CO2-Emission und
Ressourcenbedarf
Elektrifizierung des Antriebsstranges bei Leichten Nutzfahrzeugen
Prof. Dr.-Ing. Horst Oehlschlaeger, Volkswagen Nutzfahrzeuge
IAA Symposium: Umwelt- und klimafreundlicher Straßentransport, 29.09.2010
… ÖKOSTROM
Technologie und Energieträger
E-TRAKTION
bill
ig.s
trom
.1tip
p.d
e
ZIEL
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29.09.2010Seite 2
Gliederung
• Mobilität und Ökologie
• Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie
• Elektrifizierung des Antriebes
• Batterieelektrischer Antrieb von LNfz
− Randbedingungen, Anforderungen für LNfz
− Technische Konzepte
− Wirtschaftliche Aspekte
• Zusammenfassung
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29.09.2010Seite 3
Gliederung
• Mobilität und Ökologie
• Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie
• Elektrifizierung des Antriebes
• Batterieelektrischer Antrieb von LNfz
− Randbedingungen, Anforderungen für LNfz
− Technische Konzepte
− Wirtschaftliche Aspekte
• Zusammenfassung
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29.09.2010Seite 4
Gesetzliche Herausforderungen, globale Verpflichtungen
Globale
Emissionsverpflichtung
Lokale
Emissionsgesetzgebung
Fahrverbote
Immissionsgesetze
Globale
Emissionsverpflichtung
Lokale
Emissionsgesetzgebung
Fahrverbote
Immissionsgesetze
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29.09.2010Seite 5
Weltweites Entstehen von Mega-Cities
Tokyo: 629 km2, 12 Mio. Einwohner, 10 Mio. FahrzeugeTokyo: 629 km2, 12 Mio. Einwohner, 10 Mio. Fahrzeuge
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Verfügbarkeit von nicht-erneuerbaren Energien
2000 2050 2100 2150
0 50 100 150 >200 >1000 Jahre
Stein-kohle
Braun-kohle
Uran
Reserve Ressource
62 157
64 756
207 1425
198 1264
42 527
Erdöl(konventionell und nicht konventionell)
Erdgas(konventionell und nicht konventionell)
in Gt SKE (Gigatonne=109 Tonnen, Steinkohleeinheiten)
Rohölpreis in 2009 wieder steil ansteigend !
Quelle: BGR 2002
2000 2050 2100 2150
0 50 100 150 >200 >1000 Jahre
Stein-kohle
Braun-kohle
Uran
Reserve Ressource
62 157
64 756
207 1425
198 1264
42 527
Erdöl(konventionell und nicht konventionell)
Erdgas(konventionell und nicht konventionell)
in Gt SKE (Gigatonne=109 Tonnen, Steinkohleeinheiten)
Rohölpreis in 2009 wieder steil ansteigend !
Quelle: BGR 2002
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Prognostizierte Erdölförderungen weltw eit, erwartete Deckungslücke
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Tra
nsp
ort
er
198
0
Tra
nsp
ort
er
200
8
180
200
220
240
260
280
300
320
Moto
r
Getrie
be
Aerodynam
ik
Nebenaggre
gateRei
fen
Emissio
nen
Gewic
ht
CO
2 [g
/km
]
Entwicklung Vergangenheit bis heute (Crafter - Klasse)
Quelle: VDA
1980 2008
Neue Motoren-generation
Anpassung der Übersetzung und Reibungs-reduzierung
Verringerung des cw-Wertes
Optimierung der Lichtmaschine, Lenkhilfepumpe usw. Verringerung des
Rollwiderstandes
Gestiegene Kundenerwartungen und Sicherheits-anforderungen
Euro IV/V NOX Emissionen
Technologie
Marktanforderungen
Gesetzl. Bestimmungen
Entw icklung der CO2-Emissionen für Leichte Nutzfahrzeuge
Leichte Nutzfahrzeugesind bereits hocheffizient:
• Ein Transporter emittiert heute ein Drittel CO2weniger als noch 1980.
