Die nächsten 10 Jahre - Elektromobilität - VDE
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Elektrotechnisches Institut Elektromobilität Die nächsten 10 Jahre Martin Doppelbauer Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stand 05/2017 Elektrotechnisches Institut (ETI) – Professur für Hybridelektrische Fahrzeuge (HEV) KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
seit 1895
Das Elektrotechnische Institut (ETI)
Elektrotechnisches Institut
2 17.05.17 Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
seit 1895
Das Elektrotechnische Institut (ETI)
Elektrotechnisches Institut
E-Motoren Leistungselektronik
seit 1895
Elektrotechnisches Institut
Batteriesysteme Photovoltaik
3 17.05.17 Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
seit 1895
Das Elektrotechnische Institut (ETI)
Elektrotechnisches Institut
Prof. Dr.-Ing.
Stromrichter-Systemtechnik
Michael Braun
Elektrische Antriebe und Modulare Multilevel-Umrichter
Leistungselektronik (EAL)
Tel.: +49 (721) 608-42472
Michael.Braun@kit.edu Neuartige Umrichtertopologien
Campus Süd, Geb. 11.10
Raum 111 Maschinenregelung
Prof. Dr.-Ing.
Martin Doppelbauer Elektromagnetische Motorauslegung
Professur für Hybride
Elektrische Fahrzeuge (HEV) Mechanische Auslegung / Konstruktion
Tel.: +49 (721) 608-46250
Martin.Doppelbauer@kit.edu
Campus Süd, Geb. 11.10
Antriebssysteme
Raum 114
Prof. Dr.-Ing. Umrichterauslegung
Marc Hiller
Professur Leistungs- Elektrische und Thermische Simulation
elektronische Systeme (PES)
Tel.: +49 (721) 608-42474
Marc.Hiller@kit.edu
LV/MV-Leistungshalbleiter
Campus Süd, Geb. 11.10
Raum 116 Neuartige Applikationen
4 17.05.17 Elektrotechnisches Institut
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
Inhaltsverzeichnis
Was habe ich heute mit Ihnen vor?
1) Elektrische Traktionsantriebe
2) Elektroautos
... in den nächsten 10 Jahren
Bildquelle: Tesla Motors
5 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
Leistungsgewicht
VKM und E-Motoren
Industriemotoren
10,0 (ASM)
Industriemotoren
(PMSM)
[kg / kW]
Elektrische Traktionsantriebe
Verbrenner
(in Serienproduktion)
(Diesel)
1,0
Verbrenner
(Otto)
Formel 1
Rennmotor
0,1
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Alle Werte für Dauerbetrieb (S1). Die Spitzenleistung ist meist 1,5 – 3 -fach höher.
Max. Motor Drehzahl [1/min]
6 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
Worum geht es bei Traktionsantrieben
Gewicht, Bauraum, Kosten !
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
Also:
Die Baugröße bestimmt das Drehmoment
Die Drehzahl bestimmt die Leistung
Strom I
Daher
1) Hohe Drehzahl des Motors
für viel Leistung pro Volumen
(Gewicht, Kosten)
2) Drehmoment aus dem Getriebe
(nur ein fester Gang, keine Kupplung!)
