FORSCHUNG FÜR EINE MOBILE ZUKUNFT

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1 FORSCHUNG FÜR EINE MOBILE ZUKUNFT DRESDEN»Klimaschutz und Schienenverkehr«Einsatz von Brennstoffzellen in Schienenfahrzeugen Ausgewählte Ergebnisse des FP7 Projektes FELICITAS Matthias Klingner FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR VERKEHRS- UND INFRASTRUKTURSYSTEME IVI

2 ÜBERBLICK Fraunhofer IVI Elektromobilität - Vision und Wirklichkeit Hybride Antriebskonzepte Wasserstoffbusse FC basierte BusBahnen AutoTram Zusammenfassung

3 Fraunhofer IVI 70 wissenschaftliche Mitarbeiter 40 Praktikanten, Diplomanden, HiWis Haushalt 6.2 Mio. Versuchsfahrzeuge, Prüfstände, Fahrsimulatoren Verkehr, Energie und Umwelt Intermodale Verkehrsinformations- und Managementsysteme Fahrzeug- und Verkehrssystemtechnik

4 Elektromobilität - Vision und Wirklichkeit traditioneller Antrieb im ÖPNV elektrische Antriebsmaschinen hoher Wirkungsgrad hohe Drehmomente Dresdner Straßenbahn 1893 schienengebundene Fahrzeuge Oberleitung, Stromschiene Rückleitung über Gleis Hechtwagen 1930

5 Elektromobilität - Vision und Wirklichkeit traditioneller Antrieb im ÖPNV straßengebundene Fahrzeuge erste gleislose Bahn Ende 19.Jhd erste O-Buslinie 1900 (Kontaktwagen) Bielatalbahn 1901(nach Schiemann) Elektromote Siemens &Halske 1882 speicherbasierter O-Bus elektr. Straßenbahn - Omnibus 1889 Gyrobus 1954 Gyrobus 1954

6 Elektromobilität - Vision und Wirklichkeit Speichertechnik im Wandel der Zeit Schwungmassespeicher 1954 Energieinhalt Schwungmasse 9,15 kwh / 6 kwh kg Zyklenzahl SuperCap Speichersystem Zellen (3000 F) Gewicht kg Zyklenzahl Schwungrad 1954 Li-Ionen Batteriespeichersystem 50 Zellen (40 Ah) Gewicht 50 kg Zyklenzahl Schwungrad 2005 zerstört

7 Elektromobilität - Vision und Wirklichkeit Energieinhalt und Ladeleistung Zeithorizont Elektroauto Wh/kg Massenmarkt 15 bis 20 Jahre hybride Antriebsstränge PkW Übergangstechnologie im ÖPNV effizient Brennstoffzelle + Li-Ion / SCAP Speicher hybride Brennstoffzellencluster 5000 l Li-Ionen Batterie 1000 l 50 l entspricht Diesel H bar Energieinhalt 485 kwh Ladeleistung 15 MW (Tankvorgang 25 l/min)

8 Wasserstofftechnologien hybride Brennstoffzellencluster Fuel cell power-trains and clustering in heavy-duty transport Leistung > 200 kw Systemeffizienz > 60 % Brennstoffe H 2, Kohlenwasserstoffe Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Lebensdauer Schwerlastverkehr auf Straße, Schiene, Wasser

9 Wasserstofftechnologien hybride Brennstoffzellencluster Clusterbildung Hybridisierung FC load cycling automotive application light rail / tram bus SOFC heavy rail truck PEFC marine prime mover marine APU stationary application FC power density

10 Wasserstofftechnologien hybride Brennstoffzellencluster Leistung [kw] / 3 Leistungsdichte [kw/m ] Leistungsdichte [kw/kg] Leistung [kw] Leistungsdichte [kw/m³] 3] 700 Leistungsdichte [kw/kg] Yacht 100 m APU Light train Truck APU Truck Tram Bus 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

11 Brennstoffzellenbus Geschichtlicher Abriss (Ballard FC Systeme)

12 Brennstoffzellenbus Geschichtlicher Abriss (Ballard FC Systeme) Ballard HD6 Fuel Cell Modul - HD6 Module Folgeentwicklung der P5 Module - HD6 Module konzipiert für hybride Antriebkonfigurationen - erfolgreiche Felderprobung von P5 BZ Systemen in zahlreichen Busprojekten (Europa, Nordamerika, Brasilien usw.)

13 Hybride Brennstoffzellenbusse Alternative zu Trolleybussen Merkmale gleicher Umweltstandard geringerer Infrastrukturaufwand größere Ausweichflexibilität globale Marktentwicklung Renaissance der Trolleybusse derzeit 370 Systeme mit Fahrzeugen Modernisierungsbedarf allein in Russland 90 Systeme mit Fahrzeugen Lyon

14 Hybride Brennstoffzellenbusse Alternative zu LRT-Systemen Merkmale gleicher Umweltstandard geringerer Infrastrukturaufwand größere Ausweichflexibilität aber geringere Transportkapazität europäische Marktentwicklung bis LRT-Systeme in Bau, 41 in Planung» schlafendes Potential «in Osteuropa Grenoble

15 AutoTram Prototyp für Intermediäre BusBahnen

16 AutoTram Prototyp für Intermediäre BusBahnen O-Bahn Translohr / TVR Civis Phileas DaimlerChrysler Lohr Industries Bombardier Siemens, MTI, Renault Berkhof, FROG mechanisch Spurführungsbalken mechanisch Führungsschiene immaterial optisch-elektrisch immaterial magnetisch elektrisch dieselelektrisch elektrisch dieselelektrisch dieselelektrisch dieselelektrisch

17 AutoTram Versuchsplattform Brennstoffzelle Ballard Power Systems 2xHY-80, 150 kw DockingStation externe Aufladung Schwungradspeicher CCM EMAFER RoV-II, 325 kw / 4 kwh Dieselantriebsaggregat IMG Nordhausen BMW 740D 3,9l, 180 kw

18 AutoTram hybrides Brennstoffzellencluster Twin - Cluster Spannungsverlauf ohne UC UC gepufferte FC Spannungsverlauf mit UC

19 AutoTram hybrides Brennstoffzellencluster H bar Druckspeicher im Dachbereich Dynetek - Druckspeicher für 40 kg H 2 Speicherüberwachung und Sicherheitsfunktionen FC Integration in hybriden Antriebsstrang lebensdauerschonender FC Betrieb effizienter H 2 - Verbrauch

20 AutoTram lebensdauerschonender FC Betrieb Bahn- und Busapplikationen Lebensdauer > h Verfügbarkeit > 99.5 % Hybridisierung Phlegmatisierung Vermeidung lebensdauerzehrender Betriebszustände Leckagerate nach Betriebsstunden modellbasierte insitu Diagnose Verformung der Polarisationskennlinie Vereinfachter parametrischer Modellansatz Parameteridentifikation

21 Spannung AutoTram lebensdauerschonender FC Betrieb Leerlaufspannung Membran Katalysator Membran, Bipolarplatte Ladungsdurchtritt Elektrode Ladungstransport Stofftransport Strom parametrisches Modell Äquivalentstromdichte Austauschstomdichte Kathode innerer Widerstand empirischer Kim-Parameter -> Membranleckagen -> Katalysatoreigenschaft -> Membranzustand -> Diffusionseigenschaften

22 Innerer Widerstand Innerer Widerstand Innerer Widerstand AutoTram insitu Diagnose chemische Alterung Anlagerung von Kontaminaten Zeit in h Membranaustrocknung zyklischer Anstieg Membranwiderstand Zeit in h Membranverunreinigung verstärkter elektroosmotischer Effekt durch metallische Kationen Zeit in h

23 Zusammenfassung Leistungs- und Energiedichte für Brennstoffzellen in Straßen- bzw. Stadtbahnen noch zu gering Marktpotentiale für hybride Brennstoffzellenbusse Erhöhung der Lebensdauer und Verfügbarkeit hybrider Brennstoffzellencluster Zukunftsvision brennstoffzellenbasierte intermediäre BusBahnen