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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
JUN - 2016
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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
JUN - 2016
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LBST Profil
JUN - 2016
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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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LBST Kunden
Mobilität Energie
Industrie Politik
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(BEWAG, HEW)
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Vorgaben zur Klimagasreduktion und Ansätze zur Umsetzung
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Transportsektor im Jahr 2050 auf Null-Emissionen
JUN - 2016
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
JUN - 2016
SymbioFCell [1,000 in 2017]
*) z.B. Audi, Ford, Nissan, SAIC, VW
Quelle : SymbioFCell
Que
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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
JUN - 2016
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
700 2.000
3.000
30.000*
*) ≥ 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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JUN - 2016
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.
JUN - 2016
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$
Que
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C
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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
JUN - 2016
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
JUN - 2016
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
H2 refuelling station Hydrogen powered vehicle
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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JUN - 2016
Speichercharakteristika
Quell
e:
KB
B 2
01
0
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
Wasserstoff
Leistung [log(MW)]
Ener
gie
[lo
g(M
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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WtW Energiebedarf für Hybrid-, Batterie- oder BZ-Fahrzeuge
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
Gas
oline
/ Cru
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CBG /
Bioga
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H2
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CG
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EU E
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J/k
m]
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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WtW THG-Emissionen für Hybrid-, Batterie- oder BZ-Fahrzeuge
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Gas
olin
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rude
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CNG
CBG /
Bioga
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Ethan
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SRF
CGH2
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BTL / S
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CGH2
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CGH2
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CGH2
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CGH2
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m]
N2O
CH4
CO2
Otto engine Diesel engine Fuel cell BEV
JUN - 2016
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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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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Mirai im täglichen Münchner Leben und bei der dreiminütigen „Nahrungsaufnahme“ [23.06.2016]
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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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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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Toyota Hybrid- und FCEV-Fahrzeugverkäufe – Ist und Planung
JUN - 2016
15 million units in 2020
447
2015 2016 2017 2020
700 2.000
3.000
30.000*
*) ≥ 12.000/a in Japan
Ben
zin-
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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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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.
JUN - 2016
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… und wir haben noch nicht über Wasser als Ressource gesprochen
JUN - 2016
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Beispiel: Vergleich Klimawirkung Stadtbusse
JUN - 2016
Quelle: Bergk, und Pütz, MKS, 27.10.2015
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JUN - 2016
Quelle: Bergk, und Pütz, MKS, 27.10.2015
Beispiel: Vergleich Betriebskosten Stadtbusse - taktnormiert
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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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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
H2 refuelling station Hydrogen powered vehicle
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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Gesamtes technisches EE-Strompotenzial versus Aufbauszenarien für Straßenverkehr (Leitstudie 2011)
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Gegenüberstellung technisches Potenzial strombasierten Kraftstoffen vs. Bedarfsentwicklung im Verkehr 2030/2050
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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
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