Wir schaffen Wissen – heute für morgen

November 23, 2012 PSI, November 23, 2012 PSI,

Paul Scherrer Institut

Wasserstoffmobilität – Brückenfunktion zwischen Elektrizitätsnetz und lokal emissionslosem Verkehr Mittwoch, den 21. November 2012, 3. Novatlantis Mobilitätsforum, Basel

Philipp Dietrich

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Agenda

•  Fahrzeugentwicklungen •  Wasserstoff als Treibstoff •  Brückenfunktion

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Leistungsbedarf für Beschleunigung und Konstantfahrt

!

2000 1500 1000 500 0

160

120

80

40

0

Fahrzeuggewicht / kg

Leis

tung

/ kW

10 s

15 s

20 s

160 km/h 140 km/h 120 km/h

Beschleunigung Von 0-100 km/h

Maximal- geschwindigkeit

Leichtbau kann helfen den dynamischen Leistungsbedarf < 2 x Dauerleistung zu halten

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CO2-Emissionslimiten für neue Personenwagen

Von 161 g/km (2010) zu 130 g/km (2015) zu 95 g/km (2020)

Hybridfahrzeuge

Rekuperation kann die Massenabhängigkeit reduzieren

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Grössere Fahrzeuge fahren weiter

Quelle: EFC-Hydrogen JU, NOW 2010 Auto Schweiz 2010

05000

1000015000200002500030000350004000045000

bis999

1000-1099

1100-1199

1200-1299

1300-1399

1400-1499

1500-1599

1600-1699

1700-1799

über1800

Gewichtsklassen

Fz-

Ver

käu

fe 2

010

•  Autos mit kleinen Laufleistungen (33%) emittieren nur 15% CO2

•  Mittlere und grössere Autos (53%) emittieren 70% des CO2

Fokus auf diese zwei Klassen

Europäische Flotte EU27 Schweizer Neuwagen 2010

34% 48% 18%

14. Mai 2012 PSI,

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Sekundäre Vorteile der Elektrotraktion

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Quelle: Heck, PSI, 2011, im Rahmen von THELMA

Reduktionspotential durch elektrisches Bremsen (Rekuperation)

Partikelemission durch Personenwagen

Emission durch Motorenbetrieb nimmt ab.

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Funktion der Polymerelektrolyt Brennstoffzelle

Anode: H2 2 H+ + 2 e-

1/2 O2 + 2 e-

Kathode: O2-

O2- + 2 H+ H2O

H2 Wasserstoff O2 Sauerstoff H2O Wasser H+ Wasserstoff-Ion e- Elektron

Energiewandler H2 in Elektrizität

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Brennstoffzellenstapel

(1)  Bipolarplatten (2)  Elektroden (3)  Membran-Elektrolyt (4)  Dichtung

Einzelzelle (Wiederholeinheit)

Modulare Leistungsanpassung möglich durch Zellanzahl Variation

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Brennstoffzellen Wirkungsgradpotenzial

Wirkungsgrad eines BZ-Systems mit H2 und reinem O2 Zusammenarbeit: PSI-Michelin und PSI-Belenos

Leistung [W]

Wirk

ungs

grad

(stro

mba

siert

auf H

u [-])

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Fahrzeugantriebskonzepte

EM Getrie- be

Verbrennungsmotor Hybrid

Tank VM Gen

Batterie EM Getrie- be

Verbrennungsmotor Plug-in Hybrid

Tank VM Gen

Batterie

H2 Luft oder O2

Brenn- stoff- zelle

Getrie- be

Brennstoffzellen Hybrid

EM

Batterie

Getrie- be

Batterie-elektrisch

EM Batterie

14. Mai 2012 PSI,

H2

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Brennstoffzellen-Hybrid emissionsfrei auf Langstrecke

Elektromotor wie ein batterieelektrisches Fahrzeug Brennstoffzelle für Dauerleistung (30 – 60 kW) Batterie mit 5 – 8 kWh für Spitzenleistung (50 kW) Heizung durch Abwärme möglich Laden in 5 Min möglich Reichweite 400 – 500 km Bremsenergienutzung in Batterie

H2 O2

Brenn- stoff- zelle

Getrie- be

Brennstoffzellen Hybrid

EM

Batterie

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Quelle: Belenos, PSI

Eigenheiten EM - Keine Kupplung - Einfaches Getriebe -  Ist leise -  Überlastbar -  Kleineres Volumen -  Reagiert schneller -  Kann bremsen

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Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit PSI-Technologien

2.1 l Benzin equ./100 km @ gemittelt 70 km/h

2004

2002

HyPower, H2/Luft BZ-Supercapantrieb

2011

Belenos Clean Power

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Brennstoffzellenfahrzeuge auf der Strasse 2012

Quelle: Toyota u.a.

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Anschaffungskosten in Abhängigkeit der Reichweite

BEV Fcair FC O2 Plugin FCPeakpower kW 80 80 80 80power Batt kW 80 40 40 80Energy Batt kWh 24 6.7 6.7 13.3/8.9Power FC kW - 50 40 30batt mass kg 160 44 44 89

89 88.8888889 83.3333333Verbrauch kWh/100km 16 1 0.7 0.66666667 StromanteilReichweite 150 km

Batt LiCo2 150 Wh/kg 52.5 $/kg 350 $/kWh900 W/kg

LiFePO 100 Wh/kg 30 $/kg 300 $/kWh900 W/kg

FC air 2 kg/kw 150 $/kW cost 9600 $ 6000

O2 1.3 kg/kw 110 $/kW6700 5300

storage H2/air 520 $/100 km 700 bar 600 initialkosten

H2/O2 370 $/100 km 350/300 bar 1100 InitialkostenDCDC 30 $/kW

100 200 300 400 500

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 100 200 300 400 500

Reichweite [km]

