Batterien und Brennstoffzellen: Schlüsseltechnologien zukünftiger Mobilität

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1 Wissenschaft in der Stadtmitte Forschungshighlights 2009 Ulm, 25. Juli 2009 Batterien und Brennstoffzellen: Schlüsseltechnologien zukünftiger Mobilität 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 Was erwartet Sie? Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien Brennstoffzellen Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe? Das ZSW in Ulm -3-

4 Herausforderungen des 21. Jahrhunderts Dramatischen Umweltprobleme durch Klimawandel und Luftverschmutzung Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes Zunehmende geopolitische Abhängigkeiten Effizientere Nutzung fossiler und erneuerbare Energien Innovationen für einen nachhaltigen Wissenschaftsund Wirtschaftsstandort Deutschland Treiber für die Elektromobilität -4-

5 Treiber: Emissionen Euro 6 für NOx Emissionen und EU Richtlinie für CO 2 Quelle: Toyota -5-

6 Treiber: Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade Verbrennungsmotor: % Brennstoffzellen-Elektroantrieb: % Batterie-Elektroantrieb: % -6-

7 Treiber: Weltölproduktion year -7-

8 Treiber: Weltölproduktion Fördermaximum Bedarf? Angebot Quelle: Energy Watch Group

9 Ölproduktion von Ländern nach dem Peak Quelle: Energy Watch Group

10 Was erwartet Sie? Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien Brennstoffzellen Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe? Das ZSW in Ulm -10-

11 Potenzial Erneuerbarer Energien Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs -11-

12 Potenzial Erneuerbarer Energien Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs Aber: wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank? -12-

13 Technisches Potenzial verschiedener Biokraftstoffe in der EU PJ/a Bahn Binnenschifffahrt Zivilluftfahrt Es werden die Potenziale unterschiedlicher Alternativen gezeigt, die nicht addiert werden können Straßenverkehr Anbau (Gräser: t TS/ha/a) Anbau (Kurzumtrieb) Restholz, Reststroh über Biogas 5,75% Anteil an Biokraftstoffen 0 Bedarf (Transport) ) min max min max min max min max min max min max min max Biogas (Methan) Wasserstoff (CGH 2 ) Wasserstoff (LH 2 ) 1) Quelle: IEA-Statistik ) Brutto (ohne Energieaufwand für die Kraftstoffbereitstellung, z.b. der Einsatz externer Energie für die Ethanolanlage) BTL Pflanzenöl/ FAME2) Ethanol aus Weizen 2) Ethanol aus Lignozellulose Quelle: LBST -13-

14 Potenzial Erneuerbarer Energien Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs Aber: wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank? Strom aus Erneuerbaren Energien tanken..gibt es genügend? -14-

15 Strom für Batterie-Elektro-Fahrzeuge Technische Potenziale der Erzeugung aus erneuerbarem Strom in D -15-

16 Potenzial Erneuerbarer Energien Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs Aber: wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank? Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien tanken gibt es genügend? -16-

17 Wasserstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge Technische Potenziale der Erzeugung aus erneuerbarem Strom in der EU PV 2) Solarthermische Kraftwerke [PJ/yr] Bahn Binnenschifffahrt Zivilluftfahrt Straßenverkehr Meeresenergie Geothermie 2) Wind onshore 2) Wind offshore 2) Kraftstoffverbrauch min max min max 1) Quelle: IEA-Statistik (Transport 2002) 1) CGH Wasserkraft 2) LH 2 2 Quelle: LBST 2) noch ausbeutbar in der EU -17-

18 Potenzial Erneuerbarer Energien Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs Aber: wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank? Was macht Sinn? ein etwas anderer Vergleich -18-

19 Elektromobilität und Erneuerbare Energien Flächenbedarf für regenerative Kraftstoffe zum Betrieb eines Pkw mit km p.a. Fahrleistung 5000 m 2 für Biodiesel + Verbrennungsmotor 1000 m 2 für Wasserstoff aus Biomasse + Brennstoffzellenantrieb 500 m 2 für Wasserstoff aus Windenergie + Brennstoffzellenantrieb (Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich Nutzbar) 20 m 2 für PV-Strom + Batterie-E-Fahrzeug -19-

20 Potenzial Erneuerbarer Energien Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs Aber: wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank? Kann das alles so einfach realisiert werden? Schlüsseltechnologien Batterie und Brennstoffzelle -20-

21 Was erwartet Sie? Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien Brennstoffzellen Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe? Das ZSW in Ulm -21-

22 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 zur Optimierung e Elektronen Li + Bildquelle: Daimler Aufbau eines Batteriemoduls für einen Mild-Hybrid-Antrieb Li 1-x CoO 2 Li x C 6 Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Batterie -22-

23 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 -23-

24 Energiedichte im Vergleich Quelle: Toyota -24-

25 Energiedichte im Vergleich Quelle: General Motors -25-

26 Was erwartet Sie? Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien Brennstoffzellen Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe? Das ZSW in Ulm -26-

27 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 -27-

28 Brennstoffzellen-Fahrzeug Xcellsis HY-80 Leistungselektronik Brennstoffzelle (80 kw) Systemmodul Steuerelektronik Kühlmittelpumpe Bildquelle: Xcellsis GmbH -28-

29 Pkw mit Brennstoffzellen-Antrieb Ressourcenschonende, emissionsfreie Mobilität Viele hundert Fahrzeuge seit Jahren im Alltagsbetrieb Über Flotten zu wettbewerbsfähigen Produkten Reduzierung Kosten & Erhöhung der Zuverlässigkeit Aufbau einer wettbewerbsfähigen Zulieferindustrie -29-

30 Entwicklungsphasen Brennstoffzellen-Fahrzeug Industrie-Beispiel: Daimler Generation 1 Technologie-Demonstration Generation 2 Kundenakzeptanz Generation 3+4 Kostenreduzierung + Markteinführung Generation 5 Massenfertigung Hohe Effizienz Keine/ kaum Emissionen Leise Hoher Fahrkomfort Leistung, Bauraum & Gewicht Nutzung alternativen Kraftstoffs Neues Fahrzeug-Konzept Demonstration von Kundennutzen Lebensdauer Stack of 2000h Leistungssteigerung (65kW100kW) Höhere Verlässlichkeit Höhere Reichweite (160km400km) Kaltstart-Funktion Li-Ion Batterie Gesenkte Komponentenkosten Kleinerer/ kein Befeuchter Neue Kompressor-Generation Verbesserter Stack Optimiertes Luftmodul Vereinfachte H 2 -Zirkulation Verbesserte Betriebsstrategie Vereinfachtes Anoden-Modul Fahrzeug reif für den Massen- Markt Kleinerer Stack Mehr Leistung Mehr Drehmoment Höhere Kraftstoff-Effizienz Exzellenter Kaltstart

31 Emissionsfreier Nahverkehr Busse und Transporter 5 Jahre Erfahrung im Alltagsbetrieb Ausbau heutige Flotten und Aufbau der Infrastruktur inkl. Service, Ausbildung begleitende F&E um Lebensdauer- und Kostenziele zu erreichen -31-

32 Was erwartet Sie? Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien Brennstoffzellen Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe? Das ZSW in Ulm -32-

33 Batterie- oder Brennstoffzellen-Antriebe? auf die Anwendung kommt es an Quelle: General Motors -33-

34 Strategische Partnerschaften aus Politik, Industrie und Forschung für die Umsetzung erforderlich Leuchtturmprojekt Clean Energy Partnership II Einsatz von Brennstoffzellen & Wasserstoff im Straßenverkehr Quelle und weitere Infos:

35 Was erwartet Sie? Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien Brennstoffzellen Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe? Das ZSW in Ulm -35-

36 ZSW: 20 Jahre Batterie- und Brennstoffzellenforschung in enger Kooperation mit der Industrie Systemanalyse und Politikberatung Post Mortem Analysen, Alterungsmechanismen Grundlagenforschung Neue Materialien und Materialkombinationen vorhandene Expertisen am ZSW Erprobung im Feld, Rückkopplung an F&E Leistungs-, Lebensdauer-, Umwelt- und Sicherheitstests Neue Zellkonzepte & Fertigungstechnologien Systemtechnik, Modellierung & Simulation -36-

37 ZSW-Partner Batterie- und Komponentenhersteller SB LiMotive Co. Ltd. Toda Kogyo Europe GmbH OEM und Anwender -37-

38 Geplanter Ausbau der Ulmer Batterieforschung Batterie-Systemtechnik Fertigungstechnologien Sicherheits-Tests -38-

39 Es bewegt sich viel: Batterien & Brennstoffzellen aus Ulm Angewandte Forschung Aus- und Weiterbildung Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.v. Demonstration Forschung und Lehre Produktion -39-

40 Batterien und Brennstoffzellen Schlüsseltechnologien künftiger Mobilität Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Bildquelle: Daimler -40-