Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 20091 E-Studie: Kapitel Elektromobilität Martin Keilhacker, München und Manfred Treber,

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

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E-Studie:Kapitel „Elektromobilität“

E-Studie:Kapitel „Elektromobilität“

Martin Keilhacker, München

und

Manfred Treber, Bonn


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Was wird behandelt?

● Anforderungen (Treiber für E-Mobilität)

● Öffentlicher Verkehr

● Individualverkehr – Elektroauto

– Wirkungsgrad: Vergleich mit Verbrennungsmotor

– Potential zur CO2-Reduktion

– Lastmanagement

– Batterie: Schlüsselelement für die mittelfristige Entwicklung

● Fazit


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Verkehr: Gegenwärtige Situation – Anforderungen

● Gegenwärtige Situation:

- Weltweit: für 20% der energiebed. THG-Emissionen verantwortlich (Prozentzahlen für CO2 wesentlich höher)

- EU: zu 71% vom Öl abhängig und für 20% der CO2-Emissionen verantwortlich

● Treiber für E-Mobilität:

- Niedrige CO2- und Schadstoffemissionen (s. Abb.4)

- Hoher Fahrzeugwirkungsgrad: - Verbrennungsmotor 20 - 25% - Brennstoffzellen-Elektroantrieb 40 - 50% - Batterie-Elektroantrieb 70 - 80%


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Treiber: CO2- und NOx-Emissionen

(nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE 24.04.09)


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Öffentlicher Verkehr in Deutschland

● Klein gegenüber Individualverkehr (15% d. ges. Landverkehrs) (s. Abb.6)

● Großenteils auf der Schiene (60%) und zu 90% elektrifiziert

→ niedrige CO2- Emissionen [g CO2 je Personen-km] (vgl. Abb.7):

DB AG Individualverkehr

Nahverkehr 76 134

Fernverkehr 46 138

● Gute „Klimaqualität“ des Bahnstroms (> 60% CO2-frei) ist infolge

KE-Ausstieg gefährdet (z. Zt. ~70% des CO2-freien Stroms aus KE)

● Weltweiter Trend zur Elektrotraktion auch im öffentl. Nahverkehr (z.B. Renaissance der Straßenbahn) wird in D weitgehend ignoriert


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Verkehrsleistung der Landverkehrsträger in Deutschland im Jahr 2008 [Mrd. Pers.-km]

Motorisierter Individualverkehr 880 Öffentlicher Verkehr* 162

Eisenbahn* 82Nahverkehr* 46Fernverkehr** 36

Bus Gelegenheitsverkehr 27

ÖPNV Straße 37ÖPNV Schiene** 16

Gesamt 1042

* ist bereits zu großen Teilen mit Elektrotraktion** ist bereits weitgehend mit Elektrotraktion


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CO2-Ausstoß im Verkehrsmittel-Vergleich für Jahr 2008 in Gramm je Personen-km (Güterverkehr: je Tonnen-km)


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Individualverkehr → Elektroauto

● Effizienzsteigerung beim Verbrennungsmotors möglich, aber mühsam→ Übergang zu Elektrofahrzeug (EF)

● „Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität“ der BRD (8/2009)

- F&E und Markteinführung batteriebetriebener Fahrzeuge voranbringen

- 1 Mill. E-Fahrzeuge in 2020

● Nur Antriebskonzepte mit hohem Stromanteil behandelt

- Rein „batteriebetrieb. EF“ (battery electric vehicle, BEV)

- „Plug-In Hybridfahrzeuge“ (plug-in hybrid electric vehicle, PHEV)


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Wichtige Fragen für Entwicklung des Elektroautos

● Folgende wichtige Fragen hier behandelt :

– Wirkungsgrad: Vergleich EF – Verbrennungsmotor

– Potential zur CO2-Reduktion

– Zusätzlicher Strombedarf

– Lastmanagement (‚Smart Grid‘): Laststeuerung – dezentraler Speicher

– Batterie: Schlüsselelement der zukünftigen Entwicklung


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Vergleich des spezifischen Energieverbrauchs

von Diesel- u. Elektrofahrzeugen (nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./30.04.09)

Dieselfahrzeug Elektrofahrzeug (1) Nutzenergiebedarf [kWh/100km] 11 11

(2) Antriebs-Nutzungsgrad [%] 23 75

1. Schritt: (1) + Verluste f(2) (s. Abb.11) →

(3) spezif. Endenergieverbrauch [kWh/100km] 49 15 (4) Bereitstellungs-Nutzungsgrad d. Endenergie [%] 88 35

2. Schritt: (3) + Verluste f(4) (s. Abb.12) →

(5) spezif. Primärenergieverbrauch [kWh/100km] 55 43

(6) Kumulierter Energieaufwand [GJ] 100 180 bezogen auf 120.000km Lebensdauer [kWh/100km] 24 42

3. Schritt: (5) + (6) → (7) spezif. Gesamtenergieaufwand [kWh/100km] 79 85


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Endenergieverbrauch [kWh/100km] eines Pkw,

abhängig vom Antriebsnutzungsgrad des Fahrzeugs [%] (nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./30.04.09)

Antriebsnutzungsgrad des Fahrzeugs [%]

49

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Kleinwagen Pkw (11kWh Nutzenergiebedarf)

Diesel Pkw: ca.23%

ESF: ca.75%


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Primärenergieverbrauch [kWh/100km] eines Pkw,abhängig vom Bereitstellungsnutzungsgrad der Endenergie [%]

(nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./30.04.09)

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ESF mit 75% Fahrzeugnutzungsgrad (15 kWh Endenergiebedarf)

55

Diesel mit 23% Fahrzeugnutzungsgrad (49 kWh Endenergiebedarf)

Raffinerie undTankstellennetz: ca.88%

Kraftwerkspark undÜbertragungsnetze: ca.35%


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Potential zur CO2-Reduktion

● Elektromobilität eröffnet neue Dimension der CO2- Reduktion

● CO2- Eintrag eines EF gegeben durch

spezif. Endenergieverbr. [kWh/100km] x spezif. CO2- Em. d. Energiemix [g CO2/kWh],

hängt also wesentlich ab vom Energiemix.

z. B. für EF mit 20 kWh/100km u. Energiemix in D 600 g CO2/kWh: 120 g CO2/km

aber in Frankreich: nur ca. 8 g CO2/km

im Mittel in Europa zur Zeit: ~80 g CO2/km (sollte in Zukunft halbiert werden)


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Zusätzlicher Strombedarf der E-Fahrzeuge

● Zusätzl. Strombedarf für 1 Mill. E-Fahrzeuge :

z.B. Mittelklassewagen mit 20 kWh/100km u. Jahreskilometerleistung von 12.500 km

→ zusätzl. Jahresverbrauch für 1 Mill. E-Fahrzeuge ca. 2.5 TWh

(0.4 % des gesamten Stromverbrauchs)

● Erst bei starker Marktdurchdringung (in 20-30 Jahren) wird Integration

der E-Fahrzeuge Einfluss auf Erneuerung und Zusammensetzung des

KW-Parks haben


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Laststeuerung und dezentrale Speicher

● „Intelligente“ Anbindung der EF ans Netz (Lastmanagement) erforderlich:

– steuert Nachfragespitzen beim Aufladen der EF

– ermöglicht Nutzung der EF als Energiespeicher oder zur Regelung

→ Netzintegration fluktuierender Einspeisung: „Tandem“ EF u. EE !!!

→ Reserveleistung fürs Netz (geringe Wahrscheinl. – schont Batterie)

● Speicherkapazität von 1 Mill. EF bei 10 kWh/EF: 10 GWh

„Konventionelle“ Energiespeicher:

Pumspeicher-KW Goldisthal: 8.5 GWh; typ. Druckluftspeicher: ca. 3 TWh

● Angebot an mögl. Regelleistung größer: 3 GW pos./neg. Regelleistung

Regelleistung aller derzeit install. Pumpspeicher-KW: 6.7 GW


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Li-Ionen-BatterienNeue Anwendungen » Große Herausforderungen

(nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE 24.04.09)

Energiedichte? Speicherkapazität?

Ressourcen?

Betriebsbedingungen?

Kosten?

Lebensdauer?


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Herausforderung 1: Energiedichte

(Bild nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE 24.04.09)

Heute: Li-Ionen-Batterie: 130 → 200 Wh/kg –– in Zukunft: Metall-Luft-Batterie: 1000 Wh/kg ?


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Gewicht bzw. Volumen von Diesel, Wasserstoff u. Li-Ionen-Batterie, das für gleiche Fahrleistung benötigt wird

(nach F. Schüth, MPI Kohleforschung, Mühlheim, EPJ ST 176 (2009) 155)


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Herausforderung 2: Kosten für Batteriezellen (H. Jelden, Volkswagen, Vortrag Konferenz in Berlin, 25.11.2008)

Batteriekosten sind größte Hürde für Markterfolg der E-Autos


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Fazit

● Elektrifizierung ist Schlüssel für Nachhaltigkeit im Öffentlichen und Individualverkehr (weg von „Ressource Öl“ – hin zu „Ressource Strom“)

● Elektroantriebe - haben hohen Wirkungsgrad (theoret. bis 100% – Diesel-Pkw nach Carnot ca.

55%) - sind weitgehend emissionsfrei (vorausgesetzt Strom aus CO2-freien Quellen) - außerdem könnten EF in einem ‚intelligenten‘ Netz als Speicher für fluktuierende Energie aus EE dienen → doppeltes „Tandem“ E-Fahrzeug – erneuerbare Energien!!!

● Strom für Elektromotor kommt aus modernen Batterien (z.B. Li-Ionen Batt.) oder der Brennstoffzelle Evtl. Batterie-E-Antrieb f. Nahverkehr, Brennstoffz.-E-Antrieb f. Fernverkehr

● Technische Grundlagen für EF vorhanden, aber bei allen Komponenten noch viel Entwicklungsbedarf deswegen noch langer Weg (20-30 Jahre) bis zur Marktdurchdringung → Übergangsphase mit Hybridfahrzeugen

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