Rel

ativ

e K

oste

n [-

]

BEV(LiCo2)BEV(LiFePO)FC airFC OxyPlugin air

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Antriebskonzepte für verschiedene Kundenbedürfnisse

Reichweite

Leis

tung

sbed

arf

Batterie- EV

Brennstoffzelle

Kastenwagen VM

LkW

Stadtverkehr

Langstreckenverkehr Range Extender

Flüssige Kohlenwasserstoffe

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Kostenszenario

Quelle: McKinsey, 2011

Seite 17

H2 basiert auf vielen Quellen mit variablen CO2-Emissionen

Seite 18

Primärenergieeinsatz vs. CO2-Emissionen

Seite 19

Vom Chemiegrundstoff zum Treibstoff

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Vom Chemiegrundstoff zum Treibstoff in der CH

Vorschlag für ein Initialnetzwerk von H2-Tankstellen

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Lokale H2-Speicherung

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Belenos-Konzept mit dezentraler Speicherung

!  PV-Zellen auf dem Dach !  PV Direktverbrauch im Haus !  Transfer zu H2/O2 (Elektrolyse) !  Speicherung dezentral !  H2/O2 BZ für effizientes Fahren

~30% Direktverbrauch

Netz H2 O2

H2 O2

Brennstoffzelle

Elektrolyse

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Energiebedarf für 10 % der Fahrzeugflotte (tank to wheel)

Heutige Flotte 4.2 Mio Personenwagen 10% entspricht 420‘000 Fahrzeugen (Neufahrzeuge 2011 ca. 320‘000 Fahrzeuge) Energiebedarf im Tank Total 10% Elektrofahrzeuge ca. 1.0 TWh Elektrizität 10% 3L Fahrzeuge ca. 1.7 TWh Diesel 10% BZ-Fahrzeuge ca. 1.5 TWh H2 Annahme: Mittlere Fahrleistung 14000 km/FzJahr

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

PW2011

Benzin2011

Diesel2011

Diesel_3Liter

Elektrofahrzeug2011

BZ-Fahrzeug2011

Ene

rgie

verb

rauc

h [T

Wh]

Plug-in Hybride bilden eine variable Brücke zwischen dem autarken Benzin- oder Dieselfahrzeug und dem reinen Elektrofahrzeug

Was

sers

toff

Elek

trizit

ät

Dies

el

Dies

el

Benz

in

Dies

el/

Benz

in

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Stromleistung Endverbrauch in der Schweiz 2010

Elektrizitätsleistung (Endverbrauch) Januar 2010

4

5

6

7

8

9

10

1.00 6.00 11.00 16.00 21.00 26.00 31.00

Tage

Leis

tung

[GW

]

Elektrizitätsleistung (Endverbrauch) Juli 2010

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1.00 6.00 11.00 16.00 21.00 26.00 31.00

Tage

Leis

tung

[GW

]

Mittlere Leistungsdifferenz Sommer – Winter beträgt 1.8 GW

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Quelle: SwissGrid

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Batterie-elektrischen Fahrzeuge am effizientesten

Effizienteste Antriebsart (Tank to Wheel) Batterie mit 15 – 25 kWh für Reichweiten bis ca. 160 km Heizung oder Klimaanlage benötigt Strom (Reichweitenreduktion) Normalladen dauert einige Stunden, Kurzladen bis 80% in 30 Min mit Schnell-Ladeanschluss möglich Lade-Optimierung ermöglicht Netzstabilisierung (Std) Aber Rückspeisung aus der Batterie kann Batterielebensdauer reduzieren

Getrie- be

Batterie-elektrisch

EM Batterie

Quelle: THELMA, ETHZ, PSI

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Saisonale Schwankung von Angebot und Nachfrage

Heute Sommer Exportsaldo 3.2 TWh Winter Importsaldo 5.1 TWh Transfer Sommer – Winter - Ausland 3.2 TWh - Inland 7 TWh

PV: Sommer zu Winter bei 10 TWh: + 1.8 TWh Verändertes Preisgefüge

Stromausfuhr/Einfuhr (2008-2010)

Zukunft PV-Produktion verstärkt den Bedarf nach saisonaler Speicherung

Durchschnitt

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

Monate

PV

-Pro

dukt

ion

[TW

h/M

onat

]

Simulation: PV-Jahres-Produktion (10 TWh)

Im Mittelland

Expo

rt Im

port

Quelle: Schweiz. Elektrizitätsstatistik2010; JRC 14. Mai 2012 PSI,

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Nutzung der Saisonspeicher für die Mobilität

"   Brennstoffzellenfahrzeuge ermöglichen lokal CO2-freien Langstreckenverkehr, Fahrzeuge sollten ab 2015/2016 in grösseren Stückzahlen am Markt verfügbar werden. "   Mit einer limitierten Anzahl Tankstellen kann eine Initialversorgung ermöglicht werden. "   Elektrofahrzeuge bieten Möglichkeit die Tagesnachfrage an Elektrizität zu glätten, belasten aber die Strombilanz im Winter. "   H2 kann als chemischen Speicher nachfragegesteuert genutzt werden für Mobilität, Stromerzeugung und Wärme. "   Mit einem saisonalen Überschuss aus PV (1.8 TWh) könnten ca. 10% der PW Flotte mit Wasserstoff betrieben werden. "   Jahresschwankungen des H2-Bedarfs können durch weitere Quellen gedeckt werden. "   Option für die Nutzung des sommerlichen Spitzenangebotes. Im Winter Kompensation durch WKK

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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dank an A. Wokaun