Kraftstoffe der Zukunft. Dr. Stefan Schmerbeck, Berlin Volkswagen AG Konzernforschung, Antriebe, Kraftstoffe

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1 Kraftstoffe der Zukunft Dr. Stefan Schmerbeck, Berlin Volkswagen AG Konzernforschung, Antriebe, Kraftstoffe 1

2 Agenda Einleitung Well-to-Wheel Vergleich verschiedener Antriebskonzepte Anforderungen an Biokraftstoffe Neue Biokraftstoffe Kraftstoffe aus Glukose Kraftstoff aus grünem Zusammenfassung

3 Die Antriebs- und Kraftstoffstrategie von Volkswagen C 2 -neutrale Elektrizität Brennstoffzelle konventionelle Elektrizität konventionelle Kraftstoffe Batteriefahrzeuge Plug-In-Hybride Hybridantriebe C 2 -neutrale und nachhaltige Mobilität C 2 -neutrale Kraftstoffe (flüssig, gasförmig) Verbrennungsmotor

4 Agenda Einleitung Well-to-Wheel Vergleich verschiedener Antriebskonzepte Anforderungen an Biokraftstoffe Neue Biokraftstoffe Kraftstoffe aus Glukose Kraftstoff aus grünem Zusammenfassung

5 Methodischer Ansatz der Studie Well-to-Wheel Rohstoffe Energie (-träger) Antriebe Primärenergie Sekundär-Energie 1 Sekundär-Energie 2 Fahrzeug + Anlagen-Effizienz der Sek.-Energie-Bereitstellung Well-to-Wheel + Effizienzen aller relevanten Prozesse inkl. Energie & Betriebsmittel für Peripherieanlagen, vorgelagerte Prozesse, Rohstoffförderung und -transporte

6 C 2 - und Energieeffizienz von Antrieben & Kraftstoffen 2010 Vergleichsfahrzeug Golf Brennstoffzelle FCEV -Elektrolyse (- Mix EU) Well-to-Wheel C 2 Benzin/Diesel MPI Hybride (Benzin) TSI MHEV (mit TSI-Motor) FHEV (mit TSI- Motor) Gas TDI LPG-TSI (LPG & CNG) CNG-TSI Brennstoffzelle TDI BlueMotion* FCEV -Erdgas Batterie * beinhaltet aggregateunabhängige BlueMotion-Maßnahmen BEV dampfreformiert (- Mix EU) Benzin / Diesel Gas Hybride Batterie Brennstoffzelle Well-to-Wheel Primärenergie

7 C 2 - und Energieeffizienz von Antrieben & Kraftstoffen 2010 Vergleichsfahrzeug Golf Benzin/Diesel Brennstoffzelle Energiekette Well-to-Wheel eines Batteriefahrzeugs Effizienz: 26% Energieträger Antrieb erzeugung netz Batteriefahrzeug Well-to-Wheel C 2 Hybride (Benzin) Gas (LPG & CNG) Brennstoffzelle 100 % Well-to-Tank Erdölförderung und -verarbeitung Diesel mix EU 30 % 26 % Tank-to-Wheel Verbrennungsmotor Batterie 100 % 85 % 25 % Tank-to-Wheel Well-to-Tank Well-to-Wheel Primärenergie Energiekette Well-to-Wheel eines konventionellen Fahrzeugs: Effizienz: 25%

8 C 2 - und Energieeffizienz von Antrieben & Kraftstoffen 2010 Vergleichsfahrzeug Golf BEV--Mix nach Regionen Kohle Well-to-Wheel C 2 Batterie BEV - Mix China BEV -Mix USA BEV - Mix Deutschland BEV - Mix EU China USA Öl Erdgas Kernkraft Regenerativ Deutschland Frankreich BEV - Mix Frankreich BEV -Mix Norw egen Well-to-Wheel Primärenergie EU Norw egen

9 C 2 - und Energieeffizienz von Antrieben & Kraftstoffen 2010 Vergleichsfahrzeug Golf Trend Benzin/Diesel/ inkl. fahrzeugseitiger Maßnahmen Benzin mit Biokraftstoffanteil Diesel BEV -Mix EU Kriterien Well-to-Wheel C 2 Benzin/Diesel Well-to-Wheel C 2 Tank-Teller -Diskussion Alternative Nutzer Flugverkehr Intensivierung Landwirtschaft Gesamtfahrleistung Verlagerung zur E-Mobilität Batterie Biokraf Regenerativ: tstoffanteil: 16% 5% Biokraf Regenerativ tstoffanteil: : 29% 10% Biokraf Regenerativ tstoffanteil: : 34% 20% Well-to-Wheel Primärenergie

