Schrödl, Elektromobilität

E-MOBILITY
EIN ZUKUNFTSFÄHIGES KONZEPT?
VON ELEKTROMOTOREN DER ZUKUNFT BIS HIN ZU
ERFOLGREICHEN UMSETZUNGSPROJEKTEN
Univ.Prof. Dr. Manfred Schrödl
Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe
TU Wien
Im Rahmen der Veranstaltung „Mobilität“ an der TU Wien
14. Oktober 2014
Inhalt
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Statements von Experten zu Technologien
Lernkurven von Technologien (PV und Li-Ionen-Akkus)
„Hype Zyklus“ des Elektroautos
Der Antriebsstrang eines Elektroautos
Elektro-Motorkonzepte
Das Problem der Seltenen Erden
Einige Antriebslösungen
Zusammenfassung und Ausblick
Einfach zum Nachdenken..
Statements von Experten
„640 KB sollten genug für jedermann sein.“ Bill Gates, 1981
"Ich denke, dass es einen Weltmarkt für vielleicht fünf Computer gibt."
Thomas Watson, Vorsitzender von IBM, 1943
"Auf das Fernsehen sollten wir keine Träume vergeuden, weil es sich einfach nicht
finanzieren lässt.“ Lee De Forest, Vater des Radios, 1926
"Die weltweite Nachfrage nach Kraftfahrzeugen wird eine Million nicht überschreiten
- allein schon aus Mangel an verfügbaren Chauffeuren."
Gottlieb Daimler, 1901
Experten denken oft linear,
Technologieänderungen sind aber exponentiell
Großmann:
Photovoltaikförderung so
sinnvoll „wie Ananas züchten
in Alaska“
19.01.2012
RWE-Chef Jürgen Großmann. Bild: RWE.
Der Chef des Energieversorgers RWE, Jürgen
Großmann, hat seinem Unmut über den
Photovoltaikausbau Luft gemacht. Bei einer Tagung
der Energiewirtschaft in Berlin bezeichnete er die
Förderung von Solarenergie in Deutschland als so
sinnvoll „wie Ananas züchten in Alaska“
RWE-Chef* Jürgen Großmann.
Bild: RWE. (*..2012)
Anmerkung: Die PV-Förderung in
Deutschland hat das Voranschreiten
auf der Lernkurve massiv
beschleunigt.
Eindringen neuer Technologien –
Prognosen anhand von Lernkurven
Beispiel: Lernkurve der Photovoltaik
Installierte Leistung PV 1993:
100 MW
2003:
3000 MW
2013: 100.000 MW
Faktor 30 pro Jahrzehnt oder
Faktor 1000 in den letzten 20 Jahren
Lernkurve: PV-Preise fallen
um 20% pro Verdopplung der
installierten Leistung
Das Elektroauto durchläuft einen
sogenannten Hype-Zyklus
(„The Microsoft System Software Hype Cycle Strikes Again“, Jackie Fenn, 1995)
Das Elektroauto durchläuft einen
sogenannten Hype-Zyklus
Bleibatterie
war KOKriterium
Produkteinführung Tesla Model S
Auslöser: IGBTLeistungselektronik
und DrehstromAntriebstechnik 1990
Technologiesprung: Lithium-Ionen-Batterie
Für das Elektroauto bedeutet dies:
1990-1995: Überzogene Erwartungen an die E-Mobilität,
jede Elektrofirma baute ein Elektrofahrzeug.
1995-2005: Tal der Enttäuschungen, aber Lithium-Batterie
löst Technologiesprung aus.
Derzeit: Pfad der Erleuchtung, ab 2020: Produktivität
Aus der Frühzeit des Hype-Zyklus (1993):
Erfahrungen des ESEA
mit Asynchronmaschinen in der Traktion
Diese reichen zurück bis 1993. ESEA entwickelte damals gemeinsam mit einem
österr. Unternehmen einen Antrieb mit Asynchronmotor für einen VW T4.*)
Antrieb funktionierte gut, Problem: Gewicht, Wirkungsgrad, Zyklenzahl und
Reichweite der Bleibatterie.
