Mobil mit Energie - TU Dresden · MAK max .zulässige ... Mercedes -Benz BlueTec- The Emmission control system of the new E-Class, 8 ... Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735,

Dresden, 03.07.2017

3. Juli 2017 Dülfer-Saal an der TU Dresden

Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck

ZUKUNFT ENERGIEZUKUNFT

Energiefragen im 21. Jahrhundert

Mobil mit Energie

Agenda

1. Transportarten2. Antriebsarten3. Energiearten4. Alternative Energiearten & Energiequellen 5. Zukunft

Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 2

Transportation 1


Transportation 2


Singapore China FAZ 29.6.2017

Transportation 3


Transportation 4


Transportation 5


Theoretische und experimentelle Untersuchung von Energierekuperationssystemen in Verbindung mit zweistufigen thermischen Verbundverfahren bei Verbrennungskraftmaschinen-anlagen

Dissertation 2015 TU DresdenChristian Martin Maier


Chuquicamata, größte Kupfermine der Welt auf 3200 m in Chile

Muldenkipper 363 t mit diesel-elektrischem Antrieb in den Radnaben

MTU 20V 4000

2720 kW 1800 U/min




Doppelstock-Container


Irrwege

Karlsgraben 793 n.Chr.3 km Länge 10 m Höhenunterschied

Ludwig-Main-Donaukanal 1846172 km Bamberg-Kehlheim80/184 Höhenunterschied 100 Schleusen http://www.rmd-

wasserstrassen.de/main-donau-kanal/

Treidelschiff Alma-Viktoria in der Schleuse Berching


Irrwege

Main-Donaukanal172 km Bamberg-Kehlheim80/184 Höhenunterschied 16 Schleusen

ca. 3600 Lastschiffe pro Jahr


Emma Maersk

15.000 TEU. 397 Meter lang und 20 Stockwerke hoch. Dieselmotor14 Zylinder 110.000 PS ηeff =49%2300 Tonnen14.380 l Schweröl/h 2,7 l pro Container mit 14 t und 100 km Transportweg.

TEU Twenty-foot Equivalent Unit


16.900

10.900

7.000 5.200 5.200 4.300

1.770

- 2.000 4.000 6.000 8.000

10.000 12.000 14.000 16.000 18.000

Ships worldwide total 51.270

350

42500

7002

Luftfracht Seefracht (> 100 gt) Straßentransport (NKW)

Weltweite Transportleistung(109 Tonnenkilometer / Jahr)

Quelle: MAN, 2007


Weltweites Frachtvolumen im Vergleich der Jahre 2010 und 2050 nachVerkehrsträgern (in Billionen Tonnenkilometer)

60.053

6.388191 4.262

256.433

30.945

1.111

19.126

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

Seefracht Straßengüter Luftfracht Schienengüter

Frac

htvo

lum

en in

Bio

. tkm

2010 2050 (Prognose)

Hinweis: WeltweitQuelle: ITF; ID 482955


Energy Consumption by Transportation (in Trillion BTUs) 84%

Source: BTS, National Transportation Statistics.


Freight transport in the EU-28 modal split of inland transport modes(% of total tonne-kilometres)


Personenverkehr nach Verkehrsmitteln 2010 (Quelle: Destatis)


Annual travel profile

80% of car drivers travel less than 40km daily

Slide 21

Total distance: 12.700km

62% of annual trips are middle and long distances


Source: Presentation R. Thom, Emission Control Dresden 2010

Holidays16%

Weekend8%

Visitfamily/friends

9%

Work >25km29%

Work <25km27%

Shopping7%

Mobilität - Stellenwert und Kosten

Laufzeitkosten Antrieb Containerschiff (Laufzeit 10 Jahre)

Laufzeitkosten NKW (4 Jahre, 600 Tkm, ohne Personalkosten)

350

42500

7002

Luftfracht Seefracht (> 100 gt) Straßentransport (NKW)

Weltweite Transportleistung(109 Tonnenkilometer / Jahr)

Quelle: MAN, 2007

58,1 %86 %

LKW 40t1,77€ +4 €(0,55€ Fahrer0,54€ Kraftstoff)


Der Antrieb


be = 199 g/kWhηe = 43 %

be = 180 g/kWhηe = 49 %

be = 190 g/kWhηe = 45 %

be = 190 g/kWhηe = 45 %

Effiziente Verbrennungsmotoren

ηe= 52% 4 taktηe= 55% 2-takt


Druckverlauf bei Volllast: Otto/Diesel

p-V-Diagramm

0102030405060708090

100110120130140150160170

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6

Volumen V [dm3]

Zylin

derd

ruck

p [

bar]

Hochlast - Otto - 4000 U/minHochlast - Diesel - 4000 U/min


260 bis 370 Euro je PS Leistung11.500 t Schweröl 5,3 Mio. €400 t Dieselöl für den Betrieb in ausgewiesenen Umweltschutzgebieten ECAS


0

50

100

150

200

250

300

10 15 20 25

Tonn

en

Knoten

Kraftstoffverbrauch/Tag


MAN Diesel & Turbo 48/60


Abgasemission

aktuell: Nordeuropa mit Nord- und Ostsee und Ärmelkanal, USA, Kanada

Ausweitung wird diskutiert für das Mittelmeer, Japan, Korea, Australien.

Quelle: Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG; 16. Aufladetechnische Konferenz 2011

200 nautical miles from the base line of the USA

Emission Control Areas (ECAs)


Motorexterne MaßnahmenQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium


Liquified Natural Gas

Gasförmige KraftstoffeQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium


Aida im Eismeer

NO2-Emission nach Quellkategorien (Quelle: UBA)


NO2 Jahresmittelwerte 2014


MAK max. zulässige Arbeitsplatzkonzentration

NO2

8h x 5 Tage 950 µg/m³

spez

. Kra

ftsto

ffver

brau

ch [g

/kW

h]

200.4

200.8

201.2

201.6

202.0

202.4

spez. NOx [g/kWh]0 2 4 6 8 10 12 14

spez

. Par

tikel

[g/k

Wh]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

spez. NOx [g/kWh]0 2 4 6 8 10 12 14

NOx-Partikel Trade-Off & NOx- bi Trade-Off

NOX = (NO & NO2)

Anhebung Abgasrückführrate

Anhebung Abgasrückführrate


[Quelle: 2016, Mercedes-Benz BlueTec - The Emmission control system of the new E-Class, 8. Emission Control 2016]


DieselpartikelfilterAbscheidegrad >99,9%

NOX ↓Partikel ↓HC ↓CO ↓

Scania Euro 6 engine and exhaust aftertreatment system.


DieselpartikelfilterAbscheidegrad >99,9%

2 SCR + ASC

Oxidationskatalysator

Herausforderung – Abgastemperatur

Thermischer Arbeitsbereich der NOx-Abgasnachbehandlungssysteme

Paule, Daimler AG, Vortrag Emission Control, Dresden 2006


• NO2 in Städten unverändert Dieselabgas als Ursache

• NEFZ deckt Kennfeld zu wenig ab bei der EU seit 2007 bekannt

• geplant: freie Fahrt mit mobiler Abgasmessung

• EU RDE Kick off meeting Januar 2011

• RDE LKW Einführung ab 2014

• RDE PKW-Monitoring ab 2015 ohne Grenzwert

Quelle: LUBW

RDE – real driving emissions

Quelle: TÜV NORDQuelle: AVL


⇒ requirement of Real Driving Emissions (RDE) Tests from September 2017 – Euro 6c

number of influencing parameters are massively increasing

parameter min maxstress intensity factor

-7 bis 35≤ 1300

0

ambient temperature [°C]altitude above N.N. [m]slope [m/100km]vehicle weight [kg]

max. vehicle speed [km/h]

driving stylegear shifting behavior

250

≤ 1200min

yesmoderate extreme

GSI extreme120 145

cold start included no90 % max.

...

NEDCNEDC RDERDE15 °C250

70085 % of maxyes / no?

automatic< 130

NEDC example of a RDE cycle


Boundary Conditions for RDE Homologation

Typgenehmigung ab 1.9.2017

Dresden, 10.07.2017 40

+

Ges

chw

ind

igke

itv F

zg. [

km/h

]

0

40

80

120

Zykluszeit [s]0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

WLTC

RDE

Gesch

win

dig

keit

[km

/h]

0

40

80

120

160

Messzeit [s]0 800 1600 2400 3200 4000 4800 5600

Mobil mit Energie

Energiearten & Energiequellen

Energiearten• Chemische Energie (Kraftstoffe im Tank)

• Flüssig :Schweröl, Diesel Kerosin, Benzin

synthetische Kraftstoffe (CtL, BtL, GtL, PtL)

• Gasförmig : Erdgas (CNG), LPG, LNG, Wasserstoff

synthetische Kraftstoffe (PtG)

• Elektrische Energie : Batterie als Speicher

Energiequellen : • „Energie von unten“ Fossil

• CO2 neutral : Wind, Wasser Sonne, Erdwärme, Kernenergie Sonne in Tank PtL, PtG


Tanken


1953

Kenndaten flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe

ZusammensetzungMolmasse

Dichte bei15°C

Siedepunkt,-bereich Hu

Luftbedarftheoret.

Verdamp-fungswärme ROZ MOZ CaZ

C H O

Gewichts-% kg/kmol kg/dm3 °C b. 1 barMJ/kg b. 1 bar kg/kg kJ/kg

VergaserkraftstoffNormal 85 15 0 98 0,715-0,755 30-200 43,5 14,7 92 84 14

VergaserkraftstoffSuper 85 15 0 98 0,73-0,78 30-200 42,7 14,6 98 88 8

Motoren-BenzolC6H6 91 8 0 78 0,875 80-160 40,4 13,5 98 91 10

Dieselkraftstoff 85 15 0 170 0,84-0,88 170-360 42,7 14,5 40-55

Schweröl 86

13Rest:S,... 0 198 0,95 175-450 41,3 15 34-44

Methan CH4gasförmig 75 25 0 16 0,72x10-3 -162 49,8 17,2 120 115Propan C3H8 81,7 18,3 0 44,1 2,01x10-3 -42 46,3 15,6 111 97

Ethanol C2H5OH 0 46 0,789 78,3 26,9 9

Methanol CH3OH 38 12 50 32 0,795 65 19,6 6,4 >110 92 ~3

Wasserstoff H2gasförmig 100 0 2,0156 0,09x10-3 -253 119,6 34,6

Rapsmethylester RME 77 12 11 0,83-0,84 39,9


=11.870 Wh/kgBatterie 100 Wh/kg

Erdöl Erdgas

Barrel m3

Verbrauch/Jahr 3,36E+10 3,39E+09Reserve 1,70E+12 1,87E+11Reichweite Jahre 50,6 55,1


Die zehn größten CO2-emittierenden* Länder nach Anteil an den weltweiten CO2-Emissionen im Jahr 2016

Quelle: Germanwatch; EIA; ID 179260

Hinweis: Weltweit

28,21%

15,99%

6,24%

4,53%3,67%

2,23% 1,75% 1,72% 1,71% 1,56%

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

China USA Indien Russland Japan Deutschland Korea Iran Kanada Saudi-Arabien

Ant

eil a

n de

n w

eltw

eite

n C

O2-

Em

issi

onen


http://de.statista.com/statistik/daten/studie/179260/umfrage/die-zehn-groessten-c02-emittenten-weltweit

Gasmotor

Infrastruktur Tankstellennetz

Compressed Natural Gas Liquefied Petroleum Gas

Hauptbestandteil: Methan Hauptbestandteil: Butan/Propanleichter als Luft schwerer als Luft

Speicherung bei 200bar Speicherung bei 10bar

C3H8

C4H10


Anstieg im GüterverkehrQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium


StraßengüterverkehrQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium



Alternative AntriebeAlternative Energiearten

RIP Reichweite – Infrastruktur – Preis

CO2 Well to wheel

Power to Liquid Fuels

Regenerativ erzeugte

elektrische Energie

Verbraucher

H2O

CO2 H2CO

Fischer-Tropsch-Synthese

CxHy

Transport des flüssigen Kraftstoffs

Hydrocracking

Bildung von Synthesegas


Synthetische Kraftstoffe PtL: Power-to-Liquid


Strukturformel: CH3O(-CH2O-)nCH3Keine Kohlenstoff-Kohlenstoff Verbindung (C-C frei)Sogenannter C1-Kraftstoff

