Paul Scherrer Institut Philipp Dietrich Potenzial von H 2 im Strassenverkehr der Zukunft Donnerstag, den 20. Oktober 2011, ETHZ-Schweiz Schweiz.

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1 Wir schaffen Wissen heute für morgen Paul Scherrer Institut Philipp Dietrich Potenzial von H 2 im Strassenverkehr der Zukunft Donnerstag, den 20. Oktober 2011, ETHZ-Schweiz Schweiz. Energierat PSI, 20. Oktober 2011

2 Agenda Elektromotor im Auto Technik des H 2 -Antriebes Wasserstoff als Energieträger Seite 2

3 Leistungsbedarf für Beschleunigung und Konstantfahrt / kw s 15 s Beschleunigung Von km/h Leistung s 160 km/h 140 km/h 120 km/h Maximalgeschwindigkeit Fahrzeuggewicht / kg Seite 3

4 Verbrauch verkaufter Schweizer PW Modelle LBenzin = 9kWh 1 L Diesel = 10 kwh Benzin-Hybridfahzeuge Verkaufte Fahrzeuge Schweiz 2010 Rekuperation kann die Massenabhängigkeit reduzieren Quelle: AutoSchweiz Seite 4

5 Hybridantrieb auch mit Brennstoffzelle Motor Generator BZ 1-Ganggetriebe Leistungselektronik DC H 2 -Tank DC DC Elektromotor Räder Energiespeicher Speichersystem im Fahrzeug NiMH: 50 Wh/kg 290W/kg Li-Ion: 110 Wh/kg 800 W/kg Supercap: 4 Wh/kg 2500 W/kg Verbrennung von H 2 im Verbrennungsmotor wird hier nicht mitberücksichtigt Seite 5

6 Sekundäre Vorteile der Elektrotraktion Partikelemission durch Personenwagen Emission durch Motorenbetrieb nimmt ab. Reduktionspotential durch elektrisches Bremsen Quelle: Heck, PSI, 2011, im Rahmen von THELMA PSI, 21. Oktober 2011 Seite 6

7 Funktion der Polymerelektrolyt Brennstoffzelle Anode: H 2 2 H e - Kathode: 1/2 O e - O H + O 2- H 2 O H 2 O 2 H 2 O H + e - Wasserstoff Sauerstoff Wasser Wasserstoff-Ion Elektron Seite 7

8 Brennstoffzellenstapel (1) Bipolarplatten (2) Elektroden (3) Membran-Elektrolyt (4) Dichtung Einzelzelle (Wiederholeinheit) Modulare Leistungsanpassung möglich durch Zellanzahl Variation Seite 8

9 Brennstoffzellen Wirkungsgradpotenzial Wirk kungsgra ad (stro ombasie ert auf H u [-]) Leistung [W] Wirkungsgrad eines BZ-Systems mit H 2 und reinem O 2 Zusammenarbeit: PSI-Michelin Seite 9

10 BZ-Fahrzeug mit PSI-Technologien Belenos Clean Power 2.1 l Benzin equ./100 gemittelt 70 km/h HyPower, H 2 /Luft BZ-Supercapantrieb Seite 10

11 Brennstoffzellenfahrzeuge auf der Strasse Komprimierter H kg (350 bar), getankt in 5 Min. 100 kw BZ plus Li-Ion Batterie mit 1.8 kwh (Hybrid) v max 160 km/h $600/Monat Leasing 200 Fahrzeuge in US Reichweite: 380 km Quelle: Honda Seite 11

12 Betankung mit H 2 Fahrzeug: Verbrauch heute kg H 2 /100 km Ziel 0.8 kg H 2 /100 km Tank (für 600 km) 6 8 kg Ziel < 5 kg Speicher: Hydride (metallisch oder organisch) Druck- und Temperaturniveau rni ea beachten komprimiert ( bar) wt % flüssig Betankung: CH 2 : LH 2 : - 18 wt % (StorHy) Schnelltankung mit Gasvorkühlung möglich (3 min) Schnelltankung möglich Seite 12

13 Zu lösende Fragestellungen Fahrzeug: Reichweite 500 km machbar (GM, Toyota) Betankung in 5 Min möglich Katalysatoren: Heute: 0.5 g Pt /kw= 50 g/fz (Pt stellt ca. 50% der Zielkosten pro kw dar) Lebensdauer 1500 h* gegenüber Zielwert von h Herausforderung: ultra-hoch aktive Pt-Kat. oder Pt frei; Betriebsstrategien Treibstoffversorgung: Versorgung mit H 2 mit tiefen Treibhausgasemissionen * DOE test fleet data: K. Wipke et al 2009 Seite 13

14 Technologie nähert sich den Zielkosten Quelle: Seite 14

15 Reichweiteneinfluss verschiedener Antriebskonzepte Anschaffungskosten für einen 80 kw Antriebsstrang 40 kw BZ DC/DC Mot 30 kw BZ DC/DC Mot 40 kw 6.7 kwh H O 2 2 Bat H 2 Bat 80 kw 13.3 kwh BZ H 2 /O 2 Plugin-BZ H 2 /Luft 50 kw BZ DC/DC Mot Bat 80 kw Mot 40 kw 6.7 kwh H 2 BZ H 2 /Luft Bat Batterie-elektrisches Fz Seite 15

16 Anschaffungskosten in Abhängigkeit der Reichweite Relative Kosten [-] 2.5 BEV Fcair FC O2 Plugin FC Peakpower kw power Batt kw Energy Batt kwh /8.9 Power FC kw batt mass kg Verbrauch kwh/100km Stromanteil Reichweite 150 km Batt LiCo2 150 Wh/kg 52.5 $/kg 350 $/kwh 900 W/kg LiFePO 100 Wh/kg 30 $/kg 300 $/kwh 900 W/kg FC air 2 kg/kw 150 $/kw cost 9600 $ 6000 O2 1.3 kg/kw 110 $/kw storage H2/air 520 $/100 km 700 bar 600 initialkosten DCDC H2/O2 370 $/100 km 350/300 bar 1100 Initialkosten 30 $/kw Reichweite [km] BEV(LiCo2) BEV(LiFePO) FC air FC Oxy Plugin air Seite 16

17 Antriebskonzepte für verschiedene Kundenbedürfnisse Leistung gsbedarf Flüssige Kohlenwasserstoffe Brennstoffzelle Kastenwagen VM LkW Range Extender Langstreckenverkehr Stadtverkehr Batterie- EV Reichweite Seite 17

18 Reichweitenvergleich mit CO 2 -Ausstoss Quelle: McKinsey, 2011 Seite 18

19 Grosstankstelle am Flughafen München Seite 19

20 Belenos-Konzept mit dezentraler Speicherung PV-Zellen auf dem Dach PV Direktverbrauch im Haus Transfer zu H 2 /O 2 (Elektrolyse) Speicherung dezentral H 2 /O 2 BZ für effizientes Fahren Brennstoff zelle ~30% Direktverbrauch H 2 O 2 H 2 O 2 Elektrolyse Netz Seite 20

21 Energiehub auf regionaler Basis Regionale Erzeugung, Speicherung und Verbrauch Verbund mit anderen Hubs - Erneuerbare Energien, WKK - Lokale Speicherung (Warmwasser, H 2 oder Batterien) - Mehrere Energieträger (Strom, Fernwärme, Treibstoffe) - Anbindung an Netz zur Bilanzkompensation Seite 21

22 Wirkungsgrad ist wichtig, aber Stellvertretend für Erneuerbare Energien Erneuerbare Energien (PV, Wind) η0,93 Hydro η0,85 η0,85 η tank-to-wheel 0,72 Fossile Brennstoffe η Fahrzeug 067überNetzwerk 0,67 (η Fahrzeug 0,72 lokal) Nukleare Energie BZ EM η0.94 η0.75 H 2 H 2 Lokal erneuerbar Elektrolyse Kompressor η Fahrzeug 033überNetzwerk 0,33 η Fahrzeug 0,36 lokal η0,6 η0,85 Batterie Seite 22

23 Primärenergieeinsatz vs. CO 2 -Emissionen Seite 23

24 Umweltbelastungen Quelle: Simons, PSI, 2011, im Rahmen von THELMA Seite 24

25 Kostenszenario Quelle: McKinsey, 2011 Seite 25

26 100% 80% 60% 40% 20% 0% Treibstoffe in Abhängigkeit der Rahmenbedingungen Electricity Hydrogen Biofuels Gas Oil products / synfuels Basel 650 pp 550 pp 450 pp Basel 650 pp 550 pp 450 pp Basel 650 pp 550 pp 450 pp Basel 650 pp 550 pp 450 pp ine mv mv mv ine mv mv mv ine mv mv mv ine mv mv mv Quelle: Gül, PSI, 2009 Seite 26

27 Zusammenfassung Elektrische Fahrzeuge (Brennstoffzelle und Batterie-betriebene) ) werden zur Mobilität der Zukunft beitragen. Die Marktsegmente werden verschieden sein, Plug-in Hybride können eine Überbrückungsfunktion übernehmen. Neben den Fahrzeugtechnologien g spielt die Verfügbarkeit der Energieträger g eine wichtige Rolle für die Einführung und die Verbreitung. In Jahren werden wir sehen, welche Technologien nicht nur in der Nische Bestand halten werden. Beim Einsatz von erneuerbaren Energien spielt die Leistungs- UND Energiebereitstellung eine zentrale Frage dar. Mit H 2 als Grossspeicher kann ein Beitrag zur Stabilisierung der Stromversorgung wie der Mobilität ermöglicht werden. Seite 27

28 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dank an G. Scherer, F. Büchi, T. Gül, Th. Heck, S. Hirschberg, A. Wokaun PSI, 20. Oktober 2011 Seite 28