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

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

2 Daimler Trucks TP/VE LDT, MDT & HDT Rail and Road Trillions (10 12 )of Tonne-Kilometers/YearWorld Truck Market Development 000 units Source: Sustainable Mobility Project calculation Average Annual Growth Rates 2000 – 2030 = 2,5% 2000 – 2050 = 2,3% Der Markt für Nutzfahrzeuge und Transportleistungen wird auch in den nächsten zehn Jahren weiter wachsen

3 Daimler Trucks TP/VE3 Die steigende Verkehrsdichte stellt die Transportindustrie vor enorme Herausforderungen Quelle: Acatech Mobilität Perspektiven für den Verkehr von Morgen, 2006, p.27, RBP/YR Mobilität 2020 / Perspektiven für den Verkehr von morgen / acatech, 29. März 2006 Das Projekt Mobilit ä t Ergebnisse und Empfehlungen LKW Lkw-Transitverkehr Ost-West 2020 (DTVw) A6: +181% A2: +125% 2020 Technische Lösungen zur Reduzierung der Emissionen Reduzierung des Kraftstoffverbrauches Erhöhung der Sicherheit sind notwendig Mobilität 2020 / Perspektiven für den Verkehr von morgen / acatech, 29. März 2006 Das Projekt Mobilität Ergebnisse und Empfehlungen Lkw-Transitverkehr Ost-West 2002 (DTVw) LKW 2002

4 Daimler Trucks TP/VE4 Transportleistung und Modal-Split (Deutschland) Investitionen in Infrastruktur, Co-Modalität und alternative Technologien werden zur Emissionsreduzierung benötigt 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,..) Transportleistung wird steigen – ohne sichtbare Änderung im Modal-Split (Quelle: BMVBS) Transportleistung Modal-split Wassestraßen Inland Schiene (bn. tkm) + 70 % + 44 % + 57 % 17 % 20 % 64 % 15 % 19 % 66 % Straße Legende Da eine Verschiebung des Modal-Splits nicht realistisch ist, müssen andere Maßnahmen zur Reduzierung der Emissionen gefunden werden

5 Daimler Trucks TP/VE5 Green procurement activities Larger cities focus also on the reduction of noise 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 London:Congestion Charge auf andere Transportthemen ausgeweitet Andere Städte wie Stockholm, Barcelona, Stuttgart, Hamburg, etc. werden wahrscheinlich folgen 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 Weitere Herausforderungen für die Nfz-Industrie ergeben sich durch restriktivere Einfahrtsregelungen in Städte…

6 Daimler Trucks TP/VE6 Große Märkte mit unterschiedlichen Regulierungen – ein globaler Standard wird benötigt Test Zyklen Bio Fuels European Transient Cycle US FTP Cycle Japanese 13 Mode Cycle Testzyklen konvergieren signifakant, globale Harmonisierung notwendig Voll harmonisierter WHDC* (in Diskussion) * World Heavy Duty Test Cycles 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. Lücke zwischen Emissions-Standards, Zuverlässigkeit und Diesel-Qualität bedeutet Bedard an Harmonisierung Reduzierung bei NOx & PM % NOx - 90% PM - 92% NOx - 90% PM - 79% NOx - 94% PM - 92% NOx - 90% PM EURO V EURO VI (outlook) EURO III EURO IV EPA04 EPA07EPA10 JP03 JP05JP09 EURO IV EURO III EURO II China USA Japan EU All specification in g/kWh …sowie durch die enorme Verschärfung der Emissions- gesetzgebung und einer fehlenden Harmonisierung der Prüfzyklen Emissions-Gesetzgebung Harmonisierung der Kraftstoffqualität (incl. Biofuel-Mischungen) erforderlich

7 Daimler Trucks TP/VE7 Wo stehen wir im Nfz? – Verbrauch ist ein wettbewerbsdifferenzierendes Merkmal Preis d. LKW KraftstoffZuverläs- sigkeit WartungPersonal- kosten Sonstige, z.B. -Steuern -Vers. -Kap.kosten Kosten gesamt Kosten-Elemente für den Betrieb eines Nfz Kraftstoffverbrauch als einer der wesentlichen Stellhebel in den Betriebskosten bei der Total Cost of Ownership- Betrachtung Wettbewerbsdifferenzierendes Merkmal! *) Beispiel für Fernverkehrs-LKW

8 Daimler Trucks TP/VE8 Der Kraftstoffverbrauch wird nur zum Teil von der Fahrzeugtechnik beeinflusst – insbesondere Fahrer und Einsatz spielen eine wesentliche Rolle Fahrzeugzustand z.B. Reifenzustand und –druck, Einstellung Spoiler Einsatz Wesentlicher Einflussfaktor Fahrer Bis zu 25% Kraftstoffverbrauch Fahrzeugtechnik Entwicklungskompetenz Mercedes-Benz

9 Daimler Trucks TP/VE9 44% des Kraftstoffverbrauches eines Fernverkehrs LKW werden durch die Einflussgrößen des realen Kundeneinsatzes bestimmt 35l Minus 2% bis 3% Neuer Actros Wetter 10% Topo- graphie 30% Verkehrs- geschehen 20% Geschwin- digkeit 10%* Fahrer 25% ** * 89 km/h to 80km/h ** In Nardo gering/ Very low at Nardo 19,44 l Nardo- Test Actros 2

10 Daimler Trucks TP/VE10 LKW-Hersteller arbeiten daher kontinuierlich daran, die Effizienz ihrer Fahrzeuge zu erhöhen Antriebssystem Aerodynamik Kabinendesign Chassisdesign Gewicht Leichtbau-Design Materialien Widerstände im Antriebsstrang Reifen Achsen Tribologie Fahrzeug Motor (z.B. Verbrennung) Nebenantriebe (z.B. Kompressor, HVAC) Antriebsstrang (z.B. Getriebe, Betriebsstrategie) Alternative Antriebe (z.B. Hybrid)

11 Daimler Trucks TP/VE11 Der Verbrauch der MB-Fahrzeuge konnte in den letzten Jahren um etwa ein Drittel gesenkt werden … Die größten Reduzierungen des Verbrauch wurden vor 1980 erreicht Seit 1990 haben u.a. stärkere Emissionsstandards für No x und PM zu einer weniger starken Absenkung des Kraftstoffverbrauches geführt Quelle: Lastauto Omnibus, Testberichte , interne Messungen ~48 l ~33 l -31%

12 Daimler Trucks TP/VE12 … z.B. durch permanente Absenkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs der Nfz.–Motoren g/kWh Spezifischer Kraftstoffverbrauch Euro 1Euro 2Euro 3 Vorkammer Direkteinspritzung Turbo-Aufladung Ladeluftkühlung Vierventiltechnik & Hochdruck-Einspritzung 2010 Euro 4Euro 5

13 Daimler Trucks TP/VE13 Als reife Technologien stoßen LKW und Busse mit einem Verbrennungsmotor jedoch an ihre Grenzen Reife Technologien müssen durch Innovationen ersetzt werden Effizienz Time Nächster Level der Technologie Konventionelle LKW & Busse DB L 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 SK mit OM LM 2 Euro II 1994 Hybrid e LKW & Busse Hybrid Actros 3 BlueTec

14 Daimler Trucks TP/VE14 Beispiel: Kraftstoffverbrauchs – Reduzierung durch die Schaltstrategie einer geregelten Wasserpumpe Prinzip: Stochastische Optimierung Zu- und Abschalthysteresen Berechnung Temperaturen im Kühlsystem und Kraftstoffverbrauch Eingangsgröße: Ermittlung der Aufnahmeleistung Wasserpumpe auf realen Strecken (Messung) Ergebnisse aus 5000 Simulationen Kühlmitteltemperatur Kraftstoffverbrauch Actros 2 ohne geregelte Wasserpumpe Rechnerisch optimale Variante für neuen Actros

15 Daimler Trucks TP/VE15 Die Abgasnachbehandlungs-Anlage entwickelt sich vom Schalldämpfer zur Chemiefabrik 2

16 Daimler Trucks TP/VE16 Die SCR-Technologie leistet einen wichtigen Beitrag zur Kraftstoffverbrauchsreduzierung Basis: MB Actros Euro 5 mit SCR Erhöhung des Kraftstoffverbrauches (in%) MB Euro III Wettbewerb EGR/EGR + DPF Euro V Wettbewerb SCR Euro V Trade-Off NoX-Emissionen vs. Kraftstoffverbrauch NoX-Emissionen Kraftstoffverbrauch Euro 3 Euro 5 Motor- Rohemissionen Kraftstoffverbrauch im Vergleich mit Wettbewerb SCR Euro 5 (ohne SCR) Euro 5 (mit SCR) Schematische Darstellung Nicht Maßstabsgetreu Motor (vereinfachte Darstellung; PM-Emissionen, Einspritzdruck, etc. nicht dargestellt)

