Wiederaufladbare Batterien Motivation für Forschung und Entwicklung Forschungs- und Entwicklungsziele Batterietechnik Batterieentwickung im ISET Zusammenfassung Dr.-Ing. Bernd Willer Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e. V.

Motivation Randbedingungen Streben nach Umwelt- und Ressourcenschonung  Förderung erneuerbarer Energienutzung  Entwicklung alternativer Fahrzeugkonzepte Liberalisierung der Energiemärkte  Beseitigung der Marktzugangsbarrieren Erhöhte elektrische Leistungsanforderungen im Fahrzeugbereich  für Antrieb und Bordnetz Sehr geehrte Prüfungskommission, sehr geehrte Damen und Herren, ich begrüße Sie heute zu meinem Promotionsvortrag mit dem Thema ...

Alternative Motivation Fahrzeugkonzepte (Volkswagen) Elektrofahrzeuge Anteil der Batterie an der Bereitstellung der Gesamtenergie 100 % Hybridfahrzeuge Prius Serienhybrid 30000 PKWs Batteriezuschuß Brennstoffzellenfahrzeuge Konventionelle Antriebe 0 % 0 % 100 % Anteil des Elektromotors an der Bereitstellung der Gesamtenergie

Motivation Zukünftige Netzstrukturen

Motivation Zukünftige Netzstrukturen Fluktuierende Energiequellen Dezentrale Energieversorgung

Motivation zukünftigen Netzstrukturen Speicherbedarf in Motivation zukünftigen Netzstrukturen Windparks haben einen Speicherbedarf im Minutenbereich und Stundenbereich

Motivation zukünftigen Netzstrukturen Speicherbedarf in Motivation zukünftigen Netzstrukturen Mininetze haben einen Speicherbedarf im Stundenbereich und Tagesbereich

Motivation zukünftigen Netzstrukturen Speicherbedarf in Motivation zukünftigen Netzstrukturen Dezentrale Netze haben einen Speicherbedarf im Stundenbereich

Motivation zukünftigen Netzstrukturen Speicherbedarf in Motivation zukünftigen Netzstrukturen Einzelne Lasten haben einen Speicherbedarf im Minuten und Stundenbereich

Motivation zukünftigen Netzstrukturen Speicherbedarf in Motivation zukünftigen Netzstrukturen Leistungs- und Energiebedarf wichtige Anwendungsfelder (INVESTIRE / ASSURE) 100 A1 und A2 Windfarmen A3 Mini Netze A4 Dezentrale Netze A5 Versorgungssicherheit A3 A4 10 A2 A5 Power duration / h 1 A1 0,1 0,1 1 10 Power / kW 100 1000 10000

Allgemeine Forschungs- und Entwicklungsziele für Batteriespeicher Kosten (Speicher und Peripherie) Wirkungsgrad Zyklenfestigkeit Lebensdauer Selbstentladung Spezifische Leistung und spezifische Energie Energie/Leistungsverhältnis d.h. Entladezeit Temperaturbereich Wartungsaufwand Recyclisierbarkeit

Mögliche Speichertechnologie Batterietechnik für die Zukunft Verbesserte Bleibatterie MetalLuft NickelCadmium / NickelMetalhydrid SMES Lithium Schwungradspeicher Redoxbatterien Luftdruckspeicher NatriumNickelchlorid Elektrolyseur-Wasserstoff-Brennstoffzelle Superkondensatoren

Speichereigenschaften Batterietechnik im Vergleich

Batterietechnik Bleibatterien Vorteile  hohe Verfügbarkeit, geringe Kosten, Sicherheit Nachteile  geringe Energie- und Leistungsdichte, aufwendige Betriebsführung, schwierige Ladezustandserfassung FuE Bedarf  Erhöhung der Leistungsfähigkeit, Verbesserung der Lebensdauer

Batterietechnik Lithiumbatterien Vorteile  Hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung Nachteile  Hohe Kosten, geringe Zyklenlebensdauer, aufwendiges elektrisches und thermisches Management FuE Bedarf  Kostenreduzierung, Lebensdauerverlängerung, Batteriemanagement

Batterietechnik Doppelschichtkondensatoren Vorteile  Hohe Zyklenfestigkeit, hohe Leistungsdichte, einfache Ladezustandserfassung Nachteile  hohe Kosten, geringe Energiedichte, hohe Selbstentladung, Einzelzellenstreuung FuE Bedarf  Kostenreduktion, Erhöhung der Energiedichte, gezielter Einzelzellenausgleich

Batterietechnik Forschungs- und Entwicklungsbereich Grundlagenforschung  Elektrodenporosität , P/E - Verhältniss, Elektrolyte, Alterungsprozesse, Fertigungsprozesse Systemaufbau und Energieaufbereitung  Reihenschaltung von Zellen, Symmetrierungen, Wechselrichter und Steller, Hybridspeicher Speicherbetriebsführung  Elektrisches und thermisches Management, Ladezustandserfassung Systemauslegung  Test, Simulationen

Batterietechnik FuE Bereich Batteriemanagement Elektrisches Management  Schutz der Batterie vor extremen elektrischen  Zuständen für Spannung und Strom,  Geregelte Ladung der Batterie,  Schutz der Batterie von Tiefentladungen,  Einzelzellenüberwachung und -ladungsausgleich. Thermisches Management  Temperaturvergleichmäßigung,  Kühlung,  Aufheizung.

Batterietechnik FuE Bereich Batteriemanagement Typ Blei NiMeh Lithium NaNiCl Supercaps Überladeschutz Tiefentladeschutz Einzelzellenüberwachung Elektrisch Ladungsausgleicheinzelner Zellen Kühlung Thermisch Heizung Temperaturvergleichmäßigung Notwendig sinnvoll Nicht erforderlich

Batterieentwicklung im ISET Modularer Batteriespeicher = ~ Verbrenn.- Aggregat SM Transient- Speicher Wind- konverter Gen. Koordi- nation Fernüber- wachung K O M M U N I K A T I O N S - B U S W E C H S E L - / D R E H S T R O M - E N E R G I E B U S Ver- braucher im Inselnetz Verbund- netz- anschluß (optional) PV mit Inverter a x ~ = Batterie- speicher

Batterieentwicklung im ISET Modularer Batteriespeicher

Batterieentwicklung im ISET Batteriewechselrichter (ISET / SMA) 3kW-bidirektional 48V, 96 V 2 Rechner n=92 für Insel und Netz

Batterieentwicklung auf einer Alpenhütte Modulare Systemtechnik 300 Alpenhütten

Batterieentwicklung im ISET Batterieverhalten auf einer Alpenhütte 10

Batterieentwicklung im ISET Energiemanagement eines Doppelspeichers Problemstellung  Hoher Leistungsbedarf und hohe Zyklenfestigkeit (Beispiel Starter/Generator) Lösungsmöglichkeiten  Überdimensionierung des Speichers  Einsatz von Leistungsspeichern  Entwicklung eines geeigneten Speichers  Kombination von zwei Speichern (Beispiel Blei und Supercap)

Batterieentwicklung im ISET Doppelspeicher ( Siemens VDO)

Batterieentwicklung im ISET Doppelspeicher ( Siemens VDO)

Zusammenfassung Sich ändernde Energieversorgungsstrukturen und neue Fahrzeugkonzepte fordern Energiespeicher mit speziellen Speichereigenschaften. Mit heutigen Energiespeichern sind Anforderungen an eine zukünftige Energiespeicherung nur begrenzt erfüllbar. Forschungs- und Entwicklungsbedarf existiert in den Bereichen  Grundlagenforschung  Systemtechnik und Energieaufbereitung und Speichermanagement.