REDOX-FLOW-BATTERIEN FÜR NETZE MIT FLUKTUIERENDEN ERNEUERBAREN ENERGIEQUELLEN

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

2 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

3 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 % Sx / 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

4 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 Sx/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

5 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:W 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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)

12 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

13 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

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

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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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)

21 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

22 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

23 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

24 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

25 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

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!