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Nachhaltige Mobilität der ZukunftElektromobilität mit Wasserstoff und

Brennstoffzelle

Dr. Ralf Zuber

22

Wer wir sindEin weltweit operierender Materialtechnologie- und Recycling-Konzern

Eines von drei weltweit

führenden Unternehmen für

Autoabgas-katalysatoren

für Personenkraftfahrzeuge

sowie leichte und schwere

Nutzfahrzeuge und alle

Antriebsformen.

Ein weltweit führendes

Recyclingunternehmen für

komplexe Abfallströme, die

Edelmetalle und andere

wertvolle Metalle enthalten.

Ein führender Zulieferer

von Schlüsselmaterialien

für wiederaufladbare

Batterien, die in tragbaren

Elektrogeräten und Hybrid-

sowie Elektroautos zum

Einsatz kommen.

33

Einzigartige Positionbei Materialien für saubere Mobilität

ICEAutoabgas-

katalysatoren

BEVKathodenmaterial

(p)HEVKathodenmaterial

und Autoabgas-

katalysatoren

BrennstoffzelleElektrokatalysatoren

und

Kathodenmaterial

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Mobilität - Öffentliche Diskussion / Begriffe

• Dieselskandal

• NOx – Debatte, Fahrverbote, ….

• Elektromobilität

• Batteriefahrzeuge (BEV)

• Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV)

• In Deutschland wird Elektromobilität fälschlicherweise nur mit Batterieautos verbunden

• Wasserstoff/Brennstoffzellenfahrzeuge

• In der Entwicklung seit Mitte der 90er Jahre

• Vorurteile: Wasserstoff gefährlich, zu wenig Platin und zu teuer

• Power-to-Gas

• Sektorenkopplung

• Erneuerbare Energien nutzen um Gase oder Treibstoffe herzustellen

55

Elektromobilität: Batterie – Brennstoffzelle Die Unterschiede

Batterien und Brennstoffzellen sind elektrochemische Elemente.

Chemische Energie wird direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Batterien/ Akkus:

Geschlossenes System:

Aktives Material = Speichermaterial

Limitiertes Reservoir von aktivem

Material.

Brennstoffzelle:

Offenes System:

Brennstoffe werden von außen zugeführt.

Kapazität wird durch Tankgröße und Medium

bestimmt

*Bildquelle: Powercell

66

Elektromobilität: Batterie – Brennstoffzelle Vor- und Nachteile

Brennstoffzelle/

WasserstoffBatterie Verbrennungsmotor

Schadstoffemission ++ ++ -

Wirkungsgrad +++ (Ladestrom aus

EEN)-

Energiespeicherung/Reichweite + - ++

Betankung/Aufladung ++ - ++

Kosten - - ++

Infrastruktur - o ++

Fahrzeugverfügbarkeit o + ++

• Alle Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybride, das heißt sie haben Brennstoffzelle und Batterie!

• Größe und Auslegung erfolgen je nach Anwendung

7

7

Einsatzgebiete von Lithium-Ionen Akkumulatoren

88

Auswirkung Elektromobilität auf die

RohstoffversorgungSEGMENTE

Batteriegröße (kWh)

0.4 1 10 25 75 50 200

Micro HEV HEV pHEV EV medium EV long Delivery Van E-bus

0.01

Smartphone

Kathodenmaterialanteil in der Batterie: ~ 2kg/kWh

Kobaltanteil im Kathodenmaterial: ~ 0.2 – 1.2kg/kWh

>> Batterierecyling = Voraussetzung für Batterie – E – Mobilität!!

9

Wasserstoff und Brennstoffzellen

10E

lektro

lyt

Elektr. Last

Elektronen

H+

Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)

2 H+

H2

Katalysator (Kathode)

H2O

2 H+

+

1/2 O2

Wasserstoff Luft (Sauerstoff)

Wasser, Luft

Katalysator (Anode)

Anode

H2-Oxidation

Kathode

O2-Reduktion

Prinzipieller Aufbau von PEM - Brennstoffzellen

Gesamtreaktion: H2 + 1/2 O2 --> H2O

11

Aufbau - Prinzip von PEM

Brennstoffzellen - Stacks

Pictures: Umicore

Catalyst Layer

Gas Distribution Layer

(Backing)

Bipolar Plate

Brennstoffzellenstapel = Stack

Quelle: Projekt Autostack Industrie

12

Stand der Technik: > 1,3 W/cm² (Wasserstoff / Luft)

Leistung von PEM-Brennstoffzellen

Beispiel:

Leistung einer Zelle/MEA (400 cm²):

Zellspannung: U = 0,66 V

Strom: I = ca. 800 A

power density: 1,3 W/cm²

power: 530 Watt ca. 0,72 PS

Ca. 200 Zellen liefern 100 kW für

einen PKW!

