Technologien für einen energieeffizienten Straßenverkehr

Präsentation zum Thema: "Technologien für einen energieeffizienten Straßenverkehr"—  Präsentation transkript:

1 Technologien für einen energieeffizienten Straßenverkehr
TU-Berlin, Nov. 20th 2008 K.-D. Holloh TP/VE

2 Trillions (1012)of Tonne-Kilometers/Year
Der Markt für Nutzfahrzeuge und Transportleistungen wird auch in den nächsten zehn Jahren weiter wachsen World Truck Market Development ‘000 units Trillions (1012)of Tonne-Kilometers/Year 6 5409 50 5 Average Annual Growth Rates 2000 – 2030 = 2,5% 2000 – 2050 = 2,3% 40 4 3859 30 3 Steigender Markt für Nutzfahrzeuge und Transportleistungen weltweit Wachstum getrieben im wesentlichen von Asien (China, Indien) und Osteuropa Begründet durch: Stark steigende Nachfrage nach Transportleistungen (nächste Folie) 20 2 1 LDT, MDT & HDT 10 Rail and Road 2006 2007 2008 2009 2010 2013 2017 2000 2010 2020 2030 2040 2050 Source: Sustainable Mobility Project calculation TP/VE

3 Die steigende Verkehrsdichte stellt die Transportindustrie vor enorme Herausforderungen
2020 Lkw - Transitverkehr Ost 2002 - West 2002 ( DTVw ) A2: Lkw - Transitverkehr Ost - West 2020 ( DTVw ) +125% A6: Ergebnisse und Empfehlungen Ergebnisse und Empfehlungen +181% - “ - t 2020 LKW ä LKW Mobilit Das Projekt „Mobilität 2020“ „ Das Projekt Verkehrsdichte wird steigen – das ist eine Tatsache –auch in Deutschland Globalisierung – Deutschland ist Exportweltmeister Osterweiterung EU – wird für zusätzlichen Transport sorgen Steigender Transport bedeutet für uns: Gedanke machen über Möglichkeiten, Emissionen und Verbrauch weiter zu reduzieren Effizienz im Transport erhöhen Sicherheit auf den Straßen erhöhen -> Staus vermeiden Denn: Eines ist auch klar: Ein Großteil des Anstieges im Transportvolumen wird auf der Straße zu bewältigen sein. (nächste Folie) Mobilität 2020 / Perspektiven für den Verkehr von morgen / acate ch, 29. März 2006 Mobilit ä t 2020 / Perspektiven f ü r den Verkehr von morgen / acatech, 29. M ä rz 2006 Technische Lösungen zur Reduzierung der Emissionen Reduzierung des Kraftstoffverbrauches Erhöhung der Sicherheit sind notwendig Quelle: Acatech Mobilität Perspektiven für den Verkehr von Morgen, 2006, p.27, RBP/YR TP/VE

4 Transportleistung und Modal-Split
Da eine Verschiebung des Modal-Splits nicht realistisch ist, müssen andere Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen gefunden werden Transportleistung und Modal-Split (Deutschland) Investitionen in Infrastruktur, Co-Modalität und alternative Technologien werden zur Emissionsreduzierung benötigt Transportleistung Globale Nachfrage an Transport steigt Signifikante Investition in Infrastruktur notwendig Effizienzsteigerung aller Transportarten notwendig Vernünftige Co-Modalität wird benötigt Neue Fahrzeugkonzepte sind notwendig Unterstützung der Politik für alternative Technologien notwendig (Steuervorteile, Leuchtturm-Projekte,..) (bn. tkm) 400 + 70 % 300 200 + 44 % + 57 % 100 1997 2015 1997 2015 1997 2015 Brauchen guten modalen Split in Deutschland Aber: Steigende Transportleistung stellt andere Verkehrsträger auch vor Herausforderungen -> Werden ihren Anteil am modalen Split halten, aber nicht nachhaltig verschieben Aber: Müssen an allen Schrauben drehen, um dies zu erreichen Investitionen in Infrastruktur, um dort Engpässe zu beseitigen Kapazität zu erhöhen Effizienz zu erhöhen Fahrzeugseite: Effizienz bestehende Fahrzeuge erhöhen Neue und alternative Fahrzeugkonzepte und Antriebsformen entwickeln und ausbauen Politik muss die Vorhaben unterstützen und ggf. als “Anschub” motivieren Ständige Verbesserung unserer Fahrzeuge – ureigenstes Interesse als Ingenieur – und (nächste Folie) Modal-split Legende 17 % 15 % Wassestraßen Inland 20 % 19 % Schiene 64 % 66 % Straße 1997 2015 (Quelle: BMVBS) Transportleistung wird steigen – ohne sichtbare Änderung im Modal-Split TP/VE

5 Weitere Herausforderungen für die Nfz-Industrie ergeben sich durch restriktivere Einfahrtsregelungen in Städte… London: Congestion Charge auf andere Transportthemen ausgeweitet Eine steigende Anzahl von Städten sind dabei, Umweltaspekte in ihrer Transportstrategie zu verankern (z.B. London, New York, Hamburg, Stockholm) Besonders London beeinflusst viele Städte weltweit (CO2, Niedrig-Emissions-Zonen…) „Green public procurement“ wird sich zu einem wichtigen Thema entwickeln Messungen zur Geräuschminderung werden integraler Bestandteil der Stadtplanungen werden 100% Hybridkäufe ab 2012 Großer Treiber für Europäische Busindustrie Hybrid-Fahrzeuge werden in congestion charge Anforderungen eingeschlossen New York: hat ähnliche Pläne zu einer Congestion Charge wie London angekündigt US Großstädte wie NY und San Francisco unterstützen Hybridfahrzeuge Verbrauchsreduzierung nicht die einzige Herausforderung Einfuhrbeschränkungen wie in einigen Städten bereits eingeführt ->treffen natürlich kommerziell genutzte Fahrzeuge am härtesten Anzahl der Städte wird steigen -> Produktangebot notwendig Andere Städte wie Stockholm, Barcelona, Stuttgart, Hamburg, etc. werden wahrscheinlich folgen “Green procurement activities” Larger cities focus also on the reduction of noise TP/VE

6 All specification in g/kWh
…sowie durch die enorme Verschärfung der Emissions-gesetzgebung und einer fehlenden Harmonisierung der Prüfzyklen Emissions-Gesetzgebung Test Zyklen Große Märkte mit unterschiedlichen Regulierungen – ein globaler Standard wird benötigt Testzyklen konvergieren signifakant, globale Harmonisierung notwendig European Transient Cycle US FTP Cycle Japanese 13 Mode Cycle Voll harmonisierter WHDC* (in Diskussion) Reduzierung bei NOx & PM 2004 2014 EURO III EURO IV EURO V EURO VI (outlook) EU *World Heavy Duty Test Cycles - 92% NOx - 90% PM Bio Fuels EPA‘04 EPA‘07 EPA‘10 USA Weitere Herausforderungen: Emissionen Verschärfung der Grenzwerte um ca. 90% Fehlende Harmonsierung der Testzyklen weltweit treibt Komplexität Biokraftstoffe Sehr unterschiedliche Qualität, fehlende Standardisierung - 92% NOx Lücke zwischen Emissions-Standards, Zuverlässigkeit und Diesel-Qualität bedeutet Bedard an Harmonisierung - 90% PM Schärfere Emissionsstandards benötigen bessere Kraftstoffqualität Höherer Biodiesel Anteil (FAME) bedeutet zusätzliche technische Anstrengungen Auch in Ländern ohne scharfe Anforderungen kann schlechter Kraftstoff zu Zuverlässigkeitsproblemen führen Qualität der FAME hängt sehr stark von der Qualität des eingesetzten Rohstoffes ab. JP‘03 JP‘05 JP‘09 Japan - 79% NOx - 94% PM EURO II EURO III EURO IV China Harmonisierung der Kraftstoffqualität (incl. Biofuel-Mischungen) erforderlich - 50% NOx - 90% PM All specification in g/kWh TP/VE

7 Wo stehen wir im Nfz? – Verbrauch ist ein wettbewerbsdifferenzierendes Merkmal
Kosten-Elemente für den Betrieb eines Nfz 3 100 Kraftstoffverbrauch als einer der wesentlichen Stellhebel in den Betriebskosten bei der „Total Cost of Ownership“-Betrachtung 35 1 10 40 Wo stehen wir beim NfZ im Verbrauch? Grundsätzlich: Wettbewerbsdifferenzierend, da großer Teil der Kosten -> unsere Kosten achten bis auf 0,3 L genau darauf! Damit grundsätzlich andere Situation als beim PKW – und auch deutlich effizientere Fahrzeuge! 11 Wettbewerbsdifferenzierendes Merkmal! Personal-kosten Sonstige, z.B. Steuern Vers. Kap.kosten Preis d. LKW Wartung Kraftstoff Zuverläs- sigkeit Kosten gesamt *) Beispiel für Fernverkehrs-LKW TP/VE

8 Der Kraftstoffverbrauch wird nur zum Teil von der Fahrzeugtechnik beeinflusst – insbesondere Fahrer und Einsatz spielen eine wesentliche Rolle Einsatz Fahrzeugtechnik Wesentlicher Einflussfaktor Entwicklungskompetenz Mercedes-Benz Fahrer Fahrzeugzustand Dieselverbrauch von vielen Faktoren beeinflusst. Einsatz der Fahrzeuges: - Welche Strecke fahre ich ? Wie ist das Wetter ? Beladung ? Verkehrsgeschehen? - Beispiel Nardo – unter „Laborbedingungen“ dort sehr niedrige Verbräuche möglich Versierte Fahrer - kann auch sehr viel ausmachen – bis zu 25% - Mercedes-Benz bietet Fahrerschulung an, die aus guten noch bessere Fahrer macht. Wartung - guter Zustand der Fahrzeuge wichtig Fahrzeugtechnik - beeinflusst den Treibstoffverbrauch natürlich sehr. - meine Aufgabe in der Entwicklung , Effizienz zu verbessern – mehr dazu später! Bis zu 25% Kraftstoffverbrauch z.B. Reifenzustand und –druck, Einstellung Spoiler TP/VE

9 44% des Kraftstoffverbrauches eines Fernverkehrs LKW werden durch die Einflussgrößen des realen Kundeneinsatzes bestimmt Topo-graphie 30% 35l Wetter 10% Verkehrs- geschehen 20% Fahrer 25%** Minus 2% bis 3% Neuer Actros Die Messung hier in Nardo symbolisiert die Treibstoffeffizienz unserer heutigen schweren LKWs. Sie alle kennen die 35l Verbrauch eines 40 Tonners im Fernverkehr, wie er auch von Ihnen gemessen wird. Was macht nun den Unterschied zwischen Nardo und den 35l aus ? Die Überleitung von Nardo auf den realen Kundeneinsatz zeigt anschaulich einige Einflussgrößen auf den Dieselverbrauch. Zunächst mal spielt die Topographie eine entscheidende Rolle: Unserer Referenzstrecke bei Mercedes-Benz ist die Strecke S-HH-S. Auf dieser Strecke messen wir einen Verbrauch von ca. 35 l / 100 km. Der Verbrauch reduziert sich, wenn man eine nahezu flache Strecke wie hier in Nardo wählt. Klick -- Zweiter entscheidender Beitrag der Natur zu den Verbrauchswerten ist das Wetter. Klick -- Witterungseinflüsse wie Wind und Regen lassen den Verbrauch ansteigen. Extremsituationen im Winter nicht berücksichtigt, kann der Einfluss hier bis zu 10% ausmachen. Klick -- Im Winter bei Schnee und Eis noch deutlich mehr….. Actros 2 Geschwin- digkeit 10%* 19,44 l Nardo-Test * 89 km/h to 80km/h ** In Nardo gering/Very low at Nardo TP/VE

10 LKW-Hersteller arbeiten daher kontinuierlich daran, die Effizienz ihrer Fahrzeuge zu erhöhen
Antriebssystem Motor (z.B. Verbrennung) Widerstände im Antriebsstrang Reifen Achsen Tribologie Nebenantriebe (z.B. Kompressor, HVAC) Aerodynamik Kabinendesign Chassisdesign Fahrzuegtechnik - daran arbeiten wir ständig Viele Stellhebel gibt es noch, um unsere Fahrzeuge kontinuierlich zu verbessern Leichtbau - Materialien oder verbesserte Konstruktionen Aerodynamik Im Rahmen des Möglichen Kabine verbessern Spoiler, etc Luftfluss durch den Motorraum Motor Einspritzdruck und kontrolliert Verbrennung Turbo-Compound (im neuen HDEP) .. Widerstand ATS Rollwiderstand Reifen Getriebe-Verbesserungen Fahrzeugbetrieb Kraftstoffoptimierte Gangwahl Assistenzsystem (Fahrer spielt natürlich große Rolle) -> führend beim Thema Fahrerschulungen Abgas-Nachbehandlung Optimierung auf Kraftstoffverbrauch (gehe ich gleich noch einmal ein) sehr erfolgreich eingeführt – zeige Ihnen gleich warum Das ist unsere tägliche Ingenieursarbeit – warum? Weil für unserern Kunden Krafstoffverbrauch entscheidender Wettbewerbsvorteil ist! (nächste Folie) Antriebsstrang (z.B. Getriebe, Betriebsstrategie) Gewicht Leichtbau-Design Materialien Alternative Antriebe (z.B. Hybrid) TP/VE

11 Quelle: Lastauto Omnibus, Testberichte 1968-2003, interne Messungen
Der Verbrauch der MB-Fahrzeuge konnte in den letzten Jahren um etwa ein Drittel gesenkt werden … ~48 l -31% ~33 l Haben damit einige erreicht in den letzten Jahren – Reduzierung Kraftstoffverbrauch um ein Drittel! Starke Reduzierung in den 80er Jahren – etwas langsamer zuletzt, auch wegen Einfluss der Abgasgesetzgebung Verschärfung in den letzten Jahren – Trade-Off zwischen NoX/PM und CO2 Auch hier: Haben uns bei dem Thema Euro IV/V bewusst für die Lösung entschieden, die sich am besten auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt: SCR (nächste Folie) Quelle: Lastauto Omnibus, Testberichte , interne Messungen Die größten Reduzierungen des Verbrauch wurden vor 1980 erreicht Seit 1990 haben u.a. stärkere Emissionsstandards für Nox und PM zu einer weniger starken Absenkung des Kraftstoffverbrauches geführt TP/VE

12 … z.B. durch permanente Absenkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs der Nfz.–Motoren
Spezifischer Kraftstoffverbrauch g/kWh 300 280 260 240 220 200 180 Vorkammer Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Direkteinspritzung Vierventiltechnik & Hochdruck-Einspritzung Turbo-Aufladung Die letzten 50 Jahre haben extreme Verbesserungen des spezifischen Kraftstoffverbrauchs gebracht. Hier sehen Sie, wieviel Gramm Diesel unsere Motoren am optimalen Betriebspunkt verbrennen um eine Kilowatt-Stunde mechanische Arbeit zu leisten. Sie sehen deutlich, dass es hin und wieder Technologiesprünge gab. Auch deutlich ist, dass trotzt sich verschärfender Abgasgesetztgebung der Verbrauch gesunken ist. Allerdings auch das ist nicht wegzudiskutieren werden die Verbrauchsfortschritte motorseitig immer kleiner. Nicht nur der spezifische Verbrauch am optimalen Punkt, Sondern --und das ist noch wichtiger-- die Fläche im Motorenkennfeld, die verbrauchseffizient ist, haben wir erheblich gesteigert:  nächste Folie Ladeluftkühlung 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 TP/VE

13 Reife Technologien müssen durch Innovationen ersetzt werden
Als „reife Technologien“ stoßen LKW und Busse mit einem Verbrennungsmotor jedoch an ihre Grenzen Effizienz Nächster Level der Technologie Hybride LKW & Busse Hybrid Actros 3 BlueTec Konventionelle LKW & Busse DB L 3250 1949 LP 1620 Einspritzung 1964 Actros Euro II und Euro III 1924 Erster Diesel LKW aus Serien-Produktion 1932 LO 2000 OM312 A 1. aufgeladener Motor 1953 NG73 m/ BR 400 1974 SK mit OM440 1988 LM 2 1994 Bei allen Bemühungen – bei einigen konventionellen Themen stoßen wir an die Grenzen der Physik Brauchen neue Technologien, um weitere Einsparungen beim Verbrauch zu erzielen! 1896 1920 1950 1980 2000 2010 2015 Time Reife Technologien müssen durch Innovationen ersetzt werden TP/VE

14 Beispiel: Kraftstoffverbrauchs – Reduzierung durch die Schaltstrategie einer geregelten Wasserpumpe
Ergebnisse aus 5000 Simulationen Rechnerisch optimale Variante für neuen Actros Prinzip: Stochastische Optimierung Zu- und Abschalthysteresen Berechnung Temperaturen im Kühlsystem und Kraftstoffverbrauch Eingangsgröße: Ermittlung der Aufnahmeleistung Wasserpumpe auf realen Strecken (Messung) Actros 2 ohne geregelte Wasserpumpe Kühlmitteltemperatur Hier sehen sie eine Simulation für verschiedene Zuschaltstrategien der geregelten Wasserpumpe. Jeder Punkt stellt eine andere Parameterkombination dar. Anhand des Kraftstoffverbrauches und der Kühlmitteltemperatur können wir nun den besten Parametersatz identifizieren (Hellblau). Zur Information ist auch der Datenpunkt der bisher in Serie befindlichen Wasserpumpe eingetragen. Die Unzahl der möglichen Parameter hätte man rein experimentell sicher nicht abarbeiten können. ( Merke auch: Mit der falschen Regelstrategie könnte sogar die zweistufige Wasserpumpe schlechter sein, als die einstufige !!  Punkte rechts !! ) Dies ist ein sehr aktuelles Beispiel für die Erfolge in der Kraftstoffoptimierung per Simulation anhand eines Detailproblems. Auch für das Gesamtbild ist die Berechnung ein wertvolles Instrument. Das sehen Sie nun:  nächste Folie Kraftstoffverbrauch TP/VE

15 2 Die Abgasnachbehandlungs-Anlage entwickelt sich vom Schalldämpfer zur “Chemiefabrik” Die Abgasnachbehandlung muss sich vom Schalldämpfer zur Chemiefabrik entwickeln – und das in kurzer Zeit Evolutionsstufen von 1984 bis heute In den nächsten Jahren kommen Systeme auf den Markt, die an Materialkosten und Komplexität in die Motorklasse aufsteigen Allerdings entwickelt in wenigen Jahren -> Risiko TP/VE

16 Wettbewerb EGR/EGR + DPF Basis: MB Actros Euro 5 mit SCR
Die SCR-Technologie leistet einen wichtigen Beitrag zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung Trade-Off NoX-Emissionen vs. Kraftstoffverbrauch Kraftstoffverbrauch im Vergleich mit Wettbewerb Kraftstoffverbrauch Schematische Darstellung Nicht Maßstabsgetreu Erhöhung des Kraftstoffverbrauches (in%) 8 Wettbewerb EGR/EGR + DPF Euro V MB Euro III Euro 5 (ohne SCR) 5 Motor Kurzer Ausflug in die Technik - Vorteil von SCR: Optimierung des Motors auf Kraftstoffverbrauch bei höheren Emissionen von NoX Werden durch Umwandlung mit Hilfe von SCR beseitigt und lassen uns so Kraftstoffverbrauch sogar verringern Ergebnis (darauf sind wir Ingenieure) dann auch ein wenig stolz – Beispiel Schwere Motoren: 2-7 % Verbesserung bei Euro V ggü. Unseren Euro III –Fahrzeugen 5-8% besser als diejenigen Wettbewerber, die Euro V mit Hilfe der AGR-Technologie erreichen SCR als ein Beispiel für Verbesserung – gibt noch viele andere, bei denen wir mal hier 1% oder da 2% holen können – klingt nicht viel, ist aber bei km signifikant und wird auch von den Kunden wahrgenommen! Euro 3 Euro 5 Motor- Rohemissionen Motor Wettbewerb SCR Euro V Euro 5 (mit SCR) SCR 1 NoX-Emissionen Basis: MB Actros Euro 5 mit SCR (vereinfachte Darstellung; PM-Emissionen, Einspritzdruck, etc. nicht dargestellt) TP/VE

