Kupfer in der Bleibatterie

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1 Kupfer in der Bleibatterie Hochleistungsbatterien mit Kupfer-Streckmetall-Gitter als Masseträger Energieforum 2006 Werner Hartmann 1

2 Elektroden für konventionelle Bleibatterien Positive Großoberflächenplatte Gro für Bauart GroE Positive Panzerplatte Pz für Bauart OPzS Gitterplatte negativ und positiv Gi für Bauart OGi Energieforum 2006 Werner Hartmann 2

3 Merkmale von positiven Elektroden Plattentyp Großoberflächenplatte Panzerplatte Gitterplatte Reinbleiplatte Druckgussgitter Fallgussgitter Innenwiderstand Sehr klein Groß Klein Korrosionsbeständigkeit Sehr gut Sehr gut Schlecht Zyklenfestigkeit Schlecht Sehr gut Mittel Brauchbarkeitsdauer Sehr hoch Sehr hoch Niedrig Herstellkosten Hoch Mittel Gering Energieforum 2006 Werner Hartmann 3

4 Negative Elektrode Bei allen konventionellen, geschlossenen Bleibatterien werden negative Gitterplatten eingesetzt. Das Gitter dieser Platten besteht aus aus einer Bleilegierung. Gitterplatten sind auf negativem Potenzial problemlos zu betreiben, da dort praktisch keine Korrosion stattfindet. Energieforum 2006 Werner Hartmann 4

5 Konventionelle Zellenbauarten Aus der Kombination der möglichen positiven Elektroden mit der immer verwendeten Gitterplatte als negative Elektrode ergeben sich die Zellentypen GroE ortsfeste Zellen mit positiven Großoberflächenplatten OPzS ortsfeste Zellen mit positiven Panzerplatten OGi ortsfeste Zellen mit positiven Gitterplatten Energieforum 2006 Werner Hartmann 5

6 Welcher Zellentyp ist ideal? GroE Vorteile: Durch den sehr niedrigen Innenwiderstand und der hohen Spannungslage bei Entladung sehr gut für Hochstrombelastung einsetzbar. Im Bereitschaftsparallelbetrieb sehr hohe Brauchbarkeitsdauer. Nachteile: Nicht zyklenfest, hohes Gewicht und großer Platzbedarf Hohe Herstellkosten Energieforum 2006 Werner Hartmann 6

7 OPzS Welcher Zellentyp ist ideal? Vorteile: Hohe Zyklenfestigkeit. Hohe Brauchbarkeitssdauer. Gegenüber GroE deutlich vermindertes Gewicht und geringerer Platzbedarf. Niedrigere Herstellkosten. Nachteil: Höherer Innenwiderstand und schlechteres Hochstromverhalten. Energieforum 2006 Werner Hartmann 7

8 OGi Welcher Zellentyp ist ideal? Vorteile: Niedriger Innenwiderstand und gute Hochstromfähigkeit. Gegenüber GroE deutlich vermindertes Gewicht und geringerer Platzbedarf. Niedrige Herstellkosten. Nachteile: Deutlich kürzere Brauchbarkeitsdauer. Mittlere Zyklenfestigkeit. Energieforum 2006 Werner Hartmann 8

9 Welcher Zellentyp ist ideal? Fazit: Die ideale konventionelle ortsfeste Batteriezelle gibt es nicht. Die meisten Vorteile scheinen Zellen mit positiven Panzerplatten zu haben, mit dem Nachteil der schlechteren Spannungslage bei Hochstromentladungen. Erstrebenswert wäre eine Zelle aus der Kombination der positiven Eigenschaften der positiven Panzerplatte mit der sehr guten Hochstromfähigkeit von GroE-Zellen. Eine Möglichkeit, sich diesem Ideal zu nähern, besteht in einer Verbesserung der Hochstromfähigkeit von OPzS-Zellen. Energieforum 2006 Werner Hartmann 9