10 C 2 - und Energieeffizienz von Antrieben & Kraftstoffen 2020 (inkl. Fahrzeugseitige Maßnahmen) Vergleichsfahrzeug Golf Brennstoffzelle Benzin/Diesel Well-to-Wheel C 2 Gas (LPG & CNG) Batterie Hybride (Benzin) Brennstoffzelle Benzin / Diesel Gas Hybride Batterie Brennstoffzelle grüner Biokraftstoffe Well-to-Wheel Primärenergie

11 Einsatzbereich verschiedener Antriebskonzepte Kurzstreckenmobilität Langstreckenmobilität Infrastruktur/ Verfügbarkeit Reifegrad Antrieb Verbrennungsmotor (ICE) Hybridfahrzeuge Batteriefahrzeug Range Extender PlugIn ICE mit Biokraftstoffen zu 100% Batteriefahrzeug mit Schnellladefähigkeit Batteriefahrzeug mit Wechselkonzept Wasserstoff / FuelCell

12 Agenda Einleitung Well-to-Wheel Vergleich verschiedener Antriebskonzepte Anforderungen an Biokraftstoffe Neue Biokraftstoffe Kraftstoffe aus Glukose Kraftstoff aus grünem Zusammenfassung

13 Technologiebewertung Biokraftstoffe Anforderungen Hohes Erdölsubstitutionspotential Einhaltung der Nachhaltigkeitskriterien C 2 -Neutralität/Treibhausgas-Emissionen Kompatibilität zum Fahrzeugbestand zu bestehendem Kraftstoff (Mischbarkeit) zur Infrastruktur (Distribution und Speicherung) Berücksichtigung von Transportwegen regionalen Anbaubedingungen Konkurrenzen Verfügbarkeit Wirtschaftlichkeit

14 Neue Definition von SunFuel Definition SunFuel ist Volkswagens Bezeichnung für reine Biokraftstoffe und synthetisch herstellte Kraftstoffe mit folgender Definition: Erfüllung der EU-Nachhaltigkeitskriterien und C 2 -Reduktion 60% Kraftstoffqualität, die mit vorhandener oder absehbarer Antriebstechnologie kompatibel ist

15 Einteilung von Biokraftstoffe anhand der Konkurrenzsituation Typ Beispiele Keine Konkurrenz zu Biomasse Fläche Nahrung Umwandlung/Nutzung von Zucker, Stärke und Öl Umwandlung von Zellulose Ethanol aus Zuckerrüben Ethanol aus Weizen HV aus Raps Biogas aus Maisstroh Diesel aus Holz Umwandlung von Zellulose auf Reststoffbasis durch Algen/Bakterien/Hefen Grüner als Basis Photosynthese Nachbildung mit Algen oder Bakterien Ethanol aus Stroh Diesel aus Stroh Diesel aus Restholz E-Gas

16 Herstellpfade alternativer Energieträger Quelle/Rohstoff Zwischen-Energieträger Pflanzenöl Energieträger für Mobilität Benzin und Diesel Glukose Synthesegas Sonnenenergie Gas grüner C 2 + Licht Batterie und Brennstoffzelle

17 Agenda Einleitung Well-to-Wheel Vergleich verschiedener Antriebskonzepte Anforderungen an Biokraftstoffe Neue Biokraftstoffe Kraftstoffe aus Glukose Kraftstoff aus grünem Zusammenfassung

18 Biogene Kraftstoffe auf Basis von Glukose Lignozellulose Fermentation Biomethan Langstreckenmobilität Sonnenenergie Stärkepflanzen Glukose Fermentation Butanol Fermentation Ethanol Zuckerpflanzen Fermentation / Katalyse Benzin- / Dieselsubstitut

19 Fermentation: Neue Biotechnologie Potentielle rganismen Glukose (C 6 H 12 6 ) Fermentationstechnologie z.b. Coli Bakterium Cyano Bakterium Hefe Alge Lipid Carbohydrates Nucleotides Ethanol (ttomotor) Paraffin (Diesel C 6 -C 14 ) Amino Acid Energy Cofactors and Vitamins Fortschritte in Fermentations-Technologie führen auch dieselkompatiblen Kraftstoffen

20 Agenda Einleitung Well-to-Wheel Vergleich verschiedener Antriebskonzepte Anforderungen an Biokraftstoffe Neue Biokraftstoffe Kraftstoffe aus Glukose Kraftstoff aus grünem Zusammenfassung

