Mit Energiemanagement der Zukunft Antriebstechnologien der Gegenwart entwickeln

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Die Automobilindustrie arbeitet permanent an alternativen Wegen der täglichen Mobilität. Noch hat sich keine Antriebsstrategie der Zukunft durchgesetzt. Für mehr Klarheit über das Energieaufkommen eines Fahrzeugs, dessen Verbrauch und Emissionen sorgt das Energiemanagement von Magna Steyr. Es nimmt das ganze Fahrzeugleben von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung unter die Lupe. Somit lassen sich – egal ob für Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und Elektrofahrzeug – bereits in einem frühen Zeitpunkt Aussagen über Potenziale und wirtschaftliche Auswirkungen treffen.

Die Antworten auf die Herausforderungen der CO2-Emission und des Klimawandels heißen heute im Bereich des Personenverkehrs Hybrid, Plug-In-Hybrid und Elektrofahrzeug. Offen sind die Fragen nach der zeitlichen Einführung und der Technologieverfügbarkeit. Diese kann man derzeit nicht eindeutig beantworten, jedoch gibt es den Trend, Hybrid und Plug-In-Hybrid beziehungsweise mittel- und langfristig Elektrofahrzeuge anzubieten. Die Kundenakzeptanz bezüglich Reichweite, Komfort und Kosten sind dabei von entscheidender Bedeutung.

Gesamtenergie- und CO2-Verbrauch
Neben der Frage nach der Wirtschaftlichkeit und der Verfügbarkeit neuer Technologien werden auch die Schwerpunkte Gesamtenergie- und CO2-Verbrauch forciert. Hierbei kommen die Ökobilanz (Produktlebenszyklusanalyse) und die „Well-to-Wheel“-Analyse (Treibstoffanalyse) zum Einsatz. Eine Reduktion des Verbrauchs wird derzeit bereits durch Leichtbauweise und verbesserte Antriebstechnologie erzielt. Im Sinne einer gesamtheitlichen ökologischen Optimierung des Fahrzeuges müssen auch der Energieeinsatz bei der Herstellung und die Recyclierbarkeit der eingesetzten Stoffe bemessen werden. Ein energieeffizienter Material- und Ressourceneinsatz ist für ein energiesparsames Auto somit unumgänglich. Um dies bewerkstelligen zu können, muss der komplette Lebenszyklus eines Fahrzeuges analysiert werden. Dieser erstreckt sich hin von der Rohstoffgewinnung, Materialherstellung, Fahrzeugproduktion über die Nutzungsphase und endet bei der Verwertung. Erst durch die Kenntnis der vollständigen Produktlebenskette mit eruierten Energiewerten kann ein sinnvolles, energieeffizientes Material- und Betriebskonzept für ein Fahrzeug erstellt werden.
Erstellung der Ökobilanzen
Ökobilanzen ermöglichen eine Abschätzung der potenziellen Umweltauswirkungen, die durch den Lebensweg eines Produktes oder einer Dienstleistung verursacht werden. Bei Magna Steyr wurde für ein Elektrofahrzeug eine vereinfachte Ökobilanz erstellt. Dabei wurden alle Inputströme (Rohstoffe, Energie, Ressourcen) und sämtliche Outputflüsse (Produkte, Abfälle, Abwässer, Emissionen) bei Herstellung, Nutzung und Recycling des Fahrzeuges zusammengestellt und danach die potenziellen Umweltauswirkungen beurteilt.
Die Herstellung des konzeptionierten Elektrofahrzeuges verursacht in Österreich im Vergleich zu einem konventionellen, europäischen Benzinfahrzeug etwa 500 kg CO2-Äquivalente weniger Treibhausgase. Dies wird dadurch erreicht, dass bei diesem Fahrzeugkonzept ein hoher Anteil an Recyclingwerkstoffen eingesetzt wird. CO2-intensive primäre Rohstoffe werden durch beinahe CO2-neutrale Rezyklatmaterialien ersetzt. Dafür erhält man in der Ökobilanz eine Recyclinggutschrift. Ein konsequenter Demontageablauf beim Recyclingprozess begünstigt das Ergebnis.
Bei der bilanzierten Batterie des Elektrofahrzeuges handelt es sich um eine Lithium-Ionen Batterie. Diese entspricht der neuen Generation von Batterien und stellt den neuesten Stand der Technik dar. In der Ökobilanz wurden sowohl die Herstellung der Batterie als auch bereits ein kosteneffizientes Recycling- und Demontagekonzept berücksichtigt. Dadurch kann der Werkstoffkreislauf zu einem hohen Anteil geschlossen werden, wofür man einen energieintensiven Abbau von Rohstoffen einspart.
Die Nutzungsphase des Fahrzeuges wurde ebenfalls in der Ökobilanz berücksichtigt. Das Fahren eines Elektrofahrzeuges ist zwar emissionsfrei (0 g CO2/km) aber die Herstellung und die Verteilung des Stroms verursachen Emissionen (etwa 58 g CO2/km). Das Fahren eines Elektrofahrzeuges, mit einer Laufleistung von 150 000 km, betrieben mit österreichischem Strom aus der Steckdose im Niederspannungsnetz, führt zu Emissionen in der Höhe von etwa 8700 kg CO2-Äquivalente. Verglichen dazu produziert man bei gleicher Laufleistung mit einem Benzinfahrzeug der unteren Mittelklasse rund 33 000 kg CO2-Äquivalente. Die Bilanz berücksichtigt der Abgasemissionen des Fahrzeuges (etwa 175 g CO2/km) sowie jener Emissionen, die bei der Benzinherstellung und Verteilung entstehen (etwa 45 g CO2/km). Das angeführte Elektrofahrzeug emittiert im Gegensatz zum ausgewählten Benzinfahrzeug – nur ein Drittel der Gesamt-CO2-Emissionen (CO2-Äquivalente).
Länderspezifische Betrachtung
Zu beachten ist, dass die CO2-Bilanz der Energiebereitstellung länderspezifisch ist, da der Energiemix eines Landes sich prozentual aus den verwendeten Energiequellen zusammensetzt: fossil (Gas, Kohle, Öl), nuklear, Wind-, Wasser-, Sonnen- oder Biomasse-Energie. Österreich beispielsweise besitzt im Energieversorgungsmix relativ geringe Anteile an fossiler Erzeugungsherkunft und relativ hohe Anteile an Wasserkraft. Das wirkt sich positiv auf die CO2-Bilanz der Stromversorgung eines Elektrofahrzeuges in Österreich aus. Benzin ist dem gegenübergestellt rein fossil und hat daher eine erheblich schlechtere CO2-Bilanz.
Magna Steyr ist in der Lage, mit Hilfe von umfassenden Ökobilanzdatenbank (beispielsweise „EcoInvent“) und neu entwickelter Software („Prodtect Automotive“ und „Prodtect Eco“) Ökobilanzen für Gesamtfahrzeuge zu erstellen. Bereits bei der Konzeptionierung eines Fahrzeuges werden verschiedene Fahrzeugvarianten einander gegenübergestellt und hinsichtlich der Umweltauswirkungen bewertet. Dies dient in Projekten als wichtige Entscheidungsunterstützung hinsichtlich Design for Environment.
Magna Steyr legt bei der Konzeptionierung von neuen Fahrzeugen bereits den Fokus auf energieeffizienten Materialeinsatz und Ressourcen schonende Antriebstechniken. Herkömmliche Materialien werden mit innovativen Werkstoffen kombiniert, um so ein Optimum hinsichtlich Leichtbau, Sicherheit, Energie- und CO2-Aufwand zu erreichen.
CO2 -Analyse
Aufgrund der rechtlichen Vorgaben und der verstärkten Sensibilisierung der Bevölkerung in Richtung umweltfreundliche Kaufentscheidungen sind die Autohersteller bemüht, den Energieverbrauch sowie die CO2-Emissionen ihrer Fahrzeugflotte zu senken. Das Thema CO2-Reduktion spielt somit in der gesamten Automobilentwicklung nun eine noch entscheidendere Rolle.
Magna Steyr hat die bereits erwähnten Analysen überdies noch um ein CO2-Tool erweitert, in dem die Kosten und Potenziale unterschiedlicher Antriebstechnologien ermittelt und bewertet werden. Im Zuge der bevorstehenden CO2-Limitierungen in der EU und der hohen Strafzahlungen bei Überschreitung der Grenzwerte ist die Automobilbranche unter enormem Zeitdruck gezwungen, eine Balance zwischen zeitlich sowie finanziell umsetzbaren Verbrauchsreduktionen für Fahrzeuge und den verkraftbaren Strafzahlungen zu finden. Mit Hilfe dieses Analysetools können bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Fahrzeugentwicklung eine Abschätzung der Potenziale und deren wirtschaftlichen Auswirkungen erfolgen.
Die CO2-Analyse zeigt, welche Komponenten im Fahrzeug durch effizientere Teile ersetzt werden können. Dabei wird berechnet, wieviel Treibstoffeinsparung bzw. CO2-Emissionen im Gesamtfahrzeug eingespart werden können. Die zusätzlich anfallenden Kosten werden ebenfalls kalkuliert. Die ausgewählten CO2-Reduktionsmaßnahmen und deren zusätzlichen Kosten müssen in Relation zum Fahrzeugmodell (Kleinfahrzeug, Mittelklassefahrzeug, Luxusfahrzeug) gebracht werden. Ziel ist es, für jedes Modell unter Berücksichtigung der Verkaufszahlen und des Anschaffungspreises die CO2-effizientesten Maßnahmen mit dem wirtschaftlich minimalsten Aufwand zu generieren.
