Einführung in Technik und Funktionsweise von Brennstoffzellen und Batterieantrieben Prof. Dr. K. Andreas Friedrich

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1 Einführung in Technik und Funktionsweise von Brennstoffzellen und Batterieantrieben Prof. Dr. K. Andreas Friedrich Folie 1 > Friedrich, Ungethüm > Institut für Technische Thermodynamik, Institut für Fahrzeugkonzepte

2 Herausforderungen des 21. Jahrhunderts Umweltprobleme durch Klimawandel und Luftverschmutzung Alarmierende Zunahme des Weltenergie-bedarfes durch Bevölkerungswachstum Zunahme der Nutzungskonkurrenz von landwirtschaftlichen Flächen Zunehmende geopolitische Abhängigkeiten Effizientere Nutzung fossiler und erneuerbare Energien Wettbewerbsfähigkeit der Industrie Sicherung von Arbeitsplätzen bzw. Schaffung neuer Arbeitsplätze durch innovative Produkte Treiber für die Elektromobilität Folie 2 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

3 Energie und Antriebsalternativen Energie Resourcen Energieträger Antriebssysteme Öl Verbrennungsmotor: Flüssige Kohlenwasserstoffe Benzin / Diesel Kohle Gasförmig ICE Erdgas Biomasse Erneuerbare (Solar, Wind, Hydro) Gasförmige Kohlenwasserstoffe Wasserstoff ICE Hybrid Plug-In Hybrid ICE Brennstoffzellen Fahrzeug Batterie Elektrifizierung Nuklear Elektrizität Electric Elektrospeicher Vehicle Fahrzeug Folie 3 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

4 Antriebkonfigurationen von Elektrofahrzeugen Batterie Batterie Batterie Folie 4 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

5 Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade (Tank to Wheel): Verbrennungsmotor: % Kraftstoff Wärme Bewegung Elektrizität Brennstoffzellen-Elektroantrieb: % H O H Kraftstoff Elektrizität Batterie-Elektroantrieb: % Elektrizität Chemische Energie Elektrizität Sekundärbatterie (Akkumulator) Folie 5 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

6 Effizienzvergleich von Antrieben Treibhausgasemissionen / g CO2 eq km Benzin Japan (JHFC) Diesel Japan (JHFC) Hybrid Benzin Japan Brennstoffzelle Japan (momentan und zukünftig) Batteriefahrzeug Japan (Stromix) Batteriefahrzeug mit 100% erneuerbarem Strom Elektroantriebe Technologiewechsel Benzin Diesel Hybrid (Benzin) Hybrid (Diesel) Verbrennungsmotoren Brennstoffzelle mit 100% H 2 aus Erdgas Batteriefahrzeug mit Strom aus 100% EU-Mix Brennstoffzellenfahrzeug mit 100% erneuerbarem H Energieverbrauch Well-to-Wheel / MJ (100 km) Basiert auf Daimler und Well-to-Wheel Studien: Concawe, EUCAR, JRC und JHFC Folie 6 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

7 Reichweite der Fahrzeuge 150 km 500 km Quelle: Daimler Folie 7 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

8 Batterie-System: komplexe Wechselwirkung auf vielen Skalen Si Li Anwendung EV Batterie HEV Batterie (+Motor) Leistungsdichte Energiedichte Sicherheit Zyklenstabilität Schnelle Aufladung Niedrige Temperaturen Kühlung/Heizung 300 kg 30 kg Zellen mit niedriger Leistung Zellen mit hoher Leistung Hohe Kapazität für Reichweite Niedrige Kapazität Entladung / Ladung 1C 3C Schnelle Entladung / Ladung Mehr als 10C Folie 8 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

9 Module eines Brennstoffzellenantriebstranges Wasserstoffspeicher Brennstoff- Zellensystem Elektrischer Antriebsstrang M 3 Elektrisches Energie- Speicher- System Kraftstoffspeicher (Wasserstoffspeicher) Brennstoffzellensystem Elektrischer Antriebsstrang Elektrisches Energiespeichersystem (wird in der Regel parallel zum Brennstoffzellensystem eingesetzt) Folie 9 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

10 Entwicklung vol. Leistungsdichte PEFC Volumetrische Leistungsdichte [W/L] Honda PEFC Stacks PEFC Stacks Ballard Stack Module Ballard Roadmap MK 513 NASA Gemini MK 4 MK Jahr MK 900 MK Honda DOE Ziel 2010 Ballard Ziel DOE Ziel Ballard Module Quelle: DLR, Mock, P., Schmid, St.: Fuel cells for transportation A techno-economic assessment. in Int. Journal of Hydrogen Energy. Folie 10 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

11 Reichweite von einem Hektar Fläche Folie 11 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

12 Zusammenfassung Prinzip von Brennstoffzellen Nur Batterie und Brennstoffzellenfahrzeuge können eine Null- Emissionsmobilität und eine Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen gewährleisten Beide Ansätze verwenden viele gleiche Technologien und Komponenten Batterieelektrische Fahrzeuge haben ein anderes Anwendungsspektrum als Brennstoffzellenfahrzeuge Herausforderungen: Batteriefahrzeug: Entwicklung von kostengünstigen Hochleistungs- und Hochenergiebatterien Brennstoffzellenfahrzeug: Wasserstoffinfrastrukturaufbau (private und öffentliche Investitionen) Folie 12 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

13 Prinzip von Brennstoffzellen Folie 13 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

14 Prinzip einer elektrochemischen Zelle Elektronenstrom, je nach Stromrichtung Laden oder Entladen Neg. Elektrode Pos. Elektrode Elektrolyt: Notwendig für die Ionenleitung Ionenstrom Übergang von der Elektronen- in die Ionenleitung und umgekehrt Folie 14 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

15 Entladen einer elektrochemischen Zelle e - Entladestrom Neg. Elektrode Pos. Elektrode Ionenstrom Anode Aktivmaterial gibt Elektronen ab Kathode Aktivmaterial nimmt Elektronen auf AM(N) red --> AM(N) ox + ne - AM(P) ox + ne - --> AM(P) red Folie 15 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

16 Laden einer elektrochemischen Zelle Ladestrom Neg. Elektrode e - Pos. Elektrode Ionenstrom Kathode Aktivmaterial nimmt Elektronen auf Anode Aktivmaterial gibt Elektronen ab AM(N) ox + ne - --> AM(N) red AM(N) red --> AM(N) ox + ne - Folie 16 > Friedrich> Institut für Technische Thermodynamik

K. Andreas Friedrich Institut für Technische Thermodynamik Pfaffenwaldring 38-40, Stuttgart

K. Andreas Friedrich Institut für Technische Thermodynamik Pfaffenwaldring 38-40, Stuttgart www.dlr.de Chart 1 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Batterie oder Brennstoffzelle was bewegt uns in Zukunft? K. Andreas Friedrich Institut für Technische Thermodynamik Pfaffenwaldring 38-40, Stuttgart www.dlr.de

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