Stand der Technik und Entwicklungen im Bereich Gasmotoren - Christian Bach Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme
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Stand der Technik und Entwicklungen im Bereich Gasmotoren Christian Bach Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme
Inhalt Die CO2-Gesetzgebung für Personenwagen Gasmotoren Treibstoffe für Gasmotoren Future Mobility Demonstrator an der Empa Zusammenfassung
Die Norm-CO2-Emissionen
Schweiz und EU im Vergleich – Einfluss «AFV» steigt
CH-Flotte («all fuels») ist 18 g/km höher, als
die EU27-Flotte
Benzin-/Dieselflotte (EU27) mit vergleichbaren
CO2-Norm-Emissionen
CO2-Emissionen der Flotte mit «alternative Fuels»
sind am niedrigsten
AFV: Alternative Fueled Vehicle
Quelle: EEA (2014); Auto-Schweiz (2014)
Normverbrauch – Norm-CO2-Emissionen
Bis 2020 bleibt noch einiges zu tun!
Personenwagen
Die mittleren CO2-Norm-Emissionen 2013
(EU27) der 9 grössten PW-Hersteller
mit einem Marktanteil von insgesamt 86%
Quelle: ICCT (2014)
Lieferwagen
Die mittleren CO2-Norm-Emissionen 2013
(EU27) der 9 grössten LiW-Hersteller
mit einem Marktanteil von insgesamt 95%
Quelle: ICCT (2014)
Inhalt Die CO2-Gesetzgebung für Personenwagen Gasmotoren Treibstoffe für Gasmotoren Future Mobility Demonstrator an der Empa Zusammenfassung
Erdgas/Biogasfahrzeuge
Stand der Technik
bis 2000 2000 - 2010 seit 2010 >2020
Umrüstmarkt 1st Generation 2nd Generation 3rd Generation
OEM-Erdgasfahrzeuge OEM-Erdgasfahrzeuge OEM-Erdgasfahrzeuge
Vorteile: Vorteile: Vorteile: Vorteile:
Alle Benzinfahrzeuge Grosser technischer Technisch auf Stand Benzin- Potentiale ausgenutzt
konnten umgerüstet werden. Sprung. Fz (z.B. Turbomotoren) Nachteile:
Nachteile: Nachteile: Nachteile: ?
Tiefer technischer Stand Wenig Modelle und Kaum mehr Nachteile für Verbrauch:
ältere Motoren Endanwender
Verbrauch: wie moderne Diesel-Fzge
wie Benzinfahrzeuge Verbrauch: Verbrauch: Reichweite:
wie ältere Benzin-Fzge wie moderne Benzin-Fzge
Reichweite: >600 km (Gas)
150 – 250 km (Gas) Reichweite: Reichweite:
250 – 450 km (Gas) 450 km (Gas)
+250 – 600 km (Benzin) +250 – 600 km (Benzin)
Clean Engine Vehicle-Projekt (2000-2005)
Entwicklung eines Erdgas/Biogas-Turbomotor-Konzeptes
Projektziele
-30% CO2
Euro-4 und SULEV
Abgasnachbehandlung
Katalysatorkonzept
Lambdastrategie
Motor
Erhöhung Verdichtung
Turboaufladung mit
Ladedruckregelung
www.empa.ch/cev
Angepasste Motorsteuerung
Projekt CLEVER (2007 – 2013)
Entwicklung eines Erdgas-Elektrohybridantriebs
Driver’s signals
Hybrid (accelerator position,
CNG tanks Controller brake pedal pressure,
Untersuchung der
gear, etc.)
ECU
Potentiale neuer Brenn-
throttle
pressure
power +
regulator - Battery
elctronics
verfahren für Gasmotoren intercooler
electrical motor/
generator
Optimierung des thermo- gerbox
dynamischen Kreis- Air filter turbocharger
wastegate
wheel
prozesses für Erdgas
catalyst
(z.B. Miller-Zyklus)
Realisierung Erdgas/
Biogas-Hybridantrieb
(Auslegung auf
Rekuperation, Anfahr-
drehmoment, „Turboloch- Touran 1.4 Touran 1.4
kompensation“) TSI Benzin: -40 CO2 TSI CNG/Hybrid:
(bereits ohne Biogas)
173 g CO2/km 105 g CO2/km
BFE
BAFU
Erdgas/Biogas als Treibstoff
Weshalb eigentlich?
1
Therm. Wirkungsgrad: nth 1 1
wobei: Verdichtungsverhältnis
Isotropenexponent ccpv
Spezifikation Benzin Methan
Oktanzahl 95 – 98 130
Verdichtungsverhältnis 10 - 11 13 - 13.5
Heizwert 43 MJ/kg 50 MJ/kg
Flammentemperatur 2’500 K 2’150 K
H:C Verhältnis 2:1 4:1
Spez. CO2 Emissionen 74 g/MJ 55 g/MJ Reduzierte CO2 Emissionen
Energiedichte 30 MJ/dm3 7 MJ/dm3 Erzwingt “vernünftige” Gasautos
Problemfall «Zündung»
Methan: hohe Klopffestigkeit – geringe Zündwilligkeit
Zündprobleme führen zu hohen
Zyklusvariationen:
Erhöht thermodynamische Verluste
Limitiert effiziente Motorauslegung,
insbesondere für kleine, turboaufgeladene
Motoren
Verschlechtert den Motorrundlauf
Gründe: Zündung
Fluktuationen im Strömungsfeld im Zylinder
sowie im Air/Fuel-Ratio
Schlechte Zündung/Entflammung
100 Druckverläufe eines 1-Zylinder, 250 cm3
Gasmotors, λ=1.37 (Source: H. Biffiger, Empa)Prozesse nach der «Zündung»
Zündfunken-Spektroskopie
An die Zündkerze angelegte Hochspannung führt zu einem elektrischen
Durchbruch, bei dem das Brennstoff/Luft-Gemisch zwischen den Elektroden
kurzzeitig in ein Plasma umgesetzt wird.
Die Licht-Emission des Zündfunken besteht dann aus den Spektrallinien der
angeregten Atome und Ionen (mit Beiträgen der Plasmastrahlung).
Zündspule
+ -
12 V
DiCam Pro
Linsen Kamera mit Bildverstärker
Konstant-Volumen- Spektrograph
ZelleInhalt Die CO2-Gesetzgebung für Personenwagen Gasmotoren Treibstoffe für Gasmotoren Future Mobility Demonstrator an der Empa Zusammenfassung
Umweltauswirkungen von Gasfahrzeugen
Einfacher Umstieg auf saubere, erneuerbare Energie
Erdgas
Erdgas ist der sauberste fossile
Energieträger. Bei Förderung und
Transport entsteht eine Zusatz-
emission an Treibhausgasen von
ca. 5 g/km.
Quelle: JRC Technical Reports;
Well-to-Tank Report Version 4.0 (2013)
Biogas
Biogenes Methan (Biogas) zählt zu
den saubersten erneuerbaren
Energieträgern. Ein biogas-
betriebenes Gasfahrzeug emittiert
80% weniger Treibhausgase als ein
mit fossilem Erdgas betriebenes
Fahrzeug.
Quelle: Empa, ART, PSI, Doka Ökobilanzen
(2012)Lebenszyklus-CO2-Emissionen
Der Umstieg von Fossil auf Erneuerbar macht’s aus
Quelle: TU München: Elektro EU-Mix/
erneuerbarer Strom & Diesel;
Empa Erdgas/Biogas & Benzin
Erneuerbare Energie Hauptsächlich fossile Energie
Der Primärenergieverbrauch der verschiedenen Antriebskonzepte (konventionell,
hybridisch, elektrisch) ist im realen Betrieb 20% fast identisch.
