DE102007040923A1 - Verfahren zur Betankung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Betankung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort der Betankung elektrische Energie zur Ladung von elektrischen Batterien bzw. Akkumulatoren in Fahrzeugen mit Elektroantrieb verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Einleitung und Stand der Technik:
  • Es setzt sich heutzutage immer mehr die Erkenntnis durch, dass der Klimaschutz, hier insbesondere die Verringerung von Treibhausgasen, die Endlichkeit fossiler Primärenergieträger (Ressourcenproblem) und die steigenden Energiepreise einen effizienten Umgang mit fossilen Energieträgern, insbesondere im Straßenverkehr, unumgänglich machen. Hocheffiziente Verfahren zur Energieerzeugung und Umwandlung haben deshalb mittel- bis langfristig beste Chancen sich durchzusetzen.
  • Trotz zahlreich vorhandener alternativer Antriebsmöglichkeiten wird heutzutage der überwiegende Teil der Verkehrsfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren und klassischen Brennstoffen wie Benzin oder Diesel betrieben. Jedoch sorgen steigende Erdölpreise, Ressourcenverknappung, Umweltverschmutzung und die Ineffizienz von Verbrennungsmotoren dafür, dass zunehmend auch alternative Antriebssysteme Verwendung finden (z. B. Hybrid- oder Erdgasfahrzeuge).
  • Ein großes Potential als Ersatz für den Verbrennungsmotor besitzt der Elektromotor. Während der Elektromotor ca. 90% der eingesetzten Energie in Bewegungsenergie umwandeln kann, schafft dies der Verbrennungsmotor mit nur ca. 25% (Effizienzproblem).
  • Zur Erfüllung der Vision von der Energie aus der Steckdose, fehlte jedoch bis vor kurzem noch die verfügbare Batterietechnik. Die technischen Hauptprobleme wie niedrige Speicherkapazität, lange Ladezeiten, geringe Lebensdauer und geringe Sicherheit wurden jedoch in den letzten Jahren gelöst (z. B. Batteriesysteme von Altair Nanotechnologies, Inc. oder A123 Systems, Inc.). Diese neue Generation von Batterien wird bereits in Serie produziert und mit Erfolg als Energiespeicher in Elektromobilen eingesetzt (z. B. Phoenix Motorcars, Inc. oder The Lightning Car Company Ltd.).
  • Nachteile des Standes der Technik:
  • Eine Umrüstung aller Fahrzeuge auf Elektroantrieb und das „Tanken der Energie aus der Steckdose" würden jedoch das bestehende Effizienzproblem nicht lösen, sondern lediglich auf die Erzeugungsseite verlagern. Was nützt es bspw. wenn zwar der Elektromotor Strom aus dem Netz mit 90% Wirkungsgrad in Antriebsenergie umwandeln kann, dieser jedoch selbst nur mit 25% Wirkungsgrad im Kohlekraftwerk erzeugt wird. Rechnet man zudem noch die Verluste der Transportleitungen mit ca. 5% ein, so verbleiben auf diese Weise von 100% Primärenergie lediglich noch ca. 21% für die Vorwärtsbewegung übrig. Ein solches System wäre damit noch ineffizienter als der Verbrennungsmotor auf Benzinbasis.
  • Aufgabe der Erfindung:
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das Effizienzproblem durch eine optimale Kombination verfügbarer Technologien zu lösen und die langfristige Lösung des Ressourcenproblems einzuleiten.
  • Lösung der Aufgabe:
  • Die Aufgabe kann gelöst werden, indem man ein Betankungsverfahren findet, bei dem die benötigte elektrische Energie möglichst hocheffizient und dezentral vor Ort erzeugt wird und das auf eine bereits vorhandene Infrastruktur zurückgreift. Des weiteren muss bei diesem Verfahren ein Primärenergieträger eingesetzt werden, der sowohl bereits kostengünstig vorhanden ist (fossil) als auch langfristig erneuerbar gewonnen werden kann. Für die wirtschaftliche Umsetzbarkeit sollte das System in der Lage sein, die elektrische Energie in Kraft-Wärme-Kopplung zu erzeugen und die erzeugte Elektrizität zwischen den Tankvorgängen in das öffentliche Netz einzuspeisen. Die Abwärme sollte dabei möglichst auf einem Temperaturniveau erzeugt werden, welches eine möglichst breite Nutzung erlaubt. Hilfreich wäre es auch, wenn die elektrische Energie neben Wechselstrom auch als Gleichstrom bereitgestellt werden könnte (je nach Bauart des Elektromotors), da so wiederum Umwandlungsverluste vermieden werden könnten.
  • Ein Verfahren, dass alle diese Ansprüche erfüllt, ist eine Elektrotankstelle bestehend aus einer stationären Brennstoffzelle, Gasaufbereitungsanlage, einem DC/AC-Wechselrichter, Batterieladesystem für Elektromobile (Elektrozapfsäule), Erdgasnetz-, Stromnetz- und Nahwärmenetzanschluss.
  • Die Erzeugung der elektrischen Energie erfolgt unmittelbar vor Ort der Betankung in einer stationären Brennstoffzelle. Der Primärenergieträger ist ein brennbares, methanhaltiges Gas z. B. Erdgas. Auf diese Weise kann die Elektrizität bereits heute mit einem vergleichsweise hohen Wirkungsgrad erzeugt werden. Transportverluste entfallen aufgrund der Erzeugung vor Ort. Mit der Brennstoffzelle kann mit Hilfe eines DC/AC-Wechselrichters sowohl Gleich- als auch Wechselstrom zur Verfügung gestellt werden. Je nach Bauart des Elektromobils kann dieses direkt mit Gleichstrom aufgeladen werden (effizienteste Art) oder wahlweise mit Wechselstrom.
  • Durch den Anschluss der Brennstoffzelle an das Erdgasnetz wird die Primärenergiezufuhr sichergestellt und durch den Anschluss an das Stromnetz kann sichergestellt werden, dass die überschüssige elektrische Energie zwischen oder während den Tankvorgängen in das Stromnetz eingespeist und verkauft werden kann. Durch den Anschluss der Brennstoffzelle an ein vorhandenes Nahwärmenetz kann die erzeugte Wärme an die am Nahwärmenetz angeschlossenen Abnehmer verkauft werden.
  • Die Aufstellung der Elektrotankstelle erfolgt an einem Ort, der eine Nutzung der Abwärme ermöglicht z. B. in einem Industrie- bzw. Gewerbe- oder Wohngebiet. Hier ist auch eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Vorhandensein eines Erdgas- und Stromnetzes zu erwarten. Vorteilhaft wäre es auch, wenn sich die Elektrotankstelle nahe an Bundesstraßen oder Autobahnen befinden würde.
  • Vorteile:
  • Es ist heutzutage möglich in einer serienmäßig hergestellten Hochtemperatur-Brennstoffzelle elektrischen Strom mit einem Wirkungsgrad von ca. 48% zu erzeugen (z. B. HotModule von CFC Solutions GmbH). Moderne Batteriespeicher (z. B. NanoSafe bei 6C-Charge-Rate) können innerhalb von ca. 10 Minuten bei einem Wirkungsgrad von ca. 90% geladen werden und moderne Radnabenmotoren (z. B. Hi-Pa-drive von PML Flightlink Ltd.) können den Strom mit ca. 90% in Bewegungsenergie umwandeln. Die in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle entstehende Wärme kann mit einem Wirkungsgrad von ca. 42% auf einem sehr hohen Temperaturniveau erzeugt werden (z. B. HotModule).
  • Beim Einsatz von Erdgas in der Elektrotankstelle würde der Systemwirkungsgrad (Effizienz) des Verfahrens bei reiner Nutzung der elektrischen Energie ca. 38% und bei gleichzeitiger Nutzung der erzeugten Wärme ca. 80% erreichen (bezogen auf den unteren Heizwert Hu von Erdgas). Man könnte so die Energieausnutzung verglichen mit dem System Benzin/Verbrennungsmotor (25%) um bis zu 320% steigern.
  • Vergleicht man die Kosten ergibt sich ein noch interessanteres Bild. Der Preis für die Kilowattstunde Erdgas beträgt derzeit ca. 5,5 Ct. (Geschäftskunden) und für die Kilowattstunde Super Benzin (8,9 kWh/Ltr.) ca. 15 Ct. Damit ist Erdgas um den Faktor 2,7 günstiger als Super Benzin.
  • Die für neuere Batteriesysteme zur schnellen Ladung benötigten hohen Ladeströme können mit Brennstoffzellen (bspw. HotModule) problemlos zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise wird im Sport Utility Truck von Phoenix Motorcars, Inc. ein Batteriepack mit ca. 28 × NanoSafe-Batterien verwendet. Hierfür wird nach Angaben des Herstellers bei einer 6C-Charge-Rate, was ca. 10 min Ladezeit entspricht, ein Ladestrom von ca. 528 A benötigt. Mit einer elektrischen Leistung von 280 kW liefert ein HotModule der CFC Solutions GmbH bei 380 V Gleichspannung einen Ladestrom von ca. 737 A. Es könnten also während der Ladezeit sogar noch ca. 80 kWh in das Stromnetz eingespeist werden.
  • Die Verwendung von erneuerbaren Energieträgern wie Biogas oder Methanol in Brennstoffzellen wurde bereits erprobt und besitzt Serienreife (z. B. HotModule). Unabhängig davon kann Biogas bereits heute auf Erdgasqualität aufbereitet und in das bereits vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden. Somit kann das Verfahren inkl. Infrastruktur bei einem evtl. Übergang auf erneuerbar erzeugtes Brenngas unverändert beibehalten werden.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Betankung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort der Betankung elektrische Energie zur Ladung von elektrischen Batterien bzw. Akkumulatoren in Fahrzeugen mit Elektroantrieb verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie zur Betankung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb dezentral vor Ort (im Radius von ca. 1 km vom Ort der Betankung) mittels einer stationären Brennstoffzelle erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie der Brennstoffzelle aus wasserstoffhaltigen brennbaren Gasen (z. B. Erdgas, Biogas, Biomethan, Butan, Propan etc.) erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle an ein Stromnetz angeschlossen ist.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle an ein Wärmenetz angeschlossen ist.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle an ein Erdgasnetz angeschlossen ist.
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