Elektrische Energiespeicher

Präsentation zum Thema: "Elektrische Energiespeicher"—  Präsentation transkript:

1 Elektrische Energiespeicher
Physics E19 Interfaces and Energy Conversion Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Elektrische Energiespeicher Ulrich Stimming1,2, Matthias Rzepka1 1 ZAE Bayern, Abteilung 1 Walther-Meißner-Str. 6, Garching 2 Technische Universität München, Physik-Department E19 James-Franck-Str. 1, Garching

2 Elektrische Energiespeicher
Netz-Management E-mobility Komfort Energetische Aspekte Portable Geräte Portable Geräte

3 Erneuerbare Energien - Stromeinspeisung
Anteil EE am Stromverbrauch in Deutschland 17 GW

4 Windkraft-Speicherung
17 GW 17 GW * 24 h = 400 GWh

5 EEX - Spotmarkt Euro / MWh Stunde

6 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

7 Schwungrad - Speicher W = ½ * J * w2
+ Tiefentladung + T-unabhängig + SOC-Messung 1000 kWh / 100 MW Reibung 10 kWh / 1 MW Vakuumpumpe, Magnet Motor/Generator

8 Pumpspeicher-Kraftwerk
Deutschland 2009: 30 Kraftwerke 7000 MW 40000 MWh z. Vgl: MW Windkraft Neue Standorte ?

9 Druckluft-Speicher (CAES)
z. Vgl: Gasturbine 0,8 kWh 1,6 kWh 1,0 kWh 70 bar 290 MW / 600 MWh / m3 Mit Rekuperator: 54 %

10 Advanced Adiabatic Druckluft-Speicher (AA-CAES)
Ohne zusätzlichen Brennstoff !! Entwicklungspotential: Wärmespeicher und –übertrager (s. Kapitel „Wärmespeicher“)

11 Supraleiter (SMES) W = ½ * L * I2 T < Tc  Kühlung (Verluste)
Hauptvorteil: Kurze Ansprechzeiten (<< ms) 1 kWh / 1 MW NbTi La/Ba/Bi-Oxid Tc 9,3 K ~ 100 K Kühlung He N2 Verluste high low I critical Kosten

12 Doppelschichtkondensatoren (Supercaps)
C = e A / d A > 3000 m2/g d < 1 nm W = ½ * C * U2 Helmholtz-Schicht Entwicklungspotential: Nicht-wässrige Elektrolyten  U Redox-Reaktionen (Ultracaps)  e

13 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 Elektrochemische Speicher - Wirkungsgrad
Spannungswirkungsgrad = U(out) / U (in) Laden Entladen Faraday-Wirkungsgrad = Q(out) / Q (in)

15 Blei-Säure U = 2,04 V Wasserstoff- / Sauerstoffentwicklung

16 U = 1,32 V Ni-Metallhydrid 1 - 2 Gew.%
Wässrige Kalilauge -> T > 0 °C empfindlich auf Überladung / Tiefentladung Keine großen Sicherheitsprobleme

17 Metall-Luft U = 1,65 V 150 kWh Alternativen zu Zink: Aluminium Lithium

18 Lithium-Ionen Nichtwässriger Elektrolyt U = 3,7 V (Mn)

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

20 U = 1,3 V Redox - Flow Vorteile:
Unabhängige Skalierung von Leistung und Energie Kurze Ansprechzeiten hoher Wirkungsgrad Überlade/Tiefentladungs-Toleranz Lange Lebensdauer U = 1,3 V

21 Alkalische Elektrolyse

22 PEM Elektrolyse

23 Hochtemperatur Elektrolyse
Elektrolyt: YSZ

24 PEM Brennstoffzelle Katalysator: ~ 0,1 mg/cm2 Platin ~ 1 W/cm2

25 Gesamtsystem Wasserstoff
Wasserstoff-speicher 50 % 75 % Gesamtwirkungsgrad 37 %

26 Wärmespeicher

27 Wärmespeicher 60 % NaNO3 40 % KNO3 300 - 400 °C
Thermoöl °C / 15 bar Wasser/Dampf 400 °C / 100 bar Luft °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 °C Problem: Erstarrung bei 220 °C

28 Zusammenfassung

29 1. Thermische Speicher in solarthermischen Kraftwerken
Technik verfügbar Billigere Materialien in der Entwicklung Unbedingt notwendig zum Tag/Nacht-Ausgleich

30 2. Direkte Stromspeicherung
€/kWh Zyklen h Verlust Pumpspeicher unb % Standorte CAES unb % AA-CAES unb % noch nicht verfügbar Blei-Säure % 0,1 %/d Li-Ionen % 0,2 %/d NaS % %/d Redox-Flow unb % 10 Cent/kWh

31 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)