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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
Elektrotechnisches Institut (ETI) – Professur für Hybridelektrische Fahrzeuge (HEV)
www.kit.edu
Elektrotechnisches Institut
Elektromobilität Die nächsten 10 JahreMartin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing. Stand 05/2017
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
2
Das Elektrotechnische Institut (ETI)
17.05.17
Elektrotechnisches Institut
seit
1895
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
3 17.05.17
Elektrotechnisches Institut
seit
1895
Das Elektrotechnische Institut (ETI)
E-Motoren Leistungselektronik
Batteriesysteme Photovoltaik
Elektrotechnisches Institut
seit
1895
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
4 17.05.17
Prof. Dr.-Ing.Michael BraunElektrische Antriebe und
Leistungselektronik (EAL)
Tel.: +49 (721) [email protected] Süd, Geb. 11.10Raum 111
Stromrichter-Systemtechnik
Modulare Multilevel-Umrichter
Neuartige Umrichtertopologien
Maschinenregelung
Elektromagnetische Motorauslegung
Mechanische Auslegung / Konstruktion
Antriebssysteme
Prof. Dr.-Ing.Martin DoppelbauerProfessur für Hybride
Elektrische Fahrzeuge (HEV)
Tel.: +49 (721) [email protected] Süd, Geb. 11.10Raum 114
Umrichterauslegung
Elektrische und Thermische Simulation
LV/MV-Leistungshalbleiter
Neuartige Applikationen
Prof. Dr.-Ing.Marc HillerProfessur Leistungs-
elektronische Systeme (PES)
Tel.: +49 (721) [email protected] Süd, Geb. 11.10Raum 116
Elektrotechnisches Institut
seit
1895
Das Elektrotechnische Institut (ETI)
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
5
InhaltsverzeichnisWas habe ich heute mit Ihnen vor?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
1) Elektrische Traktionsantriebe
2) Elektroautos
... in den nächsten 10 Jahren
Bildquelle: Tesla Motors
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
6
LeistungsgewichtVKM und E-Motoren
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Alle Werte für Dauerbetrieb (S1). Die Spitzenleistung ist meist 1,5 – 3 -fach höher.
0,1
1,0
10,0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
[kg
/ kW
]
Max. Motor Drehzahl [1/min]
Industriemotoren(ASM)
Industriemotoren(PMSM)
Verbrenner(Diesel)
Verbrenner(Otto)
Elektrische Traktionsantriebe(in Serienproduktion)
Formel 1 Rennmotor
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
7
Worum geht es bei TraktionsantriebenGewicht, Bauraum, Kosten !
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
1. Die Lorentz Kraft wirkt auf stromführende Leiter im Magnetfeld: F = B · I · lFe
2. Das Drehmoment entsteht aus Kraft mal Hebelarm: M ~ B · A · D2lFe(A ist der Strom pro Umfang = Strombelag = Kenngröße der Kühlung)
3. Leistung entsteht aus Drehmoment und Drehzahl: P = M · 2!· n/60
Strom I
Also:Die Baugröße bestimmt das DrehmomentDie Drehzahl bestimmt die Leistung
Daher1) Hohe Drehzahl des Motors
für viel Leistung pro Volumen (Gewicht, Kosten)
2) Drehmoment aus dem Getriebe(nur ein fester Gang, keine Kupplung!)
