Energy and Powertrains
for sustainable Mobility
Dr. Rolf Leonhard
Robert Bosch GmbH
13th International AVL Symposium on Propulsion Diagnostics
Baden-Baden, June 26-27, 2018
Greenhouse gas targets
Sustainable energy and powertrains
Electrofuels, eFuels
De-Fossilisation scenarios
Conclusions
Energy and Powertrains for sustainable Mobility
Rolf Leonhard | 26.06.2018
© Robert Bosch GmbH 2018. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.2
Global Greenhouse Gas Emissions
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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GHG reductions - not to exceed 2oC global warming
0
10
20
30
40
50
60
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
An agreed target since UN Climate Change Summit, Copenhagen 2009
Source: M. Meinshausen, based on UNEP Human Development Report 2009
Gre
en
ho
use
Ga
s E
mis
sio
ns
(GtC
O2eq
/yr)
-50%
Wo
rld
vs 1
99
0
-85%
Ind
ustr
ialize
d
Co
un
trie
s
-80 .. -95%
Status worldEU Commission/EDGAR
Target Emerging
Countries
Target World
Target Industrialized
Countries
Best guess: +2.7o
Climate Action Tracker
11.2015
-30%
-75%-55%
Greenhouse gas targets
Sustainable energy and powertrains
Electrofuels, eFuels
De-Fossilisation scenarios
Conclusions
Energy and Powertrains for sustainable Mobility
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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Energy and Powetrains for sustainable Mobility
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BatteryE-Drive
Technology options
Regarded as ‚the‘ future mobility option
Zero emission, best efficiency
Cost penalty due to battery
Driving range and top speed handicap
Insufficient coverage and business
models for charging infrastructure
Will plugged mobility the one and only solution in future?
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060
Navigation
Aviation
Rail
CV
MC&PC
ExxonMobile 2014
BP 2014
Road
CO2 target
CO2 Mobility Scenarios
Rolf Leonhard | 26.06.2018
Transport emissions ww
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Source: Shell Mountains Scenarios 2013; *ExxonMobile 2014, BP 2014
Gt CO2/yr, tank to wheel
Efficiency measures and plugged cars not sufficient – 100% plugged road traffic?
+70% km-40% CO2/km
+135% tkm-40% CO2/tkm
CO2 target acc. to
world GHG target
+200% km-30% CO2/tkm
Electric driving share PC (% km): 5 20 40 60 traffic increase*
PT efficiency
CO2 Mobility Scenarios
Rolf Leonhard | 26.06.2018
Transport emissions in/from Germany, wtw
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0
50
100
150
200
250
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060
Navigation
Aviation
Rail
CV
PC Diesel
PC Gasoline
Motorcycles
Total
Road
MC&PC
CO2 target
Source 1960-2030: IFEU, Tremod 5.3, IEA (Navigation)
mio t CO2 whell to wheel
+13% km-39% CO2/km
+60% km-20% CO2/km
+100% km-20% CO2/km
acc. to GHG target
for industr. countries
traffic increase*PT efficiency
Efficiency measures and plugged cars not sufficient
German ‘Energiewende‘
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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0%
20%
40%
60%
80%
100%
0
1000
2000
3000
4000
5000
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Nuclear
Gas
Oil
Coal
Total
Fossil
RE electricitydemand
EEG17
RE share
Source: Federal Environment Agency, UBA
+600% Renewable electricity demand vs today even with high efficiency achievements
Status and targets
Pri
mary
energ
y
Energy Concept of German Government 2010;
Nuclear Exit in 2022 decided 2011
-40% GHG
vs 1990
-55%
-70%
-80% ..-95%
-20% vs 2008
-50%
Extension plan for RE electricity (EEG17)
TWh
German ‘Energiewende‘
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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+600% Renewable electricity from photovoltaic and wind
Status and targetsSource: Federal Environment Agency, UBA, 10.2017
Capacity installed (GW) Electricity produced (TWh)
x5 x7
Actual extension plan for RE electricity (EEG17)
Battery Electric Vehicles
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Charging in urban areas
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Concept and
design by
M. Bargende
Battery Electric Vehicles
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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Assessment of critical raw materials for BEV’s
13
Source: Federal Environment Agency, UBA-FB 002316, 2016
Phosphor
Gold
Titanium
Chromium
Indium PGMTantalumSilver
CopperZirconTellurium
ManganesLithiumMolybdenum
Ferric
AluminiumNickel
MagnesiumCobaltRare earth
PGM: Platinum-group metals
Energy and Powetrains for sustainable Mobility
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BatteryE-Drive
Technology options
More reasons to keep mobility unplugged .. Relieve to electric grid, permanent RE power demand and electricity prices
by decoupling of energy generation and transport
.. Long distance and heavy good transport
.. Multiple mode usage of cars
But how to get sustainable and staying unplugged?
