Elektrofahrzeuge der Zukunft Welche Rolle spielen Batterien und Brennstoffzellen?

Transkript

1 Elektrofahrzeuge der Zukunft Welche Rolle spielen Batterien und Brennstoffzellen? Vortragstagung SSM, Sursee Philipp Dietrich Competence Center Energy and Mobility (CCEM)

2 Agenda Einführung Eigenschaften der Antriebssysteme Auswirkungen von neuen Treibstoffen (Strom und H 2 ) Transitionszeiten

3 Gesamtenergiekosten der Schweiz Verkehr braucht 60% des Erdöls

4 Energieverbrauch CH-Personenwagen 2008 Energie consumption [kwh/100 km] L Benzin = 9 kwh 1 L Diesel = 10 kwh Benzin Fahrzeuge Dieselfahrzeuge Vehicle mass [kg] Quelle: AutoSchweiz

5 Effizienz und Kraftstoffverbrauch Verbraucher Verhalten in der Schweiz 2008 Diesel Fahrzeuge Benzin Fahrzeuge Gewichtsänderung 176 gr CO2/km 175 gr CO2/km 1.9 %/y (1473 kg)

6 Reduktionsmöglichkeiten Nutzung eines optimierten Modalsplits (Flugzeuge, TGV, Auto, Bus, Fahrrad, zu Fuss) Fahrstil Fahrzeugwahl mit Gewichtung des Verbrauchs (Kaufkriterien, Gemeinschaftsfahrten) Technische Verbesserungen am Fahrzeug Treibstoffe mit einer besseren Gesamtbilanz Verflüssigung des Verkehrs (Verkehrsampel, Kreisel)

7 Einfluss der Motorenwahl ( PS-Schlacht ) 15 Modelle aus Liter Verbrauch Quelle: ETHZ, de Haan EU limit 2015

8 Erdgas als Zwischenschritt Erdgas (Methan CH4) hat das Potenzial von 25% CO 2 -Reduktion pro Energiegehalt Methan aus Holz (Biomassennutzung für CO 2 -neutrale Nutzung) ca. 4% Potential Heute: Ca. 100 Gas-Tankstellen in der Schweiz Fahrzeugpalette zunehmend (> 30 Verkaufsmodelle ) 2-Kategorien Fahrzeughersteller : a) % CO 2 -Reduktion b) 8 10 % CO 2 -Reduktion

9 Entwicklung des CNG-Fahrzeugmarktes CH % +60% % % Dez 05 Dez 06 Dez 07 Dez 08 Jun 09 Vergleich Verkäufe 1. Sem gegen 1. Sem Fahrzeugverkäufe - 12% PW s mit Natur/Biogas +30% Total PW's LKW's Quelle: gazmobile sa, Lausanne

10 Verkäufe von Nutzfahrzeugen mit Natur- & Biogas von Anteil [%] Tonnen/Jahr Biogasanteil Biogas Total Biogas Quelle: gazmobile sa, Lausanne

11 Antriebsmöglichkeiten Konventionelle Motoren - Down sizing und turbo Aufladung - Variable Ventilsteuerung und Verdichtungsverhältnis - Vielstufen- oder stufenloses Getriebe - start-stop Betrieb - Kraftstoffanpassung (Erdgas, Ethanol etc.) Hybrid Antriebe - Autarke Hybride (micro-, mild-, full-hybrid) - Plug-in Hybrid Elektrofahrzeuge - Batterie-Fahrzeug - Brennstoffzellen-Fahrzeug (teilweise auch als Hybrid)

12 Umbau eines Ottomotors für Erdgasbetrieb Quelle: EMPA/ETHZ

13 Antriebskonzept CLEVER

14 Pneumatics-Hybrid Quelle: Guzzella, ETH Zürich

15 Kombination von Dynamik und Nennleistung Quelle: Guzzella, ETH Zürich

16 Vergleich von Verbrennungs- zu Elektromotor Vorteile des Elektromotor: Drehmoment ab Stillstand Grösserer Drehzahlbereich Überlastbar Leise Rekuperation möglich Drehmoment Elektrokmotor Kurzzeit Dauer Drehzahl/Geschwindigkeit

17 Wieviel Leistung brauchen wir wann? Leistung / kw Elektro- Hybrid 40 kw Spitzenleistung für 10 Sekunden kw Dauerlast Fahrzeugmasse / kg

18 Hybrid Antrieb Motor Generator Tank BZ Antriebs- Elektronik DC 1-Gear- Transmission DC DC Elektromotor Rad Supercap/Batterie NiMH: 100 Wh/kg 290W/kg Li-Ion: 140 Wh/kg 2000 W/kg Supercap: 4 Wh/kg 5000 W/kg

19 Zell-Performance verschiedener Batterien Quelle: Saft

20 Einfluss der Entladetiefe

21 Reine EV kommen bald Reichweite bis 160 km Li-Ion Batterie 24 kwh, volle Ladung 7h, 80% in 30 Min. wenn Höchstgeschwindigkeit 140 km/h Preis wird in etwa gleich sein wie ein VW Golf (+ Batterie Leasing) Quelle: Nissan

