Betriebswirtschaftlicher Vergleich zwischen einem brennstoffzellenbetriebenen und einem batteriebetriebenen Elektroantrieb

Betriebswirtschaftlicher Vergleich zwischen einem brennstoffzellenbetriebenen und einem batteriebetriebenen Elektroantrieb

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Inhaltsangabe:Einleitung: Die zunehmende Elektrifizierung des Fahrzeugantriebs ist spActestens seit dem weltweiten Erfolg von Hybridfahrzeugen (wegen des hohen Dieselanteils in weit geringerem MaAŸe in Europa), allen voran des Toyota Prius, in den Blickpunkt der A–ffentlichkeit gerA¼ckt. Vielen gilt die Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor jedoch nur als AœbergangslApsung auf dem Weg zum rein elektrischen Antrieb. Laut Versprechen der Hersteller kApnnen schon in ein bis zwei Jahren mit Hybridfahrzeugen, welche A¼ber eine Steckdose zur Ladung A¼ber das Stromnetz verfA¼gen (z.B. GM: Chevrolet Volt, Opel Ampera, Ford: Escape Hybrid) Fahrstrecken von bis zu 60 Kilometern rein elektrisch zurA¼ckgelegt werden. Um eine hAphere Reichweite zu erzielen, springt anschlieAŸend der Verbrennungsmotor als so genannter Range Extender ein. Alternativ kann bei der unvollstAcndigen Ausnutzung der o.g. Reichweite das Fahrzeug an der heimischen Steckdose aufgeladen werden. Diese Plug-In Hybrid Electric Vehicle (PHEV) genannten Fahrzeuge stellen eine deutliche Verbesserung der heute eingesetzten Hybridtechnik dar, bei der sich auf Grund der heute noch verwendeten Batterietechnologie (Nickel-Metall-Hydrid) und somit geringen elektrischen Reichweite der Verbrennungsmotor schon nach weniger als fA¼nf Kilometern Fahrstrecke zuschaltet. Die Verwendung eines konventionellen Motors wirkt sich bei der Hybridtechnologie jedoch nachteilig auf das Gewicht und die Kosten aus. Langfristig von strategischer Bedeutung ist allerdings die Notwendigkeit des Einsatzes von konventionellen Kraftstoffen, die zum einen Treibhausgase emittieren und zum anderen eine hohe AbhAcngigkeit von fossilen Brennstoffen, wie z.B. A–l oder Erdgas, bedingen. Diese zwei Faktoren sind letztlich die entscheidenden Triebfedern fA¼r die Entwicklung von alternativen Antrieben und Kraftstoffen, was auch die Bundesregierung dazu veranlasst hat, FAprdergelder im Rahmen von Industriepartnerschaften bereitzustellen (z.B. Nationales Innovationsprogramm Wasserstoff und Brennstoffzellentechnologie (NIP), Nationaler Entwicklungsplan ElektromobilitAct ). Im Folgenden soll zunAcchst nAcher auf die BeweggrA¼nde hierfA¼r eingegangen werden. Die in den vergangenen Jahrzehnten beobachtete, von Menschen beeinflusste ( anthropogene ) globale ErwAcrmung - synonym ist heutzutage der Begriff Klimawandel gebrAcuchlich - wird langfristig die grApAŸte Herausforderung fA¼r die Menschheit sein, fA¼hrt sie doch u.a. zu einem Anstieg des Meeresspiegels, einer Zunahme von Wetterextremen wie Aœberschwemmungen oder DA¼rre sowie der Ausbreitung von Krankheiten. Bedingt wird die globale ErwAcrmung durch die Zunahme der Treibhausgase, insbesondere von Methan und Kohlenstoffdioxid (CO2), welche sich in der AtmosphAcre ansammeln und dadurch die von der Erde reflektierte Sonnenstrahlung absorbieren. Dies fA¼hrt dazu, dass