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
8
Erhöhung der LeistungsdichteHigh-Speed
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
ASM bis 30.000 /min + Getriebe + Leistungselektronik
Projekt EFFECT360
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
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Erhöhung der LeistungsdichteKühlung
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Direkte Wasserkühlung in der NutDirekte Ölkühlung des Wickelkopfes
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
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Erhöhung der LeistungsdichteKühlung
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Mechanische Optimierung
Leichtbau
Rotordynamik
Neue Fertigungsverfahren
Hoher Füllfaktor
Kühlungskonzepte
Konventionelle Topologien
Direkte Statorkühlung
(integriert ins Blechpaket)
Direkte Wicklungskühlung
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
11
Erhöhung der LeistungsdichteKühlung
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Projekt REM 2030
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Erhöhung der LeistungsdichteKühlung und High-Speed
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
S01-30-20max. speed 20.000 rpmrated power 25 kW1
peak power 70 kW2
weight 5,3 kgpeak efficiency >95%
S03-17-30max. speed 30.000 rpmrated power >30 kW3
peak power 50 kWweight 4,1 kgpeak efficiency ≈94%
S02-90-15max. speed 15.000 rpmrated power 60 kWpeak power 70 kWweight 13 kgpeak efficiency > 96%
High peak power
TechnologyFilling factor >80% (distributed winding)
High continuous power
TechnologyIndirect slot cooling (water/glycol)1 Requiers rotor oil cooling from gear-box
2 For 6 sec. and room temperature3 Oil-cooled, lower for water-cooled version
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13
WeltrekordmotorSpitzenleistung – KA-RaceIng
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
2014 2015-16
Maschinentyp PMSM PMSMMaximaldrehzahl 20.000 /min 30.000 /minGesamtgewicht 5 kg 4,1 kgLeistungsdichteDauerleistung
0,17 kg/kW(6 kW/kg)
0,15 kg/kW(6,7 kW/kg)
KIT16e
0 – 100 km/h 2,5 sGewicht 195 kgTop Speed 116 km/hBatteriekapazität 6,5 kWhDauerleistung 4 x 30 kWSpitzenleistung 4 x 70 kW
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Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
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LeistungsgewichtVKM und E-Motoren
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Alle Werte für Dauerbetrieb (S1). Die Spitzenleistung ist meist 1,5 – 3 -fach höher.
0,1
1,0
10,0
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
[kg
/ kW
]
Max. Motor Drehzahl [1/min]
Industriemotoren(ASM)
Industriemotoren(PMSM)
Verbrenner(Diesel)
Verbrenner(Otto)
Elektrische Traktionsantriebe(in Serienproduktion)
Formel 1 Rennmotor
KIT14e KIT16eREM 2030Siemens
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15
Neuartige MotorkonzepteGeschaltete Reluktanzmaschine
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Prototyp Kennzahlen
Maximalleistung 150 kW
Maximaldrehzahl 30.000 min-1
Zwischenkreisspannung 780 V
Phasenstrom 300 A
Leistungsdichte 30 kW / l
Effizienz im Fahrzyklus 91,3 %
PrototypenfertigungEffizienz [%]
Leis
tung
sdic
hte
[kW
/l]
Pareto-Optimierung
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Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
16
Neuartige MotorkonzepteHybrid-Synchronmaschine
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
PSM
FESM
asymm.+Hybrid
PSM
FESMasymm.+Hybrid
Same%boundary conditions for all%machines:o Identical statoro Identical max.%current and voltage
Advantages+of asymmetricalmachines:o Higher%torque throu asymmetryo Good field weakening (because of rotor coils)o High%peak efficiency (because of permanent%magnets)
Allerdings:%Generatorischer Bereich%deutlich%schlechter
Vorteile asymetrischer Hybridmotoren:• Höheres Drehmoment• Gute Feldschwächbarkeit (wegen Spulen)• Guter Spitzenwirkungsgrad (wegen Magneten)
+ =
z.B. Renault Zoez.B. BMW i3 KIT
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17
Neuartige MotorkonzepteAxialfluss Synchronmaschine
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
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Neuartige UmrichterkonzepteUmrichter für Prototypenfahrzeuge
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
SiC - Umrichter
dc-link voltage/blocking voltage 600V/1200Vpeak phase current 80Acontinuous phase current 60Aefficiency >98%switching frequency 30kHz
Si-IGBT Umrichter
dc-link voltage/blocking voltage 600V/1200Vpeak phase current 300Acontinuous phase current 250Aswitching frequency <15kHz
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InhaltsverzeichnisWas habe ich heute mit Ihnen vor?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
1) Elektrische Traktionsantriebe
2) Elektroautos
... in den nächsten 10 Jahren
Bildquelle: Tesla Motors
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Energieverbrauch und Verluste(K)ein Buch mit sieben Siegeln
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Leistung [kW]Wie schnell kann man fahren?
Bildquelle: Leifi Physik, fotocommunity.de (Peter Müller), Kraftfahrt-Bundesamt
Energie [kW�h]Wie weit kann man fahren?
