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Alles nur noch Bio und Elektro? – Wie sieht der Antrieb der Zukunft

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1. Jahrestagung „Chancen der Energiewende“ des KIT-Zentrums Energie
19. Juni 2012
Alles nur noch Bio und Elektro? – Wie sieht der Antrieb der Zukunft
wirklich aus?
Dr. Amin Velji
INSTITUT FÜR KOLBENMASCHINEN

Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und
nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
www.kit.edu
INHALT
• Einleitung
• Quelle-Rad-Bilanz: CO2-Emission
•Zusammenfassung
2
19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
INHALT
• Einleitung
• Quelle-Rad-Bilanz: CO2-Emission
• Zusammenfassung
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
CO2 reduction needed to limit global warming to maximum 2 K
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Geschätzte globale CO2-emission/Jahr (2000)
Source: FAT, AK-Emissionen-Luftqualität, 6/2002; Herrmann DaimlerChrysler
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Fahrzeugantrieb? → Mobilität?
Statement: Johannes Liebl, 2008 (BMW Group)
Der Klimawandel, der weltweit wachsende
Energiebedarf, die Endlichkeit der fossilen
Energieressourcen und politische Krisen gefährden
unsere Mobilität.
Mobilität ist aber eine elementare Voraussetzung
unserer arbeitsteiligen Wirtschaftsordnung und
damit ein Schlüsselfaktor für Beschäftigung,
Wohlstand und Lebensqualität.
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
INHALT
• Einleitung
• Quelle-Rad-Bilanz: CO2-Emission
• Prognosen
• Zusammenfassung
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Elektromobilität und Verbrennungsmotor
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Zugrunde gelegte Daten und Annahmen: Verbrennungsmotor
Referenzfahrzeug aus dem C-Klasse-Segment
(Mittelklasse)
Lebenszyklusanalyse
Jahresfahrleistung: 600 Mrd. km
Fahrzeugmasse
1700 kg
Rollwiderstandsbeiwert
0,012
Luftwiderstandsbeiwert
0,29
Stirnfläche
2,23 m2
Verbrauch im NEFZ
Benzin: 7,2 l/100 km
Diesel: 5,1 l/100 km
Verhältnis= Benzin:Diesel = 70:30
Verbrauch im
Realbetrieb
Benzin: 8,5 l/100 km
Diesel: 6,2 l/100 km
Jahresproduktion: 110 Mio. t CO2
Anzahl der Pkw: 42 Mio.
Lebensdauer: 15 Jahre
Gesamtfahrleistung/Pkw: 250.000 km
Wirkungsgrad:
CO2-Ausstoß pro Pkw im Lebenszyklus
Benzin: 58.100 kg
• Benzin: ηAntrieb = 28%
• Diesel: ηAntrieb = 34%
47.800 kg + ca. 10% Kraftstoffproduktion: 53.100 kg
zuzüglich 5.000 kg Fahrzeugproduktion
Diesel: 48.900 kg
39.500 kg + ca. 10% Kraftstoffproduktion: 43.900 kg
zuzüglich 5.000 kg Fahrzeugproduktion
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Zugrunde gelegte Daten und Annahmen: Elektromotor
Referenzfahrzeug aus dem C-Klasse-Segment
(Mittelklasse)
Lebenszyklusanalyse
Jahresfahrleistung: 600 Mrd. km
Fahrzeugmasse
1700 kg
Rollwiderstandsbeiwert
0,012
Luftwiderstandsbeiwert
0,29
Stirnfläche
2,23 m2
Verbrauch im NEFZ
Benzin: 7,2 l/100 km
Diesel: 5,1 l/100 km
Verbrauch im
Realbetrieb
Benzin: 8,5 l/100 km
Diesel: 6,2 l/100 km
Anzahl der Pkw: 42 Mio.
Lebensdauer: 15 Jahre
Gesamtfahrleistung/Pkw: 250.000 km
Strommix BRD: 515 g CO2/kWh (konv.
62,5%/erneuerbar 20%/Kernenergie
17,5%)
ηAntrieb = 95%
CO2-Ausstoß pro PKW im Lebenszyklus
Gesamt: 76.800 kg
61.800 kg+ 5.000 kg Fahrzeugproduktion
+ 2x5.000 kg für Batterie
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CO2-Emissionen für Fahrzeug-Lebenszyklus
(jeweils 15 Jahre; 250000 km)
80000
2012
Lebensdauer-Nutzung
70000
2025
Produktion Batterie / Kraftstoff
CO2-Emissionen
[kg]
CO2-Emissionen [kg]
60000
Produktion Referenzfahrzeug
50000
40000
30000
20000
10000
0
Benzin
Diesel
Strom
Wechsel zur Elektromobilität im Jahre 2012: 50 Mio. t zusätzliches CO2 pro Jahr (50% mehr)
(technischer Stand im Jahre 2025: 66 Mio. t zusätzliches CO2 pro Jahr)
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Institut für Kolbenmaschinen
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Lebenszyklusanalyse: CO2-Emissionen
Annahmen bis 2040
Lebensdauer/Fahrleistung eines Fahrzeugs: 15 Jahre / 250.000 km
Referenzfahrzeug (2011 - 2025): 8,5 l Benzin / 6,2 l Diesel;
2. Referenzfahrzeug (2026 - 2040): 5,5 l Benzin / 4,0 l Diesel
Fahrzeugproduktion; Kraftstoffbereitstellung (bis Tank); Strom (bis
Akkumulator); Herstellung des Akkumulators + Ersatz: unverändert
Strommix in BRD (Erneuerbar/Kernenergie/Konventionell):
Heute: 17 % / 23 % / 60 %
2025: 35 % / 5 % / 60 %
ab 2030 erneuerbare Energie > 40 %; bis 2040 Zunahme auf 60 %
Vereinfachung: Ladehub beim Akkumulator 100 % (nicht möglich)
Verdopplung der Energiedichte der Batterie
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19.6.2012
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CO2-Emissionen für gesamten Fahrzeug-Lebenszyklus
(jeweils 15 Jahre)
CO2-Emissionen [kg]
90000
Lebensdauer-Nutzung
80000
Produktion Batterie / Kraftstoff
70000
Produktion Referenzfahrzeug
60000
50000
40000
30000
20000
10000
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Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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5
5
0
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Alles nur Elektro?
Nein, denn, von den Kosten abgesehen, würde sich die CO2Emission beim 100%-igen Wechsel zum reinen Elektroantrieb
erheblich erhöhen
Aber
Für Nischenanwendungen machen reine E-Autos Sinn, denn
sie sind, lokal gesehen, emissionsfrei
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
zukünftige Mobilitätsstruktur
Fazit:
E-Mobilität sinnvoll für Nischenanwendungen und
Stadtverkehr
Verbrennungsmotor wird auf lange Sicht der
dominierende Antrieb sein und durch Weiterentwicklung
zur Senkung der CO2-Emissionen beitragen
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Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
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Biokraftstoffe
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Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Was könnte der Kraftstoff der Zukunft sein?
Erdöl wird es bald nicht mehr geben
Elektroantrieb und elektrische Speicher für individuelle
Mobilität nicht geeignet und zu teuer
Gas ist geeignet, aber wie Erdöl nur begrenzt zur
Verfügung
Wasserstoff muss mit hohem Energieaufwand erzeugt
werden; Speicherung problematisch
Synthesekraftstoffe aus biologischen Reststoffen sind
geeignet (Tailor-made-Fuels mit hoher Energiedichte)
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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Quelle: BMU 03/2012
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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Erneuerbare Energie
Geringer Flächenbedarf für hohe Anteile von Biokraftstoffen
Quelle: FAO; Metzger and Hüttermann, 2/2009 , www.unendlich-viel-energie.de
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19.6.2012
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CO2-Minderungspotenzial von Biokraftstoffen
Quelle: Hadler, J., „Mobilität im Spannungsfeld globaler Energieketten“, 32.
Internationales Wiener Motorensymposium, 2011
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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CO2-Emissionen für gesamten Fahrzeug-Lebenszyklus:
mit und ohne Bioanteil (jeweils 15 Jahre)
2026 - 2040
45000
Lebensdauer-Nutzung
40000
Produktion Batterie / Kraftstoff
Produktion Referenzfahrzeug
CO2-Emissionen [kg]
35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
Benzin
Diesel
Bioanteil: 0%
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Benzin
Diesel
Bioanteil: 50%
CO2-Reduktionspotenzial: 90%
Institut für Kolbenmaschinen
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Alles nur Bio?
Im mobilen Bereich ja, weil:
• Biokraftstoffe ein hohes CO2-Vermeidungspotenzial haben
• vorhandene Infrastruktur nutzbar
• Biokraftstoffe können zu akzeptablen Kosten hergestellt werden
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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INHALT
• Einleitung
• Quelle-Rad-Bilanz: CO2-Emission
• Zusammenfassung
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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Weltweiter Marktanteil der Antriebe in
Neufahrzeugen
100%
90%
80%
70%
Brennstoffzelle
60%
Diesel-Hybrid
50%
Otto-Hybrid
40%
konv. Otto+Diesel
30%
20%
10%
0%
2005
2015
2025
2035
2045
Quelle: Nissan
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Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
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Prof. Dr.-Ing. U. Spicher
Forecast: Fuels for Powertrains
• Since there are no natural H2
sources, H2 is not an energy
source, but rather an energy
carrier
• World Energy Council: H2
will play no significant role
in the next 50 years
• Proportion of fossil fuels will
decrease from 2050 on
• Liquid fuels will still dominate
in 2100 (combustion engines)
source: WEC
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19.6.2012
Jahrestagung „Chancen der Energiewende“
Institut für Kolbenmaschinen
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Schlussfolgerungen
Verbrennungsmotoren wird es noch lange geben
Flüssige Kraftstoffe mit sehr hoher Energiedichte wird es ebenfalls
so lange geben, so lange es Verbrennungsmotoren gibt
CO2-Reduktion > 90% nur möglich mit “kohlenstofffrei”:
Biokraftstoffe für mobile Anwendung
Stromerzeugung mit erneuerbaren Energieträgern
Empfehlung
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Flüssige Kraftstoffe für automobile Anwendung
Nicht-Flüssige Kraftstoffe für stationäre Anwendung
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19.6.2012
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