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IWV-3/Blum/07.05.04Ringvorlesung Köln-APU-2004-1305.PPT/ 1

Ringvorlesung “Zukunftstechnik Brennstoffzelle“Ringvorlesung “Zukunftstechnik Brennstoffzelle“13. Mai 200413. Mai 2004

APU Anwendungen mit Brennstoffzelle

Ludger Blum

Forschungszentrum Jülich GmbHInstitut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik (IWV-3)

FH Aachen - Abteilung Jülich - Fachbereich 7

[email protected]






APU Anwendungen mit Brennstoffzelle

Inhalt

• Definition und Anwendungen

• Motivation, mögliche Funktionen

• Anforderungen an die BZ-APU

• Stand der Aktivitäten

• Ausblick






Definition - APU

APU: Auxiliary Power Unit• Hilfsstromversorgung• Bordstromversorgung

Mögliche Aufgaben• Netzunabhängige Stromversorgung beliebiger

Verbraucher• Versorgung der elektrischen Verbraucher an Bord eines

Fahrzeuges• Laden des für Spitzenlast vorgesehenen Akkus• Grundlastversorgung bei Hybridantrieben






Mögliche Anwendungen für BZ - APU

• Camping (“Quasi-Mobil“)• Pkw• Lkw• Baumaschinen• Schiffe• Flugzeuge• Raumschiffe

- BMW, DC, …..- Webasto- Partner im BMW Konsortium- HDW/Siemens- Airbus- UTC

im mobilen Bereich






Erste Nutzung von Brennstoffzellen als APU

Apollo 1.5 kW (100 insgesamt) Space Shuttle 15 kW

Quelle: UTC Fuel Cells

Bordstromversorgung Raumschiff (zus. Trinkwasserversorgung)






Erste Nutzung von Brennstoffzellen als APU

U 212 - 300 kW

Quelle: Siemens

Bordstromversorgung U-Boot






Brennstoffzellen für den Antrieb 4 Technologieführer

Ballard Power Systems• Daimler Chrysler• Ford• Honda• Mazda

GM/Hydrogenix

United Technologies FC• Hyundai• Nissan• Renault

Toyota

Quelle: Webasto






Weshalb Marktöffnung nicht als Fahrzeugantrieb?• Kosten (Ziel mit ca. 50€/kW extrem niedrig)

• Brennstoffaufbereitung (Benzin/Diesel) für PEFC sehr aufwändig

• Methanol-Reformierung funktioniert, wird aber von der Mineralölindustrie abgelehnt

• Wirkungsgradvorteil auf Basis fossiler Treibstoffe strittig

Demonstrationsflotten auf Basis Wasserstoff; aber- die Frage der Wasserstoff-Infrastruktur ist ungelöst- Speicherdichte relativ gering

keine Serienfahrzeuge vor 2007; kein Massenmarkt vor 2015

Kurzfristig besteht eher ein Trend zu Hybridfahrzeugen (japanische Hersteller, GM, Ford)

Aber: Steigender Strombedarf in Fahrzeugen APU Anwendungen mit BZ






Elek

tris

cher

Leis

tung

sbed

arf

1980 2000 20201960

•Heckscheibe beheizt•Fensterheber•Schiebedach•Sitzheizung

•Active Safety•x-by wire•Standklimaanlage•Kühlfach•Mobiles Büro

•Scheibenwischer•Beleuchtung•Zigarettenanzünder•Radio

•ESP•Active Body Control•Distronic•Klimaanlage•Navigation•autom. Verdeck•Zentralverriegelung•TV, CD•Kommunikation

•Sicherheit•Komfort•Entertainment

Konventionelle Batterie

Brennstoffzelle

Das elektrifizierte Fahrzeug Quelle: DC






1970 1980 1990 2000 2010 20200

2

4

6

8

10

MJ 781.1 kW

MJ 872.0 kW

MJ 962.0 kW

MJ 96 S*3.1 kW

MJ 04 S*5.0 kW

MJ 02 2.5 kW

42 V

14 V

EVTX-By-WireMultimedia

Zukünftige, mögliche Verbraucher

Installierte el. Leistung [kWel]

MJ= Modelljahr 7er BMW S*= Sicherheitsfahrzeug

Wachsender Bedarf an elektrischer Leistung im Fahrzeug

Quelle: BMW






Leistungsbedarf in Automobilen

Kühlbox

GebläseScheibenwischerBeleuchtung

Mobile Home (zusätzl.)Kühlaggregate

Elektrische Heizung(en)Standheizung

Elektrische Werkzeuge

Klimakompressor PKWKlimakompressor NFZ

Antrieb

Maximalleistung elektrischer Verbraucher Einsatzszenarien von Brennstoffzellen

Vollintegrierte BZ für Hilfs-/ Nebenaggregate

Vollintegrierte BZ für HA

Add-on BZ

LüfterWasserpumpeBenzinpumpeÖlpumpeLenkhilfspumpe

10 W 100 W 1 kW 10 kW 100 kW 1000 kW

5 kW

Quelle: DC






100% 20 – 25% *50 – 70% (12 V)70 – 90% (42 V)

10 – 17%14 – 22%

35 – 50%35 – 50% (BZ-APU)100%* Zyklusmittelwert

Paradigmenwechsel in der Stromversorgung

Quelle: Delphi/BMW






„Jedes System sollte das tun, was es am besten kann“

Mechanische Kraft> 100 kW

Elektrizität> 1 kW

Brennstoffzellen-APU Quelle: BMW






Was spricht für eine BZ - APU Quelle: Webasto

Vorteile für Endkunden: • Abdeckung des steigenden Energiebedarfs für Komfortfunktionen und

Telematik• Möglichkeit der Fahrzeugklimatisierung im Stillstand

Vorteile für den Fahrzeughersteller:• Basis für 42V und x-by-wire im PKW – neue Bedienkonzepte• Entfall von Batterien und Generatoren• Substitution von Mechanik und Hydraulik

Ökologische Vorteile:• Entfall „Truck Idling“ • Verringerter Kraftstoffverbrauch und verringerte CO2 Emissionen






Kundennutzen im Fahrzeug

„Unbegrenzte“ motorunabhängige Bereitstellungvon elektrischer und thermischer Energie.„Unbegrenzte“ motorunabhängige Bereitstellungvon elektrischer und thermischer Energie.

StandklimatisierungNeue HeizungskonzepteLichtKommunikation„Leere Batterie“ kein Problem mehr...

StandklimatisierungNeue HeizungskonzepteLichtKommunikation„Leere Batterie“ kein Problem mehr...

Langfristiges Ziel:Stromversorgung Bordnetz

Quelle: BMW






Customer Benefit in DC-Products provided by FC-APU‘sCustomer Benefit in DCCustomer Benefit in DC--Products provided by FCProducts provided by FC--APUAPU‘‘ss

FC-APU‘sFC-APU‘s

+ Energy Supply + Increased Level of Comfort + Meet Emission Regulations + Reduce Life Cycle Cost

Customer Benefit

Quelle: DC






Kundennutzen im Fahrzeug Quelle: Delphi

• Betreibbar unabhängig von der Antriebsmaschine neue Möglichkeiten für zusätzliche Funktionen, (wie Luftaufbereitung oder das „ mobile Büro“),selbst wenn der Motor abgeschaltet ist

• Die Leistung wird mit höherem Gesamtwirkungsgrad zur Verfügung gestellt als mit der konventionellen Methode: Motor, Generator, Batterie

Wirkungsgradsteigerung von 10 – 22% auf 35 – 50%

Beispiele für zukünftige Komponenten für APU-Versorgung:

• Beheizte Sitze, beheizte Windschutzscheiben, Lenkung und Bremsen






LadebilanzLadebilanz

Batterie-lebensdauer

Batterie-lebensdauer

Ruhestrom/Standverbrauch

Ruhestrom/Standverbrauch

Motor Start-/Stop-Automatik

Motor Start-/Stop-Automatik

WärmemanagementWärmemanagement Kraftstoffverbrauchdurch Entlastung

Generator

Kraftstoffverbrauchdurch Entlastung

Generator

Bordnetz-stabilität

Bordnetz-stabilität

Energie-bordnetz

Gesamt-fahrzeug

Mögliche Beiträge der APU zum Energiemanagement

Quelle: BMW






Mögliche Funktionen

• Stand-Klimatisierung

• Stand-Heizung

• Emissions-Reduzierung Hauptantrieb

• 42 Volt Bordnetz Unterstützung

• Belt-less-Engine (Riemen-lose Maschine)

• X-by-Wire

• Stand-Stromversorgung

APU zur Standversorgung

Stand-Klimatisierung + Kabinen-StromversorgungLKW Anwendung USA

MB Transporter / Wohnmobile

„Off Highway“ Produkte

APU zur Standversorgung

Stand-Klimatisierung + Kabinen-StromversorgungLKW Anwendung USA

MB Transporter / Wohnmobile

„Off Highway“ Produkte

Fahrzeugintegrierte APUVerbrauchsreduzierung

Emissionsreduzierung

Neue Fahrzeugkonzepte

Fahrzeugintegrierte APUVerbrauchsreduzierung

Emissionsreduzierung

Neue Fahrzeugkonzepte

APU KlimaanlageKurzfristig

Langfristig

Quelle: DC






Kundennutzen im Fahrzeug - Zusammenfassung

• Klimatisierung im Stillstand

• Kommunikation/Telematik

• Zuverlässige Stromversorgung

• Verbrauchsminderung (bis 1 Liter auf 100 km)Einhaltung strengerer Abgasgrenzwerte

• Neue (Bedien-) Konzepte (x-by-wire)

• Zusätzliche Funktionen






Verbrauchsreduktion mittels APUKommentar

Beispiel: Vollintegrierte BZ für Haupt- & Nebenaggregate in einem Mittelklassefahrzeug

Bedarfsgerechter Betrieb vonHaupt- und Nebenaggregaten sowie Bordnetz

Beispiel: Add-on Brennstoffzelle zur Standklimatisierung

Standklimatisierung mittelsAPU im Sleeper Truck (USA)

Konv.

100 %

APUη = 35 %

92%

APUη = 35 %

VER

BR

AU

CH

-11%-8%

89%

El. G

rund

last

:30

0 W

(Heu

te)

Konv.

100 %

APUη = 30 %

-49%

51%

El. G

rund

last

:60

0 W

(Zuk

unft)

(Riementrieb) (Hauptmotor im Leerlauf)

40 % der Betriebszeit laufen Sleeper Trucks im Leerlauf (Standbetrieb der Klimaanlage nachts)

6880 l Diesel pro Jahr werden verbraucht

Die Verbrauchsein-sparung mit APU macht 3380 l Diesel aus.

Quelle: DC






Welche BZ-Typen eignen sich für eine - APU AFC nur wenn reiner Wasserstoff und reiner Sauerstoff verfügbar

(Problem: Reaktion der Kali-Lauge mit dem CO2 der Luft bzw. des Brenngases)

PEFC vor allem bei direkter Verfügbarkeit von Wasserstoff

PAFC wegen geringer Leistungsdichte und vergleichsweise hoher Temperatur ungeeignet (Kostenreduktionsbemühungen bei der 200 kW Anlage von UTC rel. erfolglos)

MCFC wegen geringer Leistungsdichte und hoher Temperatur ungeeignet; Unempfindlichkeit gegen CO wäre vorteilhaft

SOFC hohe Leistungsdichte und Unempfindlichkeit gegen CO sehr vorteilhaft; Dynamik/Aufheizzeit wegen der hohen Temperatur problematisch – Untersuchungen laufen






Alternative APU Systeme

1. Verbrennungsmotor

2. Stirlingmotor

3. Dampfmotor

4. PEFC

5. SOFC

Quelle: Webasto






Alternative APU Systeme

1. Verbrennungsmotor

2. Stirlingmotor

3. Dampfmotor

4. PEFC

5. SOFC

Quelle: Webasto Quelle: Webasto






Tract./APUCH3OH10Nissan

Tract./APUCH3OH40Mitsubischi/Space-liner

Tract./APUCH3OH85Mazda/Premacy

Tract./APUH285Honda/FCX

Tract./APUCHF90Toyota/FCHV-5

Tract./APUCH3OH15VW/EU Capri

Tract./APUH255PSA/Hydro-Gen

Tract./APUH290Renault/FCHV

Tract./APUH285Ford/Focus FCV

Tract./APUH294OPEL/Zafira Gen3

Tract./APUCHF25GM/Chevy S-10

Tract./APUH27Fiat

Tract./APUCH3OH50Daimler/NECAR3

Tract./APUH270Daimler/NECAR4

APUH25BMW/745h

AnwendungBrennstoffkWHersteller/Modell

Bisherige BZ - APU auf Basis PEFC

Quelle: Atena/MTU/12.2003






Systemvergleich PEFC und SOFC bei Benzinbetrieb

Eigenschaften der SOFC-TechnologieUmwandlung von CO in StromKeine Platin-Katalysatoren für die ElektrodenKein Wassermanagement für Elektrolyt notwendigKühlung mit ReaktionsluftHohe Betriebstemperatur

++++–

BenzinReformerBenzin

ReformerMikro CO-ReinigungMikro CO-Reinigung PEMFCPEMFCHT

ShiftHT

ShiftNT

ShiftNT

Shift

800 °C 80 °CH2

BenzinReformerBenzin

Reformer SOFCSOFC

800 °C 800 °CH2, CO, CH4

Quelle: BMW






Problem der SOFCStapel aus metallischen und keramischen Platten in sehr kurzer Zeit auf Betriebstemperatur bringen

Quelle: FZJStack für stationäre Anwendung

Dünnblech-Design für mobile Anwendung






Entwicklungsprogramm in den USASolid State Energy Conversion Alliance (SECA)

6 Projekte:• GE (Honeywell) - 3 bis 10 kW SOFC System für verschiedene Brennstoffe• SWPC - 7 bis 10 kW SOFC System für Hausenergieversorgung,

3 bis 10 kW APU• Delphi/PNNL - 5 kW SOFC System, geeignet für Massenproduktion als APU,

dezentrale Energieversorgung und für militärische Anwendungen

• Cummings Power Generation/McDermott/Ceramatec- 10 kW System für stationäre und mobile Anwendungen

• Acumentrix - dezentrale Energieversorgung

• FCE/Global - dezentrale Energieversorgung + APU

SOFC






Ziele in SECA für SOFC - APU im Fahrzeug

(Quelle: Arthur D. Little)

Systemverhalten Betriebsdaten System Kostenziele

Wirkungsgrad > 35% bei max. Leistung(DC/LHV)

Nennleistung 5 kWnetto

Lebensdauer > 5000 h

Kaltstart (25°C) < 10 min

Spannung 42 VDC

Kein zusätzliches Wasser nötig

Kosten der Anlagenperipherie < 400 $/kW

Langfristig: Zielkosten für das System < 400 $/kW

Volumen < 50 Liter

Masse < 50 kg

Betriebstemperatur 800°C

Oberflächentemperatur der Systemisolation < 45°C






Entwicklungsprogramme in DeutschlandKeine entsprechendes nationales Koordinationsprogramm

2 Projekte zur SOFC-APU:• BMW - 5 kW System für Benzin/Diesel als APU für Pkw• Webasto - 5 kW System für Benzin/Diesel als APU für Lkw

Projekte zur PEFC-APU:• DaimlerChrysler - 5 kW System für H2/Methanol/Benzin/Diesel• Andere?






Ziele für SOFC - APU im Fahrzeug (nach Webasto)Standheizung, die Wärme und zusätzlich Strom erzeugt !

Quelle: Webasto

Ziele: Leistung: 5 kW elektrisch netto el. Wirkungsgrad: > 30%Baugröße: < 50 LiterGewicht: < 50 kg

Markteintritt: 2007 – 2009 Erste Applikation: LKW

SOFC






Systementwicklung DaimlerChrysler - PEFC APU

“DaimlerChrysler hat in dem Zeitraum von 1998 bis 2003 zahlreiche APU-Applikationen für den PKW- und LKW-Bereich vorgestellt. Durch die vielfältigen Forschungs- und Vorentwicklungsaktivitäten wurde die Machbarkeit der Benzin- und Dieselreformierung erfolgreich demonstriert. Die Themen Packaging, Kosten und Zuverlässigkeit stellen die größten Herausforderungen für die nahe Zukunft dar“

MercedesH2 APU 1999

MaybachBenzin APU 2003

FreightlinerH2 APU 1999

FreightlinerMethanol APU 2003

Quelle: DCPEFC






Systementwicklung Webasto – SOFC APU

Quelle: Webasto/2003






Systementwicklung BMW – PEFC APU

Leistung: 5 kWe

Spannung: 42 VWirkungsgrad: 45 % (Gesamtsystem)

Partner: UTC Fuel CellsPartner: UTC Fuel Cells

Volumen: 20 l (Stack)48 l (Gesamtsystem)

Gewicht: 22 kg (Stack)45 kg (Gesamtsystem) Quelle: BMW

Integration PEFC-APU im750hL (Clean Energy)






Leistung: ca. 1kWel

Spannung: 12VKraftstoff: Reformat

800°C SOFC-Stack auf demPrüfstand(20 Zellen, Global Thermoelectric)

Erste SOFC für APU-Anwendung (1999)

Quelle: BMW

Systementwicklung BMW – SOFC APU






Erste SOFC-APU für Benzin von BMW

Wärmetauscher-einheit

SOFC-Stacks

Kraftstoff-versorgung

Luftgebläse System-Peripherie: Sensoren und Aktuatoren

Benzin-Reformer

Quelle: BMW






Entwicklungsstatus SOFC-APU bei BMWProof of Concept APU,

2000

75% Reduzierung in Volumen und GewichtZiel: 5 kW, <50 kg, <50 l

2. Generation APU,2002

18 Monate

Quelle: BMW

2 x 30 Zellen

Integrierter Reformer und Abgasnutzung






Schwerpunkte der SOFC Entwicklung für Pkw (BMW)

Verkürzung der Startzeit (Ziel für Stack: 2 Minuten !)

Erhöhung der Leistungsdichte

Verbesserung der Lebensdauer (Zyklenfestigkeit)

Reduktion der Wärmeverluste

Verbesserung der „fuel utilization“

Verkleinerung der Hilfsenergie für Nebenaggregate

Reduktion der KostenQuelle: BMW






Zusammenfassung und AusblickDie Brennstoffzellen-APU ist im Unterschied zu vielen anderen Konzepten ein Produkt mit einer klaren „Market Pull“ Situation

Vor 2007, vielleicht 2015 wird es kaum Brennstoffzellen im automobilen Antriebsstrang geben; wenn, dann kommt nur ein reines Wasserstoffsystem in Frage

Für fossile, flüssige Brennstoffe ist die SOFC Technologie die geeignete Lösung. Die technischen Herausforderungen sind allerdings hoch

Nachdem BMW den Vorreiter bei der SOFC-APU gemacht hatte, sind Firmen in den USA mit großem Aufwand nachgezogen, die massiv durch das DOE gefördert werden

Die meisten europäischen Fahrzeugherstellen bleiben bei der PEFC-APUTreiber bei der SOFC-APU in D sind BMW und Webasto

Date post:	30-Apr-2020
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