Juni 2015 VIAVISION VOLKSWAGEN NACHRICHTEN AUS DER MOBILEN ZUKUNFT Brennstoffzellentechnologie Sauberer Antrieb VIAVISION BRENNSTOFFZELLE Zukunftsträchtig Inhalt Zukunftsträchtig 2 Der Weg zu einer Vision 3 Konsequent weiter gedacht 3 Im Herzen Wasserstoff 4 Das passiert im Inneren 6 Gut vernetzt? 8 Dr. Heinz-Jakob Neußer über die Alltagstauglichkeit der Brennstoffzelle Dr. Heinz-Jakob Neußer, Mitglied des Markenvorstands Volkswagen für den Geschäftsbereich Entwicklung und Leiter der Konzern-Aggregateentwicklung. Impressum www.viavision.org Herausgeber Volkswagen Aktiengesellschaft Konzernkommunikation Brieffach 1971, 38436 Wolfsburg Telefon: 05361/9-87603 Fax: 05361/9-21952 Verantwortlich (V.i.S.d.P.) Stephan Grühsem, Leiter Konzernkommunikation; Pietro Zollino, Leiter Produktkommunikation Marke Volkswagen Redaktion Stefanie Huland, Michaela Möller Volkswagen: Michael Franke, Tonio Vakalopoulos Kontakt: [email protected] Verlag Verlag Rommerskirchen GmbH & Co. KG Mainzer Straße 16-18, Rolandshof 53424 Remagen, Telefon: 02228/931-0 www.rommerskirchen.com Druckerei L.N. Schaffrath GmbH Marktweg 42-50, 47608 Geldern Alle in dieser Ausgabe verwendeten Grafiken sind unter Angabe der Quelle VIAVISION zum Abdruck freigegeben. 2 Was sind die größten Herausforderungen bei der Markteinführung von Brennstoffzellenfahrzeugen? Die großen Herausforderungen sind die Kostenreduktion für diese Technologie und der Aufbau der benötigten Infrastruktur. Darüber hinaus ist es von elementarer Bedeutung, dass der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien hergestellt wird. Nur so kann eine nachhaltige Mobilität sichergestellt werden. Diese Technologie ist eine von vielen Möglichkeiten zur emissionsfreien Langstreckenmobilität. Sind Brennstoffzellenfahrzeuge bereits alltagstauglich? Im Flottenversuch haben wir die Alltagstauglichkeit unserer Brennstoffzellenfahrzeuge bereits nachgewiesen. Im vergangenen Jahr konnte sich die Öffentlichkeit davon auf der L.A. Auto Show überzeugen. Dort haben wir gezeigt, dass dieser Antrieb alltagstauglich ist. Zusätzlich haben wir dargestellt, dass auch unser MQB bereits für die Brenn- stoffzellentechnologie vorbereitet ist. Nun gilt es, die Brennstoffzellentechnologie zu einem marktfähigen Preis anbieten zu können. Daran arbeiten wir intensiv. Für einen flächendeckenden Einsatz im Alltag fehlt aber nach wie vor die benötigte Infrastruktur und das Bekenntnis, den Wasserstoff als Energieträger nutzen zu wollen. Trägt Volkswagen zur Errichtung einer Wasserstofftankstelleninfrastruktur bei? Volkswagen begleitet die Aktivitäten der Initiative H2-Mobility zum Aufbau einer Wasserstofﬁnfrastruktur in Deutschland. Mir ist es aber wichtig zu betonen, dass der Versorgungsauftrag nicht bei der Automobilindustrie liegt. Der Aufbau einer Infrastruktur zur Bereitstellung von Wasserstoff muss von Unternehmen der Energiewirtschaft und der Mineralölindustrie mit ihren Tankstellen geleistet werden und sich langfristig selbst tragen. Juni 2015 BRENNSTOFFZELLE Der Weg zu einer Vision Brennstoffzellenfahrzeuge von Volkswagen Die Idee hinter dem Brennstoffzellenauto ist bestechend: So viel Reichweite und vergleichbare Tankzeiten wie ein Fahrzeug mit konventionellem Antrieb und gleichzeitig keine Schadstoffemissionen wie ein Elektroauto. Bereits seit mehreren Jahrzehnten arbeiten die Entwickler bei Volkswagen an der konkreten Umsetzung dieser Vision. 2000 2001 VW Bora Variant Capri Das erste Brennstoffzellen fahrzeug von VW war ein von der EU gefördertes Pro jekt. Sein Brennstoffzellen system funktionierte mit Methanol, das an Bord zu Wasserstoff und CO2 um gewandelt wurde. 2014 VW Bora HyMotion 1 Der erste HyMotion nutzte flüssigen Wasserstoff als Kraftstoff. Um Wasserstoff in diesen sehr dichten Aggre gatzustand zu überführen, muss viel Energie aufge wendet werden. Das erwies sich auf Dauer als zu energie intensiv und konnte sich nicht durchsetzen. Volkswagen stellt weitere Studien vor, die bereits gasför migen Wasserstoff tanken. Abseits der technischen Wei terentwicklung engagiert sich der Konzern in Initiativen wie der Clean Energy Partnership, die mit Partnern aus Industrie und Politik den Weg für die Markteinführung der Brenn stoffzellentechnologie ebnet. VW US-Passat HyMotion 4 Der HyMotion 4 stellt die aktuelle Brennstoffzellen technologie dar. Der in L.A. vorgestellte USPassat nutzt für das von Volkswagen selbst entwickelte Brenn stoffzellensystem gasförmi gen Wasserstoff als Kraft stoff, der mit 700 bar an Bord gespeichert wird. Konsequent weiter gedacht Die Brennstoffzelle ergänzt den Antriebsstrang des MQB Der Golf HyMotion hat es in Las Vegas gezeigt: Die Brennstoffzelle kann auf der konstruktiven Basis des Modularen Querbaukastens (MQB) umgesetzt werden und einige seiner Bausteine und Technologien verwenden. So komplettiert dieser Antrieb die verschiedenen Antriebssysteme, die Volkswagen auf MQB-Basis anbietet. Alle Antriebssysteme im Modularen Querbaukasten: Konventionell Diesel Benzin Alternativ/Regenerativ Ethanol Erdgas Konventionell/Elektrisch Brennstoffzelle Elektrisch Wasserstoff Bestehende Module wie die e-Maschine oder die gesamte Batterietechnologie können aus dem MQB genutzt werden. Auch die Brennstoffzellentanks haben technologische Gemeinsamkeiten mit den bereits verwendeten Erdgastanks. Allein der höhere Druck im Wasserstofftank (700 bar) im Vergleich zu Erdgas (200 bar) erfordert eine dickere Kohlenfaserschicht als bei den CNG-Tanks. 3 VIAVISION BRENNSTOFFZELLE Im Herzen Wasserstoff… Die Basis MQB So neu und revolutionär die Brennstoffzelle auch ist – bei Null müssen die Entwickler trotzdem nicht beginnen. Wie ein Elektroauto fährt ein Brennstoffzellenfahrzeug mit Strom. Sein Antriebsstrang kann also auf die bewährten e-Module und Technologien der Elektromobilität aus dem Modularen Querbaukasten zurückgreifen. Der DC/DC-WANDLER ist dafür zuständig, die Spannung zwischen Batterie, Brennstoffzelle und E-Antrieb einzustellen und damit den Energiefluss zu steuern. Brennstoffzellenstapel Medienzuund abfuhr Turboverdichter Der BRENNSTOFFZELLENSTAPEL ist das Kraftwerk des Antriebs. Er besteht aus vielen einzelnen Brennstoffzellen, die aufgrund einer chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie für den Elektromotor erzeugen. Für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels sind zusätzliche Aggregate notwendig, zum Beispiel der Turboverdichter und die Medienzuund abfuhr abfuhr. Sie sorgen unter anderem dafür, dass die richtige Menge an Luft, Wasserstoff und Kühlwasser in die Zellen kommt. Der KÜHLER ist dafür zuständig, die Wärme, die bei der Energiewandlung anfällt, an die Umgebung abzutransportieren und damit die Brennstoffzelle zu temperieren. Der Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle etwa zu 6o Prozent in elektrische Arbeit umgewandelt, die den E-Motor antreibt. Mit dem SYNCHRONMOTOR steht dem HyMotion ein vollwertiger Automobilantrieb mit 12.ooo Umdrehungen pro Minute zur Verfügung, übernommen wurde der Antrieb aus dem e-Golf. 4 Der Golf HyMotion verfügt über ein EIN-GANG-GETRIEBE. Durch das Getriebe und die Gelenkwellen ist der e-Motor mit den Vorderrädern verbunden und treibt diese an. Juni 2015 Die LITHIUM-IONEN-HOCHVOLTBATTERIE speichert die beim Bremsen durch Rekuperation zurückgewonnene Energie. Außerdem unterstützt sie in dynamischen Phasen durch das sogenannte Boosten den Motor. Die Studie verfügt über eine Hochleistungsbatterie, die auch über die Brennstoffzelle geladen werden kann. Denkbar wäre auch der Einbau einer Ladedose, durch die die Batterie auch extern an der Steckdose aufladbar ist und bis zu 5o Kilometer rein elektrische Reichweite bietet. BRENNSTOFFZELLE Die vier TANKFLASCHEN bestehen aus einer inneren Kunststoff- und einer äußeren Kohlefaserschicht und speichern den Wasserstoff im Fahrzeug. Sie liegen platzsparend im Unterboden des Fahrzeugs. Technische Eigenschaften des Golf HyMotion Elektromotor 100 kW / 136 PS Maximales Drehmoment 270 Nm Reichweite ca. 500 km 0 - 100 km/h 10 s Höchstgeschwindigkeit 160 km/h Batterieenergiegehalt 1,1 kWh Die LEISTUNGSELEKTRONIK ist mit dem Elektromotor und der Batterie verbunden und sorgt für die Umformung des elektrischen Stroms, damit die e-Maschine mal als Motor, der elek trische Energie in Bewegungsenergie umwandelt, mal als Generator, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, funktioniert: Im Motorbetrieb verwandelt die Leistungselek tronik den Gleichstrom der Hochvoltbatterie in dreiphasigen Wechselstrom, der den e-Motor antreibt. Im Generatorbetrieb verwandelt sie den Wechselstrom in Gleichstrom; er lädt die Batterie auf. 5 VIAVISION BRENNSTOFFZELLE Das passiert im Inneren So funktioniert die Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser. Die dabei freigesetzte Energie wird in Strom umgewandelt und treibt den Elektromotor des Fahrzeugs an. Die Herausforderungen im Autobau liegen in der Entwicklung einer kostengünstigen Brennstoffzellentechnologie, der passenden Infrastruktur und der Gewinnung von Wasserstoff aus regenerativen Energien. Der Aufbau einer Membran-Brennstoffzelle: GLEICHSTROM ELEKTRON SAUERSTOFF O2 O2- WASSERSTOFF H2 H+ H+ ANODE Anode Das Wasserstoff Gas, das an die Anode geführt wird, zerfällt mit Hilfe von Platin als Katalysator in Protonen (H+) und Elektronen (e). WASSER H2O WARMES PROTONENLEITENDE MEMBRAN KATHODE Membran Die Membran besteht aus einem Kunststoff, der nur Protonen durchlässt. Die Elektronen müssen sich einen Weg um die Membran herum suchen, um zur Kathode zu gelangen, wo ein Elektronen mangel herrscht. Auf diesem Weg – über einen geschlossenen Stromkreislauf – verrichten sie elek trische Arbeit. Kathode Über die Bipolarplatte wird Sauerstoff an die Kathode geführt. Hier verbindet er sich mit Hilfe von Platin als Katalysator mit den freien Protonen (H+) und Elektro nen (e) zu Wasser. Jede Brennstoffzelle verfügt über zwei Elektroden: die Anode und die Kathode. Zwischen ihnen liegt eine dünne Membran, die als Leiter für die Protonen (H+) funktioniert. Zwischen den einzelnen Zellen liegen so genannte Bipolarplatten. Auf diesen sind Rillen, über die Sauerstoff und Wasserstoff in die Zellen geleitet werden. Die Kombination mehrerer Zellen wird auch als Stapel, englisch „Stack“ bezeichnet. 2 H2+O2 = 2H2O 6 Juni 2015 BRENNSTOFFZELLE Wasserstoff Wasserstoff ist das erste Element im Peri odensystem der Elemente und das kleinste Atom. Sein chemisches Zeichen ist H. Es ist eines der Hauptbestandteile des Wassers und ist das häufigste Element im Universum. Der Kern des Wasserstoffatoms besteht aus einem Elektron und e inem Proton. Sauerstoff Sauerstoff ist ein nichtmetallisches Element, sein chemisches Zeichen ist O. Es ist mit circa 21 Prozent Anteil am Volumen der Luft das zweithäufigste Element unse rer Atmosphäre. Bezogen auf die chemische Reaktion ist es sehr reaktionsfreudig, das heißt, es geht leicht Verbindungen ein. Merkmale des Antriebs Geringe Ladezeiten Ein Brennstoffzellenauto lässt sich fast genauso schnell mit Wasserstoff betanken wie ein Erdgasfahrzeug oder ein her kömmlicher Verbrennungsmotor mit Benzin. Eine Tankfüllung dauert je nach Tankvolumen zwischen drei und fünf Minuten. Hohe Reichweiten Brennstoffzellenfahrzeuge verfügen über eine hohe Reich weite. Mit einer Tankfüllung Wasserstoff kommt man meh rere hundert Kilometer weit. Hybridfunktion Die Batterie funktioniert im Brennstoffzellenauto ähnlich wie in einem Hybridfahrzeug: Sie unterstützt den Motor in dyna mischen Phasen und wird beim Bremsen mit Energie geladen (Rekuperation). Durch den Einbau einer Ladedose könnte die Batterie auch extern an einer Steckdose aufgeladen werden. So wird eine rein elektrische Reichweite von circa 50 Kilome tern möglich. G lossar Bipolarplatte: Bipolarplatten sind die mecha nische Hauptkomponente eines Brennstoffzellenstapels: Sie ver binden die einzelnen Zellen des Stacks elektrisch miteinander und sorgen für die Medienzufuhr. Dafür müssen sie eine gute Leit fähigkeit besitzen und chemi schen Einflüssen, hohen Betriebstemperaturen sowie hohem mechanischen Druck in der Zelle standhalten. Elektron: Das Elektron ist ein elektrisch ne gativ geladenes Teilchen und ge hört wie das Neutron und das Proton zu den Bauteilen eines Atoms. Es befindet sich in der Atomhülle. Überwiegen in einem Körper die Elektronen, ist er negativ geladen. Proton: Das Proton ist ein elektrisch posi tiv geladenes Teilchen und gehört wie das Neutron und Elektron zu den Bauteilen eines Atoms. Es be findet sich mit den Neutronen im Atomkern. Überwiegen in einem Körper die Protonen, ist er positiv geladen. Spannung: Damit Strom fließen kann, benö tigt er Spannung. Die Höhe der Spannung entscheidet darüber, wieviel Strom fließen kann. Elekt rische Spannung ist also die trei bende Kraft, die die Bewegung von Ladeträgern verursacht. Die Spannungshöhe wird in Volt an gegeben. 7 VIAVISION BRENNSTOFFZELLE 16 13 in Betrieb 17 in konkreter Planung 15 Standortsuche/ Verhandlungen Gut vernetzt? Infrastruktur der Wasserstofftankstellen im Bau Gut entwickelte umweltfreundliche Technologie nutzt nichts ohne die dazugehörige Infrastruktur. So auch im Fall der Brennstoffzelle: Bisher noch spärlich bestückt, nimmt der Ausbau des Wasserstofftankstellennetzes in Deutschland langsam Fahrt auf. 4 HAMBURG A1 5 BERLIN A7 A9 KÖLN A4 A4 A3 2 A1 KARLSRUHE 2 2 A7 A9 MÜNCHEN A3 In Deutschland kann man heute an 16 Tankstellen Wasserstoff tanken. Bis Ende 2015 soll die Zahl auf gute 50 gestiegen sein, darauf einigten sich im Juni 2012 Industriepartner und das Bundesverkehrsministerium im Rahmen des Nationalen Innovationsprogramms Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NIP). Um den Brennstoffzellenantrieb flächendeckend einsetzen zu können, bedarf es etwa 1.000 solcher Tankstellen. 8