Zukunft der elektrischen und der thermochemischen Speichertechnik in Bussen Energie Forum 2013

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1 Zukunft der elektrischen und der thermochemischen Speichertechnik in Bussen Energie Forum 2013

2 Problemstellung Die Elektromobilität kommt weltweit nur schleppend voran. Der Grund der allgemeinen Zurückhaltung ist die gegenwärtige elektrische Speichertechnik. Lithium ist sehr reaktiv, brennt auch unter Wasser. So entstehen Brände bei Kontakt mit der Luft. Die heutige Form der Applikation ist für mobile Anwendungen sehr schwer, die spezifische Energiedichte gering. Lithium ist teuer und die strategische Verfügbarkeit ist unsicher, weil die geopolitische Verteilung der Vorkommen auf der Welt sehr unregelmäßig ist. Die nötige Recyclingtechnologie ist noch nicht gelöst. Aus diesem Grunde müsste in der Zukunft effektiver angewendet werden.

3 Einsatz von Elektrobussen in Raum Uelzen Beispiel: Pinneberg, Betriebshof Uetersen. Chinesischer Linienbus, Preis ( zu Diesel). Fahrleistung km /Jahr: Einsparung /Jahr. Akkumulator: 1,5 t LiFePO4. Preis: Reichweite 250 km. Ladezeit: 3 St. Länge 11,5 m, Platz für 70 Gäste, Gewicht 11.8 t. 32 Busse geplant

4 Seoul, Green Car, Smart City. Länge 11,5 m, Reichweite 63 km, Ladezeit 30 min. Motorleistung 322 PS, d.h. 240,2 kw. Geschwindigkeit 100 km/h. Akkumulator: Lithium Ionen. Planung: 14 Busse Vergleiche: Solo EV P 120AG Bus (Produzent Optare) mit Induktionsmotor, Leistung 120 kw, 2x Lithium Ionen Phosphat Batterien. Spannung 307 V, Speicherkapazität 80 kwh. Preis des Akkumulators ca , Geschwindigkeit: 90 km/h

5 Das Element von Volta demonstriert auch heute noch das Prinzip der galvanischen Zelle. Die beiden wässrigen Lösungen sind durch ein Diaphragma getrennt, die nur die Ionen durchlässt, nicht aber die Wassermoleküle

6 Periodensystem Im Periodensystem hat Lithium einen Platz links oben, weil es das leichteste Metall ist. Es bietet die Möglichkeit, mit ebenfalls leichten, nicht metallischen Elementen, wie Schwefel oder Phosphor, etc. in einer galvanischen Zelle vorteilhaft gekoppelt zu werden

7 Typ Energie Spez. Preis E/$ Entladung Anzahl von Zyklen Spannung Energiedichte Langzeitstabilität (V) (Wh/kg) (W/kg) (Wh/$) (%/Monate) (#) (Jahre) Blei Säure % 4% autark, 20 stationär Alkalisch < <5 Nickel Eisen % 40% 50+ Nickel Cadmium Nickel Wasserstoff Nickel Metall Hydrid % , % (Satellit) Nickel Zink Lithium Luft (organisch) ~100

8 Energiedichtanzahstabilität Zyklen Langzeit Typ Spannung Energie E/$ Entladung Lithium Ion % 10% Lithium Ion Polymer % Lithium Ion Phosphat Lithium Schwefel Lithium Titanat Natrium Ion Dünnfilm Lithium? ? Zinkbromid Vanadium Redox % Natrium Schwefel Geschmolzener Salz Silberoxid

9 Energiedichte von verschiedenen Energiespeichern in MJ/kg Zebra Batterie 0,43 Alkali Mangan Batterie 0,45 Li Ionen Akku 0,5 Li Polymer Akku 0,54 Lithiumbatterie 0,9 Lithium/Eisendisulfid (Li/FeS 2 ) Wasserstoff (inkl. Hydridtank Zink Luft Batterie 1,2 Erdgas (L Gas, Brennwert) 36 Pflanzenöl 37 Kerosin 40 Polystyrol 41,4 Benzin 43 Dieselkraftstoff 45, 1,19 Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt.

10 Entwicklung der Akkumulatortechnik

11 A lithium ion battery from a laptop (176 kj/kg) Nokia Li ion battery for powering a mobile phone ( kj/kg)

12 Hotzenblitz Traktionsbatterie (180 V) aus 56 einzelnen Zellen, Thunder Sky LPF60AH Lithium Eisenphosphat, BMS Modul für jede Einzelzelle

13 Lithium Batteriemodule in einem Kraftfahrzeugunterboden

14 Pkw Starterakkumulators: 12 V bis 24 V, Nennladung: Ah Gabelstapler Zellen: 24 V bis 96 V, Nennladung: Ah Elektroautos: mehrere Hundert Volts, Kapazität: Ah Rechts im Bild: Akkumulator, bestehend aus einzelnen Lithium Zellen Norm Spannung : 80 V, Norm Kapazität: 300 Ah HOPPECKE Unternehmenspräsentation. Cr_den_standort_zwickau.pdf

15 Lithium Ionen Akkumulator in einem Nissan Pkw in Schnittdarstellung

16 Lithium Akkumulator System für Autobusse Hoppecke Akkumulator, bestehend aus 16 s 1p 10 Zellen Energie: 592 V, 40 Ah, 24 kwh; 257 kw Spitze Masse: 350 kg (Vergleich: NiMH =950 kg) Modulare Systemarchitektur BMRS Technik für Temperatur, Spannung und Strom Kommunikation mit einem internen Datenrekorder

17 Aufbau eines Lithium Akkumulator Kathode: negativ Pole ; Kationen: positiv geladenen Teilchen, z.b. Li+ Anode: positiv Pole +; Anionen: negative geladenen Teilchen, z.b. Cl

18 Weiterentwicklungen Eine Weiterentwicklung vom Lithium Ion Akku ist der Lithium Titanat Akkumulator und der Lithium Schwefel Akkumulator Der Lithium Polymer Akku ist eine Verbesserung des Lithium Ion Akkus. Das Elektrolyt vom Lithium Polymer Akku ist nicht mehr flüssig, sondern ist in Polymerform (gelartig bis fest). Der Vorteil dieser Polymerform ist, dass schon bei Zimmertemperatur der Lithium Polymer Akku volle Leistung erbringt und damit eine höhere Energie Dichte besitzt. Der Nachteil ist, dass er sehr empfindlich auf Überladung, Tiefentladung und zu hohen oder niedrigen Temperaturen ist. Um das zu verhindern sind handelsübliche Lithium Polymer Akku mit einer Schutzschaltung

19 NAS Akkumulator besteht aus Schwefel als positive Elektrode und Natrium als negative Elektrode. Das elektrisch leitfähige Trennmaterial ist Beta Aluminium. Dieser hermetisch abgedichtete Akkumulator funktioniert bei C. Bei dieser Temperatur sind beide Substanzen geschmolzen, während bei Raumtemperatur beide Elektroden fest sind.

20 Application of NaS accumulators Kapazität: kwh Konstruktion: 50 kw Einheiten x 40

21 Dünnfilmakkumulatoren Diese Batterien sind maximal 300 Mikrometer dick und nutzen feste Elektrolyte, funktionieren zwischen 20 bis 120 C und können bis zu 8000 fach auf und entladen werden, wenn die Belastung die 80% Kapazitätsgrenze nicht überschreitet.

22 Die Dünnfilm-Akkumulatoren enthalten Schichten, die dünner als 5 Mikrometer sind Authority/trends/images/battery6.gif&imgrefurl=http://www.tau.ac.il/Research Authority/trends/battery.html&h=342&w=500&sz=37&tbnid=YAdphKOQcev4M:&tbnh=83&tbnw=121&prev=/search%3Fq%3Dthin%2Bfilm%2Bbattery%2Bfor%2Bcar%26tbm%3Disch%26tb o%3du&zoom=1&q=thin+film+battery+for+car&usg= hxr4ncmf6pnvlak2gvufrcxa954=&docid=r2o5exi1r5oqvm&sa=x&e i=ni4guo2jjsz2o_2qgpgm&ved=0chaq9qewbq&dur=669

23 Vergleich zwischen dem traditionellen und dem Dünnschichtakkumulator Der größte Unterschied zum konventionellen Li Akkumulator besteht in dem Elektrolytmaterial LiPON. Es ist Lithium Phosphor Oxynitrit, ein amorphes Polymer Material. Die LiPON Schichten werden durch Magnetron Sputtering bei Raumtemperatur aufgetragen. Diese Schichten bilden die feste Elektrolyt, die die Ladung zwischen der Anode und der Kathode leitet. Schematische Struktur eines Dünnfilm Akkumulators

24 Der Abscheidung von Batteriematerialien mit Dünnschichtverfahren sowie der Untersuchung von Elektroden Elektrolytgrenzflächen kommt eine Schlüsselrolle für die Weiterentwicklung von Dünnschichtbatterien bzw. Mikrobatterien zu. Die Verwendung von 3 dimensional strukturierten Substraten bietet die Möglichkeit, die Kapazität um mehr als eine Größenordnung zu erhöhen.

25 Dünnfilm Akkumulatoren auf Dünnfilmbasis Advantage of thin film batteries.

26 Temperaturabhängigkeit eines Dünnfilm Akkumulators bei 25 und 150 C

27 Kapazität und Widerstand eines Dünnfilm Akkumulators als Funktion der Temperatur. Wenn die Temperatur sich von 20 C auf 150 C erhöht, sinkt der Akkumulator Widerstand auf 5 % vom Originalwert.

28 NaS Dünnfilm Akkumulator Die Ford Motor Gesellschaft hat 1966 die Gedanken eines NaS Akkumulators für Kraftfahrzeuge veröffentlicht. Die Betriebstemperatur lag bei C. Gegenwärtig wird NaS Technik nur für sehr voluminöse Applikation benutzt. Die Produktion läuft ausschließlich in Japan. In den USA wird ein neuer Dünnfilm Akkumulator entwickelt, der auch für die Kraftfahrzeugtechnik verwendet werden kann: die Größe und das Gewicht werden um % gegenüber der herkömmlichen Akkumulatortechnik reduziert die Betriebstemperatur liegt bei C, im Gegensatz zu der üblichen Anwendung der NaS Technik von 350 C Erhöhte Energiedichte der Preis wird zwischen den günstigen Natrium Metallhybdird und der Lithium Schwefel Technik liegen Advanced Thin Film Sodium Sulfur Batterhttp://www.transionics.com/NaS_battery.pdfy

29 Leistung und spezifische Energiedichte des zukünftigen Na S Dünnfilm Akkumulators

30 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Systematisierung reversibler Wärmespeicher Anwendung Wärmespeicherung Grundprinzip physikalisch chemisch Speicherart sensibel latent Physisorption Chemisorption Beispiele Warmwassertank Paraffin Speicher Zeolith Speicher Salzhydrat Speicher Modifiziert nach Junghanns, Bachelorarbeit, Leuphana Universität Lüneburg, Palocz Andresen, M., Ruck, W.,,Schmid:, T.: Einsatz einer thermischen Batterie zur Senkung der Abgasemissionen, 30 Wiewsbaden CRT Forum 2012

31 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Prinzip der thermochemischen Wärmespeicherung Entladen H 2 O / MeOH Wärme Salz (MX) Salzhydrat (MX y H 2 O / MeOH) H 2 O / MeOH Wärme Nahezu keine Langzeit Wärmeverluste Laden Wärmefreisetzung über Konzentration des Fluids steuerbar Temperaturlevel der Be und Entladung über Materialwahl steuerbar Sehr hohe Energiespeicherdichte im Vergleich zu physikalischen Speichern Palocz Andresen, M., Ruck, W.,,Schmid:, T.: Einsatz einer thermischen Batterie zur Senkung der Abgasemissionen 31

32 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Vergleich der Energiespeicherdichte verschiedener Wärmespeichermaterialien Energiespeicherdichte [kj/kg] Thermochemische Materialen Phasenwechselmaterialien Warmwasserspeicher Quellen der Energiespeicherdichten: Gil et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (2010) 31 54; Van Essen et al., Proc. of the Energy Sustainability, San Francisco, USA, July, 2009; Lyimen Schwarz et al., Thermochimica Acta 68, 349 (1983); eig. Berechnungen von T. Schmidt. 32

33 Abhängigkeit der Reaktionstemperatur vom Partialdruck am Beispiel CaO Ca(OH) 2 Gleichgewichtsdaten aus Schaube et al.,journal of Solar Energy Engineering, 133/3 (2011),

34 Geräteausstattung der Leuphana Universität für wärmeund materialtechnische Untersuchungen 3 Anlagen zur thermogravimetrischen und kalorimetrischen Materialcharakterisierung (TGA / DSC) Ionenchromatographie zur Analyse von anorganischen Materialien (Bestimmung der chem. Zusammensetzung) GC/MS bzw. GC/FID für Abgasanalytik, koppelbar mit TGA/DSC Simulationssoftware zur Optimierung von Wärme- und Stofftransport Div. Laborgeräte zur chemischen und physikalischen Steuerung der Morphologie und Zusammensetzung von Wärmespeichermaterialien Div. Pumpen, Gase, Apparaturen für Labortests, Laboratorien 34 Palocz Andresen, M., Ruck, W.,,Schmid:, T.: Einsatz einer thermischen Batterie zur Senkung der Abgasemissionen. Wiesbaden CTI Forum 2012

35 Materialcharakterisierung mittels TGA/DSC Temperaturbereich: C Heizraten: 0, K/min Feuchtigkeit: 0-100% Mehrere Gase / Gemische testbar Hin- und Rückreaktion untersuchbar Palocz Andresen, M., Ruck, W.,,Schmid:, T.: Einsatz einer thermischen Batterie zur Senkung der Abgasemissionen. Wiesbaden CTI Forum

36 Offenbach ist elektrisch mobil... (Offenbach, den letzte Bearbeitung: ) Das Fahrzeug ist mit einem permanenten Magnetmotor ausgestattet, der seine elektrische Energie aus sieben Lithium Ionen Batterien erhält, die über eine Gesamtkapazität von 150 kwh verfügen. Je nach Streckenprofil und Einsatzart reicht diese Energie dazu aus, das komplette Fahrzeug circa km fahren zu lassen. Ein einzelner Umlauf des Busses auf der Offenbacher Strecke der Linie 103 beträgt zunächst nur etwa 90 Kilometer, daher ist gewährleistet, dass der Elektrobus zuverlässig und ohne Batterieschwierigkeiten eingesetzt werden kann. Premiere eines Elektrobusses für den künftigen Linienverkehr in Wiesbaden wiesbaden.de / Foto: Heiko Kubenka

37 Kälte stoppt Elektrobus Offenbacher Verkehrsbetriebe: Kein Heizung, sondern lediglich ein kleiner Umlüfter war im Bus installiert. Zu wenig, um im kalten November Deutschland die Füße von Fahrer und Fahrgästen zu wärmen. Nun muss der Hersteller, die Contrac GmbH in Wiesbaden, das Euro teure Gefährt, das seit Ende Oktober in Offenbach im Pilotbetrieb läuft, umrüsten. Das dabei zu lösende Problem: Die Energie fressende Heizung mindert die Leistung der ohnehin schon zwei Tonnen schweren Lithium Ionen Batterien und damit die Reichweite des Linienbusses. stoppt elektrobus html Test vom Solaris Urbino electric am Flughafen Hamburg Solaris Urbino electric Test am Flughafen Hamburg urbinoelectric flughafen hamburg/

38 Bergedorf: Tschechischer Bus Typ: SOR EBN 10,5. Länge 10,3 m, Gewicht 9,8 t, 25 Sitze und 66 Stehplätze von sor ganzunter strom html Ganz unter Strom Antrieb mit Lithium Ionen Akkumulatoren, zusammengesetzt aus 180 Zellen mit einer Kapazität von 172 kw/hm 7 Stunden Betriebszweit. Antrieb Drehstrom Elektromotor mit 120 kw, flüssigkeitsgekühlt. Bei zwei bis drei Stopps pro km Reichweite von mind. 120 km im Stadtverkehr bei einem Verbrauch von etwa 1,3 kw/h pro km. Ein Drittel davon gewinnt der Bus durch Rekuperation beim Bremsen zurück, so ergibt sich ein Gesamtverbrauch von etwa 0,9 kw/h pro km. SOR nutzt Abwärme der Batterien zur Beheizung, ergänzt durch eine Standheizung Typ Eberspächer Hydronic, 24 kw stark und mit Diesel betrieben. Den Fahrerplatz kühlt auf Wunsch eine Klimaanlage.

39 3) Nissan Leaf: Preis: Bei 9 C getestet, Akkumulator hat wenig Verluste bis zu dieser Temperatur. Darunter Zusatzheizung ist erforderlich. Leuphana Universität verfügt über Laboratorien und ein spezielles Know How vehicles/leaf.html. Der neue Nissan Leaf

40 Standheizungsvarianten für Elektrobusse Brennstoffbetriebene Fahrzeugheizung Elektrisch betriebene Fahrzeugheizung Eberspächer JAHRESBERICHT Abgastechnik, Fahrzeugheizungen, Elektrische Fahrzeugheizungen, Bus Klimasysteme, Fahrzeugelektronik, Automobile Bussystem. echer.com%2funternehmen%2fzahlenfakten.html%26%3feid%3ddownload%26file%3dfileadmin%2fdata%2fcorporatesite%2fpdf%2fde%2fjees_jahresbericht_ 2010_de.pdf&ei=Gq8ZUvCXGM2thQftpYFo&usg=AFQjCNFYb6fy_dXBKE2lBrqAwc9dEMdUEA&bvm=bv ,d.ZG4e

41 Vergleich der Eigenschaften der wichtigsten Akkumulatortypen Akkumulatortyp Spezifische Energy (Wh/kg) Energiedichte (Wh/l) Specifische Leistung (W/kg) Zyklenzahl Nickel Kadmium Nickel Metallhydrid Lithium Ion (flüssiger Elektrolyt) Lithium Polymer Dünnfilm Li Ion 250 1,041 2,500 1,000 Dünnfilm Li ,000 40,000 1 Liter Diesel = 10 kwh Energie 30 kg Blei Batterie = 1 kwh Energie Batterien für Elektrostraßenfahrzeuge,

42 Diesel Autobus CITARO C2 (Daimler, 2011) Nennleistung: 220 kw (290 PS) Tank. 350 l (45 l Ad Blue) Länge: 12,040m; Breite: 2,550 m; Höhe:3,318; Radstand: 6,035 m; Gewicht: 11,6 t, Verbrauch in 100 km: Stadt 49,8 l; Überland mittelschwer: 31,8 l; Autobahn mittel/leicht:37,7 l Maximale CO2 Emission (Stadt): 1311 g/ km Kraftstoffkosten (Stadtbetrieb): 1,39/l, d.h. 69,2 /100 km Energieverbrauch Diesel: ƍ=0,84 kg/l, H=11.8 kwh/kg; 100 km = 49,8 l, Energieverbrauch=495,3 kwh Stromkosten: 0,25/kWh

43 Vergleich der Wirtschaftlichkeit von Elektro und Dieselbussen in Frankfurt Typ BYC K9 im Frühjahr 2012 Nutzungsdauer 12 Jahre Jährliche Nutzung km Zinsen für Kredit 4 % BYD K9 Elektrobus Dieselbus Anschaffungspreis EUR EUR Verbrauch auf 100 km 100 kwh 45 Liter Treibstoffpreis EUR pro 0,12 (2013: 0,22 0, 26) kwh 1,45 Liter Jährliche Kreditrate EUR EUR Jährliche Treibstoffkosten 8400 EUR EUR Jährliche Gesamtkosten EUR Frankfurt bestellt 3 BYD Elektrobusse. byd/frankfurt.htm

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 44

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