Brennstoffzelle – Option zur Elektrifizierung der Langstreckenmobilität Dr.-Ing. Christian Martin Zillich (Volkswagen AG)

Antriebsforschung

Agenda

• Motivation für die automobile Elektrifizierung • Brennstoffzellensystem • Brennstoffzellenfahrzeug • Herausforderungen • Zukunftsperspektiven

Antriebsforschung

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Treiber für die Elektrifizierung Gesellschaft: - steigendes Umwelt- und Kostenbewusstsein - Klimaveränderungen - Lobbyisten

Gesetzgebung:

alternative Antriebe / Elektrifizierung

- Emissionen / Verbrauch - Incentives / Steuervorteile - Fahrverbote / City-Maut - ZEV-Gesetz

Energiewirtschaft: - Kraftstoffverfügbarkeit u. lokale Abhängigkeiten - Ressourcenverknappung - Rückgang Ölfördermenge

Wettbewerb: - verstärkte Aktivitäten - zunehmend Einführung von Serienfahrzeugen - Positionierung 3

Antriebsforschung .

Antriebs- und Kraftstoffstrategie

CO2-neutrale Elektrizität

Brennstoffzelle

Batteriefahrzeuge konventionelle Elektrizität

Plug-In-Hybride

konventionelle Kraftstoffe

CO2-neutrale und nachhaltige Mobilität

Hybridantriebe

CO2-neutrale Kraftstoffe (flüssig, gasförmig)

Antriebsforschung

Verbrennungsmotor

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Elektrifizierung des Antriebs im Volkswagen Konzern Elektrofahrzeug

+ + Micro-Hybrid/ Start-Stopp

Mild-Hybrid

+ Full-Hybrid (HEV)

Plug-In Hybrid (PHEV)

+ Range Extender (RE BEV)

+ Batteriefahrzeug (BEV)

Brennstoffzelle (FCEV) 1) 400 – 600 km

80 – 200 km 50 – 120 km 2 km

20 – 80 km

Elektrische Reichweite Elektromotor

Boost Verbrennungsmotor

Antriebsforschung

+ Stromerzeuger

1)

> 2020

5

Energiedichten im Vergleich Benzin/Diesel 10.000

Wh/l

H2 (700bar) 1.000

Li/O2 Li-Ionen Pb

100

10

Erdgas (200bar)

H2 (350bar)

Li/S8

Ni-MH

100

1.000

10.000

100.000

Wh/kg Antriebsforschung

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Elektrofahrzeuge - Herausforderung Betankungsdauer Strom

Wasserstoff

Benzin

Drehstromsteckdose 10 kW

Tankstelle 2.000 kW (ca. 1 kg/min)

Zapfsäule 27.000 kW (ca. 50 dm³/min)

→ 1 min „Tanken“ = 1 km fahren

→ 1 min Tanken = 100 km fahren

→ 1 min Tanken = 1.000 km fahren

Antriebsforschung

7

Fahrzeugherstellkosten Fahrzeugklasse Golf

Fahrzeugherstellkosten

Brennstoffzellenfahrzeug Batterie-Elektrofahrzeug Fahrzeug mit Verbrennungsmotor

Jahr

2010

2015

2020

betrachtete Stückzahlen

3.000

30.000

100.000

Antriebsforschung

8

Derzeitige Wasserstoffquellen Deutschland in %

Weltweit in %

Σ = 20 Mrd. Nm³/a

Σ = 540 Mrd. Nm³/a (*)

16

24

13

18

19 38

32

5

7

11

10

5

2 1

Dampfreformierung von Erdgas und Naphta

Chlor-Alkali-Elektrolyse

Partielle Oxidation von Schweröl Petrochemie: Benzinreformierung Petrochemie: Ethylenproduktion

Kohlevergasung Sonstige chemische Industrie

(*) entspricht 140 Mio. t, zum Vergleich: EU 27–Kraftstoffverbrauch 2007: 295 Mio. t Antriebsforschung

Quelle: DWV 9

Angebot erneuerbarer Energien gegenüber Weltenergiebedarf

Weltenergiebedarf 2009: 469 EJ → 130.246 Mrd. kWh Energiebedarf Deutschland 2009: 14 EJ → 3900 Mrd. kWh Quelle: Forschungsverbund Sonnenenergie, www.fv-sonnenenergie.de Antriebsforschung

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NT-PEM-Brennstoffzelle - Funktionsprinzip elektrische Last -

+

UZelle ≈ 0,6-0,8 V

Elektrochemische Umsetzung von Wasserstoff mittels Luftsauerstoff: H2 + ½ O2 → H2O

NT-PEM

H+ e+ H H+e H+

O

H2O

O H2O

H2O H2O

Luft-Kanal

Wasserstoff-Kanal Kanal

70 - 80 °C

Transportmechanismus durch temporäre Bindung an Wassermoleküle Befeuchtung notwendig Flüssiges Wasser in der Membran

H2O H2O

H2

Anode

Elektrolyt

Antriebsforschung

Kathode

O2 11

Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle

Quelle: Heinzel, Uni Duisburg-Essen, 2011 Antriebsforschung

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Wirkungsgradbetrachtung

η Aggregat =

Antriebsforschung

Pel , Aggregat m& H 2 ⋅ H u

13

Brennstoffzellenfahrzeuge VW Tiguan HyMotion3 - Topologie Antrieb, Bordnetz H2-Tank-System

BZ-System

E-Motor

_

M

3~ Getriebe

~ Umrichter*

Batteriesystem* Batterie*

-

DC/DC

12 V Batterie DC/DC*

* Komponenten mit möglicher Synergie zum Verbrennungsmotor-Hybriden Antriebsforschung

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Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3

■ 80 kW BZ-System ■ 6,4 kg H2 @ 700 bar ■ 70 kW (peak 90 kW) Elektromotor ■ 1,1 kWh Batterie Kapazität Antriebsforschung

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Brennstoffzellenfahrzeuge VW Caddy Maxi HyMotion3 vordere H2-Tanks

hintere H2-Tanks

BrennstoffzellenAggregat

Hybridbatterie

Antriebsforschung

■ 80 kW BZ-System ■ 6,4 kg H2 @ 700 bar ■ 70 kW (peak 90 kW) Elektromotor ■ 1,1 kWh Batterie Kapazität 16

Zukunftsperspektiven Brennstoffzellentechnologie Herausforderungen Brennstoffzelle
Kostenreduzierung
Lebensdauer
Volumen- und Gewichtsreduzierung
Frosttauglichkeit

Herausforderungen H2-Wirtschaft
H2-Bereitstellung aus regenerativen Quellen
Aufbau des Tankstellennetzes

Antriebsforschung

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Zusammenfassung Brennstoffzellen betrieben mit Wasserstoff könnten langfristig die Elektrifizierung der Langstreckenmobilität ermöglichen.

Volkswagen arbeitet seit Jahren an dieser Technologie und konzentriert sich für die nächste Fahrzeuggeneration auf die Niedertemperaturtechnologie und die Systemintegration.

Die wesentlichen Herausforderungen sind die Reduzierung der Systemkosten, die Schaffung einer flächendeckenden Tankstellen-Infrastruktur sowie die nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff. Antriebsforschung

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Antriebsforschung

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