• Alle relevanten Komponenten eines leichten Nutzfahrzeugs sind verbrauchsoptimiert.
• Die Umwelt- und Sicherheitsanforderungen, die durch zusätzliche Fahrzeug- und Motormaßnahmen das Fahrzeug mit über 30 g/km CO2 –Mehrausstoß belasten, konnten durch verbesserte Antriebstechnologien mehr als kompensiert werden.
• Moderne und saubere Turbodieselmotoren der neuesten Generation haben diese positive Entwicklung ermöglicht.
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2005
Drastische Schritte zur Begrenzung der Erderw ärmung auf 2 °C bis 2050
Begrenzung der Erderwärmung auf 2 °C bis 2050 2)
2050 [Jahr]
Treibhausgasemission Transportsektor
(EU25 2004)
Ø 20 g CO2/km~ 0,9 l Benzin/100 km
(Deutschland)
Ist 2005
Ziel 2050Emissionen und ihre Verursacher
1) Quelle: McKinsey & Company, Bundesumweltminister Röttgen2) Politische Absichtserklärung, z. B. der EU- und G8+5-Staaten, Teil des Copenhagen Accord 2009
CO2-Emission durch Leichte Nutzfahrzeuge
10 % Flug-, Schienen-,Wasserverkehr und sonstige
80 % Pkw
10 % Leichte Nutzfahrzeuge
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29.09.2010Seite 10
OPTIMIERTE KONV. ANTRIEBE
ALTERNATIVE KRAFTSTOFFE
HYBRIDE
[CO
2-E
mis
sio
n u
nd
Re
sso
urc
en
bed
arf
]
MultiFuel
Mild-Hybrid
CNG
Full-Hybrid
Rollwiderstand
Start-Stopp …
LPG
Rekuperation
Mögliche Antriebstechnologien zur Senkung der CO2-Emission und des Ressourcenbedarfs
E-TRAKTION
Plug-In-Hybrid
Batteriefahrzeug
ÖKOSTROM
Range Extender
[CO2/km]
203 g
175 g
(2007)
(2014)
ZIEL
[Technologien und Energieträger]
Treibhausgasemission LNfz EU27
Rollenzulassung
Sollwert CO2-Regulierung 2014
Geringere künftige
CO2-Sollwerte in Diskussion
~ 8,8 l
~ 7,6 l
[l/100 km]Kraftstoffvebr.
lokale Emissionsfreiheit
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Mögliche Kundenreaktionen beinicht-realistischen CO2-Grenzwerten
Für das max. Ladevolumen eines Crafter Kasten von 17 m³…
CO2 100%
CO2 161%
… sind 2 T5 Kasten mit einem max. Ladevolumen von je 9,3 m³ …
… oder 6 Caddy Kasten mit einem max. Ladevolumen von je 3,2 m³ nötig.
