Potenziale der Wind-Wasserstoff-Technologie in der Freien und … · 2016-07-01 · © 2016...

LBST.de © 2016 Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH

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ludwig bölkow

systemtechnik

Wasserstoff und Brennstoffzellenantrieb in der

E-Mobilität – Potenzial und Status

im Rahmen der Energiewende

6. Tag der E-Mobilität in Ingolstadt

29. Juni 2016

Reinhold Wurster

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH

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ludwig bölkow

systemtechnik

Übersicht

Einführung zu LBST

Vorgaben zur Klimagasreduktion und Ansätze zur Umsetzung

Steigende Nullemissionsanforderungen

Brennstoffzelle als wesentlicher Teil der E-Mobilität

Infrastruktur- und Integrations-implikationen der E-Mobilität

Im Aufbau befindliche HRS-Infrastruktur

Wasserstoff als Schlüsselelement der Energiewende

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LBST Profil

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ludwig bölkow

systemtechnik

Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST)

JUN - 2016

Unabhängige Experten für nachhaltige Energie-versorgung und Mobilität seit über 30 Jahren

Brücke zwischen Technologie, Wirtschaft und Politik

Erneuerbare Energien, Kraftstoffe, Infrastruktur

Machbarkeitsstudien, Nachhaltigkeitsanalysen, Strategieberatung, Energiekonzepte

Globale und langfristige Perspektive

Konsequenter Systemansatz – Denken über Bereichsgrenzen hinweg

Internationale Kunden in Industrie, Finanzwirtschaft, Politik, und Verbänden


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systemtechnik

LBST Kunden

Mobilität Energie

Industrie Politik

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(BEWAG, HEW)

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Toyota_Logo_silver.svg&filetimestamp=20071224152719

http://goodlogo.com/vote/vattenfall-logo-2703

http://www.hydrogenics.com/home

http://www.dena.de/

http://www.rehau.com/DE_de/

http://www.reinz.com/DE/HOME.aspx

http://www.fvv-net.de/de/index.html


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Vorgaben zur Klimagasreduktion und Ansätze zur Umsetzung

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Transportsektor im Jahr 2050 auf Null-Emissionen

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Dramatische Konsequenzen: In 2050 darf nur noch die produzierende Industrie Treibhausgase emittieren (Verkehr, Gebäude und Stromerzeugung müssen Nullemissions-anforderungen erfüllen) [Quellen: A. Jung, Vors. des Beirats für Nachhaltige Entwicklung des Deutschen Bundestags, 08.11.2011 Staatssekretär Baake hat diese Forderung auf der Franco-German Business Conference am 14.06.2016 in Berlin bestätigt]

[gilt analog für Transporter und Lkw]


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Toyotas Ansatz zur Einhaltung dieser Vorgaben

JUN - 2016 Quelle: Toyota unter http://www.toyota-global.com/sustainability/features/environment/

Challenge 1: Toyota has, under the "New Vehicle Zero CO2 Challenge," decided to challenge itself to reduce vehicle CO2 emissions by 90 percent in comparison with 2010 levels, by 2050

Challenge 2: Life Cycle Zero CO2 Emissions

Challenge 3: Plant Zero CO2 Emissions


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Steigende Nullemissionsanforderungen

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Nullemissionsanforderungen

Norwegen Ziel ab 2025 (angekündigt: 08.03.2016) [http://www.hybridcars.com/norway-aiming-for-100-percent-zero-emission-vehicle-sales-by-2025/]

Der nationale Transportplan - Strategiepapier der zuständigen Behörden - definiert dieses Ziel unter der Voraussetzung verbesserter technischer (Batteriekapazität) und infrastruktureller Bedingungen (Ladepunkte, HRSs) – soll 2017 verabschiedet und alle 4 Jahr überprüft werden. Evtl. bleibt es bei der bisher gültigen steuerlichen Präferenzierung der E-Mobilität.

