Brennstoffzelle Option zur Elektrifizierung der Langstreckenmobilität

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1 Brennstoffzelle Option zur Elektrifizierung der Langstreckenmobilität Dr.-Ing. Christian Martin Zillich (Volkswagen AG) Antriebsforschung

2 Agenda Motivation für die automobile Elektrifizierung Brennstoffzellensystem Brennstoffzellenfahrzeug Herausforderungen Zukunftsperspektiven Antriebsforschung 2

3 Treiber für die Elektrifizierung Gesellschaft: - steigendes Umwelt- und Kostenbewusstsein - Klimaveränderungen - Lobbyisten Gesetzgebung: - Emissionen / Verbrauch - Incentives / Steuervorteile - Fahrverbote / City-Maut - ZEV-Gesetz alternative Antriebe / Elektrifizierung Energiewirtschaft: - Kraftstoffverfügbarkeit u. lokale Abhängigkeiten - Ressourcenverknappung - Rückgang Ölfördermenge Wettbewerb: - verstärkte Aktivitäten - zunehmend Einführung von Serienfahrzeugen - Positionierung Antriebsforschung 3.

4 Antriebs- und Kraftstoffstrategie CO 2 -neutrale Elektrizität Brennstoffzelle konventionelle Elektrizität konventionelle Kraftstoffe Batteriefahrzeuge Plug-In-Hybride Hybridantriebe CO 2 -neutrale und nachhaltige Mobilität CO 2 -neutrale Kraftstoffe (flüssig, gasförmig) Verbrennungsmotor Antriebsforschung 4

5 Elektrifizierung des Antriebs im Volkswagen Konzern Elektrofahrzeug Micro-Hybrid/ Start-Stopp Mild-Hybrid Full-Hybrid (HEV) Plug-In Hybrid (PHEV) Range Extender (RE BEV) Batteriefahrzeug (BEV) Brennstoffzelle (FCEV) 1) km km 2 km km km Elektrische Reichweite Elektromotor Boost Verbrennungsmotor + Stromerzeuger 1) > 2020 Antriebsforschung 5

6 Energiedichten im Vergleich Benzin/Diesel H 2 (700bar) Wh/l Li/O 2 Erdgas (200bar) H 2 (350bar) Li-Ionen Li/S Pb Ni-MH Wh/kg Antriebsforschung 6

7 Elektrofahrzeuge - Herausforderung Betankungsdauer Strom Drehstromsteckdose 10 kw Wasserstoff Tankstelle kw (ca. 1 kg/min) Benzin Zapfsäule kw (ca. 50 dm³/min) 1 min Tanken = 1 km fahren 1 min Tanken = 100 km fahren 1 min Tanken = km fahren Antriebsforschung 7

8 Fahrzeugherstellkosten Fahrzeugklasse Golf Fahrzeughers stellkosten Brennstoffzellenfahrzeug Batterie-Elektrofahrzeug Fahrzeug mit Verbrennungsmotor Jahr betrachtete Stückzahlen Antriebsforschung 8

9 Derzeitige Wasserstoffquellen Deutschland in % Weltweit in % Σ = 20 Mrd. Nm³/a Σ = 540 Mrd. Nm³/a (*) Dampfreformierung von Erdgas und Naphta Partielle Oxidation von Schweröl Petrochemie: Benzinreformierung Petrochemie: Ethylenproduktion (*) entspricht 140 Mio. t, zum Vergleich: EU 27 Kraftstoffverbrauch 2007: 295 Mio. t Chlor-Alkali-Elektrolyse Kohlevergasung Sonstige chemische Industrie Quelle: DWV Antriebsforschung 9

10 Angebot erneuerbarer Energien gegenüber Weltenergiebedarf Weltenergiebedarf 2009: 469 EJ Mrd. kwh Energiebedarf Deutschland 2009: 14 EJ 3900 Mrd. kwh Quelle: Forschungsverbund Sonnenenergie, Antriebsforschung 10

11 NT-PEM-Brennstoffzelle - Funktionsprinzip elektrische Last - U Zelle 0,6-0,8 V + NT-PEM C Elektrochemische Umsetzung von Wasserstoff mittels Luftsauerstoff: H 2 + ½ O 2 H 2 O Wasserstoff-Kana al H + H +ee - H H + + H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O O O H 2 O Luft-Kanal Transportmechanismus durch temporäre Bindung an Wassermoleküle Befeuchtung notwendig Flüssiges Wasser in der Membran H 2 O H 2 Anode Elektrolyt Kathode O 2 Antriebsforschung 11

12 Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle Quelle: Heinzel, Uni Duisburg-Essen, 2011 Antriebsforschung 12

13 Wirkungsgradbetrachtung η Aggregat = P el, Aggregat m& H 2 H u Antriebsforschung 13

14 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 - Topologie Antrieb, Bordnetz BZ-System H 2 -Tank-System Getriebe E-Motor M 3~ _ ~ Umrichter* 12 V BatterieDC/DC* - - Batteriesystem* - - DC/DC Batterie* * Komponenten mit möglicher Synergie zum Verbrennungsmotor-Hybriden Antriebsforschung 14

15 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3 80 kw BZ-System 6,4 kg H 700 bar 70 kw (peak 90 kw) Elektromotor 1,1 kwh Batterie Kapazität Antriebsforschung 15

16 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3 Brennstoffzellen- Aggregat vordere H 2 -Tanks hintere H 2 -Tanks Hybridbatterie 80 kw BZ-System 6,4 kg H 700 bar 70 kw (peak 90 kw) Elektromotor 1,1 kwh Batterie Kapazität Antriebsforschung 16

17 Zukunftsperspektiven Brennstoffzellentechnologie Herausforderungen Brennstoffzelle Kostenreduzierung Lebensdauer Volumen- und Gewichtsreduzierung Frosttauglichkeit Herausforderungen H 2 -Wirtschaft H 2 -Bereitstellung aus regenerativen Quellen Aufbau des Tankstellennetzes Antriebsforschung 17

18 Zusammenfassung Brennstoffzellen betrieben mit Wasserstoff könnten langfristig die Elektrifizierung der Langstreckenmobilität ermöglichen. Volkswagen arbeitet seit Jahren an dieser Technologie und konzentriert sich für die nächste Fahrzeuggeneration auf die Niedertemperaturtechnologie und die Systemintegration. Die wesentlichen Herausforderungen sind die Reduzierung der Systemkosten, die Schaffung einer flächendeckenden Tankstellen-Infrastruktur sowie die nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff. Antriebsforschung 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Antriebsforschung 19