CO2 373%
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ZielkonfliktIndividuelle Mobilität vs. Transportaufgabe
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29.09.2010Seite 13
Gliederung
• Mobilität und Ökologie
• Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie
• Elektrifizierung des Antriebes
• Batterieelektrischer Antrieb von LNfz
− Randbedingungen, Anforderungen für LNfz
− Technische Konzepte
− Wirtschaftliche Aspekte
• Zusammenfassung
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Energiepfade für Automobilantriebe
RohstoffeRohstoffe Energie (-träger)Energie (-träger)
KraftstoffeKraftstoffe
BTLBTL
CTLCTL
GTLGTL
fossilfossil
UranUran
AntriebeAntriebe
Brenn-stoffzelleBrenn-
stoffzelle
Batterie/E-MotorBatterie/E-Motor
konvent-ionelle
Antriebe(ICE)
konvent-ionelle
Antriebe(ICE)
Benzin/DieselBenzin/Diesel
ErdgasErdgas
ErdölErdöl
KohleKohle
StromStrom
regenerativregenerativWindWind
WasserWasser
SolarSolar
GeothermieGeothermie
H2H2
BiomasseBiomasse BiogasBiogas
RohstoffeRohstoffe Energie (-träger)Energie (-träger)
KraftstoffeKraftstoffe
BTLBTL
CTLCTL
GTLGTL
fossilfossil
UranUran
AntriebeAntriebe
Brenn-stoffzelleBrenn-
stoffzelle
Batterie/E-MotorBatterie/E-Motor
konvent-ionelle
Antriebe(ICE)
konvent-ionelle
Antriebe(ICE)
Benzin/DieselBenzin/Diesel
ErdgasErdgas
ErdölErdöl
KohleKohle
StromStrom
regenerativregenerativWindWind
WasserWasser
SolarSolar
GeothermieGeothermie
H2H2
BiomasseBiomasse BiogasBiogasBöhm, T.; Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe –Herausforderung Energiespeicher, Berlin. 05.07.07
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Volksw agen Kraftstoff- und Antriebsstrategie
SunFuel®
erneuerbar
E-Traktion
TSI®/ TFSI
TDI
DSG®
BlueMotion®
Erdöl
Erdgas
Benzin
Diesel
elektrische Energie (Batterie/ Wasserstoff)
CNG
LPG
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Der Volksw agen Caddy Ecofuel und Caddy Maxi Ecofuel
Volksw agen Caddy Maxi Ecofuel (Klammerw erte Caddy Ecofuel)
• optimierter Motor: 2.0l, 80 kW, 160 Nm
• quasi-monovalent
• Benzinreservetank 13 l
• Unterflur-Gasflaschen, Gasvolumen ca. 210 l (160 l):
Keine Einschränkung der Innenraumvariabilität
Keine Einschränkung des Ladevolumens
• Wettbewerbsüberlegene Reichweite:
630 km (440 km) CNG
130 km Benzin
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Zukünftige Tankstellenwelt -Kraftstoffdiversifikation
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29.09.2010Seite 18
Gliederung
• Mobilität und Ökologie
• Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie
• Elektrifizierung des Antriebes
• Batterieelektrischer Antrieb von LNfz
− Randbedingungen, Anforderungen für LNfz
− Technische Konzepte
− Wirtschaftliche Aspekte
• Zusammenfassung
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Elektrifizierung des Antriebes
2 km20-80 km
50-120 km
80-200 km
400-600 km
Batterie-Reichweite
+Stromerzeuger
Elektromotor
Boost
Verbrennungsmotor
Micro-Hybrid/Start-Stopp
Mild-Hybrid Full-Hybrid(HEV)
Plug-In-Hybrid(PHEV)
Range Extender(RE BEV)
Batterie-fahrzeug
(BEV)
+ + + +
ELEKTROFAHRZEUG
+
Brennstoffzelle(FCEV) 1)
1) ab 2020
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29.09.2010Seite 20
innerstädtische LieferfahrzeugeLieferfahrzeuge im
Kurz- und Langstreckenverkehr
mit
emissionsarmem Innenstadtbetrieb
emissionsoptimierte Lieferfahrzeuge im
Kurz- und Langstreckenverkehr
Lieferfahrzeuge im Kurz- und
Langstreckenverkehr mit
