Umsetzung alternativer Antriebskonzepte bei der Daimler AG Dr. Florian Finsterwalder / Daimler AG / PWT/VEP Arbeitskreis Energie der Deutschen

Transkript

1 Umsetzung alternativer Antriebskonzepte bei der Daimler AG Dr. Florian Finsterwalder / Daimler AG / PWT/VEP Arbeitskreis Energie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Bad Honnef

2 Verursacher von CO 2 -Emissionen andere 5% Industrie 18% 8% 24% Haushalte 45% Kraftwerke Verkehr andere: 1% Schifffahrt: 2% Flugverkehr: 3% Straßenverkehr: 18% 24% ~6% Kommerziell ~ 12% PKW 12% EU 30% 70% RoW 4% Neuwagen 10% 90% Gebrauchtwagen 0,4% % der weltweiten CO 2 Emissionen Quelle: IEA (2005) CO 2 Emissions from Fuel Combustion

3 Gute Gründe für Alternative Antriebe

4 Technologieportfolio für eine nachhaltige Mobilität E.-Speicher Energie-Wandler Optimierung unserer Fahrzeuge mit modernsten Verbrennungsmotoren Weitere Effizienzsteigerung durch Hybridisierung Li-Ion Emissionsfreies Fahren mit Brennstoffzellenund Batteriefahrzeugen CGI BlueTec DIESOTTO HYBRID Range Extender Plug-In Battery-/E-Drive Fuel Cell Veh. Verbesserte Kraftstoffe Blue Efficiency GTL NGT Saubere Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren Energiequellen für die Mobilität der Zukunft H 2 Emissionsfreies Fahren

5 Daimlers Technologiepaket BlueEFFICIENCY Maßnahmen für konventionelle Antriebe und Fahrzeuge mit dem Ziel der Verbrauchs- und Emissionssenkung Leichtbau Luft- und Rollwiderstandsminimierung Direkteinspitzung Energiemanagement (Nebenverbraucher) Motor downsizing

6 Technologieportfolio für eine nachhaltige Mobilität E.-Speicher Energie-Wandler Optimierung unserer Fahrzeuge mit modernsten Verbrennungsmotoren Weitere Effizienzsteigerung durch Hybridisierung Li-Ion Emissionsfreies Fahren mit Brennstoffzellenund Batteriefahrzeugen CGI BlueTec DIESOTTO HYBRID Range Extender Plug-In Fuel Cell Veh. Battery-/E-Drive Verbesserte Kraftstoffe Blue Efficiency GTL NGT Saubere Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren Energiequellen für die Mobilität der Zukunft H 2 Emissionsfreies Fahren

7 Hybridisierungskonzepte: Serieller bzw. Paralleler Hybrid V E Drehmoment / Drehzahlwandlung über Generator Entfall Getriebe Energiewandlung Gesamtwirkungsgrad Alle Komponenten auf gleiche Höchstleistung dimensioniert werden Kosten, Bauraum Anzahl Aggregate (Verbrenner, e-motor, Generator) Kosten V E Kleinere Komponenten wegen Leistungsaddition Systemredundanz Fahrfähigkeit auch bei Ausfall e-drive Bei Integration des e-motors ins Getriebe: Herausforderungen bzgl. Bauraum, Umgebungseinflüsse durch Öl u. Temperatur

8 Definition Hybrid Antriebsstrang Elektrische Leistung / Systemspannung Elektrische Leistung I < 300 A I < 200 A I < 200 A I < 200 A I < 200 A Batteriekapazität 1-3 kw ca. 1 kwh 5-10 kw kw kw kw 40 kw + 12 Volt 42 Volt 96 Volt 144 Volt 192 Volt 288 Volt + Plug in Hybrid >5 kwh I < 200 A 2 kwh Starter/Alternator Mild Hybrid Full Hybrid Funktionen Nebenverbraucherversorgung Start - Stop Funktion für kleine Motoren Start - Stop Funktion für alle Motoren Anfahrunterstützung Boost Funktion Elektrisches Fahren

9 S400 Mild Hybrid Verbrennungsmotor: 3,5 lit. 6-Zylinder Otto Elektromotor: 15 kw Permanentmagnetmotor Verbrauch (NEFZ): 7,9 lit. /100 km CO 2 -Emission (NEFZ): 190 g CO 2 / km komb. Leistung: 299 PS komb. Drehmoment: 375 Nm Markteinführung (WEU): Mitte 2009 ML450 Full Hybrid Antriebskonzept: AHS-C Two Mode Hybrid, AWD, 250 kw, 450 Nm HV-Batterie: NiMH (2,4 kwh / 43 kw / 288 V) Ländervarianten: USA, Canada Verbrauch: 30 mpg Beschleunigung: 8,3s ( km/h) Markteinführung: Mitte 2009

10 Technologieportfolio für eine nachhaltige Mobilität E.-Speicher Energie-Wandler Optimierung unserer Fahrzeuge mit modernsten Verbrennungsmotoren Weitere Effizienzsteigerung durch Hybridisierung Li-Ion Emissionsfreies Fahren mit Brennstoffzellenund Batteriefahrzeugen CGI BlueTec DIESOTTO HYBRID Range Extender Plug-In Fuel Cell Veh. Battery-/E-Drive Verbesserte Kraftstoffe Blue Efficiency GTL NGT Saubere Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren Energiequellen für die Mobilität der Zukunft H 2 Emissionsfreies Fahren

11 Energiebilanz: Well-to-Wheel Ansatz 200 Internal Combustion Engines 175 GHG* Emissions [g CO 2 eq/km] Battery electric vehicle: small range and long charging time Battery electric vehicle (Fueled by 100% renewable electricity) Plug-in Hybrid with Fuel Cell (Fueled by 100% renewable electricity) Fuel Cell (Fueled by 100% H2 from fossil sources) Hybrid (Diesel) Hybrid (Gasoline) Diesel Gasoline Battery electric vehicle (Fueled by 100% electricity from EU-Mix) Fuel Cell (Fueled by 100% renewable H2) Costs for Transformation of Technology Source: EUCAR/CONCAWE "Well-to-Wheels Report 2004"; Optiresource, 2006 Reference vehicle class: VW Golf Energy Consumption Well-to-Wheel [MJ/100km]

12 CO 2 Emissionen im europäischen Vergleich

13 Vergleich Energie- und Leistungsdichte Weltweite Forschungsprogramme mit dem Ziel >200 Wh/kg Spez. Leistung / W/kg Derzeit keine naheliegenden Ansätze in der Pipeline NiMH Li-Ionen Spezifische Energie / Wh/kg heute > 2012 > 2017? V 160 km 180 km Reichweite für einen Smart im NEFZ

14 Fahrstatistik (Deutschland) Relative Häufigkeit <10 km 35 km Die häufigsten Fahrten betragen weniger als 10 km Die mittlere Fahrt geht etwa über 35 km Prinzipiell gute Voraussetzungen für Batterie-Fahrzeuge Fahrtstrecke Aber: Schnellladefähigkeit unbefriedigend

15 Lebensdauer Abhängigkeit von der Temperatur Kalendarische Lebensdauer [Jahre] Ultracap Temperatur [ C] Li-Ion Die kalendarische Lebensdauer von Ultra-Caps und Batterien ist auf Grund von elektrochemischen Sekundärreaktionen stark temperaturabhängig Der Batteriekühlung kommt entscheidende Bedeutung zu

16 Zyklenlebensdauer Abhängigkeit vom Entladehub Ultracap NiMH Li-Ion 100 Cycles State of Charge [%] Mit höherem Entladehub sinkt die Zyklenlebensdauer der Batterie

17 Reichweitenanforderungen und Ladehübe Benötigte Energie [kwh] EV Zyklen, Delta SOC = 90% Plug-In / Nfz-Hybrid 10 Full Hybrid Mild Hybrid Zyklen, SOC < 5% (Häufigkeit > 95%) Zyklen, SOC < 2% (Häufigkeit > 95%) Reichweitenforderungen

18 Fahrzeuge am Netz ( vehicle to grid ) Fahrzeug Batterie Erneuerbare Energien Konventionelle Stromerzeugung Ladestation ggf. PV Smart Meter / Laststeuerung Haushalt Konzept: Fahrzeuge puffern Stromspitzen / -senken durch Zwischenspeicherung Zyklenfeste Batterien sind erforderlich, um Einbußen an Lebensdauer zu vermeiden

19 Vorkommen und Produktion Lithium weltweit Globale Förderung von Lithium (2006) ca to, vor allem aus Salzseen in Süd-amerika Globale Lithiumreserven werden je nach Quelle zwischen 11mio to (USGS) und 30mio geschätzt. Der Großteil der Reserven liegt in Südamerika, laut USGS 50% der Weltreserven in Bolivien. Ausgangsmaterial Lithiumcarbonat (Li 2 Co 3 ) für Batterien wird größtenteils aus Salzseen gewonnen, Vorkommen in Form lithiumhaltiger Gesteine sind für Akkus heute nicht wirtschaftlich verwendbar. Große Vorkommen von Lithiumsalzen befinden sich in Chile (Salar de Atacama), Argentinien, Bolivien, den USA, Kanada, Australien, Simbabwe und China (Tibet). Aktuell werden nicht alle bekannten förderungswürdigen Vorkommen ausgebeutet; Die Uyuni Salt Pans in Bolivien werden bisher nicht zur Förderung von Lithiumsalzen genutzt. Quellen: US Geological Survey

20 smart ed Next Generation of Battery Electric Vehicle smart ed phase I smart ed phase III Technology demonstration from 2012 small Series smart ed phase 3: Increased power (41 kw 50 kw) Power +20% Acceleration +20% Range +35% Higher reliability Longer range (110 km 150 km) Improved freeze start ability Improved battery (Sodium-Nickel-Chlorid Li-Ion) [kw] [m/s 2 ] [km]

21 Energie- und Leistungsdichte bei Batterie / Brennstoffzelle Batterie: Kopplung zwischen Energie- und Leistungsdichte Hochleistungszelle: Dünne Elektroden für minimierten Massentransportwiderstand Ca. 30 µm Hochenergiezelle: Dickere Elektroden zur Maximierung der Packungsdichte des Aktivmaterials Ca. 200 µm Brennstoffzelle: Entkopplung zwischen Energie- und Leistungsdichte - Brennstoffzelle optimiert auf hohe Leitungsdichte - Minimierung des Massentransportwiderstands durch Dünnschichttechnologie C A ca. 50 µm

22 Kostenstruktur Stack Elektrode Source: Cost Analysis of PEMFC System for Transportation, NREL/Tiax, 2005 Stack ist langfristig die teuerste Komponente des BZ-Systems Kosten des Stacks im Wesentlichen durch die Elektroden bestimmt, v.a. durch den Platin-Katalysator Membran (Perfluorierte Sulfonsäure) ähnlich wie für Chlor-Alkali-Elektrolyse Membrankosten können bei Massenproduktion stark gesenkt werden

23 Platin Vorkommen und Reichweite Penikat Sudbury Norilsk/Talnakh Stillwater Jinchuan Source: Johnson Matthey Bushveld Complex Great Dyke Platinvorräte vor allem im südlichen Afrika (Südafrika, Simbabwe), insgesamt ca t 2005: >85% der Jahresproduktion (ca. 200 t) aus Südafrika und Russland Schmuck als Puffermarkt für indsutrielle Nachfrageschwankungen

24 Robustheit = Stabiler Betrieb über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen Temperatur: C Befeuchtung: 0.. >100% Betriebsdrücke: bara Einfluss auf Wasserhaushalt im Stack Ziel: Membran stets feucht, Gasdiffusionlagen (GDL) stets trocken Katalysatorschicht Lokale rel. Feuchte A C Membran h r = 100% GDL Lastspreizung: 1 kw bis >100 kw Lastspreizung Ziel: Möglichst stabiler Betrieb des Stacks über gesamten Leistungsbereich Druckabfall im Stack p max p min Volumenstrom / Stromdichte / Last

25 Synergien zwischen Brennstoffzelle und Batterie OCV U crit IU-Kennlinie einer Brennstoffzelle Schädlich Betriebsfenster Spannung P min P FC nicht sinnvoller Betriebsbereich ( P verlust > P last ) P max unerwünscht 0 Schädlich Strom Unterstützung durch Batterie

26 Zusammenfassender Status (Brennstoffzellen Stack)! Lebendauer Katalysator Leistungsdichte (kw/l) 100% Leistungskosten (kw/ ) Platin!! Lebensdauer Membran 0% Kaltstart Entfall Befeuchtung Hochtemperaturbetrieb (95 C) Entscheidende Handlungsfelder: Lastspreizung Erhöhung der Leistungsdichte bei reduzierter Platin-Beladung Verbesserung der Katalysator-Lebensdauer

27 Daimlers Brennstoffzellen Roadmap Bus Passenger Cars Lead Application Sprinter Generation 1 Technology Demonstration 2004 Generation 1 Technology Demonstration F-Cell Generation 1 Technology Demonstration Generation 2 Customer Acceptance 2010 Generation 2 Customer Acceptance B-Class F-Cell Generation 2 Customer Acceptance Future Generations 2013 Generation 3 Cost Reduction I Future Generations ~2015 Generation 4 Market Introduction Cost Reduction II ~2020 Generation 5 Mass Production

28 Zusammenfassung Nachhaltige Mobilität ist für Daimler ein hoher Wert Batterie- und BZ-Fahrzeuge sind derzeit der einzige Weg hin zu emissionsfreier Mobilität und Unabhängigkeit von fossilen Treibstoffen Stärken Beide Antriebe teilen zahlreiche technologische Gemeinsamkeiten und ergänzen sich Damit kann das ganze Spektrum der Mobilität abgedeckt werden Zügige Fortschritte in Richtung Kommerzialisierung sind zu verzeichnen Heraus- Forderungen BEVs: Entwicklung preiswerter Hochenergie / Hochleistungszellen FCVs: Aufbau der Infrastruktur erfordert private u. öffentliche Partnerschaften Es gibt keine Einheitslösung für nachhaltige Mobilität bei vertretbaren Kosten

29 Vielen Dank!