Lebenszyklusbasierte Entwicklung und Bewertung von nachhaltigen Antriebskonzepten

Kexel, Jannik; Casal Kulzer, André; Pischinger, Stefan

doi:HT031324441

Lebenszyklusbasierte Entwicklung und Bewertung von nachhaltigen Antriebskonzepten = Lifecycle-based development and assessment of sustainable propulsion concepts

Kexel, Jannik^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jannik Kexel

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pischinger, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Casal Kulzer, André (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09752
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1021922/files/1021922.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Thermodynamik mobiler Energiewandlungssysteme und Institut für Thermodynamik (412310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Antriebskonzepte (frei) ; Energieträger (frei) ; Kostenbewertung (frei) ; LCA (frei) ; Nachhaltigkeitsbewertung (frei) ; erneuerbare Energie (frei) ; sustainability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Europäische Union hat angesichts des drängenden Klimawandels das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 formuliert. In umfangreichen Forschungsarbeiten wurde die CO2-Lebenszyklusanalyse verschiedener Antriebssysteme untersucht. Mit Erreichen von netto null Treibhausgasemissionen ist eine Anpassung der Zielgrößen bei ihrer Entwicklung erforderlich. Diese Arbeit untersucht daher die ökologischen Auswirkungen unterschiedlicher Antriebskonzepte, die in ein Kompakt-SUV des C-Segments integriert sind, unter der Annahme von einem Szenario mit 100 % erneuerbarer elektrischer Energie. Die betrachteten Antriebskonzepte umfassen einen mit Wasserstoff betriebenen 48V-Mild-Hybrid, einen Wasserstoff-betriebenen 48V-Voll-Hybrid, einen mit Methanol betriebenen 400V-Voll-Hybrid, einen mit synthetischem Benzin betriebenen 400V-Plug-in-Hybrid, ein 800V batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) und ein Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug (FCEV). Um einen holistischen und objektiven Vergleich zu gewährleisten, müssen diese Konzepte dieselben vordefinierten Kundenanforderungen an das Systemdesign erfüllen. Daher wird ein Systems-Engineering Ansatz in Verbindung mit einer skalierbaren und modularen Modellierungsmethodik über den gesamten Prozess angewendet, um individuelle, maßgeschneiderte Antriebskonzepte abzuleiten. Für diese optimierten Antriebskonzepte wird eine integrierte und prospektive Lebenszyklusanalyse (LCA), unter Anwendung der DIN EN ISO 14040/44 und der EU Product Environmental Footprint Methodik, durchgeführt. Darüber hinaus werden die sozioökonomischen Auswirkungen dieser Antriebskonzepte analysiert, unter Berücksichtigung der Gesamtbetriebskosten (TCO) für einen privaten Endkunden. Einzigartig ist der integrierte Ansatz zur Aggregation der Sachbilanzierung, welcher modellbasiertes Systemdesign mit physikalisch-empirischen Simulationsmodellen und LCA-Datenbanken kombiniert. Um Unsicherheiten zu begegnen, wird eine umfassende Sensitivitätsanalyse durchgeführt, welche die Wechselwirkungen und Trade-offs unter verschiedenen Randbedingungen für LCA und TCO diskutiert. Die Annahme eines defossilisierten Energieszenarios führt unabhängig der Antriebsart zu nachhaltigeren Antriebskonzepten. Das FCEV zeigt leichte Vorteile, während das BEV Nachteile aufweist, die durch die Reduzierung von Anforderungen oder die Anpassung der Batterietechnologie verbessert werden können. Zusammenfassend wird empfohlen, eine offene Entwicklung zukünftiger Antriebssysteme zu fördern, die auf spezifische Anwendungsfälle und gezielte Anforderungen zugeschnitten sind, und dabei den gesamten Lebenszyklus umfassend zu berücksichtigen. Es ist entscheidend, so viele Aspekte der Nachhaltigkeit wie möglich in den Entwicklungsprozess zu integrieren.

In response to the imperative of mitigating climate change, the European Union has devised a strategy aiming for climate neutrality by 2050. Extensive research has been conducted on the carbon dioxide (CO2) life cycle analysis of various propulsion systems. However, achieving net-zero greenhouse gas emissions necessitates recalibrating key performance indicators in their development. Consequently, this research delves into the ecological sustainability impacts of diverse propulsion concepts integrated into a C-segment sports utility vehicle, assuming a 100% renewable energy scenario. These propulsion concepts encompass a hydrogen-fueled 48V mild hybrid, a hydrogen-fueled 48V hybrid, a methanol-fueled 400V hybrid, a methanol-to-gasoline-fueled 400V plug-in hybrid, an 800V battery electric vehicle (BEV), and a hydrogen fuel cell electric vehicle (FCEV). To facilitate a comprehensive and unbiased comparison, these concepts must meet the same pre-defined customer requirements for system design. Hence, a systems-engineering approach, coupled with a scalable and modular modeling methodology across the entire process, is employed to derive individualized, precisely tailored propulsion concepts. For these optimized propulsion concepts, an integrated and prospective Life-Cycle Assessment (LCA) is conducted within the framework of DIN EN ISO 14040/44 and the EU Product Environmental Footprint methodology. Additionally, the socio-economic effects of these propulsion concepts are analyzed, with consideration given to their total cost of ownership (TCO) for a private end customer. Uniquely, an integrated approach is utilized to aggregate Life-Cycle Inventory data, combining model-based system design with physical-empirical simulation models and publicly available LCA databases. To address uncertainties, a comprehensive sensitivity analysis is undertaken, elucidating the interdependencies, co-benefits, and trade-offs under different boundary conditions for LCA and TCO. Assuming the defossilized energy scenario, this leads to more sustainable propulsion systems, irrespective of the propulsion concept. The FCEV demonstrates slight advantages, while the BEV exhibits disadvantages that can be improved by reducing requirements or adapting cell chemistry. In conclusion, the recommendation is to foster an open-minded development of future propulsion systems, tailored to specific use-cases and targeted requirements, while comprehensively considering the entire life cycle. Furthermore, it is crucial to integrate as many sustainability aspects as possible into the development process.

OpenAccess:
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