www.dlr.de Chart 1 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Batterie oder Brennstoffzelle was bewegt uns in Zukunft? K. Andreas Friedrich Institut für Technische Thermodynamik Pfaffenwaldring 38-40, Stuttgart
www.dlr.de Chart 2 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Globale Herausforderungen im 21. Jahrhundert - Alarmierender Anstieg des Energieverbrauchs in der Welt durch Bevölkerungswachstum - Sichere elektrische Energieversorgung (ohne Kernenergie) - Globaler Einfluss der Treibhausgase auf das Klima - Lokale Luftverunreinigung durch toxische Emissionen - Limitierte Ressourcen und extreme Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen - Wettbewerb um die Verwendung der landwirtschaftlichen Flächen - Geopolitische Abhängigkeiten - Wettbewerbsfähigkeit der Industrie - Schaffung neuer Arbeitsstellen mit innovativen Produkten Elektromobilität ist die Antwort im Verkehr
www.dlr.de Chart 3 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Öl-Förderung und Weltbevölkerungsentwicklung Szenario 2050: 273 Millionen Fahrzeuge in Europa und 2.5 Milliarden weltweit Öl- Zeitalter Quellen: EWG-Erdölstudie/Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH 2007 Deutsche Stiftung Weltbevölkerung
www.dlr.de Chart 4 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Alternative Darstellung des Oil Peaks Quelle: Opel AG
SEITE www.dlr.de 5 Chart 5 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Ziele des Deutschen Energiekonzepts (Energiewende) Elektrizitätsbedarf (bezogen auf 2008) Bruttoenergiebedarf (bezogen auf 2008) Wärme bedarf (bezogen auf 2008) Klimagas- Emissionen (bezogen auf 2008) Modifiziert nach: Craig Morris, Martin Pehnt (2012) Ziele in % Anteil EE in % Primärenergieanteil
www.dlr.de Chart 6 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 CO 2 Reduktionsziele bei der Energiewende 1.200 CO 2 -Emissionen Deutschland [Mio. t] 1.000 800 600 400 200 1.032 Mio. t Haushalte & GHD Verkehr Industrie Energiewirtschaft - 95 % 52 Mio. t CO 2 0 maximal 21 Mio. t CO 2 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
www.dlr.de Chart 7 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Energie und Antriebsalternativen Energie Resourcen Energieträger Antriebssysteme Öl Verbrennungsmotor: Flüssige Kohlenwasserstoffe Benzin / Diesel Kohle Gasförmig ICE Erdgas Biomasse Erneuerbare (Solar, Wind, Hydro) Gasförmige Kohlenwasserstoffe Wasserstoff ICE Hybrid Plug-In Hybrid ICE Brennstoffzellen Fahrzeug Batterie Elektrifizierung Nuklear Elektrizität Electric Vehicle Batterie Fahrzeug
www.dlr.de Chart 8 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Kontroverse Diskussion: Batterie oder Brennstoffzelle?
www.dlr.de Chart 9 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie Li-Ionen-Batterie
www.dlr.de Chart 10 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Prinzip der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle Chemische Energie Elektrische Energie Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Elektrolyt: Polymer Membrane Ladungsträger: H + Ionen Reaktion Anode: H 2 -> 2H + + 2e - Reaktion Kathode: ½O 2 + 2H + + 2e - -> H 2 O Temperatur: 60 C - 90 C Brennstoffzellen-Prinzip