die WAcrmestrahlung in der AtmosphAcre zurA¼ckgehalten wird und somit zu einem Anstieg der Temperatur. So gehApren 12 der letzten 13 Jahre (1995 2007) zu den wAcrmsten seit Beginn der Wetteraufzeichnungen im Jahre 1850. Die Emission des wichtigsten Treibhausgases, Kohlenstoffdioxid, stieg von 1970 bis 2004 um 80 Prozent. MaAŸgeblichen Anteil daran hatten die Energieversorgung (+145 Prozent) sowie der Verkehr (+120 Prozent). Dazu trAcgt u.a. der weltweit zunehmende Bedarf an MobilitAct bei, der vor allem in den StAcdten zu mehr VerkehrslAcrm und einer Verschlechterung der LuftqualitAct fA¼hrt. Um diesen Trend umzukehren, haben sich die MitgliedslAcnder der EuropAcischen Union (EU) verpflichtet, bis 2020 die Treibhausgase durchschnittlich um 30 Prozent zu senken. Zur Erreichung dieses Ziels hat das Bundeskabinett im August 2007 die weltweit ehrgeizigsten MaAŸnahmen unter dem Titel Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm beschlossen. Einer der Kernpunkte ist hierbei die effiziente Energieerzeugung, -verteilung und Nutzung. Neben dem Ausbau der Erneuerbaren Energien soll im Bereich Verkehr u.a. die Umstellung der Kfz-Steuer auf CO2-Basis erfolgen, welche ab dem 1. Juli 2009 gelten wird. Der Fokus liegt hierbei auf der Erreichung der von der EuropAcischen Kommission festgelegten Grenzwerte fA¼r Kohlenstoffdioxid von 120g/km, welche ab 2012 fA¼r 65 Prozent und bis 2015 stufenweise (2013: 75, 2014: 80 Prozent) fA¼r alle in der EU zugelassenen Neuwagen gelten sollen. Dieses Ziel erscheint sehr ambitioniert, lag doch der durchschnittliche CO2-AusstoAŸ aller in Deutschland neu zugelassenen Personenkraftwagen im Jahr 2008 bei 165 Gramm pro Kilometer. Doch nicht nur der Klimawandel, sondern auch die hohe AbhAcngigkeit von A–limporten bereitet insbesondere den IndustrielAcndern zunehmend Sorgen. Die hohen Schwankungen des A–lpreises im vergangenen Jahr zeigen, dass nicht nur die weltweit steigende Nachfrage, sondern auch Spekulationen den Preis nach oben treiben kApnnen (auf A¼ber 140 US-Dollar pro Barrel im Juli 2008), was zu einem zu einer hohen Kostenbelastung von Unternehmern und Verbrauchern fA¼hrte und zum anderen die hohe AbhAcngigkeit der entwickelten LAcnder von der gegenwAcrtig wichtigsten Rohstoffquelle einmal mehr demonstrierte. Der zwischenzeitlich um A¼ber 70 Prozent gefallene A–lpreis kann nicht darA¼ber hinwegtAcuschen, dass A–l eine endliche Ressource ist und mApglicherweise in 40 bis 50 Jahren zu Ende gehen wird. Insbesondere im Verkehrssektor, welcher zu 98 Prozent vom A–l abhAcngt, sind langfristig neue Konzepte notwendig, um dem weiter zunehmenden MobilitActsbedarf Rechnung zu tragen. Hierzu beitragen kApnnten in Zukunft zum einen alternative Kraftstoffe (z.B. Ethanol), zum anderen neue Antriebskonzepte, da die auf fossilen Ressourcen basierenden Kraftstoffe voraussichtlich nicht alle durch erneuerbare Biokraftstoffe ersetzt werden kApnnen. Zudem kritisieren Experten im neuesten Bericht des Weltklimarats (IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change), dass fA¼r den Anbau der zur Biospritherstellung benAptigten Pflanzen (z.B. Zuckerrohr) groAŸe FlAcchen tropischen Regenwalds gerodet werden mA¼ssen, in dessen Vegetation groAŸe Mengen an CO2 gebunden sind und es zwischen 40 und 120 Jahren dauere, bis die als Folge der Abholzung verursachte Freisetzung des Treibhausgases durch die Einsparung bei fossilen Kraftstoffen kompensiert wA¼rde. Eine sinnvoller erscheinende Option sowohl zur Senkung der CO2-Emissionen insbesondere im Hinblick auf die Erreichung der EU-Vorgaben von 120 g/km im Jahr 2015 - als auch zur Reduktion der A–labhAcngigkeit stellen Elektroantriebe dar, welche die Bundesregierung im Rahmen der Veranstaltung Nationale Strategiekonferenz fA¼r ElektromobilitAct , die am 25. und 26. November 2008 in Berlin stattfand, auf Grund ihres mApglichen Beitrags zur Zielerreichung in ihr Programm aufgenommen hat. Elektroantriebe bergen - unabhAcngig davon, ob elektrische Energie oder Wasserstoff als EnergietrAcger dient strategisch hohes Potenzial, da ihre EnergietrAcger mit Hilfe von Erneuerbaren Energien erzeugt und dadurch sowohl die Schadstoffemissionen als auch die AbhAcngigkeit von fossilen Rohstoffen verringert werden kApnnen. DarA¼ber hinaus sind auch mit dem heutigen Strommix zumindest im Falle des batterieelektrischen Antriebs - schon beachtenswerte Senkungen des CO2-AusstoAŸes mApglich (siehe Kapitel 3.1.2). Zwei wesentliche Faktoren stehen jedoch einem Serieneinsatz bisher im Weg: nicht ausgereifte Technologien sowie hohe Kosten. Gang der Untersuchung: Die vorliegende Arbeit enthAclt zunAcchst eine GegenA¼berstellung der A–kobilanzen der beiden Elektroantriebskonzepte. AnschlieAŸend soll zunAcchst auf deren Komponenten (Brennstoffzelle, Lithium-Ionen-Akkumulator sowie Elektromotor) hinsichtlich Aufbau, Funktionsweise und verwendeter Werkstoffe (mApgliche Kostentreiber) eingegangen werden. Im Hauptteil sollen Antworten u.a. auf folgende Fragen gefunden werden: Welche Infrastruktur ist fA¼r den Betrieb von batterie- bzw. brennstoffzellenbetriebenen Elektrofahrzeugen notwendig und was kostet deren Aufbau? Welche Kosten entstehen bei der Herstellung eines Elektroautos und zu welchem AusmaAŸ spiegeln sich diese in den Anschaffungspreisen wider? AnschlieAŸend soll beleuchtet werden, mit welchen Kosten der Kunde neben dem Anschaffungspreis insbesondere fA¼r den Betrieb und den Unterhalt rechnen muss. Dabei wird auch darauf eingegangen, wie die Politik Einfluss nehmen kann, um den Absatz von Elektrofahrzeugen zu fAprdern. DarA¼ber hinaus gilt es eine Antwort auf folgende Fragen zu finden: Gibt es hinsichtlich der KapazitAct des Lithium-Ionen-Akkus bei batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen ein optimales VerhAcltnis von Gewicht, Kosten und benAptigter Reichweite? Welche Faktoren kApnnen die Wirtschaftlichkeitsanalyse negativ beeinflussen? Welche Erkenntnisse hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen kApnnen aus aktuellen Feldversuchen mit Kundenbeteiligung gewonnen werden? Der Kunde schlieAŸlich ist die letzte Instanz, dessen Entscheidung trotz aller politischer Einflussnahmen A¼ber den Erfolg oder Misserfolg des Elektrofahrzeugs bestimmt, und dieser [Kunde] orientiert sich in der heutigen Zeit - auch auf Grund der allgegenwAcrtigen Diskussionen um CO2-Steuer und stetig steigenden