7 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
Erhöhung der Leistungsdichte
High-Speed
ASM bis 30.000 /min + Getriebe + Leistungselektronik
Projekt EFFECT360
8 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
Erhöhung der Leistungsdichte
Kühlung
Direkte Wasserkühlung in der Nut
Direkte Ölkühlung des Wickelkopfes
9 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische Fahrzeuge
Erhöhung der Leistungsdichte
Kühlung
Mechanische Optimierung
Leichtbau
Rotordynamik
Neue Fertigungsverfahren
Hoher Füllfaktor
Kühlungskonzepte
Konventionelle Topologien
Direkte Statorkühlung
(integriert ins Blechpaket)
Direkte Wicklungskühlung
10 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeErhöhung der Leistungsdichte
Kühlung
Projekt REM 2030
11 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeErhöhung der Leistungsdichte
Kühlung und High-Speed
S01-30-20
max. speed 20.000 rpm
rated power 25 kW1
peak power 70 kW2
weight 5,3 kg
peak efficiency >95%
High peak power
S03-17-30
max. speed 30.000 rpm Technology
rated power >30 kW3 Filling factor >80% (distributed winding)
peak power 50 kW
weight 4,1 kg
peak efficiency ≈94%
S02-90-15
max. speed 15.000 rpm
rated power 60 kW High continuous power
peak power 70 kW
weight 13 kg
peak efficiency > 96% Technology
1 Requiers rotor oil cooling from gear-box Indirect slot cooling (water/glycol)
2 For 6 sec. and room temperature
3 Oil-cooled, lower for water-cooled version
12 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeWeltrekordmotor
Spitzenleistung – KA-RaceIng
KIT16e
0 – 100 km/h 2,5 s
Gewicht 195 kg
Top Speed 116 km/h
Batteriekapazität 6,5 kWh
Dauerleistung 4 x 30 kW
Spitzenleistung 4 x 70 kW
2014 2015-16
Maschinentyp PMSM PMSM
Maximaldrehzahl 20.000 /min 30.000 /min
Gesamtgewicht 5 kg 4,1 kg
Leistungsdichte 0,17 kg/kW 0,15 kg/kW
Dauerleistung (6 kW/kg) (6,7 kW/kg)
13 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeLeistungsgewicht
VKM und E-Motoren
Industriemotoren
10,0 (ASM)
Industriemotoren
(PMSM)
[kg / kW]
Elektrische Traktionsantriebe
Verbrenner
(in Serienproduktion)
(Diesel)
1,0
Verbrenner
(Otto)
Formel 1
Rennmotor
REM 2030 KIT14e
Siemens KIT16e
0,1
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
Alle Werte für Dauerbetrieb (S1). Die Spitzenleistung ist meist 1,5 – 3 -fach höher.
Max. Motor Drehzahl [1/min]
14 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeNeuartige Motorkonzepte
Geschaltete Reluktanzmaschine
Pareto- Prototyp Kennzahlen
Optimierung
Maximalleistung 150 kW
Leistungsdichte [kW/l]
Maximaldrehzahl 30.000 min-1
Zwischenkreisspannung 780 V
Phasenstrom 300 A
Leistungsdichte 30 kW / l
Effizienz im Fahrzyklus 91,3 %
Effizienz [%]
Prototypenfertigung
15 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeNeuartige Motorkonzepte
Hybrid-Synchronmaschine
SM Same%boundary conditions for all%machines:
FE
o Identical stator
asymm.+Hybrid
o Identical max.%current and voltage
Advantages+of asymmetrical machines:
o Higher%torque
Vorteile throu asymmetry
asymetrischer Hybridmotoren:
o •Good field weakening
Höheres (because of rotor coils)
Drehmoment
o •High%peak efficiency (because of permanent%magnets)
Gute Feldschwächbarkeit (wegen Spulen)
PS
• Guter Spitzenwirkungsgrad (wegen Magneten)
M
Allerdings:%Generatorischer Bereich%deutlich%schlechter
PSM z.B. BMW i3 FESM z.B. Renault Zoe asymm.+Hybrid KIT
+ =
16 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeNeuartige Motorkonzepte
Axialfluss Synchronmaschine
17 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeNeuartige Umrichterkonzepte
Umrichter für Prototypenfahrzeuge
SiC - Umrichter
dc-link voltage/blocking voltage 600V/1200V
peak phase current 80A
continuous phase current 60A
efficiency >98%
switching frequency 30kHz
Si-IGBT Umrichter
dc-link voltage/blocking voltage 600V/1200V
peak phase current 300A
continuous phase current 250A
switching frequencyInhaltsverzeichnis
Was habe ich heute mit Ihnen vor?
1) Elektrische Traktionsantriebe
2) Elektroautos
... in den nächsten 10 Jahren
Bildquelle: Tesla Motors
19 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieverbrauch und Verluste
(K)ein Buch mit sieben Siegeln
Leistung [kW] Energie [kW h]
Wie schnell kann man fahren? Wie weit kann man fahren?
Richtwerte für Leistung: Richtwerte für 100 km Reichweite:
§ Bei 50 km/h ca. 5 kW
§ Bei 100 km/h ca. 15 kW § Kraftstoff: 7,3 l *
§ Bei 130 km/h ca. 30 kW (entspricht etwa 70 kWh)
§ Bei 160 km/h ca. 50 kW
§ Bei 200 km/h ca. 100 kW § 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
Bildquelle: Leifi Physik, fotocommunity.de (Peter Müller), Kraftfahrt-Bundesamt
20 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeHistorie Elektrofahrzeuge
1896 bis 1912: Die große Zeit der Elektroautos
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)
Trouve Tricycle Allrad Lohner-Porsche
Quelle: Wikipedia Quelle: Porsche
21 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
1990 bis heute: Renaissance einer cleveren Idee
1990 Erlassen des Clean Air Act in Kalifornien
1991 Sony bringt die Lithium-Ionen Batterie auf den Markt (für Videokameras)
1995 City-STROMer von VW auf Basis Golf III mit Bleibatterie
1997 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 Serie
2009 Mitsubishi stellt mit dem i-MiEV das erste moderne Serien-Elektroauto vor
2010 General Motors stellt den Chevrolet Volt vor (Opel Ampera folgt 2011)
2012/13 Renault bringt eine Flotte von vier kostengünstigen Serien-Elektroautos
2014... Viele weitere Serienfahrzeuge von europäischen Herstellern folgen
Quelle: Audi AG Quelle: Renault
22 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Zukunftsprognose: 2014 bis 2314
Prof. Fritz Indra
(TU-Wien, Fachgebiet Rennmotoren)
Ex-Motoren-Entwickler bei Audi, Opel, General Motors
„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 CO2
Bilanz hat wie ein vergleichbares Fahrzeug mit modernem
Verbrennungsmotor.“
VDI Nachrichten vom 29.05.2014.
23 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Zukunftsprognose: 2017 bis 2027
2017 Elektroautos (BEV) haben einen verschwindend geringen Marktanteil
2020 BEV mit 500 km Reichweite werden von ersten Herstellern
preisgleich zu konventionellen PKW angeboten
2023 BEV mit 500 km Reichweiten werden von vielen Herstellern
preisgleich 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
24 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Zukunftsprognose: 2017 bis 2027
2017 Elektroautos (BEV) haben einen verschwindend geringen Marktanteil
Pressemeldung vom 09.05.2017:
„Wie auf dem Wiener Motorensymposium verkündet wurde,
will BMW ab 2020 Elektroautos mit bis zu 500 km Reichweite
zu
2020einemBEV
vergleichbaren Preis wie Benziner
mit 500 km Reichweite des ersten
werden von jeweiligen Segments
Herstellern
anbieten preisgleich
– dank neuerzuBatterietechnologie.“
konventionellen PKW angeboten
Pressemeldung vom 10.05.2017:
2023 BEV mit 500 km Reichweiten werden von vielen Herstellern
„Renault erwartet rasche Kostensenkung für E-Autos.
preisgleich oder billiger als konventionelle PKW angeboten
Renaults Elektroauto-Chef Gilles Normand geht davon aus, dass
die Zoe u.a. dank sinkender Batteriekosten zu Beginn des kommenden
Jahrzehnts
2027 Allezum Preis
großen vergleichbarer Verbrenner-Modelle
Automobilhersteller verkauft werden
fahren die Produktion
könnte.“ von Otto- und Dieselmotoren massiv herunter,
weil sich die Autos nicht mehr verkaufen
25 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeSie glauben mir nicht?
Was war vor 10 Jahren?
26 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeSie glauben mir nicht?
Was war vor 10 Jahren?
Disruptive Innovation
27 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeSie glauben mir nicht?
Was war vor 10 Jahren?
Zitate 1997 Michael Dell
Dell Gründer und CEO
„What would I do? I'd shut it [Apple]
down and give the money back to
the shareholders."
Zitate 2007 Steve Ballmer
Microsoft CEO
„There‘s no chance that the iPhone
is going to get any significant
market share.“
Mike Lazaridis
RIM (Blackberry) Gründer
„The iPhone was great for BlackBerry!
People came in looking for an iPhone
and walked out with a BlackBerry.“
28 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeSie glauben mir nicht?
Und heute!
250
Mrd. € Umsatz EBIT
200
150
100
50
0
Apple 2007 Apple 2017 Toyota Volkswagen Daimler Siemens
Jahreszahlen Geschäftsjahr 2016
29 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Preisentwicklung Batteriespeicher
Prognose Tony Seba (US-Amerikanischer Zukunftsforscher), 2010
1200
US$/kWh
1000
800
600
400
200
0
Einkaufspreise Batteriezellen für OEMs
30 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Preisentwicklung Batteriespeicher
BMW, 12.08.2016
„Die Preise von Batterien sinken deutlich schneller als erwartet.
Prognosen der internationalen Energieagentur aus dem Jahr 2008
haben Kosten von 900 Euro pro Kilowattstunde für das Jahr 2010
vorausgesagt. Marktführende Hersteller von E-Autos konnten
1200 diesen Prognosewert um die Hälfte unterbieten.
US$ / kWh Auch die Batteriepreise von 2014 überraschten die Fachwelt: Die
1000 durchschnittlichen Kosten von 300 Euro pro Kilowattstunde waren
von Fachjournalen erst für das Jahr 2020 vorausgesagt worden.“
800
600
GM contract with LG Chem for 145 $/kWh
400
200 Ab 150 US$ pro kWh
wird der Durchbruch
0 der Elektromobilität
erwartet
31 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Zweite Generation BEVs in 2017
2013 2017 2020
BMW 19 kWh netto 29 kWh netto
i3 35.000 € 36.200 €
Nissan 24 kWh netto 30 kWh netto
17.05.17
Leaf 29.300 € 31.300 €
VW 24 kWh netto 36 kWh netto
?
17.05.17
e-Golf 34.900 € 35.900 €
Renault 23 kWh netto 41 kWh netto
Zoe 22.100 €* 24.900 €*
Opel 60 kWh netto
Ampera-e 39.300 €
Tesla 60 kWh netto ?
Model 3 38.000 € ?
Alle Preise aktuell Stand 2017, incl. MwSt. ohne staatliche Förderung.
* zuzüglich Batteriemiete ca. 80 € Monat
32 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Disruptive Innovation!
• 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)
33 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Ein notwendiger Beitrag zur Energiewende
Mittlere Erdtemperatur relativ zum Durchschnittswert von 1961-1990
Quelle: https://xkcd.com/1732/
5
°C
4
3
2
1
2016
0
-1
-2
-3
-4
-5
Beschluss der Bundesregierung: Senkung der Treibhausgasemissionen
von 1990 bis 2030 um 55%, bis 2050 um 80-95%.
34 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Ein notwendiger Beitrag zur Energiewende
Anthropogene CO2-Emissionen in Deutschland 2014
Industrieprozesse Abfall & Abwasser
7% Landwirtschaft
7% 1%
Diffuse Emission
Brennstoffe
1%
Übrige
Feuerungsanlagen Steinkohle
14% 12%
Sonst. Straße
2,5% Stromproduktion
35%
PKW-Verkehr
14% Gas
Braunkohle 3%
18%
Binnenschiffe Öl
0,1% Sonstiges (Abfall) 0%
Schiene Wärmeerzeugung 2%
0,1% Verarbeitendes
3%
Gewerbe
Luftverkehr
13%
14% PKW: 14 % = 127 Mrd. t CO2
Stromerzeugung: 35 % = 315 Mrd. t CO2
Quelle: Umweltbundesamt
35 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Jetzt kommen die Bedenkenträger zu Wort!
Bildquelle: soft-skills.com
36 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Woher kommt der ganze Strom?
• 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
37 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Woher kommt der ganze Strom?
Bruttostromerzeugung in Deutschland 140 Mrd.
700 kWh
Mrd. kWh
Biogas+Müllv.
600
Wind+PV
500
Wasserkraft
400
Erdgas+Öl
300 Kernkraft
200 Steinkohle
100
Braunkohle
0
Braunkohle Steinkohle Kernkraft Erdgas+Öl Sonstige Wasser Wind+PV Bio+Müll Quelle: AG Energiebilanzen
38 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Woher kommt der ganze Strom?
Regenerative Stromerzeugung in Deutschland
400
Mrd. kWh
350
300
140 Mrd. kWh
250
200
150 Von 2016 bis 2023 reicht
alleine der Zuwachs an
100 erneuerbarer Energie aus,
um alle PKWs in Deutsch-
50 land elektrisch zu fahren.
0
Wasser Wind+PV Bio+Müll Summe Erneuerbare Energien
Quelle: AG Energiebilanzen
39 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Elektroautos sparen doch gar kein CO2 !
Variante A
Wir 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 B
Wir 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 !
40 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Die Netze brechen zusammen!
03/2011
05/2012
E.on-Chef Johannes Teyssen:
Kompletter Atomausstieg
„überhaupt nicht zu verkraften“
41 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Die Netze brechen zusammen!
Versorgungszuverlässigkeit (Netzausfälle) Strom
1200 3
1000 2,5
Anzahl Netze
800 2
SAIDI [min]
600 1,5
400 1
200 Anzahl Netze 0,5
SAIDI
0 0
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015
SAIDI = System Average Interruption Duration
Durchschnittliche Versorgungsunterbrechung pro Endverbraucher in Minuten pro Jahr
Quelle: Bundesnetzagentur
42 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Die Netze brechen zusammen!
Versorgungszuverlässigkeit (Netzausfälle) Strom
Quelle: BMWI, 2016
43 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Die Netze brechen zusammen!
„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
Quelle: Bundesnetzagentur
44 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Die Netze brechen zusammen!
Netzstabilisierung durch bidirektionales Laden von Elektroautos
Nissan Vehicle-to-Grid (V2G) Projekt
45 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Die Netze brechen zusammen!
Netzstabilisierung durch lokale Erzeugung und lokalen Verbrauch
Solarwechselrichter
Batteriespeicher
DC
3~AC
3~AC
3~AC
PV-gesteuerte
3~AC
1~AC
1~AC
Ladestation Elektroauto Funksteckdose Haushaltsverbraucher
46 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Heute Realität!
Netzstabilisierung durch lokale Erzeugung und lokalen Verbrauch
14000 120%
Verbrauch(W)
Erzeugung(W)
12000 100%
SOC (%)
10000 80%
8000 60%
6000 40%
4000 20%
2000 0%
0 -20%
Sonniger Frühlingstag im April
47 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Heute Realität!
Netzstabilisierung durch lokale Erzeugung und lokalen Verbrauch
14000 120%
Verbrauch(W)
Erzeugung(W)
12000 100%
SOC (%)
10000 80%
8000 60%
6000 40%
4000 20%
2000 0%
0 -20%
Sonniger Frühlingstag im April
48 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Heute Realität!
Sonniger Frühlingstag im April
14000 120%
Verbrauch(W)
Erzeugung(W)
12000 100%
SOC (%)
10000 80%
Mit selbst erzeugtem Strom zu fahren,
8000
kostet uns heute schon 60%
6000 nur rund 2,25 € auf 100 km! 40%
4000 20%
(... und erzeugt wenig CO2 ...)
2000 0%
0 -20%
49 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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Professur Hybridelektrische FahrzeugeEnergieversorgung
Die Netze brechen zusammen!
