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ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Elektrische Energiespeicher Ulrich Stimming 1,2, Matthias Rzepka 1 1 ZAE Bayern, Abteilung.

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1 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Elektrische Energiespeicher Ulrich Stimming 1,2, Matthias Rzepka 1 1 ZAE Bayern, Abteilung 1 Walther-Meißner-Str. 6, Garching 2 Technische Universität München, Physik-Department E19 James-Franck-Str. 1, Garching Physics E19 Interfaces and Energy Conversion Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien

2 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Elektrische Energiespeicher Portable Geräte E-mobility Netz-Management Portable Geräte Komfort Energetische Aspekte

3 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Erneuerbare Energien - Stromeinspeisung Anteil EE am Stromverbrauch in Deutschland 17 GW

4 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Windkraft-Speicherung 17 GW 17 GW * 24 h = 400 GWh

5 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef EEX - Spotmarkt Stunde Euro / MWh

6 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef 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 Übersicht

7 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef W = ½ * J * 2 Schwungrad - Speicher 1000 kWh / 100 MW 10 kWh / 1 MW + Tiefentladung + T-unabhängig + SOC-Messung Reibung Motor/Generator Vakuumpumpe, Magnet

8 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Pumpspeicher-Kraftwerk Deutschland 2009: 30 Kraftwerke 7000 MW MWh Neue Standorte ? z. Vgl: MW Windkraft

9 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Druckluft-Speicher (CAES) z. Vgl: Gasturbine 290 MW / 600 MWh / m 3 70 bar 0,8 kWh 1,6 kWh 1,0 kWh Mit Rekuperator: 54 %

10 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Advanced Adiabatic Druckluft-Speicher (AA-CAES) Ohne zusätzlichen Brennstoff !! Entwicklungspotential: Wärmespeicher und –übertrager (s. Kapitel Wärmespeicher)

11 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Supraleiter (SMES) T < T c Kühlung (Verluste) W = ½ * L * I 2 NbTi La/Ba/Bi-Oxid TcTc 9,3 K ~ 100 K Kühlung He N2N2 Verluste high low I critical low high Kosten low high Hauptvorteil: Kurze Ansprechzeiten (<< ms) 1 kWh / 1 MW

12 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) W = ½ * C * U 2 C = A / d A > 3000 m 2 /gd < 1 nm Entwicklungspotential: Nicht-wässrige Elektrolyten U Redox-Reaktionen (Ultracaps) Helmholtz-Schicht

13 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef 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)

14 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Elektrochemische Speicher - Wirkungsgrad Laden Entladen Spannungswirkungsgrad = U(out) / U (in) Faraday-Wirkungsgrad = Q(out) / Q (in)

15 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Blei-Säure U = 2,04 V Wasserstoff- / Sauerstoffentwicklung

16 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Ni-Metallhydrid U = 1,32 V Gew.% Wässrige Kalilauge -> T > 0 °C empfindlich auf Überladung / Tiefentladung Keine großen Sicherheitsprobleme

17 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Metall-Luft U = 1,65 V Alternativen zu Zink: Aluminium Lithium 150 kWh

18 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Lithium-Ionen U = 3,7 V (Mn) Nichtwässriger Elektrolyt

19 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Natrium-Hochtemperatur U = 2,06 V Elektrolyt: b-Aluminiumoxid Leitfähig für Na + ab ca. 300 °C Variante: ZEBRA (NiCl statt Schwefel) Thermische Verluste

20 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Redox - Flow U = 1,3 V Vorteile: Unabhängige Skalierung von Leistung und Energie Kurze Ansprechzeiten hoher Wirkungsgrad Überlade/Tiefentladungs-Toleranz Lange Lebensdauer

21 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Alkalische Elektrolyse

22 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef PEM Elektrolyse

23 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Hochtemperatur Elektrolyse Elektrolyt: YSZ

24 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef PEM Brennstoffzelle Katalysator: ~ 0,1 mg/cm2 Platin ~ 1 W/cm2

25 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Gesamtsystem Wasserstoff Wasserstoff- speicher 75 % 50 % Gesamtwirkungsgrad 37 %

26 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Wärmespeicher

27 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Wärmespeicher Thermoöl 400 °C / 15 bar Wasser/Dampf 400 °C / 100 bar Luft 1000 °C / 1 bar SalzschmelzeBetonspeicherSandspeicherPCM-Speicher 60 % NaNO 3 40 % KNO °C Problem: Erstarrung bei 220 °C DLR Probleme: Wasserdampfdurchlässigkeit thermische Ausdehnung Quasifluider Wärmeträger Komplizierter Systemaufbau Speicherung in Schmelzenthalpie, z.B. NaNO 3 (306°C) KNO 3 (334°C) Probleme: Wärmeleitung

28 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Zusammenfassung

29 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef 1. Thermische Speicher in solarthermischen Kraftwerken Technik verfügbar Billigere Materialien in der Entwicklung Unbedingt notwendig zum Tag/Nacht-Ausgleich

30 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef /kWh Zyklen Verlust Pumpspeicher 50 unb. 80 % 0 Standorte CAES 400 unb. 50 % 0 AA-CAES 800 unb. 70 % 0 noch nicht verfügbar Blei-Säure % 0,1 %/d Li-Ionen % 0,2 %/d NaS % 10 %/d Redox-Flow 500 unb. 75 % 0 2. Direkte Stromspeicherung 10 Cent/kWh

31 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, Oktober 2009, Bad Honnef Regelbare Gaskraftwerke (Stand der Technik) 3. Alternativen zur direkten Stromspeicherung 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)


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