Elektro- und kraftstoffbasierter Mobilitätskonzepte Prof. Dr.-Ing. habil. Matthias Gaderer Regenerative Energiesysteme, Campus für Biotechnologie und Nachhaltigkeit, Straubing www.res.wzw.tum.de gaderer@tum.de Historie Motivation Konzept Elektroauto Konzept E-Fuels Konzept Wasserstoff 1
Historisches und neues Lohner Porsche, Allrad E-Radnabenmotore, 50 km/h, 50 km, 1899 Tesla Roadster, rein elektrisch, 209 km/h, 350 km, 2018 Lohner Porsche Semper Vivus, serieller Hybrid, 50 km/h, 50 km, 1900 Panamera Turbo S E-Hybrid Executive, Allrad, 310 km/h, 66 g CO 2 /km, 2.9 l/100 km, A+, 2018, 16,2 kwh/100 km, 2018 2
Historisches und neues Bergmann Elektrowagen 1928, Deutsche Post Streetscooter, 2018, Deutsche Post Daimler Motorkutsche1896, 8 PS 3
Motivation Anteil Autotechnik? 1900 1925 1950 1975 2000 2025 2050 USA 40 % E-Auto technisch motiviert Ölkrise Brennstoffzelle, NASA kostenmotiviert klimamotiviert Ölboom gesundheitsmotiviert Anteil Wind & Solar 4
Klimamotivation - das 2 Grad Ziel Insgesamt 2.000 kg CO 2 /Person und Jahr davon privat 900 kg davon Verkehr 300 kg 100 kg Landwirtschaft, Industrie, Gewerbe, Handel, Staat 55 % privat 45 % 900 kg 1/3 Heizung 300 kg 1/3 Mobilität 300 kg 100 kg 1/3 Sonstiges 300 kg 100 kg Weltweit pro Kopf und Jahr im Zeitraum 2010-2050 stehen etwa 2.000 kg CO 2 zur Verfügung, um das 2 C-Klimaziel zu halten. Zeitraum 2051-2100 etwa 300 kg, im Gesamtzeitraum 2010-2100 1.000 kg, Heizung 300 kg CO 2 = 113 Liter Heizöl/Jahr = 1.130 kwh; geteilt durch 50 m² = 23 kwh/m 2 a, Passivhaus 10: 10 kwh/m²a (Ist-Stand 15) Raumwärme + Warmwasser 15 kwh/m²a = 25 kwh/m²a, Ziel erreichbar Problem: Mittelwert Gebäudebestand > 100 kwh/m²a Mobilität 1 l Benzin 2,37 kg CO 2, 42 l Benzin/Jahr = 100 kg CO 2 = 700 km, Fahren: 1 l Diesel, Kerosin od. Heizöl 2,65 kg CO 2, 37,3 l Benzin/Jahr = 100 kg CO 2 = 753 km; bei 15.000 km/a - 95 % Fliegen: Flgh. MUC 3,68 Liter Kerosin je 100 km und Passagier, 100 kg CO 2 = 1.025 km; bei 4.926 km/a - 75 % WBGU, Solving the climate dilemma 5
Klimamotivation Biokraftstoffe - 2016 Mengenanteil von 5,6 % am Dieselkraftstoff (rückläufig) und 5,4 % am Ottokraftstoff - direkt beigemischt werden dem fossilen Kraftsoffen jeweils etwa 5 % - Neuen Zielsetzungen sind hier eine Treibhausgasreduktion im Kraftstoffbereich um 4 % ab dem Jahr 2017 und 6 % ab dem Jahr 2020. - seit 2009 Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung - Aufgrund mangelnder Potenziale sind mit biobasierten Kraftstoffen die langfristigen Ziele sicherlich nicht erreichbar. Deutsche Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle 6
Klimamotivation CO 2 -Einsparung bei Elektroauto mit Akku 60.000 PKW, kg CO 2 freigesetzt gesamt inkl. Bau, Batterie, Service und Fahrt Stromerzeugung Deutscher Strommix, -3 % CO 2 /a 50.000 fossiler Kraftstoff -1 % CO 2 /a kg CO 2 gesamt freigesetzt 40.000 30.000 20.000 Fahrleistung 15.00 km/a Diesel und Benzin Reduktion CO 2 /kwh el 1 % per Jahr Stromerzeugung Deutschland 520 kg CO 2 /MWh el ; Reduktion CO 2 /kwh el 3 % per Jahr -20 % 10.000 Annahmen: mech. Energie 10,5 kwh/100 km; Wirkungsgrade: E-Auto 0,8365; Diesel 0,21; Benzin und Gas 0,185 Verbrauch je 100 km: 5,04 l Diesel (4,24 kg); 6,85 l Benzin (4,94 kg); 7,70 l (4,44 kg) LPG; 5,85 l (4,5 kg) Erdgas Akku: 40 kwh; 0,1311 kwh/kg Akku (305 kg); 150 kg CO 2 /kwh Herstellung Akku, Reduktion 3,0 % per Jahr 0 Autoherstellung: 4.8 kg CO 2 /kg Auto (ausgenommen Akkugewicht), E-Auto ohne Akku 1.250 kg, andere 1.250 kg 0 25.000 50.000 75.000 100.000 125.000 150.000 175.000 200.000 225.000 250.000 275.000 300.000 km E-Auto Diesel Benzin Autogas LPG Erdgas 7