Richtwerte für Leistung:§ Bei 50 km/h ca. 5 kW§ Bei 100 km/h ca. 15 kW§ Bei 130 km/h ca. 30 kW§ Bei 160 km/h ca. 50 kW§ Bei 200 km/h ca. 100 kW
Richtwerte für 100 km Reichweite:
§ Kraftstoff: 7,3 l *(entspricht etwa 70 kWh)
§ Elektrisch: 20 kWh Strom
* Mittelwert aller PKW in 2015 laut KBA; entspricht 1/3 Anteil Diesel je 7,0 l und 2/3 Anteil Super je 7,5 l
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21
Historie Elektrofahrzeuge1896 bis 1912: Die große Zeit der Elektroautos
17.05.17
1834 Bau des ersten Elektromotors (Moritz Hermann Jacobi in Königsberg)1842 Erste Versuche mit elektrischen Bahnen (Robert Davidson in Glasgow)1859 Erfindung des aufladbaren Blei-Akkus (Gaston Planté in Paris)1881 Erstes batteriebetriebene Elektroauto (Gustave Trouvé in Paris)1900 Erstes Elektroauto in Deutschland (Lohner-Porsche)1901 Erstes Hybridauto mit Range-Extender (ebenfalls von Porsche)
Quelle: PorscheQuelle: Wikipedia
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Trouve Tricycle Allrad Lohner-Porsche
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Moderne Elektrofahrzeuge1990 bis heute: Renaissance einer cleveren Idee
17.05.17
1990 Erlassen des Clean Air Act in Kalifornien1991 Sony bringt die Lithium-Ionen Batterie auf den Markt (für Videokameras)1995 City-STROMer von VW auf Basis Golf III mit Bleibatterie1997 Toyota Prius geht in Serie (NiMH Batterie)2006 Tesla stellt den Roadster vor (lieferbar ab 2008 – erstmals mit Li-Ion Batterie)2008 Honda bringt mit dem FCX Clarity das erste Brennstoffzellenauto in Serie2009 Mitsubishi stellt mit dem i-MiEV das erste moderne Serien-Elektroauto vor2010 General Motors stellt den Chevrolet Volt vor (Opel Ampera folgt 2011)2012/13 Renault bringt eine Flotte von vier kostengünstigen Serien-Elektroautos2014... Viele weitere Serienfahrzeuge von europäischen Herstellern folgen
Quelle: Audi AG Quelle: Renault
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
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23
Moderne ElektrofahrzeugeZukunftsprognose: 2014 bis 2314
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
„Der Verbrennungsmotor wird für die nächsten 100 bis 300 Jahre konkurrenzlos bleiben.“
„Seriöse Berechnungen belegen eindeutig, dass das Elektroauto in Deutschland eine 1,6-mal so schlechte CO2Bilanz hat wie ein vergleichbares Fahrzeug mit modernem Verbrennungsmotor.“
VDI Nachrichten vom 29.05.2014.
Prof. Fritz Indra (TU-Wien, Fachgebiet Rennmotoren)Ex-Motoren-Entwickler bei Audi, Opel, General Motors
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24
Moderne ElektrofahrzeugeZukunftsprognose: 2017 bis 2027
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
2017 Elektroautos (BEV) haben einen verschwindend geringen Marktanteil
2020 BEV mit 500 km Reichweite werden von ersten Herstellernpreisgleich zu konventionellen PKW angeboten
2023 BEV mit 500 km Reichweiten werden von vielen Herstellernpreisgleich oder billiger als konventionelle PKW angeboten
2027 Alle großen Automobilhersteller fahren die Produktion von Otto- und Dieselmotoren massiv herunter, weil sich die Autos nicht mehr verkaufen
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Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
25
Moderne ElektrofahrzeugeZukunftsprognose: 2017 bis 2027
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
2017 Elektroautos (BEV) haben einen verschwindend geringen Marktanteil
2020 BEV mit 500 km Reichweite werden von ersten Herstellernpreisgleich zu konventionellen PKW angeboten
2023 BEV mit 500 km Reichweiten werden von vielen Herstellernpreisgleich oder billiger als konventionelle PKW angeboten
2027 Alle großen Automobilhersteller fahren die Produktion von Otto- und Dieselmotoren massiv herunter, weil sich die Autos nicht mehr verkaufen
Pressemeldung vom 09.05.2017:„Wie auf dem Wiener Motorensymposium verkündet wurde,
will BMW ab 2020 Elektroautos mit bis zu 500 km Reichweite zu einem vergleichbaren Preis wie Benziner des jeweiligen Segments
anbieten – dank neuer Batterietechnologie.“
Pressemeldung vom 10.05.2017:„Renault erwartet rasche Kostensenkung für E-Autos.
