VIAVISIONJuni Brennstoffzellentechnologie. Sauberer Antrieb NACHRICHTEN AUS DER MOBILEN ZUKUNFT

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1 VIAVISIONJuni 2015 VOLKSWAGEN NACHRICHTEN AUS DER MOBILEN ZUKUNFT Brennstoffzellentechnologie Sauberer Antrieb

2 BRENNSTOFFZELLE VIAVISION Inhalt Zukunftsträch tig 2 Der Weg zu einer Vision 3 Konsequent weiter gedacht 3 Im Herzen Wasserstoff 4 Das passiert im Inneren 6 Gut vernetzt? 8 Zukunftsträchtig Dr. Heinz-Jakob Neußer über die Alltagstauglichkeit der Brennstoffzelle Dr. Heinz-Jakob Neußer, Mitglied des Mar ken vorstands Volkswagen für den Geschäftsbereich Entwicklung und Leiter der Konzern-Aggregateentwicklung. Impressum Herausgeber Volkswagen Aktiengesellschaft Konzernkommunikation Brieffach 1971, Wolfsburg Telefon: 05361/ Fax: 05361/ Verantwortlich (V.i.S.d.P.) Stephan Grühsem, Leiter Konzernkommunikation; Pietro Zollino, Leiter Produktkommuni kation Marke Volkswagen Redaktion Stefanie Huland, Michaela Möller Volkswagen: Michael Franke, Tonio Vakalopoulos Kontakt: redaktion@viavision.org Verlag Verlag Rommerskirchen GmbH & Co. KG Mainzer Straße 16-18, Rolandshof Remagen, Telefon: 02228/ Druckerei L.N. Schaffrath GmbH Marktweg 42-50, Geldern Alle in dieser Ausgabe verwendeten Grafiken sind unter Angabe der Quelle VIAVISION zum Abdruck freigegeben. Was sind die größten Herausfor derungen bei der Markteinführung von Brennstoffzellenfahrzeugen? Die großen Herausforderungen sind die Kostenreduktion für diese Technologie und der Aufbau der benötigten Infrastruktur. Darüber hinaus ist es von elementarer Bedeutung, dass der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien hergestellt wird. Nur so kann eine nachhal tige Mo bilität sichergestellt werden. Diese Technologie ist eine von vielen Mög lichkeiten zur emissionsfreien Langstreckenmobilität. Sind Brennstoffzellenfahrzeuge bereits alltagstauglich? Im Flottenversuch haben wir die Alltagstauglichkeit unserer Brennstoffzellenfahrzeuge bereits nach gewie sen. Im vergangenen Jahr konnte sich die Öffentlichkeit davon auf der L.A. Auto Show überzeugen. Dort haben wir gezeigt, dass dieser Antrieb alltagstauglich ist. Zusätzlich haben wir dargestellt, dass auch unser MQB bereits für die Brennstoffzellentechnologie vor be rei tet ist. Nun gilt es, die Brennstoffzellentech nologie zu einem marktfähigen Preis anbieten zu können. Daran arbeiten wir intensiv. Für einen flächen decken den Einsatz im Alltag fehlt aber nach wie vor die benötigte In frastruktur und das Bekenntnis, den Wasserstoff als En er gieträger nutzen zu wollen. Trägt Volkswagen zur Errichtung einer Wasserstofftankstelleninfrastruktur bei? Volkswagen begleitet die Aktivitäten der Initiative H 2 -Mobility zum Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur in Deutschland. Mir ist es aber wichtig zu betonen, dass der Versorgungsauftrag nicht bei der Automobilindustrie liegt. Der Aufbau einer Infrastruktur zur Bereitstellung von Wasserstoff muss von Unternehmen der Energiewirtschaft und der Mineralölindustrie mit ihren Tankstellen geleistet werden und sich langfristig selbst tragen. 2

3 Juni 2015 BRENNSTOFFZELLE Der Weg zu einer Vision Brennstoffzellenf ahrzeuge von Volkswagen Die Idee hinter dem Brennstoffzellenauto ist bestechend: So viel Reichweite und vergleichbare Tankzeiten wie ein Fahrzeug mit konventionellem Antrieb und gleichzeitig keine Schadstoffemissionen wie ein Elektroauto. Bereits seit mehreren Jahrzehnten arbeiten die Entwickler bei Volkswagen an der konkreten Umsetzung dieser Vision VW Bora Variant Capri VW Bora HyMotion 1 Volkswagen stellt weitere VW US-Passat HyMotion 4 Das erste Brennstoffzellenfahrzeug von VW war ein von der EU gefördertes Projekt. Sein Brennstoffzellensystem funktionierte mit Methanol, das an Bord zu Wasserstoff und CO 2 umgewandelt wurde. Der erste HyMotion nutzte flüssigen Wasserstoff als Kraftstoff. Um Wasserstoff in diesen sehr dichten Aggregatzustand zu überführen, muss viel Energie aufgewendet werden. Das erwies sich auf Dauer als zu energieintensiv und konnte sich nicht durchsetzen. Studien vor, die bereits gasförmigen Wasserstoff tanken. Abseits der technischen Weiterentwicklung engagiert sich der Konzern in Initiativen wie der Clean Energy Partnership, die mit Partnern aus Industrie und Politik den Weg für die Markteinführung der Brennstoffzellentechnologie ebnet. Der HyMotion 4 stellt die aktuelle Brennstoffzellentechnologie dar. Der in L.A. vorgestellte US Passat nutzt für das von Volkswagen selbst entwickelte Brennstoffzellensystem gasförmigen Wasserstoff als Kraftstoff, der mit 700 bar an Bord gespeichert wird. Konsequent weiter gedacht Die Brennstoffzelle ergänzt den Antriebsstrang des MQB Der Golf HyMotion hat es in Las Vegas gezeigt: Die Brennstoffzelle kann auf der konstruktiven Basis des Modularen Querbaukastens (MQB) umgesetzt werden und einige seiner Bausteine und Technologien verwenden. So komplettiert dieser Antrieb die verschiedenen Antriebssysteme, die Volkswagen auf MQB-Basis anbietet. Alle Antriebssysteme im Modularen Querbaukasten: Konventionell Alternativ/Regenerativ Brennstoffzelle Diesel Benzin Ethanol Erdgas Konventionell/Elektrisch Elektrisch Wasserstoff Bestehende Module wie die e-maschine oder die gesamte Batterietechnologie können aus dem MQB genutzt werden. Auch die zellentanks haben technologische Gemeinsamkeiten mit den bereits verwendeten Erdgastanks. Allein der höhere Druck im Wasserstoff- Brennstofftank (700 bar) im Vergleich zu Erdgas (200 bar) erfordert eine dickere Kohlenfaserschicht als bei den CNG-Tanks. 3

4 BRENNSTOFFZELLE VIAVISION Im Herzen Wasserstoff Die Basis MQB So neu und revolutionär die Brennstoffzelle auch ist bei Null müssen die Entwickler trotzdem nicht beginnen. Wie ein Elektroauto fährt ein Brennstoffzellenfahrzeug mit Strom. Sein Antriebsstrang kann also auf die bewährten e-module und Technologien der Elektromobilität aus dem Modularen Querbaukasten zurückgreifen. Der DC/DC-WANDLER ist dafür zuständig, die Spannung zwischen Batterie, Brennstoffzelle und E-Antrieb einzustellen und damit den Energiefluss zu steuern. Brennstoffzellenstapel Medienzuund abfuhr Turboverdichter Der BRENNSTOFFZELLENSTAPEL ist das Kraft- werk des Antriebs. Er besteht aus vielen einzelnen Brennstoffzellen, die aufgrund einer chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie für den Elektromotor erzeugen. Für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels sind zusätzliche Aggregate notwendig, zum Beispiel der Turboverdichter und die Medienzu- und abfuhr. Sie sorgen unter anderem dafür, dass die richtige Menge an Luft, Wasserstoff und Kühl wasser in die Zellen kommt. Der KÜHLER ist dafür zuständig, die Wärme, die bei der Energiewandlung anfällt, an die Umgebung abzutransportieren und damit die Brennstoffzelle zu temperieren. Der Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle etwa zu 6o Prozent in elektrische Arbeit umgewandelt, die den E-Motor antreibt. Mit dem SYNCHRONMOTOR steht dem HyMotion ein vollwertiger Automobilantrieb mit 12.ooo Umdrehungen pro Minute zur Verfügung, übernommen wurde der Antrieb aus dem e-golf. Der Golf HyMotion verfügt über ein EIN-GANG-GE- TRIEBE. Durch das Getriebe und die Gelenkwellen ist der e -Motor mit den Vorderrädern verbunden und treibt diese an. 4

5 Juni 2015 BRENNSTOFFZELLE Die LITHIUM-IONEN-HOCHVOLTBATTERIE speichert die beim Bremsen durch Rekuperation zurückgewonnene Energie. Außerdem unterstützt sie in dynamischen Phasen durch das sogenannte Boosten den Motor. Die Studie verfügt über eine Hochleistungsbatterie, die auch über die Brenn stoffzelle geladen werden kann. Denkbar wäre auch der Einbau einer Ladedose, durch die die Batterie auch extern an der Steckdose aufladbar ist und bis zu 5o Kilometer rein elektrische Reichweite bietet. Die vier TANKFLASCHEN bestehen aus einer inneren Kunststoff- und einer äußeren Kohlefaserschicht und speichern den Wasserstoff im Fahrzeug. Sie liegen platzsparend im Unterboden des Fahrzeugs. Technische Eigenschaften des Golf HyMotion Elektromotor Maximales Drehmoment Reichweite 100 kw / 136 PS 270 Nm ca. 500 km km/h 10 s Höchstgeschwindigkeit Batterieenergiegehalt 160 km/h 1,1 kwh Die LEISTUNGSELEKTRONIK ist mit dem Elektromotor und der Batterie verbunden und sorgt für die Umformung des elektrischen Stroms, damit die e-maschine mal als Motor, der elektrische Energie in Bewegungsenergie umwandelt, mal als Generator, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, funktioniert: Im Motorbetrieb verwandelt die Leistungselektronik den Gleichstrom der Hochvoltbatterie in dreiphasigen Wechselstrom, der den e-motor antreibt. Im Generatorbetrieb verwandelt sie den Wechselstrom in Gleichstrom; er lädt die Batterie auf. 5

6 BRENNSTOFFZELLE VIAVISION Das passiert im Inneren So funktioniert die Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser. Die dabei freigesetzte Energie wird in Strom umgewandelt und treibt den Elektromotor des Fahrzeugs an. Die Herausforderungen im Autobau liegen in der Entwicklung einer kostengünstigen Brennstoffzellentechnologie, der passenden Infrastruktur und der Gewinnung von Wasserstoff aus regenerativen Energien. Der Aufbau einer Membran-Brennstoffzelle: GLEICHSTROM ELEKTRON SAUERSTOFF O 2 O 2- WASSERSTOFF H 2 H + H + WARMES WASSER H 2 O ANODE PROTONENLEITENDE MEMBRAN KATHODE Anode Das Wasserstoff Gas, das an die Anode geführt wird, zerfällt mit Hilfe von Platin als Katalysator in Pro tonen (H + ) und Elektro nen (e ). Membran Die Membran besteht aus einem Kunststoff, der nur Protonen durchlässt. Die Elektronen müssen sich einen Weg um die Membran herum suchen, um zur Kathode zu gelangen, wo ein Elektronenmangel herrscht. Auf diesem Weg über einen geschlos senen Stromkreislauf verrichten sie elektrische Arbeit. Kathode Über die Bipolarplatte wird Sauerstoff an die Kathode geführt. Hier verbindet er sich mit Hilfe von Platin als Katalysator mit den freien Protonen (H + ) und Elektronen (e ) zu Wasser. Jede Brennstoffzelle verfügt über zwei Elektroden: die Anode und die Kathode. Zwischen ihnen liegt eine dünne Membran, die als Leiter für die Protonen (H + ) funktioniert. Zwischen den einzelnen Zellen liegen so genannte Bipolarplatten. Auf diesen sind Rillen, über die Sauerstoff und Wasserstoff in die Zellen geleitet werden. Die Kombination mehrerer Zellen wird auch als Stapel, englisch Stack bezeichnet. 2 H +O = 2 H O

7 Juni 2015 BRENNSTOFFZELLE Sauerstoff Sauerstoff ist ein nichtmetallisches Element, sein chemisches Zeichen ist O. Es ist mit circa 21 Prozent Anteil am Volumen der Luft das zweithäufigste Element unserer Atmosphäre. Bezogen auf die chemische Reaktion ist es sehr reaktionsfreudig, das heißt, es geht leicht Verbindungen ein. Wasserstoff Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem der Elemente und das kleinste Atom. Sein chemisches Zeichen ist H. Es ist eines der Hauptbestandteile des Wassers und ist das häufigste Element im Universum. Der Kern des Wasserstoff atoms besteht aus einem Elektron und einem Proton. Merkmale des Antriebs Geringe Ladezeiten Ein Brennstoffzellenauto lässt sich fast genauso schnell mit Wasserstoff betanken wie ein Erdgasfahrzeug oder ein herkömmlicher Verbrennungsmotor mit Benzin. Eine Tankfüllung dauert je nach Tankvolumen zwischen drei und fünf Minuten. Hohe Reichweiten Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen über eine hohe Reichweite. Mit einer Tankfüllung Wasserstoff kommt man mehrere hundert Kilometer weit. Hybridfunktion Die Batterie funktioniert im Brennstoffzellenauto ähnlich wie in einem Hybridfahrzeug: Sie unterstützt den Motor in dynamischen Phasen und wird beim Bremsen mit Energie geladen (Rekuperation). Durch den Einbau einer Ladedose könnte die Batterie auch extern an einer Steckdose aufgeladen werden. So wird eine rein elektrische Reichweite von circa 50 Kilometern möglich. Glossar Bipolarplatte: Bipolarplatten sind die mechanische Hauptkomponente eines Brennstoffzellenstapels: Sie verbinden die einzelnen Zellen des Stacks elektrisch miteinander und sorgen für die Medienzufuhr. Dafür müssen sie eine gute Leitfähigkeit besitzen und chemischen Einflüssen, hohen Betriebstemperaturen sowie hohem mechanischen Druck in der Zelle standhalten. Elektron: Das Elektron ist ein elektrisch negativ geladenes Teilchen und gehört wie das Neutron und das Proton zu den Bauteilen eines Atoms. Es befindet sich in der Atomhülle. Überwiegen in einem Körper die Elektronen, ist er negativ geladen. Proton: Das Proton ist ein elektrisch positiv geladenes Teilchen und gehört wie das Neutron und Elektron zu den Bauteilen eines Atoms. Es befindet sich mit den Neutronen im Atomkern. Überwiegen in einem Körper die Protonen, ist er positiv geladen. Spannung: Damit Strom fließen kann, benötigt er Spannung. Die Höhe der Spannung entscheidet darüber, wieviel Strom fließen kann. Elektrische Spannung ist also die treibende Kraft, die die Bewegung von Ladeträgern verursacht. Die Spannungshöhe wird in Volt angegeben. 7

8 BRENNSTOFFZELLE VIAVISION in Betrieb im Bau in konkreter Planung Standortsuche/ Verhandlungen 4 HAMBURG Gut vernetzt? Infrastruktur der Wasserstofftankstellen Gut entwickelte umweltfreundliche Technologie nutzt nichts ohne die dazugehörige Infrastruktur. So auch im Fall der Brennstoffzelle: Bisher noch spärlich bestückt, nimmt der Ausbau des Wasserstofftankstellennetzes in Deutschland langsam Fahrt auf. A1 A7 5 BERLIN A9 KÖLN A4 A4 A3 2 A1 KARLSRUHE 2 2 A7 A9 MÜNCHEN A3 In Deutschland kann man heute an 16 Tankstellen Wasserstoff tanken. Bis Ende 2015 soll die Zahl auf gute 50 gestiegen sein, darauf einigten sich im Juni 2012 Industriepartner und das Bundesverkehrsministerium im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP). Um den Brennstoffzellenantrieb flächendeckend einsetzen zu können, bedarf es etwa solcher Tankstellen. 8