17 Alternative Antriebe und Kraftstoffe sowie Rekuperationstechnologien werden an Bedeutung gewinnen
„Green Truck“ Kraftstoff & LKW CO2-neutral Erneuerbare Energien Emissionsfrei Brennstoffzelle Wasserstoff Diesel-Ersatz mit starker Verbesserung der CO2 -Bilanz Hybrid-Technologie Biomasse, BTL Kraftstoff-Verbrauch Zwei Stoßrichtungen auf dem Weg hin zum “Green Truck”, dem CO2-neutralen LKW Burn less: Optimierung des Antriebs Optimierung konventionell: Bereits berichtet CNG: Eine Möglichkeite für unmwelfreundlichere Produkte, inbesonder mit Biogas Interessant für Verteilerverkehr – MB Econic Hybrid – sehr vielversprechende Möglichkeit – gehe ich noch näher darauf ein BZ – sicherlich die beste Lösung auf lange Sicht – aber momentan leider noch zu teuer Burn clean: Andere Kraftstoffe als Diesel zu verwenden Anfang: Besonders sauberer Diesel notwendig, auch für unsere modernen Motoren – Versorgung weltweit muss sichergestellt werden Alternative Kraftstoffe – verschiedene Optionen vom Biodiesel bis zum BTL (nächste Folie) CNG-Technologie Biodiesel FAME, NExBTL Niedrige Emissionen Diesel-Ersatz Optimierung des konventionellen Antriebs Sauberer herkömmlicher Kraftstoff: Schwefelfrei, niedriger Anteil von Aromaten „Burn less“ / POWERTRAIN FUELS \ „Burn clean“ TP/VE

18 Water-,Oil-, Injectionpumps 0,7 % 37 kWh
Optimierung des konventionellen Antriebs: Energieverluste eines Fahrzeuges im europäischen Fernverkehr Vehicle data: Actros 1844 LS; 40 t; Axcw=5.1 m2; OM501LA 320 kW, 2100 Nm (435PS, 1550 lbft) EURO 5 fuel map, AdBlue not considered G211 12KL/ (overall ratio 14.93); HL6 axle ratio 2.846; rdyn=0.492 m; fr =0.005 2 cyl. air compr. with power red. system; cooling: K82 DML 750 E-Visco coupling; ambient temp.: 25 oC; route: S-HH-S km, average speed v=83.2 km/h Exhaust gas 31,3 % kWh (coolant + charge air) 21,3 % kWh Cooling Hier sehen Sie in einer Kombination aus unseren Messergebnissen und der Simulation die Gesamtenergiebilanz des Diesels, den ein LKW auf einer unseren Referenzstrecken, nämlich S-HH-S, verbraucht. Die Gesamtenergiemenge im verbrannten Diesel entspricht knapp 5300 kWh. Davon werden 44% in mechanische Energie umgesetzt. Dieser Wirkungsgrad von 44% auf der realen Strecke ist enorm hoch. Der derzeitig höchste in einem Nutzfahrzeugmotor realisierte Wirkungsgrad an einem singulären Punkt liegt bei 46% bis 47%. (Anmerkung: Die Thermodynamiker reden gerne vom vollkommenen Motor. Der hätte einen Wirkungsgrad von etwas über 55% auf der Strecke. Dieser vollkommene Motor setzt aber voraus, dass Sie keine Wandwärmeverluste, keine Gaswechselreibung etc. haben….. ) Die mechanische Energie wird verwendet, um interne Verbraucher zu versorgen und die Fahrwiderstände wie interne Reibung oder den Luftwiderstand zu überwinden. Um den verbrauchsoptimalen Lkw darzustellen greifen wir von Mercedes-Benz an allen Punkten an. Schauen wir uns den Motor an:  nächste Folie Aerodynamic drag 13,6 % 716 kWh Service brake 5,7 % 299 kWh Engine brake 3,5% 182 kWh Water-,Oil-, Injectionpumps 0,7 % 37 kWh TP/VE

19 Rekuperation der Bremsenergie durch Hybridsysteme
Parallel Hybrid Application: Bus, Van, Truck engine/ generator ICE The electric engine/generator is coupled with the conventional drive train The electric engine is used either for charging the battery or to support the ICE e.g.: Fuso Canter battery Serial Hybrid Hybrid-Antrieb spielt bei dem Thema „Zukunftstechnologie eine wesentliche Rolle Grundsätzlich gibt es beim Theme Hybrid verschiedene Technologien Nicht alle im Detail erklären, aber Grundzüge erklären Dual-Mode -> Anwendung im PKW, bekannt aus Prius für Anwendung im NfZ zu kompliziert und teuer Serieller Hybrid Gut für Busanwendungen / innerstädtische Bereiche Weniger geeignet für höhere Geschwindigkeiten Parallel Hybrid E-Motor zwischen Kupplung und Getriebe Bester Typ für Einsatz im Nfz - > alle unsere Fahrzeuge sind P2- Hybride Application: City-Bus engine/ generator ICE Combustion engine (ICE) propels only the generator No mechanical connection between ICE and axles The ICE can be operated always at the optimal point, with max torque and min emissions Wheel Hub Engine e.g.: Citaro Hybrid battery Dual Hybrid Application : Passenger Cars ICE A part of the drive torque of the ICE is transferred directly into the drive train The other part is used over a planetary gear for the drive of a electrical generator planetary axle engine/ generator e.g.: Class M battery TP/VE

