cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 1
Ringvorlesung “Zukunftstechnik Brennstoffzelle“Ringvorlesung “Zukunftstechnik Brennstoffzelle“13. Mai 200413. Mai 2004
APU Anwendungen mit Brennstoffzelle
Ludger Blum
Forschungszentrum Jülich GmbHInstitut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik (IWV-3)
FH Aachen - Abteilung Jülich - Fachbereich 7
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 2
APU Anwendungen mit Brennstoffzelle
Inhalt
• Definition und Anwendungen
• Motivation, mögliche Funktionen
• Anforderungen an die BZ-APU
• Stand der Aktivitäten
• Ausblick
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 3
Definition - APU
APU: Auxiliary Power Unit• Hilfsstromversorgung• Bordstromversorgung
Mögliche Aufgaben• Netzunabhängige Stromversorgung beliebiger
Verbraucher• Versorgung der elektrischen Verbraucher an Bord eines
Fahrzeuges• Laden des für Spitzenlast vorgesehenen Akkus• Grundlastversorgung bei Hybridantrieben
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 4
Mögliche Anwendungen für BZ - APU
• Camping (“Quasi-Mobil“)• Pkw• Lkw• Baumaschinen• Schiffe• Flugzeuge• Raumschiffe
- BMW, DC, …..- Webasto- Partner im BMW Konsortium- HDW/Siemens- Airbus- UTC
im mobilen Bereich
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 5
Erste Nutzung von Brennstoffzellen als APU
Apollo 1.5 kW (100 insgesamt) Space Shuttle 15 kW
Quelle: UTC Fuel Cells
Bordstromversorgung Raumschiff (zus. Trinkwasserversorgung)
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 6
Erste Nutzung von Brennstoffzellen als APU
U 212 - 300 kW
Quelle: Siemens
Bordstromversorgung U-Boot
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 7
Brennstoffzellen für den Antrieb 4 Technologieführer
Ballard Power Systems• Daimler Chrysler• Ford• Honda• Mazda
GM/Hydrogenix
United Technologies FC• Hyundai• Nissan• Renault
Toyota
Quelle: Webasto
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 8
Weshalb Marktöffnung nicht als Fahrzeugantrieb?• Kosten (Ziel mit ca. 50€/kW extrem niedrig)
• Brennstoffaufbereitung (Benzin/Diesel) für PEFC sehr aufwändig
• Methanol-Reformierung funktioniert, wird aber von der Mineralölindustrie abgelehnt
• Wirkungsgradvorteil auf Basis fossiler Treibstoffe strittig
Demonstrationsflotten auf Basis Wasserstoff; aber- die Frage der Wasserstoff-Infrastruktur ist ungelöst- Speicherdichte relativ gering
keine Serienfahrzeuge vor 2007; kein Massenmarkt vor 2015
Kurzfristig besteht eher ein Trend zu Hybridfahrzeugen (japanische Hersteller, GM, Ford)
Aber: Steigender Strombedarf in Fahrzeugen APU Anwendungen mit BZ
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 9
Elek
tris
cher
Leis
tung
sbed
arf
1980 2000 20201960
•Heckscheibe beheizt•Fensterheber•Schiebedach•Sitzheizung
•Active Safety•x-by wire•Standklimaanlage•Kühlfach•Mobiles Büro
•Scheibenwischer•Beleuchtung•Zigarettenanzünder•Radio
•ESP•Active Body Control•Distronic•Klimaanlage•Navigation•autom. Verdeck•Zentralverriegelung•TV, CD•Kommunikation
•Sicherheit•Komfort•Entertainment
Konventionelle Batterie
Brennstoffzelle
Das elektrifizierte Fahrzeug Quelle: DC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 10
1970 1980 1990 2000 2010 20200
2
4
6
8
10
MJ 781.1 kW
MJ 872.0 kW
