4 Umfeldanalyse
5.2 Technologien zur Reduzierung der CO 2 -Emissionen
Um die künftigen technologischen Potenziale zur Reduktion der spezifischen CO2-Emissionen von leichten Kraftfahrzeugen identifizieren und abschätzen zu können, ist zunächst der aktuelle Stand der Technik zu definieren. Da sowohl der Pkw-Markt als auch der LNF-Markt sehr heterogen sind, werden dazu in den jeweiligen konsolidierten Fahrzeug-segmenten Referenzfahrzeuge definiert. Auf Basis von Zulassungsdaten aus den Referenz-jahren 2010 (Pkw) bzw. 2011 (LNF) wird analysiert, durch welche Kennwerte und Technolo-gien typische Fahrzeuge der jeweiligen Gruppen und Segmente charakterisiert sind. Die Analyse erfolgt dabei getrennt nach Kraftstoff- bzw. Antriebsarten (Benzin, Diesel, Gas).
Abb. 5-11 zeigt das Ergebnis dieser Auswertungen für Pkw.
Neben dem vermehrten Einsatz leistungsstärkerer, großvolumigerer Motoren bei höheren Segmenten ist zu beobachten, dass sich Automatikgetriebe im europäischen Markt bislang nur bei Fahrzeugen der Oberklasse durchgesetzt haben. Bei Fahrzeugen niedrigerer Klas-sen dominiert weiterhin das kostengünstigere handgeschaltete Getriebe. Während die Di-rekteinspritzung bei Dieseln aller Segmente bereits Standard ist, hat sie bei Benzinern bis-lang nur in höheren Segmenten größere Verbreitung gefunden. Gasbetriebene Fahrzeuge basieren aufgrund der Ähnlichkeit des Verbrennungsprozesses auf Benzinern des jeweiligen Segmentes.
Werk: Azambuja [PRT], Zaragoza [ESP], Bursa [TUR]
Werk: Düsseldorf [GER], Ludwigsfelde [GER]
Renault Trafic Opel Vivaro Nissan Primastar
Werk: Luton [GBR], Sandouville [FRA], Barcelona [ESP]
Renault X60
Werk: Val di Sangro [ITA]
Fiat U7
Werk: Vigo [ESP], Mangualde [PRT]
2,6 %
Abb. 5-11: Definition der Referenzfahrzeuge (2010) bei Pkw [EEA11]
Bei LNF überwiegen allgemein 4-Zylinder-Motoren und Handschaltgetriebe, wobei das Leis-tungsgewicht (Leistungs-Masse-Verhältnis) generell geringer ist als bei Pkw. Für die LNF Gruppe III mit Ottomotor und entsprechende Gasfahrzeuge werden dabei aufgrund des äu-ßerst geringen Marktanteils von weniger als 0,1 % und der damit fehlenden Datenbasis keine Referenzfahrzeuge definiert, Abb. 5-12.
Abb. 5-12: Definition der Referenzfahrzeuge (2011) bei LNF [POL12]
5.2.2 Technologieroadmap
Die spezifischen CO2-Emissionen der definierten Referenzfahrzeuge können durch die An-wendung verschiedener Technologien reduziert werden. Auf Basis der Referenzfahrzeuge
Segment
Markt-anteil 2010
Anteil im
Seg. Kraftstoff Masse [kg] Verbrauch [l/100km]
CO2
[g/km]Hubraum [l] Motor DI Getriebe Leistung [kW]
67 % Benzin 1.067 5,4 127 1,2 4-Zyl. - Manuell,
5-Gang 60
Fiat Panda
28 % Diesel 1.194 4,1 111 1,4 4-Zyl. x Manuell,
5-Gang 60
5 % Gas 1.112 6,1 lLPG/
100 km 106 1,2 4-Zyl. - Manuell,
5-Gang 60
25 % Benzin 1.635 9,1 213 2,8 6-Zyl. x Automatik,
6-Gang 170
BMW 5er/7er
75 % Diesel 1.795 6,1 164 3,0 6-Zyl. x Automatik,
6-Gang 170
< 0,5 % Gas 1.853 10,1 lLPG/
100 km 177 2,8 6-Zyl. x Automatik, 6-Gang 170
Seg. Kraftstoff Masse [kg] Verbrauch [l/100km]
CO2
[g/km]Hubraum [l] Motor DI Getriebe Leistung [kW]
lässt sich wiederum das Potenzial der CO2-Flottenemissionssenkung im Gesamtmarkt be-stimmen.
Auf Basis der physikalischen Fahrwiderstandsgleichung ist herzuleiten, dass eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs bzw. der CO2-Emissionen entweder durch die Verbesserung der Effizienz der Energiewandlung oder durch die Reduzierung der Fahrwiderstände zu errei-chen ist. Bereits für den Zeitraum bis 2020 wurden hierzu in der vorangegangen ika-Studie
„CO2-Reduzierungspotenziale bei Pkw bis 2020“ zahlreiche Technologien identifiziert [ERN12]:
Motor: homogene Direkteinspritzung, Downsizing, variable Ventilsteuerung, Zylinder-abschaltung
Elektrifizierung des Antriebstrangs: Micro-, Mild-, Full- und Plug-in-Hybride
Getriebe: Getriebeoptimierung / Downspeeding, CVT-Getriebe, Doppelkupplungsget-riebe, verbesserte Wandlergetriebe (7/8/9-Gang)
Übergreifende Maßnahmen: Reibungsreduzierung im Antriebsstrang, Elektrifizie-rung von Nebenaggregaten, Thermomanagement
Fahrwiderstände: Rollwiderstandsreduzierte Reifen, Aerodynamikmaßnahmen auf Design- und Komponentenebene, Leichtbau in Karosserie und Komponenten.
