DMFC Hybridsysteme für leichte Traktion

Transkript

1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft DMFC Hybridsysteme für leichte Traktion Institut für Energieforschung IEF-3: Brennstoffzellen 20. Januar 2010 Jürgen Mergel, Jörg Wilhelm

2 DMFC Hybridsysteme für leichte Traktion Einleitung Machbarkeitsstudie DMFC* System Auslegung DMFC Hybridsystem Erste Ergebnisse Zusammenfassung Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) DMFC*: Direktmethanol-Brennstoffzelle 1

3 Brennstoffzellensysteme für leichte Traktion - PEFC- & DMFC-Systeme als Range Extender oder Batterieersatz Material Handling Quelle: PlugPower Quelle: Ballard Quelle: Oorja Quelle: Jungheinrich Elektromobile Scooter Quelle: SFC Quelle: EMPA Quelle: SUZUKI Quelle: SFC Quelle: YAMAHA Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) PEFC*: Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 2

4 DMFC Hybridsysteme für leichte Traktion Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) sind für unterschiedliche Anwendungen attraktiv, vor allem jedoch als Batterie- bzw. Akkumulatorersatz. Sie können in verschiedenen Leistungsklassen eingesetzt werden. Eine Marktstudie ergab, dass der Einsatz eines DMFC-Energiesystems in der kw-klasse die besten Chancen auf eine kommerzielle Realisierung in der Applikation eines Horizontal- Kommissionierers hat. Ein Vorteil solcher Energiesysteme ist der Entfall der vergleichsweise aufwendigen und zeitintensiven Aufladung der Bleibatterien bzw. der Wegfall von benötigten Zweitbatterien im Mehrschichtbetrieb. Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 3

5 DMFC für leichte Traktion - Vorteile der DMFC gegenüber der PEFC Hohe Energiedichte von Methanol - längere Betriebszeiten, größere Reichweiten Schnelles Betanken Einfacher Systemaufbau Energieträger Methanol (flüssig) Wasserstoff bar Wasserstoff bar Energiedichte in MJ pro Liter 15,9 4,7 (ca. 3,4 inkl. Tank) 2,7 (ca. 2 inkl. Tank) in Relation zu Pb Batterien Betriebszeit / Reichweite Benzin 700 bar Lithium Propan 300 bar Pb Batterie ICE* DMFC PEFC Batterie Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) ICE*: Internal Combustion Engine 4

6 Machbarkeitsstudie DMFC Brennstoffzelle - Abschätzung des nötigen Zielpreises in für ein DMFC System Visualisierung Annahmen Genutzte Fahrzeuge: ca. 200 Fahrzeuge Genutzte Batterien: 2 Batterien pro Fahrzeug Produktionszahlen: ~ 364 Arbeitstage im Jahr 3 Schichten/Tag Personalbedarf Auflade- und Wechselstation: 6 bis 9 Werker pro Tag Austauschaktivitäten: Batteriewechsel Anschluss der Batterien Wasser auffüllen Investment Aufladestation: ~ Ventilation der Aufladegeräte ~ 1 Aufladegerät pro Fahrzeug ~ 8h Aufladezeit Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 5

7 Machbarkeitsstudie DMFC Brennstoffzelle - Abschätzung des nötigen Zielpreises in für ein DMFC System Bleisäure Batterie DMFC-Brennstoffzelle ~ 63 % ~ 10 % 100 % 15 % ~ 4 % ~ 1 % 69 % 6 % ~ 22 % ~ 17 % 2-4 Batterien 465 Ah, 24V Invest. Aufladestation & Aufladegeräte Personalkosten für Wechsel Strom 6,4 kwh/ Schicht x Schichten Methanol 6,4 kwh Schicht x Schichten Gesamtkosten Personalaufwand Tankstation 5 DMFC Stacks & 1 System Nötiger Zielpreis 1 DMFC Komplettsystem Min. Wechselpersonal Quelle: FZJ, Max. Inkl. fahrendes Personal Status: März 2007 Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 6

8 Machbarkeitsstudie DMFC Brennstoffzelle - 1 kw DMFC System, DMFC V3.1 (2007) Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 7

9 DMFC Hybridsysteme für leichte Traktion Einleitung Machbarkeitsstudie DMFC System Auslegung DMFC Hybridsystem Erste Ergebnisse Zusammenfassung Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 8

10 Horizontal-Kommissionierer ECE 220 XL - DMFC-Brennstoffzelle soll die Batterie und das Ladegerät ersetzen Beschreibung Beispiel Leistungsbereich - Fahrmotor ~ 2,5 kw - Hubmotor ~ 2,5 kw Batterie Pb-Batterie - Batteriespannung 24 V - Nennkapazität 560 Ah Energieverbrauch - Nach VDI Zyklus 0,76 kwh Nutzungsdauer ~ h Komponenten 1 Batterie 2 Ladegerät 3 Lenkung 4 Steuerung 5 Sitz 6 Gehäuse 7 Gabel 8 8 Fahrwerk Räder : Bei Einsatz der Brennstoffzellentechnologie zu ersetzende Komponente Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 9

