ohne fossil und trotzdem mobil

Transkript

1 Ulmer Universitätsgesellschaft Ulm ohne fossil und trotzdem mobil Batterien für die E-Mobilität von morgen Prof. Dr. Werner Tillmetz Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg - 1 -

2 Die Welt im Wandel Globaler Klimawandel und lokale Luftverschmutzung >>> Emissionsgesetzgebung Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes Begrenzte fossile Brennstoffe - Peak Oil Globaler Wettbewerb der Volkswirtschaften >>> geopolitische Abhängigkeiten bei der Energieversorgung Neue Technologien für die Produkte von morgen >>> Beispiele: Toyota Prius, Tablet PC, Digital-Kamera

3 Globaler Energieverbrauch 16,7% Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report Heute 80% fossile Brennstoffe und nur 8% Erneuerbare Energien Energiewende wird eine gigantische Herausforderung

4 Globaler Energieverbrauch Mit derzeitigen technischen Möglichkeiten könnte das 6-fache des globalen Energiebedarfs aus Erneuerbaren Energien gedeckt werden 16,7% Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report

5 Globaler Energieverbrauch 16,7% Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report Subventionen E/E 2010: 66 Mrd. USD (IEA WEO 2011)

6 Globaler Energieverbrauch 16,7% Subventionen Fossil 2010: 409 Mrd. USD (IEA WEO 2011) Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report Subventionen E/E 2010: 66 Mrd. USD (IEA WEO 2011)

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8 Globaler Energieverbrauch die großen Unterschiede 147 kwh pro Tag 17 kwh pro Tag Quelle: BMU - 8 -

9 Herkunft des Öls für Deutschland 2012 Quelle: BAFA - 9 -

10 Herkunft des Erdgases für Deutschland 2012

11 Herkunft der deutschen Primärenergie (2011)

12 Weltweiter Ölverbrauch - Peak-Oil year Quelle: General Motors

13 Mobilität vor dem Öl year

14 Der Beginn des Erdöl-Zeitalters Beginn einer industriellen Revolution, die die letzten 100 Jahre geprägt hat year Quelle: General Motors

15 Was wünscht sich der mobile Bürger heute? Billigeres Benzin??? year Quelle: General Motors

16 Beginn des postfossilen Zeitalters Beginn einer industriellen Revolution, die die nächsten 100 Jahre prägen wird year Quelle: General Motors

17 Der Weg in das postfossile Zeitalter was tun? Steigender Energiebedarf und begrenzte Ressourcen wie können wir das Dilemma lösen? - Maximale Effizienz - Maximale Nutzung Erneuerbarer Energien year Quelle: General Motors

18 Treiber: Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade (Tank to Wheel): Verbrennungsmotor: % Brennstoffzellen-Elektroantrieb: % Batterie-Elektroantrieb: % Elektro-Fahrzeuge werden betrieben mit Strom oder Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien

19 Elektromobilität und Erneuerbare Energien 20 m 2 PV Fläche genügen, um den Strombedarf eines E-Fahrzeuges zu decken ( km pro Jahr, Deutschland)

20 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

21 Struktur der Strombereitstellung aus Erneuerbaren Energien in Deutschland 2012 Energiebedarf für 1 Mio. Elektrofahrzeuge: 2 Mrd. kwh

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23 ELEKTROFAHRZEUGE

24 Elektromobilität Vielfältige Lösungen Schlüsseltechnologien: Batterie & Brennstoffzelle H2 Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid Brennstoffzellen- E-Fahrzeug Batterie-E- Fahrzeug Reichweite (elektrisch) Start / Stopp ca. 2 km bis 50 km ca. 500 km km elektrisch fahren Nutzung Erneuerbarer Energien Strom H 2 aus EE Strom Infrastruktur Betankung Einsatz beliebig (ideal für Stadt- und Regionalverkehr) beliebig Stadtfahrzeug Emission

25 Elektromobilität Vielfältige Lösungen Schlüsseltechnologien: Batterie & Brennstoffzelle Elektrofahrzeuge H2 Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid Brennstoffzellen- E-Fahrzeug Batterie-E- Fahrzeug Reichweite (elektrisch) Start / Stopp ca. 2 km bis 50 km ca. 500 km km elektrisch fahren Nutzung Erneuerbarer Energien Strom H 2 aus EE Strom Infrastruktur Betankung Einsatz beliebig (ideal für Stadt- und Regionalverkehr) beliebig Stadtfahrzeug Emission