20 P2 Parallel Hybrid mit Elektromotor zwischen Kupplung und Getriebe
3 P2 Parallel Hybrid mit Elektromotor zwischen Kupplung und Getriebe Kupp-lung Elektro- Motor Getriebe Inverter Sicherheitsschalter Batterie Kühler HV-Kabel Anzeige TP/VE

21 Die erreichbaren Einsparungen für den Kunden hängen sehr stark vom Einsatzprofil des Fahrzeugs sowie dem System-Design ab 4% bis 30% Einsparung Batterie voll Batterie leer LKW fährt los mit voller Batterie – Hybrid unterstützt bei Beschleunigung und Betrieb Beim Bremsen rekuperiert Batterie ABER: Wenn Batterie voll, geht restliche Energie verloren Beim Beschleunigen / Steigung E-Motor unterstützt ABER: Wenn Batterie leer, muss ICE Fahrzeug alleine antreiben Je nach Betrieb daher unterschiedliche Savings möglich Batterie nicht beliebig vergrößerbar, da a) Gewicht und b) Kosten Abschließend noch ein paar Beispiele für unsere Hybridfahrzeuge: (nächste Folie) Start/ Stop E-Acceler- ating Optimierter Betriebspunkt Rekuperation Boosting Konventioneller Betrieb Hohe Geschwindigkeit erhöht die Einsparungen (Bremsenergie) Hohe Start-/Stop-Häufigkeit und erhöht die Einsparungen Kurven und Höhenunterschiede auf der Strecke erhöhen die Einsparungen TP/VE

22 Die Kraftstoffverbrauchs- Potentiale variieren je nach Anwendung
„BURN LESS“ Stadt Überland Verteiler- Verkehr Stadtbus Sonder- Fahrzeuge Fernverkehr Reisebus Je nach Anwendung bietet Hybrid Potential von bis zu 30% Innenstädte: Prädestiniert für Hybrid Verteilerverkehr, Stadtbusse Häufiges Bremsen, viele Stops - > Rekuperation der Energie Reduzierung der Emissionen durch Hybride, evtl. auch rein elektrisches Fahren Momentan Kernanwendung -> Meisten Fahrzeuge dort; Daimler hat bereits über Hybrid-LKW und Busse auf der Straße Auch im Fernverkehr Potential Prozentual weniger Vorhin gesagt: 1% hier und da ist gut – dann sind 6% durch Hybrid natürlich richtig gut Grund: Laufleistung von bis zu km Hauptsächlich Potential für elektrischen Betrieb von Nebenantrieben und (mehr für USA) für Standklima und –heizung Aber: Genaue Einsparungen hängen sehr stark von Einsatz ab – ein Beispiel (nächste Folie) Bis zu 20% Bis zu 30% Bis zu 30% Up to 6% Up to 6% Up to 6% Je nach Höhenprofil und Kurven (Bremsvorgänge!) Downsizing notwendig Benutzung der elektrischen Energie für Nebenverbraucher möglich (Wasserpumpe, Servolenkung, etc.) Nachfrage nach Standbetrieb (HVAC, Powernet) (Idling) Häufige Stopps Geringe Laufleistung, kleinerer Anteil der Kraftstoffkosten Betrieb in Emissions-kritischen Zonen (z.B. in Innenstädten) TP/VE

23 Beispiel: 10 Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid (170 kW Diesel/35 kW elektrisch) werden in UK eingeführt FUSO Canter in Japan als Hybrid in Serie (ca. 200 verkaufte Fahrzeuge) Kunden-Versuche von 10 Cantern im UK bei verschiedenen Kunden TP/VE

24 Beispiel: MDT Hybridantrieb im Freightliner M2 fertiggestellt – 1500 Fahrzeuge werden in den nächsten 3 Jahren gebaut Hauptvorteile Verbrauchsverbesserung 20% - 40% Elektrische Energie für Nebenantriebe Technische Daten Basisfahrzeug: Freightliner M2 truck, 15t; Eaton-Hybrid-System Hybrid Typ: Parallel, P2 Motor: OM906 EPA kW/2200 rpm E-Motor: Spitzenleistung 44kW Drehmoment 420Nm Batterie: Li-Ion 345V / 5,5Ah Bei FTL in USA M2 (Mittelklasse) mit Hybridantrieb Werden Fahrzeuge in den nächsten Jahren bauen TP/VE

