Ferienakademie - Sarntal 2008 Thema: Akkumulator als Energiespeicher für Elektroautos Autor: Maximilian Löffler
Übersicht 1. Warum Elektroauto? 2. Akku-Technologien 3. Alternativen zum Akkumulator 4. Vergleich der Energiespeicher 5. Heutige und zukünftige Elektroautos 6. Auto als Teil des Stromnetzes
1. Warum Elektroauto? Endlichkeit des Erdöls Klimaveränderung individuelle motorisierte Mobilität zu fast 100% von Öl abhängig bedroht die Lebensgrundlage vieler Menschen Feinstaubbelastung bedroht Gesundheit der Menschen in großen Städten Abb. 1.1
1.1 Vorteile Mobilität mit regenerativen Energien keine Abhängigkeit vom Öl mehr reduzierter Schadstoffausstoß Zero-Emission-Car bei Energie aus regenerativen Quellen gute CO2-Bilanz auch bei Energiemix (Kohle, Wind, Solar, Atom) 14% erneuerbare Energien in Deutschland daraus resultieren Steuervorteile Pläne der EU für CO2-Strafabgaben Abb. 1.1.1
1.1 Vorteile höhere Energieeffizienz Wirkungsgrad von ~90% beim Elektromotor dagegen ~30% beim Verbrennungsmotor Abb.1.1.2: Vergleich der Antriebsarten (Honda CNG mit Erdgasmotor, Honda FCX mit Brennstoffzelle)
1.2 Probleme und Lösungswege Kernproblem Energiespeicherung begrenzte Reichweite Benzin ca. 12 kwh/kg = 400x Akku lange Ladezeiten und kurze Lebensdauer Prototypen mit maximal 300km Reichweite Angst vor liegen bleiben mit leerer Batterie neue Akku-Technologien niedrige Energiedichten im Vergleich zu flüssigem Brennstoff Steigerung der Energiedichte absehbar Laden von 90% der Kapazität in 5-10 min 10 Jahre Lebenserwartung möglich neues Hybrid-Konzept Reichweite für Stadtfahrten vollkommen ausreichend Verbrennungsmotor als Notstromgenerator (für längere Strecken)
1.3 Anforderungen an Akku geringe Herstellungskosten sonst keine Marktreife für Elektroautos hohe Energiedichte Schnellladefähigkeit, Anfahren, Bremsen hoher Wirkungsgrad größere Reichweite bei vertretbarem Gewicht hohe Leistungsdichte Akku momentan teuerste Komponente gute Energieeffizienz, wenig Ladeverluste Lange Lebensdauer viele Ladezyklen ohne großen Kapazitätsverlust
1.3 Erläuterung zu Fahrverhalten mehr Menschen leben in Städten als in ländlichen Regionen durchschnittl. Autofahrt ist 15km weit 60% der Wege sind nur knapp 5km US-Bürger fährt ~40 Meilen pro Tag Deutscher fährt ~40 Kilometer pro Tag 15kWh Akku reicht aus ca. 90km Reichweite mit einer Ladung
2. Akku-Technologien Akkumulator = galvanisches Sekundärelement wandelt Energie um Vorgänge umkehrbar im Gegensatz zum Primärelement Bezeichnung Sekundärelement Wärmeverlust bei Umwandlung wiederaufladbar muss erst geladen werden Laden: elektrische in chemische Energie Entladen: chem. in elektr. Energie Wirkungsgrad Selbstentladung
2. zur Erhöhung der Spannung in Reihe geschaltet Abb. 2.1: Li-Ionen-Akku mit 11 in Reihe geschalteten Zellen
2.1 Bleiakku
2.1 Bleiakku Daten: Kosten ~25 /Wh Wirkungsgrad ~75% Energiedichte ~30 Wh/kg Nennspannung 2V (Zelle) Abb. 2.1.1: Blei-Gel-Akku des AC Propulsion tzero
2.2 NiCd-Akku Aufbau: Daten: neg. Cadmium-Elektrode, pos. Nickel-Elektrode, Kaliumhydroxid-Lösung als Elektrolyt Elektrolyt bleibt beim Laden/ Entladen unverändert Kosten ~50 /Wh Energiedichte ~40 Wh/kg hochstromfähig, kältebeständig Nennspannung 1,2V Memory-Effekt EU-weites Verbot seit 2006 (RoHS) Abb. 2.2.1: NiCd-Akku der PSA Peugeot Citroën Aufladen erst bei fast leerer Batterie möglich Umweltschädliches Schwermetall Cadmium
2.3 NiMH-Akku Aufbau: neg. Metallhyrdid-Anode, pos. NickelhydroxidKathode, KaliumhydroxidLösung als Elektrolyt Daten: Abb. 2.3.1: Geöffnete NiMH-Akkuzelle Kosten ~60 /Wh Energiedichte ~80 Wh/kg Nennspannung 1,2V weniger hochstromfähig als NiCd Memory-Effekt Die Lochfolie (links) dient als Träger für das Metallhydrid-Pulver, welches die negative Elektrode bildet. Der Separator (Mitte) nimmt den Elektrolyten auf und verhindert den unmittelbaren Kontakt zur positiven Elektrode. Diese besteht aus einem Blech aus schwarzem NickeloxidHydrat (rechts)
2.4 Li-Ionen-Akku
2.4 Laden: Einlagerung (Interkalation) von Li*-Ionen in Graphitebenen Entladen: Anode (-) LixCn => n C + x Li+ + x ekathode (+) Li1-xMn2O4 + x Li+ + x e- => LiMn2O4 Abb. 2.4.1
2.4 Geschichte: Trend zur Miniaturisierung (Handy, Notebook) hohe Energiedichten erforderlich => Li-Ionen-Akkus 1991 erste kommerzieller Li-Ionen-Akku von Sony Daten: Kosten ~100 /Wh Energiedichte ~120 Wh/kg Nennspannung 3,62V Wirkungsgrad bis 90% wartungsfrei kein Memory-Effekt
2.4 Problem: Batteriemanagement erforderlich reagieren empfindlich auf falsche Behandlung (z.b. Überladen) Brand- und Explosionsgefahr Abb. 2.4.2: Explosion eines Li-Ionen-Akkus Abb. 2.4.1
2.4 ganze Klasse verschiedener Akku-Zellen an allen Komponenten wird geforscht Elektrodenmaterial (Metalloxide) Separator-Membran Elektrolyt (z.b. auch Lithium-Polymer) "Lithium Ionen Batterie LIB 2015" Innovationsallianz BASF, BOSCH, EVONIK, LiTec, und VW 360 Mio. Euro sollen investiert werden 60 Mio. Euro vom BMBF
2.4.1 Versch. Li-Ionen-Akkus Lithiumtitanat Lithiumeisenphosphat nanostrukturiert, temperaturfest, niedrige Energiedichte, in 1min. zu 80% geladen, 15.000 Ladezyklen bei 85% Kapazität teuer nanostrukturiert, temperaturfest, niedrige Energiedichte Lithiumkobaltoxid Brand- und Explosionsgefahr durch Überladen Kobaltoxid entsteht, nicht zu stoppende Reaktion setzt ein, Temperaturen von 500 C führen zu Explosion teuer Lithiumnickelkobalt ähnlich LiCoO2
2.4.1 Beispiel Lithiumkobaltoxid: hohe Energiedichten werden durch relative geringe Leistungsdichte erkauft Abb. 2.4.1.1: Vergleich der Li-Ionen-Akku-Typen
2.4.1 Beispieldaten Lithiumtitanat (A123) Kapazität für Reichweite bis 400km Betriebstemperatur von -50 C bis +75 C bei noch ca. 90 % Kapazität keine Kühlung der Ladung notwendig keine Brand- oder Explosionsgefahr Lebensdauer über 20 Jahre Aufladezeit ~10min. mit spezieller Ladestation Abb. 2.4.1.2: Akkuzelle der Firma A123
3. Alternativen zum Akkumulator Nachteile des Akkumulators niedrige Leistungsdichte, Ladeverluste und Memory-Effekt Alternative Kondensator Laden benötigt Zeit, Gewicht und Baugröße begrenzen Kapazität, eingeschränkte Reichweite Alternative Brennstoffzelle
3.1 Kondensator Energiespeicherung durch Polarisation von Dielektrikum idealer Energiespeicher für el. Energie dem Akku in fast allen Kennwerten weit überlegen außer bei Energiedichte Wirkungsgrad, max. Lade- und Entladestrom,... herkömml. Elektrolytkondensator ~0,014 Wh/kg ständig geringe Selbstentladung lineare Entladung erfordert andere Fahrtregler
3.1
3.2 Doppelschicht-Kondensator Elektrochemische Kondensatoren el. Energie wird durch Ladungsverschiebung an Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt gespeichert kombinieren hohe Energiedichte von Akkus mit hoher Leistungsdichte von Kondensatoren deutlich gesteigerte Energiedichte Energiedichte ~5,6 Wh/kg Daten große Elektroden poröse Oxidoberfläche (verpresste Kohlenstoffpartikel) Dissoziation von Ionen in einem flüssigen Elektrolyt bilden ein Dielektrikum von wenigen Atomlagen wartungsfrei können große Ströme beim Bremsen aufnehmen
3.2 Aufbau Ionen lagern sich an der Elektrodenoberfläche an und laden diese auf speicherbare Energie abhängig von Oberfläche der C-Elektrode Größe der Ionen Höhe der Zersetzungsspannung Helmholtz-Effekt: Stromfluss bei Überschreiten der Zersetzungsspannung, andernfalls geladene Elektroden wie beim Kondensator (kein Strom) Abb. 3.2.1: Querschnitt eines Doppelschicht-Kondensators