Niederlande Ziel ab 2025 (angekündigt: 30.03.2016) Agreement signed in April 2016 between the Dutch government and the 14 public transport authorities (PTOs) in The Netherlands which states that all new buses in 2025 must be zero emission (tank-to-wheel).] [http://www.dutchnews.nl/news/archives/2016/03/only-electric-cars-to-be-sold-in-netherlands-from-2025/] [http://www.eurotransportmagazine.com/19735/news/industry-news/dutch-public-transport-authorities-fuel-cell-electric-buses/]

Indien Ziel ab 2030 (angekündigt: 25.03.2016) [http://economictimes.indiatimes.com/industry/auto/news/industry/india-aims-to-become-100-e-vehicle-nation-by-2030-piyush-goyal/articleshow/51551706.cms]

Österreich: Diskussion für 2020 (kommuniziert: 12.04.2016) [http://derstandard.at/2000034690682/Umweltbundesamt-Ab-2020-sollen-keine-Benziner-mehr-verkauft-werden]

Deutschland: BMU Diskussion für 2030 (kommuniziert: 15.06.2016) [http://www.taz.de/Verbot-von-Emissionen/%215309402/]

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Chinesische Anforderungen Richtung Nullemissionen

New Energy Vehicles (d.h. HEVs, PHEVs, BEVs, FCEVs) sollen bei den jährlichen öffentlichen Beschaffungen künftig 50% ausmachen.

China hat zwischen 2011 und 2015 rund 5,6 Mrd. US$ in NEV investiert und wird bis 2020 nochmals in der Größenordnung von fast 10 Mrd. US$ investieren.

Obwohl die chinesische Regierung für jedes Batteriefahrzeug 50.000 Yuan (ca. 7.000€) an Subventionen bezahlt, hat sie in den zurückliegenden Jahren ihre Ziele regelmäßig verfehlt. 2017/18 sollen diese Subventionen auf 80% von 2016 fallen und 2019/20 auf 60% von 2016. Dennoch ist China der größte E-Auto-Markt.

Es gibt erste Hinweise, dass China die großen Agglomerationsräume noch im Verlauf des kommenden 14. Fünfjahresplans für verbren-nungsmotorische Antriebe sperren will, um die Umweltprobleme besser in den Griff zu bekommen.

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CSR-Beispiel: Coop in der Schweiz

Coop will bis 2023 CO2-neutral sein.

Umstellung der Warenlogistik auf Brennstoffzellen-Lkw (Lastzüge der 18,5m Kategorie) sowie Teile des Fuhrparks auf BZ-Pkws

Kraftstoffversorgung mittels Druckwasserstoffversorgung. Der Wasserstoff wird elektrolytisch mit Wasserkraftstrom erzeugt.

Im Spätherbst 2016 will Coop Mineraloel AG die erste öffentliche Wasserstofftankstelle der Schweiz eröffnen. Mehrere weitere HRSs werden folgen.

Die HRSs werden Lkw mit 35 MPa und Pkw mit 70 MPa Druck betanken.

Bei der Umsetzung dieser Umstellung wird Coop von der H2 Energy AG unterstützt.

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Quellen: Coop plant die erste öffentliche Wasserstoff-Tankstelle der Schweiz, 7.04.2015, http://www.coop.ch/pb/site/medien/node/81935736/Lde/index.html Wie der Wasserstoff in den Tank kommt, .2.04.2016, Nue Züricher Zeitung


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Wasserstoff und Brennstoffzellenantriebe sind für die meisten Premium-OEMs wichtige Element der zur Vervollständi-gung ihrer E-Mobilitäts-Strategie

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Facetten der E-Mobilität

Electricity

Fossil Fuels

FCEV BEV

PHEV

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Brennstoffzellenfahrzeuge – Serienstart bis 2020

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SymbioFCell [1,000 in 2017]

*) z.B. Audi, Ford, Nissan, SAIC, VW

Quelle : SymbioFCell

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Quelle : Honda

BMW 5GT FCEV; Quelle: LBST

FCV Plus Quelle: Toyota

Quelle : http://www2.toyota.co.jp/en

Quelle: Hyundai

2013-15 1,000 Hyundai ix35 FCEV

2015/16 Serienfertigung Toyota – Honda – Hyundai [1-3,000/a]

2018 Start größerer Fertigungslose Daimler [1000/a]

2020+ Beginn Massenfertigung BMW/Toyota GM/Honda … und andere*) [30,000+/a]

