E-Mobilität Marktsegmente für den Einsatz von Brennstoffzellen-, batterieelektrischen und Plug-In-Hybridfahrzeugen. Dr.

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1 E-Mobilität Marktsegmente für den Einsatz von Brennstoffzellen-, batterieelektrischen und Plug-In-Hybridfahrzeugen Dr. Ulrich Bünger Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, Ottobrunn, Deutschland Fachtagung Elektromobilität - Was uns in Zukunft bewegt Bozen, 22 Juni 2010, 9:00-12:30 1

2 Hintergrund Vielfache vergleichende Analysen zu unterschiedlichen E- Fahrzeugen bereits durchgeführt Diese Präsentation: Verschiedene LBST-Analysen für unterschiedliche industrielle Auftrageber U.a. vergleichende Studie Strom versus Wasserstoff für verschiedene Transportanwendungen für RWE (Mai 2010) 2

3 Auf einen Blick Vorgehen und Annahmen Entwicklungsstand: Fahrzeuge und Infrastruktur WtW: Energieeinsatz, GHG-Emissionen und km-kosten (Kompakt-PKW) Allgemeine Schlussfolgerungen und Botschaft Literatur 3

4 Vorgehen und Annahmen 4

5 Vorgehen Plug-in Hybridfahrzeug, FCEV Brennstoffzellenfahrzeug, BEV Batterieelektrisches Fahrzeug Früher Markteintritt (2015), Etablierter Markt (2030) PKW: Mini- und Kompaktfahrzeuge, Lieferfahrzeuge, Stadtbusse und Passagierschiffe WtW Analysen (ausgelastete Infrastruktur), ergänzt durch weitere systemische Betrachtungen (Machbarkeitsanalysen) Jedoch keine Markteinführungsstrategie oder Potenzialstudien Keine Änderungen der Mobilitätsstrukturen Akzeptanz durch Endkunden unberücksichtigt Hier Detailergebnisse für repräsentativen Fahrzeugsektor (Kompakt-PKW) und Zusammenfassung für alle Sektoren 5

6 Entwicklungsstand: Fahrzeuge und Infrastruktur 6

7 Entwicklungsstand: Fahrzeuge (1) Etablierter Privatkundenmarkt weder für FCEV noch für BEV Demo-Fahrzeuge entweder teuer oder eingeschränkte Funktion in Marktvorbereitung, aber auch perspektiv teuer BEV angekündigt für Kurzstreckenverkehr aber ohne vollen Funktionsnachweis (kombinierte Zielerreichung Kosten, Reichweite, Schnellladung, Zuladung, Betriebstemperatur, Ressourcennutzung) FCEV haben proof-of concept Status für Massenmarkt erreicht mit Kostenziel Perspektive Diesel-Hybrid Roll-out etwa 2010, BEV etwa 2011, FCEV etwa 2015 Realistischere Einschätzung für komplementäre potenzielle Märkte der Technologien reift zunehmend 7

8 Entwicklungsstand: Fahrzeuge (2) Kostenentwicklungsperspektiven Schlüsselkomponenten Battery [ / kwhel] - Fuel cell [ / kwel] Fuel cell-max Fuel cell-min Battery-MAX Battery-MIN 0 HEV FCEV BEV HEV FCEV BEV Quellen: RWE-Studie 2010, CONCAWE 2009, Kalhammer 2007, ISI 2010

9 Entwicklungsstatus: Fahrzeuge (3) Tatsächliche Demonstratorkosten FCEV und BEV Komponente FCEV BEV Bemerkung Chassis Achtung: Chassis nicht auf zusätzliches Batteriegewicht ausgelegt (900 kg!) E-Motor FCEV: HEV-Typ, inkl. Elektronik und Regelung H 2 -Tank Reichweite 500 km, 3.5 kg H2, Produktion 100,000 Stck./Jahr BZ-System kw el Nennlast, Stack , BoP: 40% Batterie FCEV Reichweite 20 km, 150 Wh/km, Entladetiefe 50%, 6 kwh, /kwh Batterie BEV Reichweite 500 km, 150 Wh/km, Entladetiefe 70%, 107 kwh, 700 /kwh Projektkosten?? Engineering, Montage in Kleinserienfertigung nicht berücksichtigt Fahrzeug > > Achtung: Vergleich nur eingeschränkt gerechtfertigt, da Ladezeit und Lebenserwartung, Zuladung und Beschleunigung unterschiedlich (FCEV nachgewiesen, BEV nicht nachgewiesen) Quelle: LBST,