25 Beispiel: Der Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid basiert auf dem Canter Eco Hybrid (7,5t-Version) oder dem Freightliner M2 Hybrid (12t-Version) Hauptvorteile Kraftstoffersparnis von bis zu 20% Downsizing im 7,5t und 12t Segment -> weniger Gewicht Komplette Übernahme der abgesicherten, vorhandenen Technologien und Komponenten von Daimler Trucks Technische Daten Basisfahrzeug: Atego – leichter Lkw Hybrid-Typ: Parallel E-Motor: Spitzenleistung 40-50kW Batterie: Li-Ion Spannung: 340V Kapazität: 1,9-8 kWh Optimiertes Hybrid Steuerungs-System Einführung Test-Flotte in Kooperation mit DHL von Atego-Hybrid-Fahrzeugen Bei beiden Beispielen schön zu sehen: Können von unserer weltweiten Erfahrung profitieren Canter System M2 System (nächste Folie) TP/VE

26 Beispiel: Econic Hybrid-Prototyp für den Einsatz bei Versorgungswerken - ZGG 26t
Hauptvorteile Verbrauchsverbesserung bis zu 30% Downsizing 906 Dieselmotor und Hybrid-Technologie zur Optimierung des LKW für Stop-and-Go-Verkehr Technische Daten Basisfahrzeug: Econic – Müll-Sammelfahrzeug Hybrid-Typ: Parallel, P2 Diesel-Motor: 906LA, 210kW E-Motor: 44kW, 420Nm Batterie: Li-Ion Schwerer Verteilerverkehr – prädestiniert für Hybridisierung Dort bauen wir Econic-Prototyp auf Downsizing! Übernahme von Komponenten Ziel: Maximale Übernahme von Technologien und Komponenten zur Reduzierung der Kosten (Skaleneffekte) Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit Können schnell reagieren, sobald die Nachfrage für Produkte da ist – gutes Stichwort, denn für alle Technologien gilt im Nutzfahrzeug die Einschränkung: Einsatz muss sich für den Kunden lohnen! Denn: (nächste Folie) TP/VE

27 Technologien zur Abgaswärmenutzung können einen deutlichen Schritt zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs beitragen Gegenwärtig werden ca. 30% der Verbrennungsenergie durch die Abgaswärme ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Die Abgaswärmenutzung hat zum Ziel, einen Teil dieser thermischen Energie nutzbar zu machen. Alternative Technologien: Thermoelektrischer Generator Thermodynamischer Kreisprozeß Abgasstrom nach Abgasnachbehandlung AGR - Kühlung Die letzten 50 Jahre haben extreme Verbesserungen des spezifischen Kraftstoffverbrauchs gebracht. Hier sehen Sie, wieviel Gramm Diesel unsere Motoren am optimalen Betriebspunkt verbrennen um eine Kilowatt-Stunde mechanische Arbeit zu leisten. Sie sehen deutlich, dass es hin und wieder Technologiesprünge gab. Auch deutlich ist, dass trotzt sich verschärfender Abgasgesetztgebung der Verbrauch gesunken ist. Allerdings auch das ist nicht wegzudiskutieren werden die Verbrauchsfortschritte motorseitig immer kleiner. Nicht nur der spezifische Verbrauch am optimalen Punkt, Sondern --und das ist noch wichtiger-- die Fläche im Motorenkennfeld, die verbrauchseffizient ist, haben wir erheblich gesteigert:  nächste Folie TP/VE

28 Abgaswärmenutzung mittels eines thermoelektrischen Generators: Strom direkt aus Abwärme
Thermoelektrisches Modul: Liefert elektrische Energie mit der gewünschten Ausgangsspannung direkt erzeugt durch die Wärme im Abgas. Vorteile: Effektive Nutzung der gesamten Verbren- nungsenergie CO2-Reduktion Verbesserung der Kraftstoffeinsparung Kurzer Ausflug in die Technik - Vorteil von SCR: Optimierung des Motors auf Kraftstoffverbrauch bei höheren Emissionen von NoX Werden durch Umwandlung mit Hilfe von SCR beseitigt und lassen uns so Kraftstoffverbrauch sogar verringern Ergebnis (darauf sind wir Ingenieure) dann auch ein wenig stolz – Beispiel Schwere Motoren: 2-7 % Verbesserung bei Euro V ggü. Unseren Euro III –Fahrzeugen 5-8% besser als diejenigen Wettbewerber, die Euro V mit Hilfe der AGR-Technologie erreichen SCR als ein Beispiel für Verbesserung – gibt noch viele andere, bei denen wir mal hier 1% oder da 2% holen können – klingt nicht viel, ist aber bei km signifikant und wird auch von den Kunden wahrgenommen! Prinzipschaubild einer thermoelektrischen Anwendung. Dabei handelt es sich um die direkte Umsetzung von Wärmeenergie in elektrische Energie (Seebeck-Effekt). Die Abgaswärme beheizt das thermoelektrische Modul. Anordnung thermoelektrischer Zellen verbaut im Modul: TP/VE

29 Abgaswärmenutzung mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses
Technologiepfade für Energie/Wärmerückgewinnung aus dem Abgasstrom Abgaswärmenutzung durch Verdampfung eines Arbeitsmediums in einem thermodynamischen Kreisprozess. Generator Heat Exchanger Diesel-Engine Condenser Water Pump Exhaust Energie aus thermo-dynamischem Kreis-prozess (Rankine-Prozess): Die Energie am Ausgang der Expansionsmaschine kann über einen Generator elektrisch genutzt werden. Expansion Machine EEL Thermodynamischer Kreisprozess Kolben- expander Turbo- expander Kurzer Ausflug in die Technik - Vorteil von SCR: Optimierung des Motors auf Kraftstoffverbrauch bei höheren Emissionen von NoX Werden durch Umwandlung mit Hilfe von SCR beseitigt und lassen uns so Kraftstoffverbrauch sogar verringern Ergebnis (darauf sind wir Ingenieure) dann auch ein wenig stolz – Beispiel Schwere Motoren: 2-7 % Verbesserung bei Euro V ggü. Unseren Euro III –Fahrzeugen 5-8% besser als diejenigen Wettbewerber, die Euro V mit Hilfe der AGR-Technologie erreichen SCR als ein Beispiel für Verbesserung – gibt noch viele andere, bei denen wir mal hier 1% oder da 2% holen können – klingt nicht viel, ist aber bei km signifikant und wird auch von den Kunden wahrgenommen! Mechanische/Elektrische Rückspeisung der Energie auf die Kurbelwelle Vorteile: Effektive Nutzung der gesamten Verbrennungsenergie CO2-Reduktion Kraftstoffeinsparung TP/VE

30 Alternative Kraftstoffe: Alle Nutzfahrzeugmotoren von Daimler sind für Biodiesel freigegeben, andere Optionen werden getestet FAME (Biodiesel) Aktuelle Alternative für Biokraftstoffe B100 Freigabe für BR457, 500 und 900 Willkommen als erneuerbarer Kraftstoff zum Ersatz von Diesel (Menge limitiert) Motoren mit Blends im Tests; Kraftstoff-Analysen werden durchgeführt NExBTL Daimler betrachtet BTL als interessante Zukunfts-Option für Bio-Kraftstoffe. Kooperation mit dem ersten BTL-Erzeuger CHOREN / SunFuel. Kooperation mit anderen OEMs und Zulieferern zur Definition von Standards für BTL BTL Biodiesel (1ste Generation) Momentane verfügbar Alle Motoren freigegeben Gibt gewisse Einschränkungen bei der Verfügbarkeit und Verträglichkeit mit den Motoren daher (auch bei Emissionen) Forschung in Richtung zweite Generation NextBTL Hydrierte Pflanzenöle – willkommene Alternative, wird getestet bei uns in Versuchen BTL Daimler betrachtet BTL als langfristig gute Alternative (Herstellung aus Biomasse über Fischer-Tropsch-Verfahren) Kooperation von Daimler mit Kraftstoffherstellern und OEMs zur weiteren Erforschung geplant (nächste Folie) Standardisierung ist wichtig für alle alternativen Kraftstoffe, um die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte (NOx und PM) sicherzustellen Verfügbarkeit in großen Mengen muss auch nachhaltig sichergestellt werden, damit alternative Kraftstoffe an Bedeutung gewinnen werden TP/VE

31 Ein elekrisches Antriebskonzept für zwei Anwendungen: Diesel-Hybrid und Fuel Cell Hybrid
Hybrid Bus Li-Ion Battery AdBlue-Tank Diesel engine Diesel-Tank 2 Wheel Hub Engine Generator Modular concept H2-tank Fuel Cell Bus Li-Ion Battery Fuel Cell Modules 2 Wheel Hub Engine TP/VE

32 Unsere Kunden entscheiden sich für Technologien,
wenn diese für sie wirtschaftlich sind Kalkulation basierend auf gesamtem Lebens-Zyklus Häufig sind kurz- bis mittelfristig Subventionen notwendig, um den Durchbruch von neuen Technologie zu erreichen Szenario 1: Netto-Nutzen für den Kunden Szenario 2: Netto-Kosten für den Kunden Kosten Saldo Anderer Nutzen Saldo Anderer Nutzen Kosten Einsparung aus dem Betrieb Einsparung aus dem Betrieb Habe es vorne schon gesagt - Nutzfahrzeug-Kunden rechnen knallhart Wenn sich der Einsatz einer Technologie lohnt – werden Sie es kaufen Wenn nicht, dann nicht Image spielt auch eine, aber keine entscheidende Rolle Daher hängt der breite Erfolg – und das bezieht sich jetzt nicht nur auf Hybrid-Technologie – davon ab, dass unsere Kunden einen Benefit aus den Technologien ziehen können Alle Beteiligten müssen dazu beitragen Wir: Machen die Technologien so günstig wie möglich Andere: Z.B. über Subventionen oder Steuererleichterungen (z.B. Maut -> Euro V: Super-Beispiel) Kraftstoff Wartung Service und Garantie Subventionen Steuervorteile evtl. auch nicht-quantifizierbar (Image, etc.) Gesamt-Kosten für Kunden Kraftstoff Wartung Service und Garantie Subventionen Steuervorteile evtl. auch nicht-quantifizierbar (Image, etc.) Gesamt-Kosten für Kunden Kunde wird die Technologie wählen Kunde wird die Technologie nicht wählen TP/VE

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
TU-Berlin, Nov. 20th 2008 K.-D. Holloh TP/VE