Die CO2-Belastung hängt primär von der verwendeten Fahrenergie und der Energie für
die Herstellung des Fahrzeugs ab. Die CO2-Belastung in der Realität kann nur mit
Umstieg auf erneuerbare Fahrenergie gesenkt werden.Verbrauch / CO2-Emissionen Gasbusse
Vergleich alte und neue Motoren
2010 2014
Begründung für Mehrverbrauch Neue EuroVI-Gasbus-Motoren:
älterer Gasbusse ggü Dieselbussen:
Basis waren i.d.R. Euro2-Dieselmotoren Basieren auf modernen EuroVI-Dieselmotoren
(Mehrverbrauch: 15%) Weisen angepasste Otto-Brennverfahren auf
Sehr einfache Otto-Brennverfahren (Mehrverbrauch: 15-20)
(Mehrverbrauch: 20%) Mehrgewicht von rund 1 t
Mehrgewicht von rund 1 t (Mehrverbrauch von 5%)
(Mehrverbrauch von 5%)Synthetisches Methan aus PtG-Anlagen
Ein neues CO2-Reduktionsszenario für den Verkehr
Szenario 1:
Hohe CNG-Anteile ohne
EE-Methan führen zu einer
CO2-Minderung von ca. 20%
Szenario 2:
Hohe CNG-Anteile, die mit
EE-Methan betrieben
werden, führen zu einer
CO2-Reduktion von ca. 75%
Szenario 3:
Hohe Anteile an Elektro-
und BZ-Antrieben führt zu
einer CO2-Reduktion von ca.
80%.
Fahrzeugherstellung nicht
berücksichtigt.
Quelle: DLR, ifeu, LBS, DBFZ (2014)Erdgas/Biogas-Wasserstoff als Treibstoff
Laborversuche Praxiserprobung
Effizienzsteigerung sogar bei
konventionellen Gasfahrzeugen
Überproportionale CO2-Reduktion
(9 E% H2 => 9-12% CO2-Red.)
NOx- und HC-Emissionen werden
massiv reduziert (kürz. Brenndauer)
Potential für neue BrennverfahrenInhalt Die CO2-Gesetzgebung für Personenwagen Gasmotoren Treibstoffe für Gasmotoren Future Mobility Demonstrator an der Empa Zusammenfassung
Strombasierte Treibstoffe
Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von
Überschussenergie für die Mobilität
Ungenutzte,
nachhaltige Biomasse
Die Schweiz verfügt über 2 - 11 TWh ungenutzte, nach-
haltige Biomasse, die grösstenteils in Biogas umgewandelt
werden könnte. (B. Steubing et al., 2010)Strombasierte Treibstoffe
Nutzbarmachung von temporär überschüssigem Strom
Photovoltaik Windenergie
Starker Überhang im Sommerhalbjahr Stochastische Produktion
Simulation der Elektrizitätsversorgung 2050 (Prognos)
35 TWh (d.h. 50%); wobei ca. 15 TWh stark fluktuierend
9 TWh Überschuss-El. (Sommer), wenn WKK/GuD nicht regelbar
4.5 TWh Überschüss-El. (Sommer), wenn WKK/GuD regelbarStrombasierte Treibstoffe
Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von
Überschussenergie für die Mobilität
Ungenutzte,
nachhaltige Biomasse
Fluktuierende erneuerbare
Überschuss-Elektrizität
Mit der neuen Energiestrategie werden bis 2050 pro Jahr
4.5 – 9 TWh temporär überschüssige, erneuerbare
Elektrizität erwartet. (Prognos 2012).Strombasierte Treibstoffe
Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von
Überschussenergie für die Mobilität
Elektro-
Auto
Netz-Batterie
El.
Fluktuierende erneuerbare
Überschuss-Elektrizität
Die temporär überschüssige Elektrizität kann in Netz-
batterien gespeichert und für das Laden von Elektroautos
genutzt werden. Herausforderung: Winterbetrieb,
Reichweite, Anreiz für erneuerbare Energie.Strombasierte Treibstoffe
Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von
Überschussenergie für die Mobilität
Elektro-
Auto
Netz-Batterie
El. Die temporär überschüssige
Elektrizität kann mittels Elektrolyse-
anlagen in Wasserstoff (H2) um-
gewandelt und gespeichert werden.
El. Herausforderung: H2-Nutzung,
Fz-Kosten.
