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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
Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009
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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)
43
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