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
50 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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Professur Hybridelektrische FahrzeugeProduktion von Batterien und Motoren
Gibt es überhaupt genug Lithium und Kupfer?
PKW-Bestand in der gesamten Welt: Ca. 1,2 Mrd. Fahrzeuge
Jährliche Jährliche
Reserven Ressourcen Reserven Ressourcen
Lithium Fördermenge
in tsd. Tonnen in tsd. Tonnen Kupfer Fördermenge
in Mio. Tonnen in Mio. Tonnen
in tsd. Tonnen in Mio. Tonnen
Weltweit 37,8 14.000 46.700 Weltweit 19,4 720 2.100
Bolivien - - 9.000 Chile 5,5 210
Argentinien 5,7 2.000 9.000 Peru 2,3 81
Chile 12 7.500 7.500 China 1,74 28
China 2 3.200 7.000 USA 1,41 35 550
USA 2,8 38 6.900 Australien 0,97 89
Australien 14,3 1.600 2.000 Kongo 0,91 20
Kanada - - 2.000 Sambia 0,74 20
sonstige - - 3.300 Kanada 0,72 11
Russland 0,71 30
▶︎ Eine 10 kWh Batterie benötigt 1,5 - 1,7 kg Lithium
▶︎ 10 kg Lithium für eine Fahrzeugbatterie (60 kWh) Mexiko 0,62 46
▶︎ 12.000 tsd. Tonnen werden benötigt, um für alle sonstige 3,8 150
Fahrzeuge weltweit je eine Batterie zu bauen ▶︎ Eine typischer E-Motor braucht 5-10 kg Kupfer
▶︎ Darin ist Recycling (Sekundär-Lithium) ▶︎ 9 Mio. Tonnen werden benötigt, um für alle
noch nicht eingerechnet Fahrzeuge weltweit einen Motor zu bauen
▶︎ Weiteres Lithium ist in Salzwasser (Ozeane) ▶︎ Rund 1/3 des Neukupfers weltweit stammt
enthalten, geschätzt 230.000.000 tsd. Tonnen. heute schon aus Recycling, also 6 Mio. Tonnen
Fördermenge = Produktion von 4 Monaten
Quelle: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2017
51 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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Professur Hybridelektrische FahrzeugeIndividualverkehr
Brauchen wir eigentlich so viele Autos?
2.000.000 Entwicklung Car-Sharing in Deutschland 20.000
1.800.000 18.000
1.600.000 16.000
Fahrberechtigte
1.400.000 14.000
Anzahl
1.200.000 12.000
KFZ
KFZ
1.000.000 10.000
800.000 8.000
600.000 6.000
400.000 4.000
Anzahl
200.000 2.000
Fahrberechtigte
0 0
1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017
Quelle: Jahresberichte Bundesverband CarSharing e.V.
52 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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Professur Hybridelektrische FahrzeugeLadesäulen
Was ist mit den Ladesäulen?
100000 Anzahl öffentliche Ladepunkte
Typ 2 (AC-Laden)
in Deutschland
80000
60000
40000
Die Bundesregierung hat
300 Mio. € Fördermittel
bis 2020 bereitgestellt
(Förderquote 40%).
20000
0
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Quelle: European Alternative Fuels Observatory
53 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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Professur Hybridelektrische FahrzeugeLadesäulen
Was ist mit den Ladesäulen?
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)
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 Ladepunkte
Was 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
54 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Was kann uns jetzt noch stoppen?
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
aufgestellt
Lösung: Politischer Wille, Zeit, Geld
55 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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Professur Hybridelektrische FahrzeugeModerne Elektrofahrzeuge
Aktueller Stand Elektrofahrzeuge Weltweit
Quelle: https://www.zsw-bw.de/presse/aktuelles/detailansicht/news/detail/News/zahl-der-elektroautos-weltweit-auf-13-millionen-gestiegen.html
56 17.05.17 Martin Doppelbauer Elektrotechnisches Institut
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