Prof. Dr. Werner Tillmetz Zentrum für Sonnenenergie- und ... · • Viele hundert Fahrzeuge der 2....

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Ulmer Universitätsgesellschaft

Ulm 10.04.2014

Prof. Dr. Werner Tillmetz

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)

Baden-Württemberg

„ohne fossil und trotzdem mobil“

Batterien für die E-Mobilität von morgen

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Die Welt im Wandel

Globaler Klimawandel und lokale Luftverschmutzung >>> Emissionsgesetzgebung

Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes Begrenzte fossile Brennstoffe - Peak Oil

Globaler Wettbewerb der Volkswirtschaften >>> geopolitische Abhängigkeiten bei der Energieversorgung Neue Technologien für die Produkte von morgen >>> Beispiele: Toyota Prius, Tablet PC, Digital-Kamera….

Globaler Energieverbrauch

Heute 80% fossile Brennstoffe und nur 8% Erneuerbare Energien

Energiewende wird eine gigantische Herausforderung

Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report

16,7%

Globaler Energieverbrauch

Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report

16,7%

Mit derzeitigen technischen Möglichkeiten

könnte das 6-fache des globalen

Energiebedarfs aus Erneuerbaren

Energien gedeckt werden

Globaler Energieverbrauch

Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report

16,7%

Subventionen E/E 2010:

66 Mrd. USD (IEA – WEO 2011)

Globaler Energieverbrauch

Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report

16,7%

Subventionen Fossil 2010:

409 Mrd. USD (IEA – WEO 2011)

Subventionen E/E 2010:

66 Mrd. USD (IEA – WEO 2011)

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Globaler Energieverbrauch – die großen Unterschiede

147 kWh pro Tag

17 kWh pro Tag

Quelle: BMU

Herkunft des Öls für Deutschland 2012

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Quelle: BAFA

Herkunft des Erdgases für Deutschland 2012

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Herkunft der deutschen Primärenergie (2011)

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Weltweiter Ölverbrauch - Peak-Oil

year

Quelle: General Motors

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Mobilität vor dem Öl

year

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year

Der Beginn des Erdöl-Zeitalters

Quelle: General Motors

Beginn einer industriellen

Revolution, die die letzten

100 Jahre geprägt hat

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Was wünscht sich der mobile Bürger heute?

year

Quelle: General Motors

Billigeres Benzin ???

Beginn des postfossilen Zeitalters

year

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Quelle: General Motors

Beginn einer industriellen

Revolution, die die nächsten

100 Jahre prägen wird

Der Weg in das postfossile Zeitalter – was tun?

year

Steigender Energiebedarf und begrenzte

Ressourcen – wie können wir das Dilemma lösen?

- Maximale Effizienz

- Maximale Nutzung Erneuerbarer Energien

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Quelle: General Motors

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Treiber: Wirkungsgrade

Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade (Tank to Wheel): Verbrennungsmotor: 20 – 25 % Brennstoffzellen-Elektroantrieb: 40 – 50 % Batterie-Elektroantrieb: 70 – 80 %

Elektro-Fahrzeuge werden betrieben

mit Strom oder Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien

20 m2 PV – Fläche genügen, um den Strombedarf

eines E-Fahrzeuges zu decken (12 000 km pro Jahr, Deutschland)

Elektromobilität und Erneuerbare Energien

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Elektromobilität und Erneuerbare Energien

5000 m2 für Biodiesel + Verbrennungsmotor

1000 m2 für Wasserstoff aus

Biomasse + Brennstoffzellenantrieb

20 m2 für PV-Strom + Batterie-E-Fahrzeug

500 m2 für Wasserstoff aus

Windenergie + Brennstoffzellenantrieb

(Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich

Nutzbar)

Flächenbedarf für regenerative Kraftstoffe zum Betrieb eines

Pkw mit 12 000 km p.a. Fahrleistung

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Struktur der Strombereitstellung aus Erneuerbaren

Energien in Deutschland 2012

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Energiebedarf für 1 Mio.

Elektrofahrzeuge:

2 Mrd. kWh

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ELEKTROFAHRZEUGE

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Elektromobilität – Vielfältige Lösungen

Schlüsseltechnologien: Batterie & Brennstoffzelle

Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In

Hybrid Batterie-E-

Fahrzeug

Brennstoffzellen-

E-Fahrzeug

Reichweite

(elektrisch)

Start / Stopp ca. 2 km bis 50 km 100 - 200 km ca. 500 km

Einsatz

elektrisch fahren

beliebig Stadtfahrzeug

Nutzung Erneuerbarer Energien

H2 aus EE Strom Strom

H2

Emission +++ +++

beliebig (ideal für Stadt- und Regionalverkehr)

++ ++ +

Infrastruktur Betankung

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Elektromobilität – Vielfältige Lösungen

Schlüsseltechnologien: Batterie & Brennstoffzelle

Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In

Hybrid Batterie-E-

Fahrzeug

Brennstoffzellen-

E-Fahrzeug

Reichweite

(elektrisch)

Start / Stopp ca. 2 km bis 50 km 100 - 200 km ca. 500 km

Einsatz

elektrisch fahren

beliebig Stadtfahrzeug

Nutzung Erneuerbarer Energien

H2 aus EE Strom Strom

H2

Emission +++ +++

beliebig (ideal für Stadt- und Regionalverkehr)

++ ++ +

Infrastruktur Betankung

Elektrofahrzeuge

>>> rund 400 000 Autos auf den Straßen -

sehr hohe Wachstumsraten – USA und Japan sind führend

Accumulated numbers of cars BEV,PHEV,REX; 2013 numbers for CN, UK, NED estimated

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Leitmärkte – heute, weltweit

Wachstumsraten > 100% p.a.

Leitanbieter – weltweit, heute

Accumulated numbers of cars, by manufacturer, BEV, PHEV, REX

>>> Nissan, GM & Toyota führend – Tesla zieht stark nach

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Quelle: Strukturstudie BWe Mobil 2011, eMobil BW

Elektromobilität:

Änderung Marktvolumen für Baden-Württemberg:

Aktuell - 2020 [in Mio. Euro]

Elektromobilität: Verschiebungen in der Wertschöpfung

Schlüsselkomponente Li-Ionen Batterie

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• Li-Ionen Batterien für Fahrzeuge (wie Konsumerelektonik) kommen bislang fast

ausschließlich aus Japan und Korea

• Li-Ionen Batterien sind Schlüsseltechnologie für die Antriebe der Zukunft

>>> sie bestimmen u.a.: Kosten, Reichweite, Sicherheit, etc. der Fahrzeuge

>>> haben hohen Anteil an der Wertschöpfung

Quelle: Roland Berger

VDA Fachkongress E-Mobility,

(IAA, 17.09.2013)

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Entwicklung Fahrzeugantriebe

Batterien/Brennstoffzellen sind aus künftigen Fahrzeugen

nicht mehr wegzudenken

SCHLÜSSELKOMPETENZ

LITHIUM-IONEN-BATTERIEN

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Batterien = elektrische Energiespeicher

Funktion und

Aufbau einer

Lithium-Ionen-Batterie

• Batterien (Akkumulatoren) speichern elektrischen Strom mit hohem

Wirkungsgrad (Laden - Entladen)

• Li-Ionen-Batterien haben die höchste

Energiedichte heutiger Akkumulatoren

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Li-Ionen-Batterien im Auto:

Große Herausforderungen und neue Chancen

Sicherheit im Betrieb, Crash

Kosten < 250 €/kWh

Energiedichte > 200 Wh/kg

Lebensdauer >15 Jahre

> 3.000 Zyklen

Betriebsbedingungen - 30°C bis +50°C

Leistung Beschleunigung,

Rekuperation, Ladezeit

Energieverbrauch Batterie-Fahrzeug 16 – 20 kWh pro 100 km

>>> Ressourcen, Produktionsanlagen, Qualifiziertes Personal, Qualitätskontrolle

ZSW-Forschung - Beispiel:

Materialsynthese – Partikelmorphologie - Elektrochemie

• Synthese fortschrittlicher Aktivmaterialien

Kathoden – Anoden - Elektrolyte

• Optimierung, Morphologie und Partikelgröße

• Charakterisierung & elektrochemische Eigenschaften

Elektrolyte

TiO2 Li2MnO3

>>> fortschrittliche Materialien bestimmen den Erfolg

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• Rezepturentwicklung für Elektroden Pasten

• Homogenität, Rheologie und Dispersionsstabiliät

• Beschichten, Trocknen und Kalandrieren mit hoher Qualität

und Geschwindigkeit

• Elektroden Mikrostrukturen, Porosität und Haftung

ZSW-Forschung - Beispiel:

Slurry Präparation – Beschichtungstechnologie

>>> Know How bestimmt die Qualität der Elektrodenfertigung

• Testzentrum für Zellen, Module und Batteriesysteme

• Lebensdauer- und Performancetests

• Sicherheitstestbunker (zerstörerisch)

• Batterie-Management-System und Batterie-Monitoring

• Mathematische Modellierung und System-Engineering

ZSW-Forschung - Beispiel:

Performance & Sicherheitstests – Batterie-Management

>>> Fortschrittliche Testprotokolle spiegeln die reale Welt

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ZSW-Forschung - Beispiel:

Zellöffnung und Post-Mortem-Analysen

Li-Plating auf

der Anode

• Standardisierte Verfahren zur Zellöffnung und Analyse

• Korrelation Analyseergebnisse mit Ursache

• Datenbanken für Statistik und Bewertung

• Alterungsmechanismen und deren Beschleunigungsfaktoren

Arbeitsplätze für die Zellöffnung Geöffnete Pouch-Zelle

>>> Aus Fehlern lernen führt zu verbesserten Zellen

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0 2000 4000 6000 8000 100000

20

40

60

80

100

Kapazität / %

Zyklenzahl

ZSW-Forschung - Beispiel:

18650 Standard Zellen made by ZSW

Charge/Discharge 2C (CC)

2 – 3,6 V

10.000 cycles >>> capacity retention 89%

LFP/Amorphous carbon

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ZSW-Forschung - Beispiel:

Produktionstechnologie für Lithium-Ionen Zellen

Neue Forschungs-

produktionslinie (FPL):

• große prismatische Zellen

(> 20 Ah)

• Optimierung von Leistung,

Qualität & Kosten

• Demonstration von neuer

Zellchemie in Standardzellen

• 3600 m2 Laborfläche

• gefördert vom BMBF & MFW

• unterstützt von KLiB e.V.

ZSW Labor für Batterietechnologie

(elaB)

• Batterietest- und Sicherheitstestzentrum

• Zell-Pilotfertigungsanlage & Analytik

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ZSW-Forschung - Beispiel:

Produktionstechnologie für Lithium-Ionen Zellen

Neubau eLaB,

Lise-Meitner-Staße 24

(Bild: Januar 2014).

Inbetriebnahme der

Forschungsproduktionslinie

im Sommer 2014.

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Juni Intersolar 2013

Unterzeichnung der

Vereinbarung über die

Nutzung der Anlage während

der Grundsteinlegung für den

vierten Gebäudetrakt des ZSW

Labors für Batterietechnologie

(eLaB).

Unterzeichnung der

Vereinbarung über die

Nutzung der Anlage während

der Grundsteinlegung für den

vierten Gebäudetrakt des ZSW

Labors für Batterietechnologie

(eLaB).

Unterzeichnung der

Vereinbarung über die

Nutzung der Anlage während

der Grundsteinlegung für den

vierten Gebäudetrakt des ZSW

Labors für Batterietechnologie

(eLaB).

Industrie vereinbart mit ZSW die Nutzung der

Forschungsproduktionsanlage (FPL) über 5 Jahre.

ZSW-Forschung – Beispiel:

Nutzung der Forschungsproduktionslinie

• BASF SE

• BMW AG

• Daimler AG

• Elring Klinger AG

ZIEL:

Prismatische Wickelzellen

nach VDA-Kriterien (Dummy)

• Manz AG

• Robert Bosch GmbH

• Rockwood Lithium GmbH

• SGL Carbon GmbH

• Siemens AG

BRENNSTOFFZELLEN IN DER

ELEKTROMOBILITÄT

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E-Fahrzeuge

mit

500 km Reichweite

&

3 Minuten Betankungszeit

&

für Reiselimousinen und Busse

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E-Fahrzeuge

mit

500 km Reichweite

&

3 Minuten Betankungszeit

&

für Reiselimousinen und Busse

ein Traum?

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E-Fahrzeuge

mit

500 km Reichweite

&

3 Minuten Betankungszeit

&

für Reiselimousinen und Busse

ein Traum?

Nein >>>

seit vielen Jahren im Alltagseinsatz

in der Flottenerprobung

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• Viele hundert Fahrzeuge der 2. und

3. Generation seit Jahren im Alltag unterwegs

• Erfüllen Kundenanforderungen

- Reichweite

- Schnelles Tanken

- Heizung und Klima

• Serienproduktion in Vorbereitung:

- Hyundai produziert aktuell 1000 Fahrzeuge

- Markteinführung 2015 in Japan ist gesetzt:

Toyota Partnerschaft mit BMW, Honda mit GM/Opel

- Daimler/Nissan/Ford: 100 000 Fahrzeuge ab 2017

Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle

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Bus mit Brennstoffzelle in Hamburg

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Brennstoffzellen = Energiewandler

Brennstoffzellen wandeln

• Brenngase (Wasserstoff = gut speicherbar)

• und Sauerstoff (aus der Luft)

• hoch effizient und schadstofffrei in

• Strom, Wärme und Wasser um

Brenngas

O2

2e- 2e-

Wasser + Wärme

H+

Luft H2 O2

Katalysator Membran

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Brennstoffzellensystem für Fahrzeugantriebe

Leistungselektronik

Luftversorgung

Wasserstoff-Kreislauf

Brennstoffzelle (80 kW)

3. Generation, Daimler AG 2. Generation, Daimler AG

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Wasserstoff – Treibstoff und Energiespeicher

Quelle: Hydrogenics

• Wasserstofferzeugung aus

Erneuerbarem Strom über Elektrolyse

• Speicherung von Überschussstrom

• Treibstoff für Brennstoffzellen-

Fahrzeuge

• Kritischer Pfad: Aufbau von

Wasserstofftankstellen

(heute ca. 200 weltweit, große

Regierungsprogramme etabliert)

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Fazit

Globaler Klimawandel und lokale Luftverschmutzung >>> E-Fahrzeuge sind emissionsfrei (lokal und global E/E)

Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes >>> E-Antriebe reduzieren Energieverbrauch durch hohen Wirkungsgrad Begrenzte fossile Brennstoffe - Peak Oil >>> E-Mobilität basiert auf E/E

Globaler Wettbewerb der Volkswirtschaften >>> lokal erzeugter Strom aus E/E schafft Unabhängigkeit Neue Technologien für die Produkte von morgen >>> deutsche Wertschöpfung und Kompetenz zu Schlüsseltechnologien Batterie und Brennstoffzelle sicher stellen

Interessante Informationsquellen

www.electrive.net und http://fuelcellsworks.com/

www.e-mobilbw.de und http://www.now-gmbh.de/de/

Öl-Zeitalter: http://www.arte.tv bzw. auf www.youtube.com

Gasland: www.youtube.com

Twilight in the dessert – Matthew Simmons:

http://www.worldenergysource.com/articles/pdf/simmons_WE_v8n2.pdf

bzw. auf Amazon

http://energywatchgroup.org/

http://aspo-deutschland.blogspot.de/

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Mercedes Benz F-Cell World Tour – March 7, 2011

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!