Entwicklungsstand und perspektiven von Batterien und Brennstoffzellen

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1 BzABW Treffpunkt Brennstoffzelle , Stuttgart Entwicklungsstand und perspektiven von Batterien und Brennstoffzellen Andreas Jossen, Harry Döring, Thomas Aigle, Peter Pioch, Ludwig Jörissen Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg

2 Übersicht Einführung Vergleichsparameter und Definitionen Funktionsprinzip elektrochemischer Speicher Batteriesysteme - Bleibatterien - Alkalische Systeme - Redox-Flow Batterien - Hochtemperaturbatterien - Lithium Systeme Brennstoffzellen Anwendungen im Verkehr Sonstige Anwenungen -1-

3 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Industrienahe Forschung & Entwicklung Photovoltaik Dünnschicht- Technologie, Solar Test Feld Regenerative Kraftstoffe Systemanalyse & Politikberatung Brennstoffzellen Technologie, Systeme, Test Zentrum Batterien & Superkondensatoren Materialien, Systeme, Qualifikation Solar Test Feld Widderstall Photovoltaik Stuttgart Elektrochemische Energietechnologien Ulm -2-

4 ZSW - Industrienahe Forschung & Entwicklung Photovoltaik Systemtechnik Brennstoffe und Systemtechnik -3- F&E- Themen Photovoltaik Materialforschung Energiewirtschaft Brennstoffzellen Energiespeicherung in Batterien

5 Technologien und Themenfelder am WBZU Erneuerbare und innovative Energietechnologien: Brennstoffzelle Wasserstoff Kraft-Wärme-Kopplung Erneuerbare Energien Themenfelder: Grundlagen Technik Anwendung Wirtschaft Sonderthemen Enge Verzahnung von Theorie und Praxis! -4-

6 Zielgruppen des WBZU Handwerk Multiplikatoren ( Train the Trainer ) Handwerkskammern, Fachverbände innovative Betriebe Industrie Energieversorger / Stadtwerke Hersteller (stationär, mobil, portabel) Industrie- und Handelskammern Forschung und Lehre/ Hochschulen Ausbildung von Studenten Fortbildung von Lehrkräften Schulen Fortbildung von Lehrern Unterricht für Schüler Entscheidungsträger Wirtschaft, Politik, Presse, Öffentlichkeit WBZU Folie 5

7 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-

8 Folgen des Treibhauseffekts? Gletscherrückgang im Ötztal / Österreich -7-

9 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 -8-

10 Treiber: Emissionen Euro 6 für NOx und EU Richtlinie für CO2 Quelle: Toyota -9-

11 Treiber: Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade (Tank to Wheel): Verbrennungsmotor: % Brennstoffzellen-Elektroantrieb: % Batterie-Elektroantrieb: % -10-

12 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 -11-

13 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 (Transport 2002) 1) CGH 2 Wasserkraft 2) Quelle: LBST min max min max 1) Quelle: IEA-Statistik ) noch ausbeutbar in der EU -12-

14 Strom für Batterie-Elektro-Fahrzeuge Technische Potenziale der Erzeugung aus erneuerbarem Strom in D -13-

15 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 -14-

16 Energiedichte Quelle: Toyota -15-

17 Elektromobilität (schnell und überschlagsmäßig gerechnet) Nehmen wir mal an: Ein effizientes, kleines Fahrzeug soll 8 kwh Antriebsenergie / 100 km verbrauchen (dürfen). Dies entspricht einem Speicherbedarf Batterie 10 kwh/100 km Wasserstoff 20 kwh/100 km Benzin 40 kwh/100 km Dies entspricht Batterie (120 Wh/kg) 83 kg/100 km Wasserstoff (10 wt %) 6,0 kg/100 km Benzin 3,3 kg/100 km Oder Platzbedarf Batterie (300 Wh/l) 33 l Wasserstoff (700 bar) 10.5 l Benzin 4.5 l ~ 95 g CO 2 /km Wasserstoff Masse einschließlich Tank, ohne BZ-System Nur Brennstoffvolumen ohne Tank und BZ- System Benzin Masse nur Kraftstoff Volumen nur Kraftstoff -16-

18 Theoretische spezifische Energie interessanter Systeme H 2 /O (33 kwh/kg) bei Verwendung des Luftsauerstoffs th. spezifische Energiein Wh/kg H 2 /O (3660 Wh/kg) bei Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff Li/S (2500 Wh/kg) Zn/O (1350 Wh/kg) Li/MnO 2 (100Wh/kg) Ni/H (434 Wh/kg) NiZn (372 Wh/kg) Li-Ion ( Wh/kg) NiMH (240 Wh/kg) Pb/PbO2 (161 Wh/kg) NiCd (211 Wh/kg) Zellspannung in V -17-

19 Theoretische spezifische Energie interessanter Systeme H 2 /O (33 kwh/kg) bei Verwendung des Luftsauerstoffs th. spezifische Energiein Wh/kg Ni/H (434 Wh/kg) NiCd (211 Wh/kg) H 2 /O (3660 Wh/kg) bei Speicherung von Wasserstoff und Sauerstoff Li/S (2500 Wh/kg) Zn/O (1350 Wh/kg) NiZn (372 Wh/kg) Pb/PbO2 (161 Wh/kg) Li/MnO 2 (100Wh/kg) In der Praxis werden deutlich geringere spezifische Energien erzielt. Typisch sind 20 bis 50% des NiMH (240 Wh/kg) theoretischen Wertes Li-Ion ( Wh/kg) Zellspannung in V -18-

20 Spezifische Leistung und Leistungs-Energieverhältnis (PER) Die spezifische Leistung gibt die auf die Masse bezogene Maximale Entladeleistung eines Speichers an. Das PER gibt das Verhältnis aus spezifischer Leistung zur spezifischen Energie wieder. Ein PER von 1 h -1 bedeutet, dass der Speicher schnellstens innerhalb einer 1 Stunde entladen werden kann. Ein Speicher mit einem PER von 30 kann theoretisch in 2 Minuten* entladen werden. * Diese Angabe ist theoretisch, da viele Speicher die maximale Leistung nicht kontinuierlich liefern können. -19-

21 Funktionsprinzip elektrochemischer Systeme Elektrische Energie EE EE Wandler EE CE Chemische Energie CE Speicher CE Wandler CE EE Elektrische Energie EE EE Ladeleistung Energie Entladeleistung Elektrolyseur Tank Brennstoffzelle Primärbatterie Wiederaufladbare Batterie / Sekundärbatterie -20-

22 Bleibatterien Quelle: Hoppecke -21-

23 Bleibatterien Wickelzelle für Hochstromanwendungen Typische Batterie für stationäre Anwendungen Stopfen Polanschlüsse Quelle: Exide Elektrolytreserve Separator Neg. Platte (Gitterplatte) Pos. Platte (Panzerplatte) Schlammraum Rholab Zelle -22-

24 Fortschritte bei Bleibatterien Aktuelle Entwicklung bipolarer Batterien Monopolare Konfiguration e- e- Quelle: Effpower Bipolare Konfiguration Zellwand (nicht leitend) Pfad der Elektronen in Monopolaren Batterien e- e- Zellwand (bipolare platte) (leitfähig) Pfad der Elektronen in bipolarem Akkumulator -23-

25 Fazit Bleibatterien Heute die wichtigste Batterietechnologie Anteil am Batteriemarkt etwa 50% Hauptanwendungen: Automobil, Stationär, Industrietraktion Es gibt weltweit Fertigungsanlagen Vorteile: billig, langjährige Erfahrungen, verfügbar, sicher Nachteile: Lebensdauer, F&E Potential, Umwelt, spez. Energie Aktuelle Entwicklungsziele: Bipolare Systeme, Kohlenstoffzusätze, höhere Lebensdauer bei partieller Zyklisierung.. Es gibt Anstrengungen weiterentwickelte Bleibatterien in Hybridfahrzeugen einzusetzen (z.b. Rholab Projekt). -24-

26 Alkalische Batterien Quelle: Saft -25-

27 Alkalische Batterien Zahlreiche Systeme sind möglich Negative Elektrode Positive Elektrode U N,- U N,+ -1,25 Zn MnO 2 +0,26-1,03 Fe O 2 (Luft) +0,40-0,83 MH, H 2 NiOOH +0,48-0,81 Cd Ag 2 O 2 +0,61 Heute bedeutende Systeme: NiMH, NiCd eventuell NiZn Metall-Luft (Zn-Luft) verstärkt von Interesse -26-

28 NiMH-Batterie: Standard für HEV Modulentwicklung (PEVE) Voltage New Prismatic 7.2 V Prismatic Cylindrical V 7.2 V Capacity 6.5 Ah 6.5 Ah 6.5 Ah Weight 1040 g 1050 g 1090 g Specific Power 1250 W / kg 880 W / kg 550 W / kg Dimension 285mm(L) 19.6mm(W) 114mm(H) 275mm(L) 19.6mm(W) 106mm(H) 35mm(f ) 384mm(L) 1 Aktuelle New Prius Prius- Batterie battery

29 Beispiel einer großen NiCd Batterie Größtes stationäres System mit NiCd Batterien Golden Valley Electric s Battery Energy Storage System (Alaska) 27 MW für 15 Minuten NiCd Zellen (Saft) Kosten 35 Mio $ Seit Aug in Betrieb -28-

30 Problem Nickel Zusammensetzung der Elektroden einer NiMH Batterie: Je nach Batteriedesign werden 5-10 kg/kwh Ni benötigt. Aktuelle Kosten ca. 10 $/kg, Peakkosten (2007) ca. 50 $/kg Für Speicher mit hohem Energieinhalt langfristig kritisch -29-

31 Fazit Alkalische Batterien Heute ist NiMH der Standard für HEV Große Systeme auf Basis NiCd (NiMH) gibt es auch Hauptanwendungen: HEV, Industrietraktion, Flugzeuge, Bahn Es gibt nur wenige Hersteller (Saft, Hawker, Hoppecke, Panasonic ) Vorteile: etabliert, hohe Zyklenlebensdauer, hohe spez. Leistung (NiMH/ NiCd) Nachteile: Kosten, Cd, geringes Potential zur Weiterentwicklung Aktuelle Entwicklungsziele: Bipolare Systeme, bessere Metallhydride Alkalische Systeme werden zunehmend durch Li-Ionen Batterie verdrängt. -30-

32 -31- Lithium Batterien

33 Lithium relat. Atommasse: Ordnungszahl: Schmelzpunkt: Siedepunkt: Oxidationszahl: Dichte: Härte (Mohs): Eigenschaften 6, ,54 C 1342 C 1 0,534 g/cm³ 0,6 Arten von Li-Systemen Li-Systeme Unterscheidung Anodenmaterial Systeme mit metallischem Lithium: Li-Metall Systeme ohne metallischem Lithium: Lithium-Ionen Unterscheidung Elektrolyt Flüssiger Elektrolyt: Polymer Elektrolyt: Li-Metallflüssig Li-Metall- Polymer Flüssiger Elektrolyt: Polymer Elektrolyt: Li-Ionenflüssig Li-Ionen- Polymer Nur für Knopfzellen Wenig Aktivität Kanada: AVESTOR Fr: Bollore JP:... Zellen für Geräte + Power Tools verfügbar EV und HEV als Prototypen verfügbar -32-

34 Extreme Anstrengungen im Bereich von Kathodenmaterialien Potential vs. Li/Li+ 5V 4V 3V 5V LiMn 1.5 (Co,Fe, Cr) 0,5 O 4 LiCoPO 4 Li 2 MnO 3 /1-xMO 2 LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 LiMnPO 4 LiMn 2 O 4 LiCoO Li(Ni,Co)O 2 2 LiFePO 4 Doped MnO 2 MnO 2 V 2 O 5 Mögliche Kathodenmaterialien für Li-Ionen Batterien Capacity [Ah/kg] Das Kathodenmaterial hat einen dominanten Einfluss auf die Kosten, die Sicherheit und die spezifische Energie. Andere Komponenten, wie Anodenmaterial, Separator und Elektrolyt sind auch von großem Interesse und benötigen F&E. -33-

35 Unterschiedliche Zellkonzepte Prismatische Zellen Rundzellen Coffee-Bag-Zellen Verschiedene Zellhersteller bevorzugen unterschiedliche Konstruktionsprinzipien. Ob sich am Ende der Entwicklung ein Konstruktionsprinzip durchsetzt ist noch ungewiss. -34-

36 Altairnano Systemkonzepte Batterie des Daimler S400 Blue Hybrid 50 Ah Batteriemodul Quelle: Daimler AG 2 MW / 0.5 MWh Batteriesystem Indianapolis Power & Light -35-

37 Partnerschaften im Automobilbereich SB LI Motive Bosch Samsung Accumotive Li-tec 10% 90% 51% evonik 49% Daimler -36-

38 Fazit: Lithium Batterien Lithium Batterien zeigen eine sehr hohe spez. Energie (bis 200 Wh/kg). Li-Ionen Zellen werden für den Gerätemarkt in Serie produziert Der Markt und auch die Technologie wird von Japan,, Korea und China beherrscht. Deutschland holt hier zur Zeit auf. Lithium Batterien haben ein sehr großes Potential für weitere Verbesserungen. Heute ca. 90% der Batterieforschung auf dem Gebiet der Lithium-Batterien. Das Hochskalieren auf große stationäre Systeme und BEV Systeme ist schwierig und erfordert weitere F&E: - Kostenreduktion (neue Materialien, Fertigungstechnologien) - Verbesserung der Sicherheit - Verbesserung der Lebensdauer (auch kalendarisch) Durch Förderprogramme wie LIB2015 kommt es zur Zeit zu einem schnellen Aufbau an F&E Einrichtungen. -37-

39 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 -38-

40 -39- Hochtemperatur Batterien

41 Hochtemperaturbatterien Zwei Technologien sind von Bedeutung Zebra Batterie NaS Batterie Mes-Dea (CH) Schwerpunkt: Traktion in Bussen NGK (JP) Schwerpunkt: stationäre Systeme -40-

42 -41- HT Batteriesysteme erfordern eine aufwändige Systemtechnik

43 Über 100 NaS Anlagen sind JP in Erprobung Erste Anlagen wurden jetzt auch in USA aufgebaut. -42-

44 Fazit: HT Batterien Thermische Verluste sind bei schwacher Zyklisierung von Nachteil Thermische Zyklisierung ist kritisch (Bruch der Keramik möglich) Weltweit nur zwei ernst zu nehmende Hersteller Kompetenz zu NAS vollständig in Japan (Bis 1995 auch ABB) Energiedichten von 100Wh/kg und 250 W/kg auf Systemebene Lebensdauern von mehreren 1000 Zyklen und > 10 Jahre sind realistisch Attraktive Kosten -43-

45 -44- Redox-Flow Batterien

46 Prinzip einer Redox-Flow Batterie chemische Energie Wandler elektrische Energie CE EE Energie Leistung Flüssige Phase Tanks als Speicher in der Regel werden zwei Tanks benötigt. Elektrochemische Zelle Oft ausgeführt in bipolarer Bauweise Zellstack -45-

47 Prinzip einer Redox-Flow Batterie Tank Membran Tank Geladenes und entladenes Material A n / A n-x Geladenes und entladenes Material C n / C n+y Pumpe Negative Elektrode: Positive Elektrode: A n discharge A n-x + x e - C n + y e - discharge C n+y -46-

48 Entkopplung von Energie- und Leistung - Die beiden Komponenten Wandler (Stack) und Speicher (Tank) sind separat. Flexible Auslegung ist möglich, je nach Dimensionierung beider Komponenten Leistung (A) Mögliche Auslegung: (A) Kurzzeit, hohe Leistung (B) Leistung und Energie gekoppelt. (C) Langzeit, kleine Leistung (B) Variante C führt zu den niedrigsten spezifischen Kosten ( /kwh) (C) Energie -47-

49 Die Vanadium Redox Flow Battery (VRB) - Die am meisten verbreitete Redox Flow Batterie - PacifiCorp (Moab, Utah) 2MWh VRB-ESS (VRB Power Systems) Pos: VO 2+ +2H + + e - VO 2+ + H 2 O Neg: V 2+ V 3+ + e - Lebensdauer: Zyklen und mehr (Herstellerangaben) VFuel (Australien) VRB Power Systems Inc. (Vancouver, Kanada) Sumitomo Electric Industries (Japan) Cellennium limited (Thailand) Cellstrom (Austria, Eisenstadt) ZSW Vanadium redox flow battery -48-

50 Stand bei Redox-Flow Batterien Relativ geringe spezifische Energie und geringe spezifische Leistung Optimaler Betrieb im Bereich mehrstündiger Entladung Unterschiedliche Materialkombinationen sind möglich. Zur Zeit wird neben dem Vanadium-Vanadium auch das Vanadium-Brom System weiterentwickelt. Mehrere Installationen weltweit. Da die Patente seit etwa 2 Jahren abgelaufen sind, gibt es ein verstärktes Interesse von Unternehmen. Laden und Entladen kann räumlich getrennt werden, z.b. Entladen im Fahrzeug und Laden in einer stationären Anlage. Idee des Tankens! -49-

51 Vergleich der Systeme 500 energy density in Wh/l DLC Lead-acid NiCd NiMH -50- Redoxflow specific energy in Wh/kg Li-Ionen

52 Zusammenfassung Batterien Die dargestellten Technologien haben alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile Je nach Anwendungsgebiet ergeben sich somit unterschiedliche Favoriten: Hybridfahrzeuge: alkalische Batterien, Li-Batterien, (Bleibatterien) Elektrofahrzeuge: Li-Batterien (zukünftig vielleicht Metall-Luft) Stationäre Systeme: alle Technologien Am meisten F&E Aktivitäten bei den Li-Batterien Redox-Flow und Hochtemperaturbatterien sind interessante Kandidaten für stationäre Anwendungen, aber zur Zeit noch wenig Kompetenz in D. Die Weiterentwicklung wird zu effizienteren, langlebigeren und preiswerteren Systemen führen. Aufgrund der enormen F&E Aktivitäten werden die nächsten 5 Jahre die meisten Fortschritte auf dem Gebiet der Li-Ionen Batterien erwartet. -51-

53 Fahrzeugkonzepte Verbrennungsantrieb Benzin/Diesel + hohe Reichweite, hohe Leistung, Erfahrung, Infrastruktur - Stickoxide, Kohlendioxid, Wirkungsgradpotential nahezu ausgereizt Verbrennungsantrieb Erdgas + Geringere Schadstoffemissionen - Große Tanks, schlechte Infrastruktur Hybridantrieb + Emissionsverhalten, hohe Reichweite - komplexes Systemkonzept, hohes Gewicht Elektrofahrzeug Batteriebetrieb + lokal emissionsfrei - geringe Reichweite, hohes Gewicht, Ladezeit Elektrofahrzeug Brennstoffzelle + Hoher Wirkungsgrad, Emissionsverhalten - komplexe Technik, Infrastruktur -52-

54 Übersicht: Brennstoffzellen-Fahrzeuge GM/Opel PSA China FC Nissan Toyota DaimlerChrysler Toyota Fine-S Hunter Studie VW (HT-PEM) -53- Übersicht unter:

55 mobil Transport und Verkehr Anwendungsgebiete Anforderungen Leistung > 70kW geringes Volumen hohe Leistungsdichte Lebensdauer 5.000h Kraftstoff Wasserstoff stationär BZ-BHWK und Kraftwerk Backup KWK Leistung kw hohe Lebensdauer (> h) Backupanwendung (<5 kw < h) Erdgas, Flüssiggas (Wasserstoff) portabel Freizeit, Modellbau, Laptop,... Leistung 1 bis 500 W geringes Gewicht kleiner Speicher Methanol. (Wasserstoff, Flüssiggas) -54-

56 mobil Transport und Verkehr Anwendungsgebiete Technologien PEFC Antrieb & APU SOFC APU Anwendung Flottenversuch 2. Generation stationär BZ-BHWK und Kraftwerk Backup Klein KWK PEFC, SOFC KWK MCFC, SOFC Backupanwendung PEFC Feldversuche portabel Freizeit, Modellbau, Laptop,... PEFC DMFC Erste Kundenprodukte -55-

57 Komponenten eines H 2 -Bz-Antriebs Stack Befeuchter Kühlmittelpump e Anschluss Pufferbatterie -56- Medienversorgun g

58 Brennstoffzellen-Fahrzeug Xcellsis HY-80 Leistungselektronik Brennstoffzelle (80 kw) Systemmodul Steuerelektronik Kühlmittelpumpe Bildquelle: Xcellsis GmbH -57-

59 Volkswagen VW HT-PEM Präsentiert: Oktober 2006 Es handelt sich hierbei um Art eine phosphorsaurer Brennstoffzelle. (Hochtemperatur PEM) Der Vorteil liegt in einer höheren Betriebstemperatur (kleinere Kühlflächen), geringere Gasanforderungen, keine Befeuchtung der Gase notwendig. VW hofft im Jahr 2010 erste Flottenversuche durchzuführen. -58-

60 Pkw mit Brennstoffzellen-Antrieb Ressourcenschonende, emissionsfreie Mobilität Mehrere 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 -59-

61 PKW-Anwendungen Heute: Flottenerprobung in Kundenhand Mehr als 100 Fahrzeuge im Alltagsbetrieb Einzelne Fahrzeuge mit mehr als km Fahrleistung Null-Emission und hoher Wirkungsgrad Erprobung der Treibstoff- Infrastruktur Aus- und Weiterbildung Ab 2009 Vorstellung der nächsten Fahrzeuggeneration -60-

62 Nutzfahrzeuge Öffentlicher Transport und Lieferfahrzeuge Flottenerprobung im Alltagseinsatz 33 Stadtbusse in 11 Städten seit 2 Jahren in Betrieb Treibstoffinfrastruktur Aus- und Weiterbildung -61-

63 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 (65kW 100kW) Höhere Verlässlichkeit Höhere Reichweite (160km 400km) 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

64 Strategische Partnerschaft: Politik, Industrie und Forschung Clean Energy Partnership II Einsatz von Wasserstoff im Straßenverkehr Ziele: Technisches Update von Fahrzeugen. Infrastrukturerweiterung. Technologische und operative Verbesserungen durch Umsetzung der lessons learned aus CEP Phase I -63-

65 Schlüsseltechnologien künftiger Mobilität Fossiles Zeitalter neigt sich dem Ende zu Die 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 -64-

66 Hausenergieversorgung Erzeugung von Elektrizität und Wärme vor Ort Erdgas oder LPG 1-5 kw elektrische Leistung > 80% Gesamtwirkungsgrad > 100 Einheiten im Feld Netzkopplung / virtuelles Kraftwerk Entwickler in Deutschland: Viessman Vaillant Riesaer Brennstoffzellen GmbH Bosch Buderus/ RWE European Fuel Cell / Baxi Hexis -65-

67 Japanischer Feldversuch: Aufstellungsorte Installed number as of March, 2008 (Total 2,187 Sites) Hokkaido 40 Sites Period FY st 2 nd Stage Stage FY2006 FY2007 FY2008 Kinki 332 Sites Chugoku 132 Sites Kyushu 211 Sites Okinawa Shikoku 6 Sites 115 Sites Chubu 249Sites Tohoku 58 Sites Kanto 1,044 Sites Number of Sites Subsidy 1120 * Diffusion 175 (Total 480sites) cumulative Cumulative Cumulative Stage M 4.5 M 3.5 M 2.2 M *as of June Source: T. Kimura, Extended Abstract Fuel Cell Seminar 2008

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69 Ziele Marktvorbereitung für Brennstoffzellen KWK-Systeme mit Erdgasversorgung Demonstration und Entwicklungsunterstützung im Hinblick auf Lebensdauer marktfähiger Produkte Etablierung einer Zulieferkette durch Installation einer großen Zahl an Anlagen Verbesserung der öffentlichen Wahrnehmung Konzeptenentwicklung zur Integration von Brennstoffzellensystemen in die Infrastruktur Aus- und Weiterbildung von Handwerk und Industrie Validierung der Kunden und Marktanforderungen Verbesserung der Wertschöpfung in Deutschland Volumen: 86 M, davon 45 M Industriebeteiligung 68

70 Installationsvorschau accumulated number of fuel cells Bis 2012, sollen mehr als 800 Brennstoffzellensysteme bei Endkunden installiert werden, die teilweise bis 2015 betrieben werden sollen. 69

71 Feldtest Der Feldtest findet bevorzugt in Privathaushalten in ausgewählten Regionen Deutschlands statt. Energieversorgungsunternehmen beschaffen, installieren und betreiben die Brennstoffzellensysteme. Bewerbung zur Teilnahme beim EVU Der Feldtest ist in drei Phasen gegliedert. Für den Feldtest wurde eine gemeinsame Zieldefinition für alle Hersteller ausgearbeitet. Informationen und Teilnahmebedingungen: 70

72 Frühe Brennstoffzellen-Märkte Freizeit Elektronik Notstrom Flurförderfahrzeuge bieten Frühe Marktchancen für die Brennstoffzellen-Industrie Zügiger Aufbau von Stückzahlen für die Zulieferindustrie Differenzierungschancen für Anwender/OEM Öffentlicher Wahrnehmung und Akzeptanz -71-

73 Unterbrechungsfreie Stromversorgung Pilotanwendung Heute überwiegend Batterielösungen Vorteile gegenüber Batterielösungen Erhöhung der Versorgungsdauer Geringere Sensitivität gegenüber Umwelttemperaturen Geringerer Platzbedarf Reduktion der Lebenszykluskosten (Idatec) (Plug-Power) -72-

74 Utsira - Insellage Die Herausforderung Kann ein auf Wasserstoff basierendes System die Stromversorgung auf einer Insel sichern? -73- Quelle: (übersetzt)

75 Utsira unabhängige Stromversorgung Daten: Projektstart: Januar 2002 vollständiger Aufbau, Integration und Einweihung: Sommer 2004 Windturbinen: 1200 kw (2x600 kw) Elektrolyseur: 10 Nm³/h, 48 kw Brennstoffzelle: 10 kw Wasserstoffmotor/Generator: 55 kw Kompressor: 5,5 kw Schwungmassenspeicher: 200 kw Kapazität: 5 kwh Batterie: 35 kwh Wasserstoffspeicher: 2400 Nm³ Druck: max. 200 bar Synchrongenerator: 100 kva Die bisherigen Ergebnisse sind durchweg positiv und zeigen, dass Wasserstoff eine zuverlässige Option für die Energiespeicherung darstellt. Ökologisch interessant bei regenerativ erzeugtem Strom, der nicht anderweitig verwendet werden kann! -74-

76 BZ heute weltweit Portable Systeme Mehrere zig-tausend Systeme Mobile Systeme etwa 350 Fahrzeuge Stationäre Systeme etwa 4000 Systeme mit insgesamt ca. 130 MW Leistung Weltweit werden Brennstoffzellen bereits in allen Anwendungen demonstriert, erprobt und eingesetzt! -75-

77 Zielkosten Spezifische Zielkosten: Euro / KW C portabel 500 Haus 50 Auto Markteinführungsbeginn Heutige Kosten und technische Reife für den Endkundenmarkt ist heute oftmals noch nicht ausreichend! -76-

78 Wo stehen wir heute hinsichtlich der BZ- Markteinführung Technologisch Machbarkeit wurde für viele Anwendungen gezeigt Automobile & Busse Hausenergieversorgung Portable Systeme Demonstrationsprojekte laufen Frühe Endkundenmärkte für portable Systeme und Telekomanwendungen Zuverlässigkeit muss für die jeweiligen Anwendungsfelder nachgewiesen werden Reifungsphase Garantieansprüche Wirtschaftlich und Industriell Kosten für einzelne Anlagen sind sehr hoch Markteinführung für einzelne Unternehmen schwer zu schaffen Volkswirtschaftliche Anstrengungen sind notwendig In USA und Japan passiert es schon länger Europa und Deutschland bewegen sich Joint Technology Initiative und Deutsches Brennstoffzellenprogramm (NIP) -77-

79 -78- Vielen Dank für die Aufmerksamkeit