Elektromobilität Was ist heute möglich?

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1 Elektromobilität Was ist heute möglich? Seminar der Union Investment Offenburg, Professur für Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

2 Globale Herausforderung CO 2 7

3 Grafik: Wuppertal Institut Leistung in GW Grundprinzip der elektr. Energieversorgung: Erzeugung muss gleich Verbrauch sein Anteil fluktuierender Stromerzeugung an Gesamterzeugung: 83% Stunde des Jahres Laufwasser Wind onshore Wind offshore PV Last Residuallast PV: 151 GW, Wind onshore: 82 GW, Wind offshore: 20 GW, Stromverbrauch: 602 TWh, FEE-Anteil: 83 % 8

4 visdia/ Fotolia Thecrygroup / Wikimedia Commons Imaginis / Fotolia Visual Concepts / Fotolia Flexible Erzeugungstechnologien (Nettostromerzeuger) Concentrated Solar Power mit Speicher Flexible konventionelle Kraftwerke Stromgeführte KWK- Anlagen Geothermie mit Speicher Bedarfsgesteuerte Biogasanlagen 9

5 Markus Gössing / Fotolia coppiright / Fotolia Vladislav Kochelaevs / Fotolia Gert Skriver / Wikimedia Commons vege / Fotolia exclusive design / Fotolia Andrei Merkulov / Fotolia Petair / Fotolia Hanno Böck / Flexibilitätstechnologien zur zeitlichen oder räumlichen Verschiebung Demand Side Management (Haushalte) Demand Side Management (Industrie) Doppelnutzenspeicher Power-to-Gas (Chemicals) Netzausbau Power-to-Heat Speicher Intelligente Netze Abschaltung von EE-Anlagen 10

6 Herausforderung 1: Bedarfsspitzen und schnelle Leistungsänderungen 11

7 Residuallast [GW] Überschuss Zusätzlicher Bedarf 100 Bedarfsspitzen Schnelle Leistungsänderungen -100 ca. 6 Wochen Stunde des Jahres PV: 151 GW, Wind onshore: 82 GW, Wind offshore: 20 GW, Stromverbrauch: 602 TWh, FEE-Anteil: 83 % 12

8 Petair / Fotolia Vladislav Kochelaevs / Fotolia User:LSDSL / Wikimedia Commons Kurzzeitige Flexibilität Option 1 Flexible Erzeuger wie Gasturbinen (Erdgas, Biogas, Wasserstoff) Weitere Erhöhung der Flexibilität bis 2050 erwartet Option 2 Batteriespeicher Wichtige Technologie für die Transformationsphase des Stromsystems Option 3 Demand-Side-Management in Haushalten (inkl. Elektrofahrzeuge, PV-Speichersysteme, Haushaltsverbrauch & Wärmebedarf) und in der Industrie Sehr hohe Potenziale für 2050 erwartet. Kostengünstig, da wenig zusätzlicher Invest. 13

9 Herausforderung 3: Zeitweise hohe Überschüsse aus fluktuierender Erzeugung 14

10 Residuallast [GW] Überschuss Zusätzlicher Bedarf Verwendung von Überschüssen Stunde des Jahres PV: 151 GW, Wind onshore: 82 GW, Wind offshore: 20 GW, Stromverbrauch: 602 TWh, FEE-Anteil: 83 % 15

11 Leistung [GW] Geordnete Residuallast Ist S2-45 % FEE S1-57 % FEE S3-67 % FEE S7-68 % FEE S8-79 % FEE S6-83 % FEE S5-91 % FEE S4-95 % FEE Stunden 16

12 Stunden mit Überschüssen Überschüsse für Power-to-Gas- Anwendung erst bei hohen EE-Anteilen Überschussenergie [TWh] % 20% 40% 60% 80% 100% Anteil fluktuierender Erneuerbarer % 20% 40% 60% 80% 100% Anteil fluktuierender Erneuerbarer 17

13 Wie können Überschüsse verwendet werden? Vladislav Kochelaevs / Fotolia coppiright / Fotolia Hanno Böck / vege / Fotolia Option 1 Speicherung Wenn Speichereinsatz ökonomisch sinnvoll Option 2 Elektrische Wärmeerzeugung (Power-to-heat in Hybridheizsystemen) Sehr hohes Potenzial, geringe Investitionskosten Option 3 Erzeugung von Stoffen und Gasen zur Verwendung außerhalb des Stromsektors (Power-to-X, z.b. Wasserstoff ) Hohe Stundenzahl mit Überschüssen für wirtschaftlichen Betrieb notwendig (frühestens bei >80% Stromerzeugung aus PV und Wind) Option 4 Abregelung Wirtschaftlich, wenn Investkosten für Alternativnutzung zu hoch 18

14 Elektro- und Hybridfahrzeuge auf dem Vormarsch Strom aus CO 2 -freien Quellen über Batterien für Fahrzeuge ist der effizienteste Weg zur Reduktion der CO 2 -Emissionen im Straßenverkehr Quelle: BMW Quelle: Smart Quelle: Tesla Motors Quelle: BMW Quelle: Daimler Folie 19

15 Flächenverbrauch Biotreibstoff vs. Elektroantrieb Ertrag aus Biomasse der 2. Generation BTL (erwartet): km/ha/jahr Ertrag aus Photovoltaik in Deutschland: km/ha/jahr Annahmen: Einstrahlung in Deutschland: 1000 kwh/m 2 /a, Photovoltaik mit 10% Wirkungsgrad, Flächenbelegung 1/3, Fahrzeugverbrauch 20 kwh / 100 km, Wirkungsgrad Netz & Fahrzeug 60% 16x höherer Fahrleistungsertrag mit PV gegenüber Biomasse Folie 20

16 Energieeffizienz Brennstoffzellen- vs. Elektrofahrzeug Ausgangspunkt: elektrischer Strom (aus CO 2 -freier Quelle) Nutzungsgrad bei Brennstoffzellenfahrzeugen: 25 30% Quelle: Daimler Quelle: BMW Nutzungsgrad bei batteriegetriebenen Elektrofahrzeugen: 70 75% Eingangsenergiebedarf bei Wasserstoffnutzung etwa 2,5 x höher als bei Elektrofahrzeugen Wasserstoffnutzung im Verkehrssektor verschlechtert CO 2 -Bilanz Folie 21

17 Vielzahl von Materialkombinationen im Kern aber gleiche Funktionalität Entladung LiMO 2 R e - e - Graphit Sauerstoff Li + LiC 6 Metall-Ion Graphit Separator Li + Li + Graphik: Saft POSITIVE Elektrolyt & Separator NEGATIVE Folie 22 22

18 sicher sicher sicher Thermal runaway Lithium plating sicher Thermal runaway Vielzahl von Materialkombinationen ergeben hohe Eigenschaftenvarianz Negative 4.2 V (voll geladen) Positive C 6 / LiMeO 2 (Me = Co, Ni, Mn, Al) 3.6 V (voll geladen) C 6 / LiFePO 4 0 V 1 V 2 V 3 V 4 V 2.7 V (voll geladen) Potential vs. Li/Li + [V] LTO / LiMeO V (voll geladen) LTO / LiFePO 4 23

19 Preise sind stark gesunken aber wo liegen die Kosten? Ziele weltweit führender Länder für das Erreichen von Kosten ( /kwh) großformatiger LIB-Zellen (Einsatz in BEV/PHEV), publiziert Ende 2012 Quelle: Technologie-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 eigene Einschätzung: Preise sind schneller gesunken, als in der NEDO-Schätzung Consumer-Zellen noch günstiger (siehe TESLA) 24

20 Energiedichten von Li-Ionen-Batterien bis 2020 Ziele weltweit führender Länder für das Erreichen von Energiedichten (Wh/kg) großformatiger LIB-Zellen (Einsatz in BEV/PHEV) eigene Einschätzung: DOE-Schätzung liegt gut Quelle: Technologie-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030 Folie 25 25

21 Weitere Technologien mit Potential Li/S Li/O 2 Technologien sind möglich Deutliche Fortschritte in den letzten 2 Jahren Grundlegende Fragen bleiben: Lebensdauerziele erreichbar? Sicherheit erreichbar? Leistungsdichten erreichbar? Hybridlösungen Realistisch im Fahrzeug wenn Fragen gelöst werden: LiS ab 2025 LiO 2 nach 2025 Time to market von mehr als 15 Jahren bedeutet: Es ist unklar, ob es klappen wird. Wettbewerb mit Brennstoffzellen Folie 26 26

22 3. Li-Ion-Batterien werden länger die Elektromobilität dominieren µ-hybride 48 V Bordnetz Mild- und Voll-Hybridfahrzeuge werden auch längerfristig heutige Technologien nutzen Plug-in Hybridfahrzeuge Elektrofahrzeuge bis 150 km Elektrofahrzeuge > 300 km können mit heutiger Technologie realisiert werden höhere Energiedichten notwendig (vor allem wegen Kosten) Lithium-Luft-Batterien Theoretische Energiedichte von Lithium > 13 kwh/kg (ohne Sauerstoff) Praktische Energiedichte von 1 kwh/kg wäre prima! (incl. Sauerstoff) 27

23 Kostenprognose für Li-Ion Batteriepacks Studie der Bank UBS von Aug US$ / kwh Quelle: UBS, August 2014 Prof. Sauer Folie 28

24 Kostenprognose für Li-Ion Batteriezellen und -packs Studie von UBS (Aug. 2014) Quelle: UBS, August 2014 Folie 29 Prof. Dr. Sauer Dirk Uwe Sauer Folie 29

25 TESLA-Giga-Factory Prof. Dr. Sauer Dirk Uwe Sauer Folie 30

26 TESLA-Giga-Factory Prof. Dr. Sauer Dirk Uwe Sauer Folie 31

27 Zyklenlebensdauern sind mittlerweile sehr gut C act /C BOT 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0, Vollzyklen Full Cycle 25 C Full Cycle 40 C Full Cycle 60 C C act /C BOT 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0, t/days T = 50 C 20% SOC CV 50% SOC CV 80% SOC CV 100% SOC CV Ergebnisse verschiedene Zellen von unterschiedlichen Herstellern mit unterschiedlichen Kathodenmaterialien Alle Zellen erreichen vor allem im teilzyklischen Betrieb hohe Energieumsätze Hohe Sensibilität auf Temperatur und hohe Ladezustände 32

28 Optimierung des Batteriemanagement Vollladen erst dann, wenn es notwendig ist Kommunikation mit Kunden, automatische Evaluierung der Nutzungsprofile Nachladung abhängig vom aktuellen Ladezustand und absehbarem Bedarf Vermeidung von Zyklisierung über kritische Zustände hinweg (Phasenwechsel) Asymmetrische Belastung von Batteriepacks in modularen Systemen mit Kriterium Maximierung der Gesamtlebensdauer Kundenspezifische Ausnutzung der vorhandenen Kapazität kein festgelegter und limitierter SOC-Nutzungsbereich On-board-Modelle für Zustandsbestimmung der Batterie z.b. für alterungsminimierendes Laden 33

29 Fahrzeugbatterien werden Netzdienstleistungen erbringen Zyklenlebensdauer bei kleinen Zyklentiefen weit höher als für Fahrbedarf notwendig Serviceleistung für das Netz können angeboten werden und Zusatzertrag erlösen 34

30 Zukunft des Hausenergie- und Mobilitätsangebotes Haushalte werden in Zukunft nicht mehr Strom, Gas, Benzin oder Kommunikation kaufen. Die Zukunft gehört den individualisierten Versorgungspauschalangeboten mit Contracting-Komponenten: Thermische Renovierung von Wohnung oder Haus Erschließung von Energieeinsparpotentialen Bau von Photovoltaikanlagen Umstellung der Heizungssysteme Integriertes Angebot für Kommunikationsanschluss Energieversorgung für Elektrofahrzeug ALLES AUS EINER HAND und der Anbieter nutzt dann auch die Vermarktungsmöglichkeiten der Flexibilität Folie 35 35

31 Zu guter Letzt Warum wächst die Zahl der Zulassung von Elektrofahrzeugen noch so langsam? Fahrzeuge sind bei gleichem oder geringerem Kundennutzen teurer als konventionelle Fahrzeuge Kundengruppen, die am meisten von Elektrofahrzeugen profitieren würden, werden noch zu wenig adressiert Druck durch CO 2 -Vorgaben ist noch schwach, weil durch konventionelle Maßnahmen noch lösbar E-Fahrzeuge sind eine teure Investition und es gibt keine langjährigen Erfahrungen Kunden haben Angst wegen der begrenzten Reichweiten Folie 36 36

32 Elektromobilität Was ist heute möglich? Seminar der Union Investment Offenburg, Professur für Elektrochemische Energiewandlung & Speichersystemtechnik Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA) und Institute for Power Generation and Storage Systems E.ON ERC Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen