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, 85748 Garching 2 Technische Universität München, Physik-Department E19 James-Franck-Str. 1, 85748 Garching

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

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

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

EEX - Spotmarkt Euro / MWh Stunde

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

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

Pumpspeicher-Kraftwerk Deutschland 2009: 30 Kraftwerke 7000 MW 40000 MWh z. Vgl: 24000 MW Windkraft Neue Standorte ?

Druckluft-Speicher (CAES) z. Vgl: Gasturbine 0,8 kWh 1,6 kWh 1,0 kWh 70 bar 290 MW / 600 MWh / 300.000 m3 Mit Rekuperator: 54 %

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

Alkalische Elektrolyse

PEM Elektrolyse

Hochtemperatur Elektrolyse Elektrolyt: YSZ

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

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

Wärmespeicher

Wärmespeicher 60 % NaNO3 40 % KNO3 300 - 400 °C Thermoöl 400 °C / 15 bar Wasser/Dampf 400 °C / 100 bar Luft 1000 °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 300 - 400 °C Problem: Erstarrung bei 220 °C

Zusammenfassung

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

2. Direkte Stromspeicherung €/kWh Zyklen h 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 10 Cent/kWh

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)