Wir schaffen Wissen – heute für morgen - AGVS | UPSA · 11/23/2012 · LkW Stadtverkehr Range...
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Wir schaffen Wissen – heute für morgen
November 23, 2012 PSI, November 23, 2012 PSI,
Paul Scherrer Institut
Wasserstoffmobilität – Brückenfunktion zwischen Elektrizitätsnetz und lokal emissionslosem Verkehr Mittwoch, den 21. November 2012, 3. Novatlantis Mobilitätsforum, Basel
Philipp Dietrich
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Leistungsbedarf für Beschleunigung und Konstantfahrt
!
2000 1500 1000 500 0
160
120
80
40
0
Fahrzeuggewicht / kg
Leis
tung
/ kW
10 s
15 s
20 s
160 km/h 140 km/h 120 km/h
Beschleunigung Von 0-100 km/h
Maximal- geschwindigkeit
Leichtbau kann helfen den dynamischen Leistungsbedarf < 2 x Dauerleistung zu halten
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CO2-Emissionslimiten für neue Personenwagen
Von 161 g/km (2010) zu 130 g/km (2015) zu 95 g/km (2020)
Hybridfahrzeuge
Rekuperation kann die Massenabhängigkeit reduzieren
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Grössere Fahrzeuge fahren weiter
Quelle: EFC-Hydrogen JU, NOW 2010 Auto Schweiz 2010
05000
1000015000200002500030000350004000045000
bis999
1000-1099
1100-1199
1200-1299
1300-1399
1400-1499
1500-1599
1600-1699
1700-1799
über1800
Gewichtsklassen
Fz-
Ver
käu
fe 2
010
• Autos mit kleinen Laufleistungen (33%) emittieren nur 15% CO2
• Mittlere und grössere Autos (53%) emittieren 70% des CO2
Fokus auf diese zwei Klassen
Europäische Flotte EU27 Schweizer Neuwagen 2010
34% 48% 18%
14. Mai 2012 PSI,
Seite 6 November 23, 2012 PSI,
Sekundäre Vorteile der Elektrotraktion
November 23, 2012 PSI, Seite 6
Quelle: Heck, PSI, 2011, im Rahmen von THELMA
Reduktionspotential durch elektrisches Bremsen (Rekuperation)
Partikelemission durch Personenwagen
Emission durch Motorenbetrieb nimmt ab.
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Funktion der Polymerelektrolyt Brennstoffzelle
Anode: H2 2 H+ + 2 e-
1/2 O2 + 2 e-
Kathode: O2-
O2- + 2 H+ H2O
H2 Wasserstoff O2 Sauerstoff H2O Wasser H+ Wasserstoff-Ion e- Elektron
Energiewandler H2 in Elektrizität
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Brennstoffzellenstapel
(1) Bipolarplatten (2) Elektroden (3) Membran-Elektrolyt (4) Dichtung
Einzelzelle (Wiederholeinheit)
Modulare Leistungsanpassung möglich durch Zellanzahl Variation
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Brennstoffzellen Wirkungsgradpotenzial
Wirkungsgrad eines BZ-Systems mit H2 und reinem O2 Zusammenarbeit: PSI-Michelin und PSI-Belenos
Leistung [W]
Wirk
ungs
grad
(stro
mba
siert
auf H
u [-])
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Fahrzeugantriebskonzepte
EM Getrie- be
Verbrennungsmotor Hybrid
Tank VM Gen
Batterie EM Getrie- be
Verbrennungsmotor Plug-in Hybrid
Tank VM Gen
Batterie
H2 Luft oder O2
Brenn- stoff- zelle
Getrie- be
Brennstoffzellen Hybrid
EM
Batterie
Getrie- be
Batterie-elektrisch
EM Batterie
14. Mai 2012 PSI,
H2
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Brennstoffzellen-Hybrid emissionsfrei auf Langstrecke
Elektromotor wie ein batterieelektrisches Fahrzeug Brennstoffzelle für Dauerleistung (30 – 60 kW) Batterie mit 5 – 8 kWh für Spitzenleistung (50 kW) Heizung durch Abwärme möglich Laden in 5 Min möglich Reichweite 400 – 500 km Bremsenergienutzung in Batterie
H2 O2
Brenn- stoff- zelle
Getrie- be
Brennstoffzellen Hybrid
EM
Batterie
14. Mai 2012 PSI,
Quelle: Belenos, PSI
Eigenheiten EM - Keine Kupplung - Einfaches Getriebe - Ist leise - Überlastbar - Kleineres Volumen - Reagiert schneller - Kann bremsen
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Brennstoffzellen-Fahrzeuge mit PSI-Technologien
2.1 l Benzin equ./100 km @ gemittelt 70 km/h
2004
2002
HyPower, H2/Luft BZ-Supercapantrieb
2011
Belenos Clean Power
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Anschaffungskosten in Abhängigkeit der Reichweite
BEV Fcair FC O2 Plugin FCPeakpower kW 80 80 80 80power Batt kW 80 40 40 80Energy Batt kWh 24 6.7 6.7 13.3/8.9Power FC kW - 50 40 30batt mass kg 160 44 44 89
89 88.8888889 83.3333333Verbrauch kWh/100km 16 1 0.7 0.66666667 StromanteilReichweite 150 km
Batt LiCo2 150 Wh/kg 52.5 $/kg 350 $/kWh900 W/kg
LiFePO 100 Wh/kg 30 $/kg 300 $/kWh900 W/kg
FC air 2 kg/kw 150 $/kW cost 9600 $ 6000
O2 1.3 kg/kw 110 $/kW6700 5300
storage H2/air 520 $/100 km 700 bar 600 initialkosten
H2/O2 370 $/100 km 350/300 bar 1100 InitialkostenDCDC 30 $/kW
100 200 300 400 500
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0 100 200 300 400 500
Reichweite [km]
Rel
ativ
e K
oste
n [-
]
BEV(LiCo2)BEV(LiFePO)FC airFC OxyPlugin air
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Antriebskonzepte für verschiedene Kundenbedürfnisse
Reichweite
Leis
tung
sbed
arf
Batterie- EV
Brennstoffzelle
Kastenwagen VM
LkW
Stadtverkehr
Langstreckenverkehr Range Extender
Flüssige Kohlenwasserstoffe
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Vom Chemiegrundstoff zum Treibstoff in der CH
Vorschlag für ein Initialnetzwerk von H2-Tankstellen
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Belenos-Konzept mit dezentraler Speicherung
! PV-Zellen auf dem Dach ! PV Direktverbrauch im Haus ! Transfer zu H2/O2 (Elektrolyse) ! Speicherung dezentral ! H2/O2 BZ für effizientes Fahren
~30% Direktverbrauch
Netz H2 O2
H2 O2
Brennstoffzelle
Elektrolyse
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Energiebedarf für 10 % der Fahrzeugflotte (tank to wheel)
Heutige Flotte 4.2 Mio Personenwagen 10% entspricht 420‘000 Fahrzeugen (Neufahrzeuge 2011 ca. 320‘000 Fahrzeuge) Energiebedarf im Tank Total 10% Elektrofahrzeuge ca. 1.0 TWh Elektrizität 10% 3L Fahrzeuge ca. 1.7 TWh Diesel 10% BZ-Fahrzeuge ca. 1.5 TWh H2 Annahme: Mittlere Fahrleistung 14000 km/FzJahr
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
PW2011
Benzin2011
Diesel2011
Diesel_3Liter
Elektrofahrzeug2011
BZ-Fahrzeug2011
Ene
rgie
verb
rauc
h [T
Wh]
Plug-in Hybride bilden eine variable Brücke zwischen dem autarken Benzin- oder Dieselfahrzeug und dem reinen Elektrofahrzeug
Was
sers
toff
Elek
trizit
ät
Dies
el
Dies
el
Benz
in
Dies
el/
Benz
in
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Stromleistung Endverbrauch in der Schweiz 2010
Elektrizitätsleistung (Endverbrauch) Januar 2010
4
5
6
7
8
9
10
1.00 6.00 11.00 16.00 21.00 26.00 31.00
Tage
Leis
tung
[GW
]
Elektrizitätsleistung (Endverbrauch) Juli 2010
4
5
6
7
8
9
10
1.00 6.00 11.00 16.00 21.00 26.00 31.00
Tage
Leis
tung
[GW
]
Mittlere Leistungsdifferenz Sommer – Winter beträgt 1.8 GW
14. Mai 2012 PSI,
Quelle: SwissGrid
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Batterie-elektrischen Fahrzeuge am effizientesten
Effizienteste Antriebsart (Tank to Wheel) Batterie mit 15 – 25 kWh für Reichweiten bis ca. 160 km Heizung oder Klimaanlage benötigt Strom (Reichweitenreduktion) Normalladen dauert einige Stunden, Kurzladen bis 80% in 30 Min mit Schnell-Ladeanschluss möglich Lade-Optimierung ermöglicht Netzstabilisierung (Std) Aber Rückspeisung aus der Batterie kann Batterielebensdauer reduzieren
Getrie- be
Batterie-elektrisch
EM Batterie
Quelle: THELMA, ETHZ, PSI
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Saisonale Schwankung von Angebot und Nachfrage
Heute Sommer Exportsaldo 3.2 TWh Winter Importsaldo 5.1 TWh Transfer Sommer – Winter - Ausland 3.2 TWh - Inland 7 TWh
PV: Sommer zu Winter bei 10 TWh: + 1.8 TWh Verändertes Preisgefüge
Stromausfuhr/Einfuhr (2008-2010)
Zukunft PV-Produktion verstärkt den Bedarf nach saisonaler Speicherung
Durchschnitt
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Monate
PV
-Pro
dukt
ion
[TW
h/M
onat
]
Simulation: PV-Jahres-Produktion (10 TWh)
Im Mittelland
Expo
rt Im
port
Quelle: Schweiz. Elektrizitätsstatistik2010; JRC 14. Mai 2012 PSI,
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Nutzung der Saisonspeicher für die Mobilität
" Brennstoffzellenfahrzeuge ermöglichen lokal CO2-freien Langstreckenverkehr, Fahrzeuge sollten ab 2015/2016 in grösseren Stückzahlen am Markt verfügbar werden. " Mit einer limitierten Anzahl Tankstellen kann eine Initialversorgung ermöglicht werden. " Elektrofahrzeuge bieten Möglichkeit die Tagesnachfrage an Elektrizität zu glätten, belasten aber die Strombilanz im Winter. " H2 kann als chemischen Speicher nachfragegesteuert genutzt werden für Mobilität, Stromerzeugung und Wärme. " Mit einem saisonalen Überschuss aus PV (1.8 TWh) könnten ca. 10% der PW Flotte mit Wasserstoff betrieben werden. " Jahresschwankungen des H2-Bedarfs können durch weitere Quellen gedeckt werden. " Option für die Nutzung des sommerlichen Spitzenangebotes. Im Winter Kompensation durch WKK
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