Renaults Elektroauto-Chef Gilles Normand geht davon aus, dass
die Zoe u.a. dank sinkender Batteriekosten zu Beginn des kommenden Jahrzehnts zum Preis vergleichbarer Verbrenner-Modelle verkauft werden
könnte.“
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
26
Sie glauben mir nicht?Was war vor 10 Jahren?
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
27
Sie glauben mir nicht?Was war vor 10 Jahren?
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Disruptive Innovation
Elektrotechnisches Institut
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Sie glauben mir nicht?Was war vor 10 Jahren?
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Steve BallmerMicrosoft CEO
„There‘s no chance that the iPhoneis going to get any significantmarket share.“
Mike LazaridisRIM (Blackberry) Gründer
Zitate 2007
„The iPhone was great for BlackBerry! People came in looking for an iPhone and walked out with a BlackBerry.“
Zitate 1997
„What would I do? I'd shut it [Apple] down and give the money back tothe shareholders."
Michael DellDell Gründer und CEO
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29
0
50
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150
200
250
Apple2007 Apple2017 Toyota Volkswagen Daimler Siemens
Umsatz EBIT
Sie glauben mir nicht?Und heute!
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17
Jahreszahlen Geschäftsjahr 2016
Mrd. €
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Moderne ElektrofahrzeugePreisentwicklung Batteriespeicher
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
0
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400
600
800
1000
1200
Prognose Tony Seba (US-Amerikanischer Zukunftsforscher), 2010
US$/kWh
Einkaufspreise Batteriezellen für OEMs
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Moderne ElektrofahrzeugePreisentwicklung Batteriespeicher
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
0
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400
600
800
1000
1200US$ / kWh
BMW, 12.08.2016„Die Preise von Batterien sinken deutlich schneller als erwartet. Prognosen der internationalen Energieagentur aus dem Jahr 2008 haben Kosten von 900 Euro pro Kilowattstunde für das Jahr 2010 vorausgesagt. Marktführende Hersteller von E-Autos konnten diesen Prognosewert um die Hälfte unterbieten. Auch die Batteriepreise von 2014 überraschten die Fachwelt: Die durchschnittlichen Kosten von 300 Euro pro Kilowattstunde waren von Fachjournalen erst für das Jahr 2020 vorausgesagt worden.“
Ab 150 US$ pro kWhwird der Durchbruch der Elektromobilität erwartet
GM contract with LG Chem for 145 $/kWh
Elektrotechnisches Institut
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32
Moderne ElektrofahrzeugeZweite Generation BEVs in 2017
17.05.17
2013 2017
41 kWh netto24.900 €*
23 kWh netto22.100 €*
19 kWh netto35.000 €
29 kWh netto36.200 €
60 kWh netto39.300 €
RenaultZoe
BMW i3
Opel Ampera-e
Alle Preise aktuell Stand 2017, incl. MwSt. ohne staatliche Förderung.
TeslaModel 3
60 kWh netto ?38.000 € ?
NissanLeaf
24 kWh netto29.300 €
30 kWh netto31.300 €
* plus Batteriemiete ca. 80 €/Monat
Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
17.05.17VWe-Golf
24 kWh netto34.900 €
36 kWh netto35.900 €
* zuzüglich Batteriemiete ca. 80 € Monat
2020
?
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Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
33
Moderne ElektrofahrzeugeDisruptive Innovation!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
• Elektroautos machen Spaß !(mehr Beschleunigung, weniger Rappeln, kein Gestank, bessere Straßenlage)
• Elektroautos sind bequem !(One-Pedal-Driving, Laden zu Hause oder auf der Arbeit)
• Das Reichweitenproblem hat sich erledigt, wenn BEVs ab 2020 typisch 400 - 500 km weit fahren können
• Der Anschaffungspreis von BEV wird günstiger als der von VKM-PKW(einfachere Mechanik: 20 bewegte Teile statt 2000 bewegte Teile)
• Reparatur und Service von BEV werden günstiger als die von VKM-PKW(einfachere Mechanik: 20 bewegte Teile statt 2000 bewegte Teile)
• Fahrkosten (Strom) werden günstiger als die von VKM-PKW (Benzin)(schon heute 50% bei Netzbezug, 25% mit eigenproduziertem Strom)
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
34
Moderne ElektrofahrzeugeEin notwendiger Beitrag zur Energiewende
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Mittlere Erdtemperatur relativ zum Durchschnittswert von 1961-1990
-5 -4 -3 -2 -1 0
1
2
3
4
5°C
Quelle: https://xkcd.com/1732/
2016
Beschluss der Bundesregierung: Senkung der Treibhausgasemissionen von 1990 bis 2030 um 55%, bis 2050 um 80-95%.
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
35
Wärmeerzeugung3%Verarbeitendes
Gewerbe13%
Luftverkehr14%
Schiene0,1%
Binnenschiffe0,1%
PKW-Verkehr14%
Sonst.Straße2,5%
ÜbrigeFeuerungsanlagen
14%
DiffuseEmissionBrennstoffe
1%
Industrieprozesse7% Landwirtschaft
7%
Abfall&Abwasser1%
Braunkohle18%
Steinkohle12%
Gas
3%
Öl
0% Sonstiges (Abfall)2%
Stromproduktion35%
Moderne ElektrofahrzeugeEin notwendiger Beitrag zur Energiewende
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Anthropogene CO2-Emissionen in Deutschland 2014
PKW: 14 % = 127 Mrd. t CO2Stromerzeugung: 35 % = 315 Mrd. t CO2
Quelle: Umweltbundesamt
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
36
Moderne ElektrofahrzeugeJetzt kommen die Bedenkenträger zu Wort!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Bildquelle: soft-skills.com
Elektrotechnisches Institut
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37
EnergieversorgungWoher kommt der ganze Strom?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
• 618,7 Mrd. PKW-km wurden 2015 in Deutschland gefahren (Quelle: Kraftfahrt-Bundesamt)
• Der mittlere Energieverbrauch eines BEV wird mit 20 kWh/100 km abgeschätzt und der Ladewirkungsgrad (Elektronik, Batterie) mit 90%
• Daraus ergibt sich ein Strombedarf von 140 Mrd. kWh pro Jahr,um alle in Deutschland angemeldeten PKW elektrisch zu betreiben
Bildquelle: Umweltbundesamt
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
38
EnergieversorgungWoher kommt der ganze Strom?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
0
100
200
300
400
500
600
700
Braunkohle Steinkohle Kernkraft Erdgas+Öl Sonstige Wasser Wind+PV Bio+Müll
Bruttostromerzeugung in Deutschland
Quelle: AG Energiebilanzen
Mrd. kWh
140 Mrd.kWh
Braunkohle
Steinkohle
Kernkraft
Erdgas+Öl
WasserkraftWind+PV
Biogas+Müllv.
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
39
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Wasser Wind+PV Bio+Müll SummeErneuerbareEnergien
EnergieversorgungWoher kommt der ganze Strom?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Regenerative Stromerzeugung in Deutschland
Quelle: AG Energiebilanzen
Mrd. kWh
140 Mrd. kWh
Von 2016 bis 2023 reicht alleine der Zuwachs an erneuerbarer Energie aus, um alle PKWs in Deutsch-land elektrisch zu fahren.
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
40
EnergieversorgungElektroautos sparen doch gar kein CO2 !
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Variante AWir nutzen die 140 Mrd kWh, um alle PKWs zu elektrifizieren(die produzierte Strommenge erhöht sich um 140 Mrd kWh)
� Das spart jährlich 127 Mio. Tonnen Treibhausgase(CO2-äquiv. Schadstoffemission PKW-Verkehr, Quelle Umweltbundesamt)
Variante BWir nutzen die 140 Mrd kWh, um Braunkohlekraftwerke abzuschalten(die produzierte Strommenge bleibt gleich, kein Strom für Elektroautos)
Braunkohle-Kraftwerke emittierten in 2015 160 Mio. Tonnen CO2-äquiv. und produzierten 154,5 Mrd. kWh Strom (Quelle Umweltbundesamt)
� Das spart jährlich 145 Mio. Tonnen Treibhausgase
Fazit: Beide Themen müssen für die Energiewende bis 2050 gelöst werden, also sollten wir auch beide jetzt angehen !
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
41
EnergieversorgungDie Netze brechen zusammen!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
E.on-Chef Johannes Teyssen: Kompletter Atomausstieg „überhaupt nicht zu verkraften“
05/2012
03/2011
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
42
EnergieversorgungDie Netze brechen zusammen!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Versorgungszuverlässigkeit (Netzausfälle) Strom
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0
200
400
600
800
1000
1200
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
AnzahlNetze
SAIDI
SAIDI = System Average Interruption Duration Durchschnittliche Versorgungsunterbrechung pro Endverbraucher in Minuten pro Jahr
Quelle: Bundesnetzagentur
Anza
hl N
etze
SAID
I [m
in]
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
43
EnergieversorgungDie Netze brechen zusammen!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Versorgungszuverlässigkeit (Netzausfälle) Strom
Quelle: BMWI, 2016
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
44
EnergieversorgungDie Netze brechen zusammen!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Quelle: Bundesnetzagentur
„Das bedeutet: Der hohe Anteil an erneuerbaren Energien bei der Stromversorgung in Deutschland hat die Zuverlässigkeit der Strom-versorgung nicht beeinträchtigt. Im Jahr 2014 lag er bei stolzen 27,8 Prozent, also fast einem Drittel. Nie zuvor kam der Strom in Deutsch-land verlässlicher aus der Steckdose.“
Zitat: Bundesministerium für Wirtschaft
und Energie, 22.09.2015
Elektrotechnisches Institut
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45
EnergieversorgungDie Netze brechen zusammen!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Netzstabilisierung durch bidirektionales Laden von Elektroautos
Nissan Vehicle-to-Grid (V2G) Projekt
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46
EnergieversorgungDie Netze brechen zusammen!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Solarwechselrichter
Batteriespeicher
DC
3~AC 3~AC
3~AC
PV-gesteuerteFunksteckdose
1~AC
1~AC
3~AC
LadestationElektroauto Haushaltsverbraucher
Netzstabilisierung durch lokale Erzeugung und lokalen Verbrauch
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
47
EnergieversorgungHeute Realität!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Verbrauch(W)
Erzeugung(W)
SOC(%)
Netzstabilisierung durch lokale Erzeugung und lokalen Verbrauch
Sonniger Frühlingstag im April
Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
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EnergieversorgungHeute Realität!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
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Netzstabilisierung durch lokale Erzeugung und lokalen Verbrauch
Sonniger Frühlingstag im April
Elektrotechnisches Institut
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EnergieversorgungHeute Realität!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
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Sonniger Frühlingstag im April
Mit selbst erzeugtem Strom zu fahren,kostet uns heute schon
nur rund 2,25 € auf 100 km!
(... und erzeugt wenig CO2 ...)
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EnergieversorgungDie Netze brechen zusammen!
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Netzstabilisierung durch Heimspeicher
Im Haus sitzt eine Fernsteuer-einrichtung (4), über die der Stromlieferant bei Bedarf Batteriestrom ins Netz zur Stabilisierung einspeisen kann.Dies passiert parallel in tausenden von Anlagen (virtueller Batteriepool).
Die Bereitstellung von Regel-energie für das Stromnetz erfolgt nur für wenige Minuten am Tag mit nur einem kleinen Teil der Batteriekapazität.
Dafür erhält der Haushalt 2.200 kWh/Jahr kostenlosen Strom.
Quelle: www.sonnenbatterie.de
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Produktion von Batterien und MotorenGibt es überhaupt genug Lithium und Kupfer?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Quelle: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2017
Lithium Jährliche
Fördermenge in tsd. Tonnen
Reserven in tsd. Tonnen
Ressourcen in tsd. Tonnen
Weltweit 37,8 14.000 46.700
Bolivien - - 9.000
Argentinien 5,7 2.000 9.000
Chile 12 7.500 7.500
China 2 3.200 7.000
USA 2,8 38 6.900
Australien 14,3 1.600 2.000
Kanada - - 2.000
sonstige - - 3.300
▶︎ Eine 10 kWh Batterie benötigt 1,5 - 1,7 kg Lithium▶︎ 10 kg Lithium für eine Fahrzeugbatterie (60 kWh)▶︎ 12.000 tsd. Tonnen werden benötigt, um für alle
Fahrzeuge weltweit je eine Batterie zu bauen▶︎ Darin ist Recycling (Sekundär-Lithium)
noch nicht eingerechnet▶︎ Weiteres Lithium ist in Salzwasser (Ozeane)
enthalten, geschätzt 230.000.000 tsd. Tonnen.
