Brennstoffzellenfahrzeuge und elektrische Antriebssysteme bei General Motors und Opel

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1 Der nachfolgende Artikel Brennstoffzellenfahrzeuge und elektrische Antriebssysteme bei General Motors und Opel wurde ursprünglich im Tagungsband zum Technischen Kongress 2009 des VDA veröffentlicht. Dr. Thomas Johnen Direktor, GM Alternative Propulsion Center Europe Adam Opel GmbH Dr. Rittmar von Helmolt Dr. Ulrich Eberle Hydrogen, Fuel Cell & Electric Propulsion Research Strategy GM Alternative Propulsion Center Europe Adam Opel GmbH -Kontaktadresse:

2 Dr. Thomas Johnen, Adam Opel GmbH Dr. Rittmar von Helmolt, Dr. Ulrich Eberle, Adam Opel GmbH Brennstoffzellenfahrzeuge und elektrische Antriebssysteme bei General Motors und Opel Einleitung Entwicklungsarbeiten an Brennstoffzellenfahrzeugen und an solchen mit rein batterie-elektrischem Antrieb haben bei General Motors und Opel eine sehr lange Tradition. Unter anderem wurde 1966 das erste Brennstoffzellenfahrzeug der Welt, der GM Electrovan, vorgestellt. Die Wasserstoff-Technologie wurde in den späten 90er Jahren wieder aufgegriffen, und es wurden verschiedene Fahrzeuggenerationen entwickelt, die zum heutigen GM HydroGen4 führten. Ebenfalls in den 90er Jahren etablierten GM und Opel ein großes Programm für rein elektrische Fahrzeuge, die in mehreren Flottenversuchen eingesetzt wurden (u.a. Opel Impuls auf Rügen und im Raum Aachen [1]). Mit dem GM EV1 wurde aber auch ein erstes Serienfahrzeug entwickelt, das vor allem in Kalifornien im Rahmen eines Leasing-Modells eingesetzt wurde. Die Endlichkeit der fossilen Ressourcen und der von anthropogenen CO 2 -Emissionen verursachte Klimawandel haben die Entwicklung von Null-Emissions-Fahrzeugen in den letzten Jahren wieder wichtiger werden lassen. Bei allen Projekten, die Opel und GM auf diesem Gebiet durchführten, spielte das Forschungszentrum für elektrische Antriebe in Mainz-Kastel eine wichtige und zentrale Rolle. Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden nun die neuesten Fahrzeugprojekte wie der HydroGen4 und der Chevrolet Volt bzw. die VOLTEC-Technologie vorgestellt und diskutiert sowie die Auswirkungen auf die Kraftstoff-Infrastruktur besprochen. Randbedingungen für die automobile Entwicklung Weltweit fahren heute ca. 900 Millionen Fahrzeuge auf den Straßen, wobei etwa 96% der dafür genutzten Kraftstoffe aus fossilen Energieträgern hergestellt werden. Für das Jahr 2020 gibt es Schätzungen, dass die Anzahl an Fahrzeugen wegen der industriellen Entwicklung insbesondere in China und Indien auf ungefähr 1,1 Milliarden weltweit steigen wird. Dies wird unweigerlich Folgen für den weltweiten CO 2 - Ausstoß und die Nachfrage an Rohöl haben. Da eine solche Steigerung analog zur Fahrzeugzunahme aus finanziellen, ökologischen und politischen Gründen nicht darstellbar ist, muss jede Einführungsstrategie für alternative Antriebstechnologien den Ersatz von Erdöl als Energieträger für den automobilen Einsatz zum Ziel haben. Dies wird schrittweise und über eine immer weitergehende Optimierung der Komponenten- Wirkungsgrade und eine immer weiter fortschreitende Elektrifizierung des Antriebsstrangs erreicht. Das Ziel dieser Strategie stellen Null-Emissionsfahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb auf Brennstoffzellenbasis (FCEV) oder mit einem rein batterie-elektrischen Antrieb (BEV) dar, die bezüglich des Nutzens für den Kunden wettbewerbsfähig zu konventionell angetriebenen Fahrzeugen sind. Ein bedeutender Schritt auf diesem Weg ist die Serienfertigung des Chevrolet Volt ab Ende 2010 sowie weiterer Fahrzeuge wie dem Opel Ampera, die auf der VOLTEC-Technologie aufbauen (Bild 1)

3 Figure 1: GM s advanced propulsion strategy FCEVs und BEVs zwei konkurrierende Konzepte? Oft wird in der öffentlichen Diskussion der Eindruck erweckt, dass zwischen Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEV) und reinen Elektrofahrzeugen (BEV) eine Entweder-oder-Entscheidung zu treffen ist. Dies ist aber nicht der Fall, da beide Technologien unterschiedliche Felder des Fahrzeugmarktes adressieren. Dies liegt an der unterschiedlichen Energiedichte der zu verwendenden Energieträger (siehe Bild 2). Um ein Fahrzeug mit einer Reichweite von 500 km zu realisieren, braucht man bei heutiger Dieseltechnologie ein Tanksystem, das ca. 43 kg wiegt und ein Volumen von knapp unter 50 Litern einnimmt. Um ein entsprechendes Null-Emissionsfahrzeug auf Wasserstoffbasis zu realisieren, benötigt man ein System, das auf Basis eines 700-bar-Drucktanks etwa 125 kg wiegen würde. Noch schwerer wird der Energiespeicher, wenn man eine für das Jahr 2010 erwartete Li-Ionen-Batterie (Systemenergiedichte: 120 Wh/kg) verwendet [2]: Es wöge bei vollständiger Nutzung der gespeicherten elektrischen Energie knapp unter einer Tonne. Eine solch vollständige Nutzung verringert die Lebensdauer der Batterie jedoch drastisch realistisch scheinen maximal 80% nutzbarer Energieinhalt. Weiterhin kann ein Wasserstofftank analog zu einem Dieseltank in 3 Minuten vollständig wiederbefüllt werden, wohingegen das Aufladen einer Batterie, abhängig von der Infrastruktur, von einigen Stunden (Schnellladestation) bis zu vielen Stunden oder gar einem ganzen Tag (herkömmliche 230V/16A- Steckdose) dauern kann. Man geht davon aus, dass Wasserstofftanksysteme für eine Reichweite von 500 km bei hohen Stückzahlen zu Preisen von ca. US$ hergestellt werden können; eine entsprechende Batterie läge dagegen etwa bei US$

4 Figure 2: Energy storage system weight and volumes for various energy carriers Aus diesen Gründen erscheint es daher sinnvoll, ein Batteriefahrzeug für einen Fahrzyklus einzusetzen, für den eine kleinere Batterie und eine geringere Reichweite ausreichen. In Abhängigkeit von Last- und Fahrzyklen ergibt sich daher eine Zuordnung, wie sie in Bild 3 gezeigt ist. Das reine Batteriefahrzeug ist die Technologie der Wahl für kleine Stadtfahrzeuge mit Reichweiten bis zu 150 km. Für Kunden, die in einigen Fällen größere Reichweiten bis ungefähr 500 km benötigen, und akzeptieren, dass ein kleiner Verbrennungsmotor zur Reichweitenverlängerung bei Distanzen größer als 60 km benutzt wird, für diese ist ein so genanntes E-REV Fahrzeug (Extended-Range EV) wie der Chevrolet Volt oder der Opel Ampera perfekt geeignet. Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) bieten dagegen wieder andere Vorteile: Sie sind in allen Betriebszuständen Null-Emissionsfahrzeuge, können schnell betankt werden und bieten eine große Reichweite bei voller Performance. Figure 3: Application map for various electric vehicle technologies - 4 -

5 Wasserstoff ist auf Grund seiner vergleichsweise hohen Energiedichte von 1600 Wh pro kg Tankgewicht der ideale Partner, um die fluktuierenden erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie zwischenzuspeichern und dann auch auf die Straße zu bringen. Der Start der frühen Kommerzialisierung für FCEV-Fahrzeuge ist ungefähr für das Jahr 2015 geplant. Je nach notwendiger Reichweite wird der elektrische Antrieb in Zukunft also nur mit einer Batterie oder zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor oder von einer Brennstoffzelle mit Strom versorgt. Diese Konzepte werden in den folgenden beiden Kapiteln vorgestellt. Brennstoffzellenfahrzeuge bei General Motors General Motors weist eine lange Geschichte von Innovationen im Bereich der Wasserstofftechnologie auf. Unter anderem wurde 1966 das erste Brennstoffzellenfahrzeug der Welt entwickelt, der GM Electrovan, der mit einer alkalischen Brennstoffzelle betrieben wurde und in den Tanks flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff als Kraftstoff an Bord mit sich führte [3]. Nach dem Wechsel zur PEM-Brennstoffzellentechnologie in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden die Fahrzeuge der unterschiedlichen HydroGen-Generationen entwickelt. Der HydroGen3, ein Van auf Basis des Opel Zafira, hatte erstmals ein kompaktes Brennstoffzellenantriebsmodul, das bereits genau wie das Antriebsmodul mit Verbrennungsmotor als Einheit in die Fahrzeugkarosserie eingebaut werden konnte. Außerdem wurden bei diesem Fahrzeug industrieweit zum ersten Mal Druckwasserstofftanks mit einem Betriebsdruck von 700 bar eingesetzt. Der HydroGen3 stellte im Jahr 2004 einen Langstreckenweltrekord für Brennstoffzellenfahrzeuge auf; er fuhr 9696 km innerhalb von 38 Tagen zwischen Hammerfest (Norwegen) und Lissabon in Portugal. Das Konzeptfahrzeug GM Sequel war zudem das erste Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Reichweite von mehr als 300 Meilen auf öffentlichen Straßen zwischen Rochester und New York nachweisen konnte (Mai 2007). Die aktuelle vierte Generation der Brennstoffzellenfahrzeuge von GM, der HydroGen4, wird seit dem Herbst des Jahres 2007 im Rahmen der weltweit größten Flottendemonstration (dem so genannten Project Driveway ) von Wasserstofffahrzeugen getestet. Dabei werden mehr als 100 Fahrzeuge eingesetzt, die im Vergleich zu den Vorgängergenerationen eine weiter optimierte Alltagstauglichkeit und höhere Leistungsfähigkeit aufweisen (siehe Tabelle 1). Unter anderem kann das Fahrzeug ohne Probleme bei tiefen Temperaturen bis zu 25 C in Betrieb genommen werden (Bild 4). Figure 4: GM HydroGen4-5 -

6 Allgemein Fahrzeugtyp Abmessungen Länge Breite Höhe Radstand Kofferraumvolumen Gewicht Zuladung Tanksystem Betriebsdruck Fassungsvermögen 5-türiges Cross-Over-Fahrzeug, mit Frontantrieb auf Basis des Chevrolet Equinox 4796 mm 1814 mm 1760 mm 2858 mm 906 Liter 2010 kg 340 kg Kohlefaserverbundwerkstoff-Tanks für komprimierten Wasserstoff 700 bar 4,2 kg Brennstoffzellensystem Zellen 440 Leistung Batteriesystem Leistung Energie Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) 93 kw Nickel-Metallhydrid (NiMH) 35 kw 1,8 kwh Elektrisches Antriebssystem Dauerleistung Maximalleistung Drehmoment Fahrleistungen Höchstgeschwindigkeit Beschleunigung (0-100 km/h) Reichweite Lebensdauer Betriebstemperatur 3-Phasen-Synchronmotor 73 kw 94 kw 320 Nm 160 km/h 12 s 320 km 2 ½ Jahre -25 C bis +45 C, geeignet für Parken bei Temperaturen unter 0 C (ohne externe Heizung) Tabelle 1: GM HydroGen4 Das elektrische Antriebssystem stellt ein maximales Drehmoment von 320 Nm am Motor bereit und beschleunigt den HydroGen4 in weniger als 12 Sekunden von 0 auf 100 km/h. Die Dauerleistung von 73 kw genügt für eine Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h; die maximale Leistung beträgt 93 kw. Drei Kohlefasertanks an Bord des Fahrzeugs speichern 4,2 kg Wasserstoff und ermöglichen eine Reichweite von 320 km. Sie können in 3 Minuten vollständig wiederbefüllt werden. Zur Steigerung der Agilität des Fahrzeugs ist zudem eine Nickel-Metallhydrid-Batterie mit einem Energieinhalt von 1,8 kwh integriert

7 Bislang fuhren mehr als 3400 Kunden die über 100 weltweit eingesetzten Fahrzeuge (davon 10 innerhalb des Projekts Clean Energy Partnership in Berlin) und absolvierten eine Gesamtfahrleistung von über km. Die Fahrzeuge erwiesen sich hierbei um einen Faktor 2 effizienter als das vergleichbare Equinox- Fahrzeug mit Benzinmotor (EPA Composite-Zyklus 4,6 Liter / 100 km Benzinäquivalent im Vergleich zu 9,6 Liter / 100 km Benzin). Elektrofahrzeuge mit Reichweitenverlängerung bei General Motors Im Rahmen der North American International Auto Show 2007 wurden erstmals der Chevrolet Volt (siehe Tabelle 2) und die VOLTEC-Technologie präsentiert. Dabei handelt es sich um ein Elektrofahrzeug mit einem zusätzlichen Benzinmotor, der bei Bedarf zur Verlängerung der Reichweite eingesetzt wird (E- REV). Hauptenergiespeicher ist eine Lithium-Ionen-Batterie mit 16 kwh Energiegehalt (davon 8 kwh nutzbar) und einer elektrischen Reichweite von 60 km. Die T-förmige Batterie besteht aus vier Modulen mit insgesamt > 220 Zellen, wiegt ca. 180 kg und wird von General Motors in Zusammenarbeit mit dem koreanischen Batteriezellenhersteller LG Chem entwickelt. Figure 5: Chevrolet Volt E-REV Figure 6: T-shaped Chevrolet Volt battery system - 7 -

8 Der elektrische Antriebsstrang bietet eine maximale Leistung von 111 kw und ein maximales Drehmoment von 370 Nm am Motor. Dies reicht aus, um den Volt in weniger als 9 Sekunden von 0 auf 100 km/h zu beschleunigen und eine Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h zu erreichen. Die Größe der Batterie ergab sich dabei aus der Erwägung, dass schon eine rein elektrische Reichweite von 50 km für 80% aller Kunden im täglichen Normalbetrieb ausreichend ist. In diesem Betriebsmodus ist das Fahrzeug ein Null-Emissions-Fahrzeug. Durch diese Beschränkung der Größe und des Gewichts kann eine solche Batterie in ein Fahrzeug der globalen GM-Kompaktklasse integriert werden (siehe Bild 5 und Bild 6). Auf diese Weise können auch die Kosten der Batterie begrenzt werden, die im Wesentlichen mit dem Energieinhalt skalieren. Ein weiterer Vorteil einer solch dimensionierten Batterie ist, dass die nutzbaren 8 kwh elektrische Energie sowohl in den USA mit einem 110V/16A-Netzanschluss als auch in Europa mit einem 230V/16A-Netzanschluss in wenigen Stunden voll aufgeladen werden können (ca. 6 bzw. 3 h). Reine Batterie-Fahrzeuge wären dagegen auf Schnellladestationen mit höheren Spannungen und Strömen angewiesen, um diese Zeiten zu erreichen. Ein Familie-0-Benzinmotor mit 1,4 Litern Hubraum erzeugt über einen Generator zusätzlich 53 kw elektrische Leistung, die zur Verfügung steht, wenn der Ladezustand unter einen bestimmten Punkt absinkt. Das Fahrzeug erreicht so eine Gesamtreichweite von mehreren hundert Kilometern (siehe Bild 7). Allgemein Fahrzeugtyp Abmessungen Länge Breite Höhe Radstand Batteriesystem Batterieelektrisches Fahrzeug mit Frontantrieb; Reichweitenverlängerung durch Verbrennungsmotor, Ladefähigkeit über Stromnetz 4404 mm 1798 mm 1430 mm 2685 mm Zellen > 220 Gewicht Länge Leistung Energie Li-Ionen-Batterie 180 kg 1,8 m, T-förmig Elektrisches Antriebssystem Leistung Drehmoment Verbrennungsmotor Generatorleistung Fahrleistungen Höchstgeschwindigkeit Beschleunigung (0-100 km/h) Reichweite Stellt volle Leistung bereit 16 kwh (8 kwh nutzbar) 3-Phasen-Induktionsmotor 111 kw 370 Nm Benzin, Saugmotor, 1,4 Liter Hubraum, Familie 0-Derivat 53 kw 160 km/h 9 s 60 km rein elektrisch; ca. 500 km mit Reichweitenverlängerung Tabelle 2: Chevrolet Volt - 8 -

