Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 1 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

Dr.-Ing. Bernd Willer

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Verein an der Universität Kassel e. V.

Wiederaufladbare Batterien

Motivation für Forschung und Entwicklung

Forschungs- und Entwicklungsziele

Batterietechnik

Batterieentwickung im ISET

Zusammenfassung

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 2 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

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

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AlternativeMotivation Fahrzeugkonzepte (Volkswagen)

Anteil