Darüber hinaus werden weitere Technologien erwartet, die im Zeitraum nach 2020 bis 2030 bei Pkw und LNF in Großserie in den Markt eindringen und die ein signifikantes Potenzial zur Senkung der CO2-Flottenemissionen haben. Neben konventionellen Fahrzeugdomänen wie Antrieb und Karosserie werden dabei auch z.B. Fahrerassistenzsysteme, Car-to-Infrastruktur-Kommunikation, Eco Routing in die Untersuchungen mit eingeschlossen. Zwar kann das Potenzial jener Technologien nicht im NEFZ quantifiziert werden, jedoch haben sie das prinzipielle Potenzial, den CO2-Ausstoß im realen Fahrbetrieb zu senken. Somit besteht für diese Technologien zum Teil die grundsätzliche Möglichkeit, als Ökoinnovation ange-rechnet zu werden. Abb. 5-13 fasst die Ergebnisse der Untersuchungen zusammen.
Zur besseren Übersichtlichkeit sind in dieser Darstellung nur jene Technologien eingetragen, deren Anwendung bis 2030 tatsächlich als Großserie und „State-of-the-Art“-Technologie im jeweiligen Bereich erwartet werden kann. Ausgenommen sind hingegen einerseits jene Technologien, deren Markteintritt bis 2030 aufgrund untergeordneter Entwicklungsanstren-gungen der OEMs und Zulieferer unwahrscheinlich erscheint. Andererseits sind Technolo-gien, deren Markteintritt zwar realistisch erscheint, aber lediglich als „Nischentechnologien“
für spezielle Anwendungsfelder oder bei einzelnen Herstellern auftreten werden, hier nicht dargestellt.
Auch in Zukunft liegt der Entwicklungsfokus stark auf der Verbesserung der Effizienz des konventionellen Verbrennungsmotors. Dabei bieten sich für den Ottomotor mehr technologi-sche Möglichkeiten als für den in den Referenzfahrzeugen bereits vergleichsweise effizien-ten Dieselmotor, dessen Entwicklungsfokus sich hin zur Verminderung des Schadstoffaus-stoßes (CO, NOx, HC) fokussiert.
Die Entwicklung der Abgaswärmerückgewinnung, entweder im Rankine-Zyklus oder mit ei-nem thermoelektrischen Generator (TEG), wird von Herstellern schon seit einigen Jahren vorangetrieben. Die Rückgewinnung per Rankine-Zyklus ist technologisch ausgereifter und wird deshalb bis 2025 erwartet, stellt aber weiterhin Herausforderungen an die Reduzierung von Bauraum und Masse. Erst später ist mit der Einführung des TEG zu rechnen, da bezüg-lich dieser Technologie zunächst eine wesentbezüg-liche Verbesserung des derzeit erzielbaren Wirkungsgrades erreicht werden muss.
Fahrwiderstände können durch fortgeschrittenen Leichtbau weiter reduziert werden. Stellen-weise finden dabei auch faserverstärkte Kunststoffe (FVK) Anwendung, welche aber weiter-hin durch hohe Materialpreise und aufwändige Herstellungsprozesse relativ kostenintensiv sind.
Fahrerassistenzsysteme können den Kraftstoffverbrauch im realen Fahrbetrieb senken, nicht jedoch im NEFZ- oder WLTP-Prüfverfahren. Die Dauer bis zur Markteinführung der einzel-nen Systeme korreliert mit deren Komplexität der Systeme und dem konstruktiven Aufwand an Fahrzeugen und Infrastruktur, die zu einem massenhaften Einsatz der Technologien not-wendig sind. Während intelligentere Navigationslösungen mit vergleichsweise geringem Aufwand softwareseitig zu realisieren sind, erfordert die Car-to-Infrastructure-Kommunikation eine weitreichende Vernetzung. Ihre Einführung wird daher erst nach 2025 erwartet.
Abb. 5-13: Roadmap 2030 der stückzahlrelevanten Technologien
Die Quantifizierung der CO2-Minderungspotenziale und verbundener Herstellkosten sowie der Gewichtseffekte wurde auf Basis vielfältiger externer und ika-interner Quellen vorge-nommen. Als konsolidierte Studien wurden z.B. [TNO11], [TNO12], [RIC11], [RIC12], [MOC10], [EPA12] detailliert berücksichtigt. Die Technologiedaten wurden mit aktuellen Bei-trägen aus Fachzeitschriften, z.B. der Automobiltechnischen Zeitschrift ATZ und der
Motor-2020 2025 2030
HCCI / CAI
Hochlast-AGR
Variable Verdicht.
Reduktion der Fahrwiderstände Leichtbau Komponenten
- stark Übergreifende Maßnahmen
Abgaswärmerückgew.
(Thermoelektrik)
Abgaswärmerück-gewinnung (Rankine)
Verbrennungsmotorische Optimierung
„Closed Loop“
Verbren-nungsstrg.
Fahrerassistenz (nicht im NEFZ messbar)
vorausschauende
Fahrzeuglängs-regelung
CartoX -Kommunikation Intelligente
Navigation
Leichtbau Karosserie –
sehr stark
technischen Zeitschrift MTZ ergänzt und verifiziert. Ergänzend wurden interne und externe Expertenabschätzungen z.B. durch Telefoninterviews eingeholt. Im Rahmen eines Work-shops mit Vertretern aus der Automobilindustrie sowie der Wissenschaft wurden die techno-logischen und wirtschaftlichen Prognosen präsentiert, zur Diskussion gestellt und konnten so abschließend bestätigt werden.