Regarded as ‚the‘ future mobility option
Zero emission, best efficiency
Cost penalty due to battery
Driving range and top speed handicap
Insufficient coverage and business
models for charging infrastructure
Energy and Powetrains for sustainable Mobility
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Battery
IC-Engine
E-Drive
Biomass
Vegetable oils,
Ethanol
Vegetable garbage,
Alga
Technology options
Increasing share up to 10% in 2020
acc. to EU regulation
Main CO2-effect until 2040
beyond efficiency measures
Limited volume potential
Fuel vs food dilemma
Regarded as ‚the‘ future mobility option
Zero emission, best efficiency
Cost penalty due to battery
Driving range and top speed handicap
Insufficient coverage and business
models for charging infrastructure
Energy and Poertrains for sustainable Mobility
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Battery
IC-Engine
E-Drive
Biomass
Vegetable oils,
Ethanol
Vegetable garbage,
Alga
Fuel Cell
O2 + 2H2 2H2O
Technology options
Zero emission, high efficiency
Decoupling of energy generation and
consumption is driver for ‚H2-society‘
in Japan
High vehicle oncosts
Lack of H2-infrastructure
Energy and Powertrains for sustainable Mobility
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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Battery
IC-Engine
E-Drive
Biomass
Vegetable oils,
Ethanol
Vegetable garbage,
Alga
Fuel Cell
O2 + 2H2 2H2O
Technology options
H2
CO2 + 3H2 H2O + CH3OH
CO2 + 4H2 2H2O + CH4
CO2 + 3nH2 2nH2O + (CH2)n
Electrofuels, eFuels PtF, PtG, PtL
CO2-Recycling (Technical Photosynthesis)
PtF, PtG, PtL: Power to Fuel, Gas, Liquid
Greenhouse gas targets
Sustainable energy and powertrains
Electrofuels, eFuels
De-Fossilisation scenarios
Conclusions
Energy and Powertrains for sustainable Mobility
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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Electrofuels
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0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
50% 60% 70% 80% 90% 100%
PtL
Co
nve
rsio
ne
ffic
ien
cy
System efficiency of water electrolysis
11.8 kWh/kg fuel / ηPtL = 3/7 * 33.33 kWh/kg H2 * 1/ ηelectrolysis + 22/7* 0.14 kWh/kg CO2 * 1/ ηCO2-capture + 22/7 * 0.5 kWh/kg fuel
Overall chemical reaction: 3 H2O + CO2 = - CH2 - + 3/2 O2 + 2 H2O
Mass balance: 3/7 kg H2 + 22/7 kg CO2 = 1 kg fuel + 24/7 kg O2 + 18/7 kg H2O
Source: A. Jess et alii,
CIT 2011, 83, No. 11
Power to Liquid – PtL efficiency
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
PtL
co
st
(€/ 10
kW
h)
Electricity cost (€ct/kWh el.)
Electrofuels
Rolf Leonhard | 26.06.2018
Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH:
0,99€/l, ηPtL=65%, CO2 ex biogas
Engine Congress, Baden-Baden 02.2017
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Power to Liquid, PtL cost w/o taxes
Invest (η PtL=50%): 3.4 mio€/Mwfuel
Start-up & closing cost: 20% of invest
Utilization: 5,000 h/a, 25 years
Capital costs: 7,5%
Maintenance, insurance: 4% p.a. of invest
w/o taxes
Based on data from A. Jess et alii, CIT 2011, 83, No. 11; T. Smolinka et alii, Fraunhofer ISE, FCBAT 2011; A. Voß IER Uni Stuttgart, 2008, W. Maus, 2010 and 2012
Sunfire GmbH, Dresden: 0,95€/l, ηPtL=68%, CO2 captured from biogas
Fraunhofer Tagung Energie, Dresden 05.2013
Electrofuels
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Power to Liquid, PtL cost w/o taxes
180
230
310
460
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
PtL
co
st
(€/ 10
kW
h)
Power cost (€ct/kWh el.)