uneingeschränktem Zugang zu City- und
Umweltzonen
Elektrifizierung des Antriebesvon Leichten Nutzfahrzeugen
Micro-Hybrid/Start-Stopp
Mild-Hybrid Full-Hybrid(HEV)
Plug-In-Hybrid(PHEV)
Range Extender(RE BEV)
Batterie-fahrzeug
(BEV)
+ + + +
2 km 20-80 km 50-120 km 80-200 kmElektromotor
Boost
Verbrennungsmotor +Stromerzeuger
ELEKTROFAHRZEUG
+
Brennstoffzelle(FCEV) 1)
400-600 km
1) ab 2020
langfristig:
Lieferfahrzeuge mit Brennstoffzellen-
antrieb im Kurz- und Langstreckenverkehr
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29.09.2010Seite 21
Gliederung
• Mobilität und Ökologie
• Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie
• Elektrifizierung des Antriebes
• Batterieelektrischer Antrieb von LNfz
− Randbedingungen, Anforderungen für LNfz
− Technische Konzepte
− Wirtschaftliche Aspekte
• Zusammenfassung
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29.09.2010Seite 22
Typisches Einsatzszenario und Randbedingungen von E-LNfz
•Täglich wiederkehrende Fahrtrouten und Rückkehr zu Betriebshöfen, dadurch keine flächendeckende Lade-Infrastruktur notwendig
•Geplante innerstädtische Fahrtrouten durchschnittlich klein (Deutsche Post Caddy´s: 80% der Fahrzeuge fahren weniger als 50 km/ Tag, Ø-Fahrstrecke 34 km/ Tag)
•Zufahrt in mögliche Ökozonen bzw. Innenstadtsperrungen
•Bevorzugung bspw. in City-Maut- oder Umweltzonen
•Nahezu geräuschloser Antrieb, d.h. Innenstadtbelieferung auch zu bisher unüblichen oder auch gesperrten Zeiten möglich
•Vorteile bei der CO2-Besteuerung oder möglichen Strafzahlungen
•Geringe Betriebs- und Wartungskosten
•Wegfall des konventionellen Antriebsstranges schafft Freiheitsgrade bei der Fahrzeuggestaltung; neue Fahrzeuggesamtkonzepte werden möglich
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29.09.2010Seite 23
Typischer Lieferverkehrzyklus (Ausschnitt) und dabei ermittelter Verbrauch
0
10
20
30
40
50
60
V KM V KM + M SS V o llhyb rid E- T ranspo rt er
Verbrauch / Kraftstoffkosten für T5im "Lieferzyklus Österreich" *
Verbrauch l/100km
Kraftstoffkosten € /100km
* Basierend auf 1,50€/l bzw. 0,13€/kWh
VKM = Verbrennungskraftmaschine
MSS = Motor Start/Stop
0 200 400 600 800 1000 12000
10
20
30
40
50
Ge
schw
ind
igke
it [k
m/h
]
Zeit [sec]
Dauer [sec]: 1200Gesamtstrecke [km]: 1.37Mittlere Geschw. [km/h]: 4.1Mittlere Beschl. [m/s²]: 0.70Mittlere Verz.[m/s²]: -0.71
Lieferzyklen führen zu extremenKraftstoffverbräuchen!
0
10
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V KM V KM + M SS V o llhyb rid E- T ranspo rt er
Verbrauch / Kraftstoffkosten für T5im "Lieferzyklus Österreich" *
Verbrauch l/100km
Kraftstoffkosten € /100km
* Basierend auf 1,50€/l bzw. 0,13€/kWh
VKM = Verbrennungskraftmaschine
MSS = Motor Start/Stop
0 200 400 600 800 1000 12000
10
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30
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Ge
schw
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igke
it [k
m/h
]
Zeit [sec]
Dauer [sec]: 1200Gesamtstrecke [km]: 1.37Mittlere Geschw. [km/h]: 4.1Mittlere Beschl. [m/s²]: 0.70Mittlere Verz.[m/s²]: -0.71
0 200 400 600 800 1000 12000
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Ge
schw
ind
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it [k
m/h
]
Zeit [sec]
Dauer [sec]: 1200Gesamtstrecke [km]: 1.37Mittlere Geschw. [km/h]: 4.1Mittlere Beschl. [m/s²]: 0.70Mittlere Verz.[m/s²]: -0.71
Lieferzyklen führen zu extremenKraftstoffverbräuchen!