MJ 962.0 kW
MJ 96 S*3.1 kW
MJ 04 S*5.0 kW
MJ 02 2.5 kW
42 V
14 V
EVTX-By-WireMultimedia
Zukünftige, mögliche Verbraucher
Installierte el. Leistung [kWel]
MJ= Modelljahr 7er BMW S*= Sicherheitsfahrzeug
Wachsender Bedarf an elektrischer Leistung im Fahrzeug
Quelle: BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 11
Leistungsbedarf in Automobilen
Kühlbox
GebläseScheibenwischerBeleuchtung
Mobile Home (zusätzl.)Kühlaggregate
Elektrische Heizung(en)Standheizung
Elektrische Werkzeuge
Klimakompressor PKWKlimakompressor NFZ
Antrieb
Maximalleistung elektrischer Verbraucher Einsatzszenarien von Brennstoffzellen
Vollintegrierte BZ für Hilfs-/ Nebenaggregate
Vollintegrierte BZ für HA
Add-on BZ
LüfterWasserpumpeBenzinpumpeÖlpumpeLenkhilfspumpe
10 W 100 W 1 kW 10 kW 100 kW 1000 kW
5 kW
Quelle: DC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 12
100% 20 – 25% *50 – 70% (12 V)70 – 90% (42 V)
10 – 17%14 – 22%
35 – 50%35 – 50% (BZ-APU)100%* Zyklusmittelwert
Paradigmenwechsel in der Stromversorgung
Quelle: Delphi/BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 13
„Jedes System sollte das tun, was es am besten kann“
Mechanische Kraft> 100 kW
Elektrizität> 1 kW
Brennstoffzellen-APU Quelle: BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 14
Was spricht für eine BZ - APU Quelle: Webasto
Vorteile für Endkunden: • Abdeckung des steigenden Energiebedarfs für Komfortfunktionen und
Telematik• Möglichkeit der Fahrzeugklimatisierung im Stillstand
Vorteile für den Fahrzeughersteller:• Basis für 42V und x-by-wire im PKW – neue Bedienkonzepte• Entfall von Batterien und Generatoren• Substitution von Mechanik und Hydraulik
Ökologische Vorteile:• Entfall „Truck Idling“ • Verringerter Kraftstoffverbrauch und verringerte CO2 Emissionen
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 15
Kundennutzen im Fahrzeug
„Unbegrenzte“ motorunabhängige Bereitstellungvon elektrischer und thermischer Energie.„Unbegrenzte“ motorunabhängige Bereitstellungvon elektrischer und thermischer Energie.
StandklimatisierungNeue HeizungskonzepteLichtKommunikation„Leere Batterie“ kein Problem mehr...
StandklimatisierungNeue HeizungskonzepteLichtKommunikation„Leere Batterie“ kein Problem mehr...
Langfristiges Ziel:Stromversorgung Bordnetz
Quelle: BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 16
Customer Benefit in DC-Products provided by FC-APU‘sCustomer Benefit in DCCustomer Benefit in DC--Products provided by FCProducts provided by FC--APUAPU‘‘ss
FC-APU‘sFC-APU‘s
+ Energy Supply + Increased Level of Comfort + Meet Emission Regulations + Reduce Life Cycle Cost
Customer Benefit
Quelle: DC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 17
Kundennutzen im Fahrzeug Quelle: Delphi
• Betreibbar unabhängig von der Antriebsmaschine neue Möglichkeiten für zusätzliche Funktionen, (wie Luftaufbereitung oder das „ mobile Büro“),selbst wenn der Motor abgeschaltet ist
• Die Leistung wird mit höherem Gesamtwirkungsgrad zur Verfügung gestellt als mit der konventionellen Methode: Motor, Generator, Batterie
Wirkungsgradsteigerung von 10 – 22% auf 35 – 50%
Beispiele für zukünftige Komponenten für APU-Versorgung:
• Beheizte Sitze, beheizte Windschutzscheiben, Lenkung und Bremsen
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 18
LadebilanzLadebilanz
Batterie-lebensdauer
Batterie-lebensdauer
Ruhestrom/Standverbrauch
Ruhestrom/Standverbrauch
Motor Start-/Stop-Automatik
Motor Start-/Stop-Automatik
WärmemanagementWärmemanagement Kraftstoffverbrauchdurch Entlastung
Generator
Kraftstoffverbrauchdurch Entlastung
Generator
Bordnetz-stabilität
Bordnetz-stabilität
Energie-bordnetz
Gesamt-fahrzeug
Mögliche Beiträge der APU zum Energiemanagement
Quelle: BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 19
Mögliche Funktionen
• Stand-Klimatisierung
• Stand-Heizung
• Emissions-Reduzierung Hauptantrieb
• 42 Volt Bordnetz Unterstützung
• Belt-less-Engine (Riemen-lose Maschine)
• X-by-Wire
• Stand-Stromversorgung
APU zur Standversorgung
Stand-Klimatisierung + Kabinen-StromversorgungLKW Anwendung USA
MB Transporter / Wohnmobile
„Off Highway“ Produkte
APU zur Standversorgung
Stand-Klimatisierung + Kabinen-StromversorgungLKW Anwendung USA
MB Transporter / Wohnmobile
„Off Highway“ Produkte
Fahrzeugintegrierte APUVerbrauchsreduzierung
Emissionsreduzierung
Neue Fahrzeugkonzepte
Fahrzeugintegrierte APUVerbrauchsreduzierung
Emissionsreduzierung
Neue Fahrzeugkonzepte
APU KlimaanlageKurzfristig
Langfristig
Quelle: DC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 20
Kundennutzen im Fahrzeug - Zusammenfassung
• Klimatisierung im Stillstand
• Kommunikation/Telematik
• Zuverlässige Stromversorgung
• Verbrauchsminderung (bis 1 Liter auf 100 km)Einhaltung strengerer Abgasgrenzwerte
• Neue (Bedien-) Konzepte (x-by-wire)
• Zusätzliche Funktionen
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 21
Verbrauchsreduktion mittels APUKommentar
Beispiel: Vollintegrierte BZ für Haupt- & Nebenaggregate in einem Mittelklassefahrzeug
Bedarfsgerechter Betrieb vonHaupt- und Nebenaggregaten sowie Bordnetz
Beispiel: Add-on Brennstoffzelle zur Standklimatisierung
Standklimatisierung mittelsAPU im Sleeper Truck (USA)
Konv.
100 %
APUη = 35 %
92%
APUη = 35 %
VER
BR
AU
CH
-11%-8%
89%
El. G
rund
last
:30
0 W
(Heu
te)
Konv.
100 %
APUη = 30 %
-49%
51%
El. G
rund
last
:60
0 W
(Zuk
unft)
(Riementrieb) (Hauptmotor im Leerlauf)
40 % der Betriebszeit laufen Sleeper Trucks im Leerlauf (Standbetrieb der Klimaanlage nachts)
6880 l Diesel pro Jahr werden verbraucht
Die Verbrauchsein-sparung mit APU macht 3380 l Diesel aus.
Quelle: DC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 22
Welche BZ-Typen eignen sich für eine - APU AFC nur wenn reiner Wasserstoff und reiner Sauerstoff verfügbar
(Problem: Reaktion der Kali-Lauge mit dem CO2 der Luft bzw. des Brenngases)
PEFC vor allem bei direkter Verfügbarkeit von Wasserstoff
PAFC wegen geringer Leistungsdichte und vergleichsweise hoher Temperatur ungeeignet (Kostenreduktionsbemühungen bei der 200 kW Anlage von UTC rel. erfolglos)
MCFC wegen geringer Leistungsdichte und hoher Temperatur ungeeignet; Unempfindlichkeit gegen CO wäre vorteilhaft
SOFC hohe Leistungsdichte und Unempfindlichkeit gegen CO sehr vorteilhaft; Dynamik/Aufheizzeit wegen der hohen Temperatur problematisch – Untersuchungen laufen
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 23
Alternative APU Systeme
1. Verbrennungsmotor
2. Stirlingmotor
3. Dampfmotor
4. PEFC
5. SOFC
Quelle: Webasto
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 24
Alternative APU Systeme
1. Verbrennungsmotor
2. Stirlingmotor
3. Dampfmotor
4. PEFC
5. SOFC
Quelle: Webasto Quelle: Webasto
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 25
Tract./APUCH3OH10Nissan
Tract./APUCH3OH40Mitsubischi/Space-liner
Tract./APUCH3OH85Mazda/Premacy
Tract./APUH285Honda/FCX
Tract./APUCHF90Toyota/FCHV-5
Tract./APUCH3OH15VW/EU Capri
Tract./APUH255PSA/Hydro-Gen
Tract./APUH290Renault/FCHV
Tract./APUH285Ford/Focus FCV
Tract./APUH294OPEL/Zafira Gen3
Tract./APUCHF25GM/Chevy S-10
Tract./APUH27Fiat
Tract./APUCH3OH50Daimler/NECAR3
Tract./APUH270Daimler/NECAR4
APUH25BMW/745h
AnwendungBrennstoffkWHersteller/Modell
Bisherige BZ - APU auf Basis PEFC
Quelle: Atena/MTU/12.2003
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 26
Systemvergleich PEFC und SOFC bei Benzinbetrieb
Eigenschaften der SOFC-TechnologieUmwandlung von CO in StromKeine Platin-Katalysatoren für die ElektrodenKein Wassermanagement für Elektrolyt notwendigKühlung mit ReaktionsluftHohe Betriebstemperatur
++++–
BenzinReformerBenzin
ReformerMikro CO-ReinigungMikro CO-Reinigung PEMFCPEMFCHT
ShiftHT
ShiftNT
ShiftNT
Shift
800 °C 80 °CH2
BenzinReformerBenzin
Reformer SOFCSOFC
800 °C 800 °CH2, CO, CH4
Quelle: BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 27
Problem der SOFCStapel aus metallischen und keramischen Platten in sehr kurzer Zeit auf Betriebstemperatur bringen
Quelle: FZJStack für stationäre Anwendung
Dünnblech-Design für mobile Anwendung
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 28
Entwicklungsprogramm in den USASolid State Energy Conversion Alliance (SECA)
6 Projekte:• GE (Honeywell) - 3 bis 10 kW SOFC System für verschiedene Brennstoffe• SWPC - 7 bis 10 kW SOFC System für Hausenergieversorgung,
3 bis 10 kW APU• Delphi/PNNL - 5 kW SOFC System, geeignet für Massenproduktion als APU,
dezentrale Energieversorgung und für militärische Anwendungen
• Cummings Power Generation/McDermott/Ceramatec- 10 kW System für stationäre und mobile Anwendungen
• Acumentrix - dezentrale Energieversorgung
• FCE/Global - dezentrale Energieversorgung + APU
SOFC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 29
Ziele in SECA für SOFC - APU im Fahrzeug
(Quelle: Arthur D. Little)
Systemverhalten Betriebsdaten System Kostenziele
Wirkungsgrad > 35% bei max. Leistung(DC/LHV)
Nennleistung 5 kWnetto
Lebensdauer > 5000 h
Kaltstart (25°C) < 10 min
Spannung 42 VDC
Kein zusätzliches Wasser nötig
Kosten der Anlagenperipherie < 400 $/kW
Langfristig: Zielkosten für das System < 400 $/kW
Volumen < 50 Liter
Masse < 50 kg
Betriebstemperatur 800°C
Oberflächentemperatur der Systemisolation < 45°C
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 30
Entwicklungsprogramme in DeutschlandKeine entsprechendes nationales Koordinationsprogramm
2 Projekte zur SOFC-APU:• BMW - 5 kW System für Benzin/Diesel als APU für Pkw• Webasto - 5 kW System für Benzin/Diesel als APU für Lkw
Projekte zur PEFC-APU:• DaimlerChrysler - 5 kW System für H2/Methanol/Benzin/Diesel• Andere?
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 31
Ziele für SOFC - APU im Fahrzeug (nach Webasto)Standheizung, die Wärme und zusätzlich Strom erzeugt !