26 Leitmärkte heute, weltweit Wachstumsraten > 100% p.a. Accumulated numbers of cars BEV,PHEV,REX; 2013 numbers for CN, UK, NED estimated >>> rund Autos auf den Straßen - sehr hohe Wachstumsraten USA und Japan sind führend

27 Leitanbieter weltweit, heute Accumulated numbers of cars, by manufacturer, BEV, PHEV, REX >>> Nissan, GM & Toyota führend Tesla zieht stark nach

28 Elektromobilität: Verschiebungen in der Wertschöpfung Quelle: Strukturstudie BW e Mobil 2011, emobil BW Elektromobilität: Änderung Marktvolumen für Baden-Württemberg: Aktuell [in Mio. Euro]

29 Schlüsselkomponente Li-Ionen Batterie Quelle: Roland Berger VDA Fachkongress E-Mobility, (IAA, ) Li-Ionen Batterien für Fahrzeuge (wie Konsumerelektonik) kommen bislang fast ausschließlich aus Japan und Korea Li-Ionen Batterien sind Schlüsseltechnologie für die Antriebe der Zukunft >>> sie bestimmen u.a.: Kosten, Reichweite, Sicherheit, etc. der Fahrzeuge >>> haben hohen Anteil an der Wertschöpfung

30 Entwicklung Fahrzeugantriebe Batterien/Brennstoffzellen sind aus künftigen Fahrzeugen nicht mehr wegzudenken

31 SCHLÜSSELKOMPETENZ LITHIUM-IONEN-BATTERIEN

32 Batterien = elektrische Energiespeicher Batterien (Akkumulatoren) speichern elektrischen Strom mit hohem Wirkungsgrad (Laden - Entladen) Li-Ionen-Batterien haben die höchste Energiedichte heutiger Akkumulatoren Funktion und Aufbau einer Lithium-Ionen-Batterie

33 Li-Ionen-Batterien im Auto: Große Herausforderungen und neue Chancen Energieverbrauch Batterie-Fahrzeug kwh pro 100 km Energiedichte > 200 Wh/kg Kosten < 250 /kwh Betriebsbedingungen - 30 C bis +50 C Sicherheit im Betrieb, Crash Lebensdauer >15 Jahre > Zyklen Leistung Beschleunigung, Rekuperation, Ladezeit >>> Ressourcen, Produktionsanlagen, Qualifiziertes Personal, Qualitätskontrolle

34 ZSW-Forschung - Beispiel: Materialsynthese Partikelmorphologie - Elektrochemie Synthese fortschrittlicher Aktivmaterialien Kathoden Anoden - Elektrolyte Optimierung, Morphologie und Partikelgröße Charakterisierung & elektrochemische Eigenschaften TiO 2 Li 2 MnO 3 Elektrolyte >>> fortschrittliche Materialien bestimmen den Erfolg

35 ZSW-Forschung - Beispiel: Slurry Präparation Beschichtungstechnologie Rezepturentwicklung für Elektroden Pasten Homogenität, Rheologie und Dispersionsstabiliät Beschichten, Trocknen und Kalandrieren mit hoher Qualität und Geschwindigkeit Elektroden Mikrostrukturen, Porosität und Haftung >>> Know How bestimmt die Qualität der Elektrodenfertigung

36 ZSW-Forschung - Beispiel: Performance & Sicherheitstests Batterie-Management Testzentrum für Zellen, Module und Batteriesysteme Lebensdauer- und Performancetests Sicherheitstestbunker (zerstörerisch) Batterie-Management-System und Batterie-Monitoring Mathematische Modellierung und System-Engineering >>> Fortschrittliche Testprotokolle spiegeln die reale Welt

37 ZSW-Forschung - Beispiel: Zellöffnung und Post-Mortem-Analysen Standardisierte Verfahren zur Zellöffnung und Analyse Korrelation Analyseergebnisse mit Ursache Datenbanken für Statistik und Bewertung Alterungsmechanismen und deren Beschleunigungsfaktoren Arbeitsplätze für die Zellöffnung Geöffnete Pouch-Zelle Li-Plating auf der Anode >>> Aus Fehlern lernen führt zu verbesserten Zellen

38 Kapazität / % ZSW-Forschung - Beispiel: Standard Zellen made by ZSW Charge/Discharge 2C (CC) 2 3,6 V cycles >>> capacity retention 89% LFP/Amorphous carbon Zyklenzahl