www.dlr.de Chart 11 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade ( Tank-to-Wheel ): Verbrennungsmotor: 20 25 % Kraftstoff Wärme Bewegung Elektrizität Brennstoffzellen-Elektroantrieb: 40 50 % H O H Kraftstoff Elektrizität Batterie-Elektroantrieb: 70 80 % Elektrizität Chemische Energie Elektrizität Sekundärbatterie (Akkumulator)
www.dlr.de Chart 12 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Well-to-Wheel Effizienz km/mj 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Wirkungsgradvergleich mit verschiedenen Kraftstoffen Batterie-Fahrzeug Brennstoffzellen-Fahrzeug Benzin-Verbrennung Diesel-Verbrennung Erdgas 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Öl 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Jahr 2020 Kohle 2 1 Erdgas in Verbrennungsmotor; Diesel aus Erdgas über Fischer-Tropsch-Synthese 2 Benzin und Diesel Fisch-Tropsch-Synthese Quelle: CONCAWE-EUCAR JEC-WTW study
www.dlr.de Chart 13 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Effizienzvergleich von Antrieben Benzin Japan (JHFC) Diesel Japan (JHFC) Hybrid Benzin Japan Brennstoffzelle Japan (momentan und zukünftig) Batteriefahrzeug Japan (Stromix) Elektroantriebe Technologiewechsel Benzin Diesel Hybrid (Benzin) Hybrid (Diesel) Verbrennungsmotoren Brennstoffzelle mit 100% H 2 aus Erdgas Batteriefahrzeug mit Strom aus 100% EU-Mix Batteriefahrzeug mit 100% erneuerbarem Strom Brennstoffzellenfahrzeug mit 100% erneuerbarem H 2 Basiert auf Daimler und Well-to-Wheel Studien: Concawe, EUCAR, JRC und JHFC
www.dlr.de Chart 14 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Elektromobilität und Flächenbedarf Flächenbedarf mit Erneuerbaren Energien für einen PKW mit 12 000 km Fahrleistung pro Jahr 5000 m 2 für Biodiesel mit Verbrennungsmotor 1000 m 2 für H 2 aus Biomasse + Brennstoffzellenantrieb 500 m 2 für H 2 aus Windenergie + Brennstoffzellenantrieb ( Fläche kann für Landwirtschaft genutzt werden) 65 m 2 für Photovoltaik + Brennstoffzellenantrieb 20 m 2 für Photovoltaik + Batterieantrieb Quelle: ZSW 2010
www.dlr.de Chart 15 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Antriebskonfigurationen von Elektrofahrzeugen Batterie Batterie Batterie
www.dlr.de Chart 16 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Historische Entwicklung der Batteriefahrzeuge Anteil Registration verscheidener share Antriebstechnologien traction systems Anmeldungszahl Registration of Elektrischer electric vehicles Fahrzeuge Quelle: Mock and Schmid, 2008. Bilder: La jaimais contente, the Detroit Electric car, the Golf CitySTROMer, (VW), the EV1 (GM) and the Smart Fortwo ED (Daimler).
www.dlr.de Chart 17 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Elektrofahrzeuge um 1900 Daimler Tonneau, 1901 Elektrisch betriebener Hotelomnibus Elektrowagen der NAG (Neue Automobilgesellschaft mbh) 1903 Quelle: Ledjeff, Energie für Elektroautos Baker Elektromobil, 1912 Quelle: Frankenberg, Geschichte des Automobils Lohner-Porsche Elektromobil mit Radnabenantrieb, 1900
www.dlr.de Chart 18 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Geschwindigkeitsrekorde Elektrofahrzeuge bis 1900 Quelle: Frankenberg, Geschichte des Automobils
www.dlr.de Chart 19 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Beispiele für Batteriefahrzeuge 6.000 E-Autos wurden 2013 in Deutschland verkauft, verglichen mit den rund 2,95 Millionen insgesamt zugelassenen Neuwagen Smart ed VW E-up Mitsubishi i-miev, Peugeot Inn Renault Zoe BMW i3 Nissan Leaf Ford Focus Electric Opel Ampera Renault Fluence Z.E.
www.dlr.de Chart 20 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Status Elektrofahrzeuge ( Plug-In Batterie) Entwicklung der Neuzulassungen (links) und Bestandszahlen (rechts) in ausgewählten Ländern seit 2008 bzw. 2009 Quelle: ZSW und DFKI GmbH Starker Anstieg der Neuzulassungen Erwartungen der Politik wurden jedoch bisher nicht erfüllt
www.dlr.de Chart 21 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Beispiele für Batteriefahrzeuge Im Handel: seit Frühjahr 2013 Preis: 60 KWh: ab 71.400 Euro 85 KWh: ab 81.750 Euro Bei 85 Kilowattstunden: Reichweite: bis zu 480 Kilometer Leistung: 367 PS Höchstgeschwindigkeit: 200 km/h Im Handel: Spätherbst 2013 Preis: knapp 35.000 Euro Batterie 18,8 kwh Reichweite: gut 160 Kilometer Leistung: 170 PS Höchstgeschwindigkeit: 150 km/h
www.dlr.de Chart 22 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Offene Fragen für Batterie-Elektromobilität - Die Lebensdauer der Batterie und die Garantieleistungen - Öffentliche Ladeinfrastruktur / Standardisierung - Produktauswahl noch gering - Gesellschaftliche Akzeptanz und Rahmenbedingungen - Angst vor dem Liegenbleiben - Leasingangebote des Batteriesystems. - Anwendung mobiler Kommunikationssysteme - Neue additive Geschäftsmodelle - Fokus Weiterentwicklung: - Packaging/Gewichtsoptimierung - Reichweite/Speicheroptimierung - Lebensdauer - Kosten (Technologie, Stückzahlen, Zulieferer)
www.dlr.de Chart 23 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Elektromobilität mit Brennstoffzellen - Über 210 Demofahrzeugmodelle! 1839 1960s and 1970s 1990s 2000 today tomorrow
www.dlr.de Chart 24 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Status Brennstoffzellenfahrzeuge ca. 600 Fahrzeuge in Demonstrationsprojekten, > 15 Mio. km, > 90.000 Betankungen Kundenanforderungen werden erfüllt: Fahrleistung und Kaltstartverhalten Hohe Wirkungsgrade / geringer Kraftstoffverbrauch (ca. 52 % (LHH)) Kurze Nachtankzeiten Erfolgreiche Erprobung unter Automotive-Bedingungen Ausreichende Reichweite (ca. 500 km mit 5 kg Tank) Lokal emissionsfrei Automobile Sicherheitsstandards
www.dlr.de Chart 25 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Beispiele von Brennstoffzellenfahrzeugen Toyota FCHV-R 100 kw Leistung 70 MPa Hochdruck-H 2 -Tank Reichweite: 830 km Kaltstart: von -30 C Tankzeit: 3 Minuten 2015 erste Kleinserie B-Klasse f-cell 80 kw Leistung 70 MPa Hochdruck- Wasserstofftank Reichweite: 430 km Tankzeit: 3 Minuten Max. 170 km/h Batterie: Li-Ionen 1,4 kwh 2017 Serienfahrzeug Honda FCEV concept 100 kw Leistung 3 kw pro Liter Reichweite: 500 km 70 MPa Hochdruck- Wasserstofftank 2015 Kleinserie in USA und Japan
www.dlr.de Chart 26 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 H 2 Mobility in Germany Größte Herausforderung: H 2 -Infrastruktur H 2 Mobility: Initiative von 6 Unternehmen und der Deutschen Regierung 400 H 2 Tankstellen bis 2023 Investitionen 350 Millionen 2015 2018 2023 26
www.dlr.de Chart 27 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 GermanHy: Aufbau einer Wasserstoff- Infrastruktur In der Einführungsphase (bis 2030) dominiert der Transport von Flüssigwasserstoff zur Tankstelle (z.b. zur Integration von offshore Wind und Nebenprodukt-Wasserstoff) Mit steigender Nachfrage erfolgen Transport und Verteilung über Pipelines mit Druckwasserstoff Auch regionale oder on-site Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas, Biomasse oder Elektrolyse können eine Rolle spielen Davon Pipeline 2030 ca. 20% 2050 ca. 80% Szenario 2030 Moderat Quelle: GermanHy 2009, Joest et al.
www.dlr.de Chart 28 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 H 2 -Infrastruktur in Deutschland - Die Investitionen zum Infrastrukturaufbau bis 2030 kumulieren sich zu 10 bis 21 Mrd. Euro im moderaten Szenario (Versorgung von 7 Mio. Wasserstofffahrzeugen) - Vergleichsgrößen: - Straßeninfrastruktur Deutschland in 2005: 5 Mrd. Euro - EEG-Vergütung 2013: 8,5 Mrd. Euro Photovoltaik 20,38 Mrd. Euro Gesamt - Einnahmen Mautsystem Deutschland in 2005: 3 Mrd. Euro
www.dlr.de Chart 29 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Vergleich eines Batterie- und Brennstoffzellen- Fahrzeuges mit Reichweite 480 km - Tesla Modell S: Fahrzeug mit nominell 480 km Reichweite - Kann daher Elektromobilität nur mit Batterie-Antrieben realisiert werden? - Hat damit die Brennstoffzelle wirklich keine Zukunft im Verkehr?
www.dlr.de Chart 30 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Aussage der Coalition -Studie auf EU-Ebene zu Gesamtkosten von Fahrzeugen Gesamtheit der Kosten für verschiedene Fahrzeuge EUR/km 1.0 0.8 TCO (total cost of ownership) = Kaufpreis + Betriebskosten (Wartung + Kraftstoff) FCEV PHEV BEV ICE C/D SEGMENT 0.6 0.4 Quelle: A portfolio of powertrains for Europe: a fact-based analysis, McKinsey & Company (2012) 0.2 0 2010 2015 2020 2025 2030 30
www.dlr.de Chart 31 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Erwartete Entwicklung Edelmetallbedarf Vergleich Brennstoffzellen- und Verbrennungsfahrzeuge
www.dlr.de Chart 32 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Vergleich der spezifischen Energien von H 2 - Brennstoffzellensystemen und Batteriesystemen Spezifische Energiedichte / Wh kg -1 Spezifische Energie: Energie pro Einheitsmasse Batterien H 2 -Tank, Brennstoffzelle & Batterie
www.dlr.de Chart 33 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Vergleich der Massen von Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge als Funktion der Reichweite Batteriefahrzeug Antriebe mit Beschleunigungszeit von 10 s von Null auf 97 km/h mit gleichen Fahreigenschaften Brennstoffzellen-Hybrid
www.dlr.de Chart 34 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Vergleich der Volumetrischen Energiedichten der Antriebssysteme Vol. Energiedichte / Wh l -1 Batterien H 2 -Tank, Brennstoffzelle & Batterie
www.dlr.de Chart 35 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Vergleich der Volumina der Systeme (BZ + Speicherung) als Funktion der Reichweite
www.dlr.de Chart 36 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Vergleich der well-to-wheel Treibhausgasemissionen für die USA Annahmen: Strommix 2010-2020 52 % Stromerzeugung aus Kohle und geringe Effizienz des Elektrischen Netzes von 35% H 2 wird aus Erdgas erzeugt Quelle: Wang MQ. Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Transportation. Argonne National Laboratory
www.dlr.de Chart 37 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Vergleich der Lade -Eigenschaften von Brennstoffzellen und Batteriesystemen Reichweite (km) Energie vom Netz (kwh) Aufladung I Zeit (h) 220 V, 40 A 7.7 kw Aufladung II Zeit (h) 480V, 3 Φ, 60 kw H 2 Tankfüllung (h) 241 56 7,3 0,9 0,05 (3 min) 322 82 10.68 1,4 0,05-0,08 483 149 19.40 2,5 0,05-0,08 Wirkungsgrad ca. 70% < 70% ca. 50 % unabhängig vom Tanken
www.dlr.de Chart 38 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Zusammenfassender Vergleich Emissionsfrei Geräuscharm Div. Energieträger Batteriesystem BZ-System Vorteile Herausforderungen Designkriterien Batterie BZ-System Batteriefahrzeug Brennstoffzellen / Batteriehybrid sehr gute Umweltbilanz Hochenergie, > 15 kwh - Höchste Wirkungsgrade Niedrige Betriebskosten Privates Nachladen Einschränkungen Reichweite, Ladezeiten, Komfort Öffentliche Ladeinfrastruktur Reichweite (sehr) gute Umweltbilanz Hochleistung, ~ 1.5 kwh Hohe Dauerleistung, > 80 kw Konventionelle Reichweite, Komfort und Nachtankzeit Hohe Dauerleistung Hohe Ausbaustufe H 2 - Infrastruktur Höhere Betriebskosten Spitzenleistung Dauerleistung Anwendungen Innerstädtisch Langstrecke
www.dlr.de Chart 39 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014 Zusammenfassung - Elektromobilität mit Brennstoffzellen und Batterien haben etwa gleiches Zukunftspotenzial - Kein großer Automobilhersteller kann sich momentan leisten, eine dieser Optionen zu vernachlässigen - Wahrscheinlich werden beide Technologien parallel im Markt bestehen (wie Otto- und Diesel-Verbrennungsmotoren) - Ihre Umweltbilanz ist auf Basis Erneuerbarer Energien gleichermaßen gut -..\BrennstoffzellenOderBatterien\Kommt eine Blondine in die Bibliothek.mp4 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!