17 Daimler Trucks TP/VE17 Green Truck Kraftstoff & LKW CO 2 -neutral Hybrid-Technologie Brennstoffzelle CNG-Technologie Optimierung des konventionellen Antriebs Sauberer herkömmlicher Kraftstoff: Schwefelfrei, niedriger Anteil von Aromaten Biodiesel FAME, NExBTL Biomasse, BTL Wasserstoff Alternative Antriebe und Kraftstoffe sowie Rekuperationstechnologien werden an Bedeutung gewinnen FUELS Erneuerbare Energien Diesel-Ersatz mit starker Verbesserung der CO 2 -Bilanz Diesel-Ersatz Kraftstoff- Verbrauch Niedrige Emissionen Emissionsfrei POWERTRAIN \ Burn clean Burn less /

18 Daimler Trucks TP/VE18 Optimierung des konventionellen Antriebs: Energieverluste eines Fahrzeuges im europäischen Fernverkehr Vehicle data: - Actros 1844 LS; 40 t; Axc w =5.1 m 2 ; 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; r dyn =0.492 m; f r = cyl. air compr. with power red. system; cooling: K82 DML 750 E-Visco coupling; ambient temp.: 25 o C; - route: S-HH-S km, average speed v=83.2 km/h Aerodynamic drag 13,6 % 716 kWh Exhaust gas 31,3 % 1652 kWh Cooling (coolant + charge air) 21,3 % 1126 kWh Water-,Oil-, Injectionpumps 0,7 % 37 kWh Service brake 5,7 % 299 kWh Engine brake 3,5% 182 kWh

19 Daimler Trucks TP/VE19 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 Parallel HybridApplication: Bus, Van, Truck e.g.: Fuso Canter ICE engine/ generator battery 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 Serial HybridApplication: City-Bus e.g.: Citaro Hybrid ICE engine/ generator battery Wheel Hub Engine 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 Dual HybridApplication : Passenger Cars e.g.: Class M ICE engine/ generator battery planetary axle Rekuperation der Bremsenergie durch Hybridsysteme

20 Daimler Trucks TP/VE20 Batterie Kühler InverterAnzeige Getriebe Elektro- Motor Kupp- lung P2 Parallel Hybrid mit Elektromotor zwischen Kupplung und Getriebe Sicherheitsschalter HV-Kabel 3

21 Daimler Trucks TP/VE21 Die erreichbaren Einsparungen für den Kunden hängen sehr stark vom Einsatzprofil des Fahrzeugs sowie dem System-Design ab E-Acceler- ating Optimierter Betriebspunkt RekuperationBoosting Hohe Geschwindigkeit erhöht die Einsparungen (Bremsenergie) Hohe Start-/Stop-Häufigkeit und erhöht die Einsparungen Kurven und Höhenunterschiede auf der Strecke erhöhen die Einsparungen Start/ Stop Konventioneller Betrieb Batterie vollBatterie leer 4% bis 30% Einsparung

22 Daimler Trucks TP/VE22 BURN LESS Verteiler- Verkehr StadtbusSonder- Fahrzeuge - Häufige Stopps - Geringe Laufleistung, kleinerer Anteil der Kraftstoffkosten - Betrieb in Emissions-kritischen Zonen (z.B. in Innenstädten) Bis zu 20% Bis zu 30% Bis zu 30% Stadt Fernverkehr Reisebus - Je nach Höhenprofil und Kurven (Bremsvorgänge!) - Downsizing notwendig - Benutzung der elektrischen Energie für Nebenverbraucher möglich (Wasserpumpe, Servolenkung, etc.) - Nachfrage nach Standbetrieb (HVAC, Powernet) (Idling) Überland Up to 6% Up to 6% Up to 6% Die Kraftstoffverbrauchs- Potentiale variieren je nach Anwendung