*) Schrödl, M. (Elin Verkehrstechnik, Vienna): „Electric Vehicle with Robust Sensorless
Induction Motor Drive“. ICEM, Paris, 1994, pp. 338ff.
Neuer Anlauf ab 2005: Lithium-Ionen Batterie
und Permanentmagnet-Synchronmotor
Hauptkomponenten:
Antriebsunabhängig .. 40 %
Batterie .. 40 %
Elektroantrieb .. 5%
Rest .. 15 %
Zyklenwirkungsgrad Li-Batterie: 90 %
z.B. E-Auto 45 kWh, 5.000 Zyklen..200 km x 5.000 = 1.000.000 km..ok!
Danach Sekundärnutzung im Haus als PV-Puffer
Wirkungsgrad des E-Antriebs: 90%
-> Verbesserungspotenzial des Antriebs: 5% der Gesamtenergie,
2-3% des Gesamtpreises am Fahrzeug
-> Verbesserungspotenzial der Batterie: 5 % der Gesamtenergie,
30% des Gesamtpreises.
Höchster Wirkungsgrad, kompaktester Aufbau:
Permanentmagneterregte Synchronmaschine
Vorteile: Höchste Drehmomentdichte, höchster
Wirkungsgrad.
Nachteile: Teure Magnete auf Basis Seltene
Erden (Neodym, Samarium-Kobalt, etc.)
Reference motor voltage
250 V (rms)
Reference motor current
220 A (rms)
Reference power
90 kW
Reference/maximum speed
3500 /8000 rpm
Motor diameter
250 mm
Beispiel: ESEA baute einen 90 kWAntrieb für ein Hybridprojekt (2010)
Links: CAD Design
Mitte: Motor am Prüfstand
Rechts: Stator mit
Wasserkühlung
Vergleich der Wirkungsgrade von
Verbrennungskraftmaschinen und
Elektromotoren
Typisches Drehmoment-DrehzahlKennfeld eines PermanentmagnetSynchronmotors (TU Wien).
Wirkungsgrad in weitem Bereich über
90%. Sehr guter Wirkungsgrad auch im
Teillastbereich.
Typisches Kennfeld eines Ottomotors.
Wirkungsgrad im Bestpunkt etwa 35%.
Rasches Absinken im Teillastbereich.
Blick unter die Fronthaube ..
.. eines konventionellen PKWs
Hohe mechanische Komplexität
Jede Menge Nebenaggregate
Vergleich des Aufbaus eines Elektroautos mit
einem konventionellen Verbrenner-PKW
Blick unter die Fronthaube ..
.. eines konventionellen PKWs
Hohe mechanische Komplexität
Jede Menge Nebenaggregate
… und eines Elektroautos
Geringe Komplexität des Antriebs
bei konsequenter „elektro-orientierter“
Konstruktion
Front und Heck sind frei für Stauraum-Nutzung
Fazit: Der vollelektrische Antrieb reduziert die
mechanische Komplexität des Fahrzeugs drastisch
Front und Heck sind frei für Stauraum-Nutzung
Fazit: Der vollelektrische Antrieb reduziert die
mechanische Komplexität des Fahrzeugs drastisch
Wo ist eigentlich der Antrieb?
Wo ist eigentlich der Antrieb?
Energiespeicher in die Bodenplatte
integriert, Antrieb nahe am Rad ohne
Schaltgetriebe und Kupplung.
