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 - ssm-studies
Szenarien einer automobilen Zukunft

         Vortragstagung SSM
        vom 20. September 2007

      Konstantinos Boulouchos, ETH Zürich
         Meinrad K. Eberle, ETH Zürich

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Disposition

§ Einleitung
§ Ausgangslage Energieversorgung
§ Antriebstechnik von Automobilen
§ Kostenschätzungen Aggregate
§ Was können Sie tun?
§ Schlussfolgerungen

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Quellen

§   Wissenschaftliches Seminar Prof. K. Boulouchos
§   PSI
§   M. K. Eberle
§   ….

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Erlaubte CO2-Emissionen bei Stabilisierung auf verschiedenen Niveaus

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                                                               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
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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)

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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
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CO2-Emissionen pro Kopf – Regionale Verteilung

                         Industrie-Länder (1.3 Mrd.)

                        Prognose

                           Welt

                     Entwicklungs-/ aufstrebende Länder
                                  (5 Mrd.)

                                                          Quelle: Stern Review (2006)

                                                                                   7
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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)

                                                                                  8
End 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   9
Structural 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             10
Final energy consumption Switzerland, 1910-2005

                                                                  Electricity

                                                                  Gas

                                                                  Transportation
                                                                  Fuel

                                                                  Heating Oil

Quelle: BFE
                                       LAV – wissenschaftliches Seminar         11
The 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              12
Life 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   13
Hydrogen 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   14
Transportation 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   15
Biofuels: 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            16
Wachsender Anteil des Transports am globalen Ölbedarf

                          Quelle: Erdöl-Vereinigung, „Die langfristige Verfügbarkeit von Erdöl“, 2006

                                                                                                        17
Lithium-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              18
Batteries: 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              19
Trade-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
                                                                     21
Technologiepfade 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

                                                                                                         22
CO2-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

                                                                                                         23
Individual 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    24
CO2-Emissions of Diesel, gasoline and gasoline-hybrid vehicles

                                            LAV – wissenschaftliches Seminar   25
Kostenschätzungen 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   26
1906: The car and the lady

                       LAV – wissenschaftliches Seminar   27
The 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   28
Zukünftiger 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

                                                                                                                                                                29
Was 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   30
Vorläufige 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.

                                                                       31
Vorläufige 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).

                                                                        32
1924: Raymond Mays, Bugatti Brescia, racing in Wales

                                                       33
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