Energiespeicher für die Elektromobilität

Transkript

1 Energiespeicher für die Elektromobilität Uwe Schröder, Nachhaltige Chemie und Energieforschung, Institut für ökologische Chemie Uwe Schröder Nachhaltige Chemie und Energieforschung, Institut für ökologische Chemie

2 Herausforderungen Betriebsbedingungen Leistungsdichte Energiedichte Lebensdauer Kosten Sicherheit Ressourcen Seite 2

3 Was sind die Optionen? Seite 3

4 Energiespeicheroptionen Kondensatoren elektrostatische Energiespeicher Batterien & Akkumulatoren elektrochemische Energiespeicher Brennstoffzellen elektrochemische Energieumwandler Redox-Flow-Zellen (Reversible Brennstoffzellen) Seite 4

5 Energiespeicheroptionen Batterie Brennstoffzelle Seite 5

6 Option Kondensator Seite 6

7 Kondensatoren elektrostatische Speicher Klassischer Kondensator Doppelschicht-Kondensator Seite 7

8 Kondensatoren elektrostatische Speicher Quelle: Wikipedia: Ragone-Diagramm Seite 8

9 Kondensatoren elektrostatische Speicher Honda-Brennstoffzellenfahrzeug und Kondensatormodul

10 Option Akkumulator ( Batterie ) Seite 10

11 Akkumulatoren Geschichte und Gegenwart Lohner-Porsche Quelle: Seite 11

12 Seite 12 Akkumulatoren der Bleiakkumulator

13 Akkumulatoren was sind die Möglichkeiten? Li 6,9 Ni 58,7 Pb 207 Seite 13

14 Akkumulatoren was sind die Möglichkeiten? Blei Nickel-Metall Metall-Hybrid Li-Ionen 125kg 125kg 125kg ~5 kw ~10 kw ~25kW Blei Nickel-Metall-Hydrid Li-Ionen km Seite 14

15 Akkumulatoren Lithiumionenakku Lithium-Ionen LiCoO 2, LiNiO 2, LiNi 1 x Co x O 2, LiMn 2 O 4, LiFePO 4.. Graphit, Silizium, Titanat Elektrolyt (Ionische Flüssigkeiten?) Eine Aufgabe für die Chemie! Seite 15

16 Akkumulatoren Lithiumionenakku Nächster Schritt - Engineering! Seite 16

17 Seite 17 Akkumulatoren die Bürde

18 Akkumulatoren die Bürde Analogie: 1 L Kraftstoff benötigt zur Verbrennung 12,5 kg Luft; ein 60 Liter Tank würde somit Mitnahme von ca. 156 kg Sauerstoff erfordern! Seite 18

19 Akkumulatoren die Bürde O 2 Metall Metalloxid Zukunft Metall-Luft-Akku? Seite 19

20 Option Brennstoffzelle Seite 20

21 Option Brennstoffzelle Allis Chalmers Fuel Cell Tractor Seite 21

22 Option Brennstoffzelle 2H 2 O 2 H 2 O Seite 22

23 Option Brennstoffzelle Methanol O 2 H 2 O, CO 2 Seite 23

24 Option Brennstoffzelle SOFC 800 Tempe eratur / C MCFC PAFC/AFC PEM 0 Seite 24

25 Option Hochtemperaturbrennstoffzelle Fokus: Stationäre Anwendungen Foto: S. Geitmann Seite 25

26 Energieträger Wasserstoff Energiedichte Energiedichte Wasserstoff: 33 kwh/kg (Vergleich - Diesel: 12,6 kwh/kg) Bei gleicher Effizienz: 4fach höhere Reichweite (Bei gleicher Masse wie bei 50 L- Tank (bei 6L/100 km) => 3100 km Reichweite! Aaaber: Volumenbezogene Energiedichte: 3 Wh/L (Vergleich - Diesel: 9,8 kwh/l) Äquivalent eines 50L-Tanks wäre ein Würfel von 5,5 m Kantenlänge. Seite 26

27 Energieträger Wasserstoff Speicherung Druckgaswasserstoff-Speicherung (relativ große Volumina) Flüssigwasserstoff-Speicherung (Kryotank C!) Metallhydrid-Speicherung (bislang maximale Speicherdichte von 1.7-4,5 gew.-%) Flüssige Hydride - Bsp. Methanol (Einsatz von Reformern nötig) Graphitnanofaser-Speicherung, metallorganische Gerüste, (Potentielle Lösung, aber Grundlagenforschung) Natriumborhydrid-Speicherung (Infrastruktur, Recycling) Seite 27

28 Energieträger Wasserstoff Brennstoffzellentechnologie ist relativ ausgereift Knackpunkt Wasserstoffspeicherung (on board) Knackpunkt Wasserstoffinfrastruktur (Transport, Tankstellen) Knackpunkt Wasserstoffreinheit Knackpunkt nachhaltige Wasserstoffherstellung! Alternative Methanol?? Seite 28

29 Weitere Herausforderungen Seite 29

30 Herausforderungen Betriebsbedingungen Leistungsdichte Energiedichte Lebensdauer Kosten Sicherheit Ressourcen Seite 30

31 Herausforderungen Ressourcen Rohstoffbasis Recycling Primärenergieträger (für z.b. Strom oder Wasserstoff) Nachhaltigkeit (Lebenszyklusanalyse) Lebensdauer >10 Jahre (> Zyklen) Seite 31

32 Herausforderungen Preis - 35 % Optimierte Fertigungstechnik Zellkost ten % % Neue Werkstoffe - 10% Zellstandardisierung -5% Materialkosten 35 % Quelle: Groten ndorst, Contin nental, Mai 2010 ho Kurztitel der Präsentation Seite 32 Seite 32

33 Herausforderungen Sicherheit Konsumerbatterie: < 90 Wh; Batteriefahrzeug: > 20 kwh Seite 33

34 Herausforderungen Betriebsbedingungen Betrieb im Temperaturbereich -30 bis +50 C Selbstentladung (z.b. Ni-MH bis 25%/Monat; Li-Ion: <2%) Lade/Tankdauer; Schnellladung? Mechanische Stabilität: Vibration, Schock, Crash Seite 34

35 Schlussfolgerungen derzeitiger Favorit: Lithiumionenakkumulator Vorteil Strom als universellen Kraftstoff Brennstoffzellentechnologie ist (partiell) ausgereift Knackpunkt Wasserstoff Ungelöstes Problem Nachhaltigkeit => Siehe Problemstatus Biokraftstoffe! Seite 35