Emissionsvorgaben

Wege zu Antriebslösungen mit geringer Emission

20. November 2018 | Engineering Service

Die immer strengeren gesetzlichen Anforderungen beeinflussen die Entwicklungstendenzen zukünftiger Antriebe in einer nie dagewesenen Weise. Insbesondere die Vorgaben zu deutlich niedrigeren Flottenverbräuchen, aber auch die gleichzeitig noch strenger werdenden Emissionszielwerte erfordern deutliche Entwicklungsanstrengungen (Abb. 1). Hinzu kommt, dass die gesetzlichen Zertifizierungszyklen sich deutlich hin zu realem Fahrverhalten (Real Driving Emissions – RDE) verändern, was eine weitere Verschärfung der Anforderungen darstellt.

Abb 1: Veränderung der Verbrauchs- und Emissionswerte über Zeit in Europa

Abbildung 2 zeigt eine Übersicht des Energiebedarfs über die Lebenszeit eines Fahrzeugs unter der Annahme von 168.000 km für verschiedene Antriebskonzepte. Zu sehen ist, dass sich generell bereits mit der Hybridisierung konventioneller Fahrzeuge eine deutliche Reduzierung des Energieeinsatzes realisieren lässt. Daher erscheint der zielführende Weg eine Kombination aus Elektrifizierung, Optimierung von Verbrennungsmotoren und parallel die Einführung synthetischer Kraftstoffe.

Abb. 2: Energiebedarf über Lebenszeit verschiedener Antriebssysteme unter Berücksichtigung des Einflusses der Energiegewinnung

Batterieelektrische Fahrzeuge (Battery Electric Vehicles – BEV) sorgen für eine deutliche lokale Emissionsverminderung und eignen sich daher insbesondere für Ballungsräume. Unter Berücksichtigung des deutschen Energiemixes liegt ein BEV heute in etwa auf dem gleichen Gesamtenergiebedarf eines konventionellen Fahrzeugs mit Ottomotor. Hierbei wurde zugrunde gelegt, dass die Batterie in zehn Jahren einmal ersetzt werden muss. Sobald Kraftstoffe zum Beispiel zu 90 Prozent aus erneuerbaren Energien hergestellt werden, verringert sich der Energiebedarf von Hybridfahrzeugen mit Verbrennungsmotor auf Werte noch unterhalb von Batteriefahrzeugen. Auf einem ähnlich niedrigen Niveau bewegen sich Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb unter Nutzung von Wasserstoff aus erneuerbarer Energie.
Insbesondere ein optimiertes Batterierecycling wird den Energiebedarf von Batteriefahrzeugen in der Zukunft auf ein ähnlich niedriges Niveau wie Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeuge verringern.
Nachfolgend werden zwei Bespiele von Verbesserungsmöglichkeiten konventioneller Verbrennungsantriebe aufgezeigt.

Abbildung 3 zeigt den Einfluss der Hybridisierung bei einem modernen Dieselmotor in den Fahrzyklen WLTC sowie unter unterschiedlich scharfen, realen Fahrbedingungen im RDE. Im linken Diagramm ist der Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch und rechts auf die Stickoxidemissionen dargestellt.
Bereits mit milder Hybridisierung (P0-MHEV) mit einem 48 V E-Kompressor werden die Kraftstoffverbräuche unter allen Bedingungen um etwa fünf Prozent reduziert. Mit einer aufwändigeren Hybridisierung (P2-HEV) können Verbrauchsreduzierungen um bis zu 20 Prozent gegenüber einem konventionellen Antrieb erreicht werden.
Ein ähnliches Bild zeigt sich bei den Stickoxidemissionen. Hier werden mithilfe der Hybridisierung strengste zukünftige Emissionswerte erreicht.

Abb. 3: Einfluss der Hybridisierung eines modernen Dieselmotors auf den Kraftstoffverbrauch und die Stickoxidemissionen.

Auch im Bereich der Ottomotoren lassen sich noch deutliche Wirkungsgrad- und Emissionsverbesserungen erzielen. Abbildung 4 zeigt ein FEV-Demonstrator-Fahrzeug, welches mit einer Wassereinspritzung ausgerüstet ist. Diese lässt sich auf unterschiedliche Weise nutzen: Entweder wird die Volllast angehoben, was über eine entsprechende verlängerte Übersetzung in Verbrauchsvorteile umgemünzt werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Brennraumkühlung durch das eingespritzte Wasser dafür zu nutzen, den Anreicherungsbedarf deutlich zu reduzieren. Hierdurch können zukünftige, strengere Emissionswerte erreicht werden. Der Wasserverbrauch ist dabei stark vom Fahrprofil abhängig.

Abb. 4: Ottomotor mit Wassereinspritzung: Maßnahme zur Leistungssteigerung beziehungsweise Reduzierung des Anreicherungsbedarfs

Derzeit wird an unterschiedlichen Lösungen zur Bereitstellung des benötigten Wassers gearbeitet, wobei eine Lösung ein zweiter Tank sein könnte, wie man es bereits in ähnlicher Form vom Harnstofftank beim Diesel kennt. Eine andere Entwicklungsrichtung konzentriert sich auf die Gewinnung des Wassers im Fahrzeug.
Zusammenfassend lässt sich ableiten, dass optimierte Verbrennungsmotoren – auch in Verbindung mit Hybridisierung – in der Lage sind, auch in Zukunft ihren Beitrag zu leisten, CO2- und Abgasemissionen zu senken. Insbesondere für innerstädtische Anwendungen erscheinen batterieelektrische Fahrzeuge eine wirkungsvolle Lösung zu sein, um lokal eine vollständig emissionsfreie Mobilität zu gewährleisten. Ähnliches lässt sich mit alternativen Kraftstoffen, wie zum Beispiel Brennstoffzellenfahrzeugen, erreichen.

Die Vergangenheit hat gezeigt, dass ein Wettbewerb unterschiedlicher Technologien die Entwicklung vorantreibt und insgesamt zur besten Lösung führen wird.

FacebookTwitterGoogle+XINGLinkedInWhatsAppBuffer

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.