B-Klasse F-CELL Umsetzung des BlueZero-Konzepts in Serienfertigung Arwed Niestroj, GR/AFF

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1 B-Klasse F-CELL Umsetzung des BlueZero-Konzepts in Serienfertigung Arwed Niestroj, GR/AFF Leiter Versuch und Flottenbetrieb Brennstoffzelle

2 Globale Trends Begrenzte Ressourcen Steigende Mobilität Regularien, CO2, Verbrauch, Sicherheit Megacities Top 5 Residents Ranking $/Barrel /2010: ~$75 04/2009: ~$50? 2050 London 6,5 Tokio 35,0 New York 5,5 Mexico City 18,7 Tokio 5,2 New York 18,3 Paris 4,0 Sao Paulo 17,9 Berlin 2,4 Bombay 17,4 Quelle: Bronger (1996) Tokio 36,2 Bombay 22,6 Delhi 20,9 Mexico City 20,6 Sao Paulo 20,0 City-Maut London Daily Fee: 8 2

3 Entwicklung der Fahreigenschaften und Emissionen 700% 600% Einführung Dreiwege-Katalysator Basis-Szenario Fahrleistungen 500% 400% CO 2 300% HC 200% 100% CO NO x PM Straßenverkehr Deutschland 0% Emissions-Gesetzgebung PC EURO1 EURO2 EURO3 EURO4 Emissions-Gesetzgebung CV EUO EU1 EURO2 EURO3 EURO4 EURO5 Durch zahlreiche technische Verbesserungen konnte eine signifikante Reduktion der Umweltbelastung erreicht werden, während die Fahreigenschaften verbessert wurden. Quelle: Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH - TREMOD 3

4 Compared to 1990, Mercedes-Benz portfolio has reduced CO 2 emissions by 30%. Achievements Gasoline Fuel Consumption Emissions 220 hp 231 hp -55% -25%* -70% -81% 300 E-24 (1992) E 320 (2006) CO 2 CO HC NOx Diesel 190 D 2.5 (1993) Fuel Consumption -28%* Emissions -93% C 220 CDI (2007) -98% 90 hp CO 2 CO PM 170 hp 4

5 Roadmap für nachhaltige Mobilität Optimierung unserer Fahrzeuge mit modernsten Verbrennungsmotoren Weitere Effizienzsteigerung durch Hybridisierung Emissionsfreies Fahren mit Range Extender, Brennstoffzellenund Batteriefahrzeugen CGI BlueTEC DIESOTTO Plug-In HYBRID Battery-/E-Drive Range Extender Brennstoffzelle Saubere Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren Energiequellen für die Mobilität der Zukunft H 2 Emissionsfreies Fahren 5

6 Faktoren für die Entstehung von CO2 in einem PKW 10% Gewicht 8% Andere: 46% Motor 29% physikalsche Effizienz (nicht optimierbar) 17% Reibung / Verbrennungsprozess etc. (optimierbar) Klimatisierung, Elektronik, Lenkung 11% Luftwiderstand 13% Getriebe 12% Rollwiderstand Daten für Mittelklasse-Segment (3-Liter Benzin-Motor RWD NEFZ) 6

7 Kontinuierliche Verbesserung der Verbrennungsmotoren: Potentiale der Diesel- und Benzin-Motoren Dieselmotor Eigenschaften Benzinmotor Eigenschaften + Verbrauch + Emissionen - Emissionen - Verbrauch Schlüsseltechnologien: - Einspritzungssystem - Verbrennungsprozess - Homogenisierung - Turbolader - Abgasnachbehandlung Schlüsseltechnologien: - Direkteinspritzung - Aufladung - Reibungsreduzierung - Motorkühlungs-Management Ziel - Benziner so effizient wie Diesel-Motoren - Diesel so sauber wie Benzin-Motoren 7

8 Zukünftige Mobilität durch Elektrifizierung des Antriebstrangs Verbrennungsmotor (Benzin/Diesel) Hybride Elektrisches Fahren emissionsfrei Grad der Elektrifizierung Stop/ Start (RSG) Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid (parallel) Plug-In Hybrid (serial/ Range Ext.) Brennstoffzelle Batterie 0% 100% S-Klasse Hybrid 8

9 Modulare Hybrid Technologien Powertrain- Integration Energiespeicherung Hochleistungselektronik Hybrid Getriebe Vereinigung von Fachwissen und Ressourcen Steigerung der Effizienz durch Hybridisierung S 400 HYBRID mit Lithium-Ion Batterie ML 450 HYBRID Two Mode Citaro G BlueTec Hybrid Stadtbus Hybrid LKW 9

10 Das Potential der Hybridisierung Mobilitäts-Szenario Hybrid Fahrzeuge: Größten Vorteile im Überland- & Stadtverkehr S 400 HYBRID ML 450 HYBRID Vorteile Komfortable Start-Stop Technologie Bessere Fahrleistungen Rekuperation der Bremsenergie Besseres Energiemanagement Verbesserte Kraftstoffeffizienz 10

11 Optimales Mobilitätsszenario Bedarf eines innovativen Antriebsportfolios Mobilitätsszenarien Anforderungen an die Mobilität von morgen Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr Verbrennungsmotor Hybridisierung 11

12 Globales Kompetenznetzwerk: Brennstoffzellen- und Batterie-Elektrofahrzeuge Vehicle Dev. & Production (Sindelfingen / Rastatt / Hambach) Li-Tec (Kamenz) HV-Battery-Cells AFCC Automotive Fuel Cell Cooperation (Vancouver) NuCellSys (Nabern) GR/AF Fuel Cell & Battery Drive Development (Nabern) Deutsche Accumotive (Nabern, Kamenz) F-Cell Stack F-Cell System FC- & BEV-Drive Train HV-Battery + global supplier network FCV PHEV BEV HV Fuel Cell Vehicle Plug-In Hybrid Vehicle Battery Electric Vehicle High Voltage /

13 Anteilseignerstruktur LiTec und Deutsche Accumotive Li-Tec Batteriezellen 49,9% 1 50,1% Belieferung/Einbringung: Elektroden, Separatoren Deutsche Accumotive Batteriesysteme 2 90% 10% Deutsche Accumotive Kooperation mit Tier1 bei E/E /

14 Entwicklungsprozess Brennstoffzelle Stack System Antriebssystem Fahrzeug Spezifikation Spezifikation Spezifikation alt: AFCC NuCellSys Daimler 50/50 DAI/Ford Ford Daimler Ford neu: AFCC 50,1/30/19,9 DAI /F/ BPS NuCellSys 100% DAI Daimler Daimler /

15 Herausforderungen der Batterie-Technologie Technologie Kosten Infrastruktur Leistungsdichte Energiedichte Lebensdauer Schnellladefähigkeit Leistung bei Niedrigtemperaturen Materialien Electric Drive Leistungselektronik Infrastruktur Kühlung Zuverlässige Technologie Herstellung zu konkurrenzfähigen Preisen Verfügbarkeit Errichtung einer flächendeckenden Infrastruktur 15

16 Daimlers Batteriefahrzeug-Historie BR 308E ? BR 451 ev 1972 LE BR 307E MB 410E W123 + MB W168 A-Klasse 1993 Vision A W ff Transporter 308E + V108E 1993 W202 16

17 Die Entwicklung des smart ev zum Serienfahrzeug smart ev Phase 1 smart ev Phase 2 smart ev Phase 3 Phase 1 Stückzahl: 100 Zeitraum: Verwendung: Einsatz als Pool-Fahrzeuge für ausgewählte Unternehmen Einsatzgebiet: Großraum London Phase 2 Metropolenkonzept Stückzahl: ca Zeitraum: Verwendung: Fahrzeuge für ausgewählte Kunden Einsatzgebiet: Ballungszentren in Europa und den USA Phase 3 Serienproduktion Stückzahl: xx.000 jährlich; xx.000 Insgesamt Zeitraum: Verwendung: Serienfahrzeuge für Firmen- und Privatkunden Einsatzgebiet: Europa und Nordamerika 17

18 Flotteneinsatz des smart ev in London Die Daimler AG startete 2007 ein Projekt mit 100 batterieelektrischen smart electric drive in London. Die Autos sind bei einer Vielzahl von Kunden im Einsatz. Key Facts Die Fahrzeug-Flotte basiert auf dem ersten smart fortwo-modell Fahrzeuge werden in Kooperation mit Mercedes-Benz UK an Kunden verleast (4 Jahre Laufzeit) Die smart ed Fahrzeuge sind von der London City Maut befreit! Sehr positives Feedback der Kunden the car is fabulous couldn t be better! (smart electric drive Kunde in London) Fahrzeugdaten smart ed I Dauerleistung: Max. Geschwindigkeit: Beschleunigung: Reichweite: 30 kw / 41 PS 100 km/h 11,5 s (0-100 km/h) ca. 100 km Quelle: Daimler 18

19 Die nächste Generation des smart for two electric drive Technische Daten Fahrzeugtyp Antrieb Verbrauch Reichweite Höchstgeschw. Beschleunigung Batterie smart fortwo (BR451) Permanenterregter Synchron- Elektromotor Leistung (Continuous / Peak): 35 kw / 50 kw Max. Drehmoment: 130 Nm ~ 13 kwh / 100km 150 km (100 miles) 125 km/h (78 mph) 11,5 s (0-100 km/h) Flüssiggekühlte Li-Ionen-Batterie, Leistung (Continuous / Peak): 35 kw / 55 kw; Kapazität: 17.6 kwh 19

20 Aufbau einer Ladeinfrastruktur für Batteriefahrzeuge Investitionen [Mrd. ] Annahmen: Ladestationen 1, Ladestationen davon und öffentlich privat Anzahl Fahrzeuge An öffentlichen Ladestationen Aufladung von zwei Batteriefahrzeugen gleichzeitig möglich. Kurzfristig werden Fahrzeuge hauptsächlich zuhause und/oder am Arbeitsplatz geladen. Für Kunden ohne eigenen Stellplatz (ca. 40 %) müssen mittelfristig Ladestationen im öffentlichen Parkraum geschaffen werden. Private Stellplätze und Parkplätze am Arbeitsplatz können kostengünstig mit Lademöglichkeiten ausgestattet werden Ladeinfrastruktur an der Strasse nur durch staatliche Lenkungsmaßnahmen darstellbar Spezifische Ladeinfrastrukturkosten pro Fahrzeug steigen mit zunehmendem Grad der Abdeckung (privat & öffentlich) Die Kosten für eine Ladeinfrastruktur steigen proportional zum Fahrzeugabsatz 20

21 Strom-Mix in Deutschland bis 2020 Projektion der Entwicklung des Strom-Mix in Deutschland bis 2020: in 10 Jahren Verringerung der Kernkraft von 21% auf 5% (energieintensiv aber wenige Emissionen) Der Anteil der Kohle steigt leicht (aber Verbesserung der Prozesse und Steigerung der Wirkungsgrade) Der Anteil des durch Erdgas erzeugten Stroms steigt (GuD). Steigerung der erneuerbaren Energien (insbesondere Wind, Wasser bleibt konstant) 35% Anteil an der Energieerzeugung in Deutschland 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% - 16% -2% + 4% Kernenergie Steinkohle Braunkohle Erdgas Wasser Wind Andere Erneuerbare + 8% + 1% + 4% + 1% Der Rückgang der Kernenergie kann durch den Ausbau der regenerativen Energien nicht aufgefangen werden Quelle: BMWi / Energiewirtschaftliche Referenzprognose Energiereport IV EWI/Prognos 21

22 Well-to-Wheel" Analysis : CO2-Emissions of Different Vehicle Powertrains Diesel ICE with bio mass (2nd generation), Fuel Cell vehicles with Hydrogen and Battery vehicles based on renewable electricity have the highest potential for CO 2 -emission reductions Gasoline ICE Hybrid (gasoline ICE) Diesel ICE Hybrid (Diesel ICE) Natural-gas ICE (CNG) Hydrogen ICE (CGH 2 out of CNG) Diesel ICE (BTL) Battery electric vehicle (EU-mix) Battery electric vehicle (Bio mass) Battery electric vehicle (Wind power) Fuel Cell (H 2 from CNG) Fuel Cell (H 2 from bio mass) Fuel Cell (H 2 from wind power) % % % % 17-91% 87-56% 8-96% -100% % 14-93% 9-95% 186-5% Source: European Database EUCAR/CONCAWE/JRC, Reference: Compact sedan, NEDC (New European Drive Cycle) GHG emissions [g CO2 eq/km] 22

23 Ladezeiten von HV-Batterien Aufladestation Leistung Ladedauer für 100 km (20 kwh) 200 km (40 kwh) Batt.-Aufheizung (bei 10% Verlust) Bemerkung Home normal Home normal 3 kw (220 V) 7 kw (220 V) 7 Std. 14 Std. 0,3 kw 4 Std. 8 Std. 0,7 kw Standard (heute möglich) Home maximal 22 kw (400 V) 1 Std. 2 Std. 2,2 kw Forschung (Kühlung und Lebensdauer Batterie) Schnell- Ladestation 1,3 MW (400 V) 1 Min. 2 Min. 130 kw schwer realisierbar Ladedauer von ein bis zwei Stunden für 100 km Reichweite könnte in Zukunft machbar sein Quelle: Daimler 23

24 Optimales Mobilitätsszenario Bedarf eines innovativen Antriebsportfolios Mobilitätsszenarien Anforderungen an die Mobilität von morgen Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr Verbrennungsmotor Hybridisierung Elektroantrieb 24

25 Energie Bilanz Well-to-Wheel Klassifizierung Treibhausgasemissionen [g CO 2 eq/km] Brennstoffzelle: hohe Reichweite (>400km), kurze Betankungszeit (3 min), Anwendbar für verschiedene Fahrzeugtypen Batterie: idealer Einsatz in Kleinwagen für den Stadtverkehr ( km), Aufladung über Nacht 200 Verbrennungsmotoren Batteriefahrzeuge haben eine geringe Reichweite und lange Ladezeit Batteriefahrzeug (Betrieb mit Strom aus 100% erneuerbaren Energiequellen) Plug-In Hybrid mit BZ (Betrieb mit Strom aus 100% erneuerbaren Energiequellen) BZ-Fahrzeug (Betrieb zu 100% mit H2 aus fossilen Quellen) Batteriefahrzeug (Betrieb mit Strom aus 100% EU-Mix) Technologiewechsel Hybrid (Diesel) Hybrid (Benzin) 190 Diesel Benzin BZ-Fahrzeug (Betrieb zu 100% aus erneuerbar gewonnenem H2) Quelle: EUCAR/CONCAWE "Well-to-Wheel Report 2004"; Optiresource, 2006 Referenzklasse: VW Golf Transformationskosten der Technologien Quellen: EUCAR/CONCAWE "Well-to-Wheels Report 2004"; Optiresource, 2006 Referenzklasse: VW Golf Energieverbrauch Well-to-Wheel [MJ/100km] *GHG: Green House Gas Zur Erreichung umweltpolitischer Ziele im Verkehrsbereich muss ein generelles Umdenken erfolgen 25

26 Herausforderungen der Brennstoffzellen-Technologie Technologie Kosten Infrastruktur Leistungsdichte Kühlsystem H2-Speicherung Lebensdauer Kaltstartfähigkeit Brennstoffzellen-System & -Stack Elektromotor H2-Tanksystem Infrastruktur Wasserstoff-Kosten Zuverlässige Technologie Herstellung zu konkurrenzfähigen Preisen Verfügbarkeit Errichtung einer flächendeckenden Infrastruktur 26

27 Experience with Daimler Fuel Cell Vehicles More than 4.4 million kilometers - driven by customers 60 F-Cell vehicles in customers hands (since 2004) 37 Buses (Citaro) Europe, Australia, China 3 Light Duty vehicles at UPS Europe, USA ~ km* ~ km* ~ km* Daimler is pioneer of Fuel Cell Vehicle (FCV) *Data End of Mar 2010 Daily operation of more than 100 FCV s all over the world Long experience with FCV s (first FCV in 1994) Big variety of FCV s: Passenger cars, buses, vans Operation of FCV s at customers in different climate zones with varying ambient temperatures 27

28 Daimlers Brennstoffzellen-Aktivitäten Bus PKW Haupteinsatzfeld Sprinter Generation 1 Technologiedemonstration 2004 Generation 1 Technologiedemonstration F-CELL Generation 1 Technologiedemonstration Generation 2 Kundenakzeptanz 2009 Generation 2 Kundenakzeptanz B-Klasse F-CELL Generation 2 Kundenakzeptanz Zukünftige Generationen 2012 Generation 3 Kostenreduzierung I Zukünftige Generationen 2015 Generation 4 Markteinführung Kostenreduzierung II 2020 Generation 5 Massenproduktion Daimler ist engagiert Brennstofffahrzeuge zu kommerzialisieren 28

29 Daimler B-Klasse F-CELL Die nächste Generation der Brennstoffzellenfahrzeuge A-Klasse F-CELL B-Klasse F-CELL Größe (BZ-System) - 40% Leistung +30% Verbrauch -16% Reichweite +150% B-Klasse F-CELL Höhere Lebensdauer BZ-Stack >2000h Verbesserte Leistung (65kW 100kW) Höhere Zuverlässigkeit Höhere Reichweite (160km 400km) [l] [kw] [l/100km] [km] Verbesserte Kaltstartfähigkeit Lithium-Ionen Batterie 29

30 Signifikante Kostenreduzierung in der Brennstoffzellen- Technologie Kosten pro Antriebsstrang Etablierung einer wettbewerbsfähigen Zulieferlandschaft Technologiefortschritt Zunahme Produktionsvolumen Heute Ziel Markteinführung Zukünftiger ICE Antriebsstrang Eine Reduzierung der Gesamtkosten um zwei Größenordnungen ist notwendig, um konkurrenzfähig zu werden. 30

31 Aufbau einer H2-Infrastruktur in Deutschland Die Demo-Infrastruktur ist nicht ausreichend für die geplante Kommerzialisierung von Brennstoffzellenfahrzeugen Für eine volle Kundenakzeptanz ist ein flächendeckendes und ausreichendes Tankstellen-Netz notwendig Eine detaillierte betriebswirtschaftliche Analyse des Aufbaus einer H2-Infrastruktur in Deutschland wurde erarbeitet Groß 150 TS Mittel Klein 500 TS 1000 TS Aufbau H 2 -Infrastruktur Machbarkeitsstudie: H2-Infrastruktur Investitionen [ ] Ergebnis Flächendeckender Aufbau einer H2-Infrastruktur in den nächsten ca. 10 Jahren (1.000 Tankstellen in Deutschland) Für den Aufbau sind Investitionen von weniger als 2 Milliarden notwendig Startinvest für eine Minimalinfrastruktur Anzahl an Fahrzeugen H 2 -Infrastruktur benötigt Anfangsinvestitionen Aktivitäten Bestimmung von Möglichkeiten den Business Case positiver zu gestalten, z.b. Subventionen für H2 und / oder H2-Tankstellen Durchführung einer Analyse, um die Anforderungen für den Aufbau von Tankstellen zu bestimmen Übertragung des Business Case auf andere Märkte 31

32 Initiative H 2 Mobility for Germany as lead market in Europe All relevant OEMs (engaged in Fuel Cell technology) signed the LoU: a few hundred thousand ( ) units over life cycle on a worldwide basis The infrastructure partner pursue a step by step approach to build-up an area-wide H 2 infrastructure 32

33 Optimales Mobilitätsszenario Bedarf eines innovativen Antriebsportfolios Mobilitätsszenarien Anforderungen an die Mobilität von morgen Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr Verbrennungsmotor Hybridisierung Plug-In/Range Extender Elektroantrieb Brennstoffzellenantrieb 33

34 E-Drive-Portfolio Potentiale und Grenzen Jede Technologie hat bestimmte Vorteile und sollte dort eingesetzt werden, wo sie ihre Stärken optimal einbringen kann Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr Verbrennungsmotor Hybridisierung Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle Plug-In/Range Extender Elektrofahrzeug mit Batterie Prinzipielle Einsetzbarkeit von Elektroantrieben in verschiedenen Fahrzeugklassen Micro- Kompakt Kompakt- Klasse Mittel- Klasse Luxus- & Familien-Fzge City-Bus Überland- Bus Kleinlaster Mittlerer LKW Schwerer LKW Elektrofahrzeug mit BZ Elektrofahrzeug mit Bat. SOFC* SOFC* Möglich - ohne Einschränkungen Möglich aber mit Einschränkungen Prinzipiell nicht möglich Noch nicht aus heutiger Sicht möglich * Solid Oxide Fuel Cell = Festoxid-Brennstoffzelle noch nicht Emissionsfrei! Basierend auf heutigen Erkenntnissen Fahrzeuganforderungen Fahrzeugarchitektur Reichweite Packaging 34

35 Voraussetzungen für Nachhaltige Mobilität Primärenergie aus erneuerbaren Energiequellen Flächendeckende Wasserstoff- und Ladeinfrastruktur Weltweite Angleichung von Regularien & Gesetzgebung für Fahrzeuge Finanzielle Anreize für Kunden und Hersteller 35