Batterien und Brennstoffzellen: Schlüsseltechnologien ... · Batterien (Akkumulatoren) speichern elektrischen Strom mit hohem Wirkungsgrad (Laden – Entladen) Li-Ionen-Batterien

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


Batterien

Brennstoffzellen


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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Aber:wie bekommen wir die Erneuerbaren Energien in den Tank?

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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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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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Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien tanken… gibt es genügend?

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1) Quelle: IEA-Statistik 2001-20022) noch ausbeutbar in der EU

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2000

4000

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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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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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Kann das alles so einfach realisiert werden?Schlüsseltechnologien Batterie und Brennstoffzelle

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Was erwartet Sie?

Herausforderungen


Batterien

Brennstoffzellen


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


Batterien

Brennstoffzellen


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


Batterien

Brennstoffzellen


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


Batterien

Brennstoffzellen


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

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