Elektrische Energiespeicher

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1 Präsentation im Rahmen des Moduls Alternative Antriebe Elektrische Energiespeicher B.Sc. Waldemar Elsesser B.Sc. Martin Katzenmayer B.Sc. Radja Mitra B.Sc. Jan Paul Schniedermann Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Informatik Prof. Dr.-Ing. L. Mardorf Dipl.-Ing. P. Menger

2

3 Inhalt 1. Einführung ins Thema 2. Historie elektrischer Energiespeicher 3. Der Bleiakku als Starterbatterie 4. Heutiger Stand der Technik 5. Elektrochemische Reaktion am Bleiakku 6. Impedanz, Selbstentladung und Kondensatoren 7. Anwendungsbereiche der Energiespeicher 8. Ausblick

4 Einführung in Thema

5 Unterschiedliche Typen der Energiespeicherung Galvanisches Element als Grundstein Primärzellen Sekundärzellen Kondensatoren Einführung ins Thema 5

6 Historie elektrischer Energiespeicher

7 1786: Luigi Galvani entdeckt unbewusst Elektrizität als er zwei Metallstäbe an einen Frosch hält und dieser zuckt 1792: Alessandro Volta erklärt schließlich das Phänomen und, weist schließlich unterschiedlich starke Elektrizität in Abhängigkeit des Materials nach und legt den Grundstein für die elektrochemische Spannungsreihe Historie elektrischer Energiespeicher 7

8 1803: Johann Wilhelm Ritter entwickelt mit seiner Ladungssäule den ersten Akkumulator bzw. elektrischen Energiespeicher Funktionsweise besteht im Grunde bis heute (Blei-Akkumulator) 1854: Wilhelm Josef Sinsteden entwickelt den ersten Blei-Akkumulator und kann bereits eine Kapazität des Systems nachweise 1887: Gründung der ersten Fabrik für Akkumulatoren durch Adolph Müller (VARTA) 1888: Flocken Elektrowagen als erstes Elektrofahrzeug 1914: Erster Einsatz in der Großserie im Model T von Ford 1980: Entdeckung der Brauchbarkeit von Lithium (Lithiumcobaltdioxid) als Elektrodenmaterial 1991: Erster kommerzieller Einsatz eines Lithium-Ionen-Akkus (Sony) in einer Videokamera Historie elektrischer Energiespeicher 8

9 Verwendung von Plattensätzen um Fläche zu erhöhen Verdünnte Schwefelsäure H 2 SO 4 (27%) als Elektrolyt Positive Elektrode aus Bleidioxid PbO 2 Negative Elektrode aus porösem Bleischwamm Pb Reihenschaltung von 6 Zellen à 2V für einen 12V-Block Ladezustand eines Bleiakkus über Dichte des Elektrolyt einfach zu ermitteln Der Bleiakku als Starterbatterie 9

10 Kennzeichnung durch neunstellige europäische Typennummer ETN Erläuterung am Beispiel o Kennziffer 5: Nennspannung 12 V o Kennziffer 44: Nennkapazität 44 Ah o Kennziffer 105: Kennzeichnung aus DIN-Norm o Kennziffer 045: Kälteprüfstrom 450 A Der Bleiakku als Starterbatterie 10

11 Stand der Technik

12 Arten von Akkumulatoren Blei Nickel-Cadmium Nickel Metall Hydrid Lithium Ionen Stand der Technik 12

13 Blei-Akku Lange Lebensdauer: Zyklen Zuverlässig und kostengünstig Kein Memory Effekt Wirkungsgrad: 80-98% Geringe Energiedichte: Wh/kg Hohes Gewicht Pb + H2SO4 + PbO2 2PbSO4 + 2H2O Stand der Technik 13

14 Nickel-Cadmium-Akku Lange Lebensdauer ( Zyklen) robust Geringe Herstellungskosten Wirkungsgrad: 60% Energiedichte: Wh/kg Enthält hochgiftiges Cadmium Memory Effekt Selbstentladung: 10-15% 2NiO(OH) + Cd + 2H2O 2Ni(OH)2 + Cd(OH) Stand der Technik 14

15 Nickel-Metall-Hydrid-Akku Höhere Energiedichte als Nickel Cadmium Enthält kein giftiges Cadmium Kein Memory Effekt Empfindlich gegen Überladung Größere Selbstentladung (15-20%) NiO(OH) + MH Ni(OH)2 + M Stand der Technik 15

16 Lithium-Ionen-Akku Häufig verbreiteste Akkutechnologie weltweit Markteinführung: 1991 Anwendungen: Digitalkamera, Handy, Laptop, Auto Stand der Technik 16

17 Lithium-Ionen-Akku Wirkungsgrad: bis zu 100% Höchste Energiedichte: ca Wh/kg Lebensdauer: > 800 Zyklen Geringe Selbstentladung im Monat: 1-2% Nennspannung: 3,6 V Thermisch stabil und kein Memory Effekt Teure Herstellungskosten MO2 + LiC6 LiMO2 + C Stand der Technik 17

18 Vergleich der Akkus Stand der Technik 18

19 Elektrochemische Reaktion am Blei-Akku

20 Elektrochemische Reaktion Entladen: Abgabe elektrischer Energie Laden: Aufnahme und Speicherung elektrischer Energie Elektrochemische Reaktion am Blei-Akku 20

21 Geladener Zustand Pb PbO2 38 %ige Schwefelsäure H2SO4 + H2O Elektrochemische Reaktion am Blei-Akku 21

22 Pb PbO2 Hochschule Osnabrück Entladen 2e Verbraucher Dissoziierte Schwefelsäure ++ H 2 SO 4 ++ H 2 SO Anode Kathode Elektrochemische Reaktion am Blei-Akku 22

23 Entladen Pb ++ PbO2 2e Verbraucher Dissoziierte Schwefelsäure ++ H 2 SO 4 ++ H 2 SO 4 2 O - + Anode Kathode Elektrochemische Reaktion am Blei-Akku 23

24 Entladen 2e Verbraucher Pb SO4 ++ H 2 ++ H 2 2 O Pb SO4-2H2O + Anode Kathode Elektrochemische Reaktion am Blei-Akku 24

25 Chemische Gleichung Elektrochemische Reaktion am Blei-Akku 25

26 Impedanz, Selbstentladung und Kondensatoren

27 Impedanz Innenwiderstand des Akkus, der dessen Betriebsdauer bestimmt Normaler Akku: uneingeschränkter Stromfluß Fehlerhafter Akku: eingeschränkter Stromfluß Beispiele für Akkus mit geringer Impedanz: NiCd Lithium-Ionen NiMH Impedanz 27

28 Selbstentladung Einflussfaktoren auf die Selbstentladung Erhöhte Temperatur Hohe Zykluszahlen Alterung Problem Gespeicherte Energie geht im Verlauf des Tages verloren Auswirkung Nutzenergie verringert sich Maßnahme Selbstentladung nicht korrigierbar Selbstentladung 28

29 Doppelschichtkondensatoren C = ε 0 ε r S / d Vorteile: hohe Zyklenstabilität Wartungsfrei leichter als herkömmliche Batterien Nachteil: Hohe Selbstentladung Kondensatoren 29

30 Doppelschichtkondensatoren Weiterentwicklung des Doppelschichtkondensator Erhöhung der Ladungsspeicherdichte mittels faradayscher Reaktionen Hybridkondensator (höhere Arbeitsspannungen realisierbar) Anwendungsgebiet Schnelle Aufnahme und Abgabe von Ladung BMW X3 Efficent Dynamics BMW-Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug auf Basis der 1er-Reihe Kondensatoren 30

31 Anwendung der Energiespeicher

32 Auswahlkriterien Energie- Leistungsdichte Kosten Lebensdauer Sicherheit Package Anwendung der Energiespeicher 32

33 Voraussetzungen für die Mobilität Energiegehalt pro 1t Fahrzeuggewicht Elektrofahrzeuge hohe Kapazität Leistung pro 1t Fahrzeuggewicht 30 kw 20 kwh ->150 km Reichweite Hybridfahrzeuge hohe elektrische Leistung geringe Kapazität (minimaler rein elektrischer Antrieb) 1,5 kwh (Leistungsspeicher für hohe Entladeimpulse) kw (Leistungsunterstützung beim Anfahren u. Beschleunigen) Ladefähigkeit Bei Hausanschluss mit 3 kw ca. 7 h Schnelllader unter 1h Elektrische Rückspeicherung der Bremsenergie (Impulse bis 30 kw) Lebensdauer 1000 Ladezyklen (3 Jahre) Lebensdauer ca. 10 Jahre Anwendung der Energiespeicher 33

34 Anwendung Nickel-Metall-Hydrid günstig produzierbar (4 Mio. Einheiten verbaut) Nickel-Metall-Hydrid Speicher Toyota Yaris Hybrid Technisch bestens geeignet Batterieeinheit ca. 40 kg Lebensdauer deutlich über 8 Jahre in Hybridfahrzeugen aus Feldversuchen maximal drei Hersteller (wenig Wettbewerb) innerhalb der nächsten 10 Jahre aus Fahrzeugmarkt verschwinden Anwendung der Energiespeicher 34

35 Anwendung Lithium-Ionen Batteriepaket des Mitsubishi i-miev Mitsubishi i-miev mit Li-Ionen Traktions-Batterie Reichweite von 150 km versprochen (Praxistest im Winter max. 75 km) Batterieeinheit ca. 200 kg Kosten für die Traktions-Batterie Anfänglich (2010) In der zweiten Generation durch Senkung der Batterieherstellungskosten Rund 5000 billiger Anwendung der Energiespeicher 35

36 Temperaturüberwachung Nenntemperatur liegt bei 30 C oberhalb von 50 C darf nicht geladen werden zwischen 40 C und 50 C nur mit herabgesetzter Ladespannung Problem Temperatur der inneren und äußeren Zellen unterscheiden sich Dadurch Unterschiede bei der elektrochemische Reaktionen und im Langzeitverhalten Lösung Temperaturausgleichsysteme Differenz der Batteriemodule unter 5 K (Wasser, Luft) Neu: Mischung aus Paraffinkügelchen und Wasser. Schmelzen bei Hitze und werden bei Wärmeabgabe wieder fest. >deutlich höhere Wärmespeicherkapazität als Wasser und Luft Anwendung der Energiespeicher 36

37 Ausblick

38 Ausblick Lithium-Luft-Akku Battery 500 project Momentan in der Entwicklungsphase (erster Prototyp Ende 2013 von IBM) Reichweite bis 800 km (500 Meilen) etwa 10 fach höhere Energiedichte als momentane Battery 500 von IBM Lithium-Ionen Akkumulatoren Gewichtsreduzierung (87 % leichter als Lithium- Ionen Akkumulatoren) Ausblick 38

39 Ausblick Ausblick 39

40 Gibt es Fragen zum Thema?

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