Kostenreduktion durch Massenfertigung

AUDI h-tron Quattro Concept Quelle: Audi AG


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Kostenprojektionen der Industrie für FCEVs

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Quelle: CONCAWE/EUCAR/JRC (JEC) - 2011 TTW APPENDIX 1 - Vehicle retail price estimation jec/files/documents/wtw3_ttw_appendix1_eurformat.pdf

Quelle: Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells - Technical Annex https://www.iea.org/media/freepublications/technologyroadmaps/TechnologyRoadmapHydrogen_Annex.pdf, June 2015

80 kW BZ-System – JEC – 2020+ 50,000 units/yr 8,400 € [FCEV: 31,193 € 34,505€]

80 kW BZ-System – IEA – 2030 > 100,000 units/yr 4,300 US$ (3,900 €) [FCEV 2030: 30,409€]

Quelle: 20.03.2014 http://www.emobilitaetonline.de

Autostack Core Projekt - heute: 47€/kW Stack @ 30.000 Stück/yr Systemkosten: ca. 80€/kW

80 kW BZ-System 6,400 €


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Toyota Hybrid- und FCEV-Fahrzeugverkäufe – Ist und Planung

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15 million units in 2020

447

2015 2016 2017 2020

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*) ≥ 12.000/a in Japan

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Hochlauf analog Prius


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Infrastruktur- und Integrations-implikationen der E-Mobilität

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Infrastrukturimplikationen bei Nullemissionsmobilität

Trolleybus, Oberleitungs-Lkw, Straßenbahn, Zug

Batteriefahrzeuge – Pkw, Busse, Lkw

Brennstoffzellenfahrzeuge – Pkw, Busse, Lkw

Wichtige Fragestellungen:

Wirkungsgrade, Übertragungsgeschwindigkeiten, Speicherbedarfe, Integration ins Energiesystem, Kosten, Zuverlässigkeit

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Quelle: Bergk, und Pütz, MKS, 27.10.2015

Beispiel: Vergleich Betriebskosten Stadtbusse - taktabhängig


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Vergleich Kosten HRS und Ultra-fast charger

Großseriengefertigte HRS: 3-5 Minuten für Volltanken 10 Minuten HRS-Aufenthalt 6 FCEVs/Befüllkupplung/h 300 kg/d HRS 75 FCEVs/12h

Ultra-fast charger 20 min 50 % 40 min 80 % 75 min 100 %

In einer heutigen Tankstelle ist es schwierig mehr als 70 kWe zusätzliche Anschluss-leistung bereitgestellt zu bekommen. Je Ladesäule braucht aber 150 kWe (wie ein H2-Kompressor) )oder gar 350 kWe.

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LH2 HRS

Kapazität

Summe

Investitionen

Unterstützte

FCEVs bei 0,96

Kapazitätsfaktor

Kosten pro

FCEV

[kg/d] US$ --- US$

150 559.720 416 1.347

300 698.057 831 840

400 788.381 1.108 711

1000 1.720.641 2.771 621

1500 2.556.038 4.156 615

6 charger unit BEVs/d 10 charger unit BEVs/d Kosten/BEV

Tesla 100.000 US$ 40 170.000 US$ 70 2.400 US$

NREL 240.000 US$ 40 400.000 US$ 70 5.700 US$

LBST 150.000 US$ 40 250.000 US$ 70 3.600 US$

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Integration fluktuierenden Stromangebots

Gegenläufige Optimierung: Effizienz Systemdienlichkeit

Robuste Mitte: Wasserstoff

Einziger Kraftstoff, der lokal emissionsfrei UND Langzeitspeicher ist: Wasserstoff

Effizienz Antrieb + Vorkette

Energiewende als Chance | Effizienz versus EE-Integration

Legende: BEV Batteriefahrzeug PTG Power-to-Gas PTL Power-to-Liquids

Oberleitung

Speicherdichte & Lastflexibilität

Elektroantrieb (lokal) emissionsfrei

Lastflexibel über Stunden

Lastflexibel über Stunden/Tag(e) Energiespeicher für Tage/Wochen/Monate

Lastflexibel zus. Maßnahmen

BEV Schnell-/

Normalladen

PTG Wasserstoff

PTG Methan

PTL Benzin,

Diesel, ...

LBST

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Ressourcenverfügbarkeit

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Ressourcenverfügbarkeit ausgewählte Metalle

Schematic profile of finite resource production [Source: Prior 2010]

Development of Canadian reserves of copper, lead, nickel, silver and zinc [Source: NRCAN (2008)] JUN - 2016

Source: Xstrata Annual Report 2009


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Szenario künftiger Kupferproduktion basierend auf individuellen Produktionsprofilen je Land

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China

GUS

Peru

Chile

Australia

Indonesia Zambia

USA

Canada


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Eine geeignete Wasserstoff-Betankungs-Infrastruktur ist in internationalen Schlüsselmärkten im Aufbau

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H2-Tankstellen (HRS) in Deutschland und Europa - Status

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50 HRSs in Deutschland bis Anfang 2017

2016/17: 50 HRSs 2019 80-100 HRSs 2023 ≤ 400 HRSs 2030 1,000 HRSs

Planung:

Quelle: NOW, April 2016

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Wasserstoffinfrastruktur nimmt Fahrt auf

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Berlin, 13.10.2015: - H2 Mobility Joint Venture gestartet: Hinten – v.l.n.r.: Dr. Peter Blauwhoff, Vorsitzender der Geschäftsführung der Deutschen Shell Holding GmbH / Benoît Potier, CEO Air Liquide / Hans-Christian Gützkow, CEO Total Deutschland / Vorne – v.l.n.r.: Dr. Wolfgang Büchele, CEO Linde Group / Bundes-minister Dobrindt / Prof. Dr. Thomas Weber, Mitglied des Vorstandes der Management of Daimler AG [Quelle: BMVI]


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Voll integrierte Tankstelle seit 2006 [CGH2, CNG, LPG, Biodiesel, Diesel, Benzin]

Wasserstoff-versorgung mit Pipeline unter 90 MPa Druck

Druckwasserstoff mit 35 und 70 MPa

HRS-Beispiel: Frankfurt-Höchst

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HRS-Beispiele in Deutschland und Italien

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HRS in Berlin BER/ Holzmarktstraße/ Sachsendamm

HRS Hafen City Hamburg

HRS MUC Detmoldstrasse


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HRS-Beispiel Bozen, Südtirol, Italien

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Quelle: Institut für Innovative Technologien - IIT, Bozen, Südtirol, Italien


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HRS-Beispiel in Long Beach & Torrance - California

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Long Beach, California Torrance, California


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15 – 185 HRSs in Dänemark (2015-2025)

2015: 15 HRSs 1.800 FCEVs

Kurzfristplanung:

2020: >>15 HRSs Ca. 20.000 FCEVs

Mittelfristplanung:

Quelle: Brint Til Transport I Danmark frem Mod 2050, Dec 2011 and H2 Logic, Jun 2013

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Stand und Entwicklungsplan für HRSs in Norditalien

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FCEV Betankungsinfrastruktur

Viele Länder arbeiten an der Errichtung einer öffentlichen H2-Tankstelleninfrastruktur (HRS)

DE: 400 H2-Tankstellen bis 2023

UK: ~ 65 H2-Tankstellen bis 2020

DK: 100 – 200 H2-Tankstellen bis 2025

FR: 300 H2-Tankstellen bis 2025

NL: 80 H2-Tankstellen bis 2025

Norditalien: bis zu 10 H2-Tankstellen bis 2020

Kalifornien: 100 H2-Tankstellen bis 2023

Süd Korea: 200 H2-Tankstellen bis 2025

JP: 1000 H2-Tankstellen bis 2025

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Wasserstoff ist ein effektives Mittel, erneuerbare Energien in den Verkehrs-sektor zu implementieren

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Wasserstoffversorgung aus erneuerbarem Strom

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H2

G

Wasserstoff aus erneuerbarem Strom zu Energiespeicherung, für Mobilitätsanwendungen, zur Wiederverstromung und als Chemierohstoff

Renewable electricity production from Wind and PV

Electricity transport Electrolysis from renewable electricity

Large scale underground storage

Hydrogen transport via pipeline

Hydrogen transport via CGH2 trailer

Re-electrification e.g. CCP

Electricity transport

H2 refuelling station Hydrogen powered vehicle

Electricity

Hydrogen

H2


On

site

EL

Centr

al EL

Industry


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Gesamtes technisches EE-Stromerzeugungspotenzial versus Aufbauszenarien (Leitstudie 2011)

Quelle: Erneuerbare Energien im Verkehr, DLR, ifeu, LBST, DBFZ, 10. März 2015 [http://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Anlage/UI-MKS/mks-kurzstudie-ee-im-verkehr.pdf?__blob=publicationFile]


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systemtechnik

JUN - 2016

Speichercharakteristika

Quell

e:

KB

B 2

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Wasserstoff

Leistung [log(MW)]

Ener

gie

[lo

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Wh

)]

LBST, 22.12.2011

Bleibatterie Li-Ion

Redox-flow

NaS

SMG

(A)CAES

Pump-speicher

EV

Stunde

Sekunde

Minute

Superkondensator

Schwungrad

Tag

Woche

ZEBRA


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systemtechnik

WtW Energiebedarf für Hybrid-, Batterie- oder BZ-Fahrzeuge

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Renewable

Nuclear

Fossil

Otto engine Diesel engine Fuel cell BEV

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CBG: Compressed bio-methane gas BEV: battery electric vehicle SRF: short rotation forestry

Reference vehicle: VW Golf Hybrid

CNG, Diesel und CGH2 im BZ-Pkw haben vergleichbare WtW-Primärenergie-aufwendungen


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systemtechnik

WtW THG-Emissionen für Hybrid-, Batterie- oder BZ-Fahrzeuge

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Otto engine Diesel engine Fuel cell BEV

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CBG: Compressed bio-methane gas BEV: battery electric vehicle SRF: short rotation forestry

Reference vehicle: VW Golf Hybrid

15% (CNG) bis zu 30% (Diesel) THG-Emissionsminderung durch BZ-Pkw


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ludwig bölkow

systemtechnik

Begründung für Nullemissionsantriebe - weltweit

Klimagasreduktion um 90% bis 2050

Geräuschemissionsreduktion in Städten

Keine lokalen Emissionen (NOx, Partikel, CxHy)

Große Reichweite + schnelle Betankung

Flexible Nullemissionslogistik mit Schwerlast-Lkw

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FCEVs

BEVs + FCEVs


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systemtechnik

Mirai im täglichen Münchner Leben und bei der dreiminütigen „Nahrungsaufnahme“ [23.06.2016]

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systemtechnik

Contact

Reinhold Wurster Senior Consultant Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH Daimlerstr. 15 D-85521 Ottobrunn Germany p: +49 89 608110-33 f: +49 89 6099731 e: [email protected] w: http://www.lbst.de

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mailto:[email protected]

http://www.lbst.de/


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Backup

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Kostenprojektionen der Industrie für FCEVs

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Quelle: CONCAWE/EUCAR/JRC (JEC) - 2011 TTW APPENDIX 1 - Vehicle retail price estimation jec/files/documents/wtw3_ttw_appendix1_eurformat.pdf

Quelle: Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells - Technical Annex https://www.iea.org/media/freepublications/technologyroadmaps/TechnologyRoadmapHydrogen_Annex.pdf, June 2015

IEA Technology Roadmap Assumptions: * future cost increase is due to light-weighting, improved aerodynamics, low resistance tyres and high efficient auxiliary devices. ** future costs are based on learning curves with learning rates of 10% (H2 tank), 15% (electric motor, power control, battery) and 20% (fuel cell system) per doubling of

cumulative deployment.

80 kW FC system – JEC – 2020+ 50,000 units/yr 8,400 € [FCEV: 31,193 € 34,505€]

80 kW FC system – IEA – 2030 > 100,000 units/yr 4,300 US$ (3,900 €) [FCEV 2030: 30,409€]

Quelle: 20.03.2014 http://www.emobilitaetonline.de

Autostack Core Projekt - heute: 47€/kW Stack @ 30.000 Stück/yr Systemkosten: ca. 80€/kW


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systemtechnik

Toyota Hybrid- und FCEV-Fahrzeugverkäufe – Ist und Planung

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15 million units in 2020

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2015 2016 2017 2020

700 2.000

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*) ≥ 12.000/a in Japan

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30.09.2015 Yoshikazu Tanaka, Chefingenieur des Mirai hat angedeutet, dass Toyota den BZ-Antrieb in weitere Fahrzeugplattformen (vermutlich Kombi, Schrägheck-limousine, Van und SUV) verpflanzen würde [Lexus und Crown sind ja bereits angekündigt]. 14.10.2015 Toyota kündigt an, ab 2020 jährlich 30.000 FCEVs zu produzieren und dann in Japan monatlich mindestens 1.000 FCEVs zu verkaufen [Quelle:

http://newsroom.toyota.co.jp/en/detail/m

ail/9889509]

Hochlauf analog Prius


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systemtechnik

Denkbare Konsequenzen …..

Möglicherweise lassen sich in einem voll regenerativen Weltenergieversorgungsszenario die Stromerzeugung sowie die Energieversorgungsinfrastruktur mit den verfügbaren Metallressourcen realisieren, aber evtl. keine E-Antriebe.

Lithium und Platin sind nicht die Restriktionen erster Kategorie. Kupfer ist möglicherweise deutlich kritischer – selbst bei gesteigerter Recyclingrate.

Dann fahren Straßenfahrzeuge evtl. wieder mit Verbrennungsmotoren und mit dann regenerativ erzeugtem H2, um einer Nullemissions-mobilität möglichst nahe zu kommen.

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systemtechnik

… und wir haben noch nicht über Wasser als Ressource gesprochen

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systemtechnik

Beispiel: Vergleich Klimawirkung Stadtbusse

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ludwig bölkow

systemtechnik

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Beispiel: Vergleich Betriebskosten Stadtbusse - taktnormiert


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systemtechnik

Planung Rollout FCEVs und HRSs bis ca. 2030

JUN - 2016

Source: HIT – TEN-T [http://www.hit-tent.eu/2014/10/hit-published-expert-paper-on-fcev-and-hrs-developments-in-view-of-eus-clean-power-for-transport-ambition/]

*) FCEV number projections by CARB, HRS funding allocated until 2024 **) 100 HRSs to be installed by 03/2016 (end of FY2015). Toyota Tsusho/ Air Liquide

build 3 HRSs in 2014. JX Nippon to build 40 HRSs before 03/2016 and 100 HRSs before 03/2019

***) The status of the planning is different for the various mentioned plans.


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ludwig bölkow

systemtechnik

Fossile Wasserstoffversorgung aus Erdgas

Hydrogen from natural gas for mobility and stand alone systems with hydrogen based electricity supply

JUN - 2016

H2CGH2

H2

CGH2

CGH2

Hydrogen transport by trailer


Natural gas production

Natural gas transport

Centralized Steam methane reforming

Decentralized Steam methane

reforming

Stand alone systems with electricity

supply

Local hydrogen storage

Centralized hydrogen storage

H2 refuelling station

Local hydrogen storage

Natural gas transport

Hydrogen transport by trailer

Hydrogen powered vehicle

Electricity

Hydrogen

Natural gas

Synthetic methane


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ludwig bölkow

systemtechnik

Gesamtes technisches EE-Strompotenzial versus Aufbauszenarien für Straßenverkehr (Leitstudie 2011)

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ludwig bölkow

systemtechnik

Gegenüberstellung technisches Potenzial strombasierten Kraftstoffen vs. Bedarfsentwicklung im Verkehr 2030/2050

JUN - 2016

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ludwig bölkow

systemtechnik

Synergien: elektrische Fahrzeuge und erneuerbare Energien

Zusätzlicher Strombedarf für 10 Million E-Fahrzeuge: 5% für Batterie- und 12% für BZ-Fahrzeug des deutschen Strombedarfs

Batteriefahrzeuge können in einem Smart Grid Leistung (Millisekunden bis wenige Stunden), aber nicht signifikante Energiemengen speichern

Wasserstoff ist ein guter Wochen- oder Saisonalspeicher und ein Kraftstoff 1 Mil. vehicles

≤ 10 GW

JUN - 2016

Potenziale der Wind-Wasserstoff-Technologie in der Freien und … · 2016-07-01 · © 2016...

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