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14.06.2018, 12:30 Uhr

Thementag Elektromobilität

Öffentliche Themensitzung der Klasse für Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften

Die Mobilität über große Entfernungen für Menschen und Güter ist eines der wichtigsten Merkmale der modernen Gesellschaft. Der großen globalen Bedeutung der Mobilität steht die Tatsache gegenüber, dass sie heute fast ausschließlich auf fossilen Energieträgern beruht und dass sie in die Bilanz der klimaschädlichen und umweltbelastenden Immissionen an einer vorderen Position eingeht. Die Möglichkeiten den Anteil verkehrsbedingter Immissionen wesentlich zu reduzieren sind Gegenstand intensiver Diskussionen in der Öffentlichkeit. Dabei ist es Aufgabe der Wissenschaft, auf die naturwissenschaftlichen Bedingungen und die absehbaren Grenzen der Bemühungen um eine neue tragfähige Technologie hinzuweisen. Es sind die folgenden Gesichtspunkte, welche die Klasse für Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste für diesen Thementag motivieren.

Über den Wechsel von der auf fossilen Treibstoffen basierenden Mobilität zu modernen umwelt- und klimaneutralen Formen wird heute viel gesprochen. Auf der anderen Seite gibt es in der Öffentlichkeit einen augenfälligen Mangel an Kenntnissen bezüglich der physikalisch-chemischen Grundlagen dafür. Insbesondere ist aufgrund des politischen Drucks ein Impetus in Richtung der Elektromobilität entstanden. Dabei wird die schnelle Verfügbarkeit einer Energiespeichertechnik für den Massenmarkt unterstellt, die aus wissenschaftlicher Sicht keinesfalls gesichert ist. Sorgen muss auch bereiten, dass bereits weit entwickelte Alternativen anderer umwelt- und klimaneutraler Mobilitätsformen, beispielsweise die Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie und die Möglichkeiten umwelt- und klimaneutraler synthetischer Treibstoffe nur wenig Beachtung finden.

Die Einladung zur Veranstaltung finden Sie hier.

 

Programm

Begrüßung

Prof. Dr. Wolfgang Löwer
Präsident der Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste

 

Grußwort

Prof. Dr. Andreas Pinkwart
Minister für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen

 

Einführung

Prof. Dr. Knut Urban
Forschungszentrum Jülich und RWTH Aachen University

 

Vortrag 1

Batteriespeicher als Grundlage der Elektromobilität – Stand der Entwicklung und Perspektiven

Prof. Dr. Martin Winter, Münster
Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) Batterieforschungszentrum, Universität Münster & Helmholtz Institut, Forschungszentrum Jülich GmbH, JARA ENERGY

 

Vortrag 2

Elektromobilität aus der Sicht eines globalen Automobilzulieferers

Dr. Mathias Pillin, Stuttgart
Executive Vice President, Bereichsvorstand mit der Verantwortlichkeit für Elektromobilität, ROBERT BOSCH GmbH, Stuttgart

 

15:00 – 15:30 Pause

 

Vortrag 3

Systeme der Elektromobilität – Stand und Perspektiven

Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, Aachen
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe, & Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS), E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University, JARA-ENERGY

 

Vortrag 4

Wasserstoff und Brennstoffzelle in der zukünftigen Mobilität

Prof. Dr. Detlef Stolten, Jülich
Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik, Forschungszentrum Jülich GmbH & Lehrstuhl für Brennstoffzellen, RWTH Aachen University, JARA ENERGY

 

17:30 – 18:00 Pause

 

Vortrag 5

Synthetische Treibstoffe – klimaneutrale Alternativen für den Verbrennungsmotor

Prof. Dr. Stefan Pischinger, Aachen
Vorsitzender der Geschäftsführung der FEV GmbH, Aachen; Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen, RWTH Aachen University, JARA ENERGY

 

 

Details zu den Vortragenden und den Vorträgen

13.00 - 14.00 Uhr | Vortrag 1

Batteriespeicher als Grundlage der Elektromobilität – Stand der Entwicklung und Perspektiven

Prof. Dr. Martin Winter, Münster
Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) Batterieforschungszentrum, Universität Münster & Helmholtz Institut, Forschungszentrum Jülich GmbH, JARA ENERGY

Abstract

Die Etablierung der Elektromobilität ist ein wichtiger Schritt für die Beibehaltung der individuellen Mobilität bei gleichzeitiger Verbesserung der Ressourcenschonung und der Klimafreundlichkeit. Die Batterie ist eine wichtige Schlüsseltechnologie für den Antrieb von Elektroautos. Unter den zahlreichen kommerziell verfügbaren und den sich noch im Forschungsstadium befindlichen Batterietechnologien gehört aktuell die Lithium-Ionen-Technologie zum besten Stand der Technik.  Dies liegt insbesondere an den hohen Energieinhalten (pro Gewicht und Volumen), der hohen Zuverlässigkeit, der langen zyklischen sowie kalendarischen Lebensdauer und den inzwischen dramatisch gesunkenen Kosten.

Neben den etablierten Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden in der Wissenschaft neue bzw. alternative Zellkonzepte, wie insbesondere die Lithium-Schwefel-Batterie, die Lithium-Luft-Batterie oder die Feststoff-Batterie verfolgt. Allgemein werden diese Zukunftstechnologien auch unter dem Begriff Post-Lithium-Ionen-Technologien zusammengefasst, unabhängig davon, ob sie die LIB werden ersetzen können, oder eigentlich Sonderformen der LIB sind. In diesem Vortrag werden unterschiedliche Batterietechnologien für Elektroautos vergleichend diskutiert und die Perspektiven aufgezeigt.

Prof. Dr. Martin Winter ist Chemiker. Er forscht und entwickelt seit mehr als 25 Jahren im Bereich der elektrochemischen Energiespeicherung und Energiewandlung. Derzeit hält er eine Professur für „Materialwissenschaften, Energie und Elektrochemie“ am Institut für Physikalische Chemie der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster. Darüber hinaus ist er Gründer und wissenschaftlicher Leiter des MEET Batterieforschungszentrums der WWU. MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) ist eine der führenden Einrichtungen der Batterieforschung mit einem Team von 150 Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern. Seit 2015 ist er auch Gründungsdirektor des Helmholtz-Instituts Münster (HI MS) “Ionics in Energy Storage“, eine Einrichtung des Forschungszentrums Jülich (IEK 12), mit 60 Mitarbeitern.

 

14:00 – 15:00 Uhr | Vortrag 2

Elektromobilität aus der Sicht eines globalen Automobilzulieferers

Dr. Mathias Pillin, Stuttgart
Executive Vice President, Bereichsvorstand mit der Verantwortlichkeit für Elektromobilität, ROBERT BOSCH GmbH, Stuttgart

Abstract

Ausgehend von der aktuellen Marktsituation und den Megatrends der Zeit skizziert der Vortrag die daraus entstehenden Herausforderungen an die Elektromobilität in der weltweiten Automobilindustrie. Dabei werden sowohl die Vielfältigkeit der elektrifizierten Antriebslösungen im Markt als auch die Anforderungen der Kundenlandschaft an einen global aufgestellten Automobilzulieferer dargestellt. Dies wird anhand einiger konkreter Produktbeispiele konkretisiert.

Dr. Mathias Pillin studierte ab 1986 Physik an der Universität Karlsruhe. Anschließend war er Doktorand am Max-Planck-Institut für Physik und promovierte 1994 an der LMU in München. Danach war er mehrere Jahre als Research Fellow zunächst am Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University (Japan), und am King's College, London (GB), tätig. Seit Ende 1999 ist er bei der Robert Bosch GmbH beschäftigt. Dabei durchlief er mehrere Stationen im Bereich Software- und Elektronikentwicklung, im Steuergeräteumfeld sowie im Projektmanagement für kleine elektrische Antriebe. Er war persönlicher Referent bei der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH bevor er Entwicklungsleiter und Produktbereichsleiter für Anzeigesysteme im Bereich Car Multimedia wurde. Von 2016 bis 2017 war er Mitglied des Bereichsvorstands Gasoline Systems und dort für die Elektrifizierung im Antriebsstrang verantwortlich. Seit 2018 ist er Mitglied des Bereichsvorstands Powertrain Solutions und verantwortet dort die Elektrifizierung.

 

15:30 – 16:30 Uhr | Vortrag 3

Systeme der Elektromobilität – Stand und Perspektiven

Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, Aachen
Lehrstuhl für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe, & Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS), E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University, JARA-ENERGY.

Abstract 

Die Verfügbarkeit wesentlich besserer Batterietechnologien und die Notwendigkeit die CO2-Emissionen erheblich zu reduzieren, beschleunigen die Entwicklung einer großen Zahl von mobilen Anwendungen mit Elektroantrieben. Im Fokus steht meist der PKW-Markt mit seinen Konzepten von Hybrid- über Plug-in-Hybrid- bis hin zu vollelektrischen Fahrzeugen. Daneben entwickeln sich aber auch bedeutende Märkte wie beispielsweise im Bereich E-Bike und E-Scooter oder Busse für den ÖPNV. Verstärkte Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen werden jetzt aber auch in Richtung Fluggeräte, schwere LKW oder Schienenbahnen unternommen.

Der Vortrag betrachtet diese unterschiedlichen Anwendungen bzgl. ihrer Herausforderungen und Potentiale unter besonderer Betrachtung der Batterie. Die Batterien unterliegen unterschiedlichen Zuverlässigkeitsanforderungen, Anforderungen an die Geschwindigkeit der Aufladung, der zu erzielenden kalendarischen oder zyklischen Lebensdauer und auch der Sicherheit. Aufgezeigt werden die Möglichkeiten der Batteriesystemtechnik, diesen Anforderungen in optimaler Weise gerecht zu werden. Dazugehören das Packaging, die Verschaltungskonzepte, die Sicherheits- und Kühlsysteme, das Monitoring und die Diagnostik sowie die Batteriemanagementsysteme, die auch mit ganz neuen Messverfahren zukünftige Zuverlässigkeitsstandards, z.B. für autonom fahrende Fahrzeuge erfüllen müssen.

Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer studierte Physik an der TH Darmstadt und begann seine wissenschaftliche Laufbahn beim Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg im Jahr 1992. Bis 2003 arbeitete er dort zu den Themenschwerpunkten Speichersysteme, Energiemanagementkonzepte für dezentrale Stromerzeuger in Netzen und Netzferne Energieversorgung. Im Jahr 2003 wurde er als Juniorprofessor an die RWTH Aachen für das Lehr- und Forschungsgebiet "Elektrochemische Energiespeicherung und Speichersystemtechnik" und 2009 bzw. 2012 als Univ.-Professor bzw. als Lehrstuhlinhaber ebendort berufen. Dirk Uwe Sauer ist u.a. leitender Direktor des Projekts der nationalen Wissenschaftsakademien „Energiesysteme der Zukunft“ und Direktor der Jülich-Aachen Reserach Alliance (JARA) im Bereich Energie.

 

16:30 – 17:30 Uhr | Vortrag 4

Wasserstoff und Brennstoffzelle in der zukünftigen Mobilität

Prof. Dr. Detlef Stolten, Jülich
Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik, Forschungszentrum Jülich GmbH & Lehrstuhl für Brennstoffzellen, RWTH Aachen University, JARA ENERGY

Abstract

Mobilität ist ein essenzieller Faktor in unserer Gesellschaft. Einerseits gibt es ein starkes Bedürfnis nach privater Mobilität, andererseits ist Mobilität auch eine Voraussetzung für ein prosperierendes Wirtschaftsleben und damit für den Wohlstand. Derzeit basiert die Mobilität zu über 90 % auf Erdöl, mit dessen Produkten interne Verbrennungsmotoren und im Flugbetrieb Gasturbinen betrieben werden. Dabei fallen in große Mengen CO2 und limitierte Emissionen wie NOX und Feinstäube an. Während limitierte Emissionen und Feinstäube noch durch Nachbehandlungen der Abgase reduziert werden können, ist die CO2-Abscheidung an den sehr dezentralen Einheiten technisch nicht vorstellbar. Da Maßnahmen zur Verbrauchssenkung nur über ein begrenztes Potenzial verfügen, wäre der Umstieg auf CO2-neutrale, synthetische Kraftstoffe nötig.

Eine andere Option stellt der elektrische Antrieb dar, der sowohl über Batterie, als auch über eine Brennstoffzelle gelöst werden kann. Hier würde als Primärenergieträger Strom aus erneuerbaren Quellen verwendet werden können. Damit lassen sich sowohl die CO2-Emissionen, als auch die limitierten Emissionen drastisch reduzieren. Allerdings weisen die erneuerbaren Stromquellen eine hohe Volatilität auf und bedürfen daher des Einsatzes geeigneter Energiespeicher. Während die Batterie eine gute kurzfristige Speichermöglichkeit bietet, bietet der Wasserstoff-Brennstoffzellenpfad auch eine gute Langzeitspeicherung, allerdings bei einem verringerten Wirkungsgrad gegenüber der Batterie. Anders als beim Umstieg auf synthetische Kraftstoffe muss sowohl für die batteriebasierte Elektromobilität, als auch für die brennstoffzellenbasierte Elektromobilität eine entsprechende Infrastruktur neu aufgebaut werden.

