5
Assessment of Fuel-Cell-Based Passenger Cars T. Grube 1 *, B. Höhlein 1 , and R. Menzer 1 1 Forschungszentrum Jülich GmbH (FZJ), Institute for Materials and Processes in Energy Systems (IWV 3), 52425 Jülich, Germany Received 29.08.03, in revised form 01.03.04, accepted 15.03.04 1 Energy Carriers for Fuel Cell Systems At present, a significantly growing energy demand is assumed, especially in the transport sector, which will con- tinue to be chiefly covered by crude oil originating predomi- nantly from the Middle East. Expanding natural gas markets will in future primarily have to make use of the great reserves in the Middle East (Iran, Qatar, Saudi Arabia) and the Russian Federation, pro- jected to last worldwide for 62 years (reserves divided by cur- rent annual production, early 2001 figure [1]). This future fuel supply situation is likely to produce instabilities from an eco- logical, economic and political point of view [2]. Higher fuel prices and a reduction in greenhouse gas emissions (GHG) as well as local emissions (dictated by environmental policy), intensify the pressure to increase the efficiency of ªcleanº energy conversion systems and to introduce ªcleanº fuels into the market. On the pathways (shown in Figure 1) towards fuel supply for internal combustion engines (ICE), fuel cell systems (FC) and combined heat and power generation (CHP) petroleum and natural gas will be the dominant primary energies for at least the next three decades. In this period, however, fuels other than gasoline and diesel will also be discussed and introduced onto the market: alcohols, hydrogen, natural gas as well as synthetic hydrocarbon fuels (Fischer-Tropsch). With a preferably increasing significance renewable energies will also be incorporated into the fuel supply. Many experts expect hydrogen from non-fossil, renewable energy sources to become technically, economically and eco- logically important within the next 30 years, although at pres- ent hydrogen does not play a major role in the energy supply. Also hydrogen will not be a suitable or economically feasible energy carrier for all markets and countries. Other alternative sources of energy must remain under discussion. This includes, for example, the use of methanol and synthetic liq- uid hydrocarbons in fuel-cell vehicles or natural gas for sta- tionary power generation with fuel cells. A future enhanced incorporation of regeneratively pro- duced fuels requires sufficiently large potentials, adequate ± [ * ] Corresponding author, [email protected] Abstract Highly efficient energy conversion systems with fuel cells for vehicles, as well as for stationary and portable applica- tions, are currently being discussed all over the world. Fuel cell technology is expected to help reduce primary energy demand and emissions of limited and climate-relevant pol- lutants. The high flexibility of fuel cell systems with respect to energy carriers opens up possibilities of modifying the energy sector in the long term. Introducing new fuels based on low-carbon, or in the long term carbon-free, energy car- riers can contribute to reducing greenhouse gas emissions as well as locally and regionally active atmospheric pollutants. The use of hydrogen as feed gas for fuel cells on the basis of it being a non-fossil, renewable energy, leads to special benefits with respect to conserving resources and climate protection, but at present still represents a medium- to long- term prospect. A major milestone on the road to market suc- cess for all energy conversion systems with fuel cells is the reduction of costs. The definition of the ¹appropriateº fuel represents a serious obstacle to the market introduction of fuel-cell-powered vehicles. Presenting data from a well-to-wheel analysis of various vehicle fuel systems at FZJ this article aims to discuss the potential benefits of future vehicle concepts with fuel cells in terms of primary energy use and greenhouse gas emissions. Results from a comparison of international studies on this subject will be used to identify relevant assumptions that lead to different answers in the evaluation process. Keywords: Fuel Cell, Alternative Fuels, Well-to-Wheel Ana- lysis, Greenhouse Gas Emissions FUEL CELLS 2004, 4, No. 3 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 231 ORIGINAL RESEARCH PAPER DOI: 10.1002/fuce.200400017

Assessment of Fuel-Cell-Based Passenger Cars

  • Upload
    t-grube

  • View
    214

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

���������� �� ��� ������������������ ����� ������ �� � ������ ��� �� �������

� ����������������� ������ ���� �!�" #�������� $�� ��������� ��� %�������� �� &����' ('����� #)* +" ,-.-, ������ ������'

�����/�� -0�12�1+ �� ��/���� $��� 1��1+�1. ����3��� �,�1+�1.

� ������ ������� ��� �� ��� ��������� �������� ���� ���� ������ ������ ����� �

������� ���� ��� � ��� �������� �� ���� �� � ��� ������� �� �� ����� ������ �� ���� �� ������� ������������ ���� ��� ����� ����������� ����� �� ������ ��� � ������ ������

��� �� ��� ��� �� ��� ���� �������� � ��� ����� �������� ��� !�� ���" �� ��� #���� $�������� ����%� ��� �� ��� �������� ��� &' ���� ��������� ����� �� ������� ���� ����� ���� ���� '(() ����� *)+"� ,�� ������ ���������� ������ � ����� �� ����� � �������� ���� � � ����� �� � ���� �� ���� � ���� �� ��� *'+� -���� ������ �� �� ���� ��� � ���������� �� ������� �.-." ����� � �� � ������� �� ���� �� ����������� ��� �"�������� ��� �������� �� � ���� ��� ��� �� � �� / ���0������ �������� ������� �� �� ������ � / ���0 �������� ��� ������1� ��� ������ ������ � $���� )" ������ ���� ������

��� ������ �������� ������ ��2�"� ���� ��� ������� �$2"�� ������ ��� �� ����� �������� �2-3" ����������� ����� �� ��� �� ��� ������ ����� ������� ��� �

���� ��� ���� ����� �� ���� �� ��� ������ �������� ���������� ��� ������ �� ����� ��� ��� �� �� ����� �������� �� ���� ��� �����4 � ������ ��������� ����� ��� ���� � ������� ����� ���� ����� �$� ����,���� �"�5�� ��������� � ����� ���� � � �������� ���������� ��� �� � �������� ��� ��� ���� ���������� ������� ���� � �������� ���� ���������� ��������

������ ���� �� �� �� ��� �� �� ���� � ���� ��� �� � ����� ��� ������� ���� ��� ���� 6( ����� ������� � �������� �������� ���� ��� ��� �%�� ���� � ��� ������ ����������� �������� ��� ��� �� ������ �� � ���� ��� ������������ ���� ��� �� ������ �� �������� 1���� ������������ �� �� ������ ���� ���� ����� �� ������ ,��� ������ ��� ������� ��� ��� �� ������� �� ������� �7��� ����� ����� � ����� ��� ��� ��� �� ����� �� ��� �������� ����� �������� ��� ���� ������ ������ ���� �� � �������� �� ������������ ����

�� �� ����� ��7���� ���� ����� ���� ��������� ��7���

�*8+ ����������� �� ���� �������������������

��������-���� ��� ��� ������ �������� ������� ��� ���� ������� ��� ���� � ���� � ��� ������� �� ������� ��� ������ �� �������� ���� �� ����� �� ���� ��� ������ $��� ��� �� ������� � ���� ��� �� ���� ���� � ����� ����������� �� ������� �� ����� �� ������������ ����������� ,�� ��� �������� �� ���� ��� ������� ��� ����� ��� ������ ����� ����� �� ��������� �� ������� ��������� �� ��� � ��� ���� ����� ������� �� ��� ����� ������ ���� ����� �� � ��� ���� ���� ���������� ������ ������ � �������� �� ���� �� ���������� �� ������� ����� � �� ��� �� �������� ��� �������� ����������,�� ��� �� �������� � ���� �� ��� ���� ���� �� ��� ����� � ���� ���������� �������� ������� ���� �� ��� �������� ��� ����� � �� �������� ������ �� �� ��������� ���� ��� � ������� ���� ���������� ������ �� �����

���� ������ �� � �%�� �������� �� ��� ��� �� ����� �� � ��� ��� �� ������ �������� ������� ��� ���� ���� � ������� ��� �� ����� ,�� ������� �� ��� 9��������0 �������������� ������ ���� �� �� ��� ����� ������ ��� ������� ����������� ��� ����3�������� �� ���� ������������� ����� �� �����

��� �� ���� ������� � $:; ��� �� �� �� �� �� ��� ���������� ������� �� ������ ��� �� �� ���� ��� ���� ���� ������ �� ����� ������ ��� �� ���������� �� ��������#������ ���� ������� �� ��������� ������ �� ������%� � ��� �� ���� �� ������ ������� ��������� ������ �� �������� ������ � ��� ������� ��� ����

�������� $��� 2���� ��������� $����� 5�������5���� �������� .��������� .� �������

�4&5 6&55( -11. . 7�� + 8 -11. )#5&9:*6� *����� ���� ; 6�� <��= )������� ���

����

����������

�����

>?#@ �1��11-A$����-11.111�B

����� � ����� ������@ =��������� �$ ����:6���:����� %�������� 6���

������ ���� ��� �������� ��������� �� ��� ����� �� ��� �������� ������ �� � ��� ����� ��4� -������� ����� ��� �� ��� �������

��� ������������������ ��� �� ���� -������� ��<�� �7�� �����

����� ��� ���� ������� 2���� ����� ��� �� ����� ��

������� ���� ���� ����� ����������������� �� ���������,������� ��� ��������� ��� ��

��������� ������� �� �������� ���� �� ���� �������� ����� �� ����� ���� ����� �� ��� �� �� ���� ��������� ��� �� ��� �������� �� ����� ������� ����� ��� �� ���� ������� � ����� �� ����� �� �������� ����������� ������ 21' ������ �� ������ �� ���� ��� ����� ������ � ������� � �� ���� ���� �� ��� ���� � ��� ������ ����� ������������" �� ������ ����� ��� ��� �� ����� ��������������"�$���� ' �����=�� ������� ����

����������� ����� ���� ��� �$:; *6+� � � ���� ������ �� � ������ ���� ������� ������� �� � ����� �� ���� �������� ������ �� ������" �� ��� �� ��� ����������� ����� �� �� ������ �������� �� �������� � � �� ���� ���� $���� ' ������ ������ ����� ������ ����� ������ ������ �� ������� ����� �� ���������� ����� �� � �������� �� ���������� �� ��������� �������� ������ �� ���� ����� �� � ���� ������� ���������� � ������� ������ ���� ��������� �� >6( �� � ��� ����� ������ �2�-' ������"� ,�� ��7���� (�>? �;�� ����� ������ ���� ��� �; �� 2�-'�>6( ��" � ���� ����� ����� ��� ������ ����� �������� ������ �� ���������� �� $� ����,���� � ������$,@"� ,�� ������ ����� ������ ����� ������� � ��� ������ �� �7�� ��������� �A�-'" ���� ������ ����� ����� � ����� ����� � $���� 6 ��� ���

�������� � ��� ��� ��� �� ���� ����������� ��� ��� � ������� �� ��������� �� ���� �� ��� ����� ��� ���A�-'� ,�� ����� ���� � ��� ��� ��� ��� �� ����� ��� �������� �7��� ��������� ����������� ��� �� �� ��������� �������� �� ����� �������� �� ����� ���

21' ��� ��� �������� � ���� �� ���

�� ������ ���� ������� � �� ��� ����� � �� � ������ �����

������� ��� ����� �� ����� ���� ��� ����� ������� �� ����������� �� ���� ���� �� ������ ��� ���� � ����

���� � ������� � �� ���� ��� ������ ��������� ����� ��� �� ����� ������ ���������� ������ ��� ��� ���� �� � ������� !�� ��� ��" �������� �� ����� !�������� ����#�

���� $ ���� ��� �� �� ����� ��� ������ ���!"���� ����$� ������� !������ ��%&�������� ������ ���� �'(� ����!�'����! ����� )��� ������� ��� ��� ����#� *��$���+���� !�����#�

���� , �-$ �������� ��� ��� ������ ���!"��� �� ���� ������� �# ����$� ������� !������� ��%&� ������� ������ ���� �'(� ����!�'����! ����� )��� ������� ��� �������#� *��$� ��+���� !�����#�

����

����������

�����

��� 8 -11. )#5&9:*6� *����� ���� ; 6�� <��= )������� �4&5 6&55( -11. . 7�� +

����� � ����� ������@ =��������� �$ ����:6���:����� %�������� 6���

� ��� ������ ��� � � ��� �� � ����� ��� ��� � �������� ��������� � ������

� ���������� ��������� �� �� �������� ������� ������� �� ������ �������� ������ ��2��"� ��� ����

��� � ������ ��������� ������ ��� ��� �� ���� ��������� ��� ��� �� � ������� �� ���� ���� ��� ������������ �21� B1C� ����� ���� ������� �� �� ��� ���"�,�� ��� �� ���� ���� ������ ������ ����� ��� ��������������� ��� �� ��� ������ �� ��� ��������� ��� ������ ��������� �� ������ �������2�� ����� ��� ��� ��� ���� ���� ����� ��������

����� ��� ��� ����������� �� ���� ��� ��� ���� ���������� ���� ������ �� �� ���������� ��� ���� A@D�" ����������� � ��� ���� A@D� ���� ���� �� ����� �� ��������� ����� ���� ����������� ��������" �� �� � � �������� �� ����������� ������ �����"� A@D� ��� ���� ������� ��� �������� ������� �@�$2" ��� ��� ���� ������������ ����

2���� �� �� ��� �� ��� �� �� � �������� �� ����� �� �������� �� ���� ���� �� ���� ��� ���� ��� ���� ������������ ���� ������� �� ������������������ � ���� � ��������� �������� �������� ������� ��������A��� ��������� ����� :�D ����� �

2�����" ��� ��7��� ��� ������� ��=���� �� �����=���������� ��� ������� ������� �������� ��� �� ��� �������� ��� ��� ��� ���� ���� ��� �������"��� ��� �� ������ ��� ��� �� ���� ��� ���� �2� �� ����� ��������� �������� ��� � �������� �2� �� ��� �� ���� ���������E ��� ����� ����� ������������� �� �����

�� ������ �� ������� �� ��� ��������� ������$���� > ����� ����� ����� �� ��� ������� ���� � ������� �� A@D ��� �������� ���� ��� ����������� ����������� �� ����� ���� *6+ �� � �� ����� ����� ���� �������� ��� ��������� �� ������� ����� ���� �� ��� '()(�� ����� �%�� �������� � �� ��� �� �� ����� �� ������� ��� B���� ���� � ������ ������ ������ ���� ���������� ��� ������ A@D ���� � ������ �� ������ ������� 6(? �; ��� )(( �� ���� *F+ � ��� �������

� !��� ���� ����������$�� ������� ������� ��� �������� $���� G �����

�� ��� ������ ��� �� ���� ������� �� ��� ��� �� �������� $:; *6+� ,�� ������� � ����� � �� � ��� B�� �������@���� 2� �� �B�@2" ��7���� ��� ��� ��� ��� � �������,�� ��� �� � ���� ��� ������ ��7�������� �� ��� 21'������� �� ��� ������� ���� � ��� ������������" �� ����� ��� ��� �������������"� D�� �� ���� ���� � ��� ����� ��� ���� ��� ���� ��� ������������� ������� ���� *6+ � $���� G� ��� ���

���������������� $2D ��� ������� ������ �� �2��A@D � ��������������������� ������ ���������� �� ������� ���� $���� &"�,�� ������� � A@D ������� G ����� ����������� )(( �������� � ��4B�@2"�,�� ������� �� ������ ��� ��������������� $2D� �3�$2��@�$2"� ��� ������� ���� ��� �� ���� ���� �������������� ������ � ��� 2������:��� ������ D�� �� �������� �:�D"�,�� ��� �� �������� ����� �� 2�-' ������� �� ��� ������ �7������ �� �����2�-> �� B'1 �������" 21' ������� ������ �� ��� ����� ��� �� ���� �������������� ,��������� ������ ����� �3�$2 �� @�$2 ��� ��� ����� ���������� 21' ������� ������� �� �������� ��� ������� ����� �� 2�B.�

����. ��� ������ �� !����� � �� ���� ��� / ������ 0����� ��������� �������������� 1,2 �1,3��2#�

���� 4 5������� 6������"!� ����� ��� �� �� ���� !��� ��� ������ ��������� !��������������� ���� 1,� �$2#7 &��� �������� ��0 �� ������ ��� ����� ���������8��+���������7 ���$� ������� !������ ���� ������ ���������� ����� ��%&� ������� ������ �����'(� ����!�'����! ����� (9��� ���� ��!���� ��� ���� ���� ����� ������� ��� ����

����

����������

�����

�4&5 6&55( -11. . 7�� + 8 -11. )#5&9:*6� *����� ���� ; 6�� <��= )������� ���

����� � ����� ������@ =��������� �$ ����:6���:����� %�������� 6���

" ��������� �� ������,�� ������� �� ������ �� ����� ������������� ��

����� ������� �������� ������ � ����� �� ���������� ��������� �� ��� ��� �������� ����� � ����� �������� ���� ������ ������� ��������� �� ������"�� �������� ������� � ��� ��� ��2�"�� �������� ��� ���=����� �������� ����������� ����� ��� $2D����� ��� ����� ����� �� ��� ��� ������ ������ ��

���� �� ���� ��� ������� ������ ��� ����� � �� ����������� �� ������� ������ �������� ��� ������� ��������� ,�� ������� �� ��������� � $���� H� �� ������� � � �� �� ���4� ,���� � ��� 21' ���� ��� ������� ��� ���������

������� ����� ��� ��� ��� � ������� �� ��������������� ������ �2� ����������� ����� ����� �� ���"�

� ,�� 21' ���� ��� ������� ����������������� ���� ��� ��� ���� ����� ����� �� ������� ���������� ���� ������ �� ����������� �2� ��� �� *6� )(+� ������������� �� ����� ������ ������� ������ �� ������ �2� ��� ����������� �� ����� ����� �� ���"�

� �%�� ������� �� ������� ��� ������������ ���� ��� �������� ������������ ��� ������� � ��� �� ������������ �2�" ��� I G ������� ���)(( �� ���� *6+ ��� ���� ��� ���'()(E I )( ������� ��� )(( �� ���� *F+�

� ,�� ������������ ���� �� ��� ������ ��� ��� �������� � ��� ������������� ������ � �������� ����������� ��� ���� ��������

# $����%� ���� �� ���� �� �� ��� ������ ��� �� ����� ����

������� ��� ��� � ��� � ��� �� ����� 7������ �� ���/��������0 ����� ,�� ��� � ��� �� �������� � ����� ������� �� ��������� ������ ��� ��� �� ��� ��� ������ �������� �������� ������ ������� � ������� �� �� ���� �� ���� � �� �������� ������� ����� �� ��� ��� �������� �� �������� �� ��������� ��� ��� ��� �� � ���� �������� ���� ��� ���� �� ���� � �������� ������� ������ � ��� ����� ���� ���� �� �������� �� ����� ������������ ���� ��� ����� �7����� ��� ���� �� �������������� ��� ��� ������� ����� ��� �� ���������

���� : 5������� 6������"!� ��!��� ��� �������� �� ���� !��� ��� ������ ��������� !��� ������������ ���� 1,� �$2#7 &��� �������� ��0 �� ������ ��� ����� ���������8��+��������7 ���$� ������� !������ ���� ������ ���������� ����� ��%&� ������������� ���7 �'(� ����!�'����! ����� (9��� ���� ��!���� ��� ���� ���� ����� ���������� ����

���� ; ��������� �� ������� <���� �!��� �� "������"!� ����� ��� � �# �� ��� ��!��� ��� �&�&# �������� ������ �� � ���������� !��� ��������� ����� :�4 �������� � �==>� ��� ����������� ������ �� ������� �?��������@ �������#�

����

����������

�����

��" 8 -11. )#5&9:*6� *����� ���� ; 6�� <��= )������� �4&5 6&55( -11. . 7�� +

����� � ����� ������@ =��������� �$ ����:6���:����� %�������� 6���

&���������*)+ ! ���=� .�� !���� ��� "� G&�*'+ ��������� .�� #� ����� ��� $������� ����������

��5���� '(()� ������ ����*6+ ������� �� ����� ��� �%���� � %���������� ��� ��� ����

����� ����� ��� ��� �������� $��� �����=������ ;J�� � .��-� ;J� �� �� �

*>+ &������ ��� '������� � �� '���������( )��� ����� ���)��� ���� *������� ������ @� A���� �� �� 2������� 2��6G6>(�((� ���

*G+ ������ 3�� K�������� L�� +���� ��+���� !������� ����� ���� %� ����� ���� �� ���� �� �� ������� !����� B����� #�� ����������� ,-� ����

*&+ -M����� K�� B�� �� ;�� 5����� N�� $����� ���������� ����&����� ���� .�� ���� �������� ��� !���������������� $����� ���������� $��� �������������� D������������������ ���� ��D�� $������� � ��� �����

*H+ &#�+���� ��+���� /������ �� !���� 0�� ��� &���������&�� !������ �� /�%����� )��� *����� .�� ��� 1 / !�������� . ���� A�K�!������� ���� 1��������� ���

*?+ .������ $�� .���� ��� +���� ��+���� /������ �� !����0�� ��� &��������� &�� !������ �� /�%����� )��� *������ .�� ���� ?� � ����� O����7��� $��=���� ��� ���������� ���� � ��� �����

*F+ '�� &��������� &����� 2���� �� !������ ��� !���� 0��� '������� � ��� 3&2!!'4 #����� �����������������������<���� <������

*)(+ 5� �� 2��� � 6767 1 / ��� ����� /������ �� 8�� /� ������� '���������� ��� ������� �������� �� ,� ��������� 2������ �N!�"� ������� ��<�����

*))+ 3����� ��� &����� ���� $�������� %�� $����� ���������� ��� !����� ��� *��9���� ����9� 3�@ ������ N�������� �� !��������

*)'+ -M����� K�� .����� ,��� #���=� 3�� #M���� ��� !�������@�� 5����� ��� !�������� ��� :�� ����&���� #� ��2�������� � �� )�������� :���� '����� $��� �������3�$2 $����� A� ����� ����

*)6+ /� ��� %� )���� ��� �� )� ���� ����$�!� 1�2@<���3��� �!KB4 F'�&>�)&F&(�)�

����������������������

����

����������

�����

�4&5 6&55( -11. . 7�� + 8 -11. )#5&9:*6� *����� ���� ; 6�� <��= )������� ��#