Batteriespeicher für die Energiewende Speicher-Forum Mainfranken 2013

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1 Batteriespeicher für die Energiewende Speicher-Forum Mainfranken 2013 Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, Würzburg Dr. Victor Trapp

2 Fraunhofer ISC Werkstoffwissen für die Herausforderungen von morgen Kernkompetenzen Chemische Nanotechnologie Prozesstechnik und Charakterisierung Glaschemie und -technologien Energie Umwelt Gesundheit Effizienz Wandlung Speicherung neue Energieträger Prozess- und Ressourceneffizien z Leichtbau Monitoring Regenerative Medizin Dentalmaterialien Diagnostik Biophotonik Bilder: Fraunhofer ISC

3 Zentrum für Angewandte Elektrochemie Materialentwicklung Prozessentwicklung Elektrodenmaterial u.a. LiB, NiMH, DSK Elektrolyte, Binder und Separatoren Elektrochrome Fenster Elektroden, Zelle, elektrochemische Beschichtung, Recycling Elektrochemische Charakterisierung und Analytik Post-Mortem Analytik Infrastruktur des Fraunhofer ISC

4 Energiespeicher Übersicht Gespeicherte Energie Mechanisch Chemisch Elektrisch Thermisch Potentielle E. Elektrochemisch Elektrisch Sorption Pumpspeicher Druckluft (CAES) (Primär) Batterien Akkumulatoren Kondensator DSK (supercap) Fest: Zeolithe Flüssig: Salzlsg. Kinetische E. Chemisch Elektromagn. PCM Schwungmassespeicher Wasserstoff kleine Moleküle Supraleitende Magnete (SMES) Paraffin Salze

5 Energiespeichersysteme für das elektrische Versorgungsnetz 380kV 110kV 20kV 400V Quelle: EnBW

6 Energiespeicher für stationäre Anwendungen Entladungszeit bei Nennleistung Sekunden Minuten Stunden Langzeit- Schwungrad Me-Luft LiB Andere Batterien Pb-Säure Ni-Cd HighPower Schwungrad supercaps NaS 1kW 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW Leistungsklasse CAES SMES Pumpspeicher H 2 ivm BZ

7 Pumpspeicherkraftwerke In DE ist eine Pumpspeicherleistung von etwa 7 GW installiert Gesamtspeicherkapazität von etwa 40 GWh (Stand 2010) Begrenzte Ausbaukapazitäten! Beispiele:

8 Natrium-Schwefel-Batterie Eigenschaften Energiedichte 200 Wh/kg nominale Spannung je nach Ladezustand 1,78-2,08 V Betriebstemperatur: C Thermomanagment erforderlich, geeignet für stationäre Anwendungen keine chemische Selbstentladung (aber thermische!)

9 Natrium-Schwefel-Batterie Anwendungen Energiespeicherung für das elektrische Netz: Nachtspeicher, Windkraft, Solarstrom Größte Einzelanlage 9,6 MW, 58 MWh (Hitachi) 34 MW NAS für einen 51 MW Windpark Windpark in USA

10 Redox-Flow-Batterie Aufbau Energiedichte Wh/kg Energiemenge hängt vom Menge Elektrolyt ab (Besonderheit) Redoxpaare V/V (Vanadium-RFB) und Zn/Br (Zink/Brom-RFB) kommerziell

11 Redox-Flow-Batterie Anwendungen Cellcube FB (100kWh, m, 10.3 t) von Gildemeister Leistungsmodule Anwendung als Solarladestation

12 Moderne Mobilität: Vom Hybid- zum Elektrofahrzeug Zunehmende Hybridisierungsgrade: Micro-, Mild-, Medium-, Vollhybrid ~144 V > 200 V EV Drive ~42 V Motor-Assist Motor-Assist 14+x V reg. Brake Boost reg. Brake Boost reg. Brake Boost Start/Stop Start/Stop Start/Stop Start/Stop Micro Mild Medium Full Nächste Stufen: Plug-In-Hybrid (PHEV, Range extender) EV: EV-City (<100 km), EV-Full Range (>200 km) nach A. Madani (Avicenne Développement), Batteries 2010

13 Energie- und Leistungsdichten von Akkus Leistungsdichte in W/kg (cell level) Maxwell Boostcap SuperCap Blei spiral wound Blei NiCd Saft VHP 6 Ah Li-Ion Very High Power NiMH GAIA LiFePO 4 Li-Ion High Power NaNiCl 2 (ZEBRA) LiTeC HP 6 Ah GAIA HE 60 Ah GS Yuasa LEV 50 A123 Saft VL M Kokam Coffee Bag E- One Moli Li-Ion High Energy Energiedichte in Wh/kg (cell level)

14 Anforderungen an HEV, PHEV- und EV-Anwendungen Leistung / kw Energie / kwh Anforderung auf Pack-Level Zellencharakteristik Batterietyp Mikro- Hybride geringe Anforderungen geringe Kapazität Blei sonst. Hybride hohe Spitzenleistung dynamisches Lastprofil hoher Energiedurchsatz geringe Kapazität (5-7 Ah) hohe C-Raten (20-30) Blei, NiMH, LiB PHEV je nach Anwendung: HEV oder EV-Mode LiB EV geringe Spitzenleistung kontinuierliche Belastung hohe Kapazität (50-70 Ah) geringe C-Raten (3-5) LiB

15 Blei-Batterie Aufbau Energiedichte: Wh/kg Spannung: 2.0 V Kosten: ~100 /kwh

16 Blei-Batterie Fortlaufende Verbesserungen LKW-Starterbatterie (1960) AGM-Batterie Bleiakku nach Planté (1859) Quelle: AutoMotorSport EFB-Batterie (Testsieger)

17 Herausforderungen Blei-Batterie: Moderne Automobile Zunehmender Hybridisierungsgrad in PKWs (in den nächsten Jahren > 50% der Neuzulassungen Mild-Hybrid-Klasse) Betrieb im Teillastbereich mit hohen Lade-/Entladeströmen (HRPSoC) führt u.a. zu beschleunigter Sulfatierung bei der negativen Elektrode Bleibatterie von morgen?: 100 VVVVVVVVV konventionell % SOC zunehmende Hybridisierung % Betriebszeit Quelle: MOLL

18 Nickel-Metallhydrid-Batterie Anwendungen: Toyota Prius Batterie Energiedichte: Wh/kg Spannung: 1.3 V

19 Lithium-Ionen-Batterie Rundzelle Zelle: 160 Wh/kg Modul: 35 Wh/kg Flachzelle 7.19

20 Lithium-Ionen-Batterie - Kathodenmaterialien Kathodenmaterialien 5 V LiCoPO 4 Spannung vs. Li / Li + 4 V 3 V LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 LiMnPO 4 LiMn 2 O 4 LiFePO 4 Sb LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 LiCoO 2 Li/Luft O 2 Entwicklungstrends Li/S S spez. Ladung / mah g ? 7.20

21 Lithium-Ionen-Batterie - Aussichten Quelle: NPE, 2. Bericht

22 Was ist wichtig für die Batterie? Kosten Sicherheit Zykellebensdauer (Reversibilität) Energiedichte Lade-/Entladezeit (Leistungsdichte) Entladecharakteristik Selbstentladung Temperaturbereich Überlade-/ Überentladeschutz Leistungsdichte

23 Elektrolyte für LiB Elektrolyte flüssig fest wässrig nichtwässrig Ionische Flüssigkeiten feste Polymer- Elektrolyte anorganische Festelektrolyte Gel-Polymer- Elektrolyte Entwicklungstrends Brennbare organische Elektrolyte!

24 Entwicklung sicherer Elektrolyte am ISC Anorganischorganische Polymerelektrolyte (ORMOCER ) erlauben den Verzicht auf flüssige, entflammbare Komponenten. Kombination der hohen mechanischen Flexibilität mit hoher Temperaturstabilität. Defekte LiB aus Boeing 787 Neue Elektrolyte mit einem hohen Sicherheitsgrad

25 Pendler-E-Bike Dauertest mit Elektronischen und Elektrochemischen Untersuchungen (PEDElEc) Profilauswahl von Berufspendlern mit Fahrrädern am Fraunhofer ISC Alterung im Labor mittels entwickeltem Fahrzyklus Post-Mortem-Analytik Fraunhofer ISC Fraunhofer ISC CT-Schnitt durch eine Zelle maps.google.de Fraunhofer ISC Fraunhofer ISC E-Bike-Flotte von Winora 15 Berufspendler nutzen 1 Jahr lang Pedelecs 3 Pedelecs gleichzeitig als Dienstfahrzeuge Zellen und Packs laufen parallel dazu im Labor

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! ZAHA HADID ARCHITECTS Dr. Victor Trapp Neunerplatz 2, Würzburg; Phone: +49 (0)