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Grenzenlose Elektromobilität durch den Einsatz von
Range Extender
13. März 2013
Wolfsburg, Phaeno, Antrieb Zukunft
Prof. Dr.-Ing. R. Vanhaelst
FRAGE
Kennen Sie die Ostfalia, Hochschule für
angewandte Wissenschaften?
A
B
– JA
- NEIN
Vorstellung der Hochschule
Standorte mit Fakultäten
Salzgitter
Suderburg
●
Verkehr-SportTourismus-Medien
Bau-Wasser-Boden
Handel und Soziale
Arbeit (i.Gr.)
Wolfenbüttel
Wolfsburg
●
●
●
3
●
●
Fahrzeugtechnik
Gesundheitswesen
Wirtschaft
●
●
●
●
●
●
Elektrotechnik
Informatik
Maschinenbau
Recht
Sozialwesen
Versorgungstechnik
Fahrzeugthermodynamik und alternative Antriebe
Inhalt
1. Geschichte der Elektromobilität
-15 Min.
2. Gegenwart / aktueller Stand der Technik
3. Potenziale des Range Extenders -
– 15 Min.
25 Min.
4
5
Lohner-Porsche Hybrid
Das erste Hybridfahrzeug der Welt
1902 wurde die größte Schwäche der Elektrofahrzeuge erkannt. Sie waren zu
schwer und hatten dadurch eine zu geringe Reichweite.
Es entstand das erste Hybridelektrofahrzeug.
Porsche nannte das Fahrzeug Mixte-Wagen, weil der Akku mit Hilfe eines
Verbrennungsmotors von Daimler aufgeladen wurde. Das Fahrzeug hatte nur
einen Antrieb der vorderen Räder.
[Wikepedia]
6
[Tieste]
7
8
9
Ford Nukleon 1958
10
Golf City Stromer (1992)
Leergewicht 900 kg
22kW Gleichstrommotor
Blei-Batterie – 10 kWh
Reichweite : ~ 80 km
11
Golf City Stromer (1992)
Leergewicht 900 kg
22kW Gleichstrommotor
Blei-Batterie – 10 kWh
Reichweite : ~ 80 km
GM EV1 (1996)
Leergewicht 1350 kg
102 kW asynchroner Drehstrommotor
Blei-Batterie - 16,3 kWh
Reichweite: ~ 120 km
12
STAND EV1 (Elektromobilität) im Jahr 1999
13
Hoffnungsträger – Li-Ionen Batterien
Bezüglich Energiedichte sind Lithium Ionen Batterien allen anderen
Speichertechniken überlegen
140
Energiedichte [Wh/kg]
120
100
80
60
40
20
0
Blei Batterie
Nickel Cadmium
Nickel
Metallhydrid
Lithium Ionen
14
140
120
123 kg
Für 100 km -> 16 kWh
100
228 kg
80
320 kg
60
40
533 kg
20
0
Blei Batterie
Nickel Cadmium
Nickel
Metallhydrid
Lithium Ionen
15
140
120
123 kg
Für 100 km -> 16 kWh
100
228 kg
80
320 kg
60
40
oder
~5,5 l Kraftstoff
~4 kg Kraftstoff
533 kg
20
0
Blei Batterie
Nickel Cadmium
Nickel
Metallhydrid
Lithium Ionen
16
Ölresourcen
[Tieste]
17
FRAGE
Wann gehen ihrer Meinung nach die
fossilen Kraftstoffe zu neige ?
A – 25 Jahren
C - 100 Jahren
B – 50 Jahren
D - 200 Jahren
Ölresourcen
100 $-Grenze
Ölresourcen
100$-Grenze
[Wikipedia]
Fracking -USA überholen die Scheichs
Beim Fracking wird ein WasserSand-Gemisch unter hohem
Druck in die Erde gepresst und
ermöglicht so die Förderung von
Erdöl und Erdgas.
• Die USA, die derzeit NUR noch 20 Prozent ihres Energiebedarfs durch Importe
abdecken müssen, werden wieder zum Selbstversorger.
