ZIELKONFLIKTE BEI DER BRENNSTOFFZELLENAUSLEGUNG

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1 ZIELKONFLIKTE BEI DER BRENNSTOFFZELLENAUSLEGUNG DR. INGO DRESCHER KONZERNFORSCHUNG BRENNSTOFFZELLE HYBRIDTAGUNG BRAUNSCHWEIG 21. FEBRUAR 2017

2 MÖGLICHE ENTWICKLUNG NACHHALTIGER ENERGIEN IM AUTOMOBILSEKTOR PKW, BESTAND Otto/Diesel Energie im Fahrzeug (100 %) CNG Ethanol/ Fame/HVO BioCNG efuel ecng H 2 ICE FC PHEV/REEV Strom BEV

3 BRENNSTOFFZELLE SCHWERPUNKT-THEMEN Kostenreduzierung Materialausnutzung Systemkomplexität Dauerhaltbarkeit Alterungsmechanismen Vermeidung kritischer Zustände Effizienz Systemverschaltung Chemische Reaktivität Robustheit Grenzbetriebsbedingungen Äußere Einflüsse Grundlagen Systematische Analysemethoden Physikalische Modelle Simulations-Toolkette Technologiebaukasten Low Cost bis High Performance PKW bis schwere LKW 3

4 ZIELKONFLIKTE BEI DER BRENNSTOFFZELLENAUSLEGUNG WAS STEHT DER KOSTENSENKUNG ENTGEGEN? Grenzbetriebsbedingungen Portfolio Zielkonflikt: Betriebsdruck, Kosten [%] 150% 100% 50% 0% Kosten vs. Einsatzfähigkeit z.b. bei hoher Umgebungstemperatur T U, max [ C] Zielkonflikt : Wirkungsgrad [%] 60% 40% 20% 0% Projektprämissen Vehicle Kosten vs. Effizienz bei hoher Geschwindigkeit 0% 20% 40% 60% 80% 100% BZ-Systemleistung [%] Aggregate-Auslegung Power Train Kein Zielkonflikt, sondern Optimierungsproblem: Kostenreduktion bei definierten Eigenschaften des Hybridantriebs 4

5 BRENNSTOFFZELLE UMGEBUNGSTEMPERATUR UND BETRIEBSDRUCK 1) ΔT = konstant Protonenleitung nur bei befeuchteter Membran (RH) Betriebstemperatur steigt mit max. Umgebungstemperatur Betriebsdruck muss ebenfalls angehoben werden (H 2 O-Partialdruck) Aufwand für Verdichtung steigt (Kosten) 1) Stark vereinfachte Prinzipdarstellung 5

6 BRENNSTOFFZELLE KOSTEN UND VOLLLAST-EFFIZIENZ CHARAKTERISTISCHE STROM-SPANNUNGS-KENNLINIE 1,25 1,18 Wärmeleistung bei Volllast Heizwertspannung ΔH/2F, = 100 % Wirkungsgrad reversible Zellspannung ΔG/2F Spannung [V] Arbeitspunkt Volllast, kostenoptimiert Arbeitspunkt Volllast, VL-Effizienz-optimiert 0 Elektrische Leistung bei Volllast Stromdichte [A/cm²] Je höher die Zellspannung bei gegebenem Strom ist, desto höher ist auch die elektrische Leistung (und der Wirkungsgrad) und desto kleiner ist die abgegebene Wärmeleistung. Je weiter rechts der Auslegungspunkt liegt, desto weniger Materialeinsatz (Kosten). F = C/mol (Faraday-Konstante) 6

7 BRENNSTOFFZELLE BENÖTIGTE DAUERLEISTUNG DREHMOMENT 1) UND LEISTUNG 1) BEI VERGLEICHBAREN (PEAK-) LEISTUNGEN EM / ICE Drehmoment [Nm] ICE EM peak EM dauer Drehzahl [1/min] Leistung [kw] EM peak EM dauer ICE Geschwindigkeit [km/h] Drehmoment EM-Drehmoment in niedrigen Drehzahlbereichen sehr hoch Leistung EM-Peak-Leistung über weiten Drehzahlbereich Elastizität Die E-Maschine ermöglicht eine Reise- und eine Peak-Höchstgeschwindigkeit 1) Prinzipdarstellung, Prämisse: keine Schaltvorgänge 7

8 BRENNSTOFFZELLE HYBRID-ANTRIEBSSTRANG IM FCEV KOSTENOPTIMIERUNG DURCH KOMBINATION DER STÄRKEN Energie-Wandler Batterie Brennstoffzelle Kosten Energie-Speicher Batterie H2-Tanks Kosten Dynamik / Leistung Reichweite / Energieinhalt km km/h Reise Quelle für P EM, Dauer km/h km/h Peak Quelle für P EM, Peak Dynamik aus einer leistungsfähigen Li-Ion-Batterie Reichweite durch wenige H2-Druckspeicher und eine effiziente Brennstoffzelle kostenoptimierter Hybridantrieb 8

9 BRENNSTOFFZELLE KOSTEN-REDUKTION DURCH SYSTEMISCHEN ANSATZ H 2 -Tank H2-Tanks Stapel 100 % % Systemischer Ansatz % 14 Gesamtsystem Ein-Tank-System BoP Komplexität Stapel BZ-System heute Tank Stapel System Potenzial 2025 Komponenten Pt-Ausnutzung Drei Kostentreiber: Tank (CFK), Platin, Systemkomplexität Wettbewerbsfähigkeit nur durch optimiertes Zusammenspiel: Systemischer Ansatz Funktionsintegration 9

10 BRENNSTOFFZELLE PLATIN-REDUKTION Betriebsstrategie 100 % -90% Theoretisches Potenzial Dünnschicht Katalysator 50 % 40 % Gradient Elektrode Stand heute Alterung Elektrode 20 % Nanostruktur 10 % Potenzial 50% Platinvorhalt wegen Alterung Weitere große Potenziale in der Elektroden- bzw. Katalysatorstruktur 10

11 ZUSAMMENFASSUNG POTENZIALE UND LIMITIERUNGEN DER KOSTENREDUZIERUNG Materialausnutzung Stapel Materialaufwand Stapel/System Reduzierung Komplexität Platinreduzierung Stapel vs. vs. Effizienz bei Volllast Reise-Höchst- Geschwindigkeit vs. vs. Reichweite Alterungsvorhalt Zielkonflikte systematisch quantifizieren und bewerten Optimierung einzelner Eigenschaften wie bspw. Systemkosten durch hybriden Antriebsstrang 11

12 Vielen Konzernforschung Dank Brennstoffzelle Dr. Ingo Drescher 12