Grosse und leistungsstarke Energiespeicher. Dr. David Vonlanthen - Paul Scherrer Institut (PSI) Redox-Flow Batterien

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1 WIR SCHAFFEN WISSEN HEUTE FÜR MORGEN Dr. David Vonlanthen - Paul Scherrer Institut (PSI) Redox-Flow Batterien Grosse und leistungsstarke Energiespeicher Symposium elektrische Energiespeicherung Schweiz - Berner Fachhochschule, Biel/Bienne David.Vonlanthen@psi.ch

2 Wachstumsprognose Stationäre Batterien GWh GWh GWh GWh Elektrochemische Energiespeicher (389.8 MW) in China 2017 (+ 45%). 58% sind Lithium-Ionen Quelle: IRENA, 2017, ELECTRICITY STORAGE AND RENEWABLES: COSTS AND MARKETS TO 2030 Page 2

3 Typen von Batterien Redox-Flow Batterie Lithium-Ionen NaS NaNiCl 2 Bleibatterie Kosten Energie ( /kwh) Leistung ( /kw) Dauer (Stunden) Lebensdauer > Dimension 2kW - 200MW 2kW - 650MW 2MW - 400MW 100kW - 5MW 5kW - 5MW Ökologie 100% Recycling Li limitiert Recy. unklar Unkritisch Recycling Recycling Sicherheit + (Wasser) Redox-Flow ist geeignet für lange Speicherdauer (2-14h) Breiter Leistungsbereich (KW bis MW) «Grün», äusserst langlebig und haben ausgezeichnetes Sicherheitsprofil Quellen der Zahlen: 1) EASE - European Association for Storage of Energy; 2) DOE Global Energy Storage Database 2018, 3) IRENA, ) Capex-Kosten sind als Richtwerte angegeben. Lithium umfasst verschiedene Technologien die in den Preisen stark variieren. Batterie-Technologie-Preise ändern je nach System, Anwendung und Zeit. Page 3

4 Tiefe der Entladung und Zyklenstäbilität Anzahl Zyklen Redox-Flow Battery (VRB) NaS Blei-B. Li-Ionen VRB Entladungstiefe (%) Quelle: United Energy Technologies (UET), USA, 2018 Page 4

5 Redox-Flow Batterie-Projekte im Betrieb (Weltweit) > 100 Projekte im Betrieb und in der Bauphase Grösste Anlage: 200 MW / 800 MWh Typische Pilotgrössen: MW für 2-8 Stunden Quelle: US Department of Energy, Page 5

6 Industrieller Batterie-Speicher in Europa Batterie-Speicher Vandium-Flow Batterie (Sumitomo) 500kW / 1750kWh (3.5 Stunden) Zink/Eisen-(hydrid)-Flow Batterie (ViZn) 400kW / 1200kWh (2.5 Stunden) Lithium-Ionen Batterie (BYD) 1260 kw / 1340 kwh MiRIS: Microgrid auf dem Hauptsitz der Firma CMI Energy in Seraing (Belgien) PV Strom-Produktion im Areal 2.0 MWp / 1.75 GWh pro Jahr Strom-Bedarf Areal 1.3 GWh pro Jahr Überschuss wird im Netz verkauft Page 6

7 Prinzip der Redox-Flow Batterie Leistung ist von der Energie entkoppelt kwh - kw U cell 1.2 V + kwh V 2+ VO 2+ V 2+ /V 3+ V 4+ /V 5+ V 3+ H + VO 2 + Membran Pumpe Leistung hängt von den Stack-Komponenten ab (Ort der El.-chemischen Reaktion) Dimensionierung des Tanks bestimmt die Dauer der Leistung Die Energie wird in einer Lösung gespeichert, nicht in einem Feststoff (hohe Stabilität) Page 7

8 Kosten, Skalierung und Speicherdauer Kosten ($ / kwh) Lithium- Ionen Redox- Flow Quelle: ARPA-e, 2016, USA Entladezeit (Stunden) Page 8

9 Die Vanadium Redox-Flow Batterie (VRB) Negative Elektrode: V 3+ + e V 2+, E = V V(IV)O 2+ Positive Elektrode: VO H + + e VO 2+ + H 2 O, E = V Vanadium-Ionen 1.6 M +V +IV in 2 M Schwefelsäure V 2+ V 3+ VO 2+ VO 2 + Redox-Flow Batterie mit technischer Reife Gleiche Elemente auf beiden Seiten keine Kreuzkontamination der Elektrolyten Quelle: P. Alotto et al., Proc. 2 nd IEEE ENERGYCON Conference & Exhibition, 2012 Page 9

10 USD/lb Preis-Trend von Vanadiumpentoxid (V 2 O 5 ) Kosten von V 2 O 5 x 10! 5 Datum (M/T/J) Page 10

11 Die Verschiedenen RFB Typen all-vanadium 23 Ein Element für V Anode und Kathode Häufigster Typ (am besten erprobt) Hohe Kosten V (Marktabhängig) H 2 /Br 2 Gas Halbzelle Schnelle Kinetik 1 H 35 Br Pt-basiert für H 2 Elektrode 30 Zn Zn/Fe Nicht toxisch Tiefe Materialkosten Ohne Säure 26 Fe Zn/Br 2 hybrid 30 Zn 35 Br Stark korrosiv und giftig (Br 2 / HBr) Tiefe Materialkosten Weit verbreitet Page 11

12 Kosten der Batteriekomponenten Vanadium Redox-Flow Batterie, 1 MW 4 h Bipolare Platten Zellrahmen Power Conditioning System Quelle: J Power Sources 247 (2014) 1040 Elektroden anderes Membran 1 MW x 4 h 9 Pumpen 4 Tanks 47 Kosten der Hardware (ohne Elektrolyt) Page 12

13 Unsere Ziele am PSI Membran als Schlüssel-Komponente von Redox-Flow-Batterien: Selektiv für bestimmte Ionen Tiefer ionischer Wiederstand Chemisch resistent Tiefe Material- und Produktionskosten Testen in Laborzellen Upscaling für die Industrie Testen der Membrane zusammen mit Industriepartnern Lancieren eines PSI Spin-Offs zur Vermarktung der Membran Page 13

14 Redox-Flow Batterie: Test-Stand am PSI Einzelzelle 25 cm 2 aktive Fläche Page 14

15 Discharge capacity (Ah) FAP-450 Ungleichgewicht der Elektrolyte and Kapazitätsverlust PSI Time (h) 80 Zyklen Nafion 212 Oldenburg FJ, Schmidt TJ, Gubler L, J. Power Sources 368 (2017) 68 Kationenautausch- Membran (CEM): Nafion 212 Anionaustausch- Membrane (AEM): FAP-450 Amphotere Ionenautauschmembran (gepfropft am PSI) negativer and positiver Elektrolytbehälter Page 15

16 Herstellung von Membranen für die Industrie Skalierung der Membran: 30 cm x 70 cm PSI Patent: Anmeldung EP (2018) Page 16

17 Zusammenfassung Redox-Flow Batterie ist eine Zukunftstechnologie für die Energiewende Geeignet für Anwendungen mit langer Speicherdauer (2-14 Stunden) Lange Lebensdauer (> Zyklen) Hohe Sicherheit im Betrieb und Transport (Wasser!) Einfaches Recycling Materialoptimierung und Skalierung bedeutet Kosten senken Neue Technologie ermöglicht neue Chancen und Möglichkeiten für: Forschung & Entwicklung, Gewerbe und den Endverbraucher Page 17

18 Team und Finanzierung Dr. David Vonlanthen Fabio Oldenburg Aaron Schneider Elian Pusceddu Dr. Lorenz Gubler 2018 by David Vonlanthen Page 18