Batterie oder Brennstoffzelle – was bewegt uns in Zukunft? K. Andreas Friedrich Institut für Technische Thermodynamik Pfaffenwaldring 38-40, Stuttgart
www.DLR.de • Chart 1 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Globale Herausforderungen im 21. Jahrhundert - Alarmierender Anstieg des Energieverbrauchs in der Welt
durch Bevölkerungswachstum - Sichere elektrische Energieversorgung (ohne Kernenergie) - Globaler Einfluss der Treibhausgase auf das Klima - Lokale Luftverunreinigung durch toxische Emissionen - Limitierte Ressourcen und extreme Abhängigkeit von
fossilen Brennstoffen - Wettbewerb um die Verwendung der landwirtschaftlichen
Flächen - Geopolitische Abhängigkeiten - Wettbewerbsfähigkeit der Industrie - Schaffung neuer Arbeitsstellen mit innovativen Produkten
Elektromobilität ist die Antwort im Verkehr
www.DLR.de • Chart 2 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Öl-Förderung und Weltbevölkerungsentwicklung
www.DLR.de • Chart 3
Öl-Zeitalter
Quellen: EWG-Erdölstudie/Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH 2007 Deutsche Stiftung Weltbevölkerung
Szenario 2050: 273 Millionen Fahrzeuge in Europa – und 2.5 Milliarden weltweit
> Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Alternative Darstellung des „Oil Peaks“
Quelle: Opel AG
www.DLR.de • Chart 4 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Ziele des Deutschen Energiekonzepts (Energiewende)
Modifiziert nach: Craig Morris, Martin Pehnt (2012)
Elektrizitäts- bedarf
Bruttoenergie- bedarf
Wärme bedarf
Klimagas- Emissionen
SEITE 5
(bezogen auf 2008)
(bezogen auf 2008)
(bezogen auf 2008)
(bezogen auf 2008)
Ziele in %
Anteil EE in % Primärenergieanteil
www.DLR.de • Chart 5 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
www.DLR.de • Chart 6
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
CO
2-E
mis
sion
en D
euts
chla
nd [M
io. t
]
maximal 21 Mio. t CO2
52 Mio. t CO2
1.032 Mio. t
- 95 %
Energiewirtschaft
Industrie
Haushalte & GHD
Verkehr
CO2 Reduktionsziele bei der Energiewende
> Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Energie und Antriebsalternativen Energie Resourcen Energieträger Antriebssysteme
Wasserstoff
Gasförmige Kohlen-
wasserstoffe
Biomasse
Erdgas
Kohle
Nuklear
Erneuerbare (Solar, Wind, Hydro)
Elektrizität
Elek
trifi
zier
ung
Öl Flüssige Kohlen-
wasserstoffe
Electric Vehicle
Brennstoffzellen Fahrzeug
Gasförmig ICE
Batterie Fahrzeug
Bat
terie
Plug-In Hybrid ICE
Verbrennungs-motor:
Benzin / Diesel
ICE Hybrid
www.DLR.de • Chart 7 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Kontroverse Diskussion: Batterie oder Brennstoffzelle?
www.DLR.de • Chart 8 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Prinzip der Lithium-Ionen-Batterie
www.DLR.de • Chart 9 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Li-Ionen-Batterie
Prinzip der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
Proton Exchange Membrane
Fuel Cell (PEMFC)
• Elektrolyt: Polymer
Membrane
• Ladungsträger: H+ Ionen
• Reaktion Anode:
H2 -> 2H+ + 2e-
• Reaktion Kathode:
½O2 + 2H+ + 2e- -> H2O
• Temperatur: 60°C - 90°C
Chemische Energie Elektrische Energie
www.DLR.de • Chart 10 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Brennstoffzellen-Prinzip
Wirkungsgrade Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade („Tank-to-Wheel“): Verbrennungsmotor: 20 – 25 %
Brennstoffzellen-Elektroantrieb: 40 – 50 %
Batterie-Elektroantrieb: 70 – 80 %
Kraftstoff Wärme Bewegung Elektrizität
Kraftstoff Elektrizität
O H
H
Chemische Energie Elektrizität Elektrizität
Sekundärbatterie (Akkumulator)
www.DLR.de • Chart 11 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Wirkungsgradvergleich mit verschiedenen Kraftstoffen
Erdgas1
www.DLR.de • Chart 12
Kohle2 Öl
0
0.1
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0.9
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0.9
„Wel
l-to-
Whe
el“ E
ffizi
enz
km/M
J
Quelle: CONCAWE-EUCAR JEC-WTW study
Jahr 2020
1 Erdgas in Verbrennungsmotor; Diesel aus Erdgas über Fischer-Tropsch-Synthese 2 Benzin und Diesel Fisch-Tropsch-Synthese
Batterie-Fahrzeug Brennstoffzellen-Fahrzeug Benzin-Verbrennung Diesel-Verbrennung
www.DLR.de • Chart 12 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Effizienzvergleich von Antrieben
Basiert auf Daimler und Well-to-Wheel Studien: Concawe, EUCAR, JRC und JHFC
BenzinDiesel
Hybrid (Benzin)Hybrid (Diesel)Verbrennungsm
otoren
Elektroantriebe
Brennstoffzelle mit 100% H2 aus Erdgas
Batteriefahrzeugmit Strom aus 100% EU-Mix
Brennstoffzellenfahrzeugmit 100% erneuerbarem H2
Batteriefahrzeugmit 100% erneuerbarem Strom
Technologie-wechsel
Benzin Japan (JHFC)
Diesel Japan (JHFC)
Hybrid Benzin Japan
Brennstoffzelle Japan (momentan
und zukünftig)
Batteriefahrzeug Japan (Stromix)
BenzinDiesel
Hybrid (Benzin)Hybrid (Diesel)Verbrennungsm
otoren
Elektroantriebe
Brennstoffzelle mit 100% H2 aus Erdgas
Batteriefahrzeugmit Strom aus 100% EU-Mix
Brennstoffzellenfahrzeugmit 100% erneuerbarem H2
Batteriefahrzeugmit 100% erneuerbarem Strom
Technologie-wechsel
Benzin Japan (JHFC)
Diesel Japan (JHFC)
Hybrid Benzin Japan
Brennstoffzelle Japan (momentan
und zukünftig)
Batteriefahrzeug Japan (Stromix)
www.DLR.de • Chart 13 www.DLR.de • Chart 13 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Elektromobilität und Flächenbedarf
www.DLR.de • Chart 14
5000 m2 für Biodiesel mit Verbrennungsmotor 1000 m2 für H2 aus Biomasse + Brennstoffzellenantrieb
20 m2 für Photovoltaik + Batterieantrieb
500 m2 für H2 aus Windenergie + Brennstoffzellenantrieb ( Fläche kann für Landwirtschaft genutzt werden)
Flächenbedarf mit Erneuerbaren Energien für einen PKW mit 12 000 km Fahrleistung pro Jahr
65 m2 für Photovoltaik + Brennstoffzellenantrieb
Quelle: ZSW 2010
www.DLR.de • Chart 14 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Antriebskonfigurationen von Elektrofahrzeugen
Batterie
Batterie
Batterie
www.DLR.de • Chart 15 www.DLR.de • Chart 15 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Historische Entwicklung der Batteriefahrzeuge
www.DLR.de • Chart 16
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Quelle: Mock and Schmid, 2008. Bilder: La jaimais contente, the Detroit Electric car, the Golf CitySTROMer, (VW), the EV1 (GM) and the Smart Fortwo ED (Daimler).
www.DLR.de • Chart 16 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Elektrofahrzeuge um 1900
Lohner-Porsche Elektromobil mit Radnabenantrieb, 1900
Elektrisch betriebener Hotelomnibus
Baker Elektromobil, 1912
Daimler Tonneau, 1901
Quelle: Frankenberg, Geschichte des Automobils
Elektrowagen der NAG (Neue Automobilgesellschaft mbH) 1903 Quelle: Ledjeff, Energie für Elektroautos
www.DLR.de • Chart 17 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Geschwindigkeitsrekorde Elektrofahrzeuge bis 1900
Quelle: Frankenberg, Geschichte des Automobils
www.DLR.de • Chart 18 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
6.000 E-Autos wurden 2013 in Deutschland verkauft, verglichen mit den rund 2,95 Millionen insgesamt zugelassenen Neuwagen
Smart ed VW E-up Mitsubishi i-MIEV, Peugeot Inn
Renault Zoe
Ford Focus Electric
BMW i3 Nissan Leaf
Opel Ampera Renault Fluence Z.E.
Beispiele für Batteriefahrzeuge www.DLR.de • Chart 19 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Status Elektrofahrzeuge („Plug-In“ Batterie) Entwicklung der Neuzulassungen (links) und Bestandszahlen (rechts) in ausgewählten Ländern seit 2008 bzw. 2009
Quelle: ZSW und DFKI GmbH
Starker Anstieg der Neuzulassungen Erwartungen der Politik wurden jedoch bisher nicht erfüllt
www.DLR.de • Chart 20 www.DLR.de • Chart 20 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Beispiele für Batteriefahrzeuge
www.DLR.de • Chart 21
Im Handel: seit Frühjahr 2013 Preis: 60 KWh: ab 71.400 Euro 85 KWh: ab 81.750 Euro Bei 85 Kilowattstunden: Reichweite: bis zu 480 Kilometer Leistung: 367 PS Höchstgeschwindigkeit: 200 km/h
Im Handel: Spätherbst 2013 Preis: knapp 35.000 Euro Batterie 18,8 kWh Reichweite: gut 160 Kilometer Leistung: 170 PS Höchstgeschwindigkeit: 150 km/h
www.DLR.de • Chart 21 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Offene Fragen für Batterie-Elektromobilität
- Die Lebensdauer der Batterie und die Garantieleistungen - Öffentliche Ladeinfrastruktur / Standardisierung - Produktauswahl noch gering - Gesellschaftliche Akzeptanz und Rahmenbedingungen - Angst vor dem „Liegenbleiben“ - Leasingangebote des Batteriesystems. - Anwendung mobiler Kommunikationssysteme - Neue additive Geschäftsmodelle - Fokus Weiterentwicklung: - Packaging/Gewichtsoptimierung - Reichweite/Speicheroptimierung - Lebensdauer - Kosten (Technologie, Stückzahlen, Zulieferer)
www.DLR.de • Chart 22 www.DLR.de • Chart 22 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Elektromobilität mit Brennstoffzellen
- Über 210 Demofahrzeugmodelle!
www.DLR.de • Chart 23
1839 1990s 2000 1960s and 1970s today tomorrow
www.DLR.de • Chart 23 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Status Brennstoffzellenfahrzeuge
ca. 600 Fahrzeuge in Demonstrationsprojekten, > 15 Mio. km, > 90.000 Betankungen
Kundenanforderungen werden erfüllt: • Fahrleistung und Kaltstartverhalten • Hohe Wirkungsgrade / geringer Kraftstoffverbrauch (ca. 52 % (LHH)) • Kurze Nachtankzeiten • Erfolgreiche Erprobung unter
Automotive-Bedingungen • Ausreichende Reichweite (ca. 500 km mit 5 kg Tank) • Lokal emissionsfrei • Automobile Sicherheitsstandards
www.DLR.de • Chart 24 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Beispiele von Brennstoffzellenfahrzeugen
Toyota FCHV-R 100 kW Leistung 70 MPa Hochdruck-H2-Tank Reichweite: 830 km Kaltstart: von -30 ° C Tankzeit: 3 Minuten 2015 erste Kleinserie
B-Klasse f-cell 80 kW Leistung 70 MPa Hochdruck-Wasserstofftank Reichweite: 430 km Tankzeit: 3 Minuten Max. 170 km/h Batterie: Li-Ionen 1,4 kWh 2017 Serienfahrzeug
Honda FCEV concept 100 kW Leistung 3 kW pro Liter Reichweite: 500 km 70 MPa Hochdruck-Wasserstofftank 2015 Kleinserie in USA und Japan
www.DLR.de • Chart 25 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
H2 Mobility: Initiative von 6 Unternehmen und der Deutschen Regierung 400 H2 Tankstellen bis 2023 Investitionen € 350 Millionen
2015 2018 2023
H2 Mobility in Germany
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Größte Herausforderung: H2-Infrastruktur
www.DLR.de • Chart 26 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
In der Einführungsphase (bis 2030) dominiert der Transport von Flüssigwasserstoff zur Tankstelle (z.B. zur Integration von offshore Wind und Nebenprodukt-Wasserstoff)
Mit steigender Nachfrage erfolgen Transport und Verteilung über Pipelines mit Druckwasserstoff
Auch regionale oder on-site Erzeugung von Wasserstoff aus Erdgas, Biomasse oder Elektrolyse können eine Rolle spielen
Davon Pipeline 2030 ca. 20% 2050 ca. 80%
GermanHy: Aufbau einer Wasserstoff- Infrastruktur
www.DLR.de • Chart 27 www.DLR.de • Chart 27 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Szenario 2030 “Moderat”
Quelle: GermanHy 2009, Joest et al.
H2-Infrastruktur in Deutschland
- Die Investitionen zum Infrastrukturaufbau bis 2030 kumulieren sich zu 10 bis 21 Mrd. Euro im moderaten Szenario (Versorgung von 7 Mio. Wasserstofffahrzeugen)
- Vergleichsgrößen: - Straßeninfrastruktur Deutschland in 2005: 5 Mrd. Euro - EEG-Vergütung 2013: 8,5 Mrd. Euro Photovoltaik 20,38 Mrd. Euro Gesamt - Einnahmen Mautsystem Deutschland in 2005: 3 Mrd. Euro
www.DLR.de • Chart 28 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Vergleich eines Batterie- und Brennstoffzellen-Fahrzeuges mit Reichweite 480 km
- Tesla Modell S: Fahrzeug mit nominell 480 km Reichweite
- Kann daher Elektromobilität nur mit Batterie-Antrieben realisiert werden?
- Hat damit die Brennstoffzelle wirklich keine Zukunft im Verkehr?
www.DLR.de • Chart 29 www.DLR.de • Chart 29 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
0
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0.6
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1.0
Gesamtheit der Kosten für verschiedene Fahrzeuge EUR/km
2030 2025 2020 2015 2010
BEV
FCEV
ICE
PHEV
C/D SEGMENT
Aussage der “Coalition”-Studie auf EU-Ebene zu Gesamtkosten von Fahrzeugen
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Quelle: „A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis“, McKinsey & Company (2012)
TCO (total cost of ownership) = Kaufpreis + Betriebskosten (Wartung + Kraftstoff)
www.DLR.de • Chart 30 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Erwartete Entwicklung Edelmetallbedarf
Vergleich Brennstoffzellen- und Verbrennungsfahrzeuge
www.DLR.de • Chart 31 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Spezifische Energiedichte / Wh kg-1
Batterien H2-Tank, Brennstoffzelle& Batterie
Vergleich der spezifischen Energien von H2-Brennstoffzellensystemen und Batteriesystemen
Spezifische Energie: Energie pro Einheitsmasse
www.DLR.de • Chart 32 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Batteriefahrzeug
Brennstoffzellen-Hybrid
Vergleich der Massen von Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge als Funktion der Reichweite
Antriebe mit Beschleunigungs-zeit von 10 s von Null auf 97 km/h mit gleichen Fahreigenschaften
www.DLR.de • Chart 33 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Vol. Energiedichte / Wh l-1
Batterien H2-Tank, Brennstoffzelle & Batterie
Vergleich der Volumetrischen Energiedichten der Antriebssysteme
www.DLR.de • Chart 34 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Vergleich der Volumina der Systeme (BZ + Speicherung) als Funktion der Reichweite
www.DLR.de • Chart 35 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Vergleich der „well-to-wheel“ Treibhausgasemissionen für die USA
Annahmen: Strommix 2010-2020 52 % Strom-erzeugung aus Kohle und geringe Effizienz des Elektrischen Netzes von 35% H2 wird aus Erdgas erzeugt
Quelle: Wang MQ. “Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Transportation. Argonne National Laboratory“
www.DLR.de • Chart 36 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Vergleich der „Lade“-Eigenschaften von Brennstoffzellen und Batteriesystemen
Reichweite (km)
Energie vom Netz (kWh)
Aufladung I Zeit (h) 220 V, 40 A 7.7 kW
Aufladung II Zeit (h) 480V, 3 Φ, 60 kW
H2 Tankfüllung (h)
241 56 7,3 0,9 0,05 (3 min) 322 82 10.68 1,4 0,05 - 0,08 483 149 19.40 2,5 0,05 - 0,08
Wirkungs-grad
ca. 70% < 70% ca. 50 % unabhängig vom Tanken
www.DLR.de • Chart 37 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Zusammenfassender Vergleich
Batteriefahrzeug Brennstoffzellen / Batteriehybrid
Emissionsfrei Geräuscharm Div. Energieträger
sehr gute Umweltbilanz (sehr) gute Umweltbilanz
Batteriesystem BZ-System
Hochenergie, > 15 kWh -
Hochleistung, ~ 1.5 kWh Hohe Dauerleistung, > 80 kW
Vorteile Höchste Wirkungsgrade Niedrige Betriebskosten Privates Nachladen
Konventionelle Reichweite, Komfort und Nachtankzeit Hohe Dauerleistung
Herausforderungen Einschränkungen Reichweite, Ladezeiten, Komfort Öffentliche Ladeinfrastruktur
Hohe Ausbaustufe H2- Infrastruktur Höhere Betriebskosten
Designkriterien Batterie BZ-System
Reichweite Spitzenleistung Dauerleistung
Anwendungen Innerstädtisch Langstrecke
www.DLR.de • Chart 38 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014
Zusammenfassung
- Elektromobilität mit Brennstoffzellen und Batterien haben etwa gleiches Zukunftspotenzial
- Kein großer Automobilhersteller kann sich momentan leisten, eine dieser Optionen zu vernachlässigen
- Wahrscheinlich werden beide Technologien parallel im Markt bestehen (wie Otto- und Diesel-Verbrennungsmotoren)
- Ihre Umweltbilanz ist auf Basis Erneuerbarer Energien gleichermaßen gut
- ..\BrennstoffzellenOderBatterien\Kommt eine Blondine in die Bibliothek.mp4
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
www.DLR.de • Chart 39 > Rathaus Stuttgart, 7.5.2014