22 Speicherproblematik bei Wasserstoff

23 BZ-Fahrzeuge getestet durch Verbraucher Reichweite von 380 km Komprimiert H kg, aufgefüllt in 5 Min. 100 kw BZ plus Li-Ion Batterie von 1.8 kwh Höchstgeschwindigkeit 160 km/h $600/monatliches Leasing 200 Fahrzeuge in US

24 Leistungsdaten eines Fahrzeuges Bau eines spezifisch auf die Brennstoffzelle optimierten Fahrzeugs Fahrzeuggewicht Beschleunigung km/h Reichweite Verbrauch 850 kg (4 Plätze + Kofferraum) < 12 Sek. 400 km (bei 80 km/h) < 22 kwh/100km gas. H2 Brennstoffzellensystem 32 kw Nennleistung mit H 2 und O 2 Kurzzeitenergiesyste 30 kw- 45 kw f r 17 Sekunden

25 Effizienzvergleich, aber η η η η η (η η η η η η η

26 Modeling Context, Bottom up and least cost

27 Technological Learning Source: IIASA-WEC 1995, Figure 4-7

28 Key learning components and Scenarios Assumptions Size Initial Cost Floor Cost [kw] [US$/kW] [US$/kW] Fuel Cell Reformer Hybrid Battery System US$ per vehicle Battery Electric 48 kwh US$ per vehicle Plug-In Hybrid 8.2 kwh US$ per vehicle

29 Hydrogen Production Cost Coal gasification US$/GJ Coal gasification with CCS Natural gas reforming Natural gas reforming with CCS Current Technology Future Technology Biomass gasification Central wind + electrolysis Electrolysis Nuclear sulphur-iodine cycle High-pressure (HP) electrolysis Nuclear high-pressure electrolysis Nuclear high-temperature electrolysis Solar zinc/zinc-oxide cycle Solar coke gasification

30 Mild climate policy 650 ppmv CO 2 target billion vehicle-km Biofuels HEV CNG HEV Oil Products & Synfuels HEV Biofuels ICEV CNG ICEV Oil Products & Synfuels ICEV

31 Strong climate policy 450 ppmv billion vehicle-km Hydrogen Fuel Cell Plug-in Hybrid Hydrogen HEV Biofuels HEV CNG HEV Oil Products & Synfuels HEV Biofuels ICEV CNG ICEV Oil Products & Synfuels ICEV

32 Den Norm Effekt verstehen Share of Technology B [%] Critical mass 25% Critical 100mass 0 30% Share of Technology A [%]

33 Hauptannahmen Grundsätzliches Attraktivitätsniveau Modellkalibration; generelle Annahme: 0.2 für alternative Fahrzeuge, Andere 0.1 Benzinpreise Steigend um 50% bis 2050 Kostenreihenfolge der Antriebstechnologien Benzinmotor < Dieselmotor < NGV LPG < Benzin-HEV < Diesel-HEV Lebensdauer der Fahrzeuge Bis zu 14 Jahre um 2050 (heute: < 12 Jahre, dem US Trend folgend) Gefahrene Fahrzeug-Kilometer (VKT) Verringerung in allen Ländern während der nächsten 2 Jahrzehnten Flotten Wachstum Sättigung

34 Deutschland: Benzin-Norm Lock-in oder Inherent attractiveness Year 40 Petrol ICE Diesel ICE NGV Fahrzeug Stock Jahr million

35 Deutschland steigende Attraktivität Paradigm Change fostering Technology substitution Inherent attractiveness Petrol ICE Diesel ICE NGV Year Fahrzeugstock million Jahr

36 Verschiedene europäische Länder Quelle: Eurostat, Car Research (Börse Online)

37 Dezentralisierter Energieträger Hochspannungsnetz (Elektrizität) Dezentralisierter Produzent Biomasse Energie Träger Wasserstoff Heizungs- Verbraucher Elektrizitäts- Verbraucher Treibstoff- Verbraucher Energieträger für Gemeinden / Nachbarschaft, Typische Grösse: 1 MW

38 Schlussfolgerungen Heute kann durch gezielte Produktwahl (Fahrzeuggrösse und Motor) der Verbrauch substanziell reduziert werden. Erdgas stellt eine Brücke für weitere CO 2 -Reduktion dar, aber gute Technik. Mit Biomasse kontinuierliche Reduktion des fossilen Anteils im Erdgas. Die Energieeffizienz des Batteriefahrzeug bezogen auf den Strom ist am höchsten (η 0.67 vs. η 0.36) Kurzzeit-Ladevorgang ist mit H 2 möglich, Strom erfordert grosse Zusatzinfrastruktur (wenn Batterien dies überhaupt zulassen) Die Analyse der gesamten Energieketten sind wichtig (Multi Kriterien- Entscheidungs-Prozesse) Rahmenbedingungen (zeitlich und im Ausmass richtig gewählt) können einen Technologiewandel stark beeinflussen Neue Allianzen zwischen Autoindustrie und dem Energiesektor sind am entstehen (zeitlich begrenzt auch mit öffentlicher Unterstützung) Zeitfaktor nicht ausser acht lassen

39 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit