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Geringer, Was treibt uns in Zukunft an?

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Auto.MOBIL - innovativ.bewegt
14.10.2014 / TU-Wien, Getreidemarkt
Was treibt uns in Zukunft an?
Univ. Prof. Dr. Bernhard Geringer
Agenda
□  Gesellschaftliche Randbedingungen und gesetzliche
Anforderungen an die zukünftige Mobilität
□  Weiterentwicklung der konventionellen Fahrzeugtechnik
□  Elektrifizierung des Antriebsstranges
□  Nutzung von alternativen Kraftstoffen und Energieträgern
□  Zusammenfassung und Ausblick
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 2 2.000
200
1.800
180
1.600
160
1.400
140
1.200
120
1.000
100
800
80
600
60
400
40
200
20
0
0
2010
2015
2020
Jahr
2025
2030
Entwickelte Regionen
Wenig entwickelte Regionen
Wenigst entwickelte Regionen
Fahrzeugproduktion
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 3 Fahrzeugproduktion (in Millionen)
Fahrzeuge (in Millionen)
Absatzentwicklung: Fahrzeugbestand und Fahrzeugproduktion
Quelle: ChrisEan Bauer; TU-­‐Wien ifa Diss. 2014 Herausforderungen bis 2030
Schwerpunkte:
weitere Senkung von:
•  Verbrauch
•  Stickstoffoxiden
•  Partikelanzahl
Erschwernis durch
realitätsnahe Prüfzyklen
Lösung:
ive
t
a
v
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In
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s
Antrieb
Innov
a
Krafts tive
toffe:
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 5 Emissionsgesetzgebung
Source: Jürgen Grimm; S. 147; AVL Tagung - Motor & Umwelt 2014
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 7 CO2 Emission neuer PKW in [gCO2/km]
Durchschnittliche CO2 PKW-Neuwagen-Flottenemission in der EU
180
Alle Treibstoffe
160
Benzin
Diesel
140
Zielwert 2015
130 gCO2/km
120
100
Zielwert 2020
95 gCO2/km
80
2000
2005
2010
Jahr
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 8 2015
2020
Quelle: EEA 2014
CO2-Neuwagen-Flottenverbrauch für PKW in der EU im Vergleich
zu den gesetzlichen Zielvorgaben 2015 und 2020
CO2 Emissionen in [g/km]
170
in d
2
1
0
2
150
110
(=13
143
138
142
138
137
137
132
132 133 133
129 127129
kg))
15
1
0
0
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EU
EU
U
141
E142
Neuw
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107
E300 Bluetec Diesel Hybrid
90
m
(=95g/k
21
it für 20
372kg))
CO 2 Lim rzeugmasse -1
3*(Fah
+ 0,033
79
70
99 IS 300h
95
85
89
Jetta Hybrid
88
Prius Hybrid
99
3008 Diesel Hybrid
DSS Diesel Hybrid
Auris Hybrid
Yaris Hybrid
50
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
Durchschnittliches Flottengewicht [kg]
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 10 1800
1900
Quelle: S. ; AVL Motor & Umwelt 2014
Treiber CO2: Optimierungsansätze
Konventionelle
Verbrennungsmotoren und
Fahrzeugkomponenten
• 
• 
• 
• 
Motoreffizienz,
Leichtbau,
Aerodynamik,
Wärmemanagement
Elektrifizierung
• 
• 
• 
• 
• 
Hybrid,
Plug-In,
REX,
BEV,
Brennstoffzellen
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 11 Alternative
Kraftstoffe
•  Synthetische und
biogene Kraftstoffe,
•  E-fuels,
•  3. Generation (z.B.
Algen)
Technologie Entwicklung zur CO2-Reduktion
Quelle: Lösche-ter Horst T.; 25. AVL-Motor&Umwelt 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 12 Agenda
□  Gesellschaftliche Randbedingungen und gesetzliche
Anforderungen an die zukünftige Mobilität
□  Weiterentwicklung der konventionellen Fahrzeugtechnik
□  Elektrifizierung des Antriebsstranges
□  Nutzung von alternativen Kraftstoffen und Energieträgern
□  Zusammenfassung und Ausblick
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 13 CO2 Reduktionspotentiale bei Benzinantrieben
8%
15%
2%
5-8%
2%
4%
4%
2%
2-3%
4%
7%
2-8%
20%
15%
18%
3-4%
25%
NEDC
WLTC
Source: Jürgen Grimm; AVL Tagung - Motor & Umwelt 2014
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 17 Optimierungspotenzial beim Diesel-Verbrennungsmotor
• 
Abgasnachbehandlungsmodule
• 
• 
• 
• 
• 
Neue Sensoriken und
Verbrennungsführung
Thermodynamik
Brennverfahren
Einspritzung
(Druck!)