• im Jahr 2015 dürften die USA der weltgrößte Erdgasproduzent werden (OECD)
• im Jahr 2017 wird die USA an Saudi-Arabien als weltgrößtem Ölproduzenten
der Erde vorbeiziehen werden. (OECD)
• im Jahr 2030 dürften die USA größter Netto-Exporteur von Öl werden nach IEASchätzungen Erdgas das Erdöl als meistgenutzter Kraftstoff in den USA ablösen.
[Wikipedia]
CO2 und Klimawandel
Globale mittlere Temperatur
Globale Meeresniveau
Arktische
Schneebedeckung
[IPCC]
22
FRAGE
Planen sie demnächst ein Elektrofahrzeug
zu kaufen?
A – JA
B - NEIN
550 km
Reichweite
144 km
900 kg
Leergewicht
1090 kg
140 km/h
Geschwindigkeit
130 km/h
2 Minuten Tanken
Ladedauer
7h / 30 Min. bei DC-Ladung (80%)
5,2 l/100 km (η=18%)
Verbrauch
15 kWh/100 km (η=75%)
7,8 Euro/100 km
Kosten / 100 km
4,2 Euro/100 km
120 g/km
CO2 Ausstoß
78 g/km (D-Strommix)
12500 Euro
Preis
HEUTE ~25000 Euro
24
[http://www.imiev.de/]
Statistik zur Reichweite
kummulative Häufigkeit [%]
100
90
80
70
60
Japan
Europa
VS
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
tägliche Fahrstrecke [km]
80
90
In Europa sind 80% der Fahrten < 60 km und 92% < 90 km
[Toyota]
FRAGE
Reicht Ihnen eine Fahrzeugreichweite
von 140 km?
A – JA
B - NEIN
3. Potenziale des Range Extenders
Batterie-Systemkosten eines E-Fahrzeuges Anhand des i-MIEV
Batterie-Systemkosten
Systemkosten [Euro]
25000
Energieverbrauch: 15kWh/100km
22500
HEUTE
500 Euro/kWh
20000
17500
15000
12500
21 kWh
2020
250 Euro/kWh
42 kWh
10000
7500
5000
2500
0
0
50
100
150
200
Reichweite [km]
250
1 kWh Batterie wiegt Heute ca. 10 kg !
10500 Euro + 210 kg + 130 km
300
>>400
[Tschöcke]
Batterie-Systemkosten
Systemkosten [Euro]
Auslegungsbeispiel Range Extender
25000
Energieverbrauch: 15kWh/100km
22500
HEUTE
500 Euro/kWh
20000
17500
15000
12500
21 kWh
10000
7500
9 kWh
5000
2500
0
0
50
100
150
200
Reichweite [km]
250
300
>>400
9 kWh Batterie -> 90 kg und 4500 Euro + Range Extender -> X kg und 1500 Euro
=> (90 kg + X kg) und 6000 Euro und Reichweite>300 km
Zur Erinnerung das reine E-Fahrzeug: 10500 Euro + 210 kg + 130 km
Mögliche Range Extender:
BEISPIEL: OTTO MOTOR
Bauraum
Gewicht
Akustik/Vibrationen
Emissionen
Wirkungsgrad
Kosten
Flex Fuel
[Opel]
BEISPIEL: WANKEL MOTOR
Bauraum
Gewicht
Akustik/Vibrationen
Emissionen
Wirkungsgrad
Kosten
Flex Fuel
BEISPIEL: BRENNSTOFFZELLE
Bauraum
Gewicht
Akustik/Vibrationen
Emissionen
Wirkungsgrad
Kosten
Flex Fuel
[Daimler]
Der ideale Range Extender (15 kW) hat:
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
Die Reichweite vom Dieselmotor
Das Systemgewicht vom Wankelmotor
Das Systemvolumen vom Wankelmotor
Die Kosten vom Ottomotor-System
Die Akustik/NVH von einer Brennstoffzelle
Die Abgasemissionen der Brennstoffzelle
-> ~60%
-> ~400 km
-> ~ 50 kg
-> ~160 l
-> < 1500 Euro
-> ~ 45 dB(A)
Unser Ansatz -> ! die Optimierung der Mikro Gasturbine !
