Hochschulvortragsreihe 2017/18: VDE, VDI, Hochschule Ulm, UNI Ulm

17. Januar 2018, Ulm

Peter Zindl, Hubert Mantz, Markus Jenne

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Leise und sauber – Brennstoffzellenanwendungen für

die E-Mobilität

Übersicht

1 Warum Elektromobilität mit erneuerbaren Energien? 2 Infrastruktur Elektromobilität 3 Brennstoffzellen und Batterien - Grundlagen 4 Elektromobilität und andere Anwendungen 5 Aktivitäten ZSW beim Aufbau der H2-Infrastruktur 6 Leise und Sauber: Brennstoffzellen für kommunale Anwendungen

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1 DIE GROSSEN HERAUSFORDERUNGEN

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Warum Elektromobilität mit erneuerbaren Energien?

Die großen Herausforderungen

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© picture-alliance / dpa © REUTERS/Bassam Khabie

© ARD, moma, 22.09.2015

Was steckt dahinter ? • Die Energieversorgung von heute basiert zu mehr als 80%, die Mobilität zu mehr als 95% auf fossilen Energien

• Viele Staatshaushalte hängen dramatisch vom Export fossiler Energien ab

Anteil Erneuerbare Energien bei Strom, Wärme, Kraftstoff Beispiel: Deutschland

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Alternative: Wirkungsgrade erhöhen und Erneuerbaren Energien nutzen - Mobilität

Fahrzeuge: Typische 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

Wasserstoff ermöglicht Sektoren-Kopplung zwischen elektrischer Energie und Mobilität (und Wärme)

Quelle: Hydrogen Council Januar 2017

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Potenziale für EE im Verkehrssektor – schon heute!

Im Jahr 2016 wurden mehr als 50 TWh Strom für 3.7 ct/kWh exportiert.

Entspricht dem Energiebedarf von ca. 20 Mio. Batteriefahrzeugen

Oder 930 000 t Wasserstoff* aus Elektrolyse Oder dem Wasserstoffbedarf** von ca. 5.3 Mio. BZ-Fahrzeugen

Im Jahr 2015 wurden 4.7 TWh erneuerbarer

Strom abgeregelt*** Entspricht 88 000 t Wasserstoff* aus

Elektrolyse oder dem Wasserstoffbedarf von

ca. 0.5 Mio BZ-Fahrzeugen

* Elektrolyseverbrauch 4.8 kWh /Nm3 Wasserstoff ** Verbrauch 1.3 kg/100 km, 13 300 km durchschnittliche Fahrleistung *** Entschädigungszahlung nach EEG 314.8 Mio. € (6.67 Ct/kWh)

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Manche Entwicklungen gehen unerwartet schnell …

- 9 - https://www.youtube.com/watch?v=2b3ttqYDwF0

In New York von 1900 bis 1913 !

- 10 - https://www.youtube.com/watch?v=2b3ttqYDwF0

2 INFRASTRUKTUR FÜR ELEKTROMOBILITÄT

- Schwerpunkt Wasserstoffherstellung und -Bereitstellung -

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Betankungskapazitäten im Vergleich I

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Diesel: 75 l/min ~45 MW ca. 14 200 Tankstellen

Tesla Supercharger ~120 kW 609 Stationen in Europa 3574 Ladeplätze

Bildquelle: http://www.elektroautor.com/tesla_supercharger/; Tesla Motors Bildquelle: http://oekolube.de Bildquelle: ZSW

Wasserstoff: ~ 1,9 kg/min ~ 3,7 MW ca. 40 Stationen (DE)

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Wasserstofftankstelle (Hydrogenics)

• Wasserstoff aus Erneuerbarem Strom über Elektrolyse (Power to Gas)

• Speicherung von Überschussstrom - Netzentlastung - „Sektorenkopplung“

• Treibstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge

• Aufbau von Wasserstofftankstellen (heute ca. 250 weltweit, große Regierungsprogramme etabliert)

Wartung einer Elektrolyseanlage (ZSW)

Wasserstoff – Treibstoff und Energiespeicher

Herkunft des Wasserstoffs

Über 90% des Wasserstoffs wird heute durch Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen hergestellt. 2014 etwa 34000 Tonnen pro Tag Beispiel Methan/Erdgas: CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2 ΔHr = 206 kJ/mol Bei 700 bis 1100 °C mit Hilfe von metallbasierten (Ni) Katalysatoren. Mehrere Pipelines weltweit in Betrieb Beispiel: Ruhrgebiet, seit 1940, Länge 230km

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“Grüner” Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt: Inverse Brennstoffzellenreaktion: 2 H2O → 2 H2 + O2

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Beispiele alkalische Elektrolyseure, > 1MW

Quelle: Smolinka, ISE

H2-Betankungsvorgang

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Bilder: CEP (https://cleanenergypartnership.de/h2-infrastruktur/cep-tankstellen/); Daimler

• Schnelle und sichere Betankung durch 350/700 Bar Technologie

• Einheitlicher Betankungsstandard

Wasserstoff-Tankstelle, Beispiel Ulm

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Source: TOTAL presentation, March 26, 2015, Ulm Linde: http://www.the-linde-group.com/de/news_and_media/press_releases/news_20160422.html Linde: http://www.linde-gas.de/de/news_and_media/product_data_sheets/index.html

1

2 3

Wasserstoff-Tankstellennetz im Aufbau

• AKTUELL 01/2018: 42 Tankstellen in Betrieb *

• 2019: 100 H2-Tankstellen in Betrieb *

• ZIEL 2023: 400 H2-Tankstellen in Betrieb *

Der Aufbau wurde bisher in D von der Clean Energy Partnership (CEP) koordiniert, einem Zusammen- schluss von 19 Industrieunternehmen Aktuell gehen diese Aktivitäten an die von Air Liquide, Daimler, Linde, OMV, Shell und TOTAL (seit 09/2017 Hyundai) gegründete Betreibergesellschaft H2-MOBILITY Deutschland GmbH & Co. KG über.

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Screenshot 25.10.2017: http://www.h2.live/#map * Quellen: CEP, H2-Mobility

3 BATTERIEN UND BRENNSTOFFZELLEN

Grundlagen

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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

Konstruktion Fahrzeug-Batterien

Prismatische Zelle Rund-Zelle Pouch (Coffee Bag) Zelle

Batterie Modul: Beispiel “mild hybrid”

Source: Daimler AG

Elektrochemische Energiewandler

Brennstoffzellen System Batterie Wie lange können wir einen Batterie bzw. eine BZ betreiben?

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Fuel storage = energy [kWh]

Fuel conversion = power [kW]

Storage and conversion Energy (kWh) + power (kW)

time

pow

er [k

W]

time po

wer

[kW

] Die Brennstoffzelle läuft solange genügend Kraftstoff vorliegt

Die Batterie entleert sich, früher oder später

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Wasserstoff-Verbrennung mit Sauerstoff

Chemical reaction: 𝐻𝐻2 + 12𝑂𝑂2 → 𝐻𝐻2𝑂𝑂

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Wasserstoff-”Verbrennung” mit Sauerstoff in BZ

+

+

+ +

Chemical reaction: 𝐻𝐻2 + 12𝑂𝑂2 → 𝐻𝐻2𝑂𝑂

Anode (Oxidation): 𝐻𝐻2 → 2 𝐻𝐻+ + 2 𝑒𝑒− Cathode (Reduction): 1

2𝑂𝑂2 + 2 𝐻𝐻+ + 2 𝑒𝑒− → 𝐻𝐻2𝑂𝑂

Prinzip der Brennstoffzelle

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Direkte Umwandlung von chemischer Energie von Brennstoff in elektrische Energie (elektrischer Strom) durch "kalte" Oxidation.

Electrolyte (ion ex- change)

Elec

trod

e (A

node

)

Elec

trod

e (C

atho

de) Elektrode:

Elektronischer Leiter mit Katalysator

Elektrolyt: Ionischer Leiter ohne(!) elektrische Leitfähigkeit

H2 O2

H2O

Electrons e-

H+

O2-

acid

alkaline

Bausteine einer Polymerelektrolyt- Membran Brennstoffzelle

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Bipolarplatte

MEA (Membran-Elektrodeneinheit)

Bilder: ZSW

Gasdiffusionslage

Katalysator

Ein paar Fotos von Brennstoffzellenstacks

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Sources: different product homepages

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Ein paar Fotos von Brennstoffzellensystemen

Sources: different product homepages

4 ELEKTROMOBILITÄT UND ANDERE ANWENDUNGEN

Anwendungen

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Beispiele für Brennstoffzellen-Anwendungen

• Stationäre Energieversorgung:

Standard: Erdgas oder LPG als Brennstoff - Beispiel: 150.000+ Hausenergie-KWK Systeme in Japan - Beispiel: FCE Brennstoffzellenkraftwerk im MW-Bereich in Mannheim

• Antrieb von Automobilen: Standard heute H2 700bar Drucktanks. − Aktuell Modelle von Toyota, Hyundai, Honda und Renault (‚Symbio‘)

kommerziell erhältlich. Daimler, BMW und VW folgen laut Ankündigung. • Kritische Stromversorgung:

Versorgung durch H2-Druckflaschen(-bündel) - Beispiel: in Brandenburg 116 Anlagen im Behördenfunk

• „Klein“-Traktion, Flurförderzeuge Schnell Betankung – 24/7 Dauerbetrieb – kein Batteriewechsel

- Beispiel: 10.000+ verkaufte Einheiten in den USA

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FAQ – häufig gestellte Fragen

Stichworte: Platinbedarf von Brennstoffzellenantrieben

Versorgungssicherheit mit Lithium (-Ionen)

Herstellenergie für Elektroantriebe vs. Verbrennungsmotoren

Sind Wasserstofftanks diffusionsdicht?

Sicherheit von Wasserstofftanks bei Unfällen

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Brennstoffzelle und Batterie im Team: Fahrzeugantriebe

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Elektrifizierte Antriebe

Parallel Hybrid Plug-In Hybrid Range Extender Batteriefahrzeug Brennstoffzellen- Fahrzeug

Fahrzeug m. Verbrennungsmotor

Kraftstofftank

Verbrennungs- motor Elektromotor / Generator

Batterie Wasserstofftank Brennstoffzellen-System

Quelle: Daimler

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Begriffsdefinition „Elektrofahrzeug“

DWV-Pressemitteilung, 30.9.2017: „… Was also ist das Merkmal eines Elektrofahrzeugs? Der Elektromotor! Wie die elektrische Energie in den Motor kommt, ist dabei unerheblich. (…) Es existiert kein Unterschied zwischen Elektromobilität und Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellenauto ist vielmehr ein unabdingbarer Teil der Elektromobilität…“

• Reichweite aktuell 100…200 km • Stadtfahrzeuge & Car Sharing (e.g. car2go) • Lieferfahrzeuge (Paketdienst, Handwerker etc.)

• 90% aller Pkw Fahrten kürzer als 40 km pro Tag >>> d.h. für das private E-Mobil:

- weniger als 6 kWh pro Tag nachladen - genügend Reserve bei einer 20…30 kWh Batterie - 23h Zeit zum Nachladen (zu Hause, in der Firma, beim Shopping)

Batterie-E-Fahrzeuge

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Elektrifizierung abhängig von Leistung und Reichweite (GM 2008 --> heute: BZ-Nutzfahrzeugtests Toyota und Esoro)

Source. GM Powertrain Strategy - Electrification of the Vehicle

„Die Brennstoffzelle ist der 100% saubere Dieselantrieb von morgen.“

Prof. Dr. Werner Tillmetz, ZSW

Brennstoffzellen E-Fahrzeuge

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Toyota

Audi GM/Opel

Daimler

Honda

Nissan

Hyundai

Source: Public available pictures on homepage of different OEMs

Alstom Brennstoffzellen-Zug

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Quelle: Alstom

Alstom Brennstoffzellen-Zug

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Quelle: Alstom

Stationäre Brennstoffzellen-Anwendungen

▪ Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)

▪ Elektrischer Leistungsbereich 300W bis >1 MW

▪ Lebensdaueranforderungen >60.000 Stunden (bis 80.000)

▪ Brennstoffe: Erdgas, Flüssiggas, Biogas, (Wasserstoff)

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▪ Notstromversorgung (USV)

▪ Portable Systeme (auch als “Range extender”)

▪ Material Handling, Gabelstapler, Logistik Systeme

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www.h2mobility.org

Weitere Brennstoffzellen-Anwendungen 50W … >10kW

5 AKTIVITÄTEN ZSW - BEGLEITFORSCHUNG H2-INFRASTRUKTUR-AUFBAU

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ZSW – Neue Energietechnologien Angewandte Forschung & Entwicklung:

• Batterien & Superkondensatoren - Materialien, Produktion Technologies, Systeme, Qualifikation

• Brennstoffzellen - Technologie, Systeme, Testzentrum

• Photovoltaik - Dünnschichttechnologie (CIGS) & Anwendungssysteme

• Erneuerbare Kraftstoffe - Power-to-Gas, Biomasse, Vergasung

• Energiepolitik & Energiewirtschaft

Gemeinnützige Stiftung - 85 % drittmittelfinanziert – 240 Mitarbeiter

Übersicht: Wasserstoff Infrastruktur Aktivitäten am ZSW

Über 20 Jahre Erfahrung mit dem Brennstoffzellen Testfeld - 2016: > 40,000 Teststunden und ca. 12 t H2 Verbrauch - 250 kg Wasserstoffspeicher vor Ort (45bar gasförmig)

Wasserstoff-Qualität

- Analyse-Methoden für die Bestimmung von Verunreinigungen - Brennstoffzelle als “Hydrogen Quality Sensor”

Fueling Station Test Module – H2-Tankstellen Abnahmegerät - Abnahmetests nach SAE J2601 Fueling Protocol - Messung der Wasserstoffmenge - Beprobung der Tankstellen

700 MPa-Wasserstofftankstelle am ZSW

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ZSW Wasserstoffanalytik

2015 - Festlegung der Anforderungen - Erwerb und Installation GC-PHDID - Ermittlung/Erwerb Kalibriergase - Ermittlung/Erwerb Probenbehälter 2016/17 - ca. 40 H2-Analysen von Tankstellen 2017-19 - Aufbau des ZSW als eines von zwei unabhängigen nationalen, unabhängigen Analyse- laboren nach ISO 14687-2

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6 PROJEKT „LEISE UND SAUBER - BRENNSTOFFZELLEN FÜR KOMMUNALE ANWENDUNGEN“

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- Projektpartner -

- gefördert mit Mitteln der Solarstiftung Ulm/Neu-Ulm -

Projekt „Leise und Sauber …“

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Arbeitspaket 1: (HS, BG, ZSW) Ermittlung der mobilen Lastanforderungen an

das BZ-Geländefahrzeug im Alltagsbetrieb Arbeitspaket 2: (ZSW, BG, HS) Ermittlung stationärer Lastanforderungen im

Alltagsbetrieb Arbeitspaket 3: (BG, HS, ZSW) Demonstration der Technologie in der

Öffentlichkeit Arbeitspaket 4: (ZSW) Konzeptionierung Energieversorgung

Ziel: Datengrundlage und

Auslegung für Ausrüstung mit BZ-Antrieb

Bericht aus der Praxis …

10_Start.jpg

Peter Zindl (technischer Leiter bot. Garten der Uni Ulm)

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„Steckdose“ Anforderungen

Geräte, Beleuchtung usw. an 230VAC Steckdose anschließbar

Versorgung aus 48VDC Batterie

Leistung bis 3500W

hoher Anlaufstrom, z.B. bei Winkelschleifer, möglich

Strom und Spannung in Datenerfassung eingebunden

keine Beeinflussung des Fahrbetriebs

Wechselrichter abschaltbar über Hauptschalter

Datenerfassung Komponenten

Datenerfassung Anforderungen

# Parameter: Strom Fahrt und Rekuperation (I.Bat.AI) Strom stationär (I.Box.AI) Batteriespannung (U.Bat.AI) Batterietemperatur (T.Bat.AI) Umgebungstemperatur (T.Amb.AI) Höhenmesser (H.Abs.AI) GPS

− Longitude (L.GPS.AI) − Latitude (B.GPS.AI) − Altiutde (H.GPS.AI)

# Erfassungsintervall variabel (z.B. schnell wenn hohe Änderungen) # Fernabgriff der Daten, 1 Datei pro Tag # Visualisierung online möglich

Datenerfassung Beispiel

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Auf dem Rollenprüfstand der HS

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Fahrzyklus: Angepasster NEFZ

Auslegung Hybridantrieb

Größe des H2-Tanks - Reichweite Stand heute für Workman: ~ 1,5kg/Tag (bei Vollauslastung 1x Tanken pro Tag)

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Größe des Brennstoffzellen-Stacks: Leistung Stand heute: ~5kWel für Workman

Größe der Hybridbatterie Stand heute: Peak ~15kWel Kapazität ~3kWh skalierbar

Weitere Anwendungen für „Klein“ -traktion mit BZ

// Elektroantriebe sind LEISE und EMMISSIONSFREI // BZ-Hybridantrieb für höhere Leistungs-/Dauerbetriebsanforderungen - „Golfplatz“-Rasenmäher

Weinberg-Schlepper

Mobile Stromversorgung

…..

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Zusammenfassung

Brennstoffzellen-Technologie ist bereits für Fahrzeuge, Busse, Materialtransport, stationäre und portable Anwendungen verfügbar, wenn auch teilweise noch in geringen Stückzahlen

Brennstoffzellen können auch im Bereich der „Klein“-traktion einen deutlichen Mehrwert für den Nutzer darstellen.

Brennstoffzellen und Elektrolyseure sind auf einem guten Weg in Richtung Industrialisierung!

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www.h2mobility.org

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Fragen? gefördert von:

// Energie mit Zukunft

// Zentrum für Sonnenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Ulm: Elektrochemische Energietechnologien, Hauptgebäude & eLaB

Widderstall: Solar-Testfeld

Stuttgart: Photovoltaik (mit Solab), Energiepolitik und Energieträger, Zentralbereich Finanzen, Personal & Recht

Strom-Spannungskurve (Polarisationskurve)

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0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Cell

volta

ge [V

] (an

d el

. pow

er)

(Normalized) stack load [A or A/cm²]

Average cell voltageElectric power

700mV

600mV

500mV

800mV

Was andere tun …

- 58 - Quellen: evworld.com, New Holland, Forschungsbericht_H2IntraDrive_Stapler, wilhelm-mayer.com

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Beispiele für Wasserstoff-Speichersysteme

▪ Compressed - tanks with up to 700 bar (70 MPa) tanks are commercial available - entire tank system: 125 kg / 260 liter for 6 kg H2

▪ Liquid - H2 needs to be cooled to -253 °C to become liquid - ~30% of the heating value of H2 is required for liquefaction - boil-off needs to be minimized

▪ Metal hydrides - currently up to ~4 weight % H2 can be stored in commercial products - potential to store up to 10% H2 in complex metal hydrides

▪ Chemical storages - e. g. sodium borohydride or carbazole - for new materials the potential is up to 7%

- 60 - - 60 -

Fuel Cell marked by application

Source: FUEL CELL INDUSTRY REVIEW 2016, November 2016

Vergleich Infrastrukturkosten für Wasserstoff- und Elektro-Ladeinfrastruktur

- 61 - Quelle: H2-Mobility, FZ-Jülich, 2017; http://h2-mobility.de/news-und-infos/vergleichende-infrastrukturanalyse/

Wirkungsgrade Elektrizität - Wasserstoff

Wasserstoff Erzeugung via Elektroyse ~ 25% Verluste Strom zu H2 Verdichtung auf 700bar ~ 12% Verluste (Potential <10%) Verflüssigung auf -253°C ~ 30% Verluste (Potential <20%) optional Transport per TkW ~ 13% „Verluste“

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* Quellen: Smolinka/ISE; Lehmann/DWV; Bossel

Project HyLab Research & Development Effort

■ Partner: ZBT, ZSW and CEP (ass.) ■ Start: May 2017 (Duration: 2,5 years)

■ Analytics - Extension of lab infrastructure - Purchasing equipment - Production of necessary calibration gases - Development of analytic methods

Development of two independend laboratories for H2 quality measurement according to international standards

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ISO 14687-2 (2018)

ZSW Analytics (preliminary determination limits based on existing calbration gases)

Analyt in ppmv in ppmv

H2O 5 1 (Capazitive Sensor) Hydrocarbons 2 no Ʃ-determination CH4 (new 2018) (100) 0,2 (GC PDHID) O2 5 0,1 (GC PDHID) 1 (Micro GC TCD) He 300 1 (Micro GC TCD) N2 + Ar 100 (300) 0,5 (GC PDHID) CO2 2 0,9 (GC PDHID) CO 0,2 (0,1) 0,2 (GC PDHID) Total-Sulfur 0,004 no Ʃ-det., H2S 0,1 ppmv (FPD, not used to date) Formaldehyde 0,01 (0,2) n/s Formic Acid 0,2 n/s Ammonia 0,1 n/s Total (Specific) Halides 0,05 n/s

Requirements and capabilities new ZSW gas analytics Today: Specification as Technical gas by ‘9’s’;

Example: Purity 99.999 = H2 5.0, --> 10ppm ‘rest’)

# additional species are in discussion #

FCS key requirements for FCEV application

(Some) key requirements for FCS (and components) in drivetrain application are challenging *: Electric efficiency: 60% for FCS (65% for stack) at 25% rated power

Corresponds to 814mV (based on LHV)! Q/DT = 1.45 kW/K Power density: Stack >2kW/kg and >2.5kW/liter, FCS >650W/kg and

liter FCS transient response: 1 sec from 10 to 90% of rated power (most

relevant also for components, especially air compressor) Cold startup time: 30sec from -20°C and 5sec from +20°C ambient

temp. Durability: >5000 hours in Automotive Cycle with < 10% drop in rated

power Stack Platinum content: < 0.1 mg/cm², 10g total stack or 0.125 g/kW Not only the stack but All components shall fulfill this requirements!

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* DOE Technical Targets for Automotive Application

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Automotive Tank Systeme – Gewicht und Volumen

Reichweite: 500 km Source: GM presentation, f-cell 2008

Die Brennstoffzelle braucht ein „Betriebssystem“ Beispiel: Daimler f-cell B-Klasse

- 67 - Quelle: Daimler

Brennstoffzellenfahrzeuge im „freien Verkauf“ 2017

2015 Toyota Mirai

2015 Hyundai ix35 fuel cell 2016 Honda fcx clarity

- 68 - Quelle: Toyota, Hyundai, Honda

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Fuel cell technologies

Electrolyte Charge transport

Operating temperature Catalyst

Bipolar plate

material Fuel

SOFC Ceramic O2- 800 – 1000°C Ni-ZrOx Ceramic Ceramic Hydrogen

Natural gas

MCFC Carbonate melt CO3

2- ~ 650°C Ni/Cr, NixOy

Stainless steel Hydrogen Natural gas

PAFC H3PO4 H+ 170 – 200°C Pt Carbon based Hydrogen Natural gas

PEMFC Polymere electrolyte H+ 60 – 90°C Pt/Ru Carbon based

or SS Hydrogen

DMFC Polymere electrolyte H+ 40 – 70°C Pt/Ru Carbon based

or SS Methanol

AFC KOH solution OH- 60 – 120°C Ni/Ag Carbon based Hydrogen

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Fundamental fuel cell* assembly

* PEMFC technology

EE in den Energiesektoren

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