11 DMFC Hybridsystem - Systemauslegung BZ-Steuerung Energiemanagement Motorsteuerung = CO 2 = Hybridspeicher Gründe für die Hybridisierung: Aufheizphase der DMFC Begrenzte Dynamik der DMFC Rückgewinnung von Bremsenergie Auslegungsgröße der DMFC kann reduziert werden Hybridisierungskonzept: aktiver serieller Hybrid Indirekte Kopplung über einen Tiefsetzsteller Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 10

12 Systemauslegung - Einsatzfall in einem Auslieferungslager Charakteristischer Kommissionierbetrieb: Anfahren Bremsen Stillstand, d.h. kaum Phasen mit längerer Konstantfahrt Quelle: Jungheinrich Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 11

13 Systemauslegung Für die Auslegung des Hybridsystems werden realistische Langzeitprofile benötigt, um den Energiebedarf und die auftretenden Spitzenleistungen abschätzen zu können. Um den Horizontal-Kommissionierer mit einem DMFC- Hybridsystem aufbauen zu können, muss untersucht werden, welches Hybridisierungskonzept für diese Anwendung geeignet ist. Dies beinhaltet vor allem die Untersuchung, wie der DMFC- Stack und der Energiespeicher miteinander zu verschalten sind und welche Art Energiespeicher (Batterie und/oder Supercap) am Besten für diese Anwendung geeignet ist. Außerdem müssen Stack und Energiespeicher für das gewählte Hybridisierungskonzept ausgelegt bzw. so angepasst werden, dass das Gesamtsystem die gleiche Performance wie das ursprüngliche System mit der Bleibatterie zeigt. Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 12

14 Systemauslegung - Langzeitmessung ECE 200 Fahrmotor VDI-Zyklus P Durchschnitt [W] Quelle: Jungheinrich Charakteristischer Kommissionierbetrieb Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 13

15 Systemauslegung - Angenäherter charakteristischer Fahrzyklus Beschleunigung Beschleunigungsleistung Bremsleistung Fahrleistung (Durchschnitt) Fahrleistung (Maximal) 6800 W W 800 W 2400 W Stillstand Bremsen Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 14

16 Fahrzyklus als Input für Auslegung und Untersuchungen im Teststand Langzeitmessungen: charakteristischer Kommissionierbetrieb Simulation Teststand Auslegung Stack und Batterie: Auslegungsparameter: Durchschnittsleistung Fahrzyklus Anfahr- und Bremspeaks benötigte Batteriekapazität Verifikation Hybridisierungsteststand: Nachbildung Gesamtsystem Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 15

17 Auslegung DMFC Stack 200 W 800 W 130 W 170 W P BZ = P Motor, Durchschnitt + PESP, Verluste + PPeripherie + P DCDC, Verluste 1300 W benötigte Stackleistung Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 16

18 Auslegung des Energiespeichers -Kriterien Konstantfahrt Dauer 10 min Kein Kommissionierbetrieb, d.h. P Fahr =2,4 kw (=max. Fahrleistung) Fahrleistung und Versorgung Peripherie aus Gesamtsystem, d.h. Stack und Batterie Aufheizen DMFC Dauer 20 min P Stack =0 W während der Aufheizphase Fahrleistung und Versorgung Peripherie aus Batterie Defekt DMFC Dauer 1,5 min Fahrleistung und Versorgung Peripherie aus Batterie Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 17

19 Auslegung des Energiespeichers - Batteriekapazität Kriterium Konstantfahrt: Leistung aus Batterie: P Batterie = P Fahr + P Peripherie - η Batterie η DCDC P Stack nutzbare Batteriekapazität = f(p Stack ) Kriterien: Aufheizen DMFC & Defekt DMFC Leistung aus Batterie: P Batterie = P Fahr + P Peripherie 2 Fälle für P Fahr : Fall 1: P Fahr = 800 W Fall 2: P Fahr = 2,4 kw Nutzbare Batteriekapazität: Fall 1 Fall 2 Konstantfahrt Aufheizen Defekt Maximum 13 Ah 1 Ah 13 Ah 11 Ah 24 Ah 3 Ah 24 Ah Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 18