Oxymehtylgruppe: (-CH2O-)nn= 1 OME1n= 6 OME6

Mit steigender Anzahl der Oxymethylgruppe steigt der Sauerstoffmassenanteil, OME6 = 49,5%

OME3 44% OME4 30% OME5 18% OME6 7%

OME3-6 blend

Oxymethylendimethylether, kurz: OME

PM [g

/h]

012345678

NOx [g/h]0 10 20 30 40 50 60

Diesel OME 3-6

ACP66, pmi=14bar

eta Pi

[-]

0.405

0.410

0.415

0.420

0.425

0.430

0.435

0.440

NOx [g/kWh]0 2 4 6 8 10 12 14

bio-fuels – the solution?

Mobil mit Energie 53

Biokraftstoffquotengesetz

• Das Biokraftstoffquotengesetz (BioKraftQuG) trat im Januar 2007 in Kraft und verpflichtet die Mineralölwirtschaftet zunehmend Biokraftstoffe in den Markt zu bringen.

• Seit dem 01.01.2015 bezieht sich die Quote jedoch nicht mehr am Kraftstoffverbrauch sondern auf die durchBiokraftstoffe vermiedenen Treibhausgase.

o 3,0 % Treibhausgas-Einsparung ab 2015




Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung

Die Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung ist eine Maßnahme zu nachhaltigen Verbesserung der CO2-Bilanz von Biokraftstoffen. Seit 2011 mit folgenden Vorgaben in Kraft:

• Keine Umwidmung von Anbauflächen

o Mit hohem Kohlenstoffgehalt

o Natur- und Regenwälder

o Großer biologischer Vielfalt (z.B. Moore)

• Einsparung an Treibhausgasen gegenüber fossilen Brennstoffen in der gesamten Herstellungs- und Lieferkette von

o 35 % bis Ende 2016

o 60 % ab 01.01.2017, für Schnittstellen die nach dem 05.10.2015 in Betrieb genommen wurden

o 50 % ab 01.01.2018, für Schnittstellen die vor dem 05.10.2015 in Betrieb genommen wurden


Alternative Antriebssysteme PKW

Realfahrten vom TÜV-Süd und Hersteller-/Kundenfahrten

Sommer:

Winter:

ReichweiteSommer:

18,7 kWh LE

Elektrofahrzeug

G/M

400V

13kWh/100km

23kWh/100km

VW e-Up i3

144 km

47kWh/100km

LE24 kWh

Elektrofahrzeug

Range-Extender

G/M

76,5 kWh

G

400V

40kWh/100km

9 l

BMW i3

250 km

PHEV

LE

382,5 kWh

4,5 kWh

G/M

400V

49kWh/100km

52kWh/100km

45 l

Toyota Prius

789km

Konventioneller

Verbrennungsmotor

540 kWh

44kWh/100km

47kWh/100km

50 l

Golf-Diesel

1.227km

durchschnittlicheVerbrauchsangaben bezogen auf Maximalreichweite


Nutzkapazität: 8,9 kWh

Energiebedarf

13 kWh/100 km

Reichweite

68 km

SOC 0%

SOC 100%

50%Nutzkapazität:

6,6 kWh

Reichweite

50 km

100%

50%

Reichweite

35 km

Nutzkapazität: 4,6 kWh

75%Gesamtkapazität

Nominale Kapazität: 10 kWh

Alterung

Winterbetrieb

Alterung

0% SOC

23 kWh/100 kmzügige Fahrweise 38 km 28 km 20 km


Elektrische Energiespeicher im Winterbetrieb

Recharging

„Driving without fire?“ Dr. Rolf Leonhard, Robert Bosch AGTagung „Zukunft Energie“, Dresden 2013


WELL TO WHEEL ASSESSMENT ON CO2

ICE

BEV

PHEV

FCEV

TODA

YTO

MOW

ROW

308 diesel Stop&Start (Euro 6)

308 gasoline (Euro 6)

Electricity - France mix

Electricity - German mix

Electricity - China mix

PHEV - gasoline, France

H2 electrolysis renewable energy

H2 electrolysis - France mix

H2 methane reformers

0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% 160% 180%

Ref 100% 308 Diesel STT 91 g CO2/km (usage + fuel production)

