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-53840 Troisdorf Arbeitskreis Energie (AKE-2005-H) Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) Vortrag am 28. Oktober 2005 Bad Honnef  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  Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Voltaische Säule (Quelle: www.energiewelten.de) Ende des 18. Jahrhunderts entdeckte der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827) nach einer Vielzahl von Untersuchungen und Experimenten, dass nicht nur durch Reibungsvorgänge elektrische Energie erzeugt werden kann. Die Batterie 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.    Voltaische Säule (Quelle: www.energiewelten.de) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

= (3 x) Zellentrom (Amper) Definition: ( elektrische ) Batterie 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: = (3 x) Zellentrom (Amper) Primär- Zellen / Batterien = nichtwiederaufladbar Sekundär- Zellen / Batterien = wiederaufladbar = (3 x) Zellenspannung (Volt)  Definition: ( elektrische ) Batterie 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)  Batterie-Optimierungsgebiete Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Prinzipieller Batterieaufbau - (Quelle: VARTA_5-10-21)  Prinzipieller Batterieaufbau - (Quelle: VARTA_5-10-21) 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 2005-01)  Pb-Starterbatterie: Temperaturabhängigkeit Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Intelligente Batterietechnik (Quelle: www.iqpower.com )  Intelligente Batterietechnik (Quelle: www.iqpower.com ) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

IQ-Power-MagiQ-100 (Quelle: www.IQPower.com)  IQ-Power-MagiQ-100 (Quelle: www.IQPower.com) 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- Stimulation AgV-Oxid: ? / 6,4 Ah Hörgeräte Primär- Zn-Luft: 1,4 V / 90 mAh (VARTA: Type HA10, Gewicht: 0,31 g)  Batterie-Anwendungen „Medizin“ 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)  Batterie-Anwendungen: „Consumer“ 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)  Batterie-Anwendungen: „Professional“ 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 20.12.2004 , gelten ab Dezember 2006 folgende neuen EU-Vorgaben: (siehe gesonderte Tabelle)  Batterieverordnung (BattV) - Rücknahmepflicht Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12) 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  Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12) 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  Batterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

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

LEXUS (NiMH – Hochleistungsbatterie) Verbrennungsmotor: 6-Zylinder (Benzin) / Leistung (gesamt) : 200 kW (= 272 PS) Kombinierter Verbrauch: 8,1 l / 100 km Garantie für Batterie: 8 Jahre (oder 100.000 km) Quelle: www.lexus.de  LEXUS (NiMH – Hochleistungsbatterie) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

In „D“: Hybrid-Antrieb „verschlafen“ ? 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“ ? Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

DaimlerChrysler: Hybrid-Nutzfahrzeuge 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, 21.10.2005, p.24)  DaimlerChrysler: Hybrid-Nutzfahrzeuge Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

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, 21.10.2005, p. 24) / (Q-2): www.bosch.com)  Hybrid-Entwicklungen in Deutschland Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Batteriespeicherwerke „Warum“ Quelle: Swanbarton - Antony Price  Batteriespeicherwerke „Warum“ Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Elektrizitätsnetz-Störungen (Statistische Auswertung UNIPEDE) Quelle: BINE-Projekt-Info 11/03: “Kinetische Speicherung von Elektrizität“  Elektrizitätsnetz-Störungen (Statistische Auswertung UNIPEDE) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

NiCd - Batteriespeicherwerk –Alaska (Quelle: SAFT.com / Swanbarton))  NiCd - Batteriespeicherwerk –Alaska (Quelle: SAFT.com / Swanbarton)) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

NGK-NAS-Zelle und Modul (Quelle: Swanbarton.com - Mr. Antony Price)  NGK-NAS-Zelle und Modul (Quelle: Swanbarton.com - Mr. Antony Price) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

TEPCO-Ohito-Substation (Quelle: Swanbarton.com – Antony Price)  TEPCO-Ohito-Substation (Quelle: Swanbarton.com – Antony Price) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Speicherbatterie- Leistungsvergleich (Status 2005-10) Quelle: Swanbarton - Antony Price  Speicherbatterie- Leistungsvergleich (Status 2005-10) Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Übersicht Installierte Systeme Installierte Batterie-Speicherwerke Quelle: ABB-CH - N. Umbricht _ETG-Tagung-2004-03-24 Batterieenergiespeicheranlage Alaska  Installierte Batterie-Speicherwerke 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 H2-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 (Erot= ½ x J x ω2 ) (11 kWh / 2MW/ 20 msec – 20 sec.) - Lastausgleich H2/O2- Brenner ; Pumpspeicher-/ Druckluftspeicher-Kraftwerke  Alternative Technologien zur Batterie- Energiespeicherung Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Acknowledgement 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, 76131 Karlsruhe, -- Prof. Dr. Ing. Hartkopf, Vorstand und Herrn Heyder (>B.Heyder@enbw.com<) - DaimlerChrysler/Mercedes Benz, PKW-Verkauf,RKG-Siegburg, Herr Blind - - DaimlerChrysler/Mercedes Benz, D-68229 Mannheim, Harl-Heinz Keller, - Medtronic GmbH, Düsseldorf, Frau Dipl. Ing. Claudia Schumann, - Swanbarton Ltd., Wiltshire, U.K., Mr. Antony Price (>price@swanbarton.com<), - 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, 40551 Düsseldorf (>www.lexus.com<) - TOYOTYA Deutschland GmbH, 50420 Köln, (>www.toyota.com<) - Robert Bosch GmbH, D-70049 Stuttgart, (>www.bosch-presse.de<) - VWEW Energieverlag GmbH, (via: >kk@vwew.de<)  Acknowledgement Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG