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cerenergy®

Extrem kostengünstige Batterien für die stationäre Stromspeicherung

Berlin7. November 2016

Kontakt: Prof. Dr. Michael Stelter, michael.stelter@ikts.fraunhofer.de

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Der mitteldeutsch-wettinische Regionalaspekt

Johann Friedrich BöttgerGeb.1682 in SchleizGest. 1719 in Dresden

1709 Erfindung des weißen Porzellans1710 Manufaktur Meißen

Georg Heinrich MacheleidGeb. 1723 in CursdorfGest. 1801 in Schwarzburg

1757 Reverse Engineering des Porzellans1760 Manufaktur in Sitzendorf / Volkstedt

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Was können wir daraus lernen?

Erfolg = Werkstoffwissenschaft + Produktionstechnik

© ntv

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Motivation

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Es gibt nicht DEN einen Speicher im Stromnetz

Leistungsspeicher

Sekunden bis Minuten

Netzdienstleistungen

Regelleistung

Einsatz mehrmals pro Tag

Batterien, Kondensatoren

Verschiebespeicher

Minuten bis Stunden

Ausgleich innerhalb eines Tages

EE-Eigenverbrauch

ein bis zwei Zyklen pro Tag

Batterien, Druckluftspeicher, PSW

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Bisher nicht lösbar: Verschiebespeicher

Etwa 4 … 7 Stunden Strom müssen in die Tagesrandzeiten verschoben werden

Beispiel: PV

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Über welche Dimensionen sprechen wir?

Installierte Windkraft (2014)

Rank Country Power in MW

1 China 114763

2 USA 65879

3 Germany 39165

4 Spain 22987

5 India 22465

6 Great Britain 12440

…

19 Japan 2789

Worldwide 369553

Europe 133969

EU 128752

2 GWh = 1 Pumpspeicher

20 GWh = 1 Mio Elektroautos

200 GWh = 4 Stunden PV + Wind in D

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Treiber aus Kundensicht: Eigenstrom ist billiger als Stromnetz

Aus: Klosch, Business Model Evaluation (2016)

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Über welche Dimensionen sprechen wir?

Millionen von Zellen (mehrere 10 … 100 GWh – ähnlich Tesla)

Zehntausende Tonnen Aktive Massen

Einfach, verfügbare Stoffe: Natrium, Eisen, Nickel, Chlor, Schwefel, Chrom

Lebensdauer >> 10 Jahre

Wartungsfrei

Investitionsgut – Anlagenbau, kein „Gerät“

Preis für System < 500 EUR/kWh (später < 300 EUR)

So, wie bisher, geht es nicht – neuer Ansatz nötig

Chancen für Wertschöpfung + Arbeitsplätze

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cerenergy® Natrium-Nickelchlorid-Batterien

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Wie kann es überhaupt gehen? Blick in die Chemie

C. Wadia, P. Albertus, V. Srinivasan, „Resource constraints on the battery energy storage potential for grid and transportation applications“, J.Power Sources, 196 (2011) 1593 ff

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Natrium-Festkörperbatterie (Prinzipdesign)

IonenleitendesKeramikrohr

Blechgehäuse

Deckel und Stromdurchführung

Aktive Masse(NaCl, Ni, Kohlenstoff, Additive…)

Länge ca. 30 … 40 cmDurchmesser ca. 40 mmEnergie ca. 100 … 300 Wh

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NaNiCl-Batterien sind ausgereifte Systeme mit Historie

NaNiCl: 1987 NaNiCl: 1991

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ZEBRA Hochtemperaturbatterien - Historie

NaNiCl: 1993

NaNiCl: 1997

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Warum hat sich die Technik noch nicht etabliert?

Kosten – wie entstehen sie?

Was tut Fraunhofer IKTS zur Kostensenkung?

Der neue Ansatz

Die Vision

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Aufbau einer heutigen NaNiCl-Zelle

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Aufbau einer heutigen NaNiCl-Zelle

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Herstellung von keramischen Röhren

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Heutige Produktionsverfahren für Teile aus Na-ß-Alumina

Cold isostatic pressing (CIP, „wet bag“) Cold isostatic pressing („dry bag“)

Upper closure

Steel core

Powder

Liquid pressure medium

Flexible liner (membrane)PU mold

Pressure vessel

Upper closure

Steel core

ß-Alumina Powder

Liquid pressure medium

PU mold

Pressure vessel

Electrophoretic deposition(EPD)

+ -

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Heutige Produktionsverfahren für Teile aus Na-ß-Alumina

Quelle: BBC-Projektbericht 1979

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Heutige Produktionsverfahren für Teile aus Na-ß-Alumina

Isostatisches Pressen ist ein diskontinulierliches Verfahren!

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Keramik ist das kritische Bauteil

KleeblattKeine TranslationssymmetrieSchwierige Formgebung + Bearbeitung Problematischer mech. SpannungsverlaufKaum zu prüfen

TCB FügungAufwändige NahtvorbereitungExtrem teuer

Korund-BauteilPrismatisch = teuer

Ausschussrate > 30% so kann es nicht gehen!

Komplizierte HerstellungTaktzeit > 2 MinutenNicht hochskalierbar

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IKTS Redesign der Batterie - Designprinzipien

1. Kosten sind wichtiger als Energiedichte

2. Eine Zelle für alle Anwendungen – Economies of Scale

3. Low cost Keramikdesign

4. Elektronische Prüfung in der Produktion

5. Automatisierung – lokale Industrie einbinden

Pragmatisch: Rohrdesign, einseitig verschlossen, Blechmantel, > 100 Ah

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Kostengünstige Werkstoffe

Innovation 1: extrem kostengünstiges Keramikmaterial

Na-ß-Alumina

Direktsynthese aus Rohstoff Böhmit

Überspringen einiger Prozessierungsschritte

IKTS Material ist besser als alle kommerziellen

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Kostengünstige Fertigung

Innovation 2: Hochdurchsatz-Produktion von Keramikröhren

Massive Senkung der Produktionskosten

Voraussetzung für Massenproduktion

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Kontinuierliche Formgebung: Extrusion

Cold-plasticß-Aluminafeedstock

ScrewMouthpiece

ß-Aluminatube

Einseitigverschlossenin einem Prozessschritt!

Stark modifizierter Prozess

Proprietäres Werkzeug

Endkappen möglich

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Industrielles Batterietechnikum am IKTS

Hochenergiemahlung

Vakuumkneter

Hochenergie-Mischer,Trockengranulierung

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Extrusion im IKTS-Batterietechnikum

Extruder, kippbar

Hartmetallschrauben

Vertikale Extrusion

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Entbinderung und Sinterung

Mikrowellentrockung Gasdichter Sinterofen

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Innovation 3: elektronische Prüfung

Minuten

?

© FIAMM, manual and visual quality inspection

Sekunden

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Cerenergy®-Blechzelle

Zellspannung 2.3 V (Entladeschlussspannung)

Kapazität 128 Ah

Energieinhalt 294 Wh

Laderate 0.25 – 0.5 C

Zyklen 5000

Durchm. Elektrolyt 40 mm

Länge Elektrolyt 400 mm

Produktion 3 Mio Stück p.a.

Kosten < 100 EUR/kWh

Budget bisher 15 Millionen EUR

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Regionale Zuliefersituation an den IKTS-Standorten

Greentech Campus

Hermsdorf / Jena

Keramik

Zellen

Keramikindustrie

Fraunhofer IKTS Systemtechnik Dresden

Systementwicklung

Systemfertigung

Metall-/ Elektroindustrie

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Batterietechnikum / Greentech Campus Hermsdorf

Greentech Campus

Elektrochemie AssemblyPulversynthese Bauteile

8 Mio € Invest

4.2 Mio Equipment + 4 Mio Neubau

7 Mio € Entwicklungsbudget

IKTS Eigenforschung

ESF Forschergruppe keramische Batterien

Integrationsprojekt IKTS-IzfP (Bauteilprüfung)

BMBF + BMWi (6. Energieforschungsprogramm)

CERES – Fraunhofer Zukunftsstiftung

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Fazit

Fraunhofer IKTS kommerzialisiert keramische Natrium-Batterien

Extrem kostengünstig

Einheimische Rohstoffe

Einheimische Fertigung

Batteriefabrik in Ostdeutschland

Cerenergy® Zelle < 100 EUR / kWh

Cerenergy® System < 300 EUR / kWh

Einzelzelle2,6 Volt100 Ah

ModulThermisches DesignElektronik und ManagementSicherheit

Th 2011 FGR 0089, 2012 IZ 0173KF2087344AG3FhG 155 / 791350, 155 / 650048