Fluktuierende erneuerbare
Überschuss-Elektrizität Elektrolyse
Wasserstoff-
FahrzeugStrombasierte Treibstoffe
Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von
Überschussenergie für die Mobilität
H2 kann mit CO2 (z.B. aus Biogasanlagen)
Elektro-
in synthetisches Methan (CH4) Auto
umgewandelt, gespeichert und in Erdgas/
Biogas-Anlage
Biogasfahrzeugen genutzt werden.
H2 kann zudem an+ der Tankstelle
Netz-Batterie dem CO2
e
Erdgas/Biogas direkt beigemischt werden,
was neue, effiziente motorische Brenn-
verfahren ermöglicht. CH4
Herausforderung: Effizienz Gesamt-
e+
system, Materialverträglichkeit. Methanisierung
Erdgas/Biogas-
Fluktuierende erneuerbare H2 Auto
Überschuss-Elektrizität Elektrolyse
H2
Wasserstoff-
FahrzeugStrombasierte Treibstoffe
Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von
Überschussenergie für die Mobilität
Elektro-
Auto
Biogas-Anlage
Netz-Batterie CO2
El.
CH4
El. Methanisierung
Erdgas/Biogas-
Fluktuierende erneuerbare H2 Auto
Überschuss-Elektrizität Elektrolyse
H2
Wasserstoff-
FahrzeugStrombasierte Treibstoffe
Flexibilisierung des Energiesystems durch Speicherung von
Überschussenergie für die Mobilität
Elektro-
Auto
Biogas-Anlage
Netz-Batterie CO2
El.
CH4
El. Methanisierung
Erdgas/Biogas-
Fluktuierende erneuerbare H2 Auto
Überschuss-Elektrizität Elektrolyse
H2
Wasserstoff-
FahrzeugFuture Mobility Demonstrator @ Empa
Pilotanlage für betriebliche Untersuchungen
H2-Verdichter
H2-Speicher 350 & 700 Bar H2-Tankstelle
HCNG-Tankstelle
CNG-Tankstelle
Methanisierung
(in Zusammenarbeit mit PSI) Erdgas/Biogas (CNG)-
Verdichter/Speicher
Elektrolyseanlage
FOGA
Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der schweizerischen Gasindustrie
Fonds de recherche, de développement et de soutien de l'industrie gazière suisse
Ultra Fast
HCNG- 700 Bar H2- EV-Charging
Praxiserprobung Fahrzeug (in Anbahnung)
(in Planung)
350 Bar H2-
Kehrfahrzeug
Fz-
HerstellerInhalt Die CO2-Gesetzgebung für Personenwagen Gasmotoren Treibstoffe für Gasmotoren Future Mobility Demonstrator an der Empa Zusammenfassung
Zusammenfassung Erdgas ist der sauberste fossile Treibstoff. Biogas ist einer der saubersten erneuerbaren Energieträger. Gasmotoren weisen ein grösseres Effizienzsteigerungspotential auf, als Benzin- oder Dieselmotoren. Gasfahrzeuge sind «normalo»-Fahrzeuge (keine Sportwagen, keine SUVs, keine Luxusautos) PtX hilft der Energiewende (Nutzung temporärer Überschüss-Elektrizität, Engpass-Management im Stromnetz, Systemdienstleistungen) PtX ermöglicht als einziges Konzept den ganzjährigen Betrieb von Fahrzeugen mit erneuerbarer Energie (wegen saisonaler Speichermöglichkeit). Für strombasierte Treibstoffe gibt es keine physikalische Limitierungen (weder bei erneuerbarer Energie, noch beim CO2). Damit ist langfristig eine vollständige Umstellung von fossilen Treibstoffen auf synthetische Treibstoffe möglich. PtG ist in der Mobilität wirtschaftlich, sobald die CO2-Minderung im Rahmen der Flottenemissionsregelung angerechnet werden können.
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Mit Dank für die Unterstützung an: Dr. Brigitte Buchmann Dr. Patrik Soltic Urs Cabalzar Thomas Bütler Kontakt: christian.bach@empa.ch
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