosten des Antriebsstrangs bei einem E-Fahrzeug , entspr. 100%

Kosten für die Traktionsbatterie bei mehr als 80% desAntriebsstrangs

Weitere


Reichweite

300 €500 €1.000 €

200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L


20 - 25 %30 - 35 %40 %

200 km150 km100 km

20202015Heute

Preis €/kWh ca.

Energiedichte

Spezifische Energie

Reichweite

300 €500 €1.000 €

200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L


20 - 25 %30 - 35 %40 %

200 km150 km100 km

20202015Heute


~40 %

~20 %

~50 %

~50 %

~50 %


Reichweite

300 €500 €1.000 €

200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L


20 - 25 %30 - 35 %40 %

200 km150 km100 km

20202015Heute

Preis €/kWh ca.

Energiedichte

Spezifische Energie

Reichweite

300 €500 €1.000 €

200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L


20 - 25 %30 - 35 %40 %

200 km150 km100 km

20202015Heute


~40 %

~20 %

~50 %

~50 %

~50 %

Kostensituation heute

Ziel: Zukünftige Weiterentwicklungen verbessern spezifische Kennwerte der Batterie und liefern einen deutlichen Reichweitengewinn. Kosten für Batterie werden aber weiterhin dominieren !

500-1000 € ~200 <200


29.09.2010Seite 27

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen hinsichtlich TCO (schematisch)

aktuelle Förderungslücke

Maut o.ä. für Innenstädte,Steigerung der Kraftstoffkosten,…

TCO[€]

Diesel (ICE) E-FahrzeugÜbergangsszenario

E-FahrzeugZukunftsszenario

Kostensenkung durch Technologie-entwicklung und höhere Stückzahlen

Anschaffungskosten

Betriebskosten

Akzeptanz für E-LNfz bei höheren Betriebskosten des ICE (z.B. durch höhere Kraftstoffpreise oder Maut) oder durch Förderung von E-Fahrzeugen

Wettbewerbsvorteil E-Fahrzeug ggü. ICE► Kaufargument

aktuelle Förderungslücke

Maut o.ä. für Innenstädte,Steigerung der Kraftstoffkosten,…

TCO[€]

Diesel (ICE) E-FahrzeugÜbergangsszenario

E-FahrzeugZukunftsszenario

Kostensenkung durch Technologie-entwicklung und höhere Stückzahlen

Anschaffungskosten

Betriebskosten

Anschaffungskosten

Betriebskosten

Akzeptanz für E-LNfz bei höheren Betriebskosten des ICE (z.B. durch höhere Kraftstoffpreise oder Maut) oder durch Förderung von E-Fahrzeugen

Wettbewerbsvorteil E-Fahrzeug ggü. ICE► Kaufargument


29.09.2010Seite 28

E-Caddy


29.09.2010Seite 29

T5 Plug-In Hybrid


29.09.2010Seite 30

Gliederung


• Heutige Erkenntnisse zu nicht erneuerbaren Energiequellen


• Elektrifizierung des Antriebsstranges





• Zusammenfassung


29.09.2010Seite 31

Zusammenfassung

•Bei Prognose weltweit steigender Transportleistungen ist Absenken der CO2-Emissionen notwendig

•Fakt: Begrenzte herkömmliche Treibstoffressourcen

à Neue alternative Antriebskonzepte erforderlich

•Batterieelektrischer Antrieb nahezu ideal für Lieferverkehr in Ballungsräumen

•Schwerpunkt der Entwicklung: Batterie, E-Maschine, Leistungselektronik und Ladetechnologie

•Weitere Anstrengungen vom Gesetzgeber erwartet

•Stromerzeugung aus 100% regenerativen Energien erforderlich zur Erreichung auch globaler CO2-freier Mobilität

•Ziel Bundesregierung „bis 2020 1 Mio. E-Fahrzeuge“bietet –bei entsprechender Förderung –eine Marktperspektive für wirtschaftlich sinnvolle Leichte Nutzfahrzeuge mit elektrischem Antrieb

CO2-Emission und

Ressourcenbedarf

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

… ÖKOSTROM

Technologie und Energieträger

E-TRAKTION

bill

ig.s

trom

.1tip

p.d

e

ZIEL

Documents

Elektrifizierung des Antriebsstranges bei Leichten ... des... · Wasserverkehr und sonstige 80 %Pkw 10 %Leichte Nutzfahrzeuge. Prof. Dr.-Ing. Horst Oehlschlaeger IAA_Symposium__Umwelt-_und_klimafreundlicher_Strassentransport___20100929.2_jos.ppt