39 ZSW-Forschung - Beispiel: Produktionstechnologie für Lithium-Ionen Zellen ZSW Labor für Batterietechnologie (elab) Batterietest- und Sicherheitstestzentrum Zell-Pilotfertigungsanlage & Analytik Neue Forschungsproduktionslinie (FPL): große prismatische Zellen (> 20 Ah) Optimierung von Leistung, Qualität & Kosten Demonstration von neuer Zellchemie in Standardzellen 3600 m 2 Laborfläche gefördert vom BMBF & MFW unterstützt von KLiB e.v

40 ZSW-Forschung - Beispiel: Produktionstechnologie für Lithium-Ionen Zellen Neubau elab, Lise-Meitner-Staße 24 (Bild: Januar 2014). Inbetriebnahme der Forschungsproduktionslinie im Sommer

41 ZSW-Forschung Beispiel: Nutzung der Forschungsproduktionslinie Industrie vereinbart mit ZSW die Nutzung der Forschungsproduktionsanlage (FPL) über 5 Jahre. BASF SE BMW AG Daimler AG Elring Klinger AG Manz AG Robert Bosch GmbH Rockwood Lithium GmbH SGL Carbon GmbH Siemens AG ZIEL: Prismatische Wickelzellen nach VDA-Kriterien (Dummy) Juni Intersolar

42 BRENNSTOFFZELLEN IN DER ELEKTROMOBILITÄT

43 E-Fahrzeuge mit 500 km Reichweite & 3 Minuten Betankungszeit & für Reiselimousinen und Busse

44 E-Fahrzeuge mit 500 km Reichweite & 3 Minuten Betankungszeit & für Reiselimousinen und Busse ein Traum?

45 E-Fahrzeuge mit 500 km Reichweite & 3 Minuten Betankungszeit & für Reiselimousinen und Busse ein Traum? Nein >>> seit vielen Jahren im Alltagseinsatz in der Flottenerprobung

46 Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle Viele hundert Fahrzeuge der 2. und 3. Generation seit Jahren im Alltag unterwegs Erfüllen Kundenanforderungen - Reichweite - Schnelles Tanken - Heizung und Klima Serienproduktion in Vorbereitung: - Hyundai produziert aktuell 1000 Fahrzeuge - Markteinführung 2015 in Japan ist gesetzt: Toyota Partnerschaft mit BMW, Honda mit GM/Opel - Daimler/Nissan/Ford: Fahrzeuge ab

47 Bus mit Brennstoffzelle in Hamburg

48 Brennstoffzellen = Energiewandler Brennstoffzellen wandeln Brenngase (Wasserstoff = gut speicherbar) und Sauerstoff (aus der Luft) hoch effizient und schadstofffrei in Strom, Wärme und Wasser um Wasser + Wärme 2e - 2e - H + O 2 Luft O 2 H 2 Brenngas Katalysator Membran

49 Brennstoffzellensystem für Fahrzeugantriebe Luftversorgung Wasserstoff-Kreislauf Brennstoffzelle (80 kw) Leistungselektronik 2. Generation, Daimler AG 3. Generation, Daimler AG

50 Wasserstoff Treibstoff und Energiespeicher Wasserstofferzeugung aus Erneuerbarem Strom über Elektrolyse Speicherung von Überschussstrom Quelle: Hydrogenics Treibstoff für Brennstoffzellen- Fahrzeuge Kritischer Pfad: Aufbau von Wasserstofftankstellen (heute ca. 200 weltweit, große Regierungsprogramme etabliert)

51 Fazit Globaler Klimawandel und lokale Luftverschmutzung >>> E-Fahrzeuge sind emissionsfrei (lokal und global E/E) Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes >>> E-Antriebe reduzieren Energieverbrauch durch hohen Wirkungsgrad Begrenzte fossile Brennstoffe - Peak Oil >>> E-Mobilität basiert auf E/E Globaler Wettbewerb der Volkswirtschaften >>> lokal erzeugter Strom aus E/E schafft Unabhängigkeit Neue Technologien für die Produkte von morgen >>> deutsche Wertschöpfung und Kompetenz zu Schlüsseltechnologien Batterie und Brennstoffzelle sicher stellen

52 Interessante Informationsquellen und und Öl-Zeitalter: bzw. auf Gasland: Twilight in the dessert Matthew Simmons: bzw. auf Amazon

53 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Mercedes Benz F-Cell World Tour March 7,