Antriebstechniken zur Nutzung regenerativer Energiequellen: Batterie und Brennstoffzelle Dr.-Ing. Sven Schmitz (Volkswagen AG)
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.
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
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 1970 1980 1990 2000 kommerziell erhältlich
Adaptive Antriebskonzepte individueller Mobilität Fuß Fahrrad E-Bike E-Fahrzeug E-Fahrzeug mit (BZ-)Range- Extender Verbrennungsmotor- Fahrzeug 0 4 200 400 1000 Wegstrecke in km
Pkw-Tagesfahrleistungen in Deutschland 18 16 Tagesfahrleistung Tagesleistung, kumuliert 100 90 Tagesleistung in % 14 12 10 8 6 4 2 80 70 60 50 40 30 20 10 Tagesleistung, kumuliert in % 0 2,6 5,2 7,8 13 20,8 26 39 52 78 130 260 >260 Pkw-Tagesfahrleistungen in km/d 0 Quellen: Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen (BMVBW), 2002
Volkswagen Antriebs- und Kraftstoffstrategie erneuerbar Wasserstoff (regenerativ) Elektrizität Elektrotraktion Brennstoffzelle SunFuel von Erdgas vom Erdöl SynFuel Dieselkraftstoff Ottokraftstoff CNG Hybrid DSG TSI TDI
Elektromobilität ist wichtig für Ballungsräume
und ideal für Pendler 120 km 60 km 30 km
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
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
Entwicklung der Batterietechnologie 5.000 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 4.000 Li-Ionen-Batterien 1. Generation (~2010) High-Power (HP) Zellen für Hybrid typisch 3-6 Ah spez. Leistung (Zelle) in W/kg 3.000 2.000 1.000 0 NiMH- Batterien 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Hochenergie Leistung/Energie < 6 Herstellerangaben 180 200 220 240 Plug-In (PI) Zellen für Plug-In typisch 15-25 Ah High-Energy (HE) Zellen für Elektrofahrzeug typisch > 40 Ah spezifische Energie (Zelle) Wh/kg
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)
Brennstoffzellenfahrzeuge - Olympische Spiele Peking 2008 20 VW Passat LingYu als Service- Fahrzeuge eingesetzt mehr als 80.000 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
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
Brennstoffzellenfahrzeuge Hydrogen Road Tour 09 9 Tage mehr als 3.800 km 28 Veranstaltungen
Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 80 kw BZ-System 3,2 kg H 2 @ 700 bar 55 kw (peak 100 kw) Elektromotor 1,47 kwh Batterie Kapazität
Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 VW Tiguan HyMotion3 BZ-Aggregat Wasserstofftanks LiIon-Batterie Elektromotor 80 kw BZ-System 3,2 kg H 2 @ 700 bar 55 kw (peak 100 kw) Elektromotor 1,47 kwh Batterie Kapazität
Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3
Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3 Brennstoffzellen- Aggregat vordere H 2 -Tanks hintere H 2 -Tanks Hybridbatterie
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
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
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 60 45 30 15 elektrische Leistung Rampenbegrenzung durch Luftverdichter Rampenbegrenzung durch Elektrochemie 0 Kühlmitteltemperatur -15 0 10 20 30 40 50 60 Zeit in in s
Vermessung Tiguan HyMotion3 im Klimawindkanal T T
Steigungsprofil heiße Klimazone 1600 Ende: t Umgebung = 38 C 16 1400 Höhenprofil Steigungsprofil Höhenprofil Steigungsprofil 14 1200 12 Höhe in m 1000 800 600 10 8 6 Steigung in % 400 4 200 Fahrgeschwindigkeit 60 mph 2 0 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Start: t Umgebung = 50 C Zeit in s
Temperatur- und Leistungsverhalten Tiguan HyMotion3 heiße Klimazone 90 80 70 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 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Zeit in s
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
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
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 1.380 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
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 %
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 %
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.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.