HERAUSFORDERUNGEN UND POTENZIALE FÜR KAPAZITIVE ENERGIESPEICHERSYSTEME Jun.-Prof. Dr. Volker Presser Saarbrücken, 19.

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1 HERAUSFORDERUNGEN UND POTENZIALE FÜR KAPAZITIVE ENERGIESPEICHERSYSTEME Jun.-Prof. Dr. Volker Presser Saarbrücken, 19. November 2014

2 DAS INM EIN KURZER ÜBERBLICK ca. 200 Mitarbeiter ca. 20 M /a Forschungsetat Forschungsschwerpunkte der Energie-Material JFG: Energiespeicherung Energie-Harvesting Energieeffiziente Wasseraufbereitung Neue Ansätze für elektrochemische Sensorik und Aktuation 2 Mehr über das INM und unsere Energieforschungsaktivitäten auf dem Ausstellungsposter und im Netz unter

3 MOTIVATION HERAUSFORDERUNG IM STROMNETZ DER ZUKUNFT Erneuerbare Energieträger erfordern evolutionäre Umstrukturierung der Netze Herausforderung für Netze, Potenziale für Märkte, Verunsicherung beim Verbraucher Notwendigkeit von Energiespeicherung Herausforderung für Netze, Potenziale für Märkte, Verunsicherung beim Verbraucher 3

4 MOTIVATION ENERGIESPEICHER IM GLOBALEN KONTEXT 100 W Glühbirne ( MW, GWh p.a.) Druckluftspeicher (440 MW, 3,857 GWh p.a.) Globale Energieproduktion (2,400,000 MW, 21,037,951 GWh p.a.) Batterien (508 MW, 4,453 GWh p.a.) Pumpwasserspeicher (127,000 MW, 1,113,258 GWh p.a.) 4 Weniger als 5% der globalen Energieproduktion ist in Form von Energiespeichern darstellbar

5 MOTIVATION WETTBEWERB DER TECHNOLOGIEN Schnelligkeit und Größe Kosten Ziel Ziel Zielvorgaben: Hohe Energie und hohe Leistung Schnelle Ansprechraten Kommerzielle Attraktivität Skalierbarkeit 5

6 Galvanotechnik Capmix Batterien ELEKTROCHEMISCHE METHODEN EINE VIELSEITIGE TECHNOLOGIE-PLATTFORM Kapazitive Technologien 6

7 ELEKTROCHEMISCHE METHODEN ELEKTRIFIZIERTE GRENZFLÄCHEN Redox-Reaktion (z.b. Interkalation) Pseudokapazität) + laden laden +2H + +1e - +2e - n e - -1e - -2e H entladen + entladen Faradaisch geladen + Ionen-Elektrosorption (d.h. keine Redox-Reaktionen) + 1e - 1e e - +1e - 2e - + laden 1e - entladen nicht-faradaisch + ++ geladen 7

8 ELEKTROCHEMISCHE METHODEN BATTERIEN VERSUS SUPERKONDENSATOREN Batterien Superkondensatoren Faradaische Reaktionen Begrenzte Lebensdauer Geringe Leistungsdichte Hohe Energiedichte Elektrosorption (EDLC) Sehr hohe Lebensdauer Hohe Leistungsdichte Geringe Energiedichte 8

9 Ladung Entladen ELEKTROCHEMISCHE METHODEN BATTERIEN VERSUS SUPERKONDENSATOREN EEDLC Laden CU max Batterien Ebattery QU Leistung ( Watt ) 2 V P 4 R Entladen Supercaps Laden Energie ( Wattstunde ) E 1 2 CV 2 Elektrisches Potential 9

10 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG SUPERKONDENSATOREN Basiert auf Aktivkohle Rein physikalisches Prinzip Hohe Effizienz (ca. 98%) Lange Lebensdauer Sehr hohe Leistung (10x besser als Batterien) Aber: noch geringe Energie- Dichte (1/10 von Batterien) 10 INM Ansatz Besseres Grundlagenverständnis der Prozesse und Potentiale Entwicklung von Kohlenstoff-Hybridmaterialien mit hoher Energie-Dichte (Metalloxide, Metallnitride, Organik) Optimierte Nanomaterialien mit verbesserter Leistungsfähigkeit

11 ELEKTROCHEMISCHE METHODEN OPTIMIERUNGSSTRATEGIEN Skaliert mit der spezifischen Oberfläche Energie und Leistung skalieren mit V² Leistung skaliert mit 1/R 11

12 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG SUPERKONDENSATOREN 2.0 nanoees 3D Projekt (BMBF Nachwuchsgruppe) Laufzeit: Volumen: 3.6 M Bisher: 16 referierte Publikationen und eine Patentanmeldung Neuartige Nanofasern Erhöhte Energiedichte um Faktor 3-5 Neues Verfahren zur umweltfreundlichen Elektrodenpräparation 12

13 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG PSEUDOKONDENSATOREN Beispiele für Nanomaterialien für optimierte Pseudokondensatoren Metalloxiddekoration MXene / MoXene Hybrid Oberflächengruppen Journal of Materials Chemistry A, 2014, submitted Chemical Communications, 2014, 50, 7420 Nano Energy, 2013, 2, 70 13

14 Elektrische Kapazität (F/g) ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG OLC-PSEUDOKONDENSATOREN Chinon-funktionalisierte Kohlenstoffnanozwiebel-Pseudokondensatoren 4-5 nm Nanodiamant 6-7 nm Kohlenstoffnanozwiebel OLC OLC 1 M H 2 SO 1 A/g ca. 400 m²/g ca. 5 /g Onion-like carbon (OLC) 40 Nur OLC Zyklenanzahl 14

15 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG GRÜNE SUPERKONDENSATOREN Umweltfreundliche und sichere Energiespeicher Nicht brennbar Kein Cl, F, S Kein Metall Rückstandsfrei veraschbar 15

16 Pumpe ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG SKALIERBARKEIT Design Skalierbarkeit Energiespeicherung Separator Entkopplung: Energie und Leistung Entkopplung: Speicherung und Abrufen Performance Reservoir Zelle 1 Hohe Energiedichte (<5 kw/kg) Hohe Effizienz (>90%) Langlebigkeit (> Zyklen) Schnelle Ansprechraten Zelle 2 Reservoir Wirtschaftliche Kosten Fluss-Batterien Supercaps Energiebereitstellung 16

17 OUTLOOK NOVEL ELECTRODE DESIGN CONCEPTS FLUSS-ELEKTRODEN DESIGN 17

18 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIESPEICHERUNG PERSPEKTIVEN DES FLUSS-KONDENSATORS Bisher: hohe Kosten für große Systeme wg. Skaliereffekten kleiner Module INM Ansatz: 1) Fluss-fähige Kohlenstoff-Suspension-Elektroden 2) Fokus auf wässrigen Elektrolyten 3) Energie und Leistung leicht zu skalieren Einsatz für Stromnetz- Management Einsatz zur Erhöhung der Selbst-Nutzung heimischer PV 18

19 AUSBLICK PERSPEKTIVEN KAPAZITIVER TECHNOLOGIEN 19

20 KONTAKTINFORMATIONEN Jun.-Prof. Dr. Volker Presser INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien & Universität des Saarlandes Telefon: Web: volker.presser@inm-gmbh.de 20