Fuel production

Usage

Electricity

Quelle: 37th international Vienna Motor Symposium 2016, PSA


Strom-Mix Europa

Stand: 2016


Quelle : Der Verbrennungsmotor als Fahrzeugantrieb – Verfallsdatum oder Zukunft? Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher, Institut für Kolbenmaschinen (IFKM),Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Strommix 515 g CO2/kWh Bundesrepublik Deutschland

Energiemix in Deutschland 2011 • 37,5% emissionsfreier

Stromerzeugung (regenerativ 20%, Kernkraft 17,5%)

• 62,5% Strom aus fossilen Energieträgern (Steinkohle, Braunkohle, Gas: gemittelt 825 g CO2/kWh


Is this the future?


Lkw Langstrecke - Gewichtsklasse Gesamtzug 40 t :Wirkungsgrad E-Motor: 80% Wirkungsgrad Verbrennungsmotor: 40%

Energiedichte (Diesel) 11,9 kWh/kgKraftstoffmasse (1000 l) = 830 kg Kraftstoffenergie 9.9 MWh Nutzung 40% 3.96 MWhEnergiedichte (Li-Ion-Akku) 100 Wh/kg 3.96 MWh / (80% * 100 Wh/kg) = 49,5 t

Kunden und Absatz 20

Anzahl der Elektroautos in Deutschland von 2006 bis 2016

Hinweis: Deutschland

Quelle: KBA; ID 265995

1.931 1.790 1.436 1.452 1.5882.307

4.541

7.114

12.156

18.948

25.502

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Anz

ahl d

er P

kw


http://de.statista.com/statistik/daten/studie/265995/umfrage/anzahl-der-elektroautos-in-deutschland/

Power to Gas - Wirkungsgradkette

großtechnische Anlage Elektrolyse η=64%Stromnetz Lagerung/Transport/Speicherung

Kompression auf 200 bar η=97%

Methanisierung

Transport zur Tankstelle η=85%

CNG - Antriebskonzept η = 20%

nutzbare Energie100% 64%

62%

53%

nutzbare Energie11%

„Sabatier-Prozess“

CO2

H2O


Hellsturm

Brennstoffzelle

Quelle: AUDI AG

Brennstoffzellen in Fahrzeugen

Anzahl27

Wasserstofftankstellennetz – DStand: 2017 (öffentlich)


Brennstoffzelle Prozesskette

großtechnische Anlage Elektrolyse η=57%Stromnetz Lagerung/Transport/Speicherung


Wasserstoff bei Atmosphärendruck


Transport zur Tankstelle η=85%

Brennstoffzelle Fahrzeug η=50%

nutzbare Energie100% 57%

48%

41%38%

nutzbare Energie19%


Resümee

RIP Reichweite Infrastruktur Preis

• Verbrennungsmotoren werden weiter den weltweiten Transport von Gütern und Personen sichern auf der Basis ausreichend vorhandener fosssiler Kraftstoffe (auch Luftfahrt)

• Die Emissionsgrenzwerte werden durch die RDE-Zertifizierung eingehalten (LKW seit 2014, PKW ab 1.9.2017)

• Batterie-elektrische Fahrzeuge fahren lokal emissionsfrei, werden höchstens in Stadtnähe/ im Innenstadtbereich in größerer Zahl auftreten, wenn RIP stimmt.

• Wasserstoff und Brennstoffzelle haben die Zukunft noch vor sich: RIP

CO2• Batterie-elektrische Fahrzeuge reduzieren nicht die CO2 Emissionen in Deutschland Strommix• PtL-Kraftstoffe (Sonne, Wind) sind CO2-neutral, die Elektrolyse von Wasserstoff bei „Hellsturm“

muss kontinuierlich sein. Die Verfahren sind kostenintensiv, das Erdöl wird den Preiskampf gewinnen. Designer Kraftstoffe wie OME3-6 weisen hervorragende Verbrennungseigenschaften auf.

• Energiespeicher sind nicht in Aussicht• Die notwendige Regelkraftwerksleistung wächst mit den Sonnen- und Windenergie-Ernteanlagen.


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