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

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

2 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Was wird behandelt? Anforderungen (Treiber für E-Mobilität) Öffentlicher Verkehr Individualverkehr – Elektroauto – Wirkungsgrad: Vergleich mit Verbrennungsmotor – Potential zur CO 2 -Reduktion – Lastmanagement – Batterie: Schlüsselelement für die mittelfristige Entwicklung Fazit

3 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Verkehr: Gegenwärtige Situation – Anforderungen Gegenwärtige Situation: - Weltweit: für 20% der energiebed. THG-Emissionen verantwortlich (Prozentzahlen für CO 2 wesentlich höher) - EU: zu 71% vom Öl abhängig und für 20% der CO 2 -Emissionen verantwortlich Treiber für E-Mobilität: - Niedrige CO 2 - und Schadstoffemissionen (s. Abb.4) - Hoher Fahrzeugwirkungsgrad: - Verbrennungsmotor % - Brennstoffzellen-Elektroantrieb % - Batterie-Elektroantrieb %

4 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Treiber: CO 2 - und NOx-Emissionen (nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE )

5 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Öffentlicher Verkehr in Deutschland Klein gegenüber Individualverkehr (15% d. ges. Landverkehrs) (s. Abb.6) Großenteils auf der Schiene (60%) und zu 90% elektrifiziert niedrige CO 2 - Emissionen [g CO 2 je Personen-km] (vgl. Abb.7): DB AG Individualverkehr Nahverkehr Fernverkehr Gute Klimaqualität des Bahnstroms (> 60% CO 2 -frei) ist infolge KE-Ausstieg gefährdet (z. Zt. ~70% des CO 2 -freien Stroms aus KE) Weltweiter Trend zur Elektrotraktion auch im öffentl. Nahverkehr (z.B. Renaissance der Straßenbahn) wird in D weitgehend ignoriert

6 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Verkehrsleistung der Landverkehrsträger in Deutschland im Jahr 2008 [Mrd. Pers.-km] Motorisierter Individualverkehr880 Öffentlicher Verkehr* 162 Eisenbahn* 82 Nahverkehr* 46 Fernverkehr** 36 Bus Gelegenheitsverkehr 27 ÖPNV Straße 37 ÖPNV Schiene** 16 Gesamt1042 * ist bereits zu großen Teilen mit Elektrotraktion ** ist bereits weitgehend mit Elektrotraktion

7 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober CO 2 -Ausstoß im Verkehrsmittel-Vergleich für Jahr 2008 in Gramm je Personen-km (Güterverkehr: je Tonnen-km)

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

9 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Wichtige Fragen für Entwicklung des Elektroautos Folgende wichtige Fragen hier behandelt : – Wirkungsgrad: Vergleich EF – Verbrennungsmotor – Potential zur CO 2 -Reduktion – Zusätzlicher Strombedarf – Lastmanagement (Smart Grid): Laststeuerung – dezentraler Speicher – Batterie: Schlüsselelement der zukünftigen Entwicklung

10 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Vergleich des spezifischen Energieverbrauchs von Diesel- u. Elektrofahrzeugen (nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./ ) Dieselfahrzeug Elektrofahrzeug (1) Nutzenergiebedarf [kWh/100km] (2) Antriebs-Nutzungsgrad [%] Schritt: (1) + Verluste f(2) (s. Abb.11) (3) spezif. Endenergieverbrauch [kWh/100km] (4) Bereitstellungs-Nutzungsgrad d. Endenergie [%] Schritt: (3) + Verluste f(4) (s. Abb.12) (5) spezif. Primärenergieverbrauch [kWh/100km] (6) Kumulierter Energieaufwand [GJ] bezogen auf km Lebensdauer [kWh/100km] Schritt: (5) + (6) (7) spezif. Gesamtenergieaufwand [kWh/100km] 79 85

11 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Endenergieverbrauch [kWh/100km] eines Pkw, abhängig vom Antriebsnutzungsgrad des Fahrzeugs [%] (nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./ ) Antriebsnutzungsgrad des Fahrzeugs [%] Kleinwagen Pkw (11kWh Nutzenergiebedarf) Diesel Pkw: ca.23% ESF: ca.75%

12 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Primärenergieverbrauch [kWh/100km] eines Pkw, abhängig vom Bereitstellungsnutzungsgrad der Endenergie [%] (nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./ ) 43 ESF mit 75% Fahrzeugnutzungsgrad (15 kWh Endenergiebedarf) 55 Diesel mit 23% Fahrzeugnutzungsgrad (49 kWh Endenergiebedarf) Raffinerie und Tankstellennetz: ca.88% Kraftwerkspark und Übertragungsnetze: ca.35%

13 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Potential zur CO 2 -Reduktion Elektromobilität eröffnet neue Dimension der CO 2 - Reduktion CO 2 - Eintrag eines EF gegeben durch spezif. Endenergieverbr. [kWh/100km] x spezif. CO 2 - Em. d. Energiemix [g CO 2 /kWh], hängt also wesentlich ab vom Energiemix. z. B. für EF mit 20 kWh/100km u. Energiemix in D 600 g CO 2 /kWh: 120 g CO 2 /km aber in Frankreich: nur ca. 8 g CO 2 /km im Mittel in Europa zur Zeit: ~80 g CO 2 /km (sollte in Zukunft halbiert werden)

14 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Zusätzlicher Strombedarf der E-Fahrzeuge Zusätzl. Strombedarf für 1 Mill. E-Fahrzeuge : z.B. Mittelklassewagen mit 20 kWh/100km u. Jahreskilometerleistung von km zusätzl. Jahresverbrauch für 1 Mill. E-Fahrzeuge ca. 2.5 TWh (0.4 % des gesamten Stromverbrauchs) Erst bei starker Marktdurchdringung (in Jahren) wird Integration der E-Fahrzeuge Einfluss auf Erneuerung und Zusammensetzung des KW-Parks haben

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

16 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Li-Ionen-Batterien Neue Anwendungen » Große Herausforderungen (nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE ) Energiedichte? Speicherkapazität? Ressourcen? Betriebsbedingungen? Kosten? Lebensdauer?

17 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Herausforderung 1: Energiedichte (Bild nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE ) Heute: Li-Ionen-Batterie: Wh/kg –– in Zukunft: Metall-Luft-Batterie: 1000 Wh/kg ?

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

19 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober Herausforderung 2: Kosten für Batteriezellen (H. Jelden, Volkswagen, Vortrag Konferenz in Berlin, ) Batteriekosten sind größte Hürde für Markterfolg der E-Autos

20 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 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 CO 2 -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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