Energiespeichertechniken und -Systeme

Transkript

1 Energiespeichertechniken und -Systeme Seminarvortrag im Kurs Regenerative Energietechnik Fernuniversität in Hagen Betreuung: Prof. Dr.-Ing. D. Hackstein Referent: B.Sc. Uwe Fechner Kiel/ Hagen

2 Energiespeichertechniken und -Systeme Gliederung: Stationäre Batteriespeicher Mobile Batteriespeicher Kurzzeitspeicher Wasserstoffspeicher Druckluftspeicher virtuelle Kraftwerke Speichertechniken im Vergleich Ein Vortrag von: Uwe Fechner

3 Stationäre Batteriespeicher Anforderungen: hohe Zyklenfestigkeit und Lebensdauer hohe Leistungsfähigkeit, auch für die Leistungsaufnahme hoher Wirkungsgrad und niedrige Kosten Hierfür eignen sich besonders: Vanadium-Redox Batterien (eine Batterie mit flüssigem, externem Speicher) NaS Batterien (Hochtemperatur Batterien mit flüssigem Elektrolyten)

4 Vanadium- Redox Batterien Eigenschaften: umweltfreundlich sehr lange Lebensdauer (Elektrolyt praktisch unbegrenzt nutzbar, Pumpen und Membranen müssen ca. alle 10 Jahre ausgetauscht werden) hoher Wirkungsgrad (75% und mehr) bei abgeschalteten Pumpen keine Selbstentladung Patentschutz läuft 2008 aus, deshalb kann mit mehr Anbietern und günstigeren Preisen gerechnet werden

5 Vanadium Redox Batterie

6 Weitere Kenndaten Energiedichte Wh/kg Kosten: $350-$600 pro kwh Leistungsbereich: 2.5kW bis 10MW Ladung und Entladung sind mit derselben Leistung möglich gut geeignet zur Pufferung der Energieerzeugung von Windparks und Solargeneratoren

7 Natrium-Schwefel Akkus Eigenschaften: Arbeitstemperatur: C Elektrolyt: Feste Keramik (ß-Al 2 O 3 ) Lebensdauer: ca Zyklen/ 15 Jahre Ladewirkungsgrad: > 75% Energiedichte pro Volumen: ca. dreimal besser als beim Bleiakkumulator

8 Fuktionsprinzip NaS Akkus

9 NaS Akku-System, Tsunashima NaS Hochtemperaturbatterie, 6 MW, 48 MWh

10 Mobile Energiespeicher Anforderungen: hohe Energiedichte niederige Kosten großer Arbeitstemperaturbereich Hierfür eignen sich insbesondere Lithium-Nanotitanat und Lithium-Eisenphosphat Akkumulatoren. Eigenschaften: mittlere Energiedichte (ca. 100 Wh/kg) hohe Leistungsdichte (ca. 4 kw/kg) kein Thermal Runaway

11 Li-Fe Phospat vs. Li-Nanotitanat Li-Fe Phosphat niedrige Kosten (ca. 500 EUR/kWh) hohe Zyklenfestigkeit (ca Zyklen) Li-Nanotitanat 2008 noch hohe Kosten (1400 EUR/kWh) sehr hohe Zyklenfestigkeit (nach 9000 Zyklen noch 85% der Kapazität) Arbeitstemperatur-bereich: -50 bis +70 C zu 80% aufladbar in nur einer Minute

12 Lithium-Nanotitanat Akku

13 Kurzzeitspeicher Folgende Speicherprizipien sind bisher umgesetzt worden: Kondensatorspeicher, insbesondere Doppelschichtkondensatoren Schwungradspeicher supraleitende Spulen Ich betrachte Doppelschichtkondensatoren als das erfolgversprechenste Prinzip.

14 Doppelschichtkondensatoren

15 Doppelschichtkondensatoren II Energiedichte ca. 5-6 Wh/ kg Leistungsdichte ca kw/ kg bis zu 10 6 Zyklen Nennspannung ca. 2,4-2,7 V Temperaturbereich C

16 Anbindung von Doppelschichtkondensatoren Boost-Buck Konverter für die Kopplung z.b. eines Bleiakkus mit einem Doppelschichtkondensator. je mehr Phasen, desdo kleinere Bauform Phasen üblich

17 Wasserstoffspeicher Wasserstoffspeicher erlauben die Speicherung größerer Energiemengen als andere Akkumulatoren sie erlauben den auch den Energietransport die Leistungsdichte ist nicht so gut wie bei Lithiumakkumulatoren der Wirkungsgrad ist gering (z.zt. ca. 50%) geringe Zukunftsaussichten, außer für Spezialzwecke (z.b. Elektroflug)

18 Wasserstoffspeicher Wasserstoffspeicher erlauben die Speicherung größerer Energiemengen als andere Akkumulatoren sie erlauben den auch den Energietransport die Leistungsdichte ist nicht so gut der Wirkungsgrad ist gering (z.zt. ca. 50%) geringe Zukunftsaussichten, außer für Spezialzwecke (z.b. Elektroflug)

19 Adiabatische Druckluftspeicher

20 Druckluftspeicher II bisher realisierte Druckluftspeicher wurden immer mit einem Gasturbinenkraftwerk kombiniert sie bieten nur einen niedrigen Wirkungsgrad (unter 50%) und bieten nicht die Möglichkeit, z.b. Windstrom an Orten zu speichern, wo kein zusätzlicher Strom aus Gas benötigt wird künftige adiabatische Speicher könnten einen Wirkungsgrad von bis zu 70% haben, allerdings nur bei kurzen Speicherzeiträumen

21 Virtuelle Kraftwerke virtuelle Kraftwerke bestehen aus einem Zusammenschluß verschiedener, dezentraler Stromerzeuger und Verbraucher, z.b. Wind, Sonne, Bioenergie, Pumpspeicherkraftwerke, abschaltbare Verbraucher wie Kühlhäuser sie bieten den Mehrwert, auch bei einem hohen Anteil regenerativer Energien verlässlich und vorhersagbar Energie bereitzustellen sie entlasten die Netze finanzielle Anreize fehlen

22 Speichertechniken im Vergleich

23 Quellen Optionen zur Speicherung elektrischer Energie in Energieversorgungs-systemen mit regenerativer Stromerzeugung, Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, RWTH Aachen, 2007 Hintergrundpapier Nanosafe Technology, Altairnano, Grafik Druckluftspeicher: BINE 6/07 Automotive Powertrain DC/DC Converter with 25 kw/dm³ by using SiC Diodes, Erlangen,

24 Vielen Dank! Ein Vortrag von: B.Sc. Uwe Fechner Fernuniversität Hagen Juni 2008