batterien und brennstoffzellen: schlüsseltechnologien ... · batterien (akkumulatoren) speichern...
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Wissenschaft in der Stadtmitte – Forschungshighlights 2009
Ulm, 25. Juli 2009
Prof. Dr. Werner Tillmetz
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)Baden-Württemberg
Batterien und Brennstoffzellen:
Schlüsseltechnologien zukünftiger Mobilität
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Elektromobilität vor mehr als 100 Jahren
Ferdinand Porsche entwickelt Elektrowagen (Lohner-Porsche) - die Sensation der Weltausstellung im Jahr 1900 in Paris
AEG betrieb wenige Jahre später eine Serienfertigungvon Elektrofahrzeugen in Berlin
Das im Überschuss vorhandene Erdöl mit seiner unschlagbarenEnergiedichte und das sich schnell ausweitende Fernstraßennetzwaren das Ende von Elektrofahrzeugen
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Was erwartet Sie?
Herausforderungen
Erneuerbare Energien und Mobilität
Batterien
Brennstoffzellen
Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe?
Das ZSW in Ulm
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Herausforderungen des 21. Jahrhunderts
Dramatischen Umweltprobleme durch Klimawandel und Luftverschmutzung
Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes
Zunehmende geopolitische Abhängigkeiten
Effizientere Nutzung fossiler und erneuerbare Energien
Innovationen für einen nachhaltigen Wissenschafts-und Wirtschaftsstandort Deutschland
Treiber für die Elektromobilität
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Treiber: Emissionen
Quelle: Toyota
Euro 6 für NOx Emissionen und EU Richtlinie für CO2
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Treiber: Wirkungsgrade
Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade
Verbrennungsmotor: 20 – 25 %
Brennstoffzellen-Elektroantrieb: 40 – 50 %
Batterie-Elektroantrieb: 70 – 80 %
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Treiber: Weltölproduktion
year
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Treiber: Weltölproduktion
Quelle: Energy Watch Group 2008
Fördermaximum
?Bedarf
Angebot
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Quelle: Energy Watch Group 2007
Ölproduktion von Ländern nach dem „Peak“
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Was erwartet Sie?
Herausforderungen
Erneuerbare Energien und Mobilität
Batterien
Brennstoffzellen
Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe?
Das ZSW in Ulm
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Potenzial Erneuerbarer Energien
Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs
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Potenzial Erneuerbarer Energien
Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs
Aber:wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank?
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0
2500
5000
7500
10000
12500
15000
min max min max min max min max min max min max min max
PJ/a
(Transport)2002 1)
Straßenverkehr
Zivilluftfahrt
Bahn
Binnenschifffahrt
Restholz, Reststroh
1) Quelle: IEA-Statistik 2001-20022) Brutto (ohne Energieaufwand für die Kraftstoffbereitstellung, z.B. der Einsatz externer Energie für die Ethanolanlage)
über Biogas
Biogas(Methan)
Wasserstoff(CGH2)
BTL Ethanol ausWeizen 2)
Pflanzenöl/ FAME
Ethanol ausLignozellulose
Anbau (Kurzumtrieb)
Es werden die Potenziale unterschiedlicher Alternativen gezeigt, die nicht addiert werden können.
Anbau(Gräser: 10-25 t TS/ha/a)
2)
5,75% Anteil an Biokraftstoffen
BedarfWasserstoff
(LH2)
Technisches Potenzial verschiedener Biokraftstoffe in der EU
Quelle: LBST
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Potenzial Erneuerbarer Energien
Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs
Aber:wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank?
Strom aus Erneuerbaren Energien tanken..gibt es genügend?
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Technische Potenziale der Erzeugung aus erneuerbarem Strom in D
Strom für Batterie-Elektro-Fahrzeuge
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Potenzial Erneuerbarer Energien
Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs
Aber:wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank?
Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien tanken… gibt es genügend?
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1) Quelle: IEA-Statistik 2001-20022) noch ausbeutbar in der EU
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
min max min max
[PJ/
yr]
Wind offshore 2)
Wind onshore 2)
Wasserkraft 2)
PV2)
Solarthermische Kraftwerke
Kraftstoffverbrauch(Transport 2002) 1) CGH2 LH2
Geothermie 2)
Meeresenergie
StraßenverkehrZivilluftfahrtBahn
Binnenschifffahrt
Technische Potenziale der Erzeugung aus erneuerbarem Strom in der EU
Wasserstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge
Quelle: LBST
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Potenzial Erneuerbarer Energien
Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs
Aber:wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank?
Was macht Sinn?…ein etwas anderer Vergleich
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Elektromobilität und Erneuerbare Energien
5000 m2 für Biodiesel + Verbrennungsmotor
1000 m2 für Wasserstoff aus Biomasse + Brennstoffzellenantrieb
20 m2 für PV-Strom + Batterie-E-Fahrzeug
500 m2 für Wasserstoff aus Windenergie + Brennstoffzellenantrieb (Fläche gleichzeitig landwirtschaftlich Nutzbar)
Flächenbedarf für regenerative Kraftstoffe zum Betrieb eines Pkw mit 12 000 km p.a. Fahrleistung
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Potenzial Erneuerbarer Energien
Das nutzbare Potenzial der Erneuerbaren Energien ist ein Vielfaches des heutigen Weltenergie-Verbrauchs
Aber:wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank?
Kann das alles so einfach realisiert werden?Schlüsseltechnologien Batterie und Brennstoffzelle
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Was erwartet Sie?
Herausforderungen
Erneuerbare Energien und Mobilität
Batterien
Brennstoffzellen
Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe?
Das ZSW in Ulm
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Batterien: Energiespeicher
Li+
Li1-xCoO2 LixC6
Elektronen
e
Li+
Li1-xCoO2 LixC6
Elektronen
e
Bildquelle: DaimlerAufbau eines Batteriemoduls für einen Mild-Hybrid-Antrieb
Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Batterie
Batterien (Akkumulatoren) speichern elektrischen Strom mit hohemWirkungsgrad (Laden – Entladen)
Li-Ionen-Batterien haben die höchste Energiedichte der kommerziellenAkkumulatoren
Große Vielfalt an möglichen Aktivmaterialien zur Optimierung
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Li-Ionen-Batterien:Neue Anwendungen >> Große Herausforderungen
neue Materialien
& Konzepte notwendig
Sicherheit ? Konsumerbatterie: < 90 WhHybridfahrzeuge: 1-2 kWhPlug-In HEV: 6 – 10 kWhBatteriefahrzeug: > 20 kWh Kosten ?
< 500 €/kWh
Energiedichte ?> 200 Wh/kg
Lebensdauer ?kalendarisch >10Jahre
> 300 000 Zyklen
Betriebsbedingungen ?- 30°C bis +50°C, Schnellladung
Vibration, Schock, Crash
Ressourcen ?Qualifiziertes Personal,
Budget, Rohstoffe
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Energiedichte im Vergleich
Quelle: Toyota
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Energiedichte im Vergleich
Quelle: General Motors
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Was erwartet Sie?
Herausforderungen
Erneuerbare Energien und Mobilität
Batterien
Brennstoffzellen
Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe?
Das ZSW in Ulm
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Brennstoffzellen: Energiewandler
Brennstoffzellen wandeln Brenngase (Wasserstoff) und Luft-Sauerstoff hoch effizient und schadstofffreiin Strom, Wärme und Wasser um
BrenngasH2O2
PoröseKathode Poröse
Anode
2e- 2e-
Wasser + WärmeH+
Luft H2O2
Katalysator Membrane
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Brennstoffzellen-Fahrzeug
Leistungselektronik
Kühlmittelpumpe
Systemmodul
Brennstoffzelle (80 kW)
Steuerelektronik
Xcellsis™ HY-80
Bildquelle: Xcellsis GmbH
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Ressourcenschonende, emissionsfreie Mobilität
• Viele hundert Fahrzeuge seit Jahren im Alltagsbetrieb
• Über Flotten zu wettbewerbsfähigen Produkten
• Reduzierung Kosten & Erhöhung der Zuverlässigkeit
• Aufbau einer wettbewerbsfähigen Zulieferindustrie
Pkw mit Brennstoffzellen-Antrieb
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Entwicklungsphasen Brennstoffzellen-Fahrzeug
Industrie-Beispiel: Daimler
• Lebensdauer Stack of 2000h• Leistungssteigerung
(65kW100kW)• Höhere Verlässlichkeit• Höhere Reichweite
(160km400km)• Kaltstart-Funktion• Li-Ion Batterie• Gesenkte Komponentenkosten
• Hohe Effizienz• Keine/ kaum Emissionen• Leise • Hoher Fahrkomfort• Leistung, Bauraum & Gewicht• Nutzung alternativen Kraftstoffs• Neues Fahrzeug-Konzept• Demonstration von Kundennutzen
Fahrzeug reif für den Massen-Markt
• Kleinerer Stack• Mehr Leistung• Mehr Drehmoment• Höhere Kraftstoff-Effizienz• Exzellenter Kaltstart
• Kleinerer/ kein Befeuchter• Neue Kompressor-Generation• Verbesserter Stack• Optimiertes Luftmodul• Vereinfachte H2-Zirkulation• Verbesserte Betriebsstrategie• Vereinfachtes Anoden-Modul
Generation 1Technologie-Demonstration
Generation 2 Kundenakzeptanz
Generation 3+4Kostenreduzierung +Markteinführung
Generation 5Massenfertigung
2004 2010 2013 2020
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Emissionsfreier Nahverkehr
• 5 Jahre Erfahrung im Alltagsbetrieb
• Ausbau heutige Flotten und Aufbau der
Infrastruktur inkl. Service, Ausbildung…
• begleitende F&E um Lebensdauer- und
Kostenziele zu erreichen
Busse und Transporter
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Was erwartet Sie?
Herausforderungen
Erneuerbare Energien und Mobilität
Batterien
Brennstoffzellen
Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe?
Das ZSW in Ulm
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Batterie- oder Brennstoffzellen-Antriebe?…auf die Anwendung kommt es an
Quelle: General Motors
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Strategische Partnerschaften aus Politik, Industrie und Forschung für die Umsetzung erforderlich
Leuchtturmprojekt Clean Energy Partnership II
Einsatz von Brennstoffzellen & Wasserstoff im Straßenverkehr
Quelle und weitere Infos: www.now-gmbh.de
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Was erwartet Sie?
Herausforderungen
Erneuerbare Energien und Mobilität
Batterien
Brennstoffzellen
Batterie- oder Brennstoffzellenantriebe?
Das ZSW in Ulm
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ZSW: 20 Jahre Batterie- und Brennstoffzellenforschungin enger Kooperation mit der Industrie
vorhandeneExpertisen
am ZSW
Systemanalyse und Politikberatung
Neue Zellkonzepte & Fertigungstechnologien
Neue Materialien und Materialkombinationen Leistungs-, Lebensdauer-,
Umwelt- und Sicherheitstests
Erprobung im Feld,Rückkopplung an F&E
Post Mortem Analysen, Alterungsmechanismen
Grundlagenforschung
Systemtechnik, Modellierung & Simulation
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ZSW-Partner
Batterie- und Komponentenhersteller
OEM und Anwender
SB LiMotive Co. Ltd.
Toda Kogyo Europe GmbH
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Geplanter Ausbau der Ulmer Batterieforschung
Fertigungstechnologien
Sicherheits-Tests
Batterie-Systemtechnik
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Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V.
Es bewegt sich viel:Batterien & Brennstoffzellen
aus Ulm
Demonstration
Angewandte Forschung
Forschung und Lehre
Aus- und Weiterbildung
Produktion
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Batterien und BrennstoffzellenSchlüsseltechnologien künftiger Mobilität
Bildquelle: Daimler
Vielen
Dank
für
Ihre
Aufmerksamkeit