Technik und Funktionsweise der Brennstoffzelle - Abgrenzung zur Batterie

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1 Technik im Dialog Weinheim, Technik und Funktionsweise der Brennstoffzelle - Abgrenzung zur Batterie Prof. Dr. Werner Tillmetz Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg

2 Elektromobilität vor mehr als 100 Jahren Ferdinand Porsche entwickelt Elektrowagen (Lohner-Porsche) - die Sensation der Weltausstellung im Jahr 1900 in Paris AEG betrieb wenige Jahre später eine Serienfertigung von Elektrofahrzeugen in Berlin Das im Überschuss vorhandene Erdöl mit seiner unschlagbaren Energiedichte und das sich schnell ausweitende Fernstraßennetz waren das Ende von Elektrofahrzeugen -2-

3 Weltölproduktion am Wendepunkt mit neuen Technologien in die postfossile Welt year -3-

4 Batterien die Lösung für Alles? -4-

5 Batterien: Energiespeicher Batterien (Akkumulatoren) speichern elektrischen Strom mit hohem Wirkungsgrad (Laden Entladen) Li-Ionen-Batterien haben die höchste Energiedichte der kommerziellen Akkumulatoren Große Vielfalt an möglichen Aktivmaterialien >>> viel Spielraum für verbesserte Eigenschaften e Elektronen Li + Bildquelle: Daimler AG Aufbau eines Batteriemoduls für einen Mild-Hybrid-Antrieb Li 1-x CoO 2 Li x C 6 Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Batterie -5-

6 Marktentwicklung Lithium-Ionen-Batterien CY 04CY 05CY 06CY 07CY 08CY 09CY 10CY 11CY 12CY 13CY 14CY 15CY 16CY 17CY Mio USD LIB Pack base market US$ Million/CY Konsumer- Batterien Fahrzeuge Automotives Others BT Game MP3 CAM DSC PT NBPC Cellular HEV & EV Andere Blue-Tooth-Anwendungen Gameboys MP3-Player Videokameras Digitale Fotokameras Power Tools Notebooks / Laptops Mobiltelefon Quelle: H. Takeshita, 25th International Battery Seminar & Exhibit, Fort Lauderdale, USA,

7 Li-Ionen-Batterien: Neue Anwendungen >> Große Herausforderungen Energiedichte > 200 Wh/kg Kosten < 500 /kwh neue Materialien & Konzepte notwendig Betriebsbedingungen - 30 C bis +50 C, Schnellladung Vibration, Schock, Crash Ressourcen Qualifiziertes Personal, Budget, Rohstoffe Sicherheit Konsumerbatterie: < 90 Wh Hybridfahrzeuge: 1-2 kwh Plug-In HEV: 6 10 kwh Batteriefahrzeug: > 20 kwh Lebensdauer kalendarisch >10Jahre > Zyklen -7-

8 Batterien: Energie vs. Leistung Source: ZEV-CARB Report

9 Energiespeicher: Energiedichte im Vergleich Quelle: Toyota -9-

10 Energiedichte im Vergleich Quelle: General Motors -10-

11 Batterie- oder Brennstoffzellen-Antriebe? auf die Anwendung kommt es an Quelle: General Motors -11-

12 Brennstoffzellen Funktionsweise und Anwendungen -12-

13 Brennstoffzellen: Energiewandler Brennstoffzellen wandeln Brenngase (Wasserstoff) und Luft-Sauerstoff hoch effizient und schadstofffrei in Strom, Wärme und Wasser um Poröse Kathode Wasser + Wärme 2e - 2e - H + Poröse Anode O 2 H 2 Luft O 2 H 2 Brenngas Katalysator Membrane -13-

14 Brennstoffzellensystem für Fahrzeugantriebe Luftversorgung Leistungselektronik Wasserstoff-Kreislauf Brennstoffzelle (80 kw) -14-

15 Brennstoffzellen-Fahrzeuge auf dem Weg zur Serie ab Generation Fahrzeuge ist seit mehr als 5 Jahren erfolgreich im Alltagseinsatz 2. und 3. Generation aktuell auf der Strasse Über Flotten stufenweise zu wettbewerbsfähigen Produkten Aufbau der Wasserstoff- und Tankstellen-Infrastruktur -15-

16 Brennstoffzellen in sehr vielen Anwendungen einsetzbar effizient und sauber -16-

17 Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung Strom und Wärme im Haus erzeugt Funktionsweise Quelle: Tokyo Gas -17-

18 Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung Weltweiter Status Dezentrale Erzeugung von Strom und Wärme 0,5 2 kw el Wirkungsgrad: % Strom & Wärme % Strom Toshiba 700 W PEM-Technologie Tokyo Gas / Panasonic 1 kw, PEM-Technologie Erdgas/Biogas/Flüssiggas/Kerosin PEM, HT-PEM & SOFC-Technologie Kommerzialisierung in Japan hat begonnen: Einheiten in x Einheiten ab 2015 Baxi Innotech 1 KW, PEM-Technologie Hexis 1 KW SOFC-technologie -18-

19 Brennstoffzellen für Freizeit und spezielle Anwendungen -19-

20 Brennstoffzellen was ist noch zu tun? -20-

21 Schlüsselthemen auf dem Weg zur Serienreife Optimierung Qualifizierung -21- Produktionstechnologie

22 Schlüsselthemen für die Serienreife Strom- und Wasserstoff Tankstellen Fahrzeughersteller Aus- und Weiterbildung Sicherheit & Qualität Aufbau einer starken Zulieferindustrie Systemlieferanten Batterie-/ Brennstoffzellen-Hersteller Fertigungstechnologie Chemieindustrie -22-

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Bildquelle: Daimler AG -23-

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