Stand: 3. Mai 2010 Beiträge der Chemie zur Elektromobilität 1. Elektrische Energiespeicherung Zusammenfassung Die Speicherung elektrischer Energie ist ein zentrales Thema für zukünftige Elektroautos. Die Chemie liefert dabei die entscheidenden Bauteile für die Realisierung des Gesamtsystems Batterie. Eine Reihe deutscher Unternehmen hat sich bereits bei Lithium-Großbatterien entlang der Wertschöpfungskette engagiert, um hier einen Technologievorsprung und die Marktführerschaft zu erlangen. Diese möglichen Anwendungen der Batterien könnten eine ganze Industrielandschaft revolutionieren. 2. Alternative Antriebskonzepte Auch Brennstoffzelltechnologien werden als zunehmend interessante Alternativen für den Automobil-Antrieb von morgen gehandelt. Mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff können dabei die CO 2 -Emissionen um nahezu 100 % reduziert werden. Die Chemie steuert unverzichtbare Kernkomponenten bei, die eine effektive Nutzung der Brennstoffzelle im Mobilitätsbereich erst ermöglichen. 3. Materialien für die Entwicklung der Fahrzeuge von morgen Moderne Leichtbauwerkstoffe sind bereits heute in der Fahrzeugindustrie zur Reduzierung des Treibstoffverbrauches unverzichtbar. Die Weiterentwicklung von Leichtbauwerkstoffen birgt erhebliches Potenzial für weitere Energieeinsparungen. Elektrofahrzeuge werden u.a. aufgrund des hohen Batteriegewichts in noch stärkerem Maße auf eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts angewiesen sein. 4. Beiträge der Chemie zur Weiterentwicklung der Verbrennungsmotortechnologien und zur Nutzung alternativer Kraftstoffe Bei der Nutzung der Biokraftstoffe kommt den chemischen Stoffumwandlungsprozessen eine stetig zunehmende Bedeutung zu. Darüber hinaus kann die Chemie neben Kraftstoffen der sogenannten 1.-Generation (direkte Nutzung von Ackerpflanzen) erheblich dazu beitragen, weitere Kraftstoffalternativen zu entwickeln. Mainzer Landstraße 55 60329 Frankfurt Postfach 11 19 43 60054 Frankfurt Telefon +49 69 2556-0 Telefax +49 69 2556-1471
- 2 - Unsere Mobilität von morgen wird durch eine Diversifizierung technologischer Lösungen geprägt sein 1. Um den zukünftigen Anforderungen nach einem effizienten Einsatz von Energie und einer Verminderung der CO 2 -Emissionen bei gleichzeitiger Erfüllung gesteigerter Mobilitätsbedürfnisse gerecht werden zu können, müssen die zur Verfügung stehenden Technologien weiterentwickelt und neue technologische Lösungen erschlossen werden. Dabei sind alle technologischen Optionen zu berücksichtigen: effiziente Verbrennungsmotoren, elektrischer Antriebe mit Brennstoffzellen und Batterien, Hybridlösungen und die Nutzung alternativer Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren. Die deutsche chemische Industrie nimmt eine zentrale Stellung bei der Entwicklung der Elektromobilität und von effizienten Technologien für die Mobilität ein, bei denen die deutsche Industrie ein globaler Leitanbieter werden will. Die große Stärke Deutschlands als innovativer Industriestandort liegt in der Vernetzung der beteiligten Branchen insbesondere der Automobilindustrie, des Maschinen- und Anlagenbaus, der Energieversorgung, der Informations- und Kommunikationstechnik und der chemischen Industrie sowie dieser Industrien mit wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Hochschulen. Neue Technologien im Bereich der Energieerzeugung, - speicherung und -nutzung erfordern fast immer entscheidende Fortschritte im Bereich der Material- und Verfahrensentwicklung in der Chemie. Dies gilt insbesondere für die Elektromobilität. 1. Elektrische Energiespeicherung Für den elektrischen Antrieb von Straßenfahrzeugen wird der elektrochemische Akkumulator in Zukunft wieder an Bedeutung gewinnen. Dies ist insbesondere durch die Effizienz der Endenergienutzug von etwa 80-90 % beim Elektromotor - und damit mit einem Gesamtwirkungsgrad von rund 40-45 % - im Vergleich mit etwa 20-25 % beim Verbrennungsmotor begründet. Hierfür werden verbesserte Hochleistungsbatterien mit hoher Energiedichte benötigt. Denn die effektive Speicherung von elektrischer Energie für Anwendungen im Automobilbereich ist bis jetzt noch nicht zufriedenstellend gelöst. Dieser Problempunkt ist aber zentral, wenn die von der Bundesregierung vorangetriebene Einführung von einer Millionen Elektrofahrzeugen bis 2020 gelingen soll. Und er steht darüber hinaus für den größten Anteil der potentiellen Wertschöpfung am Standort Deutschland: 40 % der Wertschöpfung entfallen auf die Batterie 2. 1 BDI-Positionspapier, Innovative Antriebstechnologien, Elektromobilität und alternative Kraftstoffe für unsere Mobilität von morgen, Februar 2010 2 acatech, Wie Deutschland zum Leitanbieter für Elektromobilität werden kann: Status quo Herausforderungen offene Fragen, POSITION Nr. 6, Januar 2010
- 3 - Von besonderer Aktualität ist der Hybrid-Antrieb für Kraftfahrzeuge, der auf der Kombination von Verbrennungsmotor und Batterie beruht. Zurzeit kommen dabei fast ausschließlich Nickel-Metallhydridbatterien zum Einsatz. Mittelfristig geht die Entwicklung jedoch in Richtung der Hochleistungs-Lithium-Ionenbatterie, der aus technischen und ökonomischen Gründen bessere Chancen als Standardtechnologie eingeräumt wird. Zwar hat nach wie vor Japan bei Anwendungen im Elektronikbereich sowie auch in der automobilen Anwendung noch die Technologieführerschaft inne, aber in der deutschen Automobil- und Energieindustrie hat ein Paradigmenwechsel hin zur Elektrizitätsspeicherung in Batterien stattgefunden. Der Speicher für elektrische Energie stellt das zentrale Thema für zukünftige Elektroautos aber auch für den Schienenverkehr dar. Hierfür liefert die Chemie mit Separatoren, Elektroden, Elektrolyten und Anoden- und Kathodenmaterialien entscheidende Bauteile, ohne die das Gesamtsystem Batterie nicht realisierbar wäre. Eine Reihe deutscher Unternehmen hat sich bereits im Bereich der bei Lithium- Großbatterien entlang der Wertschöpfungskette (Materiallieferant-Komponentenhersteller-Zellenhersteller-Batterieassembler-Systemintegrator) engagiert, um hier gemeinsam mit etablierten Forschungseinrichtungen einen Technologievorsprung und die Marktführerschaft zu erlangen. Diese möglichen Anwendungen der Lithium-Ionen- Batterie könnten eine ganze Industrielandschaft revolutionieren. Um diese für die deutsche Industrie grundlegende Technologie und damit auch für die Produkte der deutschen chemischen Industrie wichtigen Anwendungen weiterzuentwickeln, besteht aus Sicht der chemischen Industrie noch erheblicher Forschungsbedarf. Die Forschung und Entwicklung sollte dabei grundlagenbezogen und gleichzeitig anwendungsorientiert, ganzheitlich und systembezogen ausgerichtet werden: Eine ausschließlich grundlagen- und detailbezogene Forschung bzw. reine Industrieauftragsforschung kann hier nicht zum Ziel führen. Der Grundlagenforschung - insbesondere der Elektrochemie und der Erforschung stofflicher Umwandlungsprozesse an Grenzflächen - muss für die Entwicklung neuer Batteriesysteme der nachfolgenden dritten Generation ein hoher Stellenwert eingeräumt werden. Aus Sicht der Chemie ist hierfür auch die Forschung und akademische Ausbildung an der Hochschule im Bereich der Chemie insbesondere aber in der Elektrochemie zu stärken. 2. Alternative Antriebskonzepte Neben den derzeit bereits auf dem Markt befindlichen Hybridtechnologien und den beschriebenen Ansätzen zur Realisierung eines reinen Elektroantriebs werden auch Technologien basierend auf Brennstoffzellen als zunehmend interessante Alternativen gehandelt. Denn die Brennstoffzelle könnte als effiziente, emissionsfreie Technologie in stationären Anwendungen, bevorzugt mit Erdgas oder Biogas, in mobilen Anwendungen mit Wasserstoff oder als Bordstromversorgung mit Benzin/Diesel und darüber hinaus auch für weitere portable Anwendungen mit Wasserstoff, Methanol und Flüssiggas eingesetzt werden. Sollten Brennstoffzellen im Automobilbereich Anwendung
- 4 - finden könnten mit Wasserstoff als Kraftstoff Fahrzeugwirkungsgrade von über 37 % entsprechend 3,8 l Dieseläquivalent auf 100 km erzielt werden (gegenüber 20 25 % bei Verbrennungsmotoren), so dass sogar mit Wasserstoff aus Erdgas bereits eine CO 2 -Einsparung möglich ist. Mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff können die CO 2 -Emissionen um nahezu 100 % reduziert werden. Die Chemie steuert speziell entwickelte Katalysatoren und Elektrolyte als unverzichtbare Kernkomponenten bei, die eine effektive Nutzung der Brennstoffzelle im Mobilitätsbereich erst ermöglichen könnten. Membrane und Membran/Elektrodeneinheiten bilden eine wichtige Voraussetzung zur möglichen Nutzung von Brennstoffzellen: Der großtechnische Einsatz von Brennstoffzellen wird durch den Einsatz neuer thermostabiler Polymermembrane erheblich erleichtert. Darüber hinaus sind die derzeit verfügbaren Brennstoffzellenkatalysatoren für eine breitere Anwendung noch zu teuer und ineffizient. Auch hier muss wiederum die Entwicklung nicht zuletzt durch die Chemie weiter vorangetrieben werden. 3. Materialien für die Entwicklung der Fahrzeuge von morgen Zukünftige Elektroautos aus Deutschland werden auf neue Konstruktionsmaterialien insbesondere Leichtbaumaterialien der deutschen chemischen Industrie nicht verzichten können, wenn sie am Markt erfolgreich sein wollen: Moderne Leichtbauwerkstoffe sind heute schon in der Fahrzeugindustrie zur Reduzierung des Treibstoffverbrauches durch die Verminderung der zu bewegenden Massen unverzichtbar. Denn rund 90 % des Primärenergieverbrauchs eines Fahrzeuges entfällt auf die Nutzungsphase, im Wesentlichen bedingt durch den Treibstoff- bzw. den Energiebedarf. Um diesen zu reduzieren, ist der Leichtbau verglichen mit den anderen Alternativen wie der Verminderung des Roll- und Luftwiderstandes sowie der Verbesserung des Wirkungsgrades beim Antriebsstrang der aussichtsreichste Weg: So könnte im Automobilbau die Reduzierung von 5 % des Karosseriegewichtes rund 3 % Einsparung des Energieverbrauches bewirken d.h. bei einer Senkung der Fahrzeugmasse um 100 kg ein Kraftstoffminderverbrauch von 0,22 bis 0,41 l/100 km. Batterien sind aufgrund der in ihnen verwendeten Komponenten - in der Regel sind dies Metalle mit einem hohen spezifischen Gewicht vergleichsweise schwer: ihr Gewicht liegt derzeit in der Größenordnung eines herkömmlichen Kleinwagens. Fahrzeuge, die darauf angewiesen sind, ihre für den Antrieb benötigte Energie in Batterien elektrisch zu speichern, werden also in noch stärkerem Maße als dies bereits heute der Fall ist auf eine Reduzierung des Fahrzeuggewichts angewiesen sein. Bei modernen Leichtbaustrukturen wird eine Vielzahl unterschiedlicher metallischer, polymerer bzw. keramischer Werkstoffe verwendet, die dem Anforderungsprofil hinsichtlich der mechanischen, thermischen und witterungsbedingten Belastungen entsprechen müssen.
- 5 - Neben der Entwicklung neuartiger Kunststoffe und polymerbasierter Faserverbundwerkstoffe mit einsatzorientierten Eigenschaften trägt die Chemie zur Weiterentwicklung von neuen Verfahren für eine kostengünstige Bauteilherstellung bei. Kunststoffe erhöhen die Designfreiheit und ermöglichen damit auch Lösungen, die sich mit Metall oder Glas nicht durchführen lassen. Durch die Verwendung spezieller Copolymerisate können neue Leichtbaumaterialien für unterschiedlichste industrielle Anwendungen bereitgestellt werden. Besonderes Leichtbaupotenzial bieten neuartige beanspruchungsgerechte Textilverstärkungen in Kunststoffen. 4. Beiträge der Chemie zur Weiterentwicklung der Verbrennungsmotortechnologien und zur Nutzung alternativer Kraftstoffe Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren werden nach derzeitiger Einschätzung noch für einen längeren Zeitraum das Rückgrat unserer Mobilität bilden. Der Einsatz alternativer Kraftstoffe, wie z. B. Erdgas oder energie- und CO 2 -effiziente Biokraftstoffe aber auch die Optimierung bestehender Antriebstechnologien sind im Bereich der Mobilität für kurzfristige Einsparungen bei CO 2 und anderen Treibhausgasen ein wirksamer Hebel. Zwar werden erdölbasierte Kraftstoffe auch in den kommenden Jahren das Fundament der Mobilität bilden und gasförmige Treibstoffe werden weiter zulegen, wenn auch von geringer Basis; perspektivisch aber wird die Rolle nachwachsender Rohstoffe für den Verkehrssektor zunehmen. Biomasse ist eine der wenigen in Deutschland verfügbaren Energiequellen, die relativ einfach zu Flüssigkraftstoffen umgesetzt werden kann. Für Biomasse wird ein Gesamtpotenzial von etwa 10 % unseres derzeitigen Energieverbrauchs geschätzt, was erst zu etwa einem Drittel genutzt wird. Dies ist wesentlich, weil für diese Energieform Engpässe am ehesten befürchtet werden und die Importabhängigkeit hier am höchsten ist. Vor dem Hintergrund der Nutzungskonkurrenz zwischen Energiegewinnung und Nahrungsmittelversorgung kommt es darüber hinaus auf Biokraftstoffe mit hoher Flächennutzungseffizienz an. Bei der Nutzung der Biokraftstoffe kommt den chemischen Stoffumwandlungsprozessen eine stetig zunehmende Bedeutung zu, da die Ausgangstoffe einer erheblichen chemischen Prozessierung und Aufarbeitung bedürfen, die über den Rahmen der üblichen Verfahren für erdölbasierte Kraftstoffe hinausgehen. Neben Kraftstoffen auf der Basis der direkten Umsetzung nachwachsender Rohstoffe kann die Chemie erheblich dazu beitragen, weitere Kraftstoffalternativen zu entwickeln: Diese beruhen derzeit im Wesentlichen auf Gemischen aus Kohlenwasserstoffen wie Methanol bzw. Dimethylcarbonat (DMC) als Ersatz für Ottokraftstoffe. Mögliche zukünftige Beiträge der Chemie gründen sich insbesondere auf Fortschritte in den Bereichen der Katalyse und der Reaktionstechnik.
- 6 - Die Beiträge der Chemie zur Elektromobilität und zur Mobilität von morgen sind Teil der Positionspapiere des Koordinierungskreises Chemische Energieforschung der Chemischen Fachgesellschaften und des VCI Energieversorgung der Zukunft Der Beitrag der Chemie (März 2007) sowie Energieversorgung der Zukunft Der Beitrag der Chemie Eine quantitative Potentialanalyse (Oktober 2009). 3 Mit diesen Papieren werden die Beiträge und die Potentiale der Chemie zur Versorgung unserer Gesellschaft mit Energie dargestellt und bewertet. Darüber hinaus werden zahlreiche Aspekte der Elektromobilität im nationalen Implementierungsplan der Technologieplattform Sustainable Chemistry (SusChem Deutschland) behandelt. 4 3 Koordinierungskreis Chemische Energieforschung der Chemischen Fachgesellschaften und des VCI Energieversorgung der Zukunft Der Beitrag der Chemie (März 2007) sowie Energieversorgung der Zukunft Der Beitrag der Chemie Eine quantitative Potentialanalyse (Oktober 2009), siehe auch www.energie-und-chemie.de 4 Siehe auch www.suschem-d.de