In dem Vortrag werden ausgehend von den Anforderungen der Energiewende die Mobilitätsoptionen mit Schwerpunkt auf dem PKW und mit Seitenblick auf LKW und Flugverkehr diskutiert. Dabei werden die Optionen wirkungsgradmäßig, kostenmäßig und infrastrukturseitig dargestellt. Der technische Status und die Optionen für den Brennstoffzellenantrieb einschließlich der Infrastruktur werden detailliert erläutert und durch einen Vergleich der Infrastrukturkosten zwischen dem Aufbau einer batteriebasierten Infrastruktur und einer brennstoffzellenbasierten Infrastruktur abgerundet.

Prof. Dr.-Ing. Detlef Stolten leitet das Institut für Elektrochemische Verfahrenstechnik im Forschungszentrum Jülich GmbH und hat den Lehrstuhl für Brennstoffzellen an der Fakultät für Maschinenwesen der RWTH Aachen University inne. Der Schwerpunkt seiner Forschungsaktivitäten liegt in der Elektrochemie, Verfahrenstechnik für Brennstoffzellen und Elektrolyse. Seit 2010 widmet er sich auch intensiv der technisch-ökonomischen Systemanalyse für die Transformation des Energiesystems. Besondere Bedeutung kommt hierbei der Sektorkopplung einschließlich der Modellierung von Gas- und Stromnetzen, der Einspeisung erneuerbarer Energie, dem Energiebedarf des Transportsektors und der Speicherung mittels Wasserstoff, Methan, LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier) sowie weiterer Optionen und der Wasserstoffproduktion aus erneuerbarer Energie durch Elektrolyse zu.

 

18:00 – 19:00 Uhr | Vortrag 5

Synthetische Treibstoffe – klimaneutrale Alternativen für den Verbrennungsmotor

Prof. Dr. Stefan Pischinger, Aachen
Vorsitzender der Geschäftsführung der FEV GmbH, Aachen; Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen, RWTH Aachen University, JARA ENERGY

Abstract

Die im Pariser Klimaabkommen gesetzten Treibhausgas-Reduzierungen, um den Klimawandel aufzuhalten, fordern drastische Treibhausgas-Emissionen in allen Wirtschaftssektoren und stellen den Transportsektor mit einer geplanten Reduktion der Treibhausgase von mehr als 60% bis 2050 (im Vergleich zu 1990) vor große Herausforderungen. Der Anteil erneuerbarer Energiequellen im Energiesektor muss demnach bis 2050 stetig ansteigen, um den Energiebedarf unserer Gesellschaft zu decken. Die daraus resultierende mögliche Überproduktion, die bereits jetzt gelegentlich auftritt, steigert die Notwendigkeit eines effizienten langfristigen Energiespeichers für die überschüssige erneuerbare Energie.

Die Herstellung synthetischer Treibstoffe aus erneuerbarer Energie, Wasser und CO2 ist eine Möglichkeit überschüssige Energie langfristig zu speichern. Die Nutzung solcher Kraftstoffe im Transportsektor ist bei einer „well-to-wheel“ Betrachtung nahezu CO2-neutral. Der Sauerstoffanteil in synthetischen Kraftstoffen entschärft den Ruß-Stickoxid-Zielkonflikt bei Dieselfahrzeugen erheblich und bietet das Potential für noch geringere Emissionen. Das Potential der Marktdurchdringung eines so genannten „Drop-in E-Fuels“ ist vielversprechend und eine hierfür notwendige industrielle Produktion ist bei steigendem Anteil der erneuerbaren Energien ebenfalls möglich.

Prof. Dr. Stefan Pischinger beendete im August 1985 sein Studium (Fachrichtung Maschinenbau) an der RWTH Aachen. Von 1985 bis 1989 arbeitete er als wissenschaftlicher Assistent am Sloan Automotive Laboratory, Massachusetts Institute of Technology. 1989 promovierte er mit dem Thema "Untersuchung des Einflusses der Zündkerzengestaltung auf die Flammenkernbildung und Verbrennung im Ottomotor". Von 1989 bis 1997 belegte er diverse Positionen sowohl im Diesel‐ als auch im Ottomotorbereich bei der Firma Daimler‐Benz. Seit 1997 ist er Direktor des Institutes für Thermodynamik der RWTH Aachen University und Leiter des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen. Gleichzeitig wurde Professor Stefan Pischinger 1997 in die Geschäftsführung der FEV, Aachen berufen. Seit April 2003 bekleidet er dort die Position des Vorsitzenden der Geschäftsführung und ist als solcher für die komplette FEV-Gruppe verantwortlich. Er ist seit 2010 Mitglied der Nordrhein‐Westfälischen Akademie der Wissenschaften und der Künste.