Stationäre Batteriespeicher für die Nutzung regenerativer Energiequellen

Transkript

1 Stationäre Batteriespeicher für die Nutzung regenerativer Energiequellen Dr. Mareike Wolter AG Energiespeichersysteme Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme

2 Agenda Fraunhofer IKTS Motivation für den Einsatz von Batteriespeichern und Anforderungen Batteriespeichertechnologien Bespiele aus der Forschung 2

3 Fraunhofer IKTS

4 Das Fraunhofer IKTS im Profil Zahlen Mitarbeiter 578 (Vollstellen 438) Student. Hilfskräfte 27 Standort Dresden Gruna Standort Dresden Klotzsche Gesamthaushalt 38,9 Mio (incl. Invest) Industrieerträge 32,4 % Öffentliche Erträge 38 % Grundfinanzierung 29,6 % Nutzfläche 140 Labors und Technika auf fast m² Zertifiziert nach DIN EN ISO 9001, 14001, Standort Hermsdorf Institutsleiter Prof. Dr. Alexander Michaelis Stand: März

5 Fraunhofer IKTS Keramische Materialien und Technologien Strukturkeramik Funktionskeramik 5

6 Fraunhofer IKTS Energietechnologien Thermoelektrische Generatoren Photovoltaik Hochtemperatur- Brennstoffzelle (SOFC) Entwicklung kleiner Brennstoffzellen (PEFC) Energy Harvesting (Piezokeramiken) Batterien 6

7 Brennstoffzellen am IKTS 1 W 10 W 100 W 1 kw 10 kw 1 MW hand-held portable stationary Hydrogen Butane LPG Natural Gas Biogas NG / Biogas PEFC SOFC SOFC SOFC SOFC MCFC Ceramic Multilayer Bundled Microtubes Planar Mini-Stack Integrated Stack Module CFY Stack Technology DFC Technology 7

8 Keramische Materialen und Technologien für Batterien Material Li-Batterien Na-Hochtemperaturbatterien Redox-Flow-Batterien Supercaps Technologie Produktion Elektrode Batterien Keramik-Expertise Batterie-Expertise 8

9 Energy Saxony Energiedialog: Aufbau einer Diskussionsplattform Energie zwischen den Akteuren aus Industrie und Politik Innovation: Schaffen von Lösungen für die zukünftige Energieversorgung, Entwicklung von Ideen und Visionen, Überführung in innovative Produkte und Dienstleistungen Marketing: Etablierung der Marke Energy Saxony mit dem Ziel der verbesserten Wahrnehmung des Energiestandortes Sachsen 0 Bereits etablierte Arbeitskreise: Batterie Power-to-Gas Ressourcen und Recycling Brennstoffzellen 9

10 Motivation für den Einsatz von Batteriespeichern und Anforderungen

11 Nutzung erneuerbarer Energien Sonnenenergieeinstrahlung 5000x Energiebedarf der Menschheit Mittelwert 165 W/m² 11

12 Nutzung erneuerbarer Energien Photovoltaik Windenergie Biomasse Wasserkraft Solarthermie 20 W/m² 3 W/m² 0,1-1 W/m² Effiziente Ausnutzung der Energie ist Basis für erhöhten Anteil von EE 12

13 Herausforderungen Erneuerbarer Energiesysteme Fluktuation Ungleichgewicht Flaute Eberhard Umbach Wie viel Speicher braucht die Energiewende? - Eine systemische Betrachtung, Leopoldina-Symposium, 6. Februar

14 Speicher in zukünftigen Energiesystemen 14

15 Stationäre Energiespeicher - Applikationen Entladezeit h Ausgleich saisonaler Schwankungen Dezentrale Speicherung Ausgleich Angebots-/ Laständerungen s min Energiemanagement Netzstabilität Ausgleich Last-/ Erzeugungsspitzen Unterbrechungsfreie Stromversorgung Notstromversorgung Systemgröße (kw) 15

16 Stationäre Energiespeicher - Technologien Entladezeit h Redox-Flow-Batterien Na-Hochtemperaturbatterien Druckluftspeicher Pumpspeicherwerk Blei-Säure Hochtemperatur-Brennstoffzellen Ni-Cd-Batterien s min Lithium-Batterien Schwungrad Superkondensator Niedertemperatur-Brennstoffzellen Unterbrechungsfreie Stromversorgung Notstromversorgung Energiemanagement elektrisch mechanisch elektrochemisch Systemgröße (kw) 16

17 Batteriespeichertechnologien

18 Stationäre Batteriespeicher Derzeit Blei/Säure-Batterien etabliert: Geringe Anzahl von Lade-/Entladezyklen Lebensdauer bei Lagerung im teilgeladenen Zustand stark eingeschränkt Geeignet als USV, aber nur begrenzt für dynamischen Lastausgleich Lithium-Technologie ist einzige, die sehr gut teillastfähig bei unerreichten Wirkungsgraden!!! (Energy 2.0-Kompendium derzeit Systemkosten noch zu hoch bereits Kostenziele von 200 würden Li konkurrenzfähig machen, da längere Lebensdauer und geringere Wartung Vielzahl aussichtsreicher Technologien insb. für große Speicher (Redox-flow, Na-Batterien, ) 18

19 Stationäre Batteriespeicher Stand Fokus auf Erhöhung der Selbstnutzung von erneuerbaren Energien Speicher mit Netzanbindung Dezentrale Speicher basierend auf Blei-Batterien, erste Ansätze auch mit Li- Batterien (Sol-ion von Saft, Voltwerk ) Erfordernisse für nächste Generation!!! Kompatibilität zu smart grid Konzepten (Schwarmstrom, Inselnetze, ) erfordert andere Elektronik- und Steuerungsarchitektur Stärkere Anpassung auf unterschiedliche Nutzeranforderungen modulares Konzept Erhöhter Kostendruck Industrialisierungs- und Fertigungskonzept 19

20 Stationäre Energiespeicher - Technologien Entladezeit h Redox-Flow-Batterien Na-Hochtemperaturbatterien Druckluftspeicher Pumpspeicherwerk Blei-Säure Hochtemperatur-Brennstoffzellen Ni-Cd-Batterien s min Lithium-Batterien Schwungrad Superkondensator Niedertemperatur-Brennstoffzellen Unterbrechungsfreie Stromversorgung Notstromversorgung Energiemanagement elektrisch mechanisch elektrochemisch Systemgröße (kw) 20

21 Prinzip Batterie e - V e - Galvanisches Element Umwandlung elektrische/chemische Energie Primärzellen nicht wieder aufladbar (Batterie) e - Separator + e - Sekundärzellen wieder aufladbar (Akkumulator) + + Parameter e - + Zellspannung Redoxpartner in der Zelle Ableiter Anode Kathode Ableiter Kapazität Ladungsfluss über Zeit Elektrolyt 21

22 Warum Lithium? Vergleich verschiedener in Batterien eingesetzter Metalle Metall Atomgewicht Spezifische Elektrodenpotential Vorkommen Kapazität gegen NHE auf d. Erde [g/mol] [mah/g] [V] [%] Li 6, ,05 0,006 Na 22, ,71 2,64 Mg 24, ,38 1,94 Zn 65, ,76 0,012 Cd 112, ,40 0,00003 Pb 207, ,13 0,

23 Batterietechnologien Diesel 11.9 kwh/kg 10 kwh/ l Blei-Säure NiMH Lithium-Ion Redox-Flow NaNiCl (300 C) Li-S Zellspannung [V] Energiedichte [Wh/kg] Energiedichte [Wh/l] Wirkungsgrad 2,0 1,2 3,3-3,6 1,3-1,5 2,58 2, Zyklen > Kosten /kwh

24 Batterietechnologien Ch. A Rosenkranz, U. Köhler, J. L. Liska; Modern Battery Systems for Plug-In Hybrid Electric Vehicles, Johnson Controls SAFT Advanced Power Solutions 24

25 Beispiele aus der Forschung

26 Energieforschung in Deutschland Budget Personen 0 26 Sachsen ist bundesweit auf Platz 3 Quelle: BMBF Bezugsjahr 2010

27 Entwicklung neue Fertigungsverfahren für Li-Batterien Lithiumbatterien Folienbatterien mit unterschiedlichen Speichermaterialien Optimierungsbedarf: Thermisches Verhalten mechanische Stabilität der Elektroden Lebensdauer Füllfaktor (Volumenausnutzung) 27

28 Herstellungsprozess: Li-Ionen Batterie Maximale Batterieperformance ist nur durch optimale Anpassung sämtlicher Parameter erreichbar Rohmaterial Pulver, Elektrodenfolie. Elektrodenfertigung Slurrymischen, Beschichten, Trocknen Kalandrieren Beschneiden Zellassemblierung Stacking Ableiter schweißen Verschließen Elektrolytbefüllung Konditionierung Formierung Altern EoL Test Li-Ion IKTS

29 Post Mortem Analyse - Strukturuntersuchung Einfluss der Fertigungsverfahren #a ohne signifikante Degradation, #b Wechselwirkung mit Separator #a #b 29

30 Entwicklung neue Fertigungsverfahren Gemeinsames Batterietechnikum von Fraunhofer IKTS und ThyssenKrupp System Engineering Untersuchung und Entwicklung von Prozessen und Anlagen für Li-Batterien 30

31 Batterie Stationär in Sachsen Entwicklung einer (Niedertemperatur)-Na-S-Batterie (< 30 C) Energiedichte > 150 Wh/kg, Zyklenstabilität > 300, Kosten < 400 /kwh Projektpartner: Fraunhofer Dresden (4 Institute) TU Dresden (4 Lehrstühle) Leibniz Dresden (1 Institut) TU BA Freiberg Projektlaufzeit: Fraunhofer IWS SCHA: BaSta.ppt

32 Batterie Stationär in Sachsen Chancen Kostengünstige und hochkapazitive Batterie Hoher Bedarf -> großer Markt Lösungsansatz Neue Zellkonzepte für (Niedertemperatur)-Na-S-Batterie Poröse Kohlenstoff/Schwefel-Kompositelektrode + Flüssigelektrolyt Na+-leitende Gläser als Separator Verhinderung von Polysulfid-Diffusion/Shuttle Kohlenstoff- oder Legierungsanoden (Bi, Sb oder Sn) + Flüssigelektrolyt Risiken Gläser als Separator (Verarbeitbarkeit, Na+-Leitfähigkeit) Reaktivität von Na (Sicherheit) Cu-Folie Flüssigelektrolyt Anode: Na + -leitendes Glas Al-Folie Na + Kathode: Na-Sn-Legierung C/S-Komposit Fraunhofer IWS SCHA: BaSta.ppt

33 NaNiCl 2 -Batterien Chancen nur kostengünstige, einheimische Rohstoffe Lösungsansatz Gesamtreaktion: NiCl2 + 2Na Ni + 2NaCl, E0 = 2,58 V Elektrolyt Na-ß -Aluminat (Na-Ionenleitfähigkeit bei C) Kathode: Ni, NaCl, NiCl2, NaAlCl4 Anode: Natrium (Schmelze) Risiken hohe Temperatur (stört nicht bei stationär) - + eher langsame Ladezeit (Stunden) Na + Deckel (Korund) Gehäuse Elektrode NaCl Ni NaAlCl 4 NiCl 2 Na-ß -Aluminat Natrium Abb.: Schematische Darstellung eines Enladezustands einer NaNiCl 2 -Batterie 33

34 NaNiCl 2 -Batterien Anforderungen an Festelektrolyten Hoher Wirkungsgrad und Leistungsdichte Hohe Kapazität bzw. Energiedichte Stabilität (chemisch, mechanisch) niedriger Widerstand geringe Dicke Gute Benetzbarkeit (Na) Große Elektrolyte (Ø > 30 mm), Aspektverhältnis Neue Designs Degradation Zyklenfestigkeit Abb.: ß -Al2O3 Elektrolytrohr mit thermal-compressionbonded (TCB) Deckel. Keramische Materialien und Technologien Wirtschaftlichkeit Fertigungstechnik massentauglich Qualitätsprüfung / QM 34

35 NaNiCl 2 -Batterien Entwicklungsstadien Werkstofftest Laborzelle Vollzelle 35

36 Innovative Energiespeicherkonzepte für die industrielle Produktion Demonstrator im Leitprojekt»E³-Produktion«Kompetenzbereiche»AntriebsstrangKarosseriebauEnergiemanagement 2.0«Ganzheitliches Energie- und Ressourcenmanagementsystem Nutzung regenerativer Energien Energiespeicherung/-rückführung Integration Produktions- und Gebäudeinfrastruktur

37 E³-Forschungsfabrik Ressourceneffiziente Produktion Innovationsforum - Start: 1. August 2014 Ziele: Kommunikationsplattform Know-how-Verbund Wer macht mit? Maschinen- und Anlagenhersteller Speicherhersteller Betreiber von Produktionstechnik 37 0 Ergebnis: Forschungs- und Entwicklungsagenda zum Einsatz von intelligenten, skalierbaren und modularen Energiespeichern in der Produktion

38 Es ist verrückt, die Dinge immer gleich zu machen und dabei auf andere Ergebnisse zu hoffen. Albert Einstein 38