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Elektrische Energiespeicher: neuere Entwicklungen aus den Bereichen Medizin- und Fahrzeugtechnik sowie Netzstabilisierung und Lastausgleich Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU- DEHSt- Sachverständiger nach dem TEHG U T I – C O N S U L T (GbR)

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Presentation Transcript
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Elektrische Energiespeicher:

neuere Entwicklungen aus den BereichenMedizin- und Fahrzeugtechnik sowie Netzstabilisierung und Lastausgleich

Dr. rer. nat. Jochem Bogen

Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)

BMU- DEHSt- Sachverständiger nach dem TEHG

U T I – C O N S U L T (GbR)

>www.uti-consult.de<

Am Hirschpark 21

D-53840 Troisdorf

Arbeitskreis Energie (AKE-2005-H)

Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG)

Vortrag am 28. Oktober 2005

Bad Honnef

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1.) Einleitung: Historisches und persönliches

2.) Batterien in der „Medizin“

3.) „Consumer“ – Batterien

4.) „Professional“ – Batterien

5.) „Fahrzeug-Antrieb“- Batterien (Hybrid- / Elektro- Antriebe)

6.) Elektrische Batteriespeicherwerke für

- Elektrizitätsnetz-Stabilisierung

- Elektrizitäts-Lastausgleich

7.) Konkurrierende Technologien für die unterschiedlichen Bereichen

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Ende des 18. Jahrhunderts entdeckte der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827) nach einer Vielzahl von Untersuchungen und Experimenten, dass nicht nur durch Reibungsvorgänge elektrische Energie erzeugt werden kann.

Voltaische Säule (Quelle: www.energiewelten.de)

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Eine elektrische Batterie besteht aus:

Galvanischen Zellen (= Akkumulatorzellen), die auf verschiedene Arten (elektrisch leitend) miteinander verbunden sind zwecks Bereitstellung von elektrischer Energie zu Zeiten und an Orten, wo man sie nicht bedarfsgerecht erzeugen kann.

Reihenschaltung:Parallelschattung:

= (3 x) Zellentrom (Amper)

Primär- Zellen / Batterien = nichtwiederaufladbar

Sekundär- Zellen / Batterien = wiederaufladbar

= (3 x) Zellenspannung (Volt)

Definition: ( elektrische ) Batterie

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Über 200 Jahren sind Wissenschaft und Technik damit beschäftigt, Batterien für die jeweiligen Anwendungsfelder zu optimieren:

Kritische Bereiche waren/sind:

● Elektrochemie (Anorganische-, Organische-, Polymer-Chemie, Keramik)

● Werkstoffe (Metalle, Kunststoffe, Dichtungen, Korrosion, Toxizität)

●Verfügbarkeit der Rohstoffe (speziell Pb)

● Konstruktion (Integrität/Stabilität, Wechsel- und Ladevorrichtungen)

● Sicherheit (Säuren/Laugen, Wärmeentwicklung, Explosionsgefahr)

● Entsorgung (besonders von Primärbatterien, Life-Cycle-Analysen)

● Umgebungsaus-/ein- Wirkungen (toxische Verbindungen, Allergien)

Batterie-Optimierungsgebiete

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Prinzipieller Batterieaufbau - (Quelle: VARTA_5-10-21)

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2 Einbaulage

3 Säuereschichtung (Stratifikation)

(Quelle: iQPower-Vortrag Dr.Bauer, Elektroniksysteme im Automobil EUROFORUM München 2005-01)

Pb-Starterbatterie: Temperaturabhängigkeit

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Intelligente Batterietechnik (Quelle: www.iqpower.com )

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IQ-Power-MagiQ-100 (Quelle: www.IQPower.com)

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Medizin / Medizintechnik:

Künstliche Muskulatur ? V / ? Ah

(Elektrostimulation von Kunststoffen)

