Moderne und zukünftige elektrische Energiespeicher im Überblick 11. Solartagung Rheinland-Pfalz, Umwelt-Campus Birkenfeld Jonas Keil 09.12.2015
Energiespeichertechnik an der Technischen Universität München Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik (EES) 09.12.2015 2
Elektrische Energiespeicher Energieformen und Energiespeichersysteme mechanische Energie elektrische Energie innere Energie potentielle Energie Pumpspeicher Laufwasser Druckluftspeicher kinetische Energie Schwungrad elektrostatische Energie Doppelschichtkondensator elektromagnetische Energie supraleitende Spulen (SMES) thermische Energie kapazitive Speicher Latentwärmespeicher chemische Energie Batterien (Blei, Lithium-Ionen) Flow- und Gas- Batterien Wasserstoff 09.12.2015 3
Elektrische Energiespeicher Energieformen und Energiespeichersysteme mechanische Energie elektrische Energie innere Energie potentielle Energie Pumpspeicher Laufwasser Druckluftspeicher kinetische Energie Schwungrad elektrostatische Energie Doppelschichtkondensator elektromagnetische Energie supraleitende Spulen (SMES) thermische Energie kapazitive Speicher Latentwärmespeicher chemische Energie Batterien (Blei, Lithium-Ionen) Flow- und Gas- Batterien Wasserstoff 09.12.2015 4
Elektrische Energiespeicher Ragone-Diagramm Quelle: Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg, Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Wirtschaftsförderung Region Stuttgart GmbH (WRS): Strukturstudie BWe mobil Baden-Württemberg auf dem Weg in die Elektromobilität 09.12.2015 5
Elektrostatische Energiespeicher Funktionsweise Elektrostatische Ladungsspeicher in der elektrochemischen Doppelschicht Quelle: Brodd (2013) - Batteries for Sustainability 09.12.2015 6
Elektrostatische Energiespeicher Vor- und Nachteile + hohe Zyklenfestigkeit + hohe spez. Leistung und Leistungsdichte - niedrige spez. Energie und Energiedichte - hohe Kosten pro Speicherkapazität Quelle: Maxwell Technologies, BCAP 3000 Datenblatt 09.12.2015 7
Elektrochemische Energiespeicher Prinzipieller Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers Elektrische Energie Chemische Energie Elektrische Energie elektrochemischer Wandler elektrochemischer Wandler Ladung Akkumulator Entladung Akkumulator Primärbatterie Elektrolyseur Brennstoffzelle Quelle: Jossen, Weydanz (2006) - Moderne Akkumulatoren richtig einsetzen 09.12.2015 8
Blei-Säure-Batterien Aufbau und Funktionsweise Entladevorgang Negative Elektrode Positive Elektrode Pb + H 2 SO 4 PbSO 4 + 2H + + 2e - PbO 2 + H 2 SO 4 + 2H + + 2e - PbSO 4 + 2H 2 O Gesamtreaktion: Pb + PbO 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O Quelle: Akkumulatorenfabrik Moll 09.12.2015 9
Blei-Säure-Batterien Funktionsweise Ladevorgang Negative Elektrode 2e - Pb Ableiter Bleigitter PbSO 4 Auflösung Diffusion Abscheidung Entladene Aktivmasse Pb 2+ + SO 4 2- Geladene Aktivmasse Diffusion Entladene Aktivmasse Auflösung SO 4 2- + Pb 2+ Diffusion 2 H 2 O 4H + +2O 2- Geladene Aktivmasse Positive Elektrode Ableiter Bleigitter Elektrochemische Vorgänge PbSO 4 2e - PbO 2 Chemische Vorgänge Physikalische Vorgänge Elektrische Vorgänge Quelle: Jossen (2015) - Vorlesung Batteriespeicher 09.12.2015 10
Blei-Säure-Batterien Vor- und Nachteile + Produktion hoher Stückzahlen + akzeptable Energie- und Leistungsdichte für stationäre Anwendungen + inhärente Sicherheit durch kontrollierte Überladereaktion + kein komplexes Zellmanagement erforderlich + niedrige Kosten + hohe Recyclingquote - Batterieraumlüftung notwendig - lebensdauerverlängernde Betriebsweise notwendig - begrenzte Zyklenlebensdauer Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene 09.12.2015 11
Blei-Säure-Batterien Technische Entwicklung von Blei-Säure-Batterien im Überblick Heute (2015) bis 2020 2030+ Wirkungsgrad Zelle 80 % - 90 % 85 % - 95 % 85 % - 95 % Energiedichte Zelle 50-100 Wh/l 50-130 Wh/l 50-130 Wh/l Leistungsdichte Zelle 10-500 W/l 10-1.000 W/l 10-1.000 W/l Zyklenlebensdauer 500-2.000 1.500-5.000 1.500-5.000 Kalendarische Lebensdauer 5-15 Jahre 10-20 Jahre 10-20 Jahre Entladetiefe 70 % 80 % 80 % Selbstentladung 0,1-0,4 % pro Tag 0,1-0,4 % pro Tag 0,1-0,4 % pro Tag Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene 09.12.2015 12
Lithium-Ionen-Batterien Funktionsweise Elektrochemische Ladungsspeicherung durch (De)Interkalationsprozesse Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien 09.12.2015 13
Lithium-Ionen-Batterien Bauformen: zylindrische Zellen, prismatische Zellen, Pouch-Zellen und Knopfzellen Quellen: Spectrum, IEEE und VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene 09.12.2015 14
Lithium-Ionen-Batterien Materialvarianten bei Lithium-Ionen-Batterien Abkürzung LCO LNO NCA NMC LMO LFP LTO Name Lithium- Kobaltdioxid Lithium- Nickeldioxid Lithium- Nickel- Kobalt- Aluminiumdioxid Lithium- Nickel- Mangan- Kobaltdioxid Lithium- Mangan- Spinelldioxid Lithium- Eisenphosphat Lithium- Titanat Li(Ni Kathode LiCoO 2 LiNiO 0,85 Co 0,1 Li(Ni 0,33 Mn 0,33 z. B. LMO, 2 LiMn Al 0,05 )O 2 Co 0,33 )O 2 O 4 LiFePO 4 2 NCA Anode Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Li 4 Ti 5 O 12 Zellspannung 3,7-3,9 V 3,6 V 3,65 V 3,8-4,0 V 4,0 V 3,3 V 2,3-2,5 V Energiedichte 150 Wh/kg 150 Wh/kg 130 Wh/kg 170 Wh/kg 120 Wh/kg 130 Wh/kg 85 Wh/kg Energie + o + o + + ++ Sicherheit - o o o + ++ ++ Lebensdauer - o + o o + +++ Kosten -- + o o + + o Quelle: Strukturstudie BW e mobil 2015 - Elektromobilität in Baden-Württemberg 09.12.2015 15
Lithium-Ionen-Batterien Vor- und Nachteile + hohe Energiedichte + hohe Leistungsdichte + lange Lebensdauer - keine inhärente Sicherheit (thermisches Durchgehen) - Batteriemanagement erforderlich - Kühlung notwendig Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene 09.12.2015 16
Lithium-Ionen-Batterien Technische Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien im Überblick Heute (2015) bis 2020 2030+ Wirkungsgrad Zelle 95 % - 99 % 95 % - 99 % 95 % - 99 % Energiedichte Zelle 200-400 Wh/l 800-1.000 Wh/l 1.000-1.500 Wh/l Leistungsdichte Zelle 100-3.500 W/l 100-5.000 W/l 100-5.000 W/l Zyklenlebensdauer 1.000-5.000 3.000-10.000 3.000-10.000 Kalendarische Lebensdauer 5-20 Jahre 10-30 Jahre 10-30 Jahre Entladetiefe 90-100 % Selbstentladung 5 % pro Monat 2 % pro Monat 1 % pro Monat Quelle: VDE-Studie (2015) - Batteriespeicher in der Nieder- und Mittelspannungsebene 09.12.2015 17
Lithium-Ionen-Batterien Zukünftige Entwicklungen Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien 09.12.2015 18
Lithium-Ionen-Batterien Zukünftige Entwicklungen Stand der Technik pos. Material Stand der Technik neg. Material Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien 09.12.2015 19
Lithium-Ionen-Batterien Zukünftige Entwicklungen Hochvoltkathodenmaterialien hochkapazitive Anodenmaterialien Quelle: Korthauer (2013) - Handbuch Lithium-Ionen-Batterien 09.12.2015 20
Elektrische Energiespeicher und Erneuerbare Energien Energiebezogene Investitionskosten Heute (2015) Heute + 10 Jahre Blei-Säure-Batterien 100-250 /kwh 50-150 /kwh Lithium-Ionen-Batterien 300-800 /kwh 150-400 /kwh Natrium-Nickelchlorid-Batterien 350-800 /kwh 250-400 /kwh Natrium-Schwefel-Batterien 400-600 /kwh 150-250 /kwh Nickel-Cadmium- / Nickel- Metallhydridbatterien 700-900 /kwh 500-700 /kwh Redox-Flow-Batterien 300-500 /kwh 150-250 /kwh Quelle: RTWH Aachen, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA), www.speichermonitoring.de 09.12.2015 21
Elektrische Energiespeicher und Erneuerbare Energien Netzgekoppelte Batteriespeichersysteme mit Photovoltaikanlage Quelle: RTWH Aachen, Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA), www.speichermonitoring.de 09.12.2015 22
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. (Univ.) Jonas Keil Technische Universität München Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik Tel: +49-89-289-26960 E-Mail: jonas.keil@tum.de Besucheradresse: Karlstr. 45, 80333 München Homepage: http://www.ees.ei.tum.de