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Ulmer Universitätsgesellschaft
Ulm 10.04.2014
Prof. Dr. Werner Tillmetz
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW)
Baden-Württemberg
„ohne fossil und trotzdem mobil“
Batterien für die E-Mobilität von morgen
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Die Welt im Wandel
Globaler Klimawandel und lokale Luftverschmutzung >>> Emissionsgesetzgebung
Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes Begrenzte fossile Brennstoffe - Peak Oil
Globaler Wettbewerb der Volkswirtschaften >>> geopolitische Abhängigkeiten bei der Energieversorgung Neue Technologien für die Produkte von morgen >>> Beispiele: Toyota Prius, Tablet PC, Digital-Kamera….
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Globaler Energieverbrauch
Heute 80% fossile Brennstoffe und nur 8% Erneuerbare Energien
Energiewende wird eine gigantische Herausforderung
Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report
16,7%
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Globaler Energieverbrauch
Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report
16,7%
Mit derzeitigen technischen Möglichkeiten
könnte das 6-fache des globalen
Energiebedarfs aus Erneuerbaren
Energien gedeckt werden
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Globaler Energieverbrauch
Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report
16,7%
Subventionen E/E 2010:
66 Mrd. USD (IEA – WEO 2011)
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Globaler Energieverbrauch
Source: REN21`s Renewables 2012 Status Report
16,7%
Subventionen Fossil 2010:
409 Mrd. USD (IEA – WEO 2011)
Subventionen E/E 2010:
66 Mrd. USD (IEA – WEO 2011)
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Globaler Energieverbrauch – die großen Unterschiede
147 kWh pro Tag
17 kWh pro Tag
Quelle: BMU
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Herkunft des Öls für Deutschland 2012
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Quelle: BAFA
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Herkunft des Erdgases für Deutschland 2012
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Herkunft der deutschen Primärenergie (2011)
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Weltweiter Ölverbrauch - Peak-Oil
year
Quelle: General Motors
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Mobilität vor dem Öl
year
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year
Der Beginn des Erdöl-Zeitalters
Quelle: General Motors
Beginn einer industriellen
Revolution, die die letzten
100 Jahre geprägt hat
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Was wünscht sich der mobile Bürger heute?
year
Quelle: General Motors
Billigeres Benzin ???
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Beginn des postfossilen Zeitalters
year
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Quelle: General Motors
Beginn einer industriellen
Revolution, die die nächsten
100 Jahre prägen wird
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Der Weg in das postfossile Zeitalter – was tun?
year
Steigender Energiebedarf und begrenzte
Ressourcen – wie können wir das Dilemma lösen?
- Maximale Effizienz
- Maximale Nutzung Erneuerbarer Energien
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Quelle: General Motors
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Treiber: Wirkungsgrade
Typische Fahrzeug-Wirkungsgrade (Tank to Wheel): Verbrennungsmotor: 20 – 25 % Brennstoffzellen-Elektroantrieb: 40 – 50 % Batterie-Elektroantrieb: 70 – 80 %
Elektro-Fahrzeuge werden betrieben
mit Strom oder Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien
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20 m2 PV – Fläche genügen, um den Strombedarf
eines E-Fahrzeuges zu decken (12 000 km pro Jahr, Deutschland)
Elektromobilität und Erneuerbare Energien
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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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Struktur der Strombereitstellung aus Erneuerbaren
Energien in Deutschland 2012
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Energiebedarf für 1 Mio.
Elektrofahrzeuge:
2 Mrd. kWh
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ELEKTROFAHRZEUGE
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Elektromobilität – Vielfältige Lösungen
Schlüsseltechnologien: Batterie & Brennstoffzelle
Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In
Hybrid Batterie-E-
Fahrzeug
Brennstoffzellen-
E-Fahrzeug
Reichweite
(elektrisch)
Start / Stopp ca. 2 km bis 50 km 100 - 200 km ca. 500 km
Einsatz
elektrisch fahren
beliebig Stadtfahrzeug
Nutzung Erneuerbarer Energien
H2 aus EE Strom Strom
H2
Emission +++ +++
beliebig (ideal für Stadt- und Regionalverkehr)
++ ++ +
Infrastruktur Betankung
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Elektromobilität – Vielfältige Lösungen
Schlüsseltechnologien: Batterie & Brennstoffzelle
Mild Hybrid Full Hybrid Plug-In
Hybrid Batterie-E-
Fahrzeug
Brennstoffzellen-
E-Fahrzeug
Reichweite
(elektrisch)
Start / Stopp ca. 2 km bis 50 km 100 - 200 km ca. 500 km
Einsatz
elektrisch fahren
beliebig Stadtfahrzeug
Nutzung Erneuerbarer Energien
H2 aus EE Strom Strom
H2
Emission +++ +++
beliebig (ideal für Stadt- und Regionalverkehr)
++ ++ +
Infrastruktur Betankung
Elektrofahrzeuge
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>>> rund 400 000 Autos auf den Straßen -
sehr hohe Wachstumsraten – USA und Japan sind führend
Accumulated numbers of cars BEV,PHEV,REX; 2013 numbers for CN, UK, NED estimated
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Leitmärkte – heute, weltweit
Wachstumsraten > 100% p.a.
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Leitanbieter – weltweit, heute
Accumulated numbers of cars, by manufacturer, BEV, PHEV, REX
>>> Nissan, GM & Toyota führend – Tesla zieht stark nach
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Quelle: Strukturstudie BWe Mobil 2011, eMobil BW
Elektromobilität:
Änderung Marktvolumen für Baden-Württemberg:
Aktuell - 2020 [in Mio. Euro]
Elektromobilität: Verschiebungen in der Wertschöpfung
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Schlüsselkomponente Li-Ionen Batterie
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• Li-Ionen Batterien für Fahrzeuge (wie Konsumerelektonik) kommen bislang fast
ausschließlich aus Japan und Korea
• Li-Ionen Batterien sind Schlüsseltechnologie für die Antriebe der Zukunft
>>> sie bestimmen u.a.: Kosten, Reichweite, Sicherheit, etc. der Fahrzeuge
>>> haben hohen Anteil an der Wertschöpfung
Quelle: Roland Berger
VDA Fachkongress E-Mobility,
(IAA, 17.09.2013)
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Entwicklung Fahrzeugantriebe
Batterien/Brennstoffzellen sind aus künftigen Fahrzeugen
nicht mehr wegzudenken
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SCHLÜSSELKOMPETENZ
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN
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Batterien = elektrische Energiespeicher
Funktion und
Aufbau einer
Lithium-Ionen-Batterie
• Batterien (Akkumulatoren) speichern elektrischen Strom mit hohem
Wirkungsgrad (Laden - Entladen)
• Li-Ionen-Batterien haben die höchste
Energiedichte heutiger Akkumulatoren
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Li-Ionen-Batterien im Auto:
Große Herausforderungen und neue Chancen
Sicherheit im Betrieb, Crash
Kosten < 250 €/kWh
Energiedichte > 200 Wh/kg
Lebensdauer >15 Jahre
> 3.000 Zyklen
Betriebsbedingungen - 30°C bis +50°C
Leistung Beschleunigung,
Rekuperation, Ladezeit
Energieverbrauch Batterie-Fahrzeug 16 – 20 kWh pro 100 km
>>> Ressourcen, Produktionsanlagen, Qualifiziertes Personal, Qualitätskontrolle
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ZSW-Forschung - Beispiel:
Materialsynthese – Partikelmorphologie - Elektrochemie
• Synthese fortschrittlicher Aktivmaterialien
Kathoden – Anoden - Elektrolyte
• Optimierung, Morphologie und Partikelgröße
• Charakterisierung & elektrochemische Eigenschaften
Elektrolyte
TiO2 Li2MnO3
>>> fortschrittliche Materialien bestimmen den Erfolg
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• Rezepturentwicklung für Elektroden Pasten
• Homogenität, Rheologie und Dispersionsstabiliät
• Beschichten, Trocknen und Kalandrieren mit hoher Qualität
und Geschwindigkeit
• Elektroden Mikrostrukturen, Porosität und Haftung
ZSW-Forschung - Beispiel:
Slurry Präparation – Beschichtungstechnologie
>>> Know How bestimmt die Qualität der Elektrodenfertigung
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• Testzentrum für Zellen, Module und Batteriesysteme
• Lebensdauer- und Performancetests
• Sicherheitstestbunker (zerstörerisch)
• Batterie-Management-System und Batterie-Monitoring
• Mathematische Modellierung und System-Engineering
ZSW-Forschung - Beispiel:
Performance & Sicherheitstests – Batterie-Management
>>> Fortschrittliche Testprotokolle spiegeln die reale Welt
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ZSW-Forschung - Beispiel:
Zellöffnung und Post-Mortem-Analysen
Li-Plating auf
der Anode
• Standardisierte Verfahren zur Zellöffnung und Analyse
• Korrelation Analyseergebnisse mit Ursache
• Datenbanken für Statistik und Bewertung
• Alterungsmechanismen und deren Beschleunigungsfaktoren
Arbeitsplätze für die Zellöffnung Geöffnete Pouch-Zelle
>>> Aus Fehlern lernen führt zu verbesserten Zellen
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0 2000 4000 6000 8000 100000
20
40
60
80
100
Kapazität / %
Zyklenzahl
ZSW-Forschung - Beispiel:
18650 Standard Zellen made by ZSW
Charge/Discharge 2C (CC)
2 – 3,6 V
10.000 cycles >>> capacity retention 89%
LFP/Amorphous carbon
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- 39 -
ZSW-Forschung - Beispiel:
Produktionstechnologie für Lithium-Ionen Zellen
Neue Forschungs-
produktionslinie (FPL):
• große prismatische Zellen
(> 20 Ah)
• Optimierung von Leistung,
Qualität & Kosten
• Demonstration von neuer
Zellchemie in Standardzellen
• 3600 m2 Laborfläche
• gefördert vom BMBF & MFW
• unterstützt von KLiB e.V.
ZSW Labor für Batterietechnologie
(elaB)
• Batterietest- und Sicherheitstestzentrum
• Zell-Pilotfertigungsanlage & Analytik
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- 40 -
ZSW-Forschung - Beispiel:
Produktionstechnologie für Lithium-Ionen Zellen
Neubau eLaB,
Lise-Meitner-Staße 24
(Bild: Januar 2014).
Inbetriebnahme der
Forschungsproduktionslinie
im Sommer 2014.
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Juni Intersolar 2013
Unterzeichnung der
Vereinbarung über die
Nutzung der Anlage während
der Grundsteinlegung für den
vierten Gebäudetrakt des ZSW
Labors für Batterietechnologie
(eLaB).
Unterzeichnung der
Vereinbarung über die
Nutzung der Anlage während
der Grundsteinlegung für den
vierten Gebäudetrakt des ZSW
Labors für Batterietechnologie
(eLaB).
Unterzeichnung der
Vereinbarung über die
Nutzung der Anlage während
der Grundsteinlegung für den
vierten Gebäudetrakt des ZSW
Labors für Batterietechnologie
(eLaB).
Industrie vereinbart mit ZSW die Nutzung der
Forschungsproduktionsanlage (FPL) über 5 Jahre.
ZSW-Forschung – Beispiel:
Nutzung der Forschungsproduktionslinie
• BASF SE
• BMW AG
• Daimler AG
• Elring Klinger AG
ZIEL:
Prismatische Wickelzellen
nach VDA-Kriterien (Dummy)
• Manz AG
• Robert Bosch GmbH
• Rockwood Lithium GmbH
• SGL Carbon GmbH
• Siemens AG
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BRENNSTOFFZELLEN IN DER
ELEKTROMOBILITÄT
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E-Fahrzeuge
mit
500 km Reichweite
&
3 Minuten Betankungszeit
&
für Reiselimousinen und Busse
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E-Fahrzeuge
mit
500 km Reichweite
&
3 Minuten Betankungszeit
&
für Reiselimousinen und Busse
ein Traum?
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E-Fahrzeuge
mit
500 km Reichweite
&
3 Minuten Betankungszeit
&
für Reiselimousinen und Busse
ein Traum?
Nein >>>
seit vielen Jahren im Alltagseinsatz
in der Flottenerprobung
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• Viele hundert Fahrzeuge der 2. und
3. Generation seit Jahren im Alltag unterwegs
• Erfüllen Kundenanforderungen
- Reichweite
- Schnelles Tanken
- Heizung und Klima
• Serienproduktion in Vorbereitung:
- Hyundai produziert aktuell 1000 Fahrzeuge
- Markteinführung 2015 in Japan ist gesetzt:
Toyota Partnerschaft mit BMW, Honda mit GM/Opel
- Daimler/Nissan/Ford: 100 000 Fahrzeuge ab 2017
Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzelle
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Bus mit Brennstoffzelle in Hamburg
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Brennstoffzellen = Energiewandler
Brennstoffzellen wandeln
• Brenngase (Wasserstoff = gut speicherbar)
• und Sauerstoff (aus der Luft)
• hoch effizient und schadstofffrei in
• Strom, Wärme und Wasser um
Brenngas
O2
2e- 2e-
Wasser + Wärme
H+
Luft H2 O2
Katalysator Membran
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Brennstoffzellensystem für Fahrzeugantriebe
Leistungselektronik
Luftversorgung
Wasserstoff-Kreislauf
Brennstoffzelle (80 kW)
3. Generation, Daimler AG 2. Generation, Daimler AG
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Wasserstoff – Treibstoff und Energiespeicher
Quelle: Hydrogenics
• Wasserstofferzeugung aus
Erneuerbarem Strom über Elektrolyse
• Speicherung von Überschussstrom
• Treibstoff für Brennstoffzellen-
Fahrzeuge
• Kritischer Pfad: Aufbau von
Wasserstofftankstellen
(heute ca. 200 weltweit, große
Regierungsprogramme etabliert)
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Fazit
Globaler Klimawandel und lokale Luftverschmutzung >>> E-Fahrzeuge sind emissionsfrei (lokal und global E/E)
Alarmierende Zunahme des Weltenergiebedarfes >>> E-Antriebe reduzieren Energieverbrauch durch hohen Wirkungsgrad Begrenzte fossile Brennstoffe - Peak Oil >>> E-Mobilität basiert auf E/E
Globaler Wettbewerb der Volkswirtschaften >>> lokal erzeugter Strom aus E/E schafft Unabhängigkeit Neue Technologien für die Produkte von morgen >>> deutsche Wertschöpfung und Kompetenz zu Schlüsseltechnologien Batterie und Brennstoffzelle sicher stellen
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Interessante Informationsquellen
www.electrive.net und http://fuelcellsworks.com/
www.e-mobilbw.de und http://www.now-gmbh.de/de/
Öl-Zeitalter: http://www.arte.tv bzw. auf www.youtube.com
Gasland: www.youtube.com
Twilight in the dessert – Matthew Simmons:
http://www.worldenergysource.com/articles/pdf/simmons_WE_v8n2.pdf
bzw. auf Amazon
http://energywatchgroup.org/
http://aspo-deutschland.blogspot.de/
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Mercedes Benz F-Cell World Tour – March 7, 2011
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!