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Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Elektrische Energiespeicher: neuere Entwicklungen.

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1 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG 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) >www.uti-consult.de< Am Hirschpark 21 D Troisdorf Arbeitskreis Energie (AKE-2005-H) Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) Vortrag am 28. Oktober 2005 Bad Honnef

2 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG 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

3 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Voltaische Säule (Quelle: Die Batterie Ende des 18. Jahrhunderts entdeckte der italienische Physiker Alessandro Volta ( ) nach einer Vielzahl von Untersuchungen und Experimenten, dass nicht nur durch Reibungsvorgänge elektrische Energie erzeugt werden kann. Am 20. März 1800 beschrieb er in einem Brief an die Londoner Royal Society seine neueste und zugleich bedeutendste Erfindung: die "voltaische Säule", eine Batterie aus wechselweise übereinander geschichteten Kupfer- und Zinkplatten, die durch säuregetränkte Tuchfetzen voneinander getrennt waren. Es war die erste brauchbare Elektrizitätsquelle, die einen stetig fließenden Strom abgab, ein kleines Elektrizitätswerk. Siebzig Jahre nach seinem Tod wurde Volta mit der wohl höchsten Auszeichnung geehrt, die es für einen Physiker geben kann: Sein Name wurde in den Rang einer physikalischen Maßeinheit erhoben.

4 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG 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: Definition: ( elektrische ) Batterie = (3 x) Zellenspannung (Volt) = (3 x) Zellentrom (Amper) Primär- Zellen / Batterien = nichtwiederaufladbar Sekundär- Zellen / Batterien = wiederaufladbar

5 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batterie-Optimierungsgebiete 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)

6 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Prinzipieller Batterieaufbau - (Quelle: VARTA_ )

7 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Pb-Starterbatterie: Temperaturabhängigkeit 2 Einbaulage 3 Säuereschichtung (Stratifikation) (Quelle: iQPower-Vortrag Dr.Bauer, Elektroniksysteme im Automobil EUROFORUM München )

8 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Intelligente Batterietechnik (Quelle: )

9 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG IQ-Power-MagiQ-100 (Quelle:

10 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batterie-Anwendungen Medizin Medizin / Medizintechnik: Künstliche Muskulatur? V / ? Ah (Elektrostimulation von Kunststoffen) Herzschrittmacher (On-Demand)LiJ: 2,8 V /2,3 Ah Implantierbare Cardioverter Defibrillatoren (ICD´s)LiAgV-H: 3,2 V / 1,0 Ah Tiefenhirn-Stimulation Li-Ion: Neuro- StimulationAgV-Oxid: ? / 6,4 Ah HörgerätePrimär- Zn-Luft: 1,4 V / 90 mAh (VARTA: Type HA10, Gewicht: 0,31 g)

11 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batterie-Anwendungen: Consumer 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 ) Computers Li-Ion (14,8 V; 6,6 Ah, Sekundär ) (z. B. Notebooks)

12 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batterie-Anwendungen: Professional 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) Adjustment Pb; Pb-Gel; NiCd (Sekundär) (fork-lift) Electric-Traction Pb; Pb-Gel; NiCd (Sekundär) (trolley) Hybrid-Drives Pb; NiCd; NiMH, Zn-Oxid (Sekundär)

13 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batterieverordnung (BattV) - Rücknahmepflicht 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 , gelten ab Dezember 2006 folgende neuen EU-Vorgaben: (siehe gesonderte Tabelle)

14 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab ) Batteriesystem Blei-Autobatterien Blei-Industriebatterien NiCd- Industriebatterien Zn-Kohle-Batterien (>40ppm Pb) Alkali-Mangan-Batterien (>40ppmPb) Zn-Luft-Knopfzellen (>40ppm Pb) Ag-Oxid, Alkaline- Knopfzellen (>40ppm Pb) NiCd- Gerätebatterien Anwendung (erlaubt laut Ausnahmeliste) Starter und Bordnetzbatterie Antriebsbatterien für emissionsfreie Gabelstapler, Rollstühle, Telekommunikation Energieerzeugung /-verteilung, Notstrombatterien (Krankenhäuser/Kinos/Theater) Klein-Blei-Industriebatterien (Medizingeräte, Alarmsysteme, Gartengeräte) Notstrombatterien für Bereiche mit hohen Sicherheitsanforderungen, Flugzeuge, Bahn, Notbeleuchtung Nichtmehr zugelassene Verwendung Uhren, Taschenlampen, Spielzeug tragbare Audiogeräte, Halogenlampen Hörgeräte, Personenrufgeräte Uhren, Fotoapparate, Taschenrechner Elektrowerkzeuge, Zahnbürsten. Rasierer

