- Warum ? Institut für Fahrzeugtechnik Alternative Antriebe Prof. Dr.-Ing. K.-U. Münch Institut für Fahrzeugtechnik Betzdorfer Str. 2, 50679 Köln kai-uwe.muench@fh-koeln.de

Fachhochschule Köln Institut für Fahrzeugtechnik ca. 18.000 Studenten ca. 450 Professoren Fahrzeugtechnik: 120-140 Neuanfänger jeweils im Wintersemester 21 Professoren Numerus Clausus ca. 2,3

Klimadiskussion Globaler mittlerer Temperaturanstieg Begrenzung des weltweiten Temperaturanstiegs um 2 °C bis 2030 (bezogen auf den absoluten Wert von1990) "Größtenteils beruht der beobachtete Anstieg der globalen mittleren Tempera-turen wahrscheinlich auf dem beobach-teten Anstieg der vom Menschen gemachten Treibhausgas-Emissionen" Quelle: NASA 2005

„Wer das Auto retten will, muss es neu erfinden“ Klimadiskussion Dicke Luft und in den Mega City‘s Verkehrskollaps  „Wer das Auto retten will, muss es neu erfinden“ Mehr als die Hälfte aller Menschen wohnt in Städten - Tendenz steigend. Schon heute stellen Luftverschmutzung und der drohende Verkehrsinfarkt in den Mega-Citys Stadtplaner vor besondere Herausforderungen. Auf der Expo in Shanghai präsentieren Planer und Autobauer Lösungen für die Verkehrsprobleme der Zukunft Expo in Shanghai: IT, Verkehrsplanung, - Lenkung … Lösung: Peking New York Münch, 6/2010

Bedeutung von Verkehr am Energieverbrauch Endenergie nach Verbrauchergruppen Quelle:. /BINE_BE_7: Energie im Wandel,2000, Abb7, p.3; O-Folie aus bild0700...ptt Anteil des Verkehr nach unter-schiedlichen Quellen ca. 20-30 % Münch, 2/2009

Technologieeinführung „Die Verbrennungskraftmaschine“ Viertakt-Versuchsmotor von 1876, mit ihm begann von Köln aus die „Motorisierung“ der Welt … aber langsam, wie bei jeder neuen Technik ! Münch, 2/2009

Technologieeinführung „Roadmap“ Entwicklung von der Dampfmaschine zum Elektroantrieb Dampf-maschine Verbrennungs-kraftmaschine Elektro-antrieb 164 Jahre 134 Jahre ??? Jahre Erste verwendbare Dampfmaschine 1712 von T. Newcomen Erster Verbrennungsmotor 1876 Erster Serien- Elektroantrieb 2010 Münch, 2/2009

Zum CO2 freie Fahrzeugantrieb Das Spannungsfeld: IT Münch, 6/2010

e - Antrieb Finales Ziel der Antriebsentwicklung Alternative Antriebe Der CO2 freie / neutrale Antrieb heute Auf dem Weg dort hin: Alternative Antriebe Zukunft e - Antrieb Münch 4/2013

e-Antrieb - heute - Reichweite Problem des rein elektrischen Antriebs: Heute bei ausgeführten Fahrzeugen: 50 – 200 km rein elektrisch Weiter Strecken mit Range Extender (Stromgenerator) Problem des rein elektrischen Antriebs: „Speicherkapazität“ Münch, 6/2010

Ultra Caps (Kondensator) 5 Ottokraftstoff 8500 Li-Luft ~ 8000 . Speicherkapazität: Energieträger Energiedichte Wh/kg Bleiakku 40 NiMH 90 Li Ion (Li Polymer) 200-250 Ultra Caps (Kondensator) 5 Ottokraftstoff 8500 Li-Luft ~ 8000 Quelle: AVL ,2010 ca. 40 x geringer Speicher-kapazität im Vgl. zu Ottokraft-stoff Li-Luft Akkumulatoren sind noch im Forschungs-/ Vorausentwicklungsstadium Verfügbarkeit voraussichtlich erst in 10-20 Jahren ! Münch, 6/2010

Reichweite e - Antrieb Reichweitenproblem zukünftig z.B. mit Li-Luft Akkumulatoren gelöst Verfügbarkeit aber heute nicht gegeben „Plug in Hybrid“ als Übergangslösung Reichweiten 50-200 km für städtische Mobilität ausreichen Weiter Strecken mit Range Extender Münch, 6/2010

Ausgeführte Beispiele: Quelle: Auto Bild 5/2010 Münch, 6/2010

Ausgesuchte Beispiele GOLF Blue-E-Motion 85 kW E-Motor, max. Dreh. 270 Nm Lithium-Ionen-Batterie mit 26,5 kWh 0-100 km/h in 11,8 s Spitze: 135 km/h Reichweite je nach Fahrweite bis zu 150 Kilometer Gewicht: 1.545 Kilogramm, SOP 1/2014 e - up 55 PS , max. Dreh. 210 Nm Lithium-Ion.-Batt. mit 26,5 kWh 0-100 km/h: 14 s Spitze 135 km/h Reichweite: ca. 150 km Preis ca. 22.500 Euro SOP 9/2013 Münch 4/2013

. BMW i3 Leistung: 125/170 kW/PS Drehmoment: 250 Nm Batterie: Lithium-Ionen-Akkus Kapazität: ? kWh Heckantrieb Spitze: 150 km/h 0 - 100 km/h: 7,9 s Reichweite: 130 bis 160 km (FTP72 Fahrzyklus: 225 km) Preis: ca. 40.000 € SOP: Herbst 2013 In Kürze: Sportwagen BMW i8 Plug-in Hybrid Münch 4/2013

. Renault Kangoo Maxi Z.E. 44 kW, max. Drehmoment 226 Nm Spitze: 130 km/h Beschl. 0-100 km/h: 22,4 s Getriebe1-Gang-Untersetzungsgetriebe, Frontantrieb Länge 4597 mm, Breite 1829 mm, Höhe 1836 mm, Gewicht 1628 kg, max. Zuladung 632kg Preis 26 180 € + Batterieleasing seit Ende 2012 auf dem Markt Münch 4/2013

Übersicht Alternative Antriebe Alternative Kraftstoffe RME  Dieselmotor E85 (Ethanol- Anteil)  Ottomotor CO2 frei bzw. neutral e - Antrieb konventionell (Batterie) Brennstoffzelle (H2) LPG „Autogas“ Popangas Gas - Antrieb konv. Ottomotor CNG „Erdgas“ Hochdruck energieeffizient Paralleler Hybrid Synergie Verbr.-Motor/ e-Motor Hybrid Antriebe Serieller Hybrid Münch 4/2013

Gasantrieb LPG – Autogas (Propan- /Butangas) „Flüssiggas“, da bei Umgebungstemperatur und > 8 bar flüssig hohe Energiedichte kleines Speichervolumen notwendig (zusätzlicher Tank in der Reserveradmulde, 30 l – 90 l)  konventionelle Fahrzeuge mit Ottomotor umrüstbar  bivalenter Betrieb möglich (hohe Reichweite) LPG nicht bei DI-Otto einsetzbar !  Relativ geringe Umrüstkosten (ca. 1500,- € - 3500,- €)

Gasantrieb LPG – Autogas (Propan- /Butangas) . Interessante Fakten über LPG Autogasfahrzeuge werden noch bis etwa zum 31. Dezember 2018 steuerlich begünstigt Der Einsatz von LPG senkt die Verbrauchskosten um etwa 45% CO2 - Ausstoß um etwa 15% gegenüber einer üblichen Benzinverbrennung reduziert

Gasantrieb CNG – Compressed Natural Gas (Erdgas) Mit Erdgas fahren und sparen Mit einem Erdgasfahrzeug sparen Sie im Vergleich zu einem Benzinfahrzeug bis zu 50% Kraftstoffkosten, im Vergleich zu Dieselfahrzeugen sind es immerhin noch 30%. Die Umrechnung auf Basis des Energiegehalts zeigt, wie günstig Erdgas wirklich ist:   Quelle: Rhenag Münch 4/2013

Gasantrieb CNG – Compressed Natural Gas (Erdgas) Steuervorteil: Bis mindestens 2018 ist ein günstiger Mineralölsteuersatz für Erdgas als Kraftstoff festgeschrieben. Die Steuerreform gilt nur für Neuwagen, die ab dem 01. Juli 2009 zugelassen wurden. Beispiel: Ein erdgasbetriebener VW Passat 1.4 TSI EcoFuel, der nur 119 g/km ausstößt, bleibt unterhalb der CO2 Freigrenze, der CO2-Anteil ist damit kostenfrei. Hinzu kommt die Hubraum-Komponente, die bei Erdgasfahrzeugen wie bei Benzinern 2 € je angefangene 100 cm3 Hubraum kostet, beim Diesel sind es je 100 cm3 9,50 €. Für den Passat TSI EcoFuel mit 1,4-Liter-Motor ergeben sich unterm Strich 28 Euro Steuern. Die CO2-Steuer eines vergleichbaren VW Passat mit Benzinmotor kostet 186 Euro, beim vergleichbaren Passat-Dieselmodell 266 Euro. Quelle: Rhenag Münch 4/2013

Gasantrieb CNG – Compressed Natural Gas (Erdgas) Ausschnitt in Deutschland erhältliche Erdgasfahrzeuge: - Fiat Doblò 1.4 T-Jet 16V Natural Power - Fiat Fiorino 1.4 8V Natural Power - Fiat Panda Panda 1.4 8V Natural Power - Fiat Punto Evo 1.4 8V Natural Power - Fiat Qubo 1.4 8V Natural Power - Mercedes B 180 NGT - Mercedes E 200 NGT - Opel Combo 1.6 CNG ecoFLEX - Opel Zafira 1.6 CNG ecoFLEX Turbo - VW Caddy 2.0 EcoFuel - VW Caddy 2.0 Maxi EcoFuel - VW Caddy Tramper 2.0 EcoFuel - VW Passat 1.4 TSI EcoFuel - VW Passat Variant 1.4 TSI EcoFuel - VW Touran 1.4 TSI EcoFuel - VW Touran Cross 1.4 TSI EcoFuel - VW T5 2.0 BiFuel Münch 4/2013

Gasantrieb CNG – Compressed Natural Gas (Erdgas) Technik: CNG (monovalent) Ottomotor auch DI 10 l Benzin Reservetank  Reichweite: Gas: ca. 350-400 km + Benzin 100-150 km Hochdruckspeicher Bislang kommen im Druckbereich bis 20 MPa hauptsächlich schwere Stahlbehälter wegen der niedrigen Preise zur Anwendung. Doch es ist eine Tendenz hin zu Behältern mit Composite-Umwicklung, einem Werkstoffverbund aus Kohlefaser und Duroplast, erkennbar, um Gewicht einzusparen. Dieser Behältertyp soll Arbeitsdrücke von 70 MPa und höher ermöglichen. Münch 4/2013

Gasantrieb CNG – Compressed Natural Gas (Erdgas) Tankstellennetz 2013: Rund 1.200 Anbietern von Erdgas in der Bundesrepublik Deutschland z.B. 7 Anbieter z.B. in Köln 1 Anbieter in Bonn 1 Anbieter in Siegburg www.erdgas-mobil.de Münch 4/2013

Übersicht Alternative Antriebe Alternative Kraftstoffe RME  Dieselmotor E85 (Ethanol- Anteil)  Ottomotor CO2 frei bzw. neutral e - Antrieb konventionell (Batterie) Brennstoffzelle (H2) LPG „Autogas“ Popangas Gas - Antrieb konv. Ottomotor CNG „Erdgas“ Hochdruck energieeffizient Paralleler Hybrid Synergie Verbr.-Motor/ e-Motor Hybrid Antriebe Serieller Hybrid Münch 4/2013

Hybride Antriebe Seriell Verbrennungs-motor Akku Generator E-Motoren Tank Modulares Antriebssystem 1. Stufe Verbrennungsmotor Generator 2. Stufe Brennstoffzelle H2 oder CH4 Alternativ: Reiner E-Betrieb mit Akkus Brennstoffzelle Lokal CO2 frei ! Münch 4/2013

Hybride Antriebe Seriell (Plug in) Beispiel: Opel Ampera Elektromotor vorne, quer (111 kW/150 PS) Leistung: 111 kW oder 150 PS Max. Drehmoment: 370 Nm 1,4-L - Benzinmotor als Stromgenerator (Range Extender) Vorderradantrieb Antrieb: 1,4-L-Benzinmotor (63 kW/86 PS) Range Extender: Generator (54 kW) Kapazität: 16 kWh Lithium-Ion.-Batt. Spitzengeschwindigkeit 161 km/h Gewicht: 1.732 kg Reichweite: elektrisch 40-80 km, mit R.E. 500 km Preis: ca. 40.000 € Münch 4/2013

Hybride Antriebe Seriell Twin Drive - Volkswagen: SOP: Anfang 2014 Münch 4/2013

Hybride Antriebe Twin Drive (Plug in) - Funktion Münch 4/2013

Hybride Antriebe Parallel Quelle: Green-Motor.de Münch 4/2013

Hybride Antriebe Paralell (Plug in) Bei einer Geschwindigkeit von max. 85 km/h. Gewichtete kombinierte Werte nach EU-Messverfahren: Kraftstoffverbrauch: 2,1 l/100 km, CO2 Emission: 49 g/km, Elektrischer Energieverbrauch: 5,2 kWh/100km Vom Toyota Prius gibt es neu eine XL-Version und damit das erste Hybridfahrzeug mit 7 Plätzen Münch 4/2013

Hybride Antriebe Parallel: Verbrennungsmotor / Druckluft System: Bosch/Rexroth Quelle: PSA Münch 4/2013

Hybride Antriebe Vorteile des Systems Niedrige Kosten und geringes Gewicht – es sind nur zwei Druckluftbehälter und einige Steuerelemente erforderlich Hohe Leistungsdichte Effiziente Umwandlung kinetischer Energie in Druckluft-Energie Extrem schnelle Ladung und Freigabe gespeicherter Energie Fahrzeuge wie der Citroën C3 oder Peugeot 208 sollen mit HybridAir nur 2,8 Liter/100 km verbrauchen und 69g CO2/ km emittieren Bis zu 45 Prozent weniger Verbrauch im Stadtverkehr laut PSA Peugeot Citroën Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterie oder anderen Batteriearten fallen bei der Herstellung weniger Emissionen an Ersatzinvesti-tionen bedürfen geringeren finanziellen Mitteln Münch 4/2013

Hybride Antriebe Meine Vorschläge - mittelfristige Lösungen Kombination: Kleiner Dieselmotor mit HybridAir: Geringer Verbrauch auf der Langstrecke 3 - 4 l/ 100km Geringer Verbrauch in der Stadt < 3 I/ 100 km Erdgasantrieb (400-600 bar Speicherdruck, heute 200 bar) mit HybridAir: Etwas geringerer Verbrauch auf Langstrecken 5 - 6 l/ 100 km Geringer Verbrauch in der Stadt < 4 Liter (bezogen auf Benzin) Langfristig: e - Antrieb Münch 4/2013

Alternative Antriebe Keine „Patentlösung“ Zukunft beginnt schon heute und hört nicht 2020 auf ! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Münch 4/2013