23 Daimler Trucks TP/VE23 Beispiel: 10 Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid (170 kW Diesel/35 kW elektrisch) werden in UK eingeführt

24 Daimler Trucks TP/VE24 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 Beispiel: MDT Hybridantrieb im Freightliner M2 fertiggestellt – 1500 Fahrzeuge werden in den nächsten 3 Jahren gebaut

25 Daimler Trucks TP/VE25 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 Beispiel: Der Mercedes-Benz Atego BlueTec Hybrid basiert auf dem Canter Eco Hybrid (7,5t-Version) oder dem Freightliner M2 Hybrid (12t-Version)

26 Daimler Trucks TP/VE26 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 Beispiel: Econic Hybrid-Prototyp für den Einsatz bei Versorgungswerken - ZGG 26t

27 Daimler Trucks TP/VE27 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: 1. Thermoelektrischer Generator 2. Thermodynamischer Kreisprozeß Abgasstrom nach Abgasnachbehandlung AGR - Kühlung

28 Daimler Trucks TP/VE28 Abgaswärmenutzung mittels eines thermoelektrischen Generators: Strom direkt aus Abwärme 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. Vorteile: Effektive Nutzung der gesamten Verbren- nungsenergie CO2-Reduktion Verbesserung der Kraftstoffeinsparung Thermoelektrisches Modul: Liefert elektrische Energie mit der gewünschten Ausgangsspannung direkt erzeugt durch die Wärme im Abgas. Anordnung thermoelektrischer Zellen verbaut im Modul:

29 Daimler Trucks TP/VE29 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 E EL Vorteile: Effektive Nutzung der gesamten Verbrennungsenergie CO2-Reduktion Kraftstoffeinsparung Technologiepfade für Energie/Wärmerückgewinnung aus dem Abgasstrom Thermodynamischer Kreisprozess Mechanische/Elektrische Rückspeisung der Energie auf die Kurbelwelle Kolben- expander Turbo- expander Abgaswärmenutzung mittels eines thermodynamischen Kreisprozesses

30 Daimler Trucks TP/VE30 Standardisierung ist wichtig für alle alternativen Kraftstoffe, um die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte (NO x und PM) sicherzustellen Verfügbarkeit in großen Mengen muss auch nachhaltig sichergestellt werden, damit alternative Kraftstoffe an Bedeutung gewinnen werden FAME (Biodiesel) Aktuelle Alternative für Biokraftstoffe B100 Freigabe für BR457, 500 und 900 NExBTL Willkommen als erneuerbarer Kraftstoff zum Ersatz von Diesel (Menge limitiert) Motoren mit Blends im Tests; Kraftstoff-Analysen werden durchgeführt BTL 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 Alternative Kraftstoffe: Alle Nutzfahrzeugmotoren von Daimler sind für Biodiesel freigegeben, andere Optionen werden getestet

31 Daimler Trucks TP/VE31 Fuel Cell Modules H 2 -tank Li-Ion Battery AdBlue-Tank Diesel-Tank 2 Wheel Hub Engine Generator Diesel engine Li-Ion Battery Ein elekrisches Antriebskonzept für zwei Anwendungen: Diesel-Hybrid und Fuel Cell Hybrid 2 Wheel Hub Engine Modular concept Hybrid Bus Fuel Cell Bus

32 Daimler Trucks TP/VE32 Kalkulation basierend auf gesamtem Lebens-Zyklus Häufig sind kurz- bis mittelfristig Subventionen notwendig, um den Durchbruch von neuen Technologie zu erreichen Kunde wird die Technologie wählen Szenario 1: Netto-Nutzen für den Kunden Kraftstoff Wartung Service und Garantie Gesamt-Kosten für Kunden Szenario 2: Netto-Kosten für den Kunden Einsparung aus dem Betrieb Unsere Kunden entscheiden sich für Technologien, wenn diese für sie wirtschaftlich sind Anderer Nutzen Subventionen Steuervorteile evtl. auch nicht- quantifizierbar (Image, etc.) Kosten Kunde wird die Technologie nicht wählen Kraftstoff Wartung Service und Garantie Gesamt-Kosten für Kunden Einsparung aus dem Betrieb Anderer Nutzen Kosten Saldo Subventionen Steuervorteile evtl. auch nicht- quantifizierbar (Image, etc.)

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


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