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29.09.2010Seite 24
Technologien von Energiespeichern für E-Traktionskonzepte
Lebensdauer 5 Jahre 8 - 10 Jahre >10 Jahre
el. Leistung ~ 2 kW ~ 6 kW ~ 15 kW ~ 30 kW ~75 kW
konv. Fzg.
MildHybrid
FullHybrid
Elektro-Fzg.
Typ
Funktion
Spannung 12 V < 60 V > 60 V >> 60 V
Starten Start-Stopp (Rekuperation)
Start-Stopp Rekuperation (Boost)
Start-Stopp Rekuperation Boost(E-Drive, 2 km)
E-Drive > 100 km
(gefordert)
Technologie
Blei-Säure
Nickel-Metallhydrid
Lithium-Ion
Energiespeicher
(typisch)
(typisch)
Plug-InHybrid
MicroHybrid
Start-Stopp Rekuperation BoostE-Drive, 20 km
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29.09.2010Seite 25
Anforderungen an Energiespeicher
Technologie zukünftig:Lithium-Ionen
Zielkonflikt !
Energie
KostenWirtschaftlichkeit,
Marktakzeptanz,
Recycling
Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher
Performance,
Dynamik
Leistung
SicherheitFehler, Unfall,
Missbrauch, Wartung
LebensdauerZyklen, Standzeit
Technologie heute:Nickel-Metall-Hydrid
Technologie zukünftig:Lithium-Ionen
Zielkonflikt !
Energie
KostenWirtschaftlichkeit,
Marktakzeptanz,
Recycling
Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher
Performance,
Dynamik
Leistung
SicherheitFehler, Unfall,
Missbrauch, Wartung
LebensdauerZyklen, Standzeit
Technologie heute:Nickel-Metall-Hydrid
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29.09.2010Seite 26
Erw artete Fortschritte bei der Batterieentw icklung
PowerE-Motor
Leistungselektr.
E-Motor
Batterie
Zusammensetzung Gesamtkosten des Antriebsstrangs bei einem E-Fahrzeug , entspr. 100%
Kosten für die Traktionsbatterie bei mehr als 80% desAntriebsstrangs
Weitere
Zusatzgewicht Batteriesystem (ggü. Zellen)
Reichweite
300 €500 €1.000 €
200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L
160 Wh/kg100 Wh/kg70 Wh/kg
20 - 25 %30 - 35 %40 %
200 km150 km100 km
20202015Heute
Preis €/kWh ca.
Energiedichte
Spezifische Energie
Reichweite
300 €500 €1.000 €
200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L
160 Wh/kg100 Wh/kg70 Wh/kg
20 - 25 %30 - 35 %40 %
200 km150 km100 km
20202015Heute
Verbesserungje 5 Jahre
~40 %
~20 %
~50 %
~50 %
~50 %
Kostensituation heute
Ziel: Zukünftige Weiterentwicklungen verbessern spezifische Kennwerte der Batterie und liefern einen deutlichen Reichweitengewinn. Kosten für Batterie werden aber weiterhin dominieren !
PowerE-Motor
Leistungselektr.
E-Motor
Batterie
Zusammensetzung Gesamtkosten des Antriebsstrangs bei einem E-Fahrzeug , entspr. 100%
Kosten für die Traktionsbatterie bei mehr als 80% desAntriebsstrangs
Weitere
Zusatzgewicht Batteriesystem (ggü. Zellen)
Reichweite
300 €500 €1.000 €
200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L
160 Wh/kg100 Wh/kg70 Wh/kg
20 - 25 %30 - 35 %40 %
200 km150 km100 km
20202015Heute
Preis €/kWh ca.
Energiedichte
Spezifische Energie
Reichweite
300 €500 €1.000 €
200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L
160 Wh/kg100 Wh/kg70 Wh/kg
20 - 25 %30 - 35 %40 %
200 km150 km100 km
20202015Heute
Verbesserungje 5 Jahre
~40 %
~20 %
~50 %
~50 %
~50 %
Zusatzgewicht Batteriesystem (ggü. Zellen)
Reichweite
300 €500 €1.000 €
200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L
160 Wh/kg100 Wh/kg70 Wh/kg
20 - 25 %30 - 35 %40 %
200 km150 km100 km
20202015Heute
Preis €/kWh ca.
