Nachteile reiner batteriebetriebener Elektrofahrzeuge - TU Berlin

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Nachteile reiner batteriebetriebener Elektrofahrzeuge - TU Berlin

Steigende Energienachfrage weltweit

� Heute: 900 Mio. Autos weltweit

� 98% fossile Kraftstoffe

� 2020: 1,1 Mrd. Fahrzeuge


Millionen Barrel pro Tag

Das Erdöl-Zeitalter:

Weltweite Produktion nach Quellen

120

100

80

60

40

20

0

Unsicherheit über Verfügbarkeit

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 Jahr

Unkonventionelles Öl

Flüssiges Gas

Rohöl:

unentdeckte Ölfelder

Rohöl:

unausgebaute Ölfelder

Rohöl:

derzeit produktive Ölfelder

Quelle: World Energy Outlook

International Energy Agency,

2010


Millionen Barrel pro Tag

Das Erdöl-Zeitalter

“Like a Candle in the Night”

120

100

80

60

40

20

0

0 500 1000 1500 2000 2500 Jahr


Paradigmenwechsel:

Die Autos der Zukunft fahren elektrisch

Opel Ampera

(E-REV)

Opel RAK e

(BEV)

Opel HydroGen4

(FCEV)


F&E-Zentrum für elektrische Antriebe

GM APC Europe in Mainz-Kastel

250 Mitarbeiter

Entwicklung von

BEVs, E-REVs, FCEVs

20 Jahre Erfahrung

mit elektrischen Antrieben

(Batterie und Brennstoffzelle)


Energiespeicherung im Fahrzeug

Gewicht und Volumen von Energiespeichern für 500 km Reichweite

Diesel

System

Kraftstoff

43 kg

33 kg

46 L

37 L

Auch in Zukunft begrenzte

Speicherdichte bei Batterien


Lithium-Ionen-Batterie

100 kWh elektrische Energie

Rein batterie-elektrischer Antrieb

nur für kleine Fahrzeuge

mit geringer Reichweite sinnvoll

System

Zellen

830 kg

540 kg

670 L

360 L


Opel RAK e Konzeptfahrzeug


Opel RAK e Konzeptfahrzeug

� Leistung: 36,5 kW / 10,5 kW (max./kont.)

� Höchstgeschwindigkeit: 120 km/h

� Beschleunigung (0-100 km/h): ca. 13 s

� Reichweite: 100 km

� Ladedauer: ca. 3 h

� Stromkosten: ca. € 1,- / 100 km


Alessandro Volta

Batterie-Erfinder

Langsamer Fortschritt bei Batterietechnologie

Energiedichte

von Li-Ionen-Batterien

auf Zell-Ebene

William Grove

Batterie- und

Brennstoffzellenpionier

Blei-Säure-

Batterie

Wh/l

Dmitri Mendeleev

Chemiker

600

550

500

450

400

350

300

250

200

150

Periodensystem Trockenzelle

Quelle: M. Broussely et al., Journal of Power Sources 136 (2004) 386-394

91 94 97 00 03 06 09 12

Jahr

Detroit Electric Model 47 Li-Ionen-

Batterie

Thomas Alva Edison

Erfinder & Unternehmer

Whittingham

(Exxon)

2004 Projektion

2008 tatsächlich

300

275

250

225

200

175

150

125

100

75

Li-Ionen in portablen Geräten

Goodenough & Sony

Wh/kg



Li-Ionen-Technologieentwicklung

Weiterentwicklung von Li-Ionen-Technologie möglich

durch Verbesserungen bei:

Zell-Chemie Zell-Design Pack-Design Therm. Management

Im besten Fall: Langfristig (> 2020) Verdopplung der Energiedichte

auf Pack-Ebene im Vergleich zu heutigen Antriebsbatterien möglich


Ausblick Batterietechnologie

Leichter

reduzierende

Elemente

Größere Zellspannung

� Li-Ionen derzeit beste Technologie für wiederaufladbare Batterien

oxidierende

Elemente

� Li-S / Li-Luft besitzen noch Potenzial, aber signifikante Entwicklungsfortschritte notwendig

� Jenseits von Lithium: „Wasserstoff-Luft-Batterie” (= Brennstoffzelle)

Leichter


Typische tägliche Fahrtstrecke

25%

20%

15%

10%

5%

0%

80% der

täglichen Fahrten

kürzer als 50 km

0-1 2-4 5-10 11-20 21-50 51-100 > 100 km

Quelle: Mobilität in Deutschland, 2002


Opel Ampera – Elektrofahrzeug

mit verlängerter Reichweite (E-REV)

40–80 km

batterie-elektrische Reichweite

> 500 km

verlängerte Reichweite


Opel Ampera

Ein vollwertiges Elektrofahrzeug

40–80 km

batterie-elektrische Reichweite

Volle Nutzbarkeit:

Fahrleistung und Betankung

wie bei Benzinfahrzeug


Antriebsystem des Opel Ampera

Motor-/Generator-Einheit Lithium-Ionen Batterie

Elektrischer Antrieb Ladeschnittstelle


Reichweite und Kosten

Kosten

0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Reichweite/km


Zuverlässigkeit im täglichen Betrieb


E-REV-Konzept überwindet Nachteile

reiner Batteriefahrzeuge

Nachteile reiner batteriebetriebener Elektrofahrzeuge:

� Niedrige und unzuverlässige Reichweite im Alltagsbetrieb

� Reichweitenangst

� Lange Batterie-Ladezeiten (proportional zur Batteriegröße/Reichweite)

� Hohe Batteriekosten (proportional zur Batteriegröße)

� Hohes Gewicht und großer Platzbedarf der Batterien

� Eingeschränkte Nutzungsmöglichkeiten (Zweitwagen)

Mit größeren Batterien werden diese Probleme

nicht überwunden!

Lösung: E-REV-Konzept


Wichtig: Unabhängigkeit von

spezifischen Infrastrukturlösungen

� Laden des Ampera an

230-V-Steckdose möglich


Ladezeit: 4 – 6 h

� Laden zuhause oder am Arbeitsplatz


wird künftig mehr als 85%

aller Ladevorgänge ausmachen


Opel Ampera –

Das erste voll alltagstaugliche Elektrofahrzeug

� Keine Reichweitenangst

� Unabhängig von öffentlicher Lade-Infrastruktur

� Nutzung als Erstfahrzeug / einziges Fahrzeug


Jetzt beim Opel-Händler



Kooperationsvereinbarungen für grünen Strom

Kooperationsvereinbarungen mit über 40 Stromanbietern

in Deutschland, die zertifizierten grünen Strom liefern

(gemäß „Energie-Einspeise-Gesetz“, §3)

Kundenvorteile

� Emissionsfreies Fahren: Elektrizität aus 100% erneuerbarer Energie

� Geringerer Strompreis: 5% billiger als der günstigste Standardtarif (ohne Vorauszahlung)

� Sicherheit durch kostenlose Überprüfung des Stromanschlusses


Warum Brennstoffzellen-Fahrzeuge?


Energiespeicherung im Fahrzeug

Gewicht und Volumen von Energiespeichern für 500 km Reichweite

Diesel

System

Kraftstoff

43 kg

33 kg

46 L

37 L

Druckwasserstoff 700 bar

6 kg H 2 = 200 kWh chemische Energie

System

Kraftstoff

125 kg

6 kg

260 L

170 L

Lithium-Ionen-Batterie

100 kWh elektrische Energie

System

Zellen

830 kg

540 kg

670 L

360 L


Warum Brennstoffzellen-Fahrzeuge?

� Hohe Reichweite ohne Einschränkung bei Fahrzeuggröße/Funktionalität

� Jederzeit null Emissionen

� Schnelle Betankung (3 Min.), entkoppelt vom Parken


Wo aufladen … ?


Warum Brennstoffzellen-Fahrzeuge?

� Hohe Reichweite ohne Einschränkung bei Fahrzeuggröße/Funktionalität

� Jederzeit null Emissionen

� Schnelle Betankung (3 Min.), entkoppelt vom Parken

Wasserstoff im Energiesystem der Zukunft:

� Rohstoffvielfalt

� Speichermedium

für erneuerbare Energien

� Bringt erneuerbare Energien

auf die Straße


GM Electrovan (1966):

Weltweit erstes Brennstoffzellen-Auto


Das Prinzip der Brennstoffzelle

H 2

4e -

Anode

2 H 2 � 4 H + + 4 e -

Katalysator

Elektrische Last

H +

H +

H +

H +

Wärme

Kathode

4 H + + O 2 + 4 e - � 2 H 2O

Katalysator

H 2O Restgas

O 2/Luft

Polymer-Elektrolyt-

Membran


Brennstoffzellen-Komponenten

1 Bipolare Platte (Kathodenseite)

2 Diffusionsmedium (Kathodenseite)

3 Membran-Elektroden-Einheit

4 Diffusionsmedium (Anodenseite)

5 Bipolare Platte (Anodenseite)

Gaszuführung

Kühlwasserzuführung

1

2

3

4

5


Opel HydroGen4

� Brennstoffzellensystem der

4. Generation mit verbesserter

Alltagstauglichkeit, Dynamik,

Systemhaltbarkeit

� Start und Betrieb bei

Minusgraden


Opel HydroGen4

� Leistung: 73 kW

� Beschleunigung (0-100 km/h): 12 s

� Höchstgeschwindigkeit: 160 km/h

� Kraftstoff: 4,2 kg CGH 2 (700 bar)

� Reichweite: 320 km


Opel HydroGen4 – Crashtests

15 Crashtests durchgeführt

Tests mit Wasserstoff im Tank

und Brennstoffzelle in Betrieb


Kraftstoffverbrauch

Kraftstoffverbrauch (l/100 km)

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Fahrzeuggeschwindigkeit (km/h)

Equinox ICE

Equinox FC/HydroGen4

Kraftstoffverbrauch

(EPA Composite):

Equinox ICE:

9,6 l/100 km (Benzin)

HydroGen4:

4,6 l/100 km (Benzin equiv.)


HydroGen4 als Teil eines globalen Projekts

Detroit

Rochester

Sacramento

New York

Los Angeles Washington DC

Hawaii

Berlin

� Weltgrößter Markttest mit mehr als 100 Fahrzeugen

� Mehr als 3 Millionen km zurückgelegt

Schanghai

Seoul

Tokio


10 HydroGen4 in Berlin

� Führende Unternehmen

aus unterschiedlichen Branchen

� Nutzung im Alltagsbetrieb

� Serviceeinrichtung

bei Opel Händler


HydroGen4 Service-Station bei Opel Händler


Pannenhilfe mit HydroGen4


Kontinuierliche Verbesserungen

Erkenntnisse aus Demonstrationsprojekt

dienen Weiterentwicklung des Antriebssystems

� Kontinuierliche Datenerfassung

an Bord der Fahrzeuge

� Automatischer Datentransfer zum

HydroGen4-Serviceteam via WLAN

in der Nähe von Tankstellen

� Beispiel:

Verbesserte Steuerung/Regelung

zur Reduzierung des Verbrauchs

und Erhöhung von Leistungsfähigkeit,

Zuverlässigkeit, Dauerhaltbarkeit


HydroGen4

Verbesserungen beim Kraftstoffverbrauch

� Verbesserungen

bei Wirkungsgrad bzw.

Reichweite allein durch

Optimierung der

Steuerungssoftware:

1,3 � 1,0 kg/100 km

320 � 420 km

(EPA-Composite-Zyklus)

� Max. Wirkungsgrad des

Brennstoffzellensystems

(FCS) größer als 60%

Effizienz (%)

70

60

50

40

30

20

10

0

60%

55%

Flotte – nur Stack

Upgrade – nur Stack

Flotte – FCS

Upgrade – FCS

0 20

40 60 80 100

Leistung (kW)


Rückmeldungen der Fahrer zum HydroGen4

Sehr positive Rückmeldung: 72% der Fahrer „sehr zufrieden“, 28% „zufrieden“

Positive Kommentare:

� Kraftvolle, gleichmäßige

Beschleunigung

� Niedriges Geräuschniveau

� Keine Emissionen

� Geringer Verbrauch

� Hohe Zuverlässigkeit

� Guter Service

� Sichtbarkeit des Fahrzeugs

� Faszinierende Technologie

Bereiche für Verbesserungen:

� Ansprechverhalten der Bremse

� Fahrzeuginterieur


700-bar-Wasserstoffbetankung

Kundenfreundliche Betankung:

� Nur eine physische Verbindung

� Infrarot-Schnittstelle

(Tankdruck und -temperatur)

� Schnellbefüllung:

3 min. bei -40°C Vorkühlung

Anforderungen an zukünftige Tankstellen:

� Vollintegriert

� 24/7 betriebsbereit und zugänglich

� Ausgelegt nach SAE J2601


CEP Tankstellen-Situation


Wie geht es weiter?


Clean Energy Partnership (CEP)

Das europäische Leuchtturmprojekt für H 2-Fahrzeuge

� Ziel: Alltagstauglichkeit von Wasserstoff

im Verkehr nachweisen

� Projektlaufzeit bis 2016

� Phase II (2008-2010):

� Standorte: Berlin, Hamburg

� 4 Tankstellen

� Über 40 Fahrzeuge

� Phase III (2011-2013):

� Neue Standorte: NRW, B-W, Hessen

� Über 10 Tankstellen

� Über 100 Fahrzeuge

Nordrhein-

Westfalen

Hessen

Hamburg

Baden-

Württemberg

Berlin


Brennstoffzellenfahrzeuge heute:

10 Jahre Fortschritt

� Leistungsfähigkeit

� Wasserstoffspeicherung

� Kaltstartfähigkeit

� Zuverlässigkeit

� Wasserstoff-Infrastruktur

� Haltbarkeit

� Kosten


Brennstoffzellenfahrzeuge heute:

Aktuelle Herausforderungen

� Leistungsfähigkeit

� Wasserstoffspeicherung

� Kaltstartfähigkeit

� Zuverlässigkeit

� Wasserstoff-Infrastruktur

� Haltbarkeit

� Kosten


Weltweit synchronisierte Einführung

von Brennstoffzellen-Fahrzeugen in 2015


Heutige und nächste Generation

Brennstoffzellensystem

HydroGen4 Nächste Generation

1/2 Gewicht

1/2 Volumen


Gesamtkosten (TCO)

unterschiedlicher Antriebstechnologien

€/km

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

Kompakt-/Mittelklasse

FCEV

BEV

PHEV

ICE

0

2010 2015 2020 2025 2030

Studie: „A portfolio of power trains for Europe: A fact-based analysis“,

siehe www.zeroemissionsvehicles.eu (Oktober 2010)


Anwendungsfelder

verschiedener Antriebskonzepte

Stop-and-Go (Stadtverkehr)

Hohe Last

Geringe Last

Lastprofil

Fahrprofil

Konstantfahrt (Autobahn)

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