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Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien. Physics E19 Interfaces and Energy Conversion. Elektrische Energiespeicher. Ulrich Stimming 1,2 , Matthias Rzepka 1 1 ZAE Bayern, Abteilung 1 Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching

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elektrische energiespeicher

Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.

Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien

Physics E19

Interfaces and

Energy Conversion

Elektrische Energiespeicher

Ulrich Stimming1,2, Matthias Rzepka1

1 ZAE Bayern, Abteilung 1Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching

2 Technische Universität München, Physik-Department E19

James-Franck-Str. 1, 85748 Garching

slide2

E-mobility

Netz-Management

Portable Geräte

Portable Geräte

EnergetischeAspekte

Komfort

Elektrische Energiespeicher

slide3

Erneuerbare Energien - Stromeinspeisung

Anteil EE am Stromverbrauch in Deutschland

17 GW

slide4

Windkraft-Speicherung

17 GW

17 GW * 24 h = 400 GWh

slide5

EEX - Spotmarkt

Euro / MWh

Stunde

slide6

Übersicht

Elektrische Energiespeicher

Mechanische Speicher

Schwungrad

Hydraulische Speicher

Pumpspeicher Druckluftspeicher

Elektrische Speicher Supraleitende Spulen

Doppelschicht-Kondensatoren

Elektrochemische Speicher Batterien (Blei, Metall-Luft, Lithium-Ionen, Natrium-Hochtemperatur) Redox-Flow-Zellen Brennstoffzellen

Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke

Sensible Wärme Latente Wärme

slide7

Reibung

Vakuumpumpe, Magnet

Motor/Generator

Schwungrad - Speicher

W = ½ * J * w2

+ Tiefentladung+ T-unabhängig+ SOC-Messung

1000 kWh / 100 MW

10 kWh / 1 MW

slide8

Pumpspeicher-Kraftwerk

Deutschland 2009:

30 Kraftwerke7000 MW

40000 MWh

z. Vgl: 24000 MW Windkraft

Neue Standorte ?

slide9

1,6 kWh

0,8 kWh

1,0 kWh

Druckluft-Speicher (CAES)

z. Vgl: Gasturbine

70 bar

290 MW / 600 MWh / 300.000 m3

Mit Rekuperator: 54 %

slide10

Advanced Adiabatic Druckluft-Speicher(AA-CAES)

Ohne zusätzlichen Brennstoff !!

Entwicklungspotential: Wärmespeicher und –übertrager(s. Kapitel „Wärmespeicher“)

slide11

Tc

Kühlung

Verluste

I critical

Kosten

high

high

low

NbTi

9,3 K

He

La/Ba/Bi-Oxid

~ 100 K

N2

low

low

high

Supraleiter (SMES)

W = ½ * L * I2

T < Tc

 Kühlung (Verluste)

Hauptvorteil:Kurze Ansprechzeiten (<< ms)

1 kWh / 1 MW

slide12

Doppelschichtkondensatoren (Supercaps)

C = e A / dA > 3000 m2/g d < 1 nm

W = ½ * C * U2

Helmholtz-Schicht

Entwicklungspotential:Nicht-wässrige Elektrolyten  URedox-Reaktionen (Ultracaps)  e

slide13

Elektrochemische Speicher

Primärzellen, (“Batterien”, geschlossenes System, nicht wieder aufladbar)

Sekundärzellen (“Akkumulatoren”, geschlossenes System, elektrisch wieder aufladbar)

Brennstoffzellen (Offenes System, kein reversibler Betrieb)

Redox-Flow-Batterien (Offenes System, reversibler Betrieb möglich)

slide14

Elektrochemische Speicher - Wirkungsgrad

Laden

Spannungswirkungsgrad =

U(out) / U (in)

Entladen

Faraday-Wirkungsgrad = Q(out) / Q (in)

slide16

1 - 2 Gew.%

Ni-Metallhydrid

U = 1,32 V

Wässrige Kalilauge -> T > 0 °C

empfindlich auf Überladung / Tiefentladung

Keine großen Sicherheitsprobleme

slide17

Metall-Luft

U = 1,65 V

150 kWh

Alternativen zu Zink:

Aluminium

Lithium

slide18

Lithium-Ionen

NichtwässrigerElektrolyt

U = 3,7 V (Mn)

slide19

Natrium-Hochtemperatur

Elektrolyt: b-AluminiumoxidLeitfähig für Na+ ab ca. 300 °C

U = 2,06 V

ThermischeVerluste

Variante: ZEBRA (NiCl statt Schwefel)

slide20

Redox - Flow

Vorteile:

Unabhängige Skalierung von Leistung und Energie

Kurze Ansprechzeiten

hoher Wirkungsgrad

Überlade/Tiefentladungs-Toleranz

Lange Lebensdauer

U = 1,3 V

slide24

PEM Brennstoffzelle

Katalysator:

~ 0,1 mg/cm2 Platin

~ 1 W/cm2

slide25

Gesamtsystem Wasserstoff

Wasserstoff-speicher

50 %

75 %

Gesamtwirkungsgrad 37 %

slide27

Wärmespeicher

Thermoöl 400 °C / 15 bar

Wasser/Dampf 400 °C / 100 bar

Luft 1000 °C / 1 bar

Salzschmelze

Betonspeicher

Sandspeicher

PCM-Speicher

Speicherung in Schmelzenthalpie, z.B.

NaNO3 (306°C) KNO3 (334°C)

Probleme:

Wärmeleitung

DLR

60 % NaNO3

40 % KNO3

Probleme:

Wasserdampfdurchlässigkeit

thermische Ausdehnung

„Quasifluider“ Wärmeträger

Komplizierter Systemaufbau

300 - 400 °C

Problem:

Erstarrung bei 220 °C

slide29

1. Thermische Speicher in solarthermischen Kraftwerken

Technik verfügbar Billigere Materialien in der Entwicklung Unbedingt notwendig zum Tag/Nacht-Ausgleich

slide30

2. Direkte Stromspeicherung

€/kWh Zyklen h Verlust

Pumpspeicher 50 unb. 80 % 0 StandorteCAES 400 unb. 50 % 0AA-CAES 800 unb. 70 % 0 noch nicht verfügbarBlei-Säure 200 2000 85 % 0,1 %/dLi-Ionen 1000 2000 90 % 0,2 %/dNaS 300 3000 85 % 10 %/dRedox-Flow 500 unb. 75 % 0

10 Cent/kWh

slide31

3. Alternativen zur direkten Stromspeicherung

Regelbare Gaskraftwerke (Stand der Technik)

Lastmanagement, d.h. zeitliche Verschiebung von

elektrischen Verbrauchern (Industrie, Haushalt)

Beispiel Geschirrspüler: 20 Mill. * 1 kWh = 20 GWh

Wärmebereitstellung / Kältebereitstellung

Beispiel Wärmepumpe: 20 Mill. * 20 kWh = 400 GWh

Netzverbund (Europaweit, MENA, weltweit)