Elektrifizierung der Antriebe Dr. Jörg Wind

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1 Dr. Jörg Wind Manager - Strategische Energieprojekte und Marktentwicklung BZ / EV

2 Globale Trends Begrenzte Ressourcen Steigende Mobilität Regularien, CO2, Verbrauch, Sicherheit Megacities Top 5 Ranking $/Barrel /2009: ~$50? London 6,5 New York 5,5 Tokio 5,2 Paris 4,0 Berlin 2,4 Tokio 35,0 Mexico City 18,7 New York 18,3 Sao Paulo 17,9 Bombay 17,4 Tokio 36,2 Bombay 22,6 Delhi 20,9 Mexico City 20,6 Sao Paulo 20,0 City-Maut London Daily Fee: Quelle: Bronger (1996) 2

3 Unterschiedliche Nationale Regularien Schwierig zu händeln für die OEMs. Deswegen unterstützt Daimler die Angleichung von Standards und Vorschriften! Euro bzw Euro/Jahr Belgium CO 2 -related taxes Euro bzw Euro/Jahr Benziner Diesel France - Diesel & Gasoline g => g => 519 Nationale Hebel: Steueranreize (z.b. France) Extrem hohe Besteuerung (z.b. UK) Kennzeichnung (z.b. Niederlande) g => Euro bzw Euro g CO2/km g => F - CO2 Car Tax Biz only Portugal - ISV (Imposto Sobre Veiculos) P - CO2 Gas Car Tax P - CO2 Diesel Car Tax Euro bzw Euro/Jahr Österreich (NoVa neu + Bonus/Malus) g CO2/km UK - Diesel Car Ownership Tax Priv/Biz 4000 UK - Diesel Biz bik (benefit in kind) 400 Niederlande - Diesel UK - Diesel Biz bik + Car Tax + LCC(2009) W204 Diesel g grünes Label C und kein g CO2/km Bonus/Malus bei g CO2/km W211 Diesel g Euro bzw Euro/Jahr Benziner NoVa + Bonus-Malus Diesel NoVa + Bonus-Malus Euro/Jahr 6000 UK - Diesel (Commercial Accounts) planned g - 226g => 6150 London Congestion Charge + Ownership tax + Benefit in kind (biz) Benefit in kind (biz) + Ownership tax NL W204Diesel-Gesch.&Priv. NL W211Diesel-Gesch.&Priv g CO2/km Ownership tax g CO2/km 260 3

4 Entwicklung der Fahrleistungen und Emissionen 700% 600% Einführung Dreiwege-Katalysator Basis-Szenario Fahrleistungen 500% 400% CO 2 300% HC 200% 100% CO NO x PM Straßenverkehr Deutschland 0% Emissions-Gesetzgebung PC EURO1 EURO2 EURO3 EURO4 Emissions-Gesetzgebung CV EUO EU1 EURO2 EURO3 EURO4 EURO5 Durch zahlreiche technische Verbesserungen konnte eine signifikante Reduktion der Umweltbelastung trotz steigender Fahrleistungen erreicht werden Quelle: Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH - TREMOD 4

5 Energie Bilanz Well-to-Wheel Klassifizierung Elektrifizierung der Antriebe Treibhausgasemissionen [g CO 2 eq/km] Brennstoffzelle: hohe Reichweite (>400km), kurze Betankungszeit (3 min), Anwendbar für verschiedene Fahrzeugtypen Batterie: idealer Einsatz in Kleinwagen für den Stadtverkehr ( km), Aufladung über Nacht 200 Verbrennungsmotoren Batteriefahrzeuge haben eine geringe Reichweite und lange Ladezeit Batteriefahrzeug (Betrieb mit Strom aus 100% erneuerbaren Energiequellen) Plug-In Hybrid mit BZ (Betrieb mit Strom aus 100% erneuerbaren Energiequellen) BZ-Fahrzeug (Betrieb zu 100% mit H2 aus fossilen Quellen) Batteriefahrzeug (Betrieb mit Strom aus 100% EU-Mix) Technologiewechsel Hybrid (Diesel) Hybrid (Benzin) 190 Diesel Benzin BZ-Fahrzeug (Betrieb zu 100% aus erneuerbar gewonnenem H2) Quelle: EUCAR/CONCAWE "Well-to-Wheel Report 2004"; Optiresource, 2006 Referenzklasse: VW Golf Transformationskosten der Technologien Quellen: EUCAR/CONCAWE "Well-to-Wheels Report 2004"; Optiresource, 2006 Referenzklasse: VW Golf Energieverbrauch Well-to-Wheel [MJ/100km] *GHG: Green House Gas Zur Erreichung umweltpolitischer Ziele im Verkehrsbereich muss ein generelles Umdenken erfolgen 5

6 Roadmap für nachhaltige Mobilität Optimierung der Fahrzeuge durch Hightech Verbrennungsmotoren Weiteren Effizienzsteigerung durch Hybridisierung Emissionsfreies Fahren mit BZund Batteriefahrzeugen BlueEFFICIENCY CGI BlueTEC DIESOTTO HYBRID Range Extender Plug-In Brennstoffzelle Batteriesysteme Energiequellen für die Mobilität der Zukunft H 2 Saubere Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren Emissionsfreies Fahren 6

7 Faktoren für die Entstehung von CO2 in einem PKW 10% Gewicht 8% Andere: 46% Motor 29% physische Effizienz (nicht optimierbar) 17% Reibung / Verbrennungsprozess etc. (optimierbar) Klimatisierung, Elektronik, Lenkung 11% Luftwiderstand 13% Getriebe 12% Rollwiderstand Daten für Mittelklasse-Segment (3-Liter Benzin-Motor RWD NEFZ) 7

8 Kontinuierliche Verbesserung der Verbrennungsmotoren: Potentiale der Diesel- und Benzin-Motoren Dieselmotor Eigenschaften Benzinmotor Eigenschaften + Verbrauch + Emissionen - Emissionen - Verbrauch Schlüsseltechnologien: - Einspritzungssystem - Verbrennungsprozess - Homogenisierung - Turbolader - Abgasnachbehandlung Schlüsseltechnologien: - Direkteinspritzung - Aufladung - Reibungsreduzierung - Motorkühlungs-Management Ziel - Benziner so effizient wie Diesel-Motoren - Diesel so sauber wie Benzin-Motoren 8

9 Zukünftige Mobilität durch Elektrifizierung des Antriebstrangs Elektrifizierung der Antriebe Verbrennungsmotor (Benzin/Diesel) Hybride Elektrisches Fahren emissionsfrei Grad der Elektrifizierung Stop/ Start (RSG) Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In Hybrid (parallel) Plug-In Hybrid (serial/ Range Ext.) Brennstoffzelle Batterie 0% 100% S-Klasse Hybrid 9

10 Modulare Hybrid Technologien Powertrain- Integration Energiespeicherung Hochleistungselektronik Hybrid Getriebe Vereinigung von Fachwissen und Ressourcen Steigerung der Effizienz durch Hybridisierung S 400 HYBRID mit Lithium-Ion Batterie ML 450 HYBRID Two Mode Citaro G BlueTec Hybrid Stadtbus Hybrid LKW 10

11 Das Potential der Hybridisierung Mobilitäts-Szenario Hybrid Fahrzeuge: Größten Vorteile im Überland- & Stadtverkehr S 400 HYBRID ML 450 HYBRID Vorteile Komfortable Start-Stop Technologie Bessere Fahrleistungen Rekuperation der Bremsenergie Besseres Energiemanagement Verbesserte Kraftstoffeffizienz 11

12 500 Daimler Hybrid Busse für New York Die größte Bestellung von Hybrid-Bussen in der Geschichte 1600 Daimler Hybrid Busse in Nordamerika Vorteile für Mensch und Umwelt: Verglichen zu herkömmlichen Diesel-Motoren, erreichen Hybrid-Fahrzeuge im urbanen Verkehr eine: signifikante Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs (25-30 % weniger) starke Reduzierung der Emissionen: 90% geringerer Feinstaub-Ausstoß 40% weniger NOx 30% geringere Treibhausgas-Emissionen bessere Beschleunigung ruhige Fahrt ohne Schaltvorgänge 12

13 Herausforderungen der Batterie-Technologie Technologie Kosten Infrastruktur Leistungsdichte Energiedichte Lebensdauer Schnellladefähigkeit Leistung bei Niedrigtemperaturen Materialien Electric Drive Leistungselektronik Infrastruktur Kühlung Zuverlässige Technologie Herstellung zu konkurrenzfähigen Preisen Verfügbarkeit Errichtung einer flächendeckenden Infrastruktur 13

14 Daimlers Batteriefahrzeug-Historie BR 308E ? BR 451 ev 1972 LE BR 307E MB 410E W123 + MB W168 A-Klasse 1993 Vision A W ff Transporter 308E + V108E 1993 W202 14

15 Die Entwicklung des smart ev zum Serienfahrzeug smart ev Phase 1 smart ev Phase 2 smart ev Phase 3 Phase 1 Stückzahl: 100 Zeitraum: Verwendung: Einsatz als Pool-Fahrzeuge für ausgewählte Unternehmen Einsatzgebiet: Großraum London Phase 2 Metropolenkonzept Stückzahl: ca Zeitraum: Verwendung: Fahrzeuge für ausgewählte Kunden Einsatzgebiet: Ballungszentren in Europa und den USA Phase 3 Serienproduktion Stückzahl: xx.000 jährlich; xx.000 Insgesamt Zeitraum: Verwendung: Serienfahrzeuge für Firmen- und Privatkunden Einsatzgebiet: Europa und Nordamerika 15

16 Flotteneinsatz des smart ev in London Die Daimler AG startete 2007 ein Projekt mit 100 batterieelektrischen smart electric drive in London. Die Autos sind bei einer Vielzahl von Kunden im Einsatz. Key Facts Die Fahrzeug-Flotte basiert auf dem ersten smart fortwo-modell Fahrzeuge werden in Kooperation mit Mercedes-Benz UK an Kunden verleast (4 Jahre Laufzeit) Die smart ed Fahrzeuge sind von der London City Maut befreit! Sehr positives Feedback der Kunden the car is fabulous couldn t be better! (smart electric drive Kunde in London) Fahrzeugdaten smart ed I Dauerleistung: Max. Geschwindigkeit: Beschleunigung: Reichweite: 30 kw / 41 PS 100 km/h 11,5 s (0-100 km/h) ca. 100 km Quelle: Daimler 16

17 Die nächste Generation des smart for two electric drive Technische Daten Fahrzeugtyp Antrieb Verbrauch Reichweite Höchstgeschw. Beschleunigung Batterie smart fortwo (BR451) Permanenterregter Synchron- Elektromotor Leistung (Continuous / Peak): 35 kw / 50 kw Max. Drehmoment: 130 Nm ~ 13 kwh / 100km 150 km (100 miles) 125 km/h (78 mph) 11,5 s (0-100 km/h) Flüssiggekühlte Li-Ionen-Batterie, Leistung (Continuous / Peak): 35 kw / 55 kw; Kapazität: 17.6 kwh 17

18 Aufbau einer Ladeinfrastruktur für Batteriefahrzeuge Investitionen [Mrd. ] Annahmen: Ladestationen 1, Ladestationen davon und öffentlich privat Anzahl Fahrzeuge An öffentlichen Ladestationen Aufladung von zwei Batteriefahrzeugen gleichzeitig möglich. Kurzfristig werden Fahrzeuge hauptsächlich zuhause und/oder am Arbeitsplatz geladen. Für Kunden ohne eigenen Stellplatz (ca. 40 %) müssen mittelfristig Ladestationen im öffentlichen Parkraum geschaffen werden. Private Stellplätze und Parkplätze am Arbeitsplatz können kostengünstig mit Lademöglichkeiten ausgestattet werden Ladeinfrastruktur an der Strasse nur durch staatliche Lenkungsmaßnahmen darstellbar Spezifische Ladeinfrastrukturkosten pro Fahrzeug steigen mit zunehmendem Grad der Abdeckung (privat & öffentlich) Die Kosten für eine Ladeinfrastruktur steigen proportional zum Fahrzeugabsatz 18

19 Strom-Mix in Deutschland bis 2020 Projektion der Entwicklung des Strom-Mix in Deutschland bis 2020: in 10 Jahren Verringerung der Kernkraft von 21% auf 5% (energieintensiv aber wenige Emissionen) Der Anteil der Kohle steigt leicht (aber Verbesserung der Prozesse und Steigerung der Wirkungsgrade) Der Anteil des durch Erdgas erzeugten Stroms steigt (GuD). Steigerung der erneuerbare Energien (insbesondere Wind, Wasser bleibt konstant) 35% Anteil an der Energieerzeugung in Deutschland 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% - 16% -2% + 4% Kernenergie Steinkohle Braunkohle Erdgas Wasser Wind Andere Erneuerbare + 8% + 1% + 4% + 1% Der Rückgang der Kernenergie kann durch den Ausbau der regenerativen Energien nicht aufgefangen werden Quelle: BMWi / Energiewirtschaftliche Referenzprognose Energiereport IV EWI/Prognos 19

20 Herausforderungen der Brennstoffzellen-Technologie Technologie Kosten Infrastruktur Leistungsdichte Kühlsystem H2-Speicherung Lebensdauer Kaltstartfähigkeit Brennstoffzellen-System & -Stack Elektromotor H2-Tanksystem Infrastruktur Wasserstoff-Kosten Zuverlässige Technologie Herstellung zu konkurrenzfähigen Preisen Verfügbarkeit Errichtung einer flächendeckenden Infrastruktur 20