Lebenshaltungskosten - zunehmend an Fahrzeugen, die neben einem gA¼nstigen Anschaffungspreis auch niedrige Kosten fA¼r Betrieb und Unterhalt aufweisen. So legten die Neuzulassungen von Personenkraftwagen mit einem CO2-AusstoAŸ von bis zu 140 Gramm pro Kilometer im Jahr 2008 entgegen dem Trend (Gesamtmarkt fA¼r Pkw: minus zwei Prozent) um gut 25 Prozent zu und machten damit ein Viertel aller Zulassungen aus, wAchrend der der Markt fA¼r Pkw mit Emissionswerten g140 g/km um etwa neun Prozent einbrach (Effekte durch die so genannte UmweltprAcmie sind hierbei noch nicht berA¼cksichtigt, da diese erst Anfang Januar 2009 als Gesetzesvorschlag aufgenommen und bekannt wurde). Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: AbbildungsverzeichnisIII TabellenverzeichnisIV AbkA¼rzungsverzeichnisV SymbolverzeichnisVI 1.Einleitung2 2.Theoretische Grundlagen6 2.1GesamtApkobilanz6 2.2Die Brennstoffzelle9 2.2.1Funktionsweise10 2.2.2Die PEM-Brennstoffzelle11 2.2.3Das Brennstoffzellensystem12 2.2.4Wirkungsgrad und Reichweite13 2.3Die Traktionsbatterie13 2.3.1Funktionsweise14 2.3.2Der Lithium-Ionen-Akkumulator14 2.3.3Das Batteriemanagementsystem (BMS)16 2.3.4Sicherheit und Lebensdauer16 2.3.5Wirkungsgrad, Reichweite und Gewicht17 2.4Der Elektromotor als Fahrzeugantrieb18 2.4.1Funktionsweise und Eigenschaften18 2.4.2Permanentmagnet-erregter Synchronmotor (PMSM)19 2.4.3Generator und Rekuperation20 3.Wirtschaftlichkeitsanalyse21 3.1Aufbau einer Infrastruktur21 3.1.1Wasserstoffwirtschaft21 3.1.1.1Wasserstoff als EnergietrAcger22 3.1.1.2Herstellung von Wasserstoff22 3.1.1.3Transport25 3.1.1.3.1Wasserstoff-Pipeline26 3.1.1.3.2TanklastzA¼ge26 3.1.1.4Bereitstellung an der Tankstelle27 3.1.1.5Speicherung im Fahrzeug28 3.1.1.5.1FlA¼ssigwasserstoff28 3.1.1.5.2GasfAprmiger Wasserstoff29 3.1.1.5.3Metallhydridspeicher29 3.1.2Stromwirtschaft30 3.1.2.1Stromerzeugung in Deutschland31 3.1.2.2Transport33 3.1.2.3Speicherung34 3.1.2.4Bereitstellung36 3.1.2.4.1MApgliche Probleme37 3.2Total Cost of Ownership (TCO)38 3.2.1Anschaffungspreis39 3.2.1.1Elektromotor inkl. Steuerung40 3.2.1.2KraftA¼bertragung40 3.2.1.3PEM-Brennstoffzelle + Peripherie40 3.2.1.4Wasserstofftank41 3.2.1.5Lithium-Ionen-Akkumulator42 3.2.1.6Gewinnaufschlag und Vertriebskosten im Rahmen der Preisbildung43 3.2.1.7Zusammenfassung44 3.2.2Life-Cycle-Costs ( Costs of Ownership )46 3.2.2.1Betriebskosten48 3.2.2.2Fixkosten51 3.2.2.3Wertverlust53 4.Beeinflussbarkeit der Wirtschaftlichkeitsanalyse55 4.1Kaufpreissubventionierung56 4.2Nicht-monetAcre Anreize57 4.3Einfluss der BatteriekapazitAct auf Kosten, Reichweite und Gewicht57 4.4Negative Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit von Elektroantrieben60 5.Ist-Situation63 5.1MINI EPilotprojekt63 5.2Smart fortwo ed65 6.Fazit und Ausblick67 Anhangi Literaturverzeichnisii Textprobe:Textprobe: Kapitel 3.1.1.4, Bereitstellung an der Tankstelle: Auch bei der Betankung von Fahrzeugen zeigt der flA¼ssige Wasserstoff gravierende Nachteile. So darf der tiefkalte (kryogene) Kraftstoff aus SicherheitsgrA¼nden nicht manuell in den Tank befAprdert werden. Diese Aufgabe A¼bernimmt ein Roboter, der zunAcchst mit Hilfe eines Kamera- und Lasersystems die genaue Position des Fahrzeugs ermittelt. AnschlieAŸend prA¼ft er, ob das Kraftstoffsystem ausreichend gekA¼hlt ist und stellt bei positiver PrA¼fung eine luftdichte Verbindung zwischen Tankstutzen und SpeicherbehAclter her. LAcuft der gesamte Vorgang stAprungsfrei ab, ist der Tank in etwa acht Minuten vollstAcndig befA¼llt, was einer Betankung mit konventionellem Kraftstoff nur wenig nachsteht. Die Kosten fA¼r die Speicherung von Wasserstoff vor Ort in speziellen Gasdrucktanks sind extrem hoch. Sie reichen von 500 US-$ bei 200 bar bis zu 2.000 US-$ bei 500 bar je Kilogramm. Sollte allerdings in ferner Zukunft flA¼ssiger Wasserstoff flAcchendeckend eingesetzt werden was auch heutiger Sicht unwahrscheinlich ist wA¼rde dies die AusrA¼stung der Tankstellen mit so genannten Tankrobotern erfordern, was die Investitionskosten nochmals erheblich ansteigen lieAŸe. Als wesentlich einfacher stellt sich die Betankung von Fahrzeugen mit gasfAprmigem Wasserstoff dar. Eine manuelle Bedienung seitens des Kunden ist hier ohne Probleme mApglich. Dazu wird der Schlauch in den Tankstutzen eingeklinkt, damit eine luftdichte Verbindung besteht. AnschlieAŸend kann, wie bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor A¼blich, getankt werden. Der Benutzer muss lediglich je nach verwendetem Druck (350 oder 700 bar) - zuvor die richtige ZapfsAcule auswAchlen. Von Experten wird ein Bedarf von zunAcchst 1.000 Wasserstofftankstellen prognostiziert, was bei Investitionskosten von 1 bis 1, 7 Millionen Dollar je Tankstelle zu Gesamtkosten von bis zu 1, 7 Milliarden Euro fA¼hren wA¼rde. Speicherung im Fahrzeug: Die Anforderungen an einen SpeicherbehAclter fA¼r Wasserstoff in Fahrzeugen sind hoch. So soll mit dem gespeicherten Kraftstoff eine Reichweite von bis zu 400 Kilometern erreicht werden (z.B. Mercedes-Benz F-Cell), gleichzeitig aber auch keine rAcumliche EinschrAcnkung im Kofferraum oder der Fahrgastzelle geben. DarA¼ber hinaus sollte ein Austreten des Wasserstoffs verhindert und das Gewicht mApglichst klein gehalten werden. Zu Kosten und Details soll im Kapitel 3.2.1.4. eingegangen werden. FlA¼ssigwasserstoff: Neben den unbestreitbaren VorzA¼gen wie hApherer Energiedichte und leichterer Transportierbarkeit besitzt LH2 entscheidende (Kosten-)Nachteile: seine Temperatur von -253 Grad Celsius verlangt nicht nur einen hohen Energieeinsatz, sondern vor allem AcuAŸerst vorsichtigen Umgang mit dem Kraftstoff. Unvermeidlich ist trotz hochwertiger, teurer Isolationsmaterialien seine ErwAcrmung. Als Folge wird er (wieder) gasfAprmig und dehnt sich aus. Um eine Explosion des Tanks zu verhindern, wird er wie im Fall des BMW Hydrogen 7 A¼ber Sicherheitsventile ausgeleitet. Somit kann sich der Tank auch ohne Benutzung des Fahrzeugs entleeren, im Fall des BMW ist nach 9 Tagen Standzeit bereits die HAclfte verdunstet, nach drei Wochen hat er sich vollstAcndig entleert. Sollte tatsAcchlich der letztgenannte Fall eintreten, ist eine so genannte Warmbetankung erforderlich. Dabei wird der Tank vor der BefA¼llung tiefgekA¼hlt - ein Vorgang, der nur von geschultem Personal durchgefA¼hrt werden darf, viel Energie benAptigt und hohe Kosten verursacht. GasfAprmiger Wasserstoff: Verdichteter, gasfAprmiger Wasserstoff (CGH2) kommt gegenwAcrtig in fast allen Brennstoffzellen-Prototypen zum Einsatz. Die Kompression von H2 ist im Vergleich zu LH2 gA¼nstiger und ein technisch weit entwickelter Prozess, bei dem ca. 10-20% des Energiegehalts des zu komprimierenden Wasserstoffs benAptigt wird. Bereits heute und mit hoher Wahrscheinlichkeit auch mittel- bis langfristig werden DrA¼cke von 700 bar in einem Tank fA¼r CGH2 das Mittel der Wahl sein. Doch selbst bei diesem hohen Druck ist der Energiegehalt von Wasserstoff bezogen auf das Volumen noch wesentlich niedriger als der von Benzin. Als Folge daraus besitzt ein moderner 700-bar-Tank ein sechs bis acht Mal grApAŸeres Volumen als ein mit Benzin gefA¼llter Kraftstofftank mit vergleichbarem Energieinhalt. Auf Grund des im Vergleich zu Verbrennungsmotoren etwa doppelt so hohen Wirkungsgrades bei der (Kalt-)Verbrennung reicht jedoch ein etwa vier Mal so groAŸer Tank aus, um eine vergleichbare Reichweite zu erzielen. Die Herausforderung besteht allerdings darin, einen solchen Tank Platz sparend und ohne rAcumliche EinschrAcnkungen im Fahrzeug unterzubringen, zumal die Tanks Achnlich wie Gasflaschen eine zylindrische Form besitzen, um dem hohen Druck standzuhalten. Metallhydridspeicher: Eine weitere MApglichkeit Wasserstoff zu speichern sind Metall-Legierungen (z.B. Palladium oder Magnesium). Dabei lagern sich Wasserstoffatome durch eine chemische Reaktion an das Metall an und werden so gespeichert. Der Vorgang Achnelt einem Schwamm, der sich voll Wasser saugt. Bei Bedarf d.h. wenn der Fahrer beschleunigt, wird WAcrme zugefA¼hrt, so dass sich der Prozess umkehrt, die Wasserstoffatome freigesetzt werden und somit in der Brennstoffzelle eingesetzt werden kApnnen. Zu den Vorteilen dieses Speicherverfahrens zAchlen die hAphere volumetrische Dichte so benAptigt 5 kg Wasserstoff bei 350 bar nur ein Drittel des Volumens im Vergleich zu FlA¼ssigwasserstofftanks - sowie die grApAŸtenteils verlustfreie Speicherung A¼ber einen lAcngeren Zeitraum. AuAŸerdem ist die Form des Tanks nicht auf die Zylinderbauart beschrAcnkt, sondern kann der Karosserie angepasst werden. Der grApAŸte Nachteil ist jedoch das hohe Gewicht: so macht die gespeicherte Menge Wasserstoff in einem Tank mit den zugehAprigen Systemkomponenten nur ca. 2% des Gesamtgewichts aus. Das bedeutet, dass ein Tank fA¼r 5 kg Wasserstoff 250 kg wiegen wA¼rde. Zudem verschlechtert die notwendige WAcrmezufuhr, die fA¼r die HerauslApsung des Wasserstoffs notwendig ist, den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellenantriebs. Im folgenden Abschnitt soll auf die benAptigte Infrastruktur fA¼r batteriebetriebene Elektrofahrzeuge eingegangen werden.... das bei der genannten KapazitAct etwa 450 Kilogramm betrAcgt (so auch beim Tesla Roadster, dessen Lithium-Ionen-Akkus mit einer GesamtkapazitAct von 55 kWh ... Das wohl schwerwiegendste Problem stellen ohne Zweifel die Kosten dar .


Title:Betriebswirtschaftlicher Vergleich zwischen einem brennstoffzellenbetriebenen und einem batteriebetriebenen Elektroantrieb
Author: Florian Friederich
Publisher:diplom.de - 2009-11-04
ISBN-13:

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