Redox Flow Batterien für Elektroautos

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1 Redox Flow Batterien für Elektroautos Die Eisenbahn in Zeiten von Elektroautos 5. Greifswalder Forum Umwelt und Verkehr Prof. Dr. - Ing. Robin Vanhaelst g Fakultät für Fahrzeugtechnik Institut für Automobiltechnik Fahrzeugthermodynamik und alternative Antriebe

2 Inhalt Vorstellung der Hochschule Ostfalia Motivation für die Elektromobilität Stand der Technik : Li-Ionen Batterien Zukünftsszenarien Batterietechnologien mit sehr hohen Energiedichten Wechselbatterie Induktive Energieübertragung Schnelladeverfahren Redox-Flow Batterie

3 Standorte mit Fakultäten Salzgitter Suderburg Verkehr-Sport- Tourismus-Medien Bau-Wasser-Boden Handel und Soziale Arbeit (i.gr.) Wolfsburg Wolfenbüttel l & Braunschweig Fahrzeugtechnik Elektrotechnik Gesundheitswesen Wirtschaft Informatik Maschinenbau Recht Sozialwesen Versorgungstechnik

4 Standorte mit Fakultäten Salzgitter Suderburg Verkehr-Sport- Tourismus-Medien Bau-Wasser-Boden Handel und Soziale Arbeit (i.gr.) Wolfsburg Wolfenbüttel l & Braunschweig Fahrzeugtechnik Elektrotechnik Gesundheitswesen Wirtschaft Informatik Maschinenbau Recht Sozialwesen Versorgungstechnik

5 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber

6 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber

7 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber

8 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber

9 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber

10 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber [BMW]

11 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber [AUDI]

12 erausforderung Elektromobilität Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Förderung der Hersteller / Nützer durch Gesetzgeber [Focus Money]

13 erausforderung Elektromobilität Motivation: per Credits * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Abgasgesetzgebung mit Strafzahlungen für die OEM s Fahrzeuge mit CO2-Ausstoss <50 g/km 2012, 2013: 3,5-fache Anrechnung 2014: 2,5-fache Anrechnung 2015: 1,5-fache Anrechnung

14 erausforderung Elektromobilität [Volkswagen] Motivation: * ZEV in der Innenstadt * niedrige CO 2 Emissionen Well to Wheel * Unabhängigkeit von fossilen Kraftstoffen * Druck aus der Öffentlichkeit und der Medien * Politisch/Strategische Gründen * Abgasgesetzgebung mit Strafzahlungen für die OEM s und die Kunden

15 erausforderung Elektromobilität Lohner Porsche osc e 1900 Technische Daten: Antrieb Radnarbenmotoren in den Vorderrädern (η=83 %, da kein Getriebe) Leistung esu 2x 2,5 PS bei 120 u/min oder 2x7 PS für max. 20 min Akku Reichweite Geschwindigkeit 44zelliger Akku mit 300 Ah bei 80 V DC (später durch Verbrennungsmotor unterstützt bzw. aufgeladen) ca. 50 Kilometer 37km/h Dauergeschwindigkeit 50 km/h Höchstgeschwindigkeit Gewicht ges.1000kg davon Akku 410kg, 2x 115kg Vorderrad [Wikepedia]

16 Herausforderung Elektromobilität Citroen AX electrique Leergewicht 995 kg 11kW Gleichstrommotor NiCd-Batterie 15 kwh Reichweite : Real ca. 80 km Citroen SAXO Leergewicht 1085 kg 11kW Gleichstrommotor NiCd-Batterie 15 kwh Reichweite : Real ca. 75 km Citroen BERLINGO Leergewicht 1450 kg 15,5kW Gleichstrommotor NiCd-Batterie 20 kwh Reichweite it : Real ca. 95 km [Citroen]

17 Herausforderung Elektromobilität Cinquecento Sol Leergewicht 900 kg 12kW Gleichstrommotor Blei-Batterie 10 kwh Reichweite it : NEFZ ~90 km Real ca. 60 km (-33%) Golf City Stromer Leergewicht 900 kg 22kW Gleichstrommotor Blei-Batterie Batterie 10 kwh Reichweite : NEFZ ~ 80 km Real ca. 60 km GM EV1 Leergewicht 1350 kg 102 kw asynchronen Drehstrommotor Blei-Batterie - 16,3 kwh Teichweite: NEFZ ~ 120 km - Real ca. 90 km

18 Herausforderung Elektromobilität STAND EV1 im Jahr 1999

19 Hoffnungsträger Li-Ionen Batterien

20 Hoffnungsträger Li-Ionen Batterien art Electric Drive ergewicht: - kg rmanentmagnetisierter Synchronmotor 30 kw hium-ionen-batterie mit 16,5 kwh ichweite: NEFZ 135 km Real ca. 90 km Mitsubishi i-miev Leergewicht: kg Permanentmagnetisierter Synchronmotor 47 kw Lithium-Ionen-Batterie: 16 kwh / 20 kwh* Reichweite pro Ladung: NEFZ~144 km - Real ca. 100 km

21 Elektrodenableite Leistung Lüfte Batteriemodu Stand der Technik : Li-Ionen Batterien Zell Eben Batteriegehäus Lithium Modulbefestigun Batterie Managemen Pb Therm. Managemen Sicherheitskäfi i-miev Leaf Mini E E-Smart 80% DOD

22 Zukünftsszenarien Die Zukunft des Automobils ist elektrisch (20XY). Darüber gibt es kaum noch Zweifel. Das größte Problem des Elektroautos ist jedoch die begrenzte Reichweite von derzeit maximal 150 bis 200 Kilometern trotz modernster Lithium-Ionen-Batterie- Technologie...

23 tterietechnologien mit hohen Energiedichten auptentwicklungen bei Li-Ionen-Batterien [Sauer]

24 tterietechnologien mit sehr hohen Energiedichten ft-metall Batterien [Sauer]

25 Wechselbatterie [Better Place Better Place ist Elektroautoprovider Aufbau einer Infrastruktur mit Ladesäulen an Straßen und auf Parkplätzen sowie Akkutauschstationen Kooperation mit Renault und Nissan. Die Wechselbatterie bleibt Eigentum von Better Place.

26 Induktive Energieübertragung [IAV] Die IAV macht das Maxwellsche Induktionsgesetz zunutze. Stromdurchflossene elektrische Leiter bilden ein magnetisches Fel aus. Wenn der Leiter mit Wechselstrom durchflossen wird, kann in einem zweiten elektrischen Leiter eine Spannung induziert werden. Die Energie wird vom sendenden zum empfangenden Stromkreis übertragen. rom tanken während der Fahrt oder beim Parken ie Fahrbahn wird mit versenkten elektrischen Leitern bestückt Unterboden des Elektroautos befände sich als Gegenstück ein rührungsfreier Aufnehmer, in dem der Strom induziert wird. ie Energieübertragung kann direkt während der Fahrt geschehen oder auf Vorrat

27 Schnellladeverfahren Akku lädt in Sekunden [MIT] DIE MIT-BATTERIE Lithium Ionen Batterie in 10 Sekunden Laden Kathode mit einer neuartige Oberflächenstruktur Höhere Lithium Ionen Geschwindigkeit beim einlagern im LiFePO 4 Ausbildung von Tunnel von der Oberfläche in das Material

28 Schnellladeverfahren Akku lädt in Sekunden [MIT] DIE MIT-BATTERIE Lithium Ionen Batterie in 10 Sekunden Laden Kathode mit einer neuartige Oberflächenstruktur Höhere Lithium Ionen Geschwindigkeit beim einlagern im LiFePO 4 Ausbildung von Tunnel von der Oberfläche in das Material

29 Redox-Flow Batterie Die Redox Flow Batterien basieren auf flüssigen Elektrolyten. Zwei flüssige Elektrolyte, die Metall- Ionen enthalten, strömen durch Elektroden aus porösem Graphitflies, getrennt von einer Membran, die Protonen durchlässt. Bei diesem Ladungsaustausch fließt Strom über die Elektroden, der sich nutzen lässt.

30 Aufbau einer Redox Flow Batterie 0.8 M VOSO4, 0.8 M V2(SO4)3, 0.05 M H3PO4, 2 M H2SO4

31 Elektrolyt der Redox-Flow Batterie 0.8 M VOSO4, 0.8 M V2(SO4)3, 0.05 M H3PO4, 2 M H2SO4

32 Aufbau einer Redox Flow Batterie V2+/V3+ V4+/V5+

33 ntladung von Redox Flow Batterien V2+ -> V3+ V5+ -> V4+ H+ e- e- V2+ V5+ eg. Elektrode (Oxidation): V2+ -> V3+ + e ENTLADEN Pos. Elektrode (Reduktion): V5+ + e- -> V4+

34 Ladung von Redox Flow Batterien V3+ -> V2+ V4+ -> V5+ H+ e- e- V3+ V4+ Neg. Elektrode (Reduziert): V3+ + e- -> V2+ LADEN Pos. Elektrode (Oxidiert): V4+ -> V5+ + e-

35 Redox-Flow Batterie Die Redox Flow Batterien basieren auf flüssigen Elektrolyten. Man könnte sie daher an der Tankstelle in wenigen Minuten aufladen: Der entladene Elektrolyt wird einfach abgepumpt pt und durch aufgeladenen ersetzt. Der abgepumpte p Elektrolyt kann an der Tankstelle wieder geladen werden. [Ecartec 2009]

36 UMTANKEN von Redox Flow Batterien V2+ V5+ V3+ V4+ Neg. Elektrolytentank: Pos. Elektrolytentank:

37 Redox-Flow Batterie [Sumitomo]

38 edox-flow-batterien für Elektroautos Bisher haben die Redox-Flow-Batterien jedoch einen Nachteil: Siespeichern deutlich weniger Energie als Lithium-Ionen-Akkus. Die Reichweite der Autos würde nur etwa ein Viertel betragen der Fahrer müsste also viermal so oft die Batterien nachladen.

39 Redox-Flow Batterie [Sumitomo]

40 Redox-Flow Batterie [Fraunhofer]

41 Aktuelle Anwendungen von Redox-Flow Batterien [Sumitomo]

42 Aktuelle Anwendungen von Redox-Flow Batterien Quelle: Sumitome electric

43 Aktuelle Anwendungen von Redox-Flow Batterien [Sumitomo]

44 Bewertungsmatrix Li-Ionen vs. Redox Flow Batterie [Volkswagen]

45 Bewertungsmatrix Li-Ionen vs. Redox Flow Batterie RFB -, aber

46 Bewertungsmatrix Li-Ionen vs. Redox Flow Batterie RFB -, aber FB ++

47 Bewertungsmatrix Li-Ionen vs. Redox Flow Batterie RFB -, aber FB ++ RFB ++

48 Bewertungsmatrix Li-Ionen vs. Redox Flow Batterie RFB -, aber FB ++ RFB ++ RFB 0

49 Bewertungsmatrix Li-Ionen vs. Redox Flow Batterie RFB -, aber FB ++ RFB - RFB ++ RFB 0

50 Vision Redox Flow Batterie E-Speicherung / E-Mobilität / E-Fuel-Infrastruktur ocraft]

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