Antriebstechniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen: Batterie und Brennstoffzelle

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1 Antriebstechniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen: Batterie und Brennstoffzelle Dr.-Ing. Sven Schmitz (Volkswagen AG)

2 Treiber für die Elektrifizierung Gesellschaft: - steigendes Umwelt- und Kostenbewusstsein - Klimaveränderungen - Lobbyisten Gesetzgebung: - Emissionen / Verbrauch - Incentives / Steuervorteile - Fahrverbote / City-Maut - ZEV-Gesetz alternative Antriebe / Elektrifizierung Energiewirtschaft: - Kraftstoffverfügbarkeit u. lokale Abhängigkeiten - Ressourcenverknappung - Rückgang Ölfördermenge Wettbewerb: - verstärkte Aktivitäten - zunehmend Einführung von Serienfahrzeugen - Positionierung.

3 Rohstoffe Rohstoffe Energie (-träger) Energie (-träger) Kraftstoffe Kraftstoffe BtL BtL CtL CtL GtL GtL fossil fossil Uran Uran Antriebe Antriebe Brennstoffzelle Brennstoffzelle Batterie/ E-Motor Batterie/ E-Motor konventionelle Antriebe (ICE) konventionelle Antriebe (ICE) Benzin/Diesel Benzin/Diesel Erdgas Erdgas Erdöl Erdöl Kohle Kohle Strom Strom regenerativ regenerativ Wind Wind Wasser Wasser Solar Solar Geothermie Geothermie H 2 H 2 Biomasse Biomasse Biogas Biogas

4 Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge von Volkswagen Bora SUVA Hybrid Chico Hybrid EVs HEVs T2 Electric T2 City Taxi Golf I Electric Golf I Hybrid Golf I CitySTROMer T3 Electric Golf II Hybrid Jetta CitySTROMer Electro Van Golf III CitySTROMer Audi Duo Golf III Hybrid Golf ECO.Power Bora Electric Golf Electric Touran TSI Hybrid Touareg Hybrid Space up! blue kommerziell erhältlich

5 Adaptive Antriebskonzepte individueller Mobilität Fuß Fahrrad E-Bike E-Fahrzeug E-Fahrzeug mit (BZ-)Range- Extender Verbrennungsmotor- Fahrzeug Wegstrecke in km

6 Pkw-Tagesfahrleistungen in Deutschland Tagesfahrleistung Tagesleistung, kumuliert Tagesleistung in % Tagesleistung, kumuliert in % 0 2,6 5,2 7, , >260 Pkw-Tagesfahrleistungen in km/d 0 Quellen: Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW), 2002

7 Volkswagen Antriebs- und Kraftstoffstrategie erneuerbar Wasserstoff (regenerativ) Elektrizität Elektrotraktion Brennstoffzelle SunFuel von Erdgas vom Erdöl SynFuel Dieselkraftstoff Ottokraftstoff CNG Hybrid DSG TSI TDI

8 Elektromobilität ist wichtig für Ballungsräume

9 und ideal für Pendler 120 km 60 km 30 km

10 Erstes Elektrofahrzeug von Porsche Vorstellung am 14. April 1900 auf der Weltausstellung in Paris 2 Radnabenmotoren P max = 2 x 7 PS P nenn = 2 x 2,5 PS (bei 120 U/min) 44-zelliger 300 Ah Akku mit 80 V V max = 50 km/h Reichweite 50 km Sperrklinken gegen zurückrollen elektrische Bremse vorne, mechanische Bandbremse hinten Gesamtmasse 980 kg Batteriemasse 410 kg 1 Vorderrad 115 kg ca. 300 Fahrzeuge verkauft

11 Anforderungen an elektrische Energiespeicher Lebensdauer Zyklen, Standzeit Kosten Wirtschaftlichkeit, Marktakzeptanz, Recycling Leistung Fahrleistung, Performance, Dynamik, Sicherheit Fehler, Unfall, Missbrauch, Wartung, Komfort, Zuverlässigkeit Energie Elektrische Reichweite, Verfügbarkeit Komfortverbraucher Ladezeiten, -infrastruktur

12 Entwicklung der Batterietechnologie Hochleistung Leistung/Energie 25 Li-Ionen-Batterien 2. Generation (~ 2015) theoretisches Limit für die spezifische Energie der heutigen Li-Ionen Technologie, Zeithorizont 2020, Quelle: METI Li-Ionen-Batterien 1. Generation (~2010) High-Power (HP) Zellen für Hybrid typisch 3-6 Ah spez. Leistung (Zelle) in W/kg NiMH- Batterien Hochenergie Leistung/Energie < 6 Herstellerangaben Plug-In (PI) Zellen für Plug-In typisch Ah High-Energy (HE) Zellen für Elektrofahrzeug typisch > 40 Ah spezifische Energie (Zelle) Wh/kg

13 Brennstoffzellenfahrzeuge - Internationale Vorstellungen 80 kw Brennstoffzellensystem High Power Li-Ion-Batterie 100 kw elektrischer Antrieb Wasserstoff-Druckspeicher (700 bar) Gründung CaFCP (2000) Beitritt CEP (2006) Challenge Bibendum (2007) Olympische Spiele Peking (2008) Hydrogen Tour (2009)

14 Brennstoffzellenfahrzeuge - Olympische Spiele Peking VW Passat LingYu als Service- Fahrzeuge eingesetzt mehr als km in 6 Wochen ca. 500 Fahrzeug-Starts Probefahrt durch Prof. Wan Gang (Chinesischer Wissenschaftsminister) nur 10 Fahrzeug-Abschaltungen Einsatz der VW Brennstoffzellen-Fahrzeuge als Pace Cars in den Marathon-Läufen VW Brennstoffzellen-Fahrzeug als Pace Car des Olympischen Marathons

15 Brennstoffzellenfahrzeuge - Olympische Spiele Peking 2008 Volkswagen AG Fahrzeugintegration TongJi Universität Brennstoffzellen-System Systemstruktur Fahrzeug Karosserie Unterboden Montage Elektronik Zulassung Package Sicherheit Fahrzeugbetrieb Aufbau und Betrieb Home Base Steuerung Leistungsverteilung Kühlung, Luft- und H 2 -Versorgung Klimatisierung Wasserstoff-Betankung mobile Tankstelle Shen-Li / Sunrise Power Xinheng Shuzhou Brennstoffzelle LiIon Batterie

16 Brennstoffzellenfahrzeuge Hydrogen Road Tour 09 9 Tage mehr als km 28 Veranstaltungen

17 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 80 kw BZ-System 3,2 kg H 700 bar 55 kw (peak 100 kw) Elektromotor 1,47 kwh Batterie Kapazität

18 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 VW Tiguan HyMotion3 BZ-Aggregat Wasserstofftanks LiIon-Batterie Elektromotor 80 kw BZ-System 3,2 kg H 700 bar 55 kw (peak 100 kw) Elektromotor 1,47 kwh Batterie Kapazität

19 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3

20 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3 Brennstoffzellen- Aggregat vordere H 2 -Tanks hintere H 2 -Tanks Hybridbatterie

21 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 - Topologie Antrieb, Bordnetz BZ-System H 2 -Tank-System Getriebe E-Motor M 3~ _ ~ Umrichter* 12 V BatterieDC/DC* - - Batteriesystem* - - DC/DC Batterie* * Komponenten mit möglicher Synergie zum Verbrennungsmotor-Hybriden

22 Brennstoffzellenfahrzeuge - PEMFC System Druckregler Rezirkulationsgebläse H 2 -Rückführung Luftversorgung Brennstoffzelle Purgeventil Anode 70 C Kathode Kühlmedium Kühlung Thermostat H 2 O Befeuchter LA_ Luftfilter Ladeluftkühler Kühler Drosselklappe Kühlmittel- Pumpe M Verdichter Schalldämpfer M = Lüfter

23 Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 Frost Start Worst Case hohe Lastanforderung Umsetzung mit 0,5 V/Zelle P_BZ in kw T_KM_Austritt in C elektrische Leistung Rampenbegrenzung durch Luftverdichter Rampenbegrenzung durch Elektrochemie 0 Kühlmitteltemperatur Zeit in in s

24 Vermessung Tiguan HyMotion3 im Klimawindkanal T T

25 Steigungsprofil heiße Klimazone 1600 Ende: t Umgebung = 38 C Höhenprofil Steigungsprofil Höhenprofil Steigungsprofil Höhe in m Steigung in % Fahrgeschwindigkeit 60 mph Start: t Umgebung = 50 C Zeit in s

26 Temperatur- und Leistungsverhalten Tiguan HyMotion3 heiße Klimazone Wärmestrom, der abgegeben werden muss Wärmestrom, der abgegeben werden kann bei t BZ = 85 C Wärmestrom, der abgegeben werden kann bei t BZ = 100 C Wärmestrom in kw Zeit in s

27 Verschaltung Brennstoffzellensystem Batteriesystem H 2 -Rückführung Druckregler Rezirkulationsgebläse Brennstoffzelle Purgeventil Luftfilter H 2 O Anode 70 C Kathode Befeuchter Thermostat Kühler Kühlmedium Drosselklappe Ladeluftkühler LA_ Kühlmittelpumpe M Verdichter Luftversorgung Schalldämpfer M = Lüfter Kühlung

28 Topologie H 2 -Tank- System BZ-System Brennstoffzellenfahrzeug Batteriesystem* DC/DC - - Batterie* Batteriefahrzeug Batteriesystem* Batterie* Umrichter* _ ~ - - DC/DC* 12 V Batterie* Umrichter* _ ~ - - DC/DC* 12 V Batterie* E-Motor M3~ E-Motor M3~ Getriebe Antrieb, Bordnetz Getriebe Antrieb, Bordnetz * Komponenten mit möglicher Synergie zum Verbrennungsmotor-Hybriden

29 Technische Daten Stand heute Brennstoffzellenfahrzeug 7,6 g CO 2 /km basierend auf Strom aus Windenergie und Elektrolyse bei 460 km Reichweite Masse Antriebssystem 480 kg Batteriefahrzeug 0,0 g CO 2 /km basierend auf Strom aus Windenergie bei 460 km Reichweite Masse Antriebssystem kg H 2 -Tank- System BZ-System Batteriesystem DC/DC - - Batterie Batteriesystem Batterie Umrichter _ ~ - - DC/DC 12 V Batterie Umrichter _ ~ - - DC/DC 12 V Batterie E-Motor M3~ E-Motor M3~ Getriebe Getriebe Antrieb, Bordnetz Antrieb, Bordnetz

30 Sonne tanken Wirkungsgrad-Pfade Pflanze SunFuel TDI SunFuel Wirkungsgradpfad: 1 % 50 % 25 % = 0,1 % Photovoltaik Batterie Elektro-Auto Li-Ion Wirkungsgradpfad: 15 % 95 % 90 % 80 % = 10 %

31 Sonne tanken Nachhaltige Langstreckenmobilität Pflanze SunFuel TDI SunFuel Wirkungsgradpfad: 1 % 50 % 25 % = 0,1 % Photovoltaik Wasserstoff Brennstoffzelle Elektro-Auto H 2 Wirkungsgradpfad: 15 % 70 % 90 % 50 % 80 % = 4 % Photovoltaik Wasserstoff Kohlenwasserstoff TDI/TSI H 2 CO 2 CO+H2 SunFuel Wirkungsgradpfad: 15 % 70 % 80 % 50 % 25 % = 1 %

32 Zusammenfassung Für die individuelle Elektromobilität müssen in Abhängigkeit vom Kundenbedarf verschiedene Konzepte verfolgt werden. Batteriefahrzeug bieten eine hohe Well-to-wheel- Effizienz und könnten zukünftig den Wunsch nach individueller Kurzstreckenmobilität erfüllen. Brennstoffzellen-Fahrzeuge haben bewiesen, dass die technischen Hürden größtenteils überwunden sind und zukünftig der Wunsch nach individueller Langstreckenmobilität erfüllt werden könnte. Für die Markteinführung elektrischer Antriebe sind in beiden Fällen Infrastrukturmaßnahmen notwendig.

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.