Materialforschung für zukünftige Speicher

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1 Materialforschung für zukünftige Speicher F. Schüth Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

2 Speicherdichte unterschiedlicher Energieträger für Autos 400 kwh chemical energy U. Eberle, M. Felderhoff, F. Schüth, Angew.Chem.Int.Ed. 48, 6608 (2009)

3 typical time scale [s] Size and time scales of storage options 10 8 Chemical compounds grid scale 1 year 10 6 Li-ion (electronics) Engine fuel Redox-Flow Li-ion Pb battery (traction) NaS battery CAES (pumped) hydro 1 month 1 day hour 10 2 Flywheel capacitors 1 1 Wh 1 kwh 1 MWh 1 GWh 1 TWh typical size scale

4 State-of-the-art: die Li-Ionenbatterie 11 Gew.% 18 Gew.% 46 Gew.% 15 Gew.% 2 Gew.% Cepheiden 8 Gew.%: Elektrodenadditive, z.b. Binder Data from: M. Broussely, G. Archdale, J.Power Sources 136, 386 (2004)

5 Entwicklungspotenzial der Lithium-Ionenbatterie M. Broussely, G. Archdale, J.Power Sources 136, 386 (2004)

6 Neue Elektrodenmaterialien: Kohlenstoff-verkapselte Silicium-Anoden Graphit-Anode: theoretische Kapazität 372 mah/g LiCoO 2 -Kathode: theoretische Kapazität 145 mah/g Silicium-Anode: theoretische Kapazität 4200 mah/g Silicium-Nanopartikel hydrothermal mit Kohlenstoff gecoatet

7 Zukünftige Batteriegenerationen Electricity Storage Association Großes Potential bei Lithium-Schwefel-Batterien P. Bruce et al., Nature Mater. 11, 19 (2012)

8 Beispiel für die Materialforschung bei Lithium- Schwefel-Batterien S. Jeong et al., J.Power Sources 235, 220 (2013)

9 Windpower [MW] Effekte auf das Elektrizitätssystem Jahresfahrleistung 2011 PKW Deutschland: 609 Mrd. km Elektrofahrzeuge 0.15 kwh/km Entspricht einem Bedarf von 90.9 TWh elektrischer Energie Deutschlands Stromerzeugung im Mittel vergangener Jahre: 600 TWh Millionen PKW mit 16 kwh Batterie (Ampera) Windleistung in der 50 Hertz Regelzone April 2011 Windleistung in der 50 Hertz Regelzone April 2011

10 Temperatur Wärme oft vergessen: 50 % des Endenergieverbrauchs Wärmespeicherung ist ein interessantes Thema sensible Wärme Latentwärme T PC Energie

11 Große Wärmespeicher (sensibel) Wasser Beton Salzschmelzen

12 Beton D. Laing et al., IRES III 2008, 3rd International Renewable Energy Storage Conference, , Berlin Materialforschungsaspekte Temperaturwechselstabilität Korrosion Wärmetauscher

13 Salzschmelzen Materialforschungsaspekte Salzmischungen für höhere Temperaturen Stabilität Korrosivität Keramische Partikel Stabilität Sintern Geschmolzene Metalle Wärmeübergang Beständigkeit von Bauteilen

14 Temperatur Latentwärmespeicher: Phase Change Materials sensible Wärme Latentwärme T PC Energie Ideal: Phasenwechsel kontrollierbar unabhängig von Temperatur stark unterkühlte Flüssigkeiten oder überhitzte Festkörper

15 Vom Handwärmer zum Wärmecontainer Quelle: LaTherm ca. 2 MWh CH 3 COONa. 3 H 2 O (fest) kj/kg kj/kg CH 3 COONa. 3 H 2 O (flüssig) Schmelztemperatur 58.5 C, Unterkühlung bis -20 C

16 Latentwärmespeicher: Passivkühlung H.M. Henning, P. Schossig, Fraunhofer ISE

17 Latentwärmespeicher: Reversible chemische Reaktionen B. Bogdanovic et al., Angew.Chem.Int.Ed. 29, 223 (1990)

18 Beispiel: das Magnesium-Wasserstoff-System Speicherdichte 0.9 kwh kg -1 Mg Temperatur zwischen 300 und 500 C Getestet über 1800 Zyklen Unterschiedliche Speicherverfahren für den Wasserstoff MgH 2 Wand des Druckbehälters Sintermetallrohr für Wasserstoff Zu- und Abfuhr Mg

19 Beispiel: das Magnesium-Wasserstoff-System M. Felderhoff, B. Bogdanovic, Int.J.Mol.Sci. 10, 325 (2009)

20 Speicherung von Energie als Wasserstoff: Elektrolyse und Brennstoffzelle Reaktion: 2 H 2 + O 2 H 2 O Elektrolyse Höhere Effizienz als Verbrennung Nur Wasser als Produkt Anode Katalysator Membran (Nafion) Katalysator Kathode

21 SA (ma/cm 2 Pt ) MA (A/mg Pt ) Herausforderungen der Brennstoffzelle Hohe Mengen Platin im Katalysator (80 g) Bessere Membranen (höhere Temperatur, bessere Leitfähigkeit) Gas- und Flüssigkeitsmanagement Frisch 1,0 Pt@Vulcan PtNi@HGS Nach 3600 Zyklen 1,0 0,8 0,8 0,6 0,4 DOE 2020 target 0,6 0,4 0,2 0,2 0,0 0,0 C. Galeano, C. J. Baldizzone, Meier et al., S. J.Am.Chem.Soc. Mezzavilla et al., 134, unveröffentlicht (2012)

22 Wie speichert man Wasserstoff im Auto? Source: U. Eberle, GM FCA R. van Helmolt, U. Eberle, J.Power Sources 165, 833 (2007)

23 Chemische Speicher: Reaktionen kleiner Moleküle an festen Katalysatoren aber nicht rückverstromen Natural gas Coal biomass hydrogen H 2 + CO Synthesis 2 H 2 O gas + CO CO Acetic acid olefins H 2 + CO oxoalcohols FT fuels methanol formaldehyde Higher alcohols Lower olefins MTBE Established processes Under development