21 Marktvorbereitung - Weltweite Flottenerprobung Elektrifizierung der Antriebe Daimler ist Pionier bei der Entwicklung der Brennstoffzelle und besitzt langjährige Erfahrung (seit 1994) Weltweiter Flottenbetrieb unterschiedlicher Fahrzeuge in Demoprojekten Motivation zu H 2 -Infrastruktur California Fuel Cell Partnership MBUSA European Bus Project HyFLEET:CUTE MB NL Berlin National Innovation Program H2 and Fuel Cell Germany Bus Project Beijing China European Zero Regio Project Clean Energy Partnership Germany JHFC Program Japan MBJ DoE Program USA 60 F-Cell Fahrzeuge im Kundenbetrieb 36 Busse (Citaro) in Europa, Australien, China 3 Sprinter mit UPS Europa, USA DSEA Sinergy EDB Project Singapore Bus Project STEP Perth, Australia km h km h km h 21

22 Daimlers Brennstoffzellen-Aktivitäten Bus PKW Haupteinsatzfeld Sprinter Generation 1 Technologiedemonstration 2004 Generation 1 Technologiedemonstration F-CELL Generation 1 Technologiedemonstration Generation 2 Kundenakzeptanz 2009 Generation 2 Kundenakzeptanz B-Klasse F-CELL Generation 2 Kundenakzeptanz Zukünftige Generationen 2012 Generation 3 Kostenreduzierung I Zukünftige Generationen 2015 Generation 4 Markteinführung Kostenreduzierung II 2020 Generation 5 Massenproduktion Daimler ist engagiert Brennstofffahrzeuge zu kommerzialisieren 22

23 Daimler B-Klasse F-CELL Die nächste Generation der Brennstoffzellenfahrzeuge A-Klasse F-CELL B-Klasse F-CELL Größe (BZ-System) - 40% Leistung +30% Verbrauch -16% Reichweite +150% B-Klasse F-CELL Höhere Lebensdauer BZ-Stack >2000h Verbesserte Leistung (65kW 100kW) Höhere Zuverlässigkeit Höhere Reichweite (160km 400km) [l] [kw] [l/100km] [km] Verbesserte Kaltstartfähigkeit Lithium-Ionen Batterie 23

24 Die nächste Generation von BZ-Fahrzeugen Driving the Future wird Realität in 2009/2010 Technische Daten Fahrzeug BZ-System Motor Kraftstoff Reichweite Höchstgeschwindigkeit Batterie Mercedes-Benz B-Klasse PEM, 80 kw (108 PS) Output (Continuous/ Peak) 70kW / 100kW (136 PS) Max. Drehmoment: 320 Nm Komprimierter Wasserstoff (700 bar) 400 km 170 km/h Li-Ion, Output (Continuous/ Peak): 24 kw / 30 kw (40 PS); Kapazität 6.8 Ah, 1.4 kwh Kurze Betankungszeit und hohe Reichweite Brennstoffzellenantrieb auch für größere PKW und Nutzfahrzeuge anwendbar Stärken Keine Treibhausgas-Emissionen Effiziente Nutzung von Energie Unabhängigkeit vom Rohöl Dynamik und Komfort mit dem Elektroantrieb Geringe Geräuschentwicklung Herausforderungen Hohe Komponentenkosten Umweltfreundlich hergestellter Wasserstoff H2-Infrastruktur noch nicht vorhanden Der Schwerpunkt des F-CELL B-Klasse Flotteneinsatzes: Erhöhung der Kundenakzeptanz 24

25 Technisches Design des aktuellen Mercedes-Benz Fuel CELL Citaro Das Fahrzeug basiert auf dem Mercedes-Benz Citaro Serienmodell (12 m Version) Bis auf die Höhe (3,70 m) bleiben die Außenabmessungen unverändert. Diese fällt aufgrund des BZ-Systems und den Lüftern des Kühlsystems höher aus. Zusätzliche 3 Tonnen Gewicht aufgrund des Brennstoffzellen-Systems. Das Fahrwerk wurde auf das höhere Gewicht angepasst Webasto Klimaanlage Technische Daten: ZF Automatik Getriebe Komponenten Saminco Wechselrichter, etc. Reuland Elektromotor Modine Luftkühler Ballard BZ-Module (> 125 kw gross power each) Ballard BZ-Versorungs-Einheit Dynetek H 2 Tanks (350 Bar, 40 kg H2, Al-Liner, Kohlefaser) Leistung BZ: > 250 kw Antriebsleistung: 205 kw Getriebe: 6-Gang Automatik Getriebe Tank Kapazität: > 40kg H 2 bei 35 MPa Reichweite: > 200km V max : max. 80 km/h Gewicht leer / beladen: 14.2 tonen / tonen Max. Plätze: 70 25

26 H 2 Erzeugungsmöglichkeiten mit Potential zu signifikanten Kapazitäten Erdgas Reformierung Kurzfristig verfügbare Produktionskapazitäten in der Petrochemie vorhanden Moderate CO 2 -Reduzierung Biomasse Vergasung Erneuerb. Strom Elektrolyse Kernenergie Elektrolyse CO 2 -Neutralität Nachhaltigkeit, Reduzierung von Abhängigkeiten Konkurrenz zw. verschiedenen Verwendungsmöglichkeiten (Biokraftstoffe, stationäre Verwendung) Zahlreiche Offshore-Windparks in Planung Wasserstoff ist ein Speicher für überschüssigen Strom Gute Energie- und CO2-Bilanz Gute CO 2 -Bilanz Verstärkter Trend zur Erweiterung der Kernenergie-Kapazitäten (in vielen Ländern) Sehr ungünstige Energiekette und begrenzte Ressourcen Kohle Vergasung Größte fossile Energieressource Nur nutzbar, wenn CO 2 -Sequestierung technisch und wirtschaftlich machbar Wasserstoff als Nebenprodukt In bestimmten chemischen Prozessen (solche wie Chlor Alkali Elektrolyse) wird Wasserstoff als Nebenprodukt gewonnen Kurzfristige Produktionskapazität in der chemischen Industrie Geringer Energieeinsatz und Kosten, moderate CO 2 -Reduzierung, begrenzte Kapazitäten In der Markteinführungsphase von BZ-Fahrzeugen kann der H 2 -Bedarf im Wesentlichen durch Wasserstoff aus der Erdgas-Reformierung und als Nebenprodukt aus der chemischen Industrie gedeckt werden. Schrittweiser Wechsel zu regenerativem Wasserstoff 26

27 Aufbau einer H2-Infrastruktur in Deutschland Elektrifizierung der Antriebe Die Demo-Infrastruktur ist nicht ausreichend für die geplante Kommerzialisierung von Brennstoffzellenfahrzeugen Für eine volle Kundenakzeptanz ist ein flächendeckendes und ausreichendes Tankstellen-Netz notwendig Eine detaillierte betriebswirtschaftliche Analyse des Aufbaus einer H2-Infrastruktur in Deutschland wurde erarbeitet Groß 150 TS Mittel Klein 500 TS 1000 TS Aufbau H 2 -Infrastruktur Machbarkeitsstudie: H2-Infrastruktur Investitionen [ ] Ergebnis Flächendeckender Aufbau einer H2-Infrastruktur in den nächsten ca. 10 Jahren (1.000 Tankstellen in Deutschland) Für den Aufbau sind Investitionen von weniger als 2 Milliarden notwendig Startinvest für eine Minimalinfrastruktur Anzahl an Fahrzeugen H 2 -Infrastruktur benötigt Anfangsinvestitionen Aktivitäten Bestimmung von Möglichkeiten den Business Case positiver zu gestalten, z.b. Subventionen für H2 und / oder H2-Tankstellen Durchführung einer Analyse, um die Anforderungen für den Aufbau von Tankstellen zu bestimmen Übertragung des Business Case auf andere Märkte 27

28 Signifikante Kostenreduzierung der Brennstoffzellen- Technologie Kosten pro Antriebsstrang Etablierung einer wettbewerbsfähigen Zulieferlandschaft Technologiefortschritt Zunahme Produktionsvolumen Heute Ziel Markteinführung Zukünftiger ICE Antriebsstrang Eine Reduzierung der Gesamtkosten um zwei Größenordnungen ist notwendig, um konkurrenzfähig zu werden. 28

29 Optimales Mobilitätsszenario Bedarf eines innovativen Antriebsportfolios Elektrifizierung der Antriebe Mobilitätsszenarien Anforderungen an die Mobilität von morgen Langstrecke Überlandverkehr Stadtverkehr Verbrennungsmotor Hybridisierung Plug-In/Range Extender Elektroantrieb Brennstoffzellenantrieb 29

30 Vorraussetzungen für Nachhaltige Mobilität Elektrifizierung der Antriebe Primärenergie aus erneuerbaren Energiequellen Flächendeckende Wasserstoff- und Ladeinfrastruktur Weltweite Angleichung von Regularien & Gesetzgebung für Fahrzeuge Finanzielle Anreize für Kunden und Hersteller 30

31 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 31