10 Entwicklungsschritte Blei hat neben seinen zweifelsfrei guten elektrochemischen Eigenschaften den Nachteil, ein schlechter Leiter zu sein. So entstand die Idee, das relativ schlecht leitende Blei im Gitter der negativen Elektrode durch das mehr als 11-fach besser leitende Kupfer zu ersetzen. Das ist möglich, da Kupfer auf negativem Potenzial kathodisch gegen Korrosion geschützt ist. Auslöser der Entwicklung war das Problem, bei den sehr hohen Zellen von Schiffsantriebsbatterien die Energie aus dem unteren Teil der Platten zu entnehmen, welches durch die zunehmenden Längswiderstände in den Platten erschwert ist. Energieforum 2006 Werner Hartmann 10

11 Entwicklungsschritte Zur Lösung dieses Problems teilte man früher den Plattensatz in Längsrichtung und baute den geteilten Plattensatz übereinander in ein Zellengefäß mit entsprechend komplizierten Ableitungen ein. Anfang der 70-er Jahre begann man bei der HAGEN Batterie AG in Soest damit, Kupferstreifen in die Bleigitter einzulegen. Die positiven Ergebnisse aus diesen Versuchen führte dazu, das komplette Bleigitter durch ein Kupfergitter in Streckmetalltechnik zu ersetzen. Energieforum 2006 Werner Hartmann 11

12 Entwicklungsschritte Ursprung der CSM Technologie Energieforum 2006 Werner Hartmann 12

13 Entwicklungsschritte Energieforum 2006 Werner Hartmann 13

14 Entwicklungsschritte Die außerordentlich guten Erfahrungen im sicherheitstechnisch empfindsamen Einsatz in U-Booten führte dann Anfang der 80-er zu einer Übertragung dieser Technik auf die Anwendungen Fahrzeug-Antriebsbatterien und ortsfeste Batterien. Und so entstand die Batteriebauart OCSM Ortsfeste Zelle in Copper Stretched (expanded) Metal-Technik Energieforum 2006 Werner Hartmann 14

15 Negative CSM-Platte Gestrecktes Kupfer-Gitter Verbleites Kupfer-Gitter Pastierte neg. Platte Energieforum 2006 Werner Hartmann 15

16 Energieforum 2006 Werner Hartmann 16

17 Besonderheiten der Zellenkonstruktion Gegenüber Standardzellen (OPzS/OGi) Doppelseparation aus mikroporösem Blattscheider und als Mantelseparator ausgebildetem Wellscheider. Vorteile Ausreichendes Elektrolytvolumen im Plattensatz Verhinderung von seitlichen Kurzschlüssen Energieforum 2006 Werner Hartmann 17

18 Besonderheiten der Zellenkonstruktion Gegenüber Standardzellen (OPzS/OGi) Kunststoff-Fußleisten bei der positiven und negativen Elektrode. Vorteile Keine Dendritenbildung in Fußbereich der Platten möglich, daher wird Kurzschlussbildung auch hier verhindert. Energieforum 2006 Werner Hartmann 18

19 Besonderheiten der Zellenkonstruktion Gegenüber Standardzellen (OPzS/OGi) Poldurchführung HAGEN- Patentpol. Vorteile Keine Undichtigkeiten und Polkorrosionen. Einzige optisch kontrollierbare Durchführung auf dem Markt. Energieforum 2006 Werner Hartmann 19

20 Besonderheiten der Zellenkonstruktion Gegenüber Standardzellen (OPzS/OGi) Kupfer-Einlagen 14 mm in den Polen über die gesamte Pollänge Vorteile Verbessertes Hochstromverhalten. Hohe Stromtragfähigkeit der Pole. Energieforum 2006 Werner Hartmann 20

21 Besonderheiten der Zellenkonstruktion Gegenüber Standardzellen (OPzS/OGi) Massiv-Cu-Verbinder 300 mm 2 verschraubt oder verlötet Vorteile Verbessertes Hochstromverhalten. Hohe Stromtragfähigkeit der Verbinder. Flexible Anpassung an Betreiberforderungen. Energieforum 2006 Werner Hartmann 21

22 Leistungsvergleich Die Darstellung zeigt den Verlauf der Entladespannung bis zu einer Zellenspannung von 1,85 V bei einstündiger Entladung. Es können entnommen werden: 37 A je Plattenpaar OPzS A je Plattenpaar OCSM A je Plattenpaar GroE 100 Die OCSM erreicht somit fast die Werte der GroE. Energieforum 2006 Werner Hartmann 22

23 Einsatzmöglichkeiten für gesicherte Gleichstromversorgung in Umspannanlagen für gesicherte Gleichstromversorgung in Kraftwerken und Kernkraftwerken in USV-Anlagen als zyklisch belastbarer Energiespeicher in der Energieversorgung und überall dort, wo höchste Zuverlässigkeit bei der Versorgung mit gesichertem Gleichstrom gefordert wird als Ersatz und Ergänzung zur bewährten Baureihe HAGEN-GroE, bei der soweit zutreffend viele Zellenmerkmale der OCSM ebenfalls vorhanden sind. Energieforum 2006 Werner Hartmann 23

24 Lieferspektrum Zellen im Kapazitätsbereich Ah mit 3 Plattengrößen (80 Ah, 115 Ah, 145 Ah) in klarsichtigen getemperten Kunstoffgefäßen aus Luran 378 P mit Poldurchführung HAGEN Patentpol Massiv-Cu-Verbinder, verschraubt oder verlötet Pole mit Cu-Einlage Holz- oder Stahlgestelle für Normalaufstellung Formschlüssige Stahlgestelle ausgelegt gegen Erdbeben und Flugzeugabsturz Komplettmontagen und Inbetriebnahmen durch eigenes Montagepersonal Planung und Dokumentation kompletter Batterieanlagen Energieforum 2006 Werner Hartmann 24

25 Betriebserfahrungen Mit der OCSM erhält der Betreiber ein Produkt, dessen Betriebsbewährung unabhängig von Herstellerangaben nachgewiesen ist: Einsatz in konventionellen Kraftwerken seit 1986 Einsatz in Kernkraftwerken seit 1994 weit über gelieferte Zellen für Kraftwerke. Keine der seit 1986 im Kraftwerksbereich eingesetzten Batterien wurde bisher erneuert. Die Batteriebauart OCSM ist eine hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit optimierte Batterie mit positiven Panzerplatten und dürfte die weltweit zuverlässigste Batterie sein. Energieforum 2006 Werner Hartmann 25

26 Anwendungen aus der Praxis Batterien im Kernkraftwerk, vor und nach dem Umbau von GroE auf OCSM mit einer Verdoppelung der Kapazität Gestelle ausgelegt gegen Flugzeugabsturz Energieforum 2006 Werner Hartmann 26

27 Anwendungen aus der Praxis 220-V-Batterie (107 Zellen 24 OCSM 3480) im 1000 MW Braunkohlekraftwerk Niederaußem der RWE Power AG Holz-Gestelle Energieforum 2006 Werner Hartmann 27

28 Anwendungen aus der Praxis Teilansicht von Batterien im Netzleitzentrum Neunburg v. Wald der E.ON Netz GmbH Eingesetzt sind 2 x 192 Zellen 6 OCSM 690 und 2 x 24 Zellen 5 OCSM 400 Energieforum 2006 Werner Hartmann 28

29 Anwendungen aus der Praxis Batterieanlage zur Frequenzregelung in Berlin mit einer Regelleistung von 8,5 MW und einer Sofortbereitschafts-Reserve von 17 MW Energieforum 2006 Werner Hartmann 29

30 Anwendungen aus der Praxis Hochleistungsbatterie mit 1,2 MWh der Stadtwerke Herne Energieforum 2006 Werner Hartmann 30

31 Anwendungen aus der Praxis In dieser Anlage sollen demnächst OCSM-Batterien für Sicherheit sorgen Energieforum 2006 Werner Hartmann 31