Szenarien einer automobilen Zukunft - Vortragstagung SSM vom 20. September 2007 Konstantinos Boulouchos, ETH Zürich - ssm-studies
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Szenarien einer automobilen Zukunft
Vortragstagung SSM
vom 20. September 2007
Konstantinos Boulouchos, ETH Zürich
Meinrad K. Eberle, ETH Zürich
1
Disposition
§ Einleitung
§ Ausgangslage Energieversorgung
§ Antriebstechnik von Automobilen
§ Kostenschätzungen Aggregate
§ Was können Sie tun?
§ Schlussfolgerungen
2
Quellen
§ Wissenschaftliches Seminar Prof. K. Boulouchos
§ PSI
§ M. K. Eberle
§ ….
3
Erlaubte CO2-Emissionen bei Stabilisierung auf verschiedenen Niveaus
450 ppm à ~1.5-2°C Erwärmung
O: ohne Klimarückkopplung 550 ppm à ~2-3°C Erwärmung
Kumulative CO2-Emissionen [GtCO2]
R: mit Klimarückkopplung
Ca. 500 Wfossil/Kopf
für 1 t CO2/Kopf im
2‘000 Mrd. t CO2 Jahre 2100
im 21. Jahrhundert
(O) (R) (O) (R)
ppm 450 450 550 550
Quelle: Stern Review (2006)
4
Die 2000 Watt Gesellschaft
§ 2000 Watt sind eine Metapher: Es geht um die Frage,
Energie zu sparen und die klimarelevanten Emissionen
(hauptsächlich Kohlendioxid) drastisch zu reduzieren.
§ Wir werden sozialverträglich die 2000 Watt Gesellschaft
nicht erreichen – wenn es gut geht, werden es bis zum
Jahr 2050 den Verbrauch um 30% senken können.
§ Klimarelevant ist die Absenkung der CO2-Emissionen.
Langfristiges Ziel: 1 Tonne CO2 pro Kopf, oder 500 Watt
pro Kopf fossil (6 Mal weniger als heute)
5
The great challenge
20 Goal:
USA
Stabilization of the atmospheric CO2-concentration at 450 ppm
Per capita CO 2-emissions [t CO 2/(y.p)]
18 (pre-industrialized 280 ppm), corresponding to a temperature
increase until 2100 of circa 2°C.
16
14
12
OECD-countries
10
8
Switzerland
6
World
4
China
2 World World
Africa
0
2000 2025 2050 2075 2100
Year
LAV – wissenschaftliches Seminar 6
CO2-Emissionen pro Kopf – Regionale Verteilung
Industrie-Länder (1.3 Mrd.)
Prognose
Welt
Entwicklungs-/ aufstrebende Länder
(5 Mrd.)
Quelle: Stern Review (2006)
7
Quellen der Treibhausgasemissionen im Jahre 2000
Industrie (CO2 und nicht- CO2)
(5.7 GtCO2e)
Strom (CO2) Übrige energiebedingte Emissionen
(10.3 GtCO2e) (CO2 und nicht- CO2)(2.1 GtCO2e)
Abfall (nicht- CO2)
(1.4 GtCO2e)
Landwirtschaft (nicht- CO2)
Verkehr (CO2) (5.7 GtCO2e)
(5.6 GtCO2e)
Gebäude (CO2)
(3.2 GtCO2e) Bodennutzung
(CO2)
(7.6 GtCO2e)
Quelle: Stern Review (2006)
8End energy demand for Switzerland (~2005)
4
3.5 0.9
(24%)
Electricity
3
2.5
kW / cap
1.6
(42%)
2 Heating
1.5
1 1.3 (34%)
Transportation
(of which 0.7 (18%)
0.5 passenger cars)
0
LAV – wissenschaftliches Seminar 9Structural change of the economy
100
90
80
Sector Shares in GDP, %
70 S e r vi c e s
60
50
40
30 Ind u stry
20
10
Agriculture
0
0 5000 10000 15000 20000 25000
GDP/cap, US$(1985) Source: A. Schäfer, MIT, 2001
LAV – wissenschaftliches Seminar 10Final energy consumption Switzerland, 1910-2005
Electricity
Gas
Transportation
Fuel
Heating Oil
Quelle: BFE
LAV – wissenschaftliches Seminar 11The swiss energy system from 1973 to 2004
Jet fuels Population
Diesel
1973: 6.3 Mio.
Gasoline
2004: 7.4 Mio.
Per capita
real GDP-growth
1973 -> 2004
+55%
1973 2004 1973 2004 1973 2004 1973 2004
Heat Electricity Transportation Total Data from: BFS statistics, 2004
LAV – wissenschaftliches Seminar 12Life cycles of energy-relevant technologies/infrastructures
Years (order of magnitude, approximation)
Fuel and road
Electric power-plants Vehicles Heating devices Buildings
infrastructure
Fossil 40 Cars 10 Burners 15 Renovation 40
Nuclear 60 Ships 30 50-100 Heat pumps 25 New ones 100
Hydro 100
Survival rates of CO2 in
atmosphere: ~100-150 years!
LAV – wissenschaftliches Seminar 13Hydrogen vs. batteries for efficient storage of intermittent electricity
§ Storage efficiency: electricity -> storage -> electricity
For the same useful
§ Batteries: ηs, ef, B ~ 0.80 (- 0.85 for large Li-Ion batteries) electricity at
consumer site about
2.5 times more wind
§ Hydrogen: ηs, ef, H2 ~ 0.75 · 0.90 · 0.50 ~ 0.34
turbines necessary for
electrolysis compression fuel cell hydrogen vs. Battery
storage!
§ Energy storage capacity of best batteries:
160 Wh/kg ~ 320 Whel/lit
§ Energy storage capacity of compressed hydrogen at 350 bar:
1’000 WhH2/lit but this corresponds to 500 Whel/lit !
But with hydrogen additional space (and costs) for the fuel cell and the
compressor are necessary.
LAV – wissenschaftliches Seminar 14Transportation based on natural gas as primary energy
Methane energy demand for the average new CH – car / 100 km
120 1. Gas engine
110
2. Gas engine with full
100 hybrid propulsion
Primary energy [kWh methane] / 100 km
3. Fuel cell, hydrogen
90
80 from reformed
70 methane
60 4. Fuel cell, hydrogen
50 from electrolysis,
40 combined cycle gas
power plant
30
20 5. Battery driven
vehicle, electricity
10
from combined
0
cycle gas power
1 2 3 4 5
plant
LAV – wissenschaftliches Seminar 15Biofuels: yield per hectare (in appropriate regions)
RME 1‘520 l*/(hectare·a)
Bio-Ethanol 1‘670-2‘320 l*/(hectare·a)
BTL (2nd generation) 3‘900 l*/(hectare·a)
Example Germany: max 3.5 millions hectares available;
with 50% bioethanol and 50% BTL ?
fossil energy substitution and CO2-savings of about 15-20% possible
Compare:
sun PV
→ electric propulsion efficiency ~(5%-10%)
Photosynth. Converter
sun → biofuels → propulsion efficiency ~ 0.1%
Source: Shell, SSM Lucerne 2006, VDI-Nachrichten
LAV – wissenschaftliches Seminar 16Wachsender Anteil des Transports am globalen Ölbedarf
Quelle: Erdöl-Vereinigung, „Die langfristige Verfügbarkeit von Erdöl“, 2006
17Lithium-Ion technology benefits
High specific energy and power
100,000
Specific Power, W/kg at Cell Level
Super Li-Ion
capacitors Very High Power
10,000
Lead acid Li-Ion
spirally wound High Power
Ni-Cd
1,000 Ni-MH Li-ion
High
Energy
Na / NiCl2
100
LiM-Polymer
Lead acid
10
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Specific Energy, Wh/kg at Cell Level
Source: Broussely, Saft, 2005
LAV – wissenschaftliches Seminar 18Batteries: from theory to practice
600
500
400
Lead
300
NiCd
200 NiMH
100 Li metal
0 Li Ion
Wh/kg theor. Wh/kg
practical
(current)
Source: Broussely, Saft, 2005
LAV – wissenschaftliches Seminar 19Trade-off weight and range:
comparison between future powertrains (passenger cars)
Basis: 1 ton car without powertrain with 80 kW power, 15 kWhel/100 km, 1 kg H2/100 km
500
Li-Ion: 150 Wh/kg
Weight in addition to electric motor [kg]
Fuel cell (current)
Fuel cell (future)
400
Li-Ion (current)
Li-Ion (future) FC: 3 kg/kW, H2: 4% by mass
300
Li-Ion: 225 Wh/kg
200
FC: 2 kg/kW, H2: 6% by mass
100
0
0 100 200 300 400 500
Range [km]
LAV – wissenschaftliches Seminar 20„Steckdosen“-Hybrid: ein langfristig sinnvolles Konzept
Voraussetzungen für sinnvollen Einsatz:
§ Stromerzeugung ist CO2-arm (am besten CO2-frei) !
§ Fortschritte (Kosten, Speicherdichte bei Batterien) erforderlich
21Technologiepfade für den zukünftigen Automobilantrieb
Evolution des Ottomotors
Downsizing, Direkteinspritzung mit hohen
Evolution des Dieselmotors
Variabilitäten, flexible Hochaufladung, variable
Ventile, flexible Geometrien, kombinierte
Abgasnachbehandlung
Evolution des Verbrennungsmotors (Diesel, Otto) PLUS
Neue Kraftstoffe (biogene, gasförmig/flüssig, synthetische/H2-angereicherte Reformate)
Zunehmende Hybridisierung (mild, voll,...) über Verbrennungsmotor als „Range Extender“
und schliesslich weitgehend Elektrobetrieb (nach Mitte des 21. Jh.)
Umstellung auf Wasserstoff und Brennstoffzellenantrieb (sehr unwahrscheinlich, da extrem elektrizitäts-,
ressourcen- und kostenintensiv).
2000 2050
22CO2-Reduktion: Technologiepotentiale (PKW)
Spez. CO2-Ausstoss [g/km] Basis: 2005-zugelassener PKW in der Schweiz
Fortschritt
100% Motor/Getriebe
Konsequente
-15% Hybridisierung
Biotreibstoff
e Konsequente
-25%
Gewichts-
reduktion Weitgehend
-10% (20%) Steckdosen-Hybrid
-10% (wenn Strom CO2-
frei)
-50%
Quelle: Schätzungen LAV, ETHZ
23Individual transport: effective energy use
Medium-class car SUV „Optimized“ car
(weight and power train)
e.g. full hybrid resp.
fuel cell (well-to-tank
losses included)
Effective efficiency
17% 10% 25%
in the cycle
Car weight 1300 kg 2500 kg 900 kg
Mean load 1.6 persons/car
Useful transport
130 kg 130 kg 130 kg
weight
Weight ratio 0.10 0.052 0.14
Effective utility 1.7% 0.5% 3.6%
LAV – wissenschaftliches Seminar 24CO2-Emissions of Diesel, gasoline and gasoline-hybrid vehicles
LAV – wissenschaftliches Seminar 25Kostenschätzungen Aggregate
kCHF/kW
§ Benzinmotor mit Abgasreinigung und Getriebe 20-30
§ Dieselmotor mit Abgasreinigung und Getriebe 24-36
§ Elektroantrieb, Batterie und Getriebe 40-60
§ Hybrid 40-60
§ Brennstoffzelle mit Elektromotor
§ Bei Markteintritt (2010-2015) 300-600
§ Bei sehr grossen Stückzahlen 50-100
Quellen: U. Seiffert, PSI 2007
LAV – wissenschaftliches Seminar 261906: The car and the lady
LAV – wissenschaftliches Seminar 27The consumer decides
Vehicle
Mass Power Spec. P. Spec. fuel cons.
kg kW kW/100 kg l G(D)/100 km
A 1250* 107 8.6 4.3
B 1320* 110 8.3 7.4
C 2480* 220 8.9 14.9
D 12000*/40000 330 2.8/0.8 35
A, B, C: Cars, 5 seats. A: Hybrid; B: Std. car; C: SUV.
Acceleration: 8.9-10.9 s 0-100 km/h
D: Truck (Diesel). *: empty mass
Source: M. K. Eberle
LAV – wissenschaftliches Seminar 28Zukünftiger Transportbedarf (PKW) in der Schweiz
[Mia. P-km/Jahr]
P-km/year]
120
2005: >500 Autos/1’000 Einwohner in CH
115 Heute weltweit: 800 Mio. Autos
--------------------------------------------------
Zukunft (2050-2100): 9 Mia. Menschen
110 --> 5 Mia. Autos weltweit
cars [billion
[Prognose von E. Jochem, CEPE]
105 [Quelle: Energie-Navigator]
forPKW
100
Transport demandfür
95
Transportbedarf
Heute, CH:
90
~ 6 t/Kopf energiebedingte CO2-Emissionen
Für den gesamten Verkehr 2.6 t/Kopf,
85 davon 1.5 t/Kopf für PKW
80
2002 2005 2008 2011 2014 2017 2020 2023 2026 2029 2032 2035
29Was lernt man daraus?
§ Die Herausforderung ist riesig – man soll sofort beginnen, aber den
richtigen Weg einschlagen / Reaktionszeiten des Systems sind sehr
lang!
§ Low-Carbon Strategien haben eindeutig Priorität gegenüber einem
nebulösen „x-kW/Kopf“-Ziel → richtige Prioritäten setzen und
kommunizieren
§ Bei dem Transformationspfad richtige Prioritäten setzen, d.h.
§ Oekonomische Grundlagen beachten (optimale Allokation knapper
Ressourcen, Klima hat einen Preis → CO2-Abgabe
§ Thermodynamische Grundlagen (Exergieverluste und 2. Hauptsatz) nicht
vergessen damit
§ Entkarbonisierung verschiedener Sektoren in sinnvoller zeitlicher
Abfolge und Abstimmung untereinander
§ Schliesslich: ein „almost-all-electric“ System in der 2. Hälfte des
Jahrhunderts erscheint als zielführend und optimal
LAV – wissenschaftliches Seminar 30Vorläufige Erkenntnisse – Schlussfolgerungen I
§ Eindämmung des Klimawandels hat für die Energiestrategie
Priorität; sie geht in der Regel mit der Einsparung am (endlichen)
fossilen Ressourcen einher.
§ Quantitative Ziele zum globalen/“lokalen“ energiebedingten Co2-
Ausstoss sind eindeutig höher zu gewichten als ein konkreter
Zielwert für den individuellen Primärenergiefluss.
§ Der Übergang zu einem „nachhaltigen“ Energiesystem wird 50-100
Jahre in Anspruch nehmen; unterwegs zur Zielerreichung wird eine
vernünftig abgestimmte Abfolge von Übergangstechnologien
erforderlich sein.
31Vorläufige Erkenntnisse – Schlussfolgerungen II
§ Das zukünftige Energiesystem wird durch eine signifikante
Erhöhung des Elektrizitätsanteils am Endenergiemix
gekennzeichnet.
§ Der Sektor der Nieder- und Mitteltemperaturwärme muss schnell
und radikal entkarbonisiert werden.
§ Die Langstreckenmobilität (Schiffe, Flugzeuge) wird neben der
Petrochemie der letzte Sektor sein, wo Erdölprodukte substituiert
werden; die Kurz- und Mittelstreckenmobilität wird graduell
elektrifiziert, aber erst wenn das Elektrizitätssystem CO2-arm ist.
(Beitrag von Biotreibstoffen: nützlich, aber beschränkt im Umfang)
§ „Low-CO2“-Elektrizitätssystem: langfristig weitestgehend über
erneuerbare Energien – über eine lange Übergangszeit (mehrere
Jahrzehnte) Koexistenz mit herkömmlichen Methoden (fossil mit
Sequestrierung, verbesserte Formen der Nuklearenergienutzung).
321924: Raymond Mays, Bugatti Brescia, racing in Wales
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