• 
• 
• 
• 
• 
Aufladung
Downsizing
Downspeeding
• 
• 
• 
Mechanik
Reibung
neue Werkstoffe
Thermomanagement
Abwärme Nutzung
"   Noch viele nutzbare Potenziale – aber bei bestimmten Mehrkosten
! 15 bis 20% in den nächsten 10 Jahren
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 18 Oxidationskatalysator
Stickoxidsensor
SCR-Katalysatoren
Temperatursensor
Stickoxidsensor
Partikelfilter
Lambdasonde / Temperatursensor
Mischerkühlung
Abgasnachbehandlung / Selektive Katalytische Reduktion SCR
Hoch
Niedrig
¨  Gute Ammoniak Verteilung
¨  Schnelle Aufheizung
Niedrig
AmmoniakKonzentration
¨  Motornaher SCR Kat
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 19 Hoch
Innovation – Chemischer Wärmespeicher
¨  Aspekte thermochemischer Speicherverfahren
-  hohe spezifische Energiedichten erreichbar
-  kein Isolationsaufwand erforderlich, da Reaktanten getrennt gelagert werden
-  verlustlose Speicherung über lange Zeiträume
-  Fahrzeugklimatisierung/-kühlung durch Entzug von Verdampfungswärme möglich
¨  Prinzip der Heterogenverdampfung
-  Dissoziationsreaktionen bei
konst. Druck und Temperatur
(f)
(f)
(fl)
(g)
∆H > 0
Reaktorpaket
(f)
(g)
(f)
(f)
(g)
(fl)
∆H < 0
f…fest,
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 20 fl…flüssig,
g…gasförmig
Quelle: ifa
CULT Innovation - Gewinner des Österreichischen Staatspreises
„Mobilität 2013“
Engine
•  > 40 kW
• 
• 
• 
• 
• 
Ziele:
Ultra Leichtfahrzeug
•  Gesamtgewicht: 600 kg
•  Reduzierte Fahrwiderstände
•  < 50 g CO2 / km in NEFZ
•  CNG-Direkteinblase Betrieb
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 22 3 Cylinder
660 cc
Turbocharged
Direct injection
Inlet VVT
Transmission
•  6 Gears
•  Robotized shifting
•  Dry sump
•  Low friction lubricant
Micro Hybrid (mini E-drive)
Projekt CULT - Potenzial zur CO2-Reduktion
Quelle: Magna, Fritz,, 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 27 Agenda
□  Gesellschaftliche Randbedingungen und gesetzliche
Anforderungen an die zukünftige Mobilität
□  Weiterentwicklung der konventionellen Fahrzeugtechnik
□  Elektrifizierung des Antriebsstranges
□  Nutzung von alternativen Kraftstoffen und Energieträgern
□  Zusammenfassung und Ausblick
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 30 PKW-Antriebskonzepte
Konventionelles
Fahrzeug
(CV)
Konfiguration
Verbrennungsmotor
90 kW▪
Treibstofftank 60 l▪
Abgasnachbehandlung
Plug-In Hybrid
Fahrzeug
(PHEV)
Konfiguration
Verbrennungsmotor
60 kW▪
Treibstofftank 40l▪
Abgasnachbehandlung▪
E-Maschine 50 kW▪
Batterie 11,2 kWh
Range-Extender
Fahrzeug
(REX)
Konfiguration
Verbrennungsmotor
15 kW▪
Treibstofftank 10 l▪
Abgasnachbehandlung ▪
E-Maschine 90 kW▪
Batterie 23,4 kWh
Batterie
Elektrisches
Fahrzeug
(BEV)
Konfiguration
E-Maschine 90 kW▪
Batterie 23,4 kWh
Brennstoffzellen
Elektrisches
Fahrzeug
(FCEV)
Konfiguration
E-Maschine 90 kW▪
Brennstoffzelle 95
kW▪ Batterie 5 kWh▪
Wasserstoff 5 kg
Quelle: Christian Bauer; TU-Wien ifa Diss. 2014
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 31 Fahrweitenanforderungen nach Elektrifizierungsgrad
Quelle: Tousen J.; Aachen 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 32 Spannungsniveau – Kernelement für regeneratives Bremsen
BRS: Boost Recovery System
Quelle: Uhl Marc et al. Aachen 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 33 Klassifikation und Potenzial: Hybrid bis Elektroantrieb
CO2
Reduktionspotenzial
Basis
Mild: 10 – 15 %
Full: 15 – 25 %
PHEV: > 50 %
Bei Reichweite > 25 km
BEV / FCV:
100% (lokal)
15 – 25 %
(auf CO2-Kette)
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 34 Hardware-­‐in-­‐the-­‐Loop⎟ Systemskizze So*ware Hardware n gemessen ; Mgemessen VKM Kupplung Getriebe RSG* dynamische Belastungs-­‐ maschine Ba^erie Rapid Prototyping Steuergerät Fahrzyklus vFzg,soll M Fzg,Widerstand vFzg,ist α Fahrpedal Fahrermodell * Riemen-­‐Starter-­‐Generator ¨  Powertrain-­‐in-­‐the-­‐Loop: -  Gesamte Fahrzeug-­‐Antriebsarchitektur als Hardware am Prüfstand ausgeführt -  Vorgabe der Fahrzeugwiderstände sowie Fahrpedalregelung für Belastungsmaschine und Rapid Prototyping Steuergerät wird von der Prüfstandsso.ware übernommen -  Reale Abbildung der Getriebeschaltungen sowie HybridfunkEonalitäten (RSG + Ba^erie) Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 35 Hardware-­‐in-­‐the-­‐Loop⎟ Modellstruktur & Betriebsstrategien Betriebsstrategien:
