Wir schaffen Wissen heute für morgen

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1 Wir schaffen Wissen heute für morgen PSI, November 23, 2012 Paul Scherrer Institut Philipp Dietrich Wasserstoffmobilität Brückenfunktion zwischen Elektrizitätsnetz und lokal emissionslosem Verkehr Mittwoch, den 21. November 2012, 3. Novatlantis Mobilitätsforum, Basel

2 Agenda Fahrzeugentwicklungen Wasserstoff als Treibstoff Brückenfunktion Seite 2

3 Leistungsbedarf für Beschleunigung und Konstantfahrt Leistung / kw ! 10 s 15 s 20 s 160 km/h 140 km/h 120 km/h Beschleunigung Von km/h Maximalgeschwindigkeit Fahrzeuggewicht / kg Leichtbau kann helfen den dynamischen Leistungsbedarf < 2 x Dauerleistung zu halten Seite 3

4 CO 2 -Emissionslimiten für neue Personenwagen Von 161 g/km (2010) zu 130 g/km (2015) zu 95 g/km (2020) Hybridfahrzeuge Rekuperation kann die Massenabhängigkeit reduzieren Seite 4

5 Grössere Fahrzeuge fahren weiter Europäische Flotte EU27 Schweizer Neuwagen 2010 Fz-Verkäufe bis % 48% 18% Gewichtsklassen über 1800 Autos mit kleinen Laufleistungen (33%) emittieren nur 15% CO 2 Mittlere und grössere Autos (53%) emittieren 70% des CO 2 Fokus auf diese zwei Klassen PSI, 14. Mai 2012 Quelle: EFC-Hydrogen JU, NOW 2010 Auto Schweiz 2010 Seite 5

6 Sekundäre Vorteile der Elektrotraktion Partikelemission durch Personenwagen Emission durch Motorenbetrieb nimmt ab. Reduktionspotential durch elektrisches Bremsen (Rekuperation) Quelle: Heck, PSI, 2011, im Rahmen von THELMA PSI, November 23, 2012 Seite 6

7 Funktion der Polymerelektrolyt Brennstoffzelle Anode: H 2 2 H e - Kathode: 1/2 O e - O H + O 2- H 2 O H 2 Wasserstoff O 2 Sauerstoff H 2 O Wasser H + Wasserstoff-Ion e - Elektron Energiewandler H 2 in Elektrizität Seite 7

8 Brennstoffzellenstapel (1) Bipolarplatten (2) Elektroden (3) Membran-Elektrolyt (4) Dichtung Einzelzelle (Wiederholeinheit) Modulare Leistungsanpassung möglich durch Zellanzahl Variation Seite 8

9 Brennstoffzellen Wirkungsgradpotenzial Wirkungsgrad (strombasiert auf H u [-]) Leistung [W] Wirkungsgrad eines BZ-Systems mit H 2 und reinem O 2 Zusammenarbeit: PSI-Michelin und PSI-Belenos Seite 9

10 Fahrzeugantriebskonzepte Verbrennungsmotor Hybrid Verbrennungsmotor Plug-in Hybrid Gen VM Tank Gen VM Tank Batterie EM Getriebe Batterie EM Getriebe Batterie-elektrisch Brennstoffzellen Hybrid Batterie EM Getriebe Brennstoffzelle EM Getriebe Batterie H 2 Luft H 2 oder O 2 PSI, 14. Mai 2012 Seite 10

11 Brennstoffzellen-Hybrid emissionsfrei auf Langstrecke Brennstoffzellen Hybrid Brennstoffzelle EM Getriebe Batterie H2 O2 Elektromotor wie ein batterieelektrisches Fahrzeug Brennstoffzelle für Dauerleistung (30 60 kw) Batterie mit 5 8 kwh für Spitzenleistung (50 kw) Eigenheiten EM - Keine Kupplung Heizung durch Abwärme möglich - Einfaches Getriebe Laden in 5 Min möglich - Ist leise - Überlastbar Reichweite km - Kleineres Volumen Bremsenergienutzung in Batterie - Reagiert schneller - Kann bremsen PSI, 14. Mai 2012 Quelle: Belenos, PSI Seite 11

12 Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit PSI-Technologien Belenos Clean Power l Benzin equ./100 gemittelt 70 km/h HyPower, H2/Luft BZ-Supercapantrieb Seite 12

13 Brennstoffzellenfahrzeuge auf der Strasse 2012 Quelle: Toyota u.a. Seite 13

14 Anschaffungskosten in Abhängigkeit der Reichweite Relative Kosten [-] 2.5 BEV Fcair FC O2 Plugin FC Peakpower kw power Batt kw Energy Batt kwh /8.9 Power FC kw batt mass kg Verbrauch kwh/100km Stromanteil Reichweite 150 km Batt LiCo2 150 Wh/kg 52.5 $/kg 350 $/kwh 900 W/kg LiFePO 100 Wh/kg 30 $/kg 300 $/kwh 900 W/kg FC air 2 kg/kw 150 $/kw cost 9600 $ 6000 O2 1.3 kg/kw 110 $/kw storage H2/air 520 $/100 km 700 bar 600 initialkosten DCDC H2/O2 370 $/100 km 350/300 bar 1100 Initialkosten 30 $/kw Reichweite [km] BEV(LiCo2) BEV(LiFePO) FC air FC Oxy Plugin air Seite 14

15 Antriebskonzepte für verschiedene Kundenbedürfnisse Leistungsbedarf Flüssige Kohlenwasserstoffe Brennstoffzelle Kastenwagen VM LkW Range Extender Langstreckenverkehr Stadtverkehr Batterie- EV Reichweite Seite 15

16 Kostenszenario Quelle: McKinsey, 2011 Seite 16

17 H 2 basiert auf vielen Quellen mit variablen CO 2 -Emissionen Seite 17

18 Primärenergieeinsatz vs. CO 2 -Emissionen Seite 18

19 Vom Chemiegrundstoff zum Treibstoff Seite 19

20 Vom Chemiegrundstoff zum Treibstoff in der CH Vorschlag für ein Initialnetzwerk von H 2 -Tankstellen,-)* (%!"#$$% &'()*")+#"%.()*"-/0*(% Seite 20

21 Lokale H 2 -Speicherung Seite 21

22 Belenos-Konzept mit dezentraler Speicherung! PV-Zellen auf dem Dach! PV Direktverbrauch im Haus! Transfer zu H 2 /O 2 (Elektrolyse)! Speicherung dezentral! H 2 /O 2 BZ für effizientes Fahren Brennstoffz elle ~30% Direktverbrauch H 2 O 2 H 2 O 2 Elektrolyse Netz Seite 22

23 Energiebedarf für 10 % der Fahrzeugflotte (tank to wheel) Heutige Flotte 4.2 Mio Personenwagen 10% entspricht Fahrzeugen (Neufahrzeuge 2011 ca Fahrzeuge) Energiebedarf im Tank Total 10% Elektrofahrzeuge ca. 1.0 TWh Elektrizität 10% 3L Fahrzeuge ca. 1.7 TWh Diesel Energieverbrauch [TWh] Diesel/ Benzin Benzin Diesel Diesel Elektrizität Wasserstoff 10% BZ-Fahrzeuge ca. 1.5 TWh H Annahme: Mittlere Fahrleistung km/fzjahr PW2011 Benzin2011 Diesel2011 Diesel_3Liter Elektrofahrzeug2011 BZ-Fahrzeug2011 Plug-in Hybride bilden eine variable Brücke zwischen dem autarken Benzinoder Dieselfahrzeug und dem reinen Elektrofahrzeug PSI, 14. Mai 2012 Seite 23

24 Stromleistung Endverbrauch in der Schweiz 2010 Elektrizitätsleistung (Endverbrauch) Januar 2010 Elektrizitätsleistung (Endverbrauch) Juli Leistung [GW] Leistung [GW] Tage Tage Mittlere Leistungsdifferenz Sommer Winter beträgt 1.8 GW Quelle: SwissGrid PSI, 14. Mai 2012 Seite 24

25 Batterie-elektrischen Fahrzeuge am effizientesten Batterie-elektrisch Batterie EM Getriebe Effizienteste Antriebsart (Tank to Wheel) Batterie mit kwh für Reichweiten bis ca. 160 km Heizung oder Klimaanlage benötigt Strom (Reichweitenreduktion) Normalladen dauert einige Stunden, Kurzladen bis 80% in 30 Min mit Schnell-Ladeanschluss möglich Lade-Optimierung ermöglicht Netzstabilisierung (Std) Aber Rückspeisung aus der Batterie kann Batterielebensdauer reduzieren Quelle: THELMA, ETHZ, PSI Seite 25

26 Saisonale Schwankung von Angebot und Nachfrage Stromausfuhr/Einfuhr ( ) Export Import Heute Sommer Exportsaldo 3.2 TWh Winter Importsaldo 5.1 TWh Transfer Sommer Winter - Ausland 3.2 TWh - Inland 7 TWh Simulation: PV-Jahres-Produktion (10 TWh) PV-Produktion [TWh/Monat] PSI, 14. Mai 2012 Durchschnitt Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Im Mittelland Monate Zukunft PV-Produktion verstärkt den Bedarf nach saisonaler Speicherung PV: Sommer zu Winter bei 10 TWh: TWh Verändertes Preisgefüge Quelle: Schweiz. Elektrizitätsstatistik2010; JRC Seite 26

27 Nutzung der Saisonspeicher für die Mobilität " Brennstoffzellenfahrzeuge ermöglichen lokal CO 2 -freien Langstreckenverkehr, Fahrzeuge sollten ab 2015/2016 in grösseren Stückzahlen am Markt verfügbar werden. " Mit einer limitierten Anzahl Tankstellen kann eine Initialversorgung ermöglicht werden. " Elektrofahrzeuge bieten Möglichkeit die Tagesnachfrage an Elektrizität zu glätten, belasten aber die Strombilanz im Winter. " H 2 kann als chemischen Speicher nachfragegesteuert genutzt werden für Mobilität, Stromerzeugung und Wärme. " Mit einem saisonalen Überschuss aus PV (1.8 TWh) könnten ca. 10% der PW Flotte mit Wasserstoff betrieben werden. " Jahresschwankungen des H 2 -Bedarfs können durch weitere Quellen gedeckt werden. " Option für die Nutzung des sommerlichen Spitzenangebotes. Im Winter Kompensation durch WKK PSI, 14. Mai 2012 Seite 27

28 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dank an A. Wokaun PSI, November 23, 2012 Seite 28