Lithium-Ionen-Speicher
Lernkurve
Installierte Kapazität und Lernkurve von Lithium-Ionen Speichern
Installierte Kapazität Lithium Speicher
Etwa Verdopplung pro Jahr erwartet
Preise für Li-Akkus: 2011: 500 EUR/kWh
2012: 350
2013: 200
Lernkurve: Li-Batteriepreise
fallen um 15% pro
Verdopplung der installierten
Kapazität (Bild: W. Hoffmann)
Verdopplung der weltweiten Produktionskapazität:
Teslas „Gigafactory“ für Lithium-Ionen Akkus
Produktionskapazität der „Gigafactory“
(Tesla/Panasonic, Nevada, USA) ab 2020
Geplante Fabrik verdoppelt die
weltweit installierte Kapazität von
2013
Konservative Schätzung: Kostenreduktion um
30% in der „Gigafactory“ ab 2017 (Bild: Tesla)
Schock auf der Antriebsseite:
Neodym-Preisexplosion 2011
Durch die gezeigten Vorteile der PM-Maschine (Wirkungsgrad,
Kompaktheit): Nachfrage nach Seltenen Erden steigt ab 2009 stark an.
Durch die Monopolstellung Chinas: Preis explodiert (Bild).
Preis steigt um Faktor 10
Innerhalb von einem Jahr.
Hersteller suchen Alternativen:
Kupferläufer – Asynchronmaschinen (Tesla)
Elektrisch erregte Synchronmaschinen (Continental)
Reluktanzmaschinen (ABB im Industriebereich)
Neue Antriebe für die Mobilität (ab 2011):
Motto: Raus aus den Seltenen Erden
Aufgrund der Preisexplosion wurden 2 Faktoren ausgelöst:
Minen für Seltene Erden außerhalb Chinas werden wirtschaftlich
(Australien, USA, Kanada, etc.)
Die Fahrzeughersteller führen
alternative Antriebskonzepte
ein, die ohne Seltene Erden
auskommen.
Effekt: Preis für Seltene Erden hat sich wieder stabilisiert.
Alternative zu Seltenen Erden:
Beispiel Kupferläufer-Asynchronmaschine
Symbolischer
Kupferrotor
Asynchronmaschine mit Kupferläufer und Flüssigkeitskühlung
(Tesla)
Durch Kupferkäfigläufer werden die Verluste gegenüber
konventionellem Aluminiumkäfigläufern deutlich reduziert.
Durch Flüssigkeitskühlung steigt die Leistungsdichte stark an.
Alternative zu Seltenen Erden:
Elektrisch erregter Synchronmotor (Continental)
Beispiel: Serienanwendung des
Synchronmotors im Renault ZOE
Alternative zu Seltenen Erden:
Synchron-Reluktanzmotor
Beispiel: Reluktanzantrieb am ESEAPrüfstand – Sehr gute Wirkungsgrade in
weitem Betriebsbereich gemessen
(verglichen mit Asynchronmotor), sehr
einfacher und robuster Motoraufbau,
geringe Materialkosten, sensorlose
Regelung implementiert.
Oder doch wieder Permanentmagnet-Maschinen,
womöglich in der Variante „Radnabenmotor“?
Beispiel: PM-Synchron-Antriebsmotor
mit Übersetzung auf das Rad (Michelin).
Motorgewicht: 7 kg, Leistung 30 kW
Rechts: Anwendung im Venturi Volage
(4 Radnabenmotoren)
Zusammenfassung
Elektromobilität steht einige Jahre vor der breiten Marktdurchdringung
Bei elektrischen Antrieben kann die eingesetzte Technologie an
ökonomische Einflussfaktoren (Preise, Verfügbarkeit,..) angepasst
werden
Die Batterietechnik ist in absehbarer Zeit ausreichend preiswert und
kompakt.
Elektrofahrzeuge passen hervorragend zu Photovoltaik
(konsequenterweise sollte ein Elektrofahrzeug nicht über fossil
erzeugten Strom versorgt werden).
Die TU Wien hat breite Kompetenz in antriebstechnischen
Fragestellungen und steht der Industrie als Partner zur Verfügung.
Gestalten wir gemeinsam die Mobilität
von morgen!
Manfred Schrödl, Institut für Energiesysteme
und Elektrische Antriebe
Technische Universität Wien
[email protected]