Wasserstoff - Erfahrungen, Status und zukünftige Herausforderungen
Dipl.-Ing. Erich Ramschak
Graz, 27.Feb. 2014
Workshop Brennstoffzellen: Markteinführung, Markthemmnisse und
F&E-Schwerpunkte im Rahmen des Implementing Agreement on
Advanced Fuel Cells
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2010 2015 2020/21 2025
Ø 130 gCO2/km
Ø 95 gCO2/km
Ø ca. 70 gCO2/km ?
erforderliche
CO2 Reduktion
- 27%
- 46% (zu 2015)
Stadt
Überland
CO2-Gesetzgebung bewirkt eine Änderung und Diversifizierung von Antriebstechnologien
MHEV
FHEV
PHEV
Antriebs- und Speichertechnologien bringen den größten Beitrag zur CO2 Reduktion
verpflichtender Durchschnittswert für OEMs in EU(gewichtsabhängig)
FCEVREEV
Bifuel CNG, LPGsyn./agro TreibstoffeStarter-Generator-Systeme 12V/48Vstart-stopp
BEV
+ super credits <50gCO2/km
optimierte VKMLeichtbautechnologienEnergiemanagementReibungsoptimierung
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Infrastruktur
Lieferanten-kette
Kosten
Fahrzeughersteller mit BZ-Technologien
Daimler
Honda
Toyota
Nissan
Hyundai
Markteinführung zwischen 2013 und 2020 in
Regionen mit H2 Tankstellen (EU,USA,JP,S-Korea)
H2 Tankstellen in Reichweite von Material bis
Gesamtsystem
qualifizierte Zulieferer mit automotiven Standards
GM
BMW
20
17
20
15
20
13
20
15
20
17
Ford
VW Gruppe, Volvo, Suzuki, PSA, KIA, SAIC, Lexus: keine Angaben
20
1x
20
18
20
20
Kosten, Infrastruktur und qualifizierte Lieferantenkette bestimmen Erfolg der Markteinführung
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Rückblick: 22 Jahre Wasserstoff-Speichersysteme
Kryo-speicherfür BMW H7(100 Stk.)
Leichtbau-Kryotank
Kryo-speicher fürBusse
FlachtankKryotankAeronautik
700bar Typ4 Speicher(200 Stück)
130 Patente & AnmeldungenAriane 5 Treibstoffleitungen
erster Start 1996
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Gasförmige H2 Tanksysteme von MS in Fahrzeugen
350bar H2 Speicherkonzept, Packaging & Integration Aston Martin Hybrid Hydrogen Rapid S (ICE)
MILA Show Car Konzept-Studie,Integration gasförmige Speicher
Erprobung im 24h-Rennen am
Nürburgring 2013
Opt. Bauraumausnutzung vs. optimale H2 Speicherkapazität
Speichersystem: Qualifikation,Validierung, Zertifizierung Kleinserienfertigung, Wartung
700bar H2 Speichersysteme für Mercedes-Benz F-CELL (FCV)
Praktische Flottenerfahrung mit 350 bis700bar in verschiedenen Anwendungen
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Integrationsstudie: Machbarkeit von 700bar H2 Tanks in einem SUV
L [mm] D [mm] V_innen [L]
Behälter 1 1400 200 26.3
Behälter 2 900 200 16.2
Behälter 3 1245 304 53.9
Gesamtvolumen [L]: 96.4
Masse [kg H2@700bar]: 3.86
RB: SUV Plattform unter Einhaltung der strukturrelevanten Randbedingungen
• Berücksichtigung von
Bodenfreiheit, Bauräume
und Abstände für H2
Nebenkomponenten
• optimale H2 Behälter-
geometrien
Hohe Speicherkapazität von Wasserstofftanks ist wichtiger Aspekt für die erzielbaren Reichweiten
Ziel: 500km praktische Reichweite (>5kgH2)
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F&E Fahrzeugprojekt: Reichweitenoptimiertes E-Van Konzept mit Brennstoffzelle
� Emissionsfreie Erhöhung der Reichweite (3x BEV mit einer Tankfüllung)
� Kostenvorteil gegenüber BEV bzw. FCEV
� Gewichtsreduktion
� Kurze Betankungszeit (<5min)
� Erhöhung von Höchstgeschwindigkeit
� Verbesserte Nutzung elekt. Nebenverbraucher (Klimatisierung etc.)
� Einsatz als Personen-VAN sowie Logistikfahrzeug
20kW PEMFC
Li-Ionen Batterie
Verkleinerung der Batteriegröße (vs. BEV) und BZ-Leistung (vs. FCEV) ���� Kostenvorteil FC REEV
Kooperationsprojekt 2014-2016
adaptive
Betriebsstrategie
300km Reichweite
emissionsfrei
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Möglichkeiten zur Funktionsabsicherung des FC REEV Demonstrators bei MS
Betankungsversuche mit Wasserstoff
Antriebsstrangprüfungen, Hydropuls
Fahrzeugtests auf Rolle mit vollständiger Klimatisierung
Teststrecke mit Schlechtweg-erprobung, Steigung, Wattiefe
Prototypenbau
Wartungs- & Reparaturanlagen mit H2 Sicherheitseinrichtungen
Anlagen mit H2 Zertifizierung für Integration, Test und Validierung von H2-Fahrzeugen
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H2 KomponentenentwicklungTyp 4 Faserverbund-Behälter und Ventil-/Druckregelkomponenten bis 700bar
GH2 SystementwicklungSystemabsicherung und Zertifizierung
Fertigung mit hohen QS Standards
Fahrzeugintegration von H2-TanksBauraumoptimierung, Integration, PT-Bau, Fahrzeugvalidierung & H2
Sicherheit
H2 Speichersysteme von Magna Steyr
Serviceumfang: Entwickeln, Testen, Validieren und Integrieren von H2 Speichersystemen
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Serienfertigung von 700 bar H2 Tanksystemen
Qualitätssicherung auf Komponentenebene
Teilsystem- und Systemaufbau
QS – Endkontrollez.B. Lecktests
Wartung und Reparatur
Fehleranalyse und Optimierung
Serienfertigung mit automotiven QS-Standards, praktische Flottenbetriebserfahrung ca. 2 Mio. km
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Anforderungen an Wasserstoffspeicher
SerienfertigungSerienfertigung
Automotive Fertigungsprozesse
In-Line und EoL-Tests z.B. schnelles Entleeren von Inertgas, Dichtigkeitstests, …
Bauraum & GewichtBauraum & Gewicht
Optimierung von Wandstärken
Systemgeometrie d.h. Behälterauslegung, Anzahl und Geometrien Komponenten
Auswahl von CFK Material: Qualität vs. Gewicht und Kosten
funktionale Sicherheit &Lebensdauer funktionale Sicherheit &Lebensdauer
Permeation, Liner-Boss Dichtung
Lifetime Monitoring
Festigkeit über Druckzyklen
Innere & äußere Leckagen
Betriebsdauer
UmweltaspekteUmweltaspekte
Recycling (eco-Design)
Materialauswahl
Lösungsansatz: Qualifizierte Lieferantenkette, Anwendung v. Regelwerken &Standards, umfassende Testlabors
Herstellkosten €/kgH2
Speicherkapazität kgH2/Systemgröße
Sicherheit QS-Prozess
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Absicherung von Hochdruckbehälter
Druck- und Bersttests –Absicherung Festigkeit
Falltests – Absicherung Strukturfestigkeit und Dichtigkeit
Beschusstest – Absicherung Strukturfestigkeit
Hydraulische Zykliertests – Absicherung Dauerfestigkeit
Leck- und Permeationstests – Absicherung Langzeitverhalten
Brandtests – Absicherung Brandsicherheitseinrichtungen (Fremdfeuer)
Eigene vor Ort Möglichkeiten zur Absicherung von 700 bar H2 Hochdruckbehälter
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Status der 700bar H2 Tankentwicklungbei Magna Steyr
Kostenoptimierung
Reduktion von Gewicht Bauraum
Steigerung Funktionalität
PKW SystemEntwicklung & Industrialisierung von
Magna Steyr mit strategischen Partnern
PKW (MB F-Cell)Hauptkomponenten von Zulieferer
Generation 1Generation 1 Generation 2Generation 2 Generation 3Generation 3
PKW-/Bus-/kleinLKW SystemEntwicklung & Industrialisierung multifunktionaler
Rahmen von Magna Steyr mit strategischen Partnern
Wertschöpfung, Stückzahlen
Wertschöpfung, Stückzahlen
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Generation 2 H2-Speichersystem
700bar Zweibehältersystem mit verbesserter Funktionalität und neuester Ventiltechnik
Behälter aus Eigenentwicklung / 1:2 Behältervolumenspreizung / neueste Behälterventil- & Druckreglertechnik
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Ausblick auf optimierte H2 Speichertechnologienvon Magna Steyr
Fertigungs-optimiertes Designwenig Schnittstellen (Fittings),
integrierte Komponenten –
schnelle Fertigung
Generation 3 - multifunktionales Rahmenkonzepthohe Funktionsintegration – weniger Komponenten
schnelle Befüll-& Entleerzeit
Inertgas-Reinigung, H2
Erstbefüllung
optimierte Steifigkeitflexibles Rahmenkonzept
SkalierbarkeitAnwendung in unterschiedlichen
Derivaten bzw. Plattformen
Hohe Speicherkapazitätweniger Masse und geringeres Volumen
Kurze EoLTestzeit
Reduzierte Lecktests
Konzept für mehr Funktionalität, Speicherdichte und weniger Herstellkosten
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Zusammenfassung
� Aktuelle Entwicklungsziele bei H2 Speicher sind primär niedrige Herstellkosten und hohe Speicherkapazitäten
� FCH Aktivitäten von MAGNA STEYR sind auf Qualifizierung und Vorbereitung des nahen Markteintritts von OEMs zwischen 2015 bis 2020 ausgerichtet
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MAGNA STEYR offers mobility solutions of the future
The future is ours to create
Kontakt: Dipl.-Ing. Erich Ramschak Email: [email protected]