Klimamotivation CO 2 -Einsparung bei Elektroauto mit Akku kg CO 2 je kwh Energieträger (Kraftstoff Hu) PKW kg CO 2 /km freigesetzt gesamt inkl. Bau, Batterie, Service und Fahrt 0,540 0,9 kg CO 2 /kwh Kraftstoff Hu) 0,490 0,440 0,390 0,340 0,290 0,240 0,190 0,140 0,090 kg CO 2 /km 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 PKW-Hersteller geben teilweise 0,066 kg CO 2 /km an 0,040 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Jahr Jahr Strom Diesel Benzin Autogas LPG Erdgas E-Auto Diesel Benzin Autogas LPG Erdgas 8
Klimamotivation CO 2 -Einsparung bei Elektroauto mit Akku kg CO 2 gesamt freigesetzt 60.000 50.000 40.000 30.000 20.000 PKW, kg CO 2 freigesetzt gesamt inkl. Bau, Batterie, Service und Fahrt Stromerzeugung Deutscher Strommix, - 3 % CO 2 /a fossiler Kraftstoff -2,4 % CO 2 /a -0 % 10.000 0 0 25.000 50.000 75.000 100.000 125.000 150.000 175.000 200.000 225.000 250.000 275.000 300.000 km E-Auto Diesel Benzin Autogas LPG Erdgas 9
Klimamotivation CO 2 -Einsparung bei Elektroauto mit Akku 60.000 50.000 PKW, kg CO 2 freigesetzt gesamt inkl. Bau, Batterie, Service und Fahrt Stromerzeugung PV 100 kg CO 2 /MWh el, -0 % CO 2 /a fossiler Kraftstoff -1 % CO 2 /a kg CO 2 gesamt freigesetzt 40.000 30.000 20.000-42 % 10.000 Stromerzeugung PV 100 kg CO 2 /MWh el ; Reduktion CO 2 /kwh el 0,0 % per Jahr 0 0 25.000 50.000 75.000 100.000 125.000 150.000 175.000 200.000 225.000 250.000 275.000 300.000 km E-Auto Diesel Benzin Autogas LPG Erdgas 10
Klimamotivation Elektroauto Strombedarf - Strombedarf - wenn in Deutschland 44,4 Millionen E-Fahrzeuge vorhanden sind - werden 14,2 % des derzeitigen Strombedarfs in Deutschland - und eine mittlere gesicherte Leistung von 9,54 GW el benötigt, das ist ein realisierbare Größe - Ladestromleistung - Schnellladung von 50 kwh in 20 Minuten benötigt 150 kw el - E-Tankstellen somit > 1 MW el Schnellladung ist nicht der übergeordnete Fokus für Elektroautos, sondern Langzeitladung bei Kurzstrecken in Stadt und Land 11
Fazit Elektroauto mit Akku Klimamotivation - Strombedarf ist für E-Autos realisierbar - Optimierungsbedarf bei CO 2 -Bedarf für Stromherstellung und Akku - Optimierungsbedarf bei Lebensdauer des Akkus - Schnellladungsleistung erheblich, dezentral und sehr Leitungsbelastend - Einsatz für Kurzstreckenfahrten - CO 2 Einsparung im Vergleich beträgt zwischen 0 und 45 % (bei PV 88 kg/kwh el ) - Diesel und Erdgas hätten das beste CO 2 -Reduktionspotenzial - Benzin ist die schlechtes fossile Alternative Gesundheitsmotivation - NO x und Rußpartikel wurden hier nicht verglichen NO x : SCR katalytische Reduktion mit Harnstoff (AdBlue) Rußpartikel: Partikelfilter 12
Klima- und Gesundheitsmotivation CO 2 Reduktion bei fossilen Kraftstoffen durch Herstellung von E-Fuels Strom Wasser CO 2 Power to Gas Methan Audi AG 13
Klima- und Gesundheitsmotivation CO 2 Reduktion bei fossilen Kraftstoffen durch Herstellung von E-Fuels Power to Gas 14
Klima- und Gesundheitsmotivation Herstellung von E-Fuels Strom Elektrolyse Wasser/Wasserdampf Power to Fuel Wasserstoff Formaldehyd für OME CO 2 Katalyse C x H y Synthese, Hydrocracking CO + 4 H CH + 2 H O CO + 3 H CH OH + H O Methan Methanol CH OH + CH O COH [COH ] COH COH + CH OH + H CH O(CH O) CH + H O Oxymethylenether (OME) reines Oxymethylenether (OME) verbrennt nahezu Rußfrei 15
anthropogenes C z. B. Energieerzeugung E-Fuels CO 2 - Potenzial weltweit 11 Gt C/a (40,7 Gt CO 2 /a) 123 zu viel + 5,55 Gt C/a = 20,35 Gt CO 2 /a Pflanzen 22 60 60 x = 22 km (Normzustand) 1 93,5 90 Böden Zerstörung von Vegetation Ozeane 16
E-Fuels Power to X CO 2 - Potenzial und Strombedarf Deutschland - 41 % des CO 2 stammen von der Industrie (Erdgas, Kraftwerke) - Annahme: nur 20 % der Industriemenge ist nutzbar - nutzbares Potenzial 0,075 Gt CO 2, (0,18 % des weltweiten anthropogenen Ausstoßes) 62 % des Erdgases in D ersetzen erforderlich + 73 GW el über 8760 h oder 66 % des Diesels in D ersetzen erforderlich + 68 GW el über 8760 h oder 263 % des Kerosin in D ersetzen erforderlich + 79 GW el über 8760 h für den Kraftstoffeinsatz am Flughafen München wären + 4,67 GW el über 8760 h erforderlich 17
E-Fuels Stromerzeugung Deutschland Szenarien Bedarf im Mittel +73,5 GW el theoretische nicht dynamische Betrachtung, bei 50 % Wind und 50 % PV - Wind Faktor für gesicherte Leistung 5,9 216 GW el zu installieren - PV Faktor für gesicherte Leistung 9,32 343 GW el zu installieren Deutschland installierte Leistung derzeit gesamt ca. 225 GW el - Wind 2017 56 GW el - PV 2017 43 GW el - Wasser 2017 10 GW el - Biomasse 2017 7 GW el Mitteleuropa als Standort ist ungünstig, denn die Strombereitstellung mit Wind und PV ist in Asien und Amerika ertragreicher und somit bis zu 50 % kostengünstiger. 18
E-Fuels Wasserstoff Strom Elektrolyse Wasser Power to H 2 Wasserstoff CO 2 Katalyse H 2 Speicher C x H y - geringes Invest und geringere Formaldehyd Umwandlungsverluste, als E- für OME Fuels, Wirkungsgrad etwa 55 % - keine Synthese, CO 2 Abscheidung Hydrocracking - Speicherproblem damit lösbar? - PV-Strom in Asien und Amerika 2 Cent/kWh el 4 Cent/kWh H2 - fossile Kraftstoffe kosten 4,95 Cent/kWh ohne Steuern Wasserstoff als Kraftstoff wird nun zur realen Option Honda, 2018 19
E-Fuels Wasserstoffherstellung /kwh Wasserstoff Hu 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 /kwh Hu Wasserstoff (Strom 5 Cent/kWh) /kwh Hu Wasserstoff (Strom 2 Cent/kWh) /kwh Hu Wasserstoff (Strom 0 Cent/kWh) 0,00 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 Vollbenutzungsstunden der Elektrolyse Annahmen: Elektrolyse 600 /kw el ; 20 Jahre; 6 %; 55,1 % 20
Zusammenfassung Elektro- und kraftstoffbasierter Mobilitätskonzepte - die regenerative Stromerzeugung eröffnet neue Formen der Mobilität - E-Autos mit Akkus haben langfristig Limitierungen wie Reichweite und Schnellladung, deren Lösungen noch nicht absehbar ist - die Strombereitstellung für E-Autos mit Akkus ist (in Deutschland) realisierbar - E-Fuels auf C x H y Basis (Methan, MeOH, OME) würden zum Kolbenmotor passen, die Herstellung erfordert eine CO 2 Abscheidung und enorme (eventuell unrealistische) weitere regenerative Stromleistungen, Herstellung daher (wenn überhaupt) eher außerhalb Mitteleuropas. - die CO 2 reichen Quellen für eine CO 2 Gewinnung sind beschränkt - E-Fuels (Methan, MeOH, OME) benötigen eine Elektrolyse und Synthese und werden daher teuer. - Wasserstoff weist eine einfacherer Prozesskette auf und ist bei Herstellung außerhalb Mitteleuropa günstig, Herausforderung ist die Langzeit-Wasserstoffspeicherung, Wasserstoff dient gleichzeitig als indirekter Stromspeicher. 21