[JetCat]
[Ostalia-IFBW]
FRAGE
Wie viel wiegt eine 15 kW Mikro-Gasturbine mit
elektrischen Generator?
A – 3 kg
C – 20 kg
B – 10 kg
D – 40 kg
Der ideale Range Extender (15 kW) hat:
Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle
Das Systemvolumen vom Wankelmotor
Die Akustik/NVH von einer Brennstoffzelle
-> ~60%
-> ~400 km
-> ~ 50 kg
-> ~160 l
-> < 1500 Euro
-> ~ 45 dB(A)
-> ~25%
-> 200 km
-> 10 kg
-> 20 l
-> <1000 Euro
-> ~ 55 dB(A)
Ansätze aus der Energietechnik
Thermodynamik der Mikrogasturbine
Joule Prozess ->
2
Brennkammer
3
Generator
1
Verdichter
4
Turbine
Mehrstufige Verdichtung
Erhöhung des Verdichtungsdruckverhältnisses !
2
3
1
4
[Bladon]
Gasturbinenprozess mit Rekuperator
[Capstone Produkt Katalog]
Konzept:
15 kW Mikro GuD als Range Extender
In der Energietechnik sind Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GUD) die umweltfreundlichste Anlagen
mit den höchsten Wirkungsgrad (bis 59%). Das Konzept soll auf die Fahrzeugtechnik übertragen werden.
GUD-Anlage in Socar Frankreich
µ-Dampfturbine
µ-Dampferzeuger
Ostfalia RE Prüfstand
µ-Gasturbine
Die Ziele der Mikro Gasturbine als 15 kW Range Extender:
Der Wirkungsgrad
-> 60%
-> 400 km
-> 60 kg
Das Systemvolumen vom Wankelmotor -> 120l
-> <1000 Eur.
Die Akustik/NVH von einer Brennstoffzelle -> 45dB(A)
µ-Gasturbine
µ-GuD
-> ~25%
-> 200 km
-> 10 kg
-> 20 l
-> <1000 Euro
-> ~ 55 dB(A)
-> ~55%
-> 400 km
-> 30 kg
-> 60 l
-> <2000 Euro
-> 55 dB(A)
Die Ziele der Mikro Gasturbine als 15 kW Range Extender:
Der Wirkungsgrad
-> 60%
-> 400 km
-> 60 kg
Das Systemvolumen vom Wankelmotor -> 120l
-> <1000 Eur.
Die Akustik/NVH von einer Brennstoffzelle -> 45dB(A)
µ-Gasturbine
µ-GuD
-> ~25%
-> 200 km
-> 10 kg
-> 20 l
-> <1000 Euro
-> ~ 55 dB(A)
-> ~55%
-> 400 km
-> 30 kg
-> 60 l
-> <2000 Euro
-> 55 dB(A)
Uni Lüneburg
TU Posen
Uni Madrid
Uni Padua
+ Industriepartner
E-Fahrzeug mit Mikro Gasturbine (CNG) als Range Extender
550 km
60 km + 400 km
144 km
900 kg
~1000 kg
1090 kg
140 km/h
130 km/h
130 km/h
2 Minuten Tanken
Laden / Tanken
7h / 30 Min. bei DC-Ladung (80%)
5,2 l/100 km (η=18%)
(9 kWh+~1kg )/100 km (η=51%) 15 kWh/100 km (η=75%)
7,8 Euro/100 km
(2,5 Euro + 1 Euro)/100 km
120 g/km
(47 g/km + 28 g/km)=75 g/km 78 g/km (D-Strommix)
12500 Euro
Preis ~19000 Euro
4,2 Euro/100 km
HEUTE ~25000 Euro
44
[http://www.imiev.de/]
FRAGE
Würden sie ein Elektrofahrzeug mit Range
Extender ein konventionelles Fahrzeug
bevorzugen?
A – JA
B - NEIN
[Tschöcke]
FRAGEN?
Masterstudium „Alternative Antriebe in der Fahrzeugtechnik“
r.vanhaelst@ostfalia.de
www.ostfalia.de oder www.tww.de

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