- 
- 
- 
- 
Lastpunktverschiebung
Boosting
Elektrisches Fahren
Start/Stop
Untersuchung an:
-  Verbrennung und
Ladungswechsel
- 
- 
- 
- 
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 36 Ladekonzepte
Schaltstrategien
Abgasnachbehandlung
Dimensionierung
elektrischer
Komponenten
Hardware-­‐in-­‐the-­‐Loop⎟ Eigenentwickeltes numerisches OpBmierungstool Motivation:
Ziel:
Simulation eines Fahrzeuges für bestimmte
Fahrzyklen dauert mehrere Minuten
Möglichst gute Lösung in akzeptabler Zeit finden
Beispiel: ParEcle-­‐Swarm-­‐OpEmizaEon a) DefiniEon des Suchraums b) Lösungen möglichst gleichverteilt im Suchraum posiEonieren c) Parameterwerte sollen sich in Richtung der besten bekannten Lösungen bewegen -­‐  Keine GaranEe die beste Lösung zu finden, aber + möglichst gute Lösung mit akzeptabler Rechenzeit Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 37 Hardware-­‐in-­‐the-­‐Loop⎟ Eigenentwickeltes numerisches OpBmierungstool ¨  Kombination von 4 Methoden:
Austausch aller Lösungen Monte-­‐Carlo ParEcle-­‐Swarm-­‐OpEmizaEon ja nein Ausgangslösungen Beste Lösung wird Versucht zu verbessern Surface-­‐Fijng Verbesserung? GeneEc Algorithm Downhill-­‐Simplex Hohe Spezialiserung, kleiner Suchraum nein Hohe Diversität, großer Suchraum Austausch von Lösungen des Parameterwerte der besten Lösung zu ähnlich sind RekombinaEon und zufällige Veränderung bereits bestehender Lösungen Verbesserung? ja Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 38 PublicaBons: Planer, M.; Krenek, T.; Lauer, T.; Geringer, B.; Zuschro^, M.: OpEmizaEon of hybrid strategies with heurisEc algorithms. Int. Stu^garter Symposium Automobil-­‐ und Motorentechnik, 2012 (Abstract submi^ed) Hardware-­‐in-­‐the-­‐Loop⎟ opBmierte Betriebsstrategien Kumulierter Verbrauch Opt. Betriebsstrategie Start-­‐Stop Strategie Konv. Strategie Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 39 Treibhausgasemissionen in g CO2/km
CO2 Emissionen über den Lebenszyklus
(15 000 km/a; 200 000 km Laufleistung; Kompaktfahrzeug)
180 160 Σ 165
Σ 155
Nutzung (TTW) 140 Ba^erieherstellung Σ 100
120 Fahrzeugherstellung 100 80 Energiebereitstellung (WTW) 60 40 20 0 Diesel-­‐PKW E-­‐PKW Österreich E-­‐PKW EU Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 40 Quelle: IFA Tober 2012;
Audi, Hollerweger, 2012
Brennstoffzelle – Fuel Cell Vehicle FCV
Antriebsvariante
Optimierung
Lokale Emissionsfreiheit und
geschlossener CO2-Kreis bei
regenerativer Energie
Brennstoffzellen Antrieb
Derzeit noch:
Hohe Herstellkosten der FC
Derzeit noch:
Fehlende Wasserstoff - H2-Infrastruktur
Ø  Es muss markanter Fortschritt im Kostenkapitel gelingen, um eine
Breitenakzeptanz zu erreichen – ebenso muss H2-Netz aufgebaut werden
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 44 Brennstoffzellenantrieb - Entwicklungsstatus
Quelle: Yang Seungwook.; 25. AVL-Motor&Umwelt 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 45 Agenda
□  Gesellschaftliche Randbedingungen und gesetzliche
Anforderungen an die zukünftige Mobilität
□  Weiterentwicklung der konventionellen Fahrzeugtechnik
□  Elektrifizierung des Antriebsstranges
□  Nutzung von alternativen Kraftstoffen und
Energieträgern
□  Zusammenfassung und Ausblick
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 47 Transportation Fuel Mix by Region
Quelle: Roger Cracknell; Baudouin Kelecom; S. 105; AVL Tagung - Motor & Umwelt 2014
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 49 Diversity of Alternative Fuels
Gaseous alternative
fuels
Liquid alternative fuels
Synthetic Fuels
GTL
CNG
SNG
BTL DME
OME
H2
Bio fuels: 1st Generation / 2nd Generation
Methane
Bio
methane
H2
Veg. oil
Cold pressed
Refined
Biodiesel
FAME
RME
.....