Vision Import 2050 2050 Germany 2015
FVV* 1086-2016: RENEWABLES IN TRANSPORT 2050
Expertise by Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
Based on data from A. Jess et alii, CIT 2011, 83, No. 11; T. Smolinka et alii, Fraunhofer ISE, FCBAT 2011; A. Voß IER Uni Stuttgart, 2008, W. Maus, 2010 and 2012
t.o. CO2 air capture cost: €/t
4.000 6.0
00
4.0
00Sunfire
4.0
00 h
/a
*FVV Forschungvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
Research association for combustion engines
Invest (η PtL=50%): 3.4 mio€/Mwfuel
Start-up & closing cost: 20% of invest
Utilization: 5,000 h/a, 25 years
Capital costs: 7,5%
Maintenance, insurance: 4% p.a. of invest
w/o taxes
Fraunhofer, IWES, August 2017: Potentiale
von PtL- und H2-Importen, direct air capture
Prognos AG 30.09.2017
Greenhouse gas targets
Sustainable energy and powertrains
Electrofuels, eFuels
De-Fossilisation scenarios
Conclusions
Energy and Powertrains for sustainable Mobility
Rolf Leonhard | 26.06.2018
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Energy shares and CO2-intensity of energy
79%
65%
36%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2010 2020 2030 2040 2050 2060
En
erg
y s
ha
res
De-Fossilization Scenarios
Rolf Leonhard | 26.06.2018
© Robert Bosch GmbH 2017. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.23
0
100
200
300
400
500
600
2010 2020 2030 2040 2050 2060
CO
2-I
nte
nsity,
wtw
(g/k
Wh
)
Fossil fuels/Total fuels
Biofuels
Fossil fuels/Total energy
Fossil fuels
Electricity mix
Rolf Leonhard | 24.10.2017
© Robert Bosch GmbH 2017. All rights reserved, also regarding any disposal, exploitation, reproduction, editing, distribution, as well as in the event of applications for industrial property rights.24
De-Fossilzation ScenariosEffect of vehicle and energy measures on total CO2, wtw
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2010 2020 2030 2040 2050 2060
Vehic
leenerg
ydem
and
per
km
Powertrain
ICE
Powertrain
BEV
ICE: Internal Combustion Engine
BEV: Battery Electric Vehicle
incl. electric driven Plug-in Hybrids
Efficieny effects
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2010 2020 2030 2040 2050 2060
CO
2-e
mis
sio
n, w
tw
Energy-mix
Energy-mix effects
CO2 targets to be achieved by combined vehicle and energy measures
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
2010 2020 2030 2040 2050 2060
CO
2-e
mis
sio
n, w
tw
@constant mileage
Car fleet CO2
BEV
only
Measures
combined
Measures
w/o BEV
Electricity
Shell Pkw-Szenarien
Alternativszenario, 2014
De-Fossilization Scenarios
Rolf Leonhard | 26.06.2018
© Robert Bosch GmbH 2018. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.25
Energy split for 85% CO2 reduction wtw
e-Fuel El. PowerFossil fuel Biofuel
2010 2060
Energy
consumption
Primary
energy
-60 %
-50 %
420 TWh
500 TWh
170 TWh
250 TWh
fp = primary energy factor1,33
fp=2,01,16
FVV 11.2015:
2050: 70 - 220 TWh
Shell 2014:
2040: 210 TWh
Fossil fuel demand:
-88%
Electric power demand:
175 TWh
@constant mileage
De-Fossilization Scenarios
Rolf Leonhard | 26.06.2018
© Robert Bosch GmbH 2018. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.26
Powertrain forecasts @Stuttgart Symposium 14.03.2017
2 4
10
0,57
17
38
98 103 104
88,593 90
76
89
100107 114
2015 2020 2025 2030
High forecast uncertainty requires dual strategies
ZEVmax
ZEVmin
ICEmax
ICEmin
TotalMio new released cars
ZEV: Zero Emission Vehicle,
ICE Internal Combustion Engine
Forecast @
Stuttgarter Symposium 2018:
ZEV 2030: 15 .. 35%
Energy and Powertrains for sustainable Mobility
Rolf Leonhard | 26.06.2018
© Robert Bosch GmbH 2018. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.27
Battery
IC-Engine
E-Drive
Biomass
Vegetable oils,
Ethanol
Vegetable garbage,
Alga
Fuel Cell
O2 + 2H2 2H2O
Technology options and share 2050 in energy consumption
H2
CO2 + 3H2 H2O + CH3OH
CO2 + 4H2 2H2O + CH4
CO2 + 3nH2 2nH2O + (CH2)n
Electrofuels, eFuels PtF, PtG, PtL
CO2-Recycling (Technical Photosynthesis)
PtF, PtG, PtL: Power to Fuel, Gas, Liquid
30%
10%
10%
50%
Energy and Powertrains
for sustainable Mobility
Dr. Rolf Leonhard
Robert Bosch GmbH
A balanced mix of different drivetrains powered by renewable
energy will be the optimum from an economical, ecological and
social point of view.
13th International AVL Symposium on Propulsion Diagnostics
Baden-Baden, June 26-27, 2018