15 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab ) Batteriesystem Nickel-Metall-Hydrid (NiMH) Lithium –Ionen (Primär-) Batterien Lithium- Ionen- (Sekundär-) Batterien Anwendung (erlaubt laut Ausnahmeliste) zugelassene Verwendung Handys, Telefone, Camcorder, Rasierer, Zahnbürsten Fotoapparate, elektronische Datenspeicher Handys, Camcorder, Notebooks, Organizer, Medizintechnik, Digital- Cameras

16 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG (Leistung: 56 kW) NiMh Spannung:(201.,6V ) (Elektromotor-2: 500 V) (Elektromotor-1: 500 V) Electronically Controlled Variabel Transmission (ECVT) Converter: 201 /500 TOYOTA-HYBRID-SYNERY-DRIVE Quelle: TOYOTA - Hybridantrieb (Prinzip)

17 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Quelle: Verbrennungsmotor: 6-Zylinder (Benzin) / Leistung (gesamt) : 200 kW (= 272 PS) Kombinierter Verbrauch: 8,1 l / 100 km Garantie für Batterie: 8 Jahre (oder km) LEXUS (NiMH – Hochleistungsbatterie)

18 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG 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 ?

19 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG 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, , p.24) DaimlerChrysler: Hybrid-Nutzfahrzeuge

20 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Hybrid-Entwicklungen in Deutschland 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, , p. 24) / (Q-2):

21 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Batteriespeicherwerke Warum Quelle: Swanbarton - Antony Price

22 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Quelle: BINE-Projekt-Info 11/03: Kinetische Speicherung von Elektrizität Elektrizitätsnetz-Störungen (Statistische Auswertung UNIPEDE)

23 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG NiCd - Batteriespeicherwerk –Alaska (Quelle: SAFT.com / Swanbarton))

24 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG NGK-NAS-Zelle und Modul ( Quelle: Swanbarton.com - Mr. Antony Price)

25 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG TEPCO-Ohito-Substation (Quelle: Swanbarton.com – Antony Price)

26 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Speicherbatterie- Leistungsvergleich (Status ) Quelle: Swanbarton - Antony Price

27 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Ü bersicht Installierte Systeme Installierte Batterie-Speicherwerke Quelle: ABB-CH - N. Umbricht _ETG-Tagung Batterieenergiespeicheranlage Alaska

28 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Alternative Technologien zur Batterie- Energiespeicherung Medizin Isotopen-Generator Organ-Transplantationen Consumer - Batterien (Mini-) Brennstoffzellen Professional – Batterien Profi- Brennstoffzellen Fahrzeug– Batterien H 2 -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 (E rot = ½ x J x ω 2 ) (11 kWh / 2MW/ 20 msec – 20 sec.) - Lastausgleich H 2 /O 2 - Brenner ; Pumpspeicher-/ Druckluftspeicher-Kraftwerke

29 Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Mein Dank : - gilt Ihnen, 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, Karlsruhe, -- Prof. Dr. Ing. Hartkopf, Vorstand und Herrn Heyder - DaimlerChrysler/Mercedes Benz, PKW-Verkauf,RKG-Siegburg, Herr Blind - - DaimlerChrysler/Mercedes Benz, D Mannheim, Harl-Heinz Keller, - Medtronic GmbH, Düsseldorf, Frau Dipl. Ing. Claudia Schumann, - Swanbarton Ltd., Wiltshire, U.K., Mr. Antony Price - 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, Düsseldorf (>www.lexus.com<) - TOYOTYA Deutschland GmbH, Köln, (>www.toyota.com<) - Robert Bosch GmbH, D Stuttgart, (>www.bosch-presse.de<) - VWEW Energieverlag GmbH, (via: Acknowledgement


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