Energiemanagement in der Nutzungsphase
Das Energiemanagment optimiert innerhalb der Nutzungsphase des Produktlebenszyklus den Energieeinsatz hinsichtlich Verbrauch und Emissionen. Die primären Ziele variieren in Abhängigkeit der eingesetzten Topologie und Technologie. Beim Hybridfahrzeug ist das primäre Ziel der optimale Einsatz von Elektromaschine und Verbrennungsmotor, damit der Treibstoffverbrauch minimal und folglich die Energieverluste gering sind.
Wird die Hybrid-Technologie um eine größere Batterie mit Lademöglichkeit also zum Plug-In-Hybrid/Range Extender erweitert, steht neben dem Treibstoff eine weitere externe Energiequelle zur Verfügung. Das CO2-Äquivalent der externen Energiequelle wird mit der des Treibstoffs verglichen. Das primäre Ziel des Plug-In-Hybrids ist es, jene Energiequelle mit dem günstigeren CO2-Äquivalent pro gefahrenen Kilometer bis zur nächsten Lademöglichkeit einzusetzen.
In einem reinen Elektrofahrzeug ist es das Ziel des Energiemanagements, dem Fahrer eine maximale Reichweite zu bieten. Jeder einzelne (Neben-)Verbraucher wird je nach Anforderung und Gegebenheit demnach möglichst effizient geregelt. Aufgrund der begrenzten Fahrsteckenweite von Elektrofahrzeugen ist die Abschätzung der noch verbleibenden Reichweite für den Fahrer von großer Bedeutung.
Diese Strategien sind eng verbunden mit der eingesetzten Energiespeichertechnologie. Grund dafür sind die hohen Ansprüche an Lebensdauer, Gewicht und Kosten, da nur eine ideale Auslegung und Nutzung des Energie- speichers zu einem Optimum führen kann.
Beispiel Hybriddemonstrator
Ein von Magna Steyr, Magna Powertrain und Siemens VDO umgesetztes Beispiel ist der Hybriddemonstrator „HySUV“ basierend auf einer Daimler M-Klasse. Dieses Antriebssystem beinhaltet als Kernkomponente ein Hybrid Allradmodul – das patentierte sogenannte Modul e-4WD. Damit lassen sich Optimierungen von Fahrleistung und Verbrauch durch Vernetzung von Hybrid- und Allradfunktionen darstellen. Das Allradmodul ist hier konkret als Längsmotorkonzept umgesetzt. Der elektrische Achsantrieb für die Vorderachse ermöglicht die Allradfunktionalität. Die Antriebsmomente können unabhängig vom konventionellen Hauptantriebsstrang auf die Räder aufgebracht werden. Rein elektrischer Fahrbetrieb ist daher mit eingeschränkter Reichweite möglich. Daher kann hier von einem „Elektrofahrzeug“ gesprochen werden. Das Modul e-4WD ist zwischen dem Verbrennungskraftmotor und dem automatisierten Schaltgetriebe positioniert. Das Modul besteht aus zwei Elektromaschinen und aus nass laufenden Lamellenkupplungen. Die verbaute Variante deckt den Parallelhybrid und die elektrische Vorderachse ab. Weiterhin wurden ein Lithium-Ionen-Energiespeicher der Genera- tion 1 und das patentierte generische Antriebsstrangmanagement eingesetzt. Beides wurde in Graz entwickelt.
Die erzielten Verbrauchsreduktionen im NEDC, FTP75 und kundennahem Zyklus zeigen vielversprechende Resultate. Diese wurden zum einen durch Optimierungen an der Verbrennungsmotorkalibrierung erreicht, welche erst durch den Einsatz der Hybridkomponenten ermöglicht wurde. Zum anderen spielte das entwickelte Antriebsstrangmanagement eine wesentliche Rolle. In diesem zentralen Element werden online die optimalen Betriebspunkte und Systemkonfigurationen berechnet. Damit kommt man dem Wunsch des Fahrers nach einer hohen Effizienz, sprich einem optimalen Verbrauch, Emission und Komfort nach.
Diversifikation erhöhen
Dieses ist nur eines der Beispiele und ein Punkt in der Roadmap der Zukunftstechnologien. Die nächsten Schritte, an denen man in Graz intensiv arbeitet, sind Plug-In-Hybride und Elektrofahrzeuge. Diese werden in Zukunft eine wesentliche Rolle spielen, da sie das Potenzial besitzen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen durch höhere Diversifikation der Energieversorgung zu reduzieren. Auf dem Weg zur dezentralen Energieversorgung bis hin zur Energieautarkie gilt es, noch viele Fragestellungen wie Energiespeicherung, Vehicle-to-Grid, neue Abhängigkeiten durch Ressourcen, Recycling und vieles mehr nachhaltig zu beantworten.
Magna Steyr;
Telefon: +43 664 8840 8394
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