Siemens Day TU Dresden, 18. Mai 2011 "Innovationsfelder der Energie" Elektrische Energiespeicher - eine technologische Herausforderung

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1 Elektrische Energiespeicher - eine technologische Herausforderung

2 1. Energieverbrauch: Maß für Lebensstandard und Wohlstand Steigender Energieverbrauch steigende Produktivität steigender Wohlstand - Jäger und Sammler (vor 1 Mio. Jahren) 2,7 kwh/d (Täglicher Grundverbrauch eines leicht arbeitenden Menschen) SCHA_2011_05_18_Folie 2

3 1. Energieverbrauch: Maß für Lebensstandard und Wohlstand Steigender Energieverbrauch steigende Produktivität steigender Wohlstand - Ackerbauer (vor 5000 Jahren) 14 kwh/d (Grundverbrauch + Feuer- + Tiereinsatz) = 5 * Grundverbrauch Folie 3

4 1. Energieverbrauch: Maß für Lebensstandard und Wohlstand Steigender Energieverbrauch steigende Produktivität steigender Wohlstand - Verbrauchsanstieg im Mittelalter: Wind- und Wasserräder - Großer Sprung vor 200 Jahren Industrielle Revolution: Erfindung von Dampfmaschine, Elektro- und Verbrennungsmotor weniger körperliche Arbeit Steigerung des Lebensstandards gewaltiger Energiebedarf Folie 4

5 1. Energieverbrauch: Maß für Lebensstandard und Wohlstand Steigender Energieverbrauch steigende Produktivität steigender Wohlstand - deutsche Bürgerinnen und Bürger (heute): 140 kwh/d = 50 * Grundverbrauch Folie 5

6 2. Elektroenergie ist bevorzugte Energieform Vorteile der Elektroenergie: - ist im Prinzip aus jeder und in jede andere Energieform fast vollständig wandelbar, - hinterlässt dabei keine Reststoffe, - ist verlustarm, d. h. optimal transportierbar, - ist gut zu messen, zu steuern und zu regeln. Folie 6

7 2. Elektroenergie ist bevorzugte Energieform (2) Elektrizität ist wie Energiewährung: - sie kann aus unterschiedlichen Energieträgern erzeugt werden, - ist dann universell einsetzbar, unabhängig von ihrer speziellen Herkunft, - wird an eigenen (Strom-) Börsen gehandelt (andere Rohstoffe nur an konventionellen Börsen). Folie 7

8 2. Elektroenergie ist bevorzugte Energieform (3) Hauptnachteil von Elektroenergie gegenüber anderen Energieformen: - Elektroenergie ist direkt nahezu nicht speicherbar. Folie 8

9 3. Notwendigkeit von Elektroenergie-Speichern Warum muss Elektrizität gespeichert werden? - Ausgleich zeitlicher Unterschiede: Angebot/Zufluss Nachfrage/Abfluss -> Regelreserve im E-Netz für Spannungs- und Frequenzstabilität -> Lastmanagement zum Ausgleich Schwach- und Starklastzeiten -> Erzeugungs- Management (Virtuelle Kraftwerke für EEG-Anlagen) -> Notstrom-, unterbrechungsfreie Stromversorgung. - Autonome Versorgung - wo es keine Steckdose gibt oder diese nicht sinnvoll ist -> portable Anwendungen: Uhren, Kamera, Computer, Handy... -> mobile Anwendungen: Gabelstapler, Raumschiffe, Autos... Folie 9

10 Bedeutung elektrische Energiespeicherung Produktion Wachstum regenerativer Energiequellen Elektrizität ist bewährter Energieträger Hohe Effizienz von Elektromotoren Rekuperation zusätzliche Energieeffizienz Elektrische Energiespeicher sind die Schlüsseltechnologie der nächsten Jahrzehnte für Mobilität und effiziente Energienutzung Verbrauch Speicherung

11 Perspektiven der deutschen Automobilindustrie Mittelfristig: Wachsender Markt für Hybridfahrzeuge ( % - 22% Marktanteil) VDA: Hoher Forschungsbedarf im Bereich Energiespeicher für Hybridfahrzeuge

12 Perspektiven der deutschen Automobilindustrie Mittelfristig: Wachsender Markt für Hybridfahrzeuge ( % - 22% Marktanteil) VDA: Hoher Forschungsbedarf im Bereich Energiespeicher für Hybridfahrzeuge Langfristig: Elektroantrieb gilt als Zukunftstechnologie und wird langfristig Verbrennungs- und Hybridantriebe ablösen VW-Chef Winterkorn: dem Elektroauto gehört die Zukunft Daimler-Vorstand Weber: das ist die Zukunftstechnologie schlechthin Evonik-Vorstand Müller: Ziel für 2020: eine Million E-Autos

13 Konzepte für Energiespeicherung im Automobil Hybrid Fahrzeuge Laden während des Fahrens, Kraftstoffeinsparung 20 % Energie 1 kwh Plug-in Hybrid Laden vom Stromnetz, km Distanz ohne Kraftstoff Energie 5-10 kwh Elektro-Fahrzeuge Laden vom Stromnetz, km Distanz ohne Kraftstoff Energie kwh

14 Anforderungen an Energiespeicher für Automobile Energiedichte: Bestimmt die maximale Distanz mit einer Ladung 200 Wh/kg (high energy Li-Ionen-Zellen) schon realisiert und prinzipiell ausreichend für Vollelektroauto Leistungsdichte: Bestimmt die Effizienz von Rekuperation und Beschleunigung 3 kw/kg (high power Li-Ionen-Zellen) schon realisiert und prinzipiell ausreichend für Vollelektroauto Zyklenstabilität: Bestimmt die Lebensdauer der Batterie Li-Tec: km Fahrstrecke schon realisiert und ausreichend Sicherheit: Begrenzung der Explosionsgefahr bei Großbatterien Relativ hohe Sicherheit durch spezielle Separatoren gegeben Kosten: Bisher nur Hybridkonzepte ökonomisch, wegen hohem Preis der Batterien Kostenreduktion größte Herausforderung der Hersteller!

15 Ragone-Plot: verschiedene Energiespeicher Energiedichte (Wh/kg) Vergleich verschiedener Speichermedien: BSZ Batterien Li-Ionen- Batterie Supercap 0,1 Kondensator 0, Leistungsdichte (W/kg)

16 Bleisäure-Batterie Kathode: Bleisäure Battery Anode: Spez. Energie Wh/kg 35 Energiekosten Eur/Wh 0,1 Spez. Leistung kw/kg 0,1 Leistungskosten Eur/kW 65 -Niedrige Kosten -Geringe Zyklenstabilität -Geringes Potential für Erhöhung Energiedichte Zyklenstabilität Cycles (80 % depth) 300

17 NiMH-Batterie Kathode: NiOOH + H 2 O + e Ni(OH) 2 + OH Anode: Metall-H + OH Metall + H 2 O + e NiMH Batterie Spez. Energie Wh/kg 66 -Sicher -Hohe Lebensdauer -Angewendet in HEV: Toyota Prius - aber: Geringes Potential für Kostenreduktion und Erhöhung der Energiedichte Nicht anwendbar in PHV und EV Energiekosten Eur/Wh 0,5 Spez. Leistung kw/kg 0,15 Leistungskosten Eur/kW 60 Zyklenstabilität Cycles (80 % depth) 4.000

18 Li-Ionen-Batterie Li-Ion Battery Spez. Energie Wh/kg 149 Energiekosten Eur/Wh 0,4 Spez. Leistung kw/kg 0,6 Leistungskosten Eur/kW 60 Quelle: Varta Zyklenstabilität Cycles (80 % depth) Hoffnungsträger für Plug-In-HEV and EV

19 Li-Ionen-Batterie Theoretisch Praktisch 1400 Energiedichte / Whkg Quelle: Varta Hoffnungsträger für Plug-In-HEV and EV 0 Bleiakkumulator Nickel- Metallhydrid- Akkumulator Lithium-Ionen- Akkumulator Lithium- Schwefel- Akkumolator

20 Li-Ionenbatterie: Funktionsweise Schematischer Aufbau: Kathode Membran Anode Al Cu Li-Metalloxid O 2- M = Co, Ni, Mn Li + Graphit C Elektrolyt

21 Li-Ionenbatterie: Funktionsweise Schematischer Aufbau: Kathode Anode Al Li + Cu Li + Li + Li Ladevorgang

22 Li-Ionenbatterie: Funktionsweise Schematischer Aufbau: Kathode Anode Al Cu

23 Li-Ionenbatterie: Funktionsweise Schematischer Aufbau: Kathode Al Anode Cu e - Entladevorgang

24 Li-Ionenbatterie: Funktionsweise Schematischer Aufbau: Kathode Al Anode Cu e - Entladevorgang

25 Ragone-Plot: verschiedene Energiespeicher Energiedichte (Wh/kg) Vergleich verschiedener Speichermedien: BSZ Batterien Li-Ionen- Batterie Supercap 0,1 Kondensator 0, Leistungsdichte (W/kg)

26 Vergleich Batterie - Kondensator Batterie (Bleisäure, NiMH, LIB) Kondensator (Supercap) Lademechanismus: chemisch langsam, geringe Zyklenstabilität hohe Energiedichte Lademechanismus: elektrostatisch Schnell, hohe Zyklenstabilität Geringe Energiedichte

27 Doppelschichtkondensator (Supercap): Kapazität - elektrisch isolierender Doppelschichten mit Dicken im nm-bereich - Elektrodenmaterialien mit äußerst großen Elektrodenoberflächen A Prinzip: Elektr. Spannung Ausbildung einer Helmholtz- Trennschicht mit spiegelbildlicher Ladungsverteilung E = 1/2 * * (A/d) * U² A = Oberfläche d = Solvat-Hülle Folie 27

28 CVD-Verfahren: CNT-Supercap-Elektroden CNT-Elektroden Schematischer Aufbau einer Supercap-Zelle aus CNT Kohlenstoffnanoröhren auf Ni-Folie 50 m V Hohe Leistungsdichten möglich wegen schnellem Ionentransport zwischen den Röhrchen und hoher Leitfähigkeit Geringe Energiedichten wegen relativ geringer spez. Oberfläche Weiterentwicklung notwendig

29 Doppelschichtkondensator: Aufbau Aufbau komm. Supercaps: Aktivmaterial: Stromkollektor: Elektrolyt: Separator: Zelltyp: Aktivkohle Aluminiumfolie Acetonitril + org. Salz Zellulose Papier gewickelt Quelle: Epcos Quelle: Maxwell Quelle: Siemens Vorteile Gewickelter Aufbau: Niedriger innerer Widerstand, Kompakt

30 Schwefel/Kohlenstoff-Komposite für Li/S-Kathoden CNTs als leitfähiges Netzwerk mit hoher Oberfläche Schwefel-Beschichtungen für Li/S-Kathode S Li + Li x S y Li Lösung: Schwefel-beschichtete CNTs hohe Energiedichten möglich V Problem: geringe Leitfähigkeit von S

31 CNT: Anwendung in Lithium-Schwefel-Batterien Material CNT-Schicht auf Ni Folie + Schwefelbeschichtung CNTs bilden leitfähiges Gerüst für die elektrochemischen Reaktionen 40 m SEM Aufnahme der Schwefel beschichteten CNTs Anode (-) Kathode (+) Li 0 S 8 / Li + Li + Li 2 S S S S Li S S S Li S S Li Li S S S S S S Li Li S S S S S Li Li S Li + Li + S S S Li S S S Li + Li Li + Li + S Li Li Li Li S Li + S S S Li S S Li S Li Li S S Li Li Polysulfid-Shuttle-Mechanismus - +

32 Arbeitsrichtung Lithium-Schwefel Batterie Performance Kapazität > 800 mah/g (Masse des CNT/S-Komposits) 4 x höhere Kapazität als state-of-the-art LIB-Kathoden Energiedichte von >400 Wh/kg werden für Li/S-Zellen erwartet Weitere Arbeiten zu Vollzellen, Elektrolyten etc. Potential gegen Li/Li + 5 V Kathodenmaterialien LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 4 V 3 V 2 V 1 V LiFeO 4 Li 4 Ti 5 O 12 Hardcarbon Graphit IWS-CNT/S-Kathoden Anodenmaterialien Sn Si und Si/C-Komposite sind geplant Kapazität (Ah/kg)

33 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

34 Elektrische Energiespeicher - eine technologische Herausforderung