Ethanol
EtOH
LC-EtOH
.....
HVO Oxygenates LNG
Hydro treated
Vegetable Oil
NExBTL
...
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 51 Glyme,
Polyether,
Tributylcitrat,
Levulinat,
Valeriat
Butanol
...
Energiespeicher-Technologie im Vergleich
Quelle: Reinhard Otten; ÖAMTC-Expertenforum am 17. September 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 52 Operating Principle of Audi E-GAS
Quelle: Reinhard Otten; ÖAMTC-Expertenforum am 17. September 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 54 PN/NOx-Trade-off nur bei OME1/DK-Mischungen und DK, nicht bei OME1a
Quelle: Wolfgang Maus et al.; 35 WMS 2014
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 60 Resümee Alternativkraftstoffe:
Ø  Bündel an Möglichkeiten mit guten bis besten CO2 Ergebnissen bei Weiternutzung der bewährten VKM
Technologie und der bekannten Infrastruktur für Verteilung und
Fahrzeugspeicherung
Ø  Nachteile sind die bis auf weiteres höheren Herstell- und
Erstinvestitionskosten
Ø  Problem ist auch die Unsicherheit der Randbedingungen aus
politischer und gesellschaftlicher Sicht
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 64 Agenda
□  Gesellschaftliche Randbedingungen und gesetzliche
Anforderungen an die zukünftige Mobilität
□  Weiterentwicklung der konventionellen Fahrzeugtechnik
□  Elektrifizierung des Antriebsstranges
□  Nutzung von alternativen Kraftstoffen und Energieträgern
□  Zusammenfassung und Ausblick
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 65 Prognostizierte Antriebsentwicklung (Szenario: keine markanten
Kostenänderungen bei Batterien zu heute)
FCEV
BEV
REX
120.000.000 FahrzeugprodukBon 100.000.000 PHEV
80.000.000 60.000.000 40.000.000 20.000.000 0 2015 CV
2020 2025 2030 Quelle: Christian Bauer; TU-Wien ifa Diss. 2014
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 66 Prognostizierte Antriebsentwicklung (Szenario Herstellkosten der
Traktionsbatterie 2020: 200 €/kWh)
120.000.000 FCEV
BEV
FahrzeugprodukBon 100.000.000 80.000.000 REX
60.000.000 PHEV
40.000.000 20.000.000 0 2015 CV
2020 2025 Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 67 2030 Quelle: Christian Bauer; TU-Wien ifa Diss. 2014
Große Anforderungen viele Lösungswege:
Ø  Es gibt keinen Königsweg für die Erreichung der ambitionierten CO2-Ziele
Ø  Jede Alternative hat auch wesentliche Nachteile
Ø  Blumenstrauß an Antriebsvielfalt in der nächsten Zukunft:
Ø 
VKM optimiert für kleine/einfache und auch „exotische“
Fahrzeuge mit kleinen Stückzahlen
Ø 
Hybrid und Plug In für die breite Mittel – und Oberklasse
Ø 
Reine E-Fahrzeuge für Kurzstrecke/Stadt
Ø 
FCV für Langstrecke
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 69 Fazit:
Ø  Für Hersteller fast ein Alptraum – für Forscher und Zulieferer
Traumzustände
Ø  Aber egal wie schnell sich die Alternativen entwickeln, die TU-Wien
arbeitet in allen Bereichen der Mobilität an vorderster Front mit wie:
Energiemanagement
Hybridisierung
Elektromobilität
Leichtbau
Materialforschung
und vielen anderen wichtigen Forschungsfeldern.
Quelle:.; Durrieu D.; 25. AVL-Motor&Umwelt 2013
Was treibt uns in Zukun. an? 14.10.2014 | TU-­‐Wien| B. Geringer | Folie 70 Danke für Ihre Aufmerksamkeit
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