21 Biogene Kraftstoffe auf Basis von grünem Biomasse + FT-Synthese Benzin/ Diesel Langstreckenmobilität Elektrolyse Wasserstoff Solar + Methanisierung Erdgas Sonnenenergie Wind grüner Batterie Kurzstreckenmobilität Wasser Geothermie Speicherung Nutzung Druckluftspeicher Pumpspeicher netz

22 Bereitstellung von Grünem als Antriebsenergie Kurzstreckenmobilität wird mit batterieelektrischen Fahrzeugen erreicht netz Grüner aber in absehbarer Zeit werden batterie-elektrische Fahrzeuge nicht für Langstreckenmobilität einsetzbar sein können Die größte Herausforderung bei Grünem ist die Speichertechnologie: "Zum Ausgleich von Fluktuationen bei sehr hohen Anteilen von EE- (> 50%) werden jedoch Kapazitäten von etwa 20 bis 40 TWh el benötigt,..." * *) Quelle: BMU Leitszenario 2010?

23 Windfluktuation / Notwendigkeit für speicher Angebot und Nachfrage (möglicher Ausbau 2020) Infrastruktur / Transport (2015) Quelle: J. Hentschel, intern Quelle: DENA Netzstudie II Die Betriebsstunden für speichertechnologien werden durch Angebot und Nachfrage und die Infrastruktur beeinflusst

24 ptionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem aus Elektrolyse ( nutzung > Elektrolyse ) Kraftwerk Speicher Tankstelle Tankstelle netz Grüner Elektrolyse Quelle:

25 ptionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem aus Elektrolyse ( nutzung > Elektrolyse ) Kraftwerk Speicher Tankstelle Tankstelle netz Grüner Elektrolyse

26 ptionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem Einspeisung ins Erdgasnetz ( nutzung > Elektrolyse ) Einspeisung von ins Erdgasnetz ist aus Fahrzeugsicht bis zu Konzentrationen von 2% volumetrisch möglich Damit könnten bis zu 6 TWh* elektrische Energie gespeichert werden Tankstelle netz Grüner Elektrolyse Direkteinspeisung CH 4 CH 4 Kraftwerk *Die notwendige menge entspricht etwa 20% der ges. deutschen Windstrommenge (oder 1,2% des deutschen verbrauches) Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle

27 ptionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem Methanisierung ( nutzung > Elektrolyse > Methanisierung ) Tankstelle netz Grüner Elektrolyse C 2 Direkteinspeisung Methanisierung CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle

28 ptionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem Methanisierung ( nutzung > Elektrolyse > Methanisierung ) Methan aus grünem ist voll kompatibel zu Erdgasfahrzeugen (EcoFuel) Tankstelle netz Grüner Elektrolyse C 2 Direkteinspeisung Methanisierung CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle

29 ptionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem Fischer-Tropsch-Synthese nutzung > Elektrolyse > Methanisierung > Fischer-Tropsch-Synthese Fischer-Tropsch- Synthese C x H y Tankstelle netz Grüner Elektrolyse Diesel Tankstelle C

30 ptionen zur Speicherung und Nutzung von Grünem Kraftwerk Speicher Tankstelle Fischer-Tropsch- Synthese C x H y Tankstelle netz Grüner Elektrolyse Diesel Tankstelle C 2 Direkteinspeisung Methanisierung CH 4 CH 4 Kraftwerk Methanspeicher bzw. Erdgasnetz Erdgas Tankstelle

31 Agenda Einleitung Well-to-Wheel Vergleich verschiedener Antriebskonzepte Anforderungen an Biokraftstoffe Neue Biokraftstoffe Kraftstoffe aus Glukose Kraftstoff aus grünem Bewertung und Vergleich Zusammenfassung

32 Mögliche Entwicklung nachhaltiger Energien im Automobilsektor ICE Hybrid Energie (100 %) Konventionelle Kraftstoffe Kurzstreckenmobilität PlugIn Range Extender BEV Biokraftstoffe Elektrizität FCEV Langstreckenmobilität Zeit

33 Vielen Dank!

34 Politische Rahmenbedingungen in Europa Erneuerbare Energien Richtlinie: WtW C 2 -Reduktionen Nahrungsmittel (Zucker, Stärke, Öl) Reststoffe, Zellulose 100% 90% C 2 -Reduktionspotential [%] 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% C 2 -Grenzwerte* ab 2017: neue Prozesse bestehende Prozesse heutige Prozesse 10% Stand der Technik 0% Ethanol Biodiesel Hydriertes Biogas Ethanol Pflanzenöl (Weizenstroh) BtL (Holz) C 2 -optimiert * verabschiedet durch EU-Parlament am