PKW-Bestand in der gesamten Welt: Ca. 1,2 Mrd. Fahrzeuge
Kupfer Jährliche
Fördermenge in Mio. Tonnen
Reserven in Mio. Tonnen
Ressourcen in Mio. Tonnen
Weltweit 19,4 720 2.100
Chile 5,5 210
Peru 2,3 81
China 1,74 28
USA 1,41 35 550
Australien 0,97 89
Kongo 0,91 20
Sambia 0,74 20
Kanada 0,72 11
Russland 0,71 30
Mexiko 0,62 46
sonstige 3,8 150
▶︎ Eine typischer E-Motor braucht 5-10 kg Kupfer▶︎ 9 Mio. Tonnen werden benötigt, um für alle
Fahrzeuge weltweit einen Motor zu bauen▶︎ Rund 1/3 des Neukupfers weltweit stammt
heute schon aus Recycling, also 6 Mio. Tonnen Fördermenge = Produktion von 4 Monaten
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IndividualverkehrBrauchen wir eigentlich so viele Autos?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Quelle: Jahresberichte Bundesverband CarSharing e.V.
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1.400.000
1.600.000
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2.000.000
1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017
AnzahlFahrberechtigte
AnzahlKFZ
Fahr
bere
chtig
te
KFZ
Entwicklung Car-Sharing in Deutschland
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LadesäulenWas ist mit den Ladesäulen?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Quelle: European Alternative Fuels Observatory
Anzahl öffentliche LadepunkteTyp 2 (AC-Laden) in Deutschland
Die Bundesregierung hat 300 Mio. € Fördermittel bis 2020 bereitgestellt(Förderquote 40%).
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LadesäulenWas ist mit den Ladesäulen?
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Geschätzte Kosten für die Errichtung von öffentlichen Ladesäulen:• IEC Typ 2 mit 22 kW: ca. 6.000 €• IEC CCS mit 50 kW: ca. 24.000 €• IEC CCS mit 150 kW oder mehr: ca. 60.000 €Wie viele öffentliche Ladesäulen brauchen wir?• Pro 1 Mio. Elektroautos rund 33.000 öffentliche Ladepunkte
(Studie LADEN2020 von KIT und DLR)• Die EU empfiehlt, bis 2020 150.000 Ladepunkte aufzubauen• Für 45 Mio Elektroautos rund 1,5 Mio. öffentliche LadepunkteWas kostet das also?Ausgehend von einem Mix: 90% 22 kW, 8% 50 kW, 2% 150 kW ergibt sich:• 150.000 Ladepunkte (2020): 1,3 Mrd. Euro• 1 Mio Ladepunkte (2030?): weitere 6,9 Mrd. Euro• 1,5 Mio Ladepunkte (2035?): weitere 4,2 Mrd. Euro
in Summe: 12,4 Mrd. Euro
Private Ladesäulen werden den hauptsächlichen Bedarf abdecken• Leistungen von 11 oder 22 kW reichen völlig aus• Kosten sind vergleichsweise gering (1.000 – 2.000 € incl. Installation)
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Moderne ElektrofahrzeugeWas kann uns jetzt noch stoppen?
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1) Lithium ist in ausreichender Menge vorhanden, aber weder die Bergbau-noch die Verarbeitungskapazität reichen aus, um einen starken Anstieg der Batterieproduktion zu beliefern. Lösung: Abwarten. Die steigende Nachfrage wird die Kapazitäten erzeugen.
2) Schlüsseltechnologien benötigen längere Zeit zum Hochlauf (Leistungs-halbleiter, Batteriesysteme, Elektromotoren)Lösung: Abwarten. Die steigende Nachfrage wird die Kapazitäten erzeugen.
3) Wir bekommen nicht schnell genug eine große Zahl von Ladesäulen aufgestelltLösung: Politischer Wille, Zeit, Geld
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Moderne ElektrofahrzeugeAktueller Stand Elektrofahrzeuge Weltweit
17.05.17 Martin DoppelbauerUniv.-Prof. Dr.-Ing.
Quelle: https://www.zsw-bw.de/presse/aktuelles/detailansicht/news/detail/News/zahl-der-elektroautos-weltweit-auf-13-millionen-gestiegen.html