Die Transformation der Antriebs- und Kraftstofftechnologien bildet eine zentrale Herausforderung für die Ausgestaltung einer nachhaltigen Mobilität. Dafür hat die AG 2 folgende technologische Optionen hinsichtlich des aktuellen und zukünftig erwartbaren Entwicklungsstands unter optimalen Voraussetzungen betrachtet: technologische Elektromobilitätskonzepte, Wasserstoff und Brennstoffzellen sowie alternative Kraftstoffe für den Verbrennungsmotor. Die Technologien wurden dabei unabhängig voneinander betrachtet. Die AG 2 geht davon aus, dass 2030 7 bis 10,5 Millionen BEV und PHEV (Plug-In Hybrid Electric Vehicle) im Bestand sein werden. Die Reichweiten unterscheiden sich je nach Fahrzeugsegment: Bei Pkw besteht eine Bandbreite von bis zu 300 km im Kleinwagensegment und über 500 km bei Oberklasse-Pkw. Leichte und mittlere Nutzfahrzeuge können eine Reichweite zwischen 100 und 250 km erzielen. Erste Prototypen für batterieelektrische schwere Nutzfahrzeuge erreichen vergleichsweise geringe Reichweiten. Im Straßengüterfernverkehr werden aktuell erste Teststrecken für Oberleitungs-Lkw aufgebaut. Für die Schifffahrt bestehen Planungen für die Nutzung von Landstrom in Häfen und es wurden bereits erste Fähren elektrifiziert. Für Flugzeuge gibt es erste Prototypen, die auf lange Sicht eine Reichweite von bis zu 1.000 km erreichen können, und im Schienenverkehr existieren Prototypen für batteriebetriebene Triebzüge und Diesel-Hybrid-Rangierlokomotiven. Aus klimapolitischer Sicht wäre bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen ein Bestand von bis zu 1,4 Millionen Pkw und 400.000 Nutzfahrzeugen wünschenswert für 2030, die in Deutschland tatsächlich erreichbaren Fahrzeugzahlen sind aufgrund der zurückhaltenden Positionierung etlicher Autohersteller noch mit Unsicherheiten behaftet und sollen in dem zweiten Kurzbericht abgestimmt dargelegt werden. Der aktuelle Entwicklungsstand ist bei den einzelnen Fahrzeugen sehr unterschiedlich und reicht von ersten Erprobungsträgern bis hin zu Serienfahrzeugen. Serienanwendungen finden sich heute vor allem im Mittel- bzw. Oberklassesegment bei Pkw. Für Brennstoffzellen-Fahrzeuge ergeben sich Reichweiten, die mit denen verbrennungsmotorisch betriebener Fahrzeuge vergleichbar sind. Im Schienenpersonennahverkehr können nicht elektrifizierte Strecken durch mit Wasserstoff betriebene Nahverkehrszüge bedient werden. In der Luftfahrt werden Brennstoffzellen vor allem für elektrische Antriebe und Nebenaggregate eingesetzt. Erste Entwicklungsprojekte in der Schifffahrt statten Binnen- und Fährschiffe mit Brennstoffzellen aus und nutzen die Brennstoffzelle für die Bordstromversorgung. Technologieoptionen neuartiger alternativer Kraftstoffe konnten entlang biomassebasierter und strombasierter Kraftstoffe identifiziert werden. Diese Kraftstoffe stehen derzeit allerdings nur in geringen Mengen zur Verfügung, sodass zu deren Verbreitung Technologien für den Einsatz in Großanlagen weiterentwickelt werden müssen. Alternative Kraftstoffe sind mit der bestehenden Tankinfrastruktur kompatibel und bieten sich insbesondere für schwere Verkehrsmittel wie schwere Nutzfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge im Zusammenhang mit langen Reichweiten an. Die AG 2 hat mit dem vorliegenden Kurzbericht eine technologieorientierte Faktenbasis für alternative Antriebe und Kraftstoffe zur Reduktion von CO2 Emissionen im Verkehr geschaffen. In der weiteren Arbeit wird die AG 2 nun technologieoffen die Rahmenbedingungen und Potentiale sowie die Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft und Wirtschaft betrachten.:Vorwort 1 Executive Summary 2 Einführung und Zielsetzung 3 Grundlagen des Kurzberichtes 4 Erste Erkenntnisse der AG 2 4.1. Perspektiven batterieelektrischer Fahrzeuge 11 4.2. Perspektiven von Brennstoffzellen-Fahrzeugen 16 4.3. Perspektiven alternativer Kraftstoffe 20 5 Ausblick 6 Anhang

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Highly active and durable oxygen reduction catalysts are needed to reduce the costs and enhance the service life of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). This can be accomplished by alloying Pt with a transition metal (e.g. Ni) and by eliminating the corrodible, carbon based catalyst support - however, materials combining both approaches have seldom been implemented in PEFC cathodes. In this work, an unsupported Pt-Ni alloy nanochain ensemble (aerogel) demonstrates high current PEFC performance commensurate with that of a carbon supported benchmark (Pt/C) following optimization of the aerogel\'s catalyst layer (CL) structure. The latter is accomplished using a soluble filler to shift the CL\'s pore size distribution towards larger pores which improves reactant and product transport. Chiefly, the optimized PEFC aerogel cathodes display ≈ 2.5-fold larger surface-specific ORR activity than Pt/C and maintain 90% of the initial activity after an accelerated stress test (vs. 40% for Pt/C).

Alternative Antriebs- und Kraftstofftechnologien sind zentral für die Ausgestaltung einer nachhaltigen und CO2- reduzierten Mobilität der Zukunft. Die AG 2 hat dazu die folgenden technologischen Optionen unter realen Rahmenbedingungen betrachtet: technologische Elektromobilitätskonzepte, Wasserstoff und Brennstoffzellen sowie alternative Kraftstoffe für den Verbrennungsmotor (für alle Verkehrsträger). All diese technologischen Optionen müssen genutzt werden, um die CO2-Reduktionsvorgaben zu erfüllen – Technologieoffenheit ist ein zentraler Ausgangspunkt der AG 2 im Kontext eines kosteneffizienten und möglichst effektiven Einsatzes der vorhandenen Optionen. Den Schwerpunkt bildet die Betrachtung von Pkw und Nutzfahrzeugen, da sie den größten Anteil an den CO2-Emissionen aufweisen und diesbezüglich das größte CO2-Minderungspotenzial vorhanden ist. Andere Verkehrsträger und -mittel wurden separat ohne größere Detailtiefe betrachtet. Batteriebasierte Elektromobilität ist die zum heutigen Stand technologisch am weitesten ausgereifte Lösung, um CO2 im Verkehrssektor zu senken (Tank-to-Wheel-Betrachtung). Die AG 2 geht aktuell von 7 bis 10,5 Mio. Elektrofahrzeugen (Pkw und leichte Nutzfahrzeuge) im Bestand im Jahr 2030 aus. Das ist zwar eine sehr ambitionierte, aber noch realisierbare Größenordnung. Pro Elektrofahrzeug werden circa 1,1 nicht öffentliche Ladepunkte errichtet, wobei dieses Verhältnis bei steigender Anzahl an Fahrzeugen sinken wird. Im Bereich der öffentlich zugänglichen Ladeinfrastruktur werden DC-Schnelllader verstärkt notwendig und nicht nur an Autobahnen aufgebaut werden. Hinsichtlich der Batteriezellentechnologie wird der Batteriesystempreis durch Verbesserungen auf Zell-Level in den kommenden Jahren voraussichtlich auf unter 90 € / kWh fallen. Bis 2030 scheint ein kWh-Preis von 75 € erreichbar. Das Elektrofahrzeug wird definitionsgemäß in der Betriebsphase in der Tank-to-Wheel-Betrachtung als CO2-frei bewertet. Es liefert somit einen unverzichtbaren Beitrag, um die CO2-Emissionen des Verkehrssektors zu senken. Die energieintensive Produktion der Batteriezellen hat in der Lebenszyklusanalyse großen Einfluss auf die bereits eingebrachte CO2-Menge und hängt stark vom Anteil erneuerbarer Energie bei der Produktion ab. Als ein weiteres technologisches Elektromobilitätskonzept gelten Strom-Oberleitungen für schwere Nutzfahrzeuge. Aus ambitionierter Sicht ergeben sich im Jahr 2030 66.000 Oberleitungs-Lkw und ein Oberleitungsnetz von 4.000 km. Wasserstoff wird heute überwiegend mittels Dampfreformierung von Erdgas – auch „grauer“ oder „Industriewasserstoff“ genannt – und der Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, „blauen“ Wasserstoff herzustellen. Dabei werden C-Bestandteile abgespalten und zu Synthesezwecken verwendet respektive in entsprechenden Lagerstätten gespeichert. Ziel muss es aber sein, erneuerbaren Strom zur Elektrolyse zu nutzen, um emissionsfrei „grünen“ Wasserstoff bereitstellen zu können und zusätzlich Strom in eine speicherbare Energieform zu überführen und auf diese Weise Angebot und Nachfrage zeitlich entkoppeln zu können. Weitere Details zu den Marktpotenzialen und Wettbewerbsbedingungen liefert die PtX-Roadmap der AG 5. Der Transport von großen Mengen Wasserstoff auf langen Distanzen kann durch Pipelines erfolgen – auch durch umgerüstete Erdgaspipelines. Für die Nahverteilung eignen sich je nach örtlichen Gegebenheiten auch Pipelines oder der Transport per Lkw (als Druckgas oder flüssig). Die Brennstoffzellenkosten auf Zell- und Systemebene nehmen bei zunehmender Produktion signifikant ab. [ aus Executive Summary]:Executive Summary 1 Einleitung 2 Bewertung der Rahmenbedingungen – übergreifende Themen 2.1 Politische Vorgaben und Klimaschutz 2.2 Rechtliche Rahmenbedingungen 2.3 Förderprogramme von EU, Bund und Ländern 2.4 Energieträgerkosten 2.5 Steuern, Preisgestaltung und CO2-Bepreisung der Energieträger 3 Rahmenbedingungen für Elektromobilitätskonzepte 3.1 Aufbau der Ladeinfrastruktur 3.2 Preisentwicklung Batterie 3.3 Oberleitungs-Lkw 3.4 CO2-Minderungspotenzial 3.5 Forderung, rechtliche Rahmenbedingungen 4 Rahmenbedingungen für Brennstoffzellenfahrzeuge 4.1 H2-Wirtschaft und -Infrastruktur: Förderbedarf, Preisentwicklung 4.2 Technologiereife, Forschungsbedarf bei Brennstoffzellen 4.3 CO2-Minderungspotenzial 4.4 Forderung, rechtliche Rahmenbedingungen 4.5 Abschätzung des Investitionsbedarfs 5 Rahmenbedingungen für Verbrennungsmotoren mit alternativen Kraftstoffen 5.1 Alternative Kraftstoffe aus fossilen Quellen: CNG/LNG und GtL 5.2 Bedeutung einer Wasserstoffwirtschaft für synthetische Kraftstoffe 5.3 Herstellung und Verfügbarkeit alternativer Kraftstoffe 5.4 Markthochlauf alternativer Kraftstoffe 5.5 Einsatz in der Bestandsflotte 5.6 Kosten biomasse- und strombasierter Kraftstoffe 5.7 CO2-Minderungspotenzial 5.8 Förderung, rechtliche Rahmenbedingungen 5.9 Abschätzung des Investitionsbedarfs 6 Bewertung der Rahmenbedingungen – Luftverkehr, Schifffahrt, Schienenverkehr 6.1 Luftverkehr 6.2 Schienenverkehr 6.3 Schifffahrt 7 Zukünftiger Antriebstechnologiemix 7.1 Zusammenfassende Bewertung der einzelnen Antriebstechnologien 7.2 Zusammenspiel der Antriebstechnologien untereinander und mit anderen Sektoren 7.3 Antriebsmix 2030 8 Zusammenfassung 9 Ausblick Anhang Abbildungs- Und Tabellenverzeichnis

<p>Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Reaktor und wandelt chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie um. In der stationären Energieerzeugung ist der Brennstoffzellenstapel selbst nur ein kleiner Bestandteil des vollständigen Systems. Die Integration aller zusätzlichen Bestandteile, der Peripheriegeräte (Balance-of-Plant) (BoP), ist eine der Hauptaufgaben in der Studie der Brennstoffzellenkraftwerke.</p><p>Diese Untersuchung betrifft die Systemstudie des auf der Schmelz-Karbonat-Brennstoffzelle (MCFC) basierten Kraftwerks. Die Systemstudie ist mit dem Simulationprogramm Aspen PlusTM durchgeführt worden.</p><p>Artikel I beschreibt die Implementierung eines in Aspen PlusTM entwickelten MCFC Stapelmodells, um ein MCFC Kraftwerk zu studieren, das Erdgas als Brennstoff verwendet.</p><p>Artikel II beschreibt, wie unterschiedliche Prozeßparameter, wie Brenngasnutzung und dieWahl des Brennstoffes, die Leistung eines MCFC Kraftwerks </p> / <p>A fuel cell is an electrochemical reactor, directly converting chemically bound energy to electrical energy. In stationary power production the fuel cell stack itself is only a small component of the whole system. The integration of all the auxiliary components, the Balance-of-Plant (BoP), is one of the main issues in the study of fuel cell power plants.</p><p>This thesis concerns the systems studies of molten carbonate fuel cell (MCFC) based power plants. The system studies has been performed with the simulation software Aspen PlusTM.</p><p>Paper I describes on the implementation of a developed MCFC stack model into Aspen PlusTM in order to study an MCFC power plant fueled with natural gas.</p><p>Paper II describes how different process parameters, such as fuel cell fuel utilization, influence the performance of an MCFC power plant.</p> / <p>Bränslecellen är en elektrokemisk reaktor som kan direkt omvandla kemiskt bunden energi till elektrisk energi. I stationär kraftproduktion är själva bränslecellsstapeln endast en mindre komponent i systemet. Integrationen av kringutrustningen, den s.k. Balance-of-Plant (BoP), som tex. pumpar, kompressorer och värmeväxlare är en av huvudfrågeställningarna i studierna av bränslecellskraftverk. Denna avhandling avser systemstudier av mältkarbonatbränslecellsbaserade (MCFC) kraftverk. Systemstudierna har utförts med processimuleringprogramet Aspen PlusTM.</p><p>Artikel I beskriver en utvecklad MCFC-cellmodell, som implementeras som "user model" i Aspen Plus, för att studera ett naturgasbaserat bränslecellskraftverk.</p><p>Artikel II beskriver hur olika processparametrar, som tex bränsleutnyttjande och val av bränsle, påverkar ett MCFC-kraftverks prestanda.</p>

Eine kompakte und effiziente Wasserstofferzeugung aus verfügbaren Energieträgern ist für die Marktfähigkeit von Brennstoffzellenheizgeräten essentiell. Der Auslegung von Reformern für PEM-Brennstoffzellen kommt eine große Bedeutung zu, da bei diesem Brennstoffzellentyp keine interne Reformierung möglich ist. In dieser Arbeit werden die mathematische Modellierung der Dampfreformierung von Erdgas, die Rolle der eingesetzten Katalysatoren und die Problematik von Wärme- und Stofftransportprozessen untersucht. Für fünf kommerzielle Nickel- und einen Rhodiumkatalysator werden die Kinetik, die effektive Wärmeleitfähigkeit und der Diffusionskoeffizient ermittelt. Unter Verwendung dieser Werte wird in einem Einzelpartikelmodell die Existenz und Signifikanz von intra- und extrapartikulären Stoff- und Temperaturgradienten evaluiert. Daraus werden für ein quasihomogenes Reaktormodell Modellparameter abgeleitet, die eine exakte Simulation unter Berücksichtigung der relevanten Phänomene zulassen. Schließlich wird ein Reaktormodell erstellt, welches mit Messwerten aus einem Versuchsreaktor validiert und für eine Sensitivitätsanalyse verwendet wird.

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Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Reaktor und wandelt chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie um. In der stationären Energieerzeugung ist der Brennstoffzellenstapel selbst nur ein kleiner Bestandteil des vollständigen Systems. Die Integration aller zusätzlichen Bestandteile, der Peripheriegeräte (Balance-of-Plant) (BoP), ist eine der Hauptaufgaben in der Studie der Brennstoffzellenkraftwerke. Diese Untersuchung betrifft die Systemstudie des auf der Schmelz-Karbonat-Brennstoffzelle (MCFC) basierten Kraftwerks. Die Systemstudie ist mit dem Simulationprogramm Aspen PlusTM durchgeführt worden. Artikel I beschreibt die Implementierung eines in Aspen PlusTM entwickelten MCFC Stapelmodells, um ein MCFC Kraftwerk zu studieren, das Erdgas als Brennstoff verwendet. Artikel II beschreibt, wie unterschiedliche Prozeßparameter, wie Brenngasnutzung und dieWahl des Brennstoffes, die Leistung eines MCFC Kraftwerks / A fuel cell is an electrochemical reactor, directly converting chemically bound energy to electrical energy. In stationary power production the fuel cell stack itself is only a small component of the whole system. The integration of all the auxiliary components, the Balance-of-Plant (BoP), is one of the main issues in the study of fuel cell power plants. This thesis concerns the systems studies of molten carbonate fuel cell (MCFC) based power plants. The system studies has been performed with the simulation software Aspen PlusTM. Paper I describes on the implementation of a developed MCFC stack model into Aspen PlusTM in order to study an MCFC power plant fueled with natural gas. Paper II describes how different process parameters, such as fuel cell fuel utilization, influence the performance of an MCFC power plant. / Bränslecellen är en elektrokemisk reaktor som kan direkt omvandla kemiskt bunden energi till elektrisk energi. I stationär kraftproduktion är själva bränslecellsstapeln endast en mindre komponent i systemet. Integrationen av kringutrustningen, den s.k. Balance-of-Plant (BoP), som tex. pumpar, kompressorer och värmeväxlare är en av huvudfrågeställningarna i studierna av bränslecellskraftverk. Denna avhandling avser systemstudier av mältkarbonatbränslecellsbaserade (MCFC) kraftverk. Systemstudierna har utförts med processimuleringprogramet Aspen PlusTM. Artikel I beskriver en utvecklad MCFC-cellmodell, som implementeras som "user model" i Aspen Plus, för att studera ett naturgasbaserat bränslecellskraftverk. Artikel II beskriver hur olika processparametrar, som tex bränsleutnyttjande och val av bränsle, påverkar ett MCFC-kraftverks prestanda. / QC 20101129

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerätes mit PEMFC und Autothermer Reformierung zur Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geleistet werden. Wesentliches Ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines BZH-Modells im Leistungsbereich bis 10 kWel das die thermischen und elektrischen Betriebsverhältnisse bei dynamischer Arbeitsweise insbesondere in Kopplung mit einem Spitzenlastkessel mit hinreichender Genauigkeit beschreibt. Auf Basis der gekoppelten Simulation von Gebäude und Anlagentechnik unter Berücksichtigung von Nutzereinflüssen werden umfassende Untersuchungen zum Betriebsverhalten und zur optimalen Dimensionierung von BZHs durchgeführt und nach energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Die Untersuchung ergab folgende wesentliche Resultate: Gegenüber modernen Energieumwandlungstechnologien mit Brennwertgeräten zur hocheffzienten Wärmeversorgung und GuD-Grundlastkraftwerken zur Bereitstellung elektrischen Stromes erzielt die KWK-Nutzung mit Brennstoffzellen primärenergetische Einsparpotenziale bis zu 21%. Bereits bei niedriger BZH-Auslegung (auf den mittleren elektrischen Haushaltsbedarf)wird deren Energiebedarf um ca. 3% unterschritten. Günstige BZH-Dimensionierungen für den Einsatz im Einfamilienhaus liegen zwischen Pel=1,0 ... 2,0 kW (QBZH=2,5 ... 4,6 kW) in Verbindung mit einem BW-Spitzenlastkessel. Mit der BZH-Bemessung auf die maximale Heizlast (Gebäudewärmebedarf und TWE) sind die niedrigsten primärenergetischen Aufwendungen zu erreichen. Oberhalb dieser Dimensionierung sind keine weiteren Einsparungen zu erwarten. Während separat betrachtet die elektrischen und thermischen Effizienzen von BZ-KWK-Anlagen vergleichsweise niedrig sind, spielt die gekoppelte Erzeugung verbunden mit hohen Gesamtnutzungsgraden die entscheidende Rolle. Mit dem generierten elektrischen BZ-Strom wird der mit höheren Abwärmeverlusten erzeugte Kraftwerksstrom ersetzt. Dieser Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen im Wohngebäude kommt nur bei der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie zum Tragen. Bei nichtintermittierendem Betrieb fällt Überschusswärme an, die an die Umgebung abzuführen ist. Außerhalb der Heizperiode stellen sich somit energetische Mehraufwendungen im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb ein. In der Kombination von BZ-Technik und Spitzenlastkessel sind lange BZH-Betriebszeiten zu garantieren. Diesbezüglich ist die Regelung zur Trinkwasser-Erwärmung - insbesondere in den Sommermonaten - zum optimalen Betrieb ausschlaggebend. Die teilweise Deckung des Haushaltsstrombedarfs und der Verkauf elektrischer Arbeit senken gegenüber dem konventionellen Energiebezug maßgeblich die Betriebskosten. Durch geltende BZ-Fördermaßnahmen werden per se jährliche Energiekosten gespart. Diese Einsparungen können zur mittelfristigen Refinanzierung der vergleichsweise teureren Anlagenkosten beitragen. Auf Basis der Betriebskosten-Einsparung gegenüber konventioneller Technik sind die Grenzkosten der BZH-Investition für den wärmegeführten, intermittierenden Betrieb abschätzbar. Unter Annahme einer BZ-Stack-Lebensdauer von einem Jahr beträgt die maximale Investition bei einer elektrischen BZH-Nettoleistung von beispielsweise Pel=1,0 kW rund I0,BZH=1066 EUR.

The compressor for air supply to the fuel cell stack is a critical component of the balance of plant, especially for mobile applications. The main requirements of the compressor are the performance regarding pressure ratio, mass flow and efficiency at minimal size and weight. The turbo compressor technology is ideally suited to cope with these requirements. The lifetime requirement and the necessity of oil and particle free air supply advised to employ air bearings. The fuel cell air supply requirements are in conflict with the turbo compressor pressure ratio and mass flow characteristics. Possible solutions and their impact onto compressor design and fuel cell operation are described in this paper. The chosen system design approach considering all design aspects and its interactions during the design phase is beneficial in order to achieve the most lightweight and efficient air supply system for fuel cells. Experimental validation of an air bearing turbo compressor for a 100 kW fuel cell stack on an aerodynamic test rig verifies the predicted performance.