Batterien Nutzung von Batterien Begriffe und Einordnung der Systeme

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1 Nutzung von Batterien Begriffe und Einordnung der Systeme 1

2 Gibt es technische Systeme ohne Energiespeicher? Das Angebot an Energie und der Verbrauch von Energie müssen zu jedem Zeitpunkt identisch sein. Energiespeicher decken den Mehrverbrauch und nehmen Überschussenergie auf. "Unsichtbare" Energiespeicher sind die Schwungmassen von Kurbelwellen und Getrieben von Automobilen, die Schwungmassen von Generator/Turbinensätzen von Kraftwerken, elektrische Felder (Leitungsinduktivitäten und -kapazitäten, Kondensatoren und Spulen in elektronischen Schaltungen, etc. Grundsätzliche Anforderungen: Leistung, die maximal kurzzeitig aufgenommen und abgegeben werden kann Energieinhalt (bei welcher Leistung) Reaktionszeit zwischen Leistungsanforderung und Leistungsbereitstellung Weitere Anforderungen: Energie- und Leistungsdichte, Wirkungsgrad, technische Einsatzgrenzen, Lebensdauer, Überwachungsmöglichkeiten,.. 2

3 Energiespeicher Energiequellen Konventionelle fossile Brennstoffe Nukleare Brennstoffe Erneuerbare Energiequellen Biomasse, Wind, PV, Wasser Energieumwandlung Energiedienstleistungen / Nutzenergie Elektrizität Wärme und Kälte Bewegung, Druck, Licht Speicherung und Rückgewinnung Energieaufbereitung Energieumwandlung Tanks und Lagerstätten für Energieträger aus erneuerbare Energiequellen: Wasserstoff, Biogas, flüssige Energieträger aus biogenen Quellen Energiespeichertechnologien Batterien Reversible Brennstoffzellen/Redoxflowzellen Schwungräder Elektromagnetische Felder Druckluft und Pumpwasserspeicher Thermische Speicher Speicherung und Rückgewinnung müssen nicht in der gleichen Nutzenergieform vorliegen, aber am wertvollsten ist die Speicherung von Elektrizität, wenn die Energie bei Rückgewinnung ebenfalls als Elektrizität vorliegt. 3

4 Vergleich von Energiespeichern 100 MW 10 MW 1 MW 100 kw 10 kw 1 kw 0,1 kw 0,01 kw 0,001 kw 0,001 kwh Power Quality Batterien für tragbare Geräte 0,01 kwh 3 Supraleitende Magnete SMES Supercaps 0,1 kwh kwh 1 Heiße Druckluft Schwungräder Leistungsbatterien 10 kwh 100 kwh USV- Anlagen Wochenspeicher Tagesspeicher Energiebatterien 6 Redox-flow und reversible Brennstoffzellen 1 MWh 5 10 MWh Wasser und Druckluft kwh 100 MWh Saisonaler Speicher 1. Piller Powerbridge: 1,6 MW für 10 Sekunden = 4,4 kwh 2. American Superconductor: 3 MW für 1,5 Sekunden = 1,25 kwh 3. Hilti Akkubohrer TE 6-A: 36 V / 0,086 kwh 4. 12V 36 Ah Starterbatterie: 0,43 kwh 5. Fairbanks, Alaska 6. 1 Liter Dieselöl: 36 MJ = MWh 4

5 Vergleich von Energiespeichern /kw SMES Supercaps Schnelle Schwungräder Langsame Schwungräder Li, NiMH, NiCd-Batterien Wasser und Druckluft Bleibatterien Kosten: Systemkosten inklusive aller notwendiger Zusatzaggregate Vergleichbarkeit: Systeme stehen nur selten im Wettbewerb miteinander, weil die Größenordnungen der Speichertechnologien sehr unterschiedlich sind. Allgemeine Vergleiche sind im Allgemeinen eher unbrauchbar! Überbrückungszeit 0,001 h 0,01 h 0,1 h 1 h 10 h 100 h 1000 h h 5

6 Batterien speichern elektrische Energie in chemischer Form. Kondensatoren und Spulen speichern elektrische Energie in Feldern. Das Entladeverhalten ist deshalb grundsätzlich anders. Spannung Beginn der Entladung R i V o Last Eine Batterie ist elektrisch eine variable Spannungsquelle V o mit variablem Innenwiderstand R i V N O Lithiumthionylchloridbatterie Bleibatterie Ende des nützlichen Entladebereichs (Bleibatterie) Zeit Die Nennspannung V N ist ein beliebig festgelegter Wert. Die Spannung der Batterie bleibt lange relativ konstant, weil sich am Anfang weder der Innenwiderstand noch die Ruhespannung verändern 6

7 Eine Batterie ist eine variable Spannungsquelle V o mit variablem Innenwiderstand R i aber: R i Last Die Spannung der Spannungsquelle und der Innenwiderstand hängen von der Vorgeschichte ab, insbesondere dem aktuellen Ladezustand = Menge an noch verfügbarer chemisch gespeicherter Energie! V o Es gibt lineare, exponentielle, logarithmische und quadratische Zusammenhänge zwischen Strom, Spannung und Temperaturentwicklung Die einzelnen Bestandteile des Innenwiderstands ändern sich unterschiedlich in Abhängigkeit von der Entladung und dem Alter. Die Stromverteilung innerhalb der Elektroden ist eine komplexe Funktion des Stroms, des Alterungszustands und des Ladezustands. Inhomogenitäten spielen eine große Rolle. 7

8 Um Batterien zu verstehen und mit ihnen arbeiten zu können, muss man: 1. Das Systemumfeld kennen: Bedarf und Angebot von Leistung, Umgebungstemperatur und Wärmeabfuhr bzw. Wärmezufuhr 2. Das Verhalten der Spannungsquelle kennen. Wichtige Abhängigkeiten sind: Lade- und Entladestrom, Temperatur, Alter, Spannung bei dynamischem Leistungsbedarf bzw. Leistungsangebot 3. Veränderungen des inneren Widerstands während des Betriebs verstehen: Widerstand der Komponenten in Abhängigkeit von Temperatur, Alter und Ladezustand Effektiver Widerstand wegen inhomogener Stromverteilungen Ziel der Vorlesung und Übung Zusammenhänge verstehen und auf Anwendungen übertragen können Das elektrische Ersatzschaltbild der Batterie ist der Königsweg zum Verständnis der Spannungsquelle und des inneren Widerstands und zeigt auch, was bei Fehlern passiert. 8

9 9 Ersatzschaltbild von Batterien Ersatzschaltbild mit allen aktiven Elementen Batterie: Spannungsquelle mit variablem Innenwiderstand Last Entladen Gitter und Pole Gitter und Pole Aktive Masse Spannungsquelle (negative Elektrode) Elektrolyt Spannungsquelle (positive Elektrode) Aktive Masse Übergangswiderstand Polarisationsüberspannung Polarisationsüberspannung Übergangswiderstand

10 Ersatzschaltbild von Batterien Ersatzschaltbild mit allen aktiven Elementen Berücksichtigung der Flächendimensionen Last Gitter und Pole Gitter und Pole Oben Massentransport Mitte Ladungstransport (Elektrolyt) Diffusion Unten Wärmetransport Je länger die Elektrode, je größer die Gitterwiderstände und Ströme, desto gravierender sind Strominhomogenitäten und damit Wärmetransport und Diffusion 10

11 Systemumfeld Verbrauch und Erzeugung bestimmen den Batteriestrom Erzeugung I Erzeugung I Verbraucher Verbrauch I Batterie 1. Netz/Gleichrichter 2. Autonome Energieerzeugungseinheiten 3. Brennstoffzellen Batterie Temperaturmanagement I Erzeugung +I Verbraucher = I Batterie 1. Gleichstromlasten 2. Wechselstromlasten mit 50 Hz Netzfrequenz 3. Drehstromlasten 4. Lasten mit konstantem Verbrauch oder schnellen Leistungsänderungen Im Normalfall ist die Batterie die Komponente mit der niedrigsten Impedanz. Sie stellt sehr schnell Energie zur Verfügung und absorbiert überschüssige Energie. 11

12 Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor oder Turbinen Bereitschaftsparallelbetrieb Hybridfahrzeuge Gabelstapler (Batterie ist entweder an die Erzeugungseinheit oder die Verbraucher angeschlossen) Mobile Geräte (Batterie ist entweder an die Erzeugungseinheit oder die Verbraucher angeschlossen) Erneuerbare Energiesysteme Erzeugung Lichtmaschine des Verbrennungsmotors oder der Turbine, mit spannungsgeregeltem DC-Ausgang Netz mit Gleichrichter Lichtmaschine des Verbrennungsmotors Netz/Ladegerät Im Betrieb ggf. Rückspeisung Netz/Ladegerät Solarmodule mit Laderegler, Windbzw. Dieselgeneratoren mit Gleichrichter Verbrauch Lampen, Steuerungen, Zündung, Heizung Gleichstromlasten (z.b. Telekommunikation) und/oder Wechsel- bzw. Drehstromlasten Lampen, Steuerungen, Zündung, Heizung, Drehzahlvariabler Motorantrieb Lampen, Steuerungen, Zündung, Heizung, Drehzahlvariabler Motorantrieb Hochgetaktete Gleichstromlasten Gleichstrom, Wechselstromund Drehstromlasten 12

13 Systemumfeld Autonomes erneuerbares Energiesystem Verbrauch und Erzeugung bestimmen den Batteriestrom Erzeugung Verbrauch Solarmodul mit Laderegler Windgenerator mit Gleichrichter I Erzeugung I Verbraucher I Batterie Gleichstromlasten Wechselstromumrichter mit Blindleistungsbedarf Dieselmotor mit Gleichrichter (Blindleistungsbedarf Brennstoffzelle mit konstanter Leistungsabgabe (Lebensdauer relevant) Batterie Temperaturmanagement I Erzeugung +I Verbraucher = I Batterie I DC +I AC = I Batterie Drehstromumrichter ggf. ungleichmäßige Lastaufteilung Lade-/Entladestrom + Stromripple = Batteriestrom 13

14 Batteriestrom im Bordnetzen eines Interregiowagens der Deutschen Bahn AG Die Batterie ist die Komponente mit geringster Impedanz, die alle Leistungsschwankungen ausgleicht. Spannung (V) Batteriespannung Mittelwert: 28,6 V Spitzenwert: 34 V Wechselspannungsanteil: 1,1 V eff Strom (A) Batteriestrom Mittelwert: 1,9 A Maximum: 34,2 A, Minimum: -63,6 A Wechselstromanteil: 19,5 A eff Zeitlicher Messbereich: 100 Millisekunden Messungen der Spannung sagen nichts über die Strombelastung der Batterie, es sei denn, dass mit hoher zeitlicher Auflösung gemessen wird und/oder eine Frequenzanalyse der Gleichspannung erfolgt. 14

15 Batteriestrom und -spannung im Bordnetz eines Reisezugwagens der Deutschen Bahn AG bei langen Betriebsunterbrechungen Der Energieinhalt der Batterie wird ausgenutzt. Batteriespannung Laden Entladen Batteriestrom Messzeit ca. eine Woche 15

16 Batteriestrom und -spannung einer 24 V, 225 Ah Starterbatterie beim Starten eines Dieselmotors in einem Zug Die Kurzschlussleistung der Batterie wird benötigt. Strom (A x 1000) Spannung (V) Batteriespannung U min = 13,66 V Batteriestrom I max : 2040 A Kälteprüfstrom der eingesetzten Batterie: 760 A Startzeit ca. 3 Sekunden 16

17 Anforderungen an Batterien Anforderung Speicherung und Abgabe von Energie nach Bedarf Startleistung für Verbrennungsmotoren Kurzfristige Aufnahme hoher Ladeleistungen Ausgleich des Netzes bei schnellen Leistungsschwankungen von Lasten und Energieerzeugern Kurzschlussleistung zum Schalten von Sicherungen Schwarzstartfähigkeit (Batterie ist einzige Spannungs- bzw. Energiequelle im System) Vor allem bei erneuerbaren Energiesystemen und Sicherheitsanwendungen Fahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme, Notstromanwendungen Hybridfahrzeuge und andere Anwendungen mit Rückspeisung, erneuerbare Energiesysteme mit Windgeneratoren Fast immer Fast immer Anwendung Fahrzeuge, erneuerbare Energiesysteme, Energieversorgung 17

18 Begriffe (Genaue Festlegungen teilweise in DIN und DIN 40729) Galvanische Elemente Primärzellen Sekundärzellen/Akkumulatoren: Wiederaufladbarer elektrochemischer Energiespeicher "Batterie" Batterie: Gruppe von Zellen, Zelle ist kleinste elektrochemische Einheit; Eine Batterie hat im Normalfall in Reihe geschaltete Zellen, damit ausreichend hohe Spannungen erreicht werden. Positive und negative Elektrode: Bestandteile der Zelle, an denen die gebundene chemische Energie freigesetzt wird und die eigentlichen Reaktionen stattfinden. Aktive Masse: Material, das bei der elektrochemischen Reaktion vom geladenen in den entladenen (Entladung) bzw. vom entladenen in den geladenen Zustand (Ladung) umgewandelt wird. Elektrolyt: Ionenleitendes und für Elektronen nicht leitendes Material zwischen den Elektroden Kapazität: Die aus einer Batterie bis zur Entladegrenze (minimal zulässiger Spannungswert) entnehmbare Strom- oder Ladungsmenge in Amperestunden (Ah) Nennspannung: Spannungswert zur Systembeschreibung. Die tatsächliche Spannung liegt im Bereich von ca. +/- 30 % je nach elektrochemischem System.) Nennstrom I N und Nennkapazität K N charakterisieren eine Zelle/Batterie unter festgelegten Bedingungen (Nennbedingungen). Der Entladestrom wird oft auf eine bestimmte Kapazität bezogen: I 5 (fünfstündiger Strom) ist der Strom, mit dem in fünf Stunden die fünfstündige Kapazität K 5 entnommen werden kann. Ladezustand (SOC = state of charge): Verhältnis der unter Nennbedingungen entnehmbaren Ladungsmenge zu der Ladungsmenge, die bei einer vollgeladenen Batterie unter Nennbedingungen entnommen werden kann (Angabe in Prozent). Entladetiefe (DOD = depth of discharge): 1 - SOC (Angabe in Prozent) Selbstentladung (interne Umwandlung von geladenem in entladenes Material) Ladefaktor: Verhältnis von entnommener zu eingeladener Ladungsmenge 18

19 Begriffe 1. Kapazitätsangabe: K 20 (C 20 ) bezeichnet die Amperestundenmenge (Ah), die bei einer 20-stündigen Entladung der Batterie mit konstantem Strom bis zur Entladeschlussspannung entnommen werden kann. Die Angaben bzgl. Ah-Menge und Entladeschlussspannung kommen immer vom Batteriehersteller. Übliche Angaben sind K 0,25, K 0,5, K 1, K 3, K 5, K 10, K 20 und K 100 (abhängig von der Anwendung der Batterie) 2. Entladestrom I 20 ist der Entladestrom, der 20 Stunden lang konstant aus der Batterie entnommen werden kann, bis die Entladeschlussspannung erreicht wird. Da man ja diesen Strom nicht kennt, ohne die Batterie mehrfach zu entladen, wird der Strom immer aus der Kapazitätsangabe des Herstellers berechnet durch: I 20 = K 20 /20h. 3. Berechnung der Kapazität Die wirkliche Kapazität (Betriebskapazität) der Batterie wird berechnet durch Entladestrom x Entladezeit. 4. Begrenzung der Entladung Um die Batterie nicht frühzeitig zu schädigen, darf die Batterie nicht regelmäßig vollständig entladen werden. Die Entladung muss im Betrieb also deutlich vor Erreichen der Entladeschlussspannung abgebrochen werden (z.b. wenn 80 % der Kapazität entnommen worden sind). 19