20 Spezifikation des Energiespeichers Spannung: 24V ± 30 % Entladestrom: Konstant: 100 A (=Konstantfahrt) Peak 1: 350 A (6s) (=Anfahrpeak) Peak 2: 600 A (100ms) (=Hebepeak) Ladestrom: Konstant: 70 A (=Laden durch Brennstoffzelle) Peak: 270 A (3s) (=Bremsen + Laden durch Brennstoffzelle) Kapazität: 1300 Wh (davon 50 % nutzbar) Temperatureinsatzbereich: 0 C bis 60 C Bauraum: max. 20 Liter Energiedichte: Leistungsdichte: System: BMS Kühlung 65 Wh/l 350 W/l Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 19

21 Spezifikation des Energiespeichers - Übersicht Lithiumbatterien Lithiumbatterie A Lithiumbatterie B Spezifikation Zelle Kapazität 45 Ah HP* 40 Ah HE* Ah (Rundzellen) (Flachzellen) Laden Konstant 90 A (2C) 80 A (2C) 70 A Laden Puls 270 A (6C) 160 A (4C) 270 A Entladen Konstant 270 A (6C) 80 A (2C) 100 A Entladen Puls 1300 A (29C) 200 A (5C) 350 A System Verschaltung 7s 7s2p --- BMS Ja Ja --- Kühlung Luftkühlung Keine Kühlung --- HP* = High Power Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) HE* = High Energy 20

22 Charakterisierung der Batterien - Übersicht Batterietests Untersuchte Batterien: Bleibatterie, Lithiumbatterie A, Lithiumbatterie B Testzyklen: realistischer und angenäherter Fahrzyklus Test Kapazitätstest Spannungsgrenzentest Leerfahrversuch Thermisches Verhalten Vorgehen Entladung der Batterien mit verschiedenen Strömen Batterie im vollgeladenen Zustand mit angenähertem Fahrzyklus beaufschlagen Batterie von SOC max bis SOC min mit Fahrzyklus leer fahren Batterie im Hybridsystem Ziel Energieinhalt Stromabhängigkeit SOC* max SOC min entnehmbare Energie Fahrtdauer Temperaturverlauf Kühlungseigenschaften Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) SOC* = State of Charge 21

23 Charakterisierung der Batterien - Ergebnisse Batterietests Bleibatterie 50 Ah Lithiumbatterie A Lithiumbatterie B Kapazitätstest 380 1C 950 1C C Stromabhängig Stromunabhängig Stromunabhängig Spannungsgrenzentest SOC max =53,4 % SOC max =58,3 % SOC max =68,3 % 21,7 Ah nutzbar 21,7 Ah nutzbar 46,7 Ah nutzbar Leerfahrversuch 270 Wh 530 Wh 1240 Wh 0,34 h 0,66 h 1,54 h zu gering ausreichend mehr als ausreichend Thermisches Verhalten ohne Kühlung 60 C nach 2,5 h mit Kühlung 42 C nach 2,5 h Temperatur zwischen 30 C und 35 C gute Kühlung ohne Kühlung 50 C nach 1 h Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 22

24 Zusammenfassung Batterietests Erkenntnisse: Batterien müssen in einem Teilladezustand betrieben werden Kühlung absolut notwendig Entnehmbare Kapazität bei Blei sehr stark vom Strom abhängig, nicht bei Lithium Alterungsuntersuchungen: starke Alterung der Bleibatterie Grenze für EOL*: 80 % SOH*; erreicht nach 1400 Nennkapazitätsdurchsetzen; entsprechen etwa 1800 Betriebsstunden (Alterungsuntersuchen der Lithiumbatterien laufen noch) Bewertungsmatrix: Kapazitätstest Spannungsgrenzentest Leerfahrversuch Thermisches Verhalten Bleibatterie Ergebnis: im Moment: Lithiumbatterie A Lithiumbatterie B ist eine Alternative bei optimierter Kühlung Lithiumbatterie A Lithiumbatterie B o + o + o EOL* = End of Life Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) SOH* = State of Health 23

25 DMFC Hybridsystem DMFC V h Langzeittest, DMFC V : Betriebsstunden Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 24

26 Zusammenfassung Machbarkeitsstudie DMFC Hybridsystem ist in der Größe eines 560 Ah-Batterietroges zu realisieren Es ist möglich, mit dem DMFC-System die Zielkosten zu erreichen Für einen wirtschaftlichen Einsatz ist insbesondere noch F&E in Hinsicht auf Dauerhaltbarkeit des Stacks sowie die Gesamtentwicklung/Hybridisierung des DMFC-Energiesystems durchzuführen Systemauslegung Die Stackauslegung wird durch die durchschnittliche Fahrleistung vorgegeben Für die Hybridisierung kommen z. Zt. nur Li-Batterien als Energiespeicher in Betracht Die Entwicklung wird im Rahmen eines Verbundvorhabens durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) finanziert (Förderkennzeichen A und B) Institut für Energieforschung Brennstoffzellen (IEF-3) 25