3.3 Brennstoffzelle Aufbau: galvanische Zelle mit kontinuierlich zugeführtem Brennstoff (Wandler) verschiedene Typen Daten: geringes Leistungsgewicht im Verbund Brennstoffzelle/ Tank höhere Energiedichte als Akku schnelles Auftanken Kalte Verbrennung keine Begrenzung durch Carnot-Wirkungsgrad Abb. 3.3.1: Energiewandlung ohne Umweg mit Brennstoffzelle geringer Anteil chem. Energie wird in Wärme umgewandelt
3.3 Getrennte Wege Elektronen durch Verbraucher Ionen (H+) durch Elektrolyt Reaktionen: Anode: H2 => 2 H+ + 2 ekathode: ½ O2 + 2 H+ + 2 e- => H2O Abb. 3.3.2: Schematische Darstellung der Funktion einer Brennstoffzelle
4. Vergleich der Energiespeicher batterieelektrische Fahrzeuge 3x effizienter als mit Brennstoffzelle betriebene Wirkungsgradvergleich Brennstoffzelle (H): gesamt ~28% NiMH-Akku: gesamt ~47% Brennstoffzelle (PEM) 40% Elektrolyse 70% Netzdurchleitung 92% Ladegerätes 85% NiMH-Akku 60% Li-Ionen-Akku: gesamt ~74% siehe oben Li-Ionen-Akku 90%
4.1 Energiedichtenvergleich Abb. 4.1.1: Energie- und Leistungsdichtenvergleich, doppelt logarithmisch
4.1 Energiedichte [Wh/kg] Energieträger Bleiakkumulator 30 Nickel-Cadmium-Akku 40-60 Nickel-Metallhydrid-Akku 60-80 Lithium-Ionen-Akku 120-140 Lithium-Titanat-Akku 80 Lithium-Polymer-Akku 140 Elektrolytkondensator 0,01 Doppelschichtkondensator 5,6 Wasserstoff (inkl. Hydridtank) ~330 Wasserstoff (ohne Tank) Dieselkraftstoff Benzin Ethanol 33300 11900 11300 7400 Besonderheit billig EU-weit verboten rel. billig, hat sich bewährt noch rel. teuer schnellladefähig schwache Leitfähigkeit von Polymer Oxidator ist Luft und bleibt bei der Bezugsmasse unberücksichtigt (*) * * * *
4.2 Auswahl geeigneter Typ Lithium-Ionen-Technik ist zukunftsweisend keine größeren Sicherheitsbedenken (z.b. bei Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus) langfristig für die Herstellung von Lithium-Akkus kein Mangel des natürlichen Rohstoffs keine Explosionsgefahr bei Beschädigung des Akkus bei nur 40g/kWh (LiFePO4) können aus der Hälfte der bekannten Lithium-Vorkommen 10 Mrd. Fahrzeitbatterien mit 90km Reichweite hergestellt werden derzeitiger Entwicklungsstand, Beispiel Akku von A123 Systems Akku ist in 15min aufladbar bei ca. 7000 Ladezyklen für eine Fahrt von 100km benötigt man einen 16kWh-Akku mit 150kg Masse und 75l Volumen
5. Heutige und zukünftige Elektroautos Prognosen (F. Dudenhöffer, CAR Gelsenkirchen) ab 2010: Autos mit Verbrennungsmotor werden verdrängt ab 2025: keine Neuwagen mehr ohne Hybridisierung große Automobilhersteller planen E-Autos für 2010 meist in Kooperationen mit Batterieherstellern Daimler Tesla Motors, Saft A-Klasse VW Sanyo SpaceUp General Motors A123 Chevrolet Volt Toyota Panasonic (joint venture) Abb. 5.1
5.1 Tesla Roadster reines Elektrofahrzeug Kleinserienprod. seit 2008 Basispreis $109,000 100 km/h in etwa 4 s Fahrwerk/Karosserie von Lotus großer Energiespeicher 6831 handelsübliche LiIonen-Zellen für Laptops 53 kwh, Gewicht 450 kg 3,5 h Ladezeit, noch 80% der ursprüngl. Kapazität nach 161.000 km Sicherheitssystem Abb. 5.1.1: Batterie-Pack des Tesla-Roadsters Reichweite bis zu 350 km passive Kurzschlusssicherung (2 pro Zelle) Microprozessorgesteuerte Überwachung
5.1 Abb. 5.1.1
5.1 Tesla Motors plant Solarfeld Anbringung auf der Garage oder am Carport Laden des Autos mit Photovoltaik-Strom genügend Energie für 80km Fahrt pro Tag ohne Strom aus dem Netz
5.2 Chevrolet Volt Plug-in Hybrid Elektromotor wird von Akku gespeist und treibt Fahrzeug an Verbrennungsmotor dient als Generator wenn die Akkukapazität nicht ausreicht um die nächste Ladestation zu erreichen Reichweite rein elektrisch 60km mit Verbrennungsmotor 1000km verwendet vorteilhaften Lithium-Eisen-Phosphat Akku Lieferbar ab 2010 in den USA ähnliches Modell für den europäischen Markt geplant
5.2 Abb. 5.2.1
6. Auto als Teil des Stromnetzes riesiges Energiespeicherpotential bei Verbreitung von Elektroautos in der gesamten Bevölkerung derzeit ca. 50 Mio. angemeldete KFZ ergeben mit jeweils 20 kwh Akkukapazität einen theoretischen Energiespeicher von 50*106 * 20*103 Wh = 1 TWh täglicher durchschnittlicher Energiebedarf liegt bei 1,8 TWh ½ Mio. E-Autos mit 16kWh-Akkus (z.b. in München oder Köln) entspricht der Kapazität des größten Pumpspeicher-Kraftwerks in Deutschland
6.1 Speicher für regen. Energien ermöglicht weiteren Ausbau der regenerativen Energien Energiespeicher puffern Diskrepanz zwischen Stromangebot und -nachfrage (z.b. bei Windkraft, Photovoltaik) günstiges Zusammenspiel von PhotovoltaikStromerzeugung und Fahrverhalten wenn die Sonne am höchsten steht und der meiste Strom eingespeist wird, stehen die meisten Autos auf dem Parkplatz Verkehrsspitzen sind abends und morgens Erzeugungsspitzen von PV-Anlagen können gespeichert werden
6.2 Geschäftsmodelle Vehicle to Grid attraktive Tarife bei Stromverbrauch und -einspeisung schaffen Anreiz für die Besitzer ihr Auto als Energiespeicher zur Verfügung zu stellen günstige Stromkosten wenn Überangebot an Energieerzeugung => Akku wird geladen guter Einspeisungstarif wenn erhöhte Last im Netz => Akku gibt Energie ab Abb. 6.2.1
6.2 Infrastruktur vorhanden Steuerung der Akkus durch moderne Kommunikation ist lösbar Abb. 6.2.2: Elektrizitäts- und Kommunikationsfluss in einer V2G-Infrastruktur
6.2 Akku mit Tankvertrag Stromerzeuger bezahlen hohen Anschaffungspreis der Akkus starke Kostensenkung von Elektroautos, da Akku teuerstes Bauteil Stromerzeuger als Eigentümer der Akkus können diese auch entladen, wenn sie am Netz hängen Project Better Place Erprobung in Dänemark und Israel Konzept beinhaltet Elektroauto Akku-Technologie Akkutauschstationen Ladestationen erneuerbare Energien Abb. 6.2.3: Renault-Nissan Kooperation beim PBP
Fazit/Thesen Es ist Konsens unter Vertretern der Autokonzerne und der meist mittelständischen Elektrofahrzeughersteller weltweit, dass die Einführung reiner Elektrofahrzeuge auf breiter Fläche bevorsteht Begründung: (Studie der AkaSol e.v. Darmstadt) technische Voraussetzungen weitgehend erfüllt Versorgung unproblematisch E-Mobile haben klare Vorteile bei Klimaschutz und Abgasnormen ab 2010 Serienproduktion von E-Autos Brennstoffzellenfahrzeuge spielen bis dahin keine Rolle
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Quellen: http://de.wikipedia.org/wiki/elektroauto 15.09.08 "Energiewandlung I" - Jürgen H. Werner, Institut für Physikalische Elektronik Studie Plug-in Hybrids - Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie http://de.wikipedia.org/wiki/doppelschicht-kondensator 15.09.08 http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?ia=de2001000135&display=desc 20.09.08 http://www.hondaoldies.de/korbmacher-archiv/technik/ucap.htm 20.09.08 The Tesla Roadster Battery System - Tesla Motors - August 16, 2006 http://de.wikipedia.org/wiki/tesla_roadster 20.09.08 http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/1003171.htm 20.09.08 http://www.batteryuniversity.com/partone-german.htm 20.09.08 Technology Review 05.08 http://www.ibcsolar.de/fileadmin/content/home/downloads/deutsch/downloads_seiten/vom_landwirt_zum_en ergiewirt_version_2007.pdf 20.09.08 http://commons.wikimedia.org/wiki/hauptseite 21.09.08 http://www.gm-volt.com/wp-content/uploads/2008/03/a123cel.jpg http://www.magicconsortium.org/vehicle-to-grid_diagram.html http://www.triplepundit.com/tesla-roadster.jpg http://www.welt.de/multimedia/archive/00435/vw_space_up blue_d_435238g.jpg