35 Woher kommt die Energie? Well-to-Wheel C 2 -Emissionen Golf TDI BlueMotion (99 gc 2 /km) m ix Diesel 111 g 3 % 4 % Kohle Öl Well-to-Wheel C 2 -Emissionen eines Golf BEV* bei erzeugung aus: 9 % 31 % Gas Nuklear Braunkohle Steinkohle Heizöl 145 g 171 g 188 g 28 % 22 % EU % <1 % <1 % Wasser Wind Sonstige Erneuerbare Erdgas 6 g Nuklear 98 g 1 % 1 % 2 % 15 % 81 % 1 g Grüner (hier: Windenergie) mix EU 2007 mix EU g 71 g m ix China g China 2007 C 2 -Emissionen/km * Verbrauch: 15,7 kwh/100 km (NEFZ)

36 Energieketten Kraftstoffe Biomasse Einlagerung Erdöl, Erdgas Benzin, Diesel, Gas ttomotor Sonnenenergie Biomasse Sunfuel Tankstelle Dieselmotor Gasantrieb Biomasse Einlagerung Kohle, Erdöl, Erdgas Batteriefahrzeug Sonnenenergie Biomasse & regenerative Energiequellen Grüner netz Brennstoffzelle* * über Elektrolyse

37 Biokraftstoffe auf Basis Pflanzenöl (Biodiesel) Rohstoffe: Raps (1.000 kg/ha pro Jahr) Palme (5.000 kg/ha pro Jahr) Sonnenblume ( 800 kg/ha pro Jahr) Pflanzenöl 1 t C HC C C C C C C C C C C C C C C C C C C CH 3 C C CH 3 C C CH 3 Kompatibel mit TDI bis 7%, darüber Ölverdünnung Glycerin 0,1 t (C 3 H 8 3 ) H H H Veresterung (T = 60 C) Methanol 0,1 t (CH 3 H) H H C H H FAME 1 t (Fettsäure- Methylester, Biodiesel) H 3 C C C C C C C C CH 3

38 Photosynthese in biologisch einfachen Lebewesen Cyanobakterien Licht (Elektromagnetische Energie) Teilschritte der Photosynthese: 1.Absorption von Licht (elektromagnetische Energie) 2. Lichtreaktion mit Elektronenübertragung zur Erzeugung chemischer Energie 3.Synthese organischer Verbindungen aus chemischer Energie Cyanobakterium Membransystem Chemische Energie (ohne Kohlenstoff) Stoffwechselzyklus (mehrere enzymatische Teilschritte) Chemische Energie (mit Kohlenstoff) C 2 Cyanobakterien werden gentechnisch verändert um Kraftstoffe mittels Photosynthese zu erzeugen Ethanol

39 Biokraftstoffe auf Basis Glukose - Heutige Ethanol Herstellung Zucker liegt direkt als Molekül vor Zuckerpflanzen (z.b. Zuckerrohr, Zuckerrübe) 6 C-Atome Stärke (z.b. Weizen) ~ 200 C-Atome Lignozellulose (z.b. Stroh) ~ C-Atome C H C H Zuckermolekül muss aus Kette gelöst werden + + Glukose (C 6 ) + Zuckermoleküle (C 6 und C 5 ) müssen komplex aus Kette gelöst werden Fermentation Aufbereitung Neue Ansätze: Mikrobiologische Verfahren zu dieselkompatiblen Kraftstoffen Ethanol

40 Biokraftstoffe auf Basis Glukose Klassische alkoholische Gärung Glukose (C 6 H 12 6 ) Hefe Ethanol (C 2 H 6 ) Energie Verlust als C 2 Ethanol (C 2 H 6 ) Enzym II Enzym I Acetaldehyd (CH 3 CH) Ausschleusung aus Zelle Bio-Reaktion Mit Katal ysator Enzym Größe: 0,001 0,1 µm Pyru vat (C 3 H 3 3 )

41 Biokraftstoffe auf Basis Glukose Neue Stoffwechselwege Glukose zu Diesel EN 590 Diesel Enzym V Enzym IV Enzym III Enzym II Glukose (C 6 H 12 6 ) Produkt Zwischenprodukt d Zwischenprodukt c Zwischenprodukt b Zwischenprodukt a Modifizierte Hefe Enzym I z.b. Acetyl-CoA (CH 3 C)