ZIELKONFLIKTE BEI DER BRENNSTOFFZELLENAUSLEGUNG DR. INGO DRESCHER KONZERNFORSCHUNG BRENNSTOFFZELLE HYBRIDTAGUNG BRAUNSCHWEIG 21. FEBRUAR 2017
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 2010 2020 2030 2040 2
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
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 20 25 30 35 40 45 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
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
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 = 96.485 C/mol (Faraday-Konstante) 6
BRENNSTOFFZELLE BENÖTIGTE DAUERLEISTUNG DREHMOMENT 1) UND LEISTUNG 1) BEI VERGLEICHBAREN (PEAK-) LEISTUNGEN EM / ICE 350 140 Drehmoment [Nm] 300 250 200 150 100 50 0 ICE EM peak EM dauer 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Drehzahl [1/min] Leistung [kw] 120 100 80 60 40 20 0 EM peak EM dauer ICE 0 50 100 150 200 250 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
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 0-100 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
BRENNSTOFFZELLE KOSTEN-REDUKTION DURCH SYSTEMISCHEN ANSATZ H 2 -Tank H2-Tanks Stapel 100 % 34 33 20-50% Systemischer Ansatz 15 15 50 % 14 Gesamtsystem Ein-Tank-System BoP 33 18 18 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
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
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
Vielen Konzernforschung Dank Brennstoffzelle Dr. Ingo Drescher 12