Herzschrittmacher („On-Demand“) LiJ: 2,8 V /2,3 Ah

Implantierbare CardioverterDefibrillatoren (ICD´s) LiAgV-H: 3,2 V / 1,0 Ah

Tiefenhirn-Stimulation Li-Ion:

Neuro- Stimulation AgV-Oxid: ? / 6,4 Ah

HörgerätePrimär- Zn-Luft: 1,4 V / 90 mAh(VARTA: Type HA10, Gewicht: 0,31 g)

Batterie-Anwendungen „Medizin“

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„Consumer“- Batterien:

● Household NiMH; NiCd; (z.B. Handmixer, Zahnbürsten, Uhren) Ag-Oxid (Primär)

● Audio (portable) (z.B. Walkman®) NiCd; Li-Ion (Primär)

● Video / Playstations (PSP) Li-Ion; NiCd (Primär)

● Cameras / Camcorders Li-Ion(3,0 V); NiH(1,2 V, 2,5 Ah) (Sekundär)

● Mobile- Phones NiCd; Li-Ion (3,7 V / 700 mAh) ( Sekundär)

●Elektro- “Shocker“ NiCd (Sekundär)

● ComputersLi-Ion (14,8 V; 6,6 Ah, Sekundär)(z. B.Notebooks)

Batterie-Anwendungen: „Consumer“

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„Professional“- Batterien:

●Lamps / Lights / Signals Pb; Pb-Gel; NiCd(Primär; Sekundär)

● Security- Equipment Pb-Gel; NiCd (Sekundär) (alarm-sensors)

● Safeguard- Equipment NiCd; NiMH (Sekundär) (door-locks)

● Power-Tools NiCd; NiMH (Sekundär) (drilling, grinding)

● AdjustmentPb; Pb-Gel; NiCd (Sekundär)(fork-lift)

● Electric-Traction Pb; Pb-Gel; NiCd (Sekundär) (trolley)

●Hybrid-Drives Pb; NiCd; NiMH, Zn-Oxid (Sekundär)

Batterie-Anwendungen: „Professional“

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Das Kreislaufwirtschaft und Abfallgesetz(KrW-AbfG) stuft – verbrauchte - Batterien als „Abfall“ ein (Anhang-1, Gruppe: Q-6 (= Nichtverwertbare Element)).

Näheres regelt die Batterieverordnung (BattV), die zum Ziel hat, den Eintrag von Schadstoffen in Abfälle durch Batterien zu verringern, indem:

- bestimmte, schadstoffhaltige Batterien nicht in den Verkehr gebracht werden dürfen,

- gebrauchte Batterien zurückgenommen und

- entsprechend den den Vorschriften des KrW-AbfG ordnungsgemäß und schadlos verwertet

oder - nicht verwertbare Batterien gemeinwohlverträglich

beseitigt werden. –

Aufgrund der Revision der EU-Richtlinie für Batterien am 20.12.2004, gelten ab Dezember 2006 folgende neuen EU-Vorgaben:

(siehe gesonderte Tabelle)

Batterieverordnung (BattV) - Rücknahmepflicht

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Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12)

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Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12)

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TOYOTA-HYBRID-SYNERY-DRIVE

Converter:201 /500

(Elektromotor-1: 500 V)

Electronically Controlled Variabel Transmission(ECVT)

NiMh Spannung:(201.,6V )

(Elektromotor-2: 500 V)

(Leistung: 56 kW)

Quelle: www.toyota.com

TOYOTA - Hybridantrieb (Prinzip)

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Verbrennungsmotor: 6-Zylinder (Benzin) / Leistung (gesamt) : 200 kW (= 272 PS)

Kombinierter Verbrauch: 8,1 l / 100 km

Garantie für Batterie: 8 Jahre (oder 100.000 km)

Quelle: www.lexus.de

LEXUS (NiMH – Hochleistungsbatterie)

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Frage: Hat die deutsche Automobil-Industrie die Entwicklung der Hybrid-Technologie „verschlafen“ ?

Antwort-1:Das scheint nur so. Zunächst hat man in Deutschland auf die Optimierung der Verbrennungsmotoren-Technologie („Direkteinspritzung“) und auf die Optimierung der Fahrzeugtechnologie (neue Konstruktionsprinzipien, neue Werkstoffe) gesetzt. – Das Ergebnis waren optimierte Fahrzeuge (u. a. Diesel- PKW) mit um 20 bis 50 % verringerten Treibstoffverbrauch gegenüber vor etwa 10 Jahren.

Antwort-2: Die Entwicklung der Hybrid-Antriebstechnologie wurde in Deutschland besonders im Nutzfahrzeugbau (Busse, Lieferfahrzeuge) vorangetrieben. Hier ist u. a. „mehr Platz“ zum Einbau der für den Elektroantrieb zusätzlich erforderlichen Komponenten (u. a.: der Batterie). Ebenso wirkt sich das hohe Drehmoment von Elektromotoren bei niedriger Umdrehung besonders günstig aus.

In „D“: Hybrid-Antrieb „verschlafen“ ?

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DaimlerChrysler:

1.) Mercedes-Benz „Hybrid-Sprinter 311 CDI“: Emissionsfrei unterwegs

Das Fahrzeug erreicht mit dem zusätzlich auf der Antriebswelle eingebauten Elektromotor von 70 kW Leistung und einer NiMH- Batterie (14 kWh, Zusatzmasse: 350 kg) im rein-elektrischen Fahrzyklus eine Reichweite von 30 km. Alternativ könnte eine Li-Ionen Batterie (14 kWh, Zusatzmasse 160 kg) eingesetzt werden, die aber etwa doppelt so teuer ist. – Die Batterie kann über den Dieselmotor über das elektrische Netz (in ca. 6 Stunden) oder über den Dieselmotor aufgeladen werden.

In einer zweiten Version wird das Fahrzeug mit einem 30 kW Elektromotor, einer Batterie von 3 kWh und einer Reichweite im elektrischen Fahrbetrieb von 3 km, ohne die Möglichkeit zur Netzaufladung angeboten. (Q-1)

2.) Die DaimlerChrsler-Tochter „ORION“ erhielt einen weitern Großauftrag der Stadt New York City zur Lieferung in 2006 von 500 Stadtbussen mit Hybridantrieb (Typ ORION-VII). Ab Auslieferung werden damit in New York City 825 Busse im eingesetzt werden mit umweltfreundlichem Diesel-Elektroantrieb, bei denen die Bremsenergie wieder in Antriebsenergie umgewnadelt wird. – (Q-2)

Quelle: (Q-1) Daimlerchrysler.com / Q-2: VDI nachrichten Nr 42, 21.10.2005, p.24)

DaimlerChrysler: Hybrid-Nutzfahrzeuge

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Bayern: MAN-Hybridfahrzeug im Linienbus-Einsatz:

Ein von MAN in Augsburg entwickelter Bus mit Hochleistungskondensatoren („Ultracaps“) wird bei den Verkehrsbetrieben in Nürnberg (VAG) im Linieneinsatz erprobt. – Dabei wird die Bremsenergie als elektrische Energie in den eingebauten Superkondensatoren gespeichert und beim Anfahren/Beschleunigen über zusätzliche Elektromotore (mit hohem Drehmoment bei niedriger Umdrehungszahl) als Antriebsenergie genutzt. Die Entwicklung wurde vom Bayerischen Wirtschaftsministerium mit 260 Tausend Euro finanziell unterstützt. (Q-1)

Bosch: Bei Hybrid-Antrieben breit aufgestellt

Die von BOSCH angebotenen Hybridsysteme lassen sich in drei Funktionsklassen einteilen: ● „Hicro-Hybrids“(mit Start/Stop-System)● „Mild-Hybrids“ (mit „Booster“-Effect)● „Strong-Hybrids“ (zum Fahren mit Elektroantrieb über kurze Strecken). – (Q-2)

(Quelle: (Q-1): VDI nachrichten Nr.42, 21.10.2005, p. 24) / (Q-2): www.bosch.com)

Hybrid-Entwicklungen in Deutschland

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Quelle: Swanbarton - Antony Price

Batteriespeicherwerke „Warum“

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Quelle: BINE-Projekt-Info 11/03: “Kinetische Speicherung von Elektrizität“

Elektrizitätsnetz-Störungen (Statistische Auswertung UNIPEDE)

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NiCd - Batteriespeicherwerk –Alaska(Quelle: SAFT.com / Swanbarton))

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NGK-NAS-Zelle und Modul (Quelle: Swanbarton.com - Mr. Antony Price)

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TEPCO-Ohito-Substation (Quelle: Swanbarton.com – Antony Price)

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Quelle: Swanbarton - Antony Price

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Speicherbatterie- Leistungsvergleich (Status 2005-10)

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Übersicht Installierte Systeme

Quelle: ABB-CH - N. Umbricht_ETG-Tagung-2004-03-24 Batterieenergiespeicheranlage Alaska

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Installierte Batterie-Speicherwerke

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● „Medizin“ Isotopen-Generator Organ-Transplantationen

● „Consumer“ - Batterien (Mini-) Brennstoffzellen

● „Professional“ – Batterien „Profi“- Brennstoffzellen

● „Fahrzeug“– Batterien H2-Motoren - Hybrid-/ Elektro-Antrieb Brennstoffzellen + Hybrid

● Batteriespeicherwerke - Netzstabilisierung SMESH- Speicher (2 MJ, 2000 A), (Superconducting- Magnetic- Energy- Storage)SUPER- CAP´s (Super-Capasitors)Schwungrad-Speicher (Erot= ½ x J x ω2 ) (11 kWh / 2MW/ 20 msec – 20 sec.)- Lastausgleich H2/O2- Brenner ; Pumpspeicher-/ Druckluftspeicher-Kraftwerke

Alternative Technologien zur Batterie- Energiespeicherung

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Mein Dank :

- giltIhnen, den Zuhörern, für das Interesse und die Aufmerksamkeit beim Vortrag,sowie folgenden Organisationen/Personen, die mich durch Informationen und/oder Bilder für diesen Vortrag unterstützt haben:

- ASEA BROWN BOVERI Schweiz AG, CH-ABB-ATPF, Herr Niklaus Umbrich,

- ENBW Energie Baden-Württemberg AG, 76131 Karlsruhe, -- Prof. Dr. Ing. Hartkopf, Vorstand und Herrn Heyder (>B.Heyder@enbw.com<)

- DaimlerChrysler/Mercedes Benz, PKW-Verkauf,RKG-Siegburg, Herr Blind - - DaimlerChrysler/Mercedes Benz, D-68229 Mannheim, Harl-Heinz Keller,

- Medtronic GmbH, Düsseldorf, Frau Dipl. Ing. Claudia Schumann,

- Swanbarton Ltd., Wiltshire, U.K., Mr. Antony Price (>price@swanbarton.com<),

- NGK Insulators Ltd., Nagoya, Japan (via: Swanbarton)

- SAFT Batteries (via: ABB-CH and: >www.saftbatteries.com<)

- VARTA Deutschland Online ( >www.varta.de<)

- iq-Power Deutschland ( >www.iqpower.com<)

- SONY USA ( >www.sony.com<)

- LEXUS INFO-Service, 40551 Düsseldorf (>www.lexus.com<)

- TOYOTYA Deutschland GmbH, 50420 Köln, (>www.toyota.com<)

- Robert Bosch GmbH, D-70049 Stuttgart, (>www.bosch-presse.de<)

- VWEW Energieverlag GmbH, (via: >kk@vwew.de<)

Acknowledgement

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