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ZAE BAYERN

AKE Herbsttagung, 22-23 Oktober 2009, Bad Honnef

Elektrische Energiespeicher

Ulrich Stimming1,2, Matthias Rzepka1

1 ZAE Bayern, Abteilung 1Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching

2 Technische Universität München, Physik-Department E19

James-Franck-Str. 1, 85748 Garching

Physics E19Interfaces andEnergy Conversion

Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.

Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien

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Portable Geräte

E-mobility

Netz-Management

Portable Geräte

Komfort

EnergetischeAspekte

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Erneuerbare Energien - Stromeinspeisung

Anteil EE am Stromverbrauch in Deutschland

17 GW

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Windkraft-Speicherung

17 GW

17 GW * 24 h = 400 GWh

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EEX - Spotmarkt

Stunde

Eur

o / M

Wh

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Mechanische SpeicherSchwungrad

Hydraulische SpeicherPumpspeicherDruckluftspeicher

Elektrische SpeicherSupraleitende SpulenDoppelschicht-Kondensatoren

Elektrochemische SpeicherBatterien (Blei, Metall-Luft, Lithium-Ionen, Natrium-Hochtemperatur)Redox-Flow-ZellenBrennstoffzellen

Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke

Sensible WärmeLatente Wärme

Übersicht

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W = ½ * J * 2

Schwungrad - Speicher

1000 kWh / 100 MW

10 kWh / 1 MW

+ Tiefentladung+ T-unabhängig+ SOC-Messung

Reibung

Motor/GeneratorVakuumpumpe, Magnet

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Pumpspeicher-Kraftwerk

Deutschland 2009:

30 Kraftwerke7000 MW40000 MWh

Neue Standorte ?

z. Vgl: 24000 MW Windkraft

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Druckluft-Speicher (CAES)

z. Vgl: Gasturbine

290 MW / 600 MWh / 300.000 m3

70 bar

0,8 kWh

1,6 kWh

1,0 kWh

Mit Rekuperator: 54 %

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Advanced Adiabatic Druckluft-Speicher(AA-CAES)

Ohne zusätzlichen Brennstoff !!

adiabatische Kompression

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60 70

Druck [bar]

Tem

per

atu

r [°

C]

Entwicklungspotential: Wärmespeicher und –übertrager(s. Kapitel „Wärmespeicher“)

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Supraleiter (SMES)

T < Tc

Kühlung (Verluste)

W = ½ * L * I2

NbTi

La/Ba/Bi-Oxid

Tc

9,3 K

~ 100 K

Kühlung

He

N2

Verluste

high

low

I critical

low

high

Kosten

low

high

Hauptvorteil:Kurze Ansprechzeiten (<< ms)

1 kWh / 1 MW

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Doppelschichtkondensatoren (Supercaps)

W = ½ * C * U2

C = A / d

A > 3000 m2/g d < 1 nm

Entwicklungspotential:Nicht-wässrige Elektrolyten URedox-Reaktionen (Ultracaps)

Helmholtz-Schicht

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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)

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Elektrochemische Speicher - Wirkungsgrad

Laden

Entladen

Spannungswirkungsgrad =

U(out) / U (in)

Faraday-Wirkungsgrad = Q(out) / Q (in)

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Blei-Säure

U = 2,04 V

Wasserstoff- / Sauerstoffentwicklung

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Ni-Metallhydrid

U = 1,32 V

1 - 2 Gew.%

Wässrige Kalilauge -> T > 0 °C

empfindlich auf Überladung / Tiefentladung

Keine großen Sicherheitsprobleme

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Metall-Luft

U = 1,65 V

Alternativen zu Zink:

Aluminium

Lithium

150 kWh

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Lithium-Ionen

U = 3,7 V (Mn)

NichtwässrigerElektrolyt

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Natrium-Hochtemperatur

U = 2,06 V

Elektrolyt: b-AluminiumoxidLeitfähig für Na+ ab ca. 300 °C

Variante: ZEBRA (NiCl statt Schwefel)

ThermischeVerluste

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Redox - Flow

U = 1,3 V

Vorteile:

Unabhängige Skalierung von Leistung und Energie

Kurze Ansprechzeiten

hoher Wirkungsgrad

Überlade/Tiefentladungs-Toleranz

Lange Lebensdauer

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Alkalische Elektrolyse

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PEM Elektrolyse

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Hochtemperatur Elektrolyse

Elektrolyt: YSZ

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PEM Brennstoffzelle

Katalysator:

~ 0,1 mg/cm2 Platin

~ 1 W/cm2

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Gesamtsystem Wasserstoff

Wasserstoff-speicher

75 % 50 %

Gesamtwirkungsgrad 37 %

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Wärmespeicher

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Wärmespeicher

Thermoöl 400 °C / 15 barWasser/Dampf 400 °C / 100 barLuft 1000 °C / 1 bar

Salzschmelze Betonspeicher Sandspeicher PCM-Speicher

60 % NaNO3

40 % KNO3

300 - 400 °C

Problem: Erstarrung bei 220 °C

DLR

Probleme:

Wasserdampfdurchlässigkeit

thermische Ausdehnung

„Quasifluider“ Wärmeträger

Komplizierter Systemaufbau

Speicherung in Schmelzenthalpie, z.B.

NaNO3 (306°C) KNO3 (334°C)

Probleme: Wärmeleitung

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Zusammenfassung

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1. Thermische Speicher in solarthermischen Kraftwerken

Technik verfügbarBilligere Materialien in der EntwicklungUnbedingt notwendig zum Tag/Nacht-Ausgleich

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€/kWh Zyklen Verlust

Pumpspeicher 50 unb. 80 % 0 StandorteCAES 400 unb. 50 % 0AA-CAES 800 unb. 70 % 0 noch nicht verfügbarBlei-Säure 200 2000 85 % 0,1 %/dLi-Ionen 1000 2000 90 % 0,2 %/dNaS 300 3000 85 % 10 %/dRedox-Flow 500 unb. 75 % 0

2. Direkte Stromspeicherung

10 Cent/kWh

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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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