E-Studie: Kapitel „Elektromobilität“ Martin Keilhacker, München und Manfred Treber, Bonn Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

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

Verkehr: Gegenwärtige Situation – Anforderungen - 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% Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Treiber: CO2- und NOx-Emissionen (nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE 24.04.09) Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

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

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Verkehrsleistung der Landverkehrsträger in Deutschland im Jahr 2008 [Mrd. Pers.-km] Motorisierter Individualverkehr 880 Öffentlicher Verkehr* 162 Eisenbahn* 82 Nahverkehr* 46 Fernverkehr** 36 Bus Gelegenheitsverkehr 27 ÖPNV Straße 37 ÖPNV Schiene** 16 Gesamt 1042 * ist bereits zu großen Teilen mit Elektrotraktion ** ist bereits weitgehend mit Elektrotraktion Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 CO2-Ausstoß im Verkehrsmittel-Vergleich für Jahr 2008 in Gramm je Personen-km (Güterverkehr: je Tonnen-km) Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

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

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

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

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Endenergieverbrauch [kWh/100km] eines Pkw, abhängig vom Antriebsnutzungsgrad des Fahrzeugs [%] (nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./30.04.09) Kleinwagen Pkw (11kWh Nutzenergiebedarf) 49 Diesel Pkw: ca.23% ESF: ca.75% 15 Antriebsnutzungsgrad des Fahrzeugs [%] Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Primärenergieverbrauch [kWh/100km] eines Pkw, abhängig vom Bereitstellungsnutzungsgrad der Endenergie [%] (nach U. Wagner, TU München, Vortrag Tagung München 29./30.04.09) ESF mit 75% Fahrzeugnutzungsgrad (15 kWh Endenergiebedarf) 43 Kraftwerkspark und Übertragungsnetze: ca.35% Diesel mit 23% Fahrzeugnutzungsgrad (49 kWh Endenergiebedarf) Raffinerie und Tankstellennetz: ca.88% 55 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

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

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

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

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Li-Ionen-Batterien Neue Anwendungen » Große Herausforderungen (nach W. Tillmetz, ZSW Baden-Württ., Vortrag AKE 24.04.09) Energiedichte? Speicherkapazität? Ressourcen? Betriebsbedingungen? Kosten? Lebensdauer? Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

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

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

Batteriekosten sind größte Hürde für Markterfolg der E-Autos Herausforderung 2: Kosten für Batteriezellen (H. Jelden, Volkswagen, Vortrag Konferenz in Berlin, 25.11.2008) Batteriekosten sind größte Hürde für Markterfolg der E-Autos Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

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