10 Entwicklungsstand: Infrastruktur (1) Stimmt die Feststellung Batterieladeinfrastruktur existiert? Nur 50-80% aller Privatnutzer besitzen eigene Garage [Bain] Rechtliche Herausforderungen für öffentliches Laden Lange Parkzeiten für öffentliches Laden Netzinfrastruktur nicht ausreichend (30 Minuten Schnellladung erfordern 50 kw el Netzanschluss) Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH 10

11 Technologiestatus: Infrastruktur (2) Kosten skalieren linear für BEV, asymptotisch für FCEV 0,14 0,12 Fuel costs [ /km] Kraftstoffkosten [ / km] 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Strom Konstante Auslastung, vernachlässigbare Skalierung Diesel-hybrid Wasserstoff Zunehmende Nutzung Skalierung durch größere Tankstellen Fahrzeuge Vehicles im sold Markt Home refuelling "Slow TS Slow-fill Fill" station "Fast TS Fast-fill Fill" station Compressed Druck-H 2 H2 BEV Befragung ergibt Präferenz für Home Refuelling Schnellladung an Tankstellen bedeutet hohes Investitionsrisiko und logistische Herausforderungen FCEV Erste flächendeckende H 2 -Infrastruktur erfordert Investitionen von ca. 2 Mrd. (<1.000 HRS) 11 Quelle: LBST, 2009

12 WtW-Analyse (Beispiel Kompaktfahrzeug ) Energieeinsatz GHG-Emissionen Kosten pro km 12

13 WtW-Analyse: Energieketten Relevante Energieketten (fett: wichtigste Ketten) Erdgas Stromnetz HS Ladestation (fast-fill) El-mix Deutschland Elektrolyse zentral H 2 - Verflüssigung Ladestation (slow-fill) Kompaktfahrzeug REG Strom (Wind) H 2 - Tankauflieger Braunkohle Erdgasnetz Braunkohlevergasung CCS Stromnetz MS + NS Elektrolyse onsite SMR-onsite H 2 -Rohrnetz Verdichtung (70 MPa) FCEV, BEV, Quelle: RWE-Studie,

14 WtW-Analyse: Energieeinsatz* 0,90 0,50 BEV 0,40 Kurzfristig unsinnig mit Wasserstoff aus Strommix, aber wind/e-mix hohes 0,30 Minderungspotenzial von bis zu 20% mit onsite-smr 0,00 Erneuerbar 0,80 Nuklear Kurz-und onsite SMR mittelfristig wind/gasoline hohes Minderungspotenzial bis nuclear zu 50%, und Fossil 0,70 fossil Substitution von fossilem durch regenerativen Quelle: Volkswagen Energieeinsatz 0,60 Energy Energieeinsatz consumption [kwh/km] [kwh/km] FCEV 0,20 Langfristig vollständige Ablösung von fossiler durch REG-Energie 0,10 BEV Benzin Rohöl ICE FCEV Diesel Rohöl ICE CGH2 Erdgas (onsite) FCEV CGH2 Strommix (onsite) FCEV Windstrom/Benzin E-mix/gasoline Strommix/Benzin Benzin Rohöl HEV Diesel Rohöl ICE CGH2 Bk über LH2 CCS FCEV CGH2 Bk CCS FCEV CGH2 Strommix (onsite) FCEV CGH2 Wind über LH2 FCEV FCEV wind CGH2 Wind FCEV wind/e-mix Windstrom/Benzin renewable Langfristig höchstes Reduktionspotenzial von bis zu 2/3 und vollständige Ablösung fossiler durch REG-Energie Strommix/Benzin Strom (0,4 kv) Wind BEV Strommix (0,4 kv) BEV 14 * Referenz: Benzin- und Dieselfahrzeug; kurzfristig kein Kompakt-BEV