40 cm

10 cm

MEA

1313

Rohstoff Platin:Neue Katalysatortechnologie wird den Platin-Einsatz auf das Niveau

eines heutigen Diesel Autoabgaskatalysators senken!

PGMs: Platin (Pt)

Pt Beladung (g/Fzg)

heute 35-60

demnächst: 25

Zukunft: 10

Katalysatoren

Pt/Kohlenstoff-Träger

Pt-Legierung/Kohlenstoff-Träger

1515

● Strong efforts to close the gap in

know-how and experience

● No official announcements about

FCEV product launches

Markt - Entwicklung Brennstoffzellen-Fahrzeuge

Pioneers

Fast Followers

Followers

Product launches in 2014/2015

Mirai ix35 FCEV

● 1st product launches in 2018 – 2020

● Strong cost reduction efforts to

introduce competitive platforms

beyond 2020

16

Brennstoffzellen Fahrzeuge im Jahr 201916

17

Brennstoffzellen Fahrzeuge im Jahr 201917

Einstiegspreis von 59.000 Euro. Die Auslieferung beginnt im Sommer 2018

1818

Wasserstoff und Brennstoffzelle - Vorteile• Schnelle Betankung von BZ-Fahrzeugen (Dauer ca. 5 Minuten)

• Gute Reichweite von schon heute 550 bis 700 km

Quelle: h2mobility – Bz-Forum Hessen 2018

Anmerkung:

100 kW Ladestationen

sind selten!

1919

Long term World Market scenario (2050)FCEV will dominate long range applications (> 300 km range)Electric bus and truck applications will strongly rely on Fuel Cell Technology

Hydrogen Council 2050 scenarioUp to 400 million passenger vehicles (~25%), 5

million trucks (~30%), and more than 15 million

buses (~25%) running on hydrogen

www.hydrogencouncil.com

2020

Hydrogen Filling Station Infrastructure…FCEV market introduction depends on area-wide filling station networksWorldwide infrastructure programs are targeting for basic coverage in 2025

2121

Wasserstoff-Tankstellen in Deutschland

Aktueller Stand laut

h2mobility (h2.live):

• 71 Stationen in Betrieb

• Ca. 30 weitere in

Planung und Aufbau

• Plan bis 2023: 400

22

Nutzung von H2 in BZ - Fahrzeugen

Hyundai statement (2018):

„Fuel Cell combines best of 2 worlds“

BZ-Fahrzeuge auf dem Markt: Kleine Serien (x*1000)

Toyota Mirai, Hyundai Nexo + ix35, Hykangoo, (Daimler GLC)

Größere Serien ab 2025

Installation H2 –Betankungsinfrastruktur:

Deutschland. aktuell 71 Stationen (Plan 400 bis 2023)

International: Japan, USA, Germany Korea, China, France, Italy, UK

Nächste Schritte:

• Aufbau der Massenfertigung mit Kostenreduktion

• Aufbau der Wasserstoff-Tankstellen-Infrastruktur fortsetzen

Bild-Quelle: Hyundai, H2Bz Forum Hessen 2018

2323

Deutsches Leuchtturm-Projekt zur Kostenreduktion

Projekt AutoStack-Industrie – Ziel: Kommerzialisierbarer

deutscher Stack

2424

Aktuelle Ankündigungen für Brennstoffzellen

LKWs, Busse und Züge

25

Andere Brennstoffzellenanwendungen

Alstom Fuel Cell Train Coradia iLint

Modellprojekt in Hessen, Niedersachsen, BaWü und NRW

Techn. Daten:

1000 km Reichweite

270 kg H2

2 x 200 kW

26

26

Wo kommt der Wasserstoff her?

• Aktuell noch hauptsächlich aus dem Erdgasreforming

• In Zukunft CO2-neutral aus Überschußstrom von Windkraft und PV Anlagen mittels

Elektrolyse

• Beispiel hier in der Nähe: Energiepark Mainz - http://www.energiepark-mainz.de/

• 3,75 MW H2 für Nutzung für BZ-Fahrzeuge und Einspeisung ins Erdgasnetz

Bilder: Energiepark Mainz

2727

Erneuerbaren Energien in Europa

Wachsender Anteil der fluktuierenden erneuerbaren Energien

Stromproduktion

> Speicher und Transportmedium benötigt

Germany, NOW Study IndWE, 2019Engie, D. Warenne, March 2019

2828

Wasserstoff als EnergievektorEnergietransport und Speicherung

Energietransport und Speicherungskapazität von Wasserstoffpipelines ist viel

höher als bei Hochspannungleitungen!

29

Sektorenkopplung:

Nutzung von grünem Wasserstoff in der Industrie und für die

Produktion von alternativen , CO2-neutralen TreibstoffenPower-to-Liquid: Produktion von alternativen, CO2-neutralen flüssigen Brennstoffen aus grünem

H2 + CO2

Edukt für die Decarbonisierung der Industrie: Produktion chemischen Grundstoffen, Stahl, …usw.

3030

Mehrere Hanauer Unternehmen demonstrieren die Nutzung von Wasserstoff

und Brennstoffzelle durch den Einsatz von Elektrolieferfahrzeugen mit

Brennstoffzelle und einer

Wasserstoffzapfstelle.

• Wasserstoff-Zapfstelle

im IPW

• Partner: Evonik, IHK,

Stadtwerke Hanau,

Umicore, Heraeus,

Fraunhofer IWKS

• Förderung durch das

Land Hessen und Unterstützung durch die Stadt Hanau

Kleinflotte mit H2-ZapfstationSeit August 2017 im Einsatz

31

KANGOO ZE H2 Extended Range Electric VehicleEchtes Lieferfahrzeug

Basis Renault Kangoo ZE Elektrofahrzeug mit Batterie (22 kWh) und Brennstoffzelle (5

kWh) [3] von SymbioFC zur Reichweitenverlängerung

Antrieb 100% elektrisch [1], mehr als 300 km Reichweite (anstelle von 100 km bei reinem

Batterieantrieb)

Betankung / Wiederaufladung mit Wasserstoff 350 bar [2] oder elektrisch aus dem Netz [4]

Betankungszeit (Wasserstoff): 5 Minuten

32

Fazit

• Sowohl Batteriefahrzeuge und als auch H2-Fahrzeuge werden als elektromobile

Lösungen in der Mobilität der Zukunft eine Rolle spielen

• Mit H2 betriebene Brennstoffzelle-Fahrzeuge haben Vorteile bezüglich Reichweite

und Auftankzeit und kommen langsam auf den Markt

• Platin-haltige Elektrokatalysatoren sind wichtig für die Leistung und die Kosten der Brennstoffzelle

• Ihre Entwicklung geht weiter in Richtung Kostenreduktion

• Die Wasserstoff-Tankstellen-Infrastruktur ist im Aufbau

• Schwankende regenerative Stromerzeugung mit PV und Wind erfordert

Stromspeicherkapazitäten. Durch Elektrolyse kann grüner Wasserstoff als

Speichermedium erzeugt werden.

• Die Anwendung von Wasserstoff als Energievektor wird deutlich über den

Transportsektor hinaus gehen.

Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen e.V.

Wasserstoff- und Brennstoffzellen Initiative Hessen e.V.(kurz: H2BZ-Initiative Hessen)

Gegründet 2002 von Akteuren aus Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft

Die H2BZ-Initiative Hessen

• ist der zentrale Ansprechpartner und Berater für Fragen rund um das Thema Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Hessen

• führt Informationen aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft zu diesem Thema zusammen

• betreibt Technologiemarketing regional, national und international im Kontext des Landes Hessen

• initiiert und betreibt Technologietransfer auf diesem Technologiefeld, z. B. durch die gezielte Nutzung der Medien, Veranstaltungen usw.

• unterstützt Unternehmen, die sich auf diesem Gebiet betätigen.

Der Verein2

Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen e.V.

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2005 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

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Mitgliederentwicklung der H2BZ-Initiative Hessen e.V.

Auszug:

Der Verein | Mitglieder2

Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Initiative Hessen e.V.

Der Verein | Geschäftsstelle2

Die Geschäftsstelle der H2BZ-Initiative Hessen e.V. ist angesiedelt bei der

Hessischen LandesEnergieAgentur (LEA) unter dem Dach der landeseigenen

Wirtschaftsförderungsgesellschaft HA Hessen Agentur GmbH:

• Netzwerkbetreuung

• Vernetzung Technologie-Anbieter und -Anwender

• Schnittstelle zu weiteren Schlüssel- und Zukunftstechnologien

• Unterstützung von Projektanbahnung und -Entwicklung

• Veranstaltungen und Messen

• Studien und Fachinformationen

Oliver Eich Markus Lämmer Alina Stahlschmidt

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!