Batterien und Brennstoffzellen für die Elektromobilität

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1 Frühjahrstagung Arbeitskreis Energie (AKE) der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) , Bad Honnef Batterien und Brennstoffzellen für die Elektromobilität Prof. Dr. Werner Tillmetz Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg

2 Was erwartet Sie? Kurzporträt ZSW Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien für die Elektromobilität Brennstoffzellen für die Elektromobilität Fazit - 2 -

3 ZSW Neue Energie Technologien Industrienahe Forschung & Entwicklung Photovoltaik Dünnschicht-Technologie, Solar Test Feld Regenerative Kraftstoffe Systemanalyse & Politikberatung Brennstoffzellen Technologie, Systeme, Test Zentrum Batterien & Superkondensatoren Materialien, Systeme, Qualifikation Stuttgart Widderstall Ulm - 3 -

4 Was erwartet Sie? Kurzporträt ZSW Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien für die Elektromobilität Brennstoffzellen für die Elektromobilität Fazit - 4 -

5 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 - 5 -

6 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 - 6 -

7 Treiber: Emissionen Quelle: Toyota - 7 -

8 Treiber: Emissionen Euro 6 für NOx Emissionen und EU Richtlinie für CO 2 Quelle: Toyota - 8 -

9 Treiber: Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade: Verbrennungsmotor: % Brennstoffzellen-Elektroantrieb: % Batterie-Elektroantrieb: % - 9 -

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

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

12 Was erwartet Sie? Kurzporträt ZSW Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien für die Elektromobilität Brennstoffzellen für die Elektromobilität Fazit

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

14 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

15 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

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

17 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

18 Was erwartet Sie? Kurzporträt ZSW Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien für die Elektromobilität Brennstoffzellen für die Elektromobilität Fazit

19 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

20 Vielzahl neuer Materialkombinationen für Lithium-Ionen-Batterien 5 5 LiCoO 2 Elektrolyt Spannung gegen Li-Metall / V LiMn 2 O 4 LiNiO LiNiO 2 2 LiFePO 4 PTMA MnO 2 Li x V 3 O 8 Li 4 Ti 5 O 12 Kohle amorph V Systeme Positive 3-V Systeme 0 Li-Metall Graphit LiSi 0 Negative

21 Kathodenmaterialien: Strukturen Schichtstrukturen LiCoO 2, Li(Ni,Co)O 2, LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 Spinellstruktur LiMn 2 O 4, LiMn 1.5 Me 0.5 O 4 Olivinstruktur LiFePO 4, LiMePO 4 Unterschiede in der Ionenleitung und Stabilität des Gitters im delithiierten Zustand

22 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 Energiedichte Quelle: Toyota

24 Was erwartet Sie? Kurzporträt ZSW Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien für die Elektromobilität Brennstoffzellen für die Elektromobilität Fazit

25 Brennstoffzellen: Energiewandler Brennstoffzellen wandeln Brenngase (Wasserstoff) und Luft-Sauerstoff hoch effizient und emissionsfrei 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

26 Brennstoffzellen Technologie Membran Katalysator Charkterisierung, Modellierung und Optimierung von Komponenten 75 H 2 O 140 CCM GDL

27 Wasserhaushalt in Brennstoffzellen Visualisierung über Neutronen-Adsorption Comparison of the relative cross-sections of various elements for X-rays and for neutrons. (Bellows et. al., JES 146 (1999) 1099)

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

29 Pkw mit Brennstoffzellen-Antrieb Ressourcenschonende, emissionsfreie Mobilität Viele hundert Fahrzeuge im Alltagsbetrieb Konsequenter Ausbau der heutigen Flotten in Schlüsselregionen zu wettbewerbsfähigen Produkten Zielorientierte F&E zur Reduzierung der Kosten und Erhöhung der Zuverlässigkeit Aufbau einer wettbewerbsfähigen Zulieferindustrie

30 Busse und Transporter Emissionsfreier Nahverkehr Emissionsfreie Innenstädte Mehr als 50 Fahrzeuge in Flottenerprobung im Alltagsbetrieb Ausbau der heutigen Flotten und Aufbau der Infrastruktur inkl. Service, Ausbildung Begleitende F&E um Lebensdauer- und Kostenziele zu erreichen

31 Was erwartet Sie? Kurzporträt ZSW Herausforderungen Erneuerbare Energien und Mobilität Batterien für die Elektromobilität Brennstoffzellen für die Elektromobilität Fazit

32 Schlüsseltechnologien künftiger Mobilität Fossiles Zeitalter neigt sich dem Ende zu Elektromobilität: Schlüssel für eine nachhaltige Mobilität Erneuerbare Energien können den Energiebedarf künftiger Mobilität decken Elektroantriebe haben einen hohen Wirkungsgrad und sind emissionsfrei Der Strom für den Elektromotor kommt aus modernen Batterien oder der Brennstoffzelle Bildquelle: Daimler Fazit: Konsequentes und ganzheitliches Handeln aller Akteure ist Schlüssel zum Erfolg