Energiedichte
Spezifische Energie
Reichweite
300 €500 €1.000 €
200 Wh/L120 Wh/L90 Wh/L
160 Wh/kg100 Wh/kg70 Wh/kg
20 - 25 %30 - 35 %40 %
200 km150 km100 km
20202015Heute
Verbesserungje 5 Jahre
~40 %
~20 %
~50 %
~50 %
~50 %
Kostensituation heute
Ziel: Zukünftige Weiterentwicklungen verbessern spezifische Kennwerte der Batterie und liefern einen deutlichen Reichweitengewinn. Kosten für Batterie werden aber weiterhin dominieren !
500-1000 € ~200 <200
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29.09.2010Seite 27
Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen hinsichtlich TCO (schematisch)
aktuelle Förderungslücke
Maut o.ä. für Innenstädte,Steigerung der Kraftstoffkosten,…
TCO[€]
Diesel (ICE) E-FahrzeugÜbergangsszenario
E-FahrzeugZukunftsszenario
Kostensenkung durch Technologie-entwicklung und höhere Stückzahlen
Anschaffungskosten
Betriebskosten
Akzeptanz für E-LNfz bei höheren Betriebskosten des ICE (z.B. durch höhere Kraftstoffpreise oder Maut) oder durch Förderung von E-Fahrzeugen
Wettbewerbsvorteil E-Fahrzeug ggü. ICE► Kaufargument
aktuelle Förderungslücke
Maut o.ä. für Innenstädte,Steigerung der Kraftstoffkosten,…
TCO[€]
Diesel (ICE) E-FahrzeugÜbergangsszenario
E-FahrzeugZukunftsszenario
Kostensenkung durch Technologie-entwicklung und höhere Stückzahlen
Anschaffungskosten
Betriebskosten
Anschaffungskosten
Betriebskosten
Akzeptanz für E-LNfz bei höheren Betriebskosten des ICE (z.B. durch höhere Kraftstoffpreise oder Maut) oder durch Förderung von E-Fahrzeugen
Wettbewerbsvorteil E-Fahrzeug ggü. ICE► Kaufargument
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29.09.2010Seite 28
E-Caddy
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29.09.2010Seite 29
T5 Plug-In Hybrid
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29.09.2010Seite 30
Gliederung
• Mobilität und Ökologie
• Heutige Erkenntnisse zu nicht erneuerbaren Energiequellen
• Volkswagen Kraftstoff- und Antriebsstrategie
• Elektrifizierung des Antriebsstranges
• Batterieelektrischer Antrieb von LNfz
− Randbedingungen, Anforderungen für LNfz
− Technische Konzepte
− Wirtschaftliche Aspekte
• Zusammenfassung
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29.09.2010Seite 31
Zusammenfassung
•Bei Prognose weltweit steigender Transportleistungen ist Absenken der CO2-Emissionen notwendig
•Fakt: Begrenzte herkömmliche Treibstoffressourcen
à Neue alternative Antriebskonzepte erforderlich
•Batterieelektrischer Antrieb nahezu ideal für Lieferverkehr in Ballungsräumen
•Schwerpunkt der Entwicklung: Batterie, E-Maschine, Leistungselektronik und Ladetechnologie
•Weitere Anstrengungen vom Gesetzgeber erwartet
•Stromerzeugung aus 100% regenerativen Energien erforderlich zur Erreichung auch globaler CO2-freier Mobilität
•Ziel Bundesregierung „bis 2020 1 Mio. E-Fahrzeuge“bietet –bei entsprechender Förderung –eine Marktperspektive für wirtschaftlich sinnvolle Leichte Nutzfahrzeuge mit elektrischem Antrieb