9 Die VOLTEC-Technologie stellt sicher, dass zwei Grundprobleme früherer Elektrofahrzeuge überwunden werden. Einerseits besteht die Notwendigkeit von Schnellladestationen nicht mehr, und andererseits können durch den Reichweitenverlängerer auch die Ängste der Kunden überwunden werden, mit leerer Batterie fernab einer Ladestation liegenzubleiben. Trotzdem ist gesichert, dass die normale tägliche Fortbewegung ohne Kraftstoffverbrauch und damit verbundene Emissionen erfolgt. Bei einer Jahresfahrleistung von km verbraucht der Chevrolet Volt 1730 kwh elektrische Energie; dies entspricht nur etwa 40% des jährlichen Energieverbrauchs eines Vier-Personen-Haushalts in Deutschland von 4500 kwh [4]. Die Serienproduktion des Chevrolet Volt wird Ende des Jahres 2010 beginnen; etwa ein Jahr später wird auch der Opel Ampera mit VOLTEC-Technologie realisiert. Figure 7: E-REV operating concept, approximately 50% of the nominal battery energy content is used Infrastrukturaspekte Um eine dichte und für den Kunden ausreichend bequeme Wasserstoff-Tankstellen-Infrastruktur beispielsweise in den Vereinigten Staaten aufzubauen, benötigt man ca Tankstellen. Das zugrunde liegende Modell geht davon aus, dass in den 100 größten Ballungsräumen der USA, in denen 70% der Bevölkerung leben, der Abstand zwischen zwei Tankstellen etwa 2 Meilen beträgt (entsprechend 6500 Stationen). Auf den Autobahnen, die diese Metropolen miteinander verbinden, würde alle 25 Meilen eine Tankstelle aufgebaut (5200 Stationen) [5]. Ein solches Tankstellennetz, das etwa für eine Million Wasserstofffahrzeuge ausreicht, würde ca. 10 bis 15 Milliarden US-Dollar kosten und könnte über einen Zeitraum von 10 Jahren aufgebaut werden (Bild 8). Wie auch bei der heutigen Tankinfrastruktur kann eine Wasserstoff-Tankstelle täglich bis zu mehrere hundert Fahrzeuge versorgen; dies ist durch die geringen Befüllzeiten (hier: 3 bis 5 Minuten) möglich. Bei Elektrofahrzeugen ist dies nicht der Fall. Das Aufladen einer Batterie benötigt auf Grund der Batterietechnologie und der Netzstabilität mehrere Stunden. Eine Ladestation wird also von einem Kunden über Stunden blockiert und kann somit an einem Tag nur wenige Kunden bedienen. Weiterhin wird der Kunde nicht am Fahrzeug warten wollen, bis es aufgeladen ist, so dass eine Kopplung der Tätigkeiten Tanken und Parken besteht. Andererseits sind die Ladestationen vergleichsweise preiswert, was zu geringeren Anfangskosten für erste Flottenversuche führt. Insbesondere können bereits existierende konventionelle Netzanschlüsse benutzt werden

10 Obwohl die einzelne Ladestation viel günstiger ist als eine H 2 -Tankstelle, nähern sich bei zunehmender Durchdringung des Fahrzeugbestandes mit Elektrofahrzeugen aufgrund der hohen Zahl an notwendigen Installationen die Kosten für die Implementierung einer Batterielade-Infrastruktur und einer Wasserstoff- Infrastruktur an. Für kleine Flotten von Null-Emissionsfahrzeugen ist die Infrastruktur für Elektrofahrzeuge jedoch einfacher skalierbar und mit geringeren Kosten verbunden. Aber Wasserstoff bietet noch einen weiteren Vorteil: Auf Grund seiner hohen Energiedichte ist Wasserstoff der ideale Partner für die Zwischenspeicherung von fluktuierenden, erneuerbaren Energien, die auf diese Weise auch für automobile Anwendungen verfügbar gemacht werden können. Figure 8: 100 largest U.S. metropolitan areas and interconnecting corridors Zum Beispiel schwankte im norddeutschen Stromnetz, der so genannten E.ON Kontrollzone Nord, die eingespeiste Windenergieleistung im Oktober 2008 innerhalb von wenigen Stunden bis Tagen zwischen ca MW und 0 MW. Es muss also Energie zwischengespeichert werden, um diese Fluktuationen zu bewältigen, d.h. um das Netz zu entlasten bzw. die benötigte Energie immer bereitstellen zu können. Heute geschieht dies weitgehend mit Pumpspeicherkraftwerken (Pumpspeicher Goldisthal, max. Speicherkapazität 8000 MWh) oder in Druckluftspeichern (Salzkaverne, 2 Millionen m 3 Volumen, max. Speicherkapazität 4000 MWh). In Form von Wasserstoff könnten in derselben Salzkaverne bis zu MWh Energie gespeichert werden. Im Gegensatz zur konventionellen Technik bietet Wasserstoff so nicht nur einen Pufferspeicher für einige Minuten bis Stunden, sondern kann die überschüssige Windenergie von mehreren Tagen aufnehmen (Bild 9). Später kann dieser Wasserstoff entweder wieder in Strom umgewandelt oder direkt als Kraftstoff für Wasserstofffahrzeuge benutzt werden

11 Figure 9: Fluctuating wind energy in the electric grid operated by the German utility E.ON, various energy storage technologies shown (red box: underground compressed air; small blue box: pump storage, large blue box: underground compressed hydrogen) Zusammenfassung Die GM-Strategie besteht langfristig darin, Benzin und Diesel als Energieträger für die automobile Anwendung zu ersetzen. Dies wird durch eine stärkere Elektrifizierung des Antriebsstranges geschehen. Die Energiedichte von aktuellen Antriebsbatterien limitiert jedoch die Entwicklung von reinen batterieelektrischen Fahrzeugen, sobald eine größere Reichweite verlangt wird. Deswegen verfolgen GM und Opel hier die Konzepte des Elektrofahrzeugs mit Reichweitenverlängerung (Extended-Range Electric Vehicle, E-REV) und des Brennstoffzellenfahrzeugs (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV). Reichweiten von 500 km können mit Brennstoffzellenfahrzeugen und 700-bar-Drucktanks erreicht werden; zudem wird sich Wasserstoff in Zukunft zu wettbewerbsfähigen Preisen herstellen lassen. Einer intelligenten Kombination von E-REV- und FCEV-Fahrzeugen gehört daher im Bereich der nachhaltigen Automobilität die Zukunft. Diese Fahrzeuge werden zunächst teurer sein als die vergleichbaren konventionellen Fahrzeuge; die Unterstützung aller Beteiligten ist daher bei der Markteinführung unabdingbar. Dazu zählen vor allem Autokonzerne, Energiefirmen und die Regierungen. Aber auch der Endkunde muss diese innovativen Fahrzeuge bei verbleibenden Mehrkosten gegenüber konventionellen Fahrzeugen nachfragen. Literatur: [1]: Ralf Bady et al., SAE paper , European Electric Vehicle Fleet Demonstration with ZEBRA Batteries [2]: R. von Helmolt, U. Eberle / Journal of Power Sources 165 (2007) [3]: Craig Marks et al., SAE paper , Electrovan a fuel cell powered vehicle [4]: Statistisches Bundesamt 2006 [5]: Britta K. Gross et al., GM/Shell study 2007, Hydrogen fueling infrastructure assessment