Moderne und zukünftige elektrische Energiespeicher im Überblick

Transkript

1 Moderne und zukünftige elektrische Energiespeicher im Überblick 11. Solartagung Rheinland-Pfalz, Umwelt-Campus Birkenfeld Jonas Keil

2 Energiespeichertechnik an der Technischen Universität München Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES)

3 Elektrische Energiespeicher Energieformen und Energiespeichersysteme mechanische Energie elektrische Energie innere Energie potentielle Energie Pumpspeicher Laufwasser Druckluftspeicher kinetische Energie Schwungrad elektrostatische Energie Doppelschichtkondensator elektromagnetische Energie supraleitende Spulen (SMES) thermische Energie kapazitive Speicher Latentwärmespeicher chemische Energie Batterien (Blei, Lithium-Ionen) Flow- und Gas- Batterien Wasserstoff

4 Elektrische Energiespeicher Energieformen und Energiespeichersysteme mechanische Energie elektrische Energie innere Energie potentielle Energie Pumpspeicher Laufwasser Druckluftspeicher kinetische Energie Schwungrad elektrostatische Energie Doppelschichtkondensator elektromagnetische Energie supraleitende Spulen (SMES) thermische Energie kapazitive Speicher Latentwärmespeicher chemische Energie Batterien (Blei, Lithium-Ionen) Flow- und Gas- Batterien Wasserstoff

5 Elektrische Energiespeicher Ragone-Diagramm Quelle: Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg, Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS): Strukturstudie BWe mobil Baden-Württemberg auf dem Weg in die Elektromobilität

6 Elektrostatische Energiespeicher Funktionsweise Elektrostatische Ladungsspeicher in der elektrochemischen Doppelschicht Quelle: Brodd (2013) - Batteries for Sustainability

7 Elektrostatische Energiespeicher Vor- und Nachteile + hohe Zyklenfestigkeit + hohe spez. Leistung und Leistungsdichte - niedrige spez. Energie und Energiedichte - hohe Kosten pro Speicherkapazität Quelle: Maxwell Technologies, BCAP 3000 Datenblatt

8 Elektrochemische Energiespeicher Prinzipieller Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers Elektrische Energie Chemische Energie Elektrische Energie elektrochemischer Wandler elektrochemischer Wandler Ladung Akkumulator Entladung Akkumulator Primärbatterie Elektrolyseur Brennstoffzelle Quelle: Jossen, Weydanz (2006) - Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen

9 Blei-Säure-Batterien Aufbau und Funktionsweise Entladevorgang Negative Elektrode Positive Elektrode Pb + H 2 SO 4 PbSO 4 + 2H + + 2e - PbO 2 + H 2 SO 4 + 2H + + 2e - PbSO 4 + 2H 2 O Gesamtreaktion: Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O Quelle: Akkumulatorenfabrik Moll

10 Blei-Säure-Batterien Funktionsweise Ladevorgang Negative Elektrode 2e - Pb Ableiter Bleigitter PbSO 4 Auflösung Diffusion Abscheidung Entladene Aktivmasse Pb 2+ + SO 4 2- Geladene Aktivmasse Diffusion Entladene Aktivmasse Auflösung SO Pb 2+ Diffusion 2 H 2 O 4H + +2O 2- Geladene Aktivmasse Positive Elektrode Ableiter Bleigitter Elektrochemische Vorgänge PbSO 4 2e - PbO 2 Chemische Vorgänge Physikalische Vorgänge Elektrische Vorgänge Quelle: Jossen (2015) - Vorlesung Batteriespeicher

11 Blei-Säure-Batterien Vor- und Nachteile + Produktion hoher Stückzahlen + akzeptable Energie- und Leistungsdichte für stationäre Anwendungen + inhärente Sicherheit durch kontrollierte Überladereaktion + kein komplexes Zellmanagement erforderlich + niedrige Kosten + hohe Recyclingquote - Batterieraumlüftung notwendig - lebensdauerverlängernde Betriebsweise notwendig - begrenzte Zyklenlebensdauer Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene

12 Blei-Säure-Batterien Technische Entwicklung von Blei-Säure-Batterien im Überblick Heute (2015) bis Wirkungsgrad Zelle 80 % - 90 % 85 % - 95 % 85 % - 95 % Energiedichte Zelle Wh/l Wh/l Wh/l Leistungsdichte Zelle W/l W/l W/l Zyklenlebensdauer Kalendarische Lebensdauer 5-15 Jahre Jahre Jahre Entladetiefe 70 % 80 % 80 % Selbstentladung 0,1-0,4 % pro Tag 0,1-0,4 % pro Tag 0,1-0,4 % pro Tag Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene

13 Lithium-Ionen-Batterien Funktionsweise Elektrochemische Ladungsspeicherung durch (De)Interkalationsprozesse Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien

14 Lithium-Ionen-Batterien Bauformen: zylindrische Zellen, prismatische Zellen, Pouch-Zellen und Knopfzellen Quellen: Spectrum, IEEE und VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene

15 Lithium-Ionen-Batterien Materialvarianten bei Lithium-Ionen-Batterien Abkürzung LCO LNO NCA NMC LMO LFP LTO Name Lithium- Kobaltdioxid Lithium- Nickeldioxid Lithium- Nickel- Kobalt- Aluminiumdioxid Lithium- Nickel- Mangan- Kobaltdioxid Lithium- Mangan- Spinelldioxid Lithium- Eisenphosphat Lithium- Titanat Li(Ni Kathode LiCoO 2 LiNiO 0,85 Co 0,1 Li(Ni 0,33 Mn 0,33 z. B. LMO, 2 LiMn Al 0,05 )O 2 Co 0,33 )O 2 O 4 LiFePO 4 2 NCA Anode Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Li 4 Ti 5 O 12 Zellspannung 3,7-3,9 V 3,6 V 3,65 V 3,8-4,0 V 4,0 V 3,3 V 2,3-2,5 V Energiedichte 150 Wh/kg 150 Wh/kg 130 Wh/kg 170 Wh/kg 120 Wh/kg 130 Wh/kg 85 Wh/kg Energie + o + o Sicherheit - o o o Lebensdauer - o + o o Kosten -- + o o + + o Quelle: Strukturstudie BW e mobil Elektromobilität in Baden-Württemberg

16 Lithium-Ionen-Batterien Vor- und Nachteile + hohe Energiedichte + hohe Leistungsdichte + lange Lebensdauer - keine inhärente Sicherheit (thermisches Durchgehen) - Batteriemanagement erforderlich - Kühlung notwendig Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene

17 Lithium-Ionen-Batterien Technische Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien im Überblick Heute (2015) bis Wirkungsgrad Zelle 95 % - 99 % 95 % - 99 % 95 % - 99 % Energiedichte Zelle Wh/l Wh/l Wh/l Leistungsdichte Zelle W/l W/l W/l Zyklenlebensdauer Kalendarische Lebensdauer 5-20 Jahre Jahre Jahre Entladetiefe % Selbstentladung 5 % pro Monat 2 % pro Monat 1 % pro Monat Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene

18 Lithium-Ionen-Batterien Zukünftige Entwicklungen Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien

19 Lithium-Ionen-Batterien Zukünftige Entwicklungen Stand der Technik pos. Material Stand der Technik neg. Material Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien

20 Lithium-Ionen-Batterien Zukünftige Entwicklungen Hochvoltkathodenmaterialien hochkapazitive Anodenmaterialien Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien

21 Elektrische Energiespeicher und Erneuerbare Energien Energiebezogene Investitionskosten Heute (2015) Heute + 10 Jahre Blei-Säure-Batterien /kwh /kwh Lithium-Ionen-Batterien /kwh /kwh Natrium-Nickelchlorid-Batterien /kwh /kwh Natrium-Schwefel-Batterien /kwh /kwh Nickel-Cadmium- / Nickel- Metallhydridbatterien /kwh /kwh Redox-Flow-Batterien /kwh /kwh Quelle: RTWH Aachen, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA),

22 Elektrische Energiespeicher und Erneuerbare Energien Netzgekoppelte Batteriespeichersysteme mit Photovoltaikanlage Quelle: RTWH Aachen, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA),

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. (Univ.) Jonas Keil Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik Tel: Besucheradresse: Karlstr. 45, München Homepage: