REDOX-FLOW-BATTERIEN FÜR NETZE MIT FLUKTUIERENDEN ERNEUERBAREN ENERGIEQUELLEN

Transkript

1 REDOX-FLOW-BATTERIEN FÜR NETZE MIT FLUKTUIERENDEN ERNEUERBAREN ENERGIEQUELLEN Membrane Electrode Electrode Electrolyte + - Electrolyte Pump Pump Power source/load

2 MOTIVATION Produktion elektrischer Energie am in Deutschland Quelle: EEX Performance of a PV plant with Energy Storage System Styczynski ZA, Lombardi P, Seethapathy R et al., GIGRE/IEEE PES joint symp; p Photovoltaik- und Windstrom sind dezentrale fluktuierende Erzeuger - Fluktuationen belasten Stromnetze - Nachregelung durch schnelle Gaskraftwerke - Bei hohem Anteil an EE sind Speicher notwendig für Zeiten in denen keine Sonne scheint und kein Wind weht. - -> Dezentrale Energiespeicher

3 VERGLEICH VON VERSCHIEDENEN TECHNOLOGIEN Speicher Frequenzstabilisierung (ms-min) Kurzzeit (min-h) Langzeit (h-d) Kondensatoren Supraleiter Schwungräder Batterien Pumpspeicher Druckluft Power to Gas Batterien Pumpspeicher Druckluft Power to Gas

4 BEISPEIL - ALTERNATIVE CAES Quelle: BMBF 2007; Verbesserte Integration großer Windstrommengen durch Zwischenspeicherung mittels CAES

5 ELEKTROCHEMISCHE ENERGIEPSPEICHER - BATTERIEN Blei-Säure Natrium-Schwefel Quelle: NGK Lithium-Ionen Quelle: Hoppecke GmbH Alle Systeme konkurrieren mit der über 100 Jahre alten Technologie der Blei-Säure Akkumulatoren! -> Kosten! Quelle: Saft Batteries

6 TECHNOLOGIE DER REDOX-FLOW-BATTERIEN Membrane Electrode Electrode Electrolyte + - Electrolyte Pump Pump Anode: Kathode: A K x y Power source/load x z A z - z e K e e - e y z W. Kangro, Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie, German Patent , 1949 W. Kangro, H. Pieper, Zur Frage der Speicherung von elektrischer Energie in Flüssigkeiten, Electrochimica Acta Vol. 7, , 1962 A. Nourai, Large-Scale Electricity Storage Tenchnologies for Energy Management, IEEE, 2002

7 GESCHICHTE DER REDOX-FLOW-BATTERIEN

8 GESCHICHTE DER REDOX-FLOW-BATTERIEN

9 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN Type Energy Density of Electrolyte [Wh/L] Current Density [ma/cm²] Power Density [mw/cm² electrode] Cell Voltage [V] (25 C, 1 mol/l electrolyte conc.) V / V % Fe / Cr % S x / Br ~ % Zn / Br 2 80 >100 ~ % V / Br % Np / Np U / U 1.00 Zn / Ce Pb / Pb 75 ~ V / O C / Li Ionic Liquids Organic Liquids < (V) 5 10 % H 2 / Br % H 2 / Cl 2 H 2 / Fe V / Fe % EE

10 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN Redox Flow Batteries Inorganic Organic / Ionic Liquid Gaseous / Hybride Liquid Solid / Hybride Liquid Suspension Solid / Hybride Air / O 2 Other Fe/Cr Fe/Ti Fe/Cl 2 Sn/Cl 2 V/V V/Br V/BrCl S x /Br Fe/V V/Mn V/Ce Np/Np U/U Cr-EDTA Zn/Br Zn/Cl Pb/Pb Zn/Ce Zn/V Zn/Ni Zn/PANI Na/EMICl-Fe Ru(bpy) 3 (BF4) 2 V(acac) x Cr(acac) x Ru(acac) 3 Methanol/Fe Quinone LiCoO 2 /C LiFePO 4 Li/Fe Li/S x V/Glyoxal(O 2 ) V/cystine(O 2 ) V/O 2 H/Br H/Cl

11 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN GENERELLE EIGENSCHAFTEN - Leistung und Energie können separat skaliert werden - Energieträgerflüssigkeit hat wesentlich niedrigere Kosten als der Energiewandler (2 5 k /kw, /kwh) - RFBs sind ab P:E Verhältnissen von 1:10h wirtschaftlich interessant - Schnelle Zugriffszeiten (ms) - Für die Umkehrung von Laden/Entladen kehrt sich nur die Stromrichtung um - Wirkungsgrade zwischen % - Stark System- und Leistungsdichteabhängig - Hohe Zyklenzahl (>10.000) - Zyklenzahl ist bei RFBs generell nicht unbedingt aussagekräftig -> Standzeit - Standzeit theoretisch sehr hoch (> 5 10 Jahre), aber derzeit nicht demonstriert - Stark Systemabhängig - Hohe Verfügbarkeit - Wartung im Betrieb theoretisch denkbar - Messung der Kapazität im Betrieb möglich - Referenzzelle, Redoxpotentiale, Spektroskopisch - Keine Selbstentladung - Im Standbybetrieb bei Stillstand der Pumpen

12 MÖGLICHE EINSATZBEREICHE FÜR REDOX-FLOW- BATTERIEN Peak price vs off-peak in New York in Stromhandel - Frequenzstabilisierung - Insellösungen - Mobilfunk - Verkehr - Wohngebiete - Eigenverbrauch von PV - Industrie - Pufferung energieintensiver Vorgänge - Unterbrechungsfreie Stromversorgungen Allen Avid, Brown Chris, Hickey John, Le Vinh, Safuto Robert. A New York ISO white paper; Performance of a PV plant with Energy Storage System Styczynski ZA, Lombardi P, Seethapathy R et al., GIGRE/IEEE PES joint symp; p

13 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN EISEN / CHROM - Eisen- und Chromsalze in Salzsäure - Zellspannung 1,1 V - Entwickelt von NASA in 1970ern - Erniedrigung des Crossover von Ionen gemischte Elektrolyte - Langsame Cr 2+ /Cr 3+ Reaktion, deshalb Temperaturen um 65 C erforderlich Vorteile - Niedrige Kosten der Materialien - Sehr einfache Reaktionen Nachteile - Katalysatoren/Inhibitoren für Anode erforderlich - Niedrige Energie- und Leistungsdichte - H 2 Entstehung an der Anode - Energieverluste durch Heizung Enervault

14 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN ZINK / BROM - Zink- und Bromsalze in Salzsäure - Hybridsystem Zink scheidet sich an Anode ab - Gemischte Elektrolyte - Gasförmiges Brom wird durch organische Phase in Lösung gehalten - Vorrangig in Australien verbreitet Woodhead Publishing Limited, Cambridge, UK Vorteile - Niedrige Kosten der Materialien - Hohe Energiedichte Nachteile - Gefahren durch Brom bei Undichtigkeiten (Toxisch) - Hybridsystem Keine separate Skalierung Leistung/Energie - Zyklenfestigkeit? -> Dendritenbildung Zink redflow

15 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN VANADIUM / VANADIUM - Vanadiumsalze in Schwefelsäure (Salzsäure) er von UNSW Australien entwickelt - Gemischte Elektrolyte - Elektrolytausgleich durch Vermischen - Sorgfältiges Temperaturmanagment notwendig - VO 2 + in übersättigter Lösung Vorteile - Relativ einfacher Aufbau - Nichttoxische Substanzen - Hohe Wirkungsgrade Nachteile - Temperaturfenster von 5-40C - Niedrige Energie- und Leistungsdichte - Korrosion der Kathode, H 2 -Entstehung an Anode Prudent Energy Aaron et al 2012

16 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN POLYSULFID / BROMID - Natriumpolysulfid und bromid in Natronlauge - Entwickelt in den 1980ern, 1990ern - Zellspannung 1,5 V - Membran NAFION - Demonstrationsprojekt 15 MW/120MWh eingestellt Vorteile - Sehr niedrige Kosten für Energiespeichermedium - Hohe Energiedichte Nachteile - Sorgfältiger Elektrolytausgleich notwendig - Nebenreaktionen, H 2 S und Br 2 Entstehung (Toxisch, Korrosion, Dichtheit) - Bildung von Schwefel an Elektrode und Membran Regenesys Regenesys

17 1. VERGLEICH VERSCHIEDENER TECHNOLOGIEN WEITERE Walsh et al 2011 Rui et al 2012 Fraunhofer ICT 2012 Livshits et al 2006 Brushett et al 2012 Wang et al 2012

18 2. STAND DER ENTWICKLUNGEN EINER 2 MW / 20 MWH VRFB Entwicklung und Aufbau eines getriebelosen Windrades in Kombination mit einer Vanadium- Redox-Flow-Batterie am Fraunhofer ICT - Schwerpunkt des Projektes ist die Anpassung einer WKA an den Betrieb mit einer RFB Nutzung von Synergien / gemeinsamen Komponenten beider Anlagenteile - Entwicklung einer kostengünstigen Produktionstechnologie für den Stackaufbau in Zielgröße ca 35 kw (erste Ausbaustufe 9 kw) - Betriebsführung einer RFB an einem / mehreren WKA, mit Blick auf einen Inselbetrieb (nicht ausschließlich)

19 2. STAND DER ENTWICKLUNGEN EINER 2 MW / 20 MWH VRFB Daten 9 kw Stack - Abmessungen: 540 mm x 1040 mm x 750 mm - Leergewicht: ca. 200 kg - Betriebsgewicht: ca. 350 kg - Anzahl Zellen: 32 - Aktive Fläche: 3500 cm 2 - Stack Spannung: 25,6 V - 51,2 V - Maximaler Strom: 175 A - Durchfluß: etwa 15 L/min

20 2. STAND DER ENTWICKLUNGEN EINER 2 MW / 20 MWH VRFB Geplanter Aufbau aus 8 Modulen zu je 250 kw 1 Modul besteht aus 28 Stacks von je 9 kw Nennleistung - Geplant: 224 Stacks zu je 50 Zellen - Stack gemäß bisherigem ICT-Design: 65 Rahmen + 2 Endplatten (Spritzguss) - integrierte Dichtungen: 455 Dichtungen pro Stack Rahmen Endplatten für die gesamte Anlage Dichtungen insgesamt für eine 2M Anlage nach geplantem Design m 2 Elektrodenfilz für die gesamte Anlage

21 2. STAND DER ENTWICKLUNGEN EINER 2 MW / 20 MWH VRFB

22 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Copyright Architekturbüro Weinbrenner Single Arabzadeh

23 2. STAND DER ENTWICKLUNGEN EINER 2 MW / 20 MWH VRFB Batterieteststand Stackebene Leitwarte Labor Stackmontage

24 2. STAND DER ENTWICKLUNGEN EINER 2 MW / 20 MWH VRFB - Elektrische Anbindung - DC Zwischenkreis WKA - ICT Netz - 6 x 330 kw - 2 x 14 Stacks - 1 x Forschungsmodul - 4 x 7 Stacks parallel 330 kw - Für erste Aufbauphase - Test von Stackdesigns in Ausbaugröße - Untersuchung der elektrischen Anbindung - DC/DC DC/AC

25 2. STAND DER ENTWICKLUNGEN EINER 2 MW / 20 MWH VRFB Genehmigungsverfahren WKA Planung Batteriegebäude Fertigstellung Batteriegebäude Anlagenplanung Entwicklung von Produktionsmethoden Aufbau WKA Stackupscaling 9 kw Alternative Designs BIMSCHg - Verfahren Kooperationspartner aus der Industrie Aufbau Forschungsmodul

26 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Systemintegration/ Betriebsführung Passend zur Anwendung Optimierter Betrieb Hohe Verfügbarkeit Weiter SOC Robust und sicher Geringer Verbrauch Wartungsfreundlich Systemintegration Batteriemanagement Reglungsalgorithmen Auslegung System/Peripherie Systemmodellierung Peripherie / RFB-System Systemkonzept Materialiensynthese Produktionstechnologie Materialscreening Oberflächenmodifizierung Zell/Stackkonzept Modellierung/ Simulation Materialien Hohe Verfügbarkeit Geringe Verluste Kostengünstig Langlebig Geringes Dp Hoher Umsatz Montagetauglich Kleines Totvolumen Produktionstauglich Zelle / Stack

27 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER - Charakterisierung von Bipolarplatten, Membranen, Elektrodenmaterialien, Elektrolyte - Effizienzen (CE, VE, EE) - Langzeitstabilität - Leistungsdichten - Reaktionskinetik - Entwicklung eines Teststandes für Redox-Flow-Batterien mit standardisierten Testzellen - Reproduzier- und vergleichbare Ergebnisse

28 Ziele 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER System zur Entwicklung und Charakterisierung von Stacks Drücke, Durchfluss, Temperaturen, Durchflussverteilung, Alterung Untersuchung der Bedingungen für autonomen Betrieb Softwareentwicklung, Datenkommunikation, Upscaling, Steuerung- und Regelung Relevante Leistungsdaten Speicherprogrammierbare Steuerung Ethercat, Fernüberwachung Batterietestsystem 2 x 5 kw (300 A, 60 V) Automatisierte Abläufe Impedanzspektroskopie (Stack und Einzelzellen)

29 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER - Kostensenkung durch Leistungsdichteerhöhung - Über 50 % mehr Leistungsdichte durch thermische Vorbehandlung der Elektroden

30 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Beschichtete metallische Bipolarplatten Substrate Fe, Ti, Al Erhöhung von Leistungsdichten und Stabilität Verringerung von Kosten Metal doped diamondlike carbon (Me-DLC) Boron doped diamond (BDD)

31 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER - Bipolarplatten mit Polypropylen als Binder - Spritzguss - Druckguss -Füllmaterialien - Verschiedene Graphite - Kohlenstoffnanoröhrchen - Kohlenstofffasern -Glasfasern - Produktionstechnologien - Werkzeugfallender Stack

32 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Simulation des Durchflusses und von Potentialen/Strömen in Zellen und Zellstapeln - Elektrochemisches Batteriemodell in 2D - 3D Modell in Entwicklung - Modell von Streuströmen - Batteriemodell - Evaluation durch InSitu- Messungen - Aufspüren von ungenutzten Bereichen - Optimierung von Materialien, Zelle, Stack und System

33 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER [V] [V] [V] [V] - Poröse Elektrode mit fester Elektrode und flüssigem Elektrolyt - Schnitt durch Elektrodenphase mit Potential (Fläche) und Stromfluss (Pfeile) - Links: Ladevorgang, Rechts: Entladevorgang

34 Potential vs Ag/AgCl [V] 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00-0,25-0, Time [h] InSitu-VIS/NIR Spectroelectrochemistry - Schrittweise Oxidation von V2+ zu V3+, V4+, V5+ - Veränderter Reduktionsvorgang von V5+ zu V4+ - Reaktionsmechanismen für höhere Leistungsdichten und Effizienzen

35 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Segmentierte Zelle zur Messung von lokalen Stromdichten Leiterplatte mit 49 Segmenten Grafische Darstellung von Stromdichten Lokale Impedanzmessungen Aufzeigen verarmter Gebiete Validierung von Simulationen Erhöhung des Wirkungsgrades und der Wirtschaftlichkeit

36 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Organische Redox-Flow-Batterien Erhöhung der Energiedichte Elektrochemische Stabilität >5 V Temperaturfenster -100 bis 300 C Beispiel Acetylacetonate, Leitsalze, Ionische Flüssigkeiten und Mischungen von polaren Lösungsmitteln Theoretische Energiedichten derzeit vergleichbar mit wässrigen Systemen Praktisch jedoch weit entfernt Niedrige Leistungsdichten durch niedrige Leitfähigkeiten Sehr hohe Kosten

37 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Ziele: Entwicklung und Test einer hochverfügbaren USV als Backup für Telekommunikationsanlagen Relevante Leistungsdaten Speicherprogrammierbare Steuerung Ethercat, Fernüberwachung 1 kw Vanadium-Redox-Flow-Batterie 1,5 kw Supercap-Bank (45 s) Zugriffszeit < 3 ms 230 V Netzanschluss Automatisierte Abläufe

38 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Fast recharge through exchange of electrolyte solutions by refueling Stationary regeneration of electrolyte by electrolyte electrolysis Mobile system as hybrid system Vanadium/Oxygen fuel cell as range extender High power battery for peak power Fuel cell power should be ~10 kw for personal transport, energy over 20 kwh Integrated or external electricial recharge by electrolysis Only 1/10 of electrolysis power necessary Electrical recharge over night Fast recharge by day

39 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Anode: Cathode: V V + e O + 4 e + 4 H 2 H O E 0 = V E 0 = +1.2 V DE = 1.46 V Electrochemical regeneration of electrolyte Closed loop of substances

40 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER Vanadium/Luft-Zellen Theoretisch hohe Energiedichte möglich Komplexes, teures, brennstoffzellenähnliches System Derzeit niedrige Wirkungsgrade und Leistungsdichten Materialprobleme, Nebenreaktionen

41 Potential [V] Current [A] Z'' [Ohm*cm²] 3. MÖGLICHKEITEN UND HERAUSFORDERUNGEN FÜR EFFIZIENTE REDOX-FLOW-ENERGIESPEICHER ,4-8 0, , ,2 Cathode Redox Potential Current Charge [Ah] Z' [Ohm*cm²] 2-0,4-0, Time [h] 2 0 Z'' [Ohm*cm²] 4 Z'' Anode [Ohm*cm²] Z'' Nernst Anode [Ohm*cm²] 6 Z'' Cathode [Ohm*cm²] Z'' Nernst Cathode [Ohm*cm²] 8 10 Electrolytic reduction of 150 ml 1.6 M V 3,5+ 2 M H 2 SO 4 i = 7.5 ma/cm²; 14,3 mw/cm² High Efficiency ( %) but poor power density and crossover Anode 0.89 Ohm*cm² Cathode 1.59 Ohm*cm² Cell: 2.36 Ohm*cm² Oxygen evolution reaction only 2 times slower than vanadium reduction

42 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!