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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
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Agenda
1. Transportarten2. Antriebsarten3. Energiearten4. Alternative Energiearten & Energiequellen 5. Zukunft
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Transportation 1
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Transportation 2
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Singapore China FAZ 29.6.2017
Transportation 3
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Transportation 4
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Transportation 5
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Theoretische und experimentelle Untersuchung von Energierekuperationssystemen in Verbindung mit zweistufigen thermischen Verbundverfahren bei Verbrennungskraftmaschinen-anlagen
Dissertation 2015 TU DresdenChristian Martin Maier
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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
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Doppelstock-Container
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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
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Irrwege
Main-Donaukanal172 km Bamberg-Kehlheim80/184 Höhenunterschied 16 Schleusen
ca. 3600 Lastschiffe pro Jahr
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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
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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
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350
42500
7002
Luftfracht Seefracht (> 100 gt) Straßentransport (NKW)
Weltweite Transportleistung(109 Tonnenkilometer / Jahr)
Quelle: MAN, 2007
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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
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Energy Consumption by Transportation (in Trillion BTUs) 84%
Source: BTS, National Transportation Statistics.
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Freight transport in the EU-28 modal split of inland transport modes(% of total tonne-kilometres)
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Personenverkehr nach Verkehrsmitteln 2010 (Quelle: Destatis)
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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
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Source: Presentation R. Thom, Emission Control Dresden 2010
Holidays16%
Weekend8%
Visitfamily/friends
9%
Work >25km29%
Work <25km27%
Shopping7%
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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)
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Der Antrieb
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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
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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
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260 bis 370 Euro je PS Leistung11.500 t Schweröl 5,3 Mio. €400 t Dieselöl für den Betrieb in ausgewiesenen Umweltschutzgebieten ECAS
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0
50
100
150
200
250
300
10 15 20 25
Tonn
en
Knoten
Kraftstoffverbrauch/Tag
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MAN Diesel & Turbo 48/60
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Abgasemission
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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)
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Motorexterne MaßnahmenQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium
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Liquified Natural Gas
Gasförmige KraftstoffeQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium
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Aida im Eismeer
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NO2-Emission nach Quellkategorien (Quelle: UBA)
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NO2 Jahresmittelwerte 2014
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MAK max. zulässige Arbeitsplatzkonzentration
NO2
8h x 5 Tage 950 µg/m³
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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
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[Quelle: 2016, Mercedes-Benz BlueTec - The Emmission control system of the new E-Class, 8. Emission Control 2016]
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 35
DieselpartikelfilterAbscheidegrad >99,9%
NOX ↓Partikel ↓HC ↓CO ↓
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Scania Euro 6 engine and exhaust aftertreatment system.
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DieselpartikelfilterAbscheidegrad >99,9%
2 SCR + ASC
Oxidationskatalysator
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Herausforderung – Abgastemperatur
Thermischer Arbeitsbereich der NOx-Abgasnachbehandlungssysteme
Paule, Daimler AG, Vortrag Emission Control, Dresden 2006
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 37
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• 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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 38
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⇒ 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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 39
Boundary Conditions for RDE Homologation
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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
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 41
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Tanken
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 42
1953
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 43
=11.870 Wh/kgBatterie 100 Wh/kg
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Erdöl Erdgas
Barrel m3
Verbrauch/Jahr 3,36E+10 3,39E+09Reserve 1,70E+12 1,87E+11Reichweite Jahre 50,6 55,1
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 44
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 45
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 47
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Anstieg im GüterverkehrQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 48
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StraßengüterverkehrQuelle: Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 735, 32. Internationales Wiener Motorensymposium
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 49
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Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 50
Alternative AntriebeAlternative Energiearten
RIP Reichweite – Infrastruktur – Preis
CO2 Well to wheel
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Power to Liquid Fuels
Regenerativ erzeugte
elektrische Energie
Verbraucher
H2O
CO2 H2CO
Fischer-Tropsch-Synthese
CxHy
Transport des flüssigen Kraftstoffs
Hydrocracking
Bildung von Synthesegas
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 51
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Synthetische Kraftstoffe PtL: Power-to-Liquid
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 52
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
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bio-fuels – the solution?
Mobil mit Energie 53
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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
o 4,5 % Treibhausgas-Einsparung ab 2017
o 7,0 % Treibhausgas-Einsparung ab 2020
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 54
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 55
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 56
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 57
Elektrische Energiespeicher im Winterbetrieb
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Recharging
„Driving without fire?“ Dr. Rolf Leonhard, Robert Bosch AGTagung „Zukunft Energie“, Dresden 2013
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 58
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 59
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Strom-Mix Europa
Stand: 2016
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 60
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 61
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Is this the future?
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 62
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
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 63
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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
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 64
Hellsturm
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Brennstoffzelle
Quelle: AUDI AG
Brennstoffzellen in Fahrzeugen
Anzahl27
Wasserstofftankstellennetz – DStand: 2017 (öffentlich)
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 65
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Brennstoffzelle Prozesskette
großtechnische Anlage Elektrolyse η=57%Stromnetz Lagerung/Transport/Speicherung
Kompression auf 200 bar η=85%
Wasserstoff bei Atmosphärendruck
Kompression auf 700 bar η=92%
Transport zur Tankstelle η=85%
Brennstoffzelle Fahrzeug η=50%
nutzbare Energie100% 57%
48%
41%38%
nutzbare Energie19%
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 66
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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.
Dresden, 03.07.2017 Mobil mit Energie 67