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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, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Elektrische Energiespeicher Ulrich Stimming 1,2, Matthias Rzepka 1 1 ZAE Bayern, Abteilung 1 Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching 2 Technische Universität München, Physik-Department E19 James-Franck-Str. 1, 85748 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, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Elektrische Energiespeicher Portable Geräte E-mobility Netz-Management Portable Geräte Komfort Energetische Aspekte

3 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Erneuerbare Energien - Stromeinspeisung Anteil EE am Stromverbrauch in Deutschland 17 GW

4 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Windkraft-Speicherung 17 GW 17 GW * 24 h = 400 GWh

5 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef EEX - Spotmarkt Stunde Euro / MWh

6 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 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, 22-23 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, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Pumpspeicher-Kraftwerk Deutschland 2009: 30 Kraftwerke 7000 MW 40000 MWh Neue Standorte ? z. Vgl: 24000 MW Windkraft

9 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Druckluft-Speicher (CAES) z. Vgl: Gasturbine 290 MW / 600 MWh / 300.000 m 3 70 bar 0,8 kWh 1,6 kWh 1,0 kWh Mit Rekuperator: 54 %

10 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 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, 22-23 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, 22-23 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, 22-23 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, 22-23 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, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Blei-Säure U = 2,04 V Wasserstoff- / Sauerstoffentwicklung

16 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Ni-Metallhydrid U = 1,32 V 1 - 2 Gew.% Wässrige Kalilauge -> T > 0 °C empfindlich auf Überladung / Tiefentladung Keine großen Sicherheitsprobleme

17 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Metall-Luft U = 1,65 V Alternativen zu Zink: Aluminium Lithium 150 kWh

18 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Lithium-Ionen U = 3,7 V (Mn) Nichtwässriger Elektrolyt

19 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 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, 22-23 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, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Alkalische Elektrolyse

22 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef PEM Elektrolyse

23 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Hochtemperatur Elektrolyse Elektrolyt: YSZ

24 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef PEM Brennstoffzelle Katalysator: ~ 0,1 mg/cm2 Platin ~ 1 W/cm2

25 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Gesamtsystem Wasserstoff Wasserstoff- speicher 75 % 50 % Gesamtwirkungsgrad 37 %

26 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Wärmespeicher

27 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 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 3 300 - 400 °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, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef Zusammenfassung

29 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 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, 22-23 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 200 2000 85 % 0,1 %/d Li-Ionen 1000 2000 90 % 0,2 %/d NaS 300 3000 85 % 10 %/d Redox-Flow 500 unb. 75 % 0 2. Direkte Stromspeicherung 10 Cent/kWh

31 ZAE BAYERN AKE Herbsttagung, 22-23 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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