VDI-/VDE-Fachausschuss Wasserstoff und …VDI-/VDE-Fachausschuss Wasserstoff und Brennstoffzellen VDI-/VDE-Studie: Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge Bedeutung für die Elektromobilität

VDI-/VDE-Fachausschuss

Wasserstoff und Brennstoffzellen

VDI-/VDE-Studie: Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge

Bedeutung für die Elektromobilität

M. Suermann, B. Bensmann, R. Hanke-Rauschenbach | Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES) | 12.08.2019, Bremen

Michel Suermann, Boris Bensmann,

Richard Hanke-Rauschenbach

Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES)

Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichersysteme

2M. Suermann, B. Bensmann, R. Hanke-Rauschenbach | Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES) | 12.08.2019, Bremen

Link zum Download

https://www.vde.com/resource/blob/1875246/3a4ac5081799af17650c62316c183eb4/studie-brennstoffzelle-data.pdf

3

Ausgangslage

Grundsätzliches Verständnis zur Elektromobilität vorhanden!

Wichtiger Beitrag zum Umweltschutz (lokal emissionsfrei).

Geringere CO2-Emissionen im Verkehrssektor bei Verwendung erneuerbarer

Energien.

ABER

Keine ausgewogene Diskussion in Bezug auf die verschiedenen

Systemeigenschaften.

Favorisierung von Batteriefahrzeugen trotz großer Potenziale von

Brennstoffzellenfahrzeugen zur Reduzierung der Emissionen von

Treibhausgasen.

Schlussfolgerung

Sachgerechte Diskussion mit Berücksichtigung aller Einflussgrößen.

Neben fahrzeugbezogenen Aspekten Beachtung von Nutzerinteressen,

systemtechnischen Aspekten, Infrastruktur, Energiebeschaffung, kritischen

Rohstoffen, Kosten sowie sozioökologischen Konsequenzen.


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Mitwirkende

Frank Belmer, Shell New Energies, Hydrogen Operations Coordinator Europe, Hamburg

Dr.-Ing. Boris Bensmann, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES)

Torsten Brandt, Siemens AG, Process Industries and Drives Division, Erlangen

Dr. Carsten Cremers, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal

Monika Derflinger, Ford Research & Innovation Center Aachen, Aachen

Prof. Richard Hanke-Rauschenbach, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische

Energiesysteme (IfES)

Dr.-Ing. Thomas Grube, Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3), Forschungszentrum Jülich GmbH, Jülich

Prof. Dr. Angelika Heinzel, ZBT GmbH – Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, Duisburg

Dipl.-Ing. Willi Horenkamp, Technische Universität Dortmund, Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und

Energiewirtschaft, Dortmund

Dipl.-Ing (FH) Thomas Jungmann, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Abteilung Brennstoffzellensysteme,

Freiburg

Stefan Kaimer, Ford Research & Innovation Center Aachen, Aachen

Paul Karzel, Shell Hydrogen Operations, Hamburg

Dr. Martin Kleimaier, Essen

Dr. Philipp Lettenmeier, Siemens AG, Hydrogen Solution, Erlangen

Dipl.-Ing. Martin Pokojski, Inecs GmbH, Berlin

Dr. Gerd Sandstede, Frankfurt am Main

Dr. sc. ETH Zürich Michel Suermann, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Elektrische

Energiesysteme (IfES)

Prof. Thomas von Unwerth, Fakultät Maschinenbau Technische Universität Chemnitz, Chemnitz

Erik Wolf, Siemens AG, Hydrogen Solutions, Erlangen


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Gliederung VDI-/VDE-Studie und Vortrag


Kernaussaugen

Handlungsempfehlungen

Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung

3. Bewertungskriterien

4. Elektromobilität – Kernaussagen

4.1 Politische Zielstellungen

4.2 Tanken und Reichweite

4.3 Infrastruktur

4.4 Energiebeschaffung

4.5 Kritische Rohstoffe

4.6 Kosten Pkw (TCO)

5. Forschungsbedarf

aus Kunden-

bzw. Produkt-

sicht

aus Energie-

system- bzw.

Volkswirtschafts-

sicht

6



Kernaussaugen


Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung





4.3 Infrastruktur




5. Forschungsbedarf

1

23

45

6

aus Energie-

system- bzw.

Volkswirtschafts-

sicht

7



Kernaussaugen


Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung





4.3 Infrastruktur




5. Forschungsbedarf

1

23

45

6


Defossilisierung im Mobilitätssektor

Colour coding

Energy carriers

Oil, Natural Gas,

Coal

Electricity

Distric heating

Others

Quelle: B. Bensmann, Energetische Untersuchungen zur Druckwasserelektrolyse im Kontext von Power-to-

Gas-Anwendungen, Dissertationsschrift Universität Magdeburg, 2017. Link zum Download

https://pure.mpg.de/rest/items/item_2506307/component/file_2520739/content


Quelle: B. Bensmann, Energetische Untersuchungen zur Druckwasserelektrolyse im Kontext von Power-to-

Gas-Anwendungen, Dissertationsschrift Universität Magdeburg, 2017.


Colour coding

Energy carriers

Oil, Natural Gas,

Coal

Electricity

Distric heating

Others

Zielkorridor

2050

Link zum Download

https://pure.mpg.de/rest/items/item_2506307/component/file_2520739/content

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Stromnetz

Kraftstoffinfrastruktur

Mobilitätssektor

Otto/

Diesel

Nachwachsende Rohstoffe

jährl. Substitutionspotential/bedarf*:

185 Mio tCO2 (25% d. CO2-Emiss.)

720 TWh (30% d. Endenergiebed.)

Defossilisierungs-Optionen

Substitution fossiler Brennstoffe

durch nachwachsende Rohstoffe

*Bezugsjahr: 2014

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Stromnetz


Mobilitätssektor

Otto/

Diesel








Batterieelektrische Mobilität

(Power-to-Mobility)

*Bezugsjahr: 2014

BEV,

PHEV

12



Stromnetz


Mobilitätssektor

Otto/

Diesel









Wasserstoff-Mobilität

(Power-to-Gas-to-Mobility)

Brennstoff-

zellenantrieb

Wasser-

Elektrolyse

H2

*Bezugsjahr: 2014

BEV,

PHEV

13



Stromnetz


Mobilitätssektor

Otto/

Diesel









Wasserstoff-Mobilität

Synthetische Kraftstoffe

(Power-to-Gas-to-Mobility

bzw. Power-to-Fuels-to-Mobility)

Brennstoff-

zellenantrieb

Wasser-

Elektrolyse

H2

Erdgas-

Motor

Fischer-

Tropsch,

etc.

CO2

*Bezugsjahr: 2014

BEV,

PHEV

Methani-

sierung

CO2

CH4

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Kernaussaugen


Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung





4.3 Infrastruktur




5. Forschungsbedarf

1

23

45

6

15

Tanken und Reichweichte


Berücksichtigt wurden u.a. Antrieb, Speicherung an Bord, Rekuperation,

Alterung, Effizienz, Ladeprozesse, Tanken/Laden, Tank-/Ladeeinrichtungen,

Reichweite/Nutzlast, Einfluss des Fahrzeugtyps

Dispenser Ladestecker DC Schnellladestation

BEV hat Vorteile vor allem bei kurzen Strecken

FCEV hat Vorteile vor allem bei langen Strecken, größerer Nutzlast

und/oder hoher Auslastung

Quelle: VDI-/VDE-Studie, Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge, 2019 Link zum Download


16

u.a. weitere Studien


Quelle: Hydrogen Council, How hydrogen empowers the energy transition, 2017 Link zum Download

http://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2017/06/Hydrogen-Council-Vision-Document.pdf

17

u.a. weitere Studien


Link zum Download

Quelle: A. Sternberg, C. Hank, C. Hebling, Fraunhofer ISE, Treibhausgas-Emissionen für Batterie- und

Brennstoffzellenfahrzeuge mit Reichweiten über 300 km, 2019

https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/news/2019/ISE_Ergebnisse_Studie_Treibhausgasemissionen.pdf

18



Kernaussaugen


Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung





4.3 Infrastruktur




5. Forschungsbedarf

1

23

45

6

19

Infrastruktur BEV vs. FCEV


0%

37% 15% 9% 39%

35% 65%Kosten Infrastruktur

- “Roll-out”: Bis 1 Mio xEV-

Fahrzeuge relative gleich

- Übergangsphase: Bis 10

Mio xEV mit Umstieg

auf grünen H2 FCEV

teurer als BEV,

- Hohe Marktdurchdringung:

20 Mio xEV BEV

Ladeinfrastruktur wächst

nahezu linear mit

Fahrzeuganzahl an

Gesamtkosten Infrastruktur für BEV & FCEV

vergleichsweise ”vertretbar”

Beide Technologien ergänzen sich

Quelle: M. Robinius et al., FZ Jülich, Comparative Analysis of

Infrastructures: Hydrogen Fueling and Electric Charging of

Vehicles, 2018

Kumulative Investition [Milliarden €]

Link zum Download

https://juser.fz-juelich.de/record/842477/files/Energie_Umwelt_408_NEU.pdf

20



Kernaussaugen


Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung





4.3 Infrastruktur




5. Forschungsbedarf

1

23

45

6

21

Kritische Rohstoffe

Jä

hrlic

he

PK

W-

Ve

rka

ufs

za

hle

n in

Mio

.


Berücksichtigt wurde der Rohstoffbedarf

(sowohl FCEV, BEV, ICE als auch alle weiteren

Anwendungen/Technologien) bis 2050

Herausforderung Anstieg der Nachfrage

BEV (Li, Ni, Co), FCEV (Pt), ICE (Pt (!))

Zur Vermeidung von

temporären Rohstoff-

Verknappungen und

Preissteigerungen ist ein

Ausbau der Förderkapazitäten

nötig, bevorzugt durch

Steigerung der Recyclingrate

Berücksichtigt u.a. Daten aus: i) International Energy Agency (IEA), Energy Technology Perspectives, 2016, ii) Öko-Institut,

Strategien für die nachhaltige Rohstoffversorgung der Elektromobilität, 2017, iii) U.S. Geological Survey (USGS), Mineral

Commodity Summaries 2017

Quelle: VDI-/VDE-Studie, Brennstoffzellen- und Batteriefahrzeuge, 2019 Link zum Download


22



Kernaussaugen


Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung





4.3 Infrastruktur




5. Forschungsbedarf

1

23

45

6

23

Energiebeschaffung

Berücksichtigt wurden u.a. Netz-/Systemdienlicher Betrieb,

Energiespeicherung, Zusätzliche Anwendungen, Treibhausgasemissionen


H2-Beschaffung ist in von Markteinführung bis –hochlauf generell als

unkritisch hinsichtlich Verfügbarkeit und Kosten einzuschätzen.

Für grünen H2 muss EE ausgebaut und Reglementierung angepasst werden

H2 entwickelt sich zu globalem Handelsgut (Import H2!)

Längerfristige Speicherung nur über chemischen Speicher (H2) umsetzbar

Netzdienlicher Betrieb sowohl für FCEV und BEV von Vorteil

Sektorkopplung anstreben (Strom, Wärme, Verkehr, Industrie)

24



Kernaussaugen


Zusammenfassung

1. Einführung

2. Marktentwicklung





4.3 Infrastruktur




5. Forschungsbedarf

1

23

45

6

25

VDI/VDE-Studie: Handlungsempfehlungen

Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur für den öffentlichen Personen- und

Güterverkehr und Realisierung der geplanten 400 Tankstellen.

Innerstädtischer Aufbau einer geeigneten Ladeinfrastruktur für BEV.

Unterstützung des Markthochlaufs durch Umstellung von Fahrzeugflotten

auf Elektrofahrzeuge im privaten wie öffentlichen Bereich.

Überprüfung der Regularien zur schnelleren Realisierung von Tankstellen.

Überprüfung der Kosten der Elektromobilität durch EEG-Umlagen,

Netzentgelte sowie Steuern.

Einbeziehung des Energieträgers Wasserstoff in die sektorenübergreifende

Langzeitstrategie für eine sichere Energieversorgung.

Begleitende Forschung zum Markthochlauf (Forschungsbedarf in den

Bereichen Nebensysteme, Lebensdauer bzw. Degradationsverhalten im

Realbetrieb sowie Lebenszyklusanalysen).


26

Wer mehr diskutieren/mitmachen möchte…

OLEC / Arbeitskreis Wasserstoff Niedersachsen

Bereitet mit anderen H2-Akteuren die Gründung einer H2-Allianz vor

Unterzeichnung einer „Absichtserklärung" am 21.08. in Hannover

Energie-Forschungszentrum Niedersachsen (EFZN),

Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK),

Ministerium für Umwelt (MU)

12. Niedersächsischen Energietage

„Wasserstoff – Schwergewicht für die Energiewende!“ 05./06. November 2019 im Alten Rathaus, Hannover.


Link zur Internetseite

Link zur Internetseite

https://www.energiecluster.de/de

https://www.efzn.de/de/veranstaltungen/efzn-veranstaltungsreihen/niedersaechsische-energietage/2019/

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit!


Kontaktdaten

Michel Suermann

[email protected]

Hinweis: Auf den nächsten 4 Folien finden Sie weitere,

allgemeine Informationen zu den Forschungsgebieten

des Fachgebiets für elektrische Energiespeichersysteme

(IfES-EES) sowie die dazugehörigen Ansprechpartner.

28

Forschung am Fachgebiet für elektrischeEnergiespeichersysteme (1/3)


Übergeordnete Zielsetzung: Gestaltung und Betriebsführung von vernetzten

Energie- und Stoffwandlungssystemen und Weiterentwicklung ausgewählter

Komponenten und Prozesse

Gestaltung von Fahrzeug-

energiesystemen zur Nutzung

erneuerbarer Energien in der

Straßenmobilität und Luftfahrt

Technologieauswahl- und

Auslegungsmethodiken für

elektrische Energie-

speichersysteme

29



Übergeordnete Zielsetzung: Gestaltung und Betriebsführung von vernetzten

Energie- und Stoffwandlungssystemen und Weiterentwicklung ausgewählter

Komponenten und Prozesse

Gestaltung und flexibilisierter

Betrieb von stationären Power-

to-Heat/Cold und Power-to-Gas-

Systemen

Energiesystemanalyse

30



Techno-ökonomische Bewertung

von Geschäftsmodellen im Bereich

Flexibilitäten für Stromsysteme und

für die H2-Bereitstellung

Methodisch verbindendes Element: kombinierter Einsatz von

Modellierungs-/ Simulationswerkzeugen und experimenteller

Charakterisierung/Validierung

PEM-Wasserelektrolyse im Kontext

von Power-to-Gas-Anwendungen:

Material- und

Apparateentwicklungen

31

Sprechen Sie uns gern an!


Ihre Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. Richard Hanke-Rauschenbach

Institutsleiter

[email protected]

Dr.-Ing. Astrid Bensmann

Gruppenleiterin Speichersystemtechnik

[email protected]

Dr.-Ing. Boris Bensmann

Gruppenleiter Wasserelektrolyse

[email protected]

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