Quelle: Webasto
Ziele: Leistung: 5 kW elektrisch netto el. Wirkungsgrad: > 30%Baugröße: < 50 LiterGewicht: < 50 kg
Markteintritt: 2007 – 2009 Erste Applikation: LKW
SOFC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 32
Systementwicklung DaimlerChrysler - PEFC APU
“DaimlerChrysler hat in dem Zeitraum von 1998 bis 2003 zahlreiche APU-Applikationen für den PKW- und LKW-Bereich vorgestellt. Durch die vielfältigen Forschungs- und Vorentwicklungsaktivitäten wurde die Machbarkeit der Benzin- und Dieselreformierung erfolgreich demonstriert. Die Themen Packaging, Kosten und Zuverlässigkeit stellen die größten Herausforderungen für die nahe Zukunft dar“
MercedesH2 APU 1999
MaybachBenzin APU 2003
FreightlinerH2 APU 1999
FreightlinerMethanol APU 2003
Quelle: DCPEFC
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 33
Systementwicklung Webasto – SOFC APU
Quelle: Webasto/2003
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 34
Systementwicklung BMW – PEFC APU
Leistung: 5 kWe
Spannung: 42 VWirkungsgrad: 45 % (Gesamtsystem)
Partner: UTC Fuel CellsPartner: UTC Fuel Cells
Volumen: 20 l (Stack)48 l (Gesamtsystem)
Gewicht: 22 kg (Stack)45 kg (Gesamtsystem) Quelle: BMW
Integration PEFC-APU im750hL (Clean Energy)
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 35
Leistung: ca. 1kWel
Spannung: 12VKraftstoff: Reformat
800°C SOFC-Stack auf demPrüfstand(20 Zellen, Global Thermoelectric)
Erste SOFC für APU-Anwendung (1999)
Quelle: BMW
Systementwicklung BMW – SOFC APU
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 36
Erste SOFC-APU für Benzin von BMW
Wärmetauscher-einheit
SOFC-Stacks
Kraftstoff-versorgung
Luftgebläse System-Peripherie: Sensoren und Aktuatoren
Benzin-Reformer
Quelle: BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 37
Entwicklungsstatus SOFC-APU bei BMWProof of Concept APU,
2000
75% Reduzierung in Volumen und GewichtZiel: 5 kW, <50 kg, <50 l
2. Generation APU,2002
18 Monate
Quelle: BMW
2 x 30 Zellen
Integrierter Reformer und Abgasnutzung
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 38
Schwerpunkte der SOFC Entwicklung für Pkw (BMW)
Verkürzung der Startzeit (Ziel für Stack: 2 Minuten !)
Erhöhung der Leistungsdichte
Verbesserung der Lebensdauer (Zyklenfestigkeit)
Reduktion der Wärmeverluste
Verbesserung der „fuel utilization“
Verkleinerung der Hilfsenergie für Nebenaggregate
Reduktion der KostenQuelle: BMW
cçêëÅÜìåÖëòÉåíêìã=gΩäáÅÜáå=ÇÉê=eÉäãÜçäíòJdÉãÉáåëÅÜ~Ñí=
cìÉä=`Éää=mêçàÉÅí m_w fts w^qmêçàÉâíäÉáíìåÖ_êÉååëíçÑÑòÉääÉ
fåëíáíìí=ÑΩê=tÉêâëíçÑÑÉ=ìåÇsÉêÑ~ÜêÉå=ÇÉê=båÉêÖáÉíÉÅÜåáâ
wÉåíê~ä~ÄíÉáäìåÖqÉÅÜåçäçÖáÉ
IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 39
Zusammenfassung und AusblickDie Brennstoffzellen-APU ist im Unterschied zu vielen anderen Konzepten ein Produkt mit einer klaren „Market Pull“ Situation
Vor 2007, vielleicht 2015 wird es kaum Brennstoffzellen im automobilen Antriebsstrang geben; wenn, dann kommt nur ein reines Wasserstoffsystem in Frage
Für fossile, flüssige Brennstoffe ist die SOFC Technologie die geeignete Lösung. Die technischen Herausforderungen sind allerdings hoch
Nachdem BMW den Vorreiter bei der SOFC-APU gemacht hatte, sind Firmen in den USA mit großem Aufwand nachgezogen, die massiv durch das DOE gefördert werden
Die meisten europäischen Fahrzeugherstellen bleiben bei der PEFC-APUTreiber bei der SOFC-APU in D sind BMW und Webasto