15 WtW-Analyse: GHG Emissionen* E-mix / gasoline Source: Volkswagen FCEV wind vehicle fuelling station distribution H 2 liquefaction H 2 compression (central storage) H 2 production El transport and distribution El generation lignite provision oil refinery NG distribution NG and oil transport NG and oil provision FCEV Kurz- und langfristig bis zu 65% Reduktion möglich, aber onsite SMR wind / gasoline langfristig bessere Alternative durch BEV und FCEV FCEV Kurzfristig bis zu 35% Reduktionspotenzial mit onsite SMR, wind / E-mix langfristig mit REG-Energie bis zu 100% BEV BEV wind / E-mix Langfristig bis zu 70% Reduktionspotenzial mit deutschem Strommix und mit REG-Energie bis zu 100% * Referenz: Benzin- und Dieselfahrzeug; kurzfristig kein Kompakt-BEV 15

16 WtW-Analyse: Kosten pro km Kosten [ /km] 0,60 0,55 Quelle: 0,50 Source: Volkswagen 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 FCEV Onsite SMR Wind / Benzin Ladestationen: 200 bis 1250 /Fahrzeug Kalendarische Lebendsdauer Batterie (, BEV): 7 bis 12 Jahre (2015) bzw. 12 Jahre (2030) Kalendarische Lebensdauer Batterie (HEV): 12 Jahre El-mix / Benzin Ladestationen: 200 1,250 / Fahrzeug Batterielebensdauer (, BEV): 7 12 Jahre (2015) und 12 Jahre (2030) Batterielebensdauer (HEV): 12 Jahre car (bandwidth) car fuel (bandwidth) fuel Fahrzeug (Bandbreite) Fahrzeug Kraftstoff (Bandbreite) Kraftstoff Wind / El-mix 0,15 0,10 0,05 FCEV Wind BEV Wind / El-mix 0,00 Benzin Rohöl ICE Diesel Rohöl ICE CGH2 Erdgas (onsite) FCEV CGH2 Strommix (onsite) FCEV Windstrom/Benzin Strommix/Benzin Benzin Rohöl HEV Diesel Rohöl ICE CGH2 Bk über LH2 CCS FCEV CGH2 Bk CCS FCEV CGH2 Strommix (onsite) FCEV CGH2 Wind über LH2 FCEV Quelle: RWE Studie, 2010 CGH2 Wind FCEV Windstrom/Benzin Strommix/Benzin Strom (0,4 kv) Wind BEV Strommix (0,4 kv) BEV 16

17 WtW-Analyse: Kosten pro km* Kurzfristig bis zu 35% höhere km-kosten FCEV Kurzfristig bis zu 35% höhere km-kosten, wenn Lebsnerwatrtungsziele nicht erreicht werden, aber bis 270%, falls ein Stackwechsel über Fahrzeuglebensdauer erforderlich ist Wegen schlechter Fahrzeugnutzung dominieren Fahrzeuggesamte km-kosten (= Stehzeug) km-kosten aller EV langfristig bis zu 20% höher, auf Grund der hohen Datenunsicherheit Unterschiede wahrscheinlich marginal 17 * Referenz: Benzin- und Dieselfahrzeug; kurzfristig kein Kompakt-BEV

18 Allgemeine Schlußfolgerungen und Botschaft 18

19 Allgemeine Schlussfolgerung PKW (1) können zu universeller Alternative in Übergangsphase werden, mit langfristig eingeschränktem GHG-Emissionsreduktionspotenzial BEV können kurz- und langfristig sinnvolle Option für Kurzstreckeneinsatz werden, soweit mit REG-Strom gefahren wird FCEV haben Potenzial universellen Lösung für alle Segmente, wenn Anfangsinvestitionsrisiken für H 2 -Infrastruktur überwunden werden Ein schneller Marktdurchbruch universeller FCEV könnte BEV überflüssig machen; der flächendeckende Aufbau einer H 2 -Infrastruktur ist Flaschenhals BEV werden eine Option bei Kundenakzeptanz von - home refuelling mit slow fill und - hohen Fahrzeugpreisen bei gleichzeitig reduziertem Komfort (Betankung, Reichweite etc.) Alle EV bieten Potenzial für Business Cases in Elektrizitäts-branche, das beste jedoch die FCEV 19

20 Allgemeine Schussfolgerungen PKW (2) Sektorale Zuordnung EV (PKW-Verkäufe Deutschland, JAN 2010) FCEV** (100%) BEV* (58%) In überlappenden Segmenten stehen EV miteinander im Wettbewerb oder lösen einander über die Zeit ab. (69%) Quelle: Kraftfahrtbundesamt 2010, LBST * Nur bei hoher jährlicher km-leistung und in Sektoren mit typisch niedrigen Fahrstrecken werden BEV wahrscheinlich kommerziell relevant werden ** inkl. range extender FCEV 20

21 Allgemeine Schlussfolgerungen Lieferfahrzeuge, Busse Wegen hoher Auslastung km- nicht durch Fahrzeugkosten dominiert Dieselmotoren wegen niedriger Kosten kaum zu schlagen Politisch stützende Maßnahmen zur lokalen Schadstoff- und globalen GHG-Emissionsreduktion erforderlich Zur GHG-Emissionsreduktion auch Biokraftstoffe geeignet Zur Reduktion lokaler Emissionen sind - Batterien mögliche Kurzfristoption in innerstädtisch betriebenen Lieferfahrzeugen bei akzeptablen Kosten und - Brennstoffzellen einzige Option für Busse (Batteriebus mit 250 km Reichweite erfordert Batterien mit 750 kwh, 5.9 t!) 21

22 Allgemeine Schlussfolgerungen Botschaft Transportsektor ist Hauptmitverursacher globaler GHG Emissionen, 20% alleine aus Strassenverkehr Reduktion läßt sich erzielen durch a) Energieeinsparung (effizientere Antriebe) b) Substitution von fossilen durch erneuerbare Kraftstoffe c) Strukturelle Veränderungen im Verkehr (andere Wohn- /Arbeitsverhaltensmuster, öffentlicher Verkehr etc.) Aufrechterhaltung des individuellen Massenverkehrs zumindest in Übergangszeit nur möglich mit Option (a) und (b) EV tragen zur GHG Emissionsreduktion nur bei Einsatz von REGoder GHG-armer Primärenergie; FCEV und BEV in Ergänzung Große Marktpotenziale, wenn REG-Industrie sich pro-aktiv des Verkehrssektors annimmt und zusätzliche REG-Energie bereitstellt 22

23 Literatur RWE: Bünger, U.; Weindorf, W.; Wietschel, M.: Vergleich von Strom und Wasserstoff als CO 2 -freie Endenergieträger, Studie für RWE AG, Karlsruhe, Mai CONCAWE/EUCAR/JRC: Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context, TANK-TO-WHEELS Report Version 2c, März 2007, TTW APPENDIX 1 Vehicle retail price estimation, 15/02/07. Bain: Matthies, G.; Stricker, K.; Traenckner, J.: Zum E-Auto gibt es keine Alternative. Bain&Company. Roland Berger: Powertrain Li-Ion batteries the next bubble ahead?, Roland Berger, National Research Council: Transitions to Alternative Transportation Technologies--Plugin Hybrid Electric Vehicles, ISBN: , 130 Seiten (2009). Kalhammer : Kalhammer, F.R.; Kopf, B.M.; Swan, D.H.; Roan, V.P.; Walsh M.P.: Status and Prospects for Zero Emissions Vehicle Technology, Report of the ARB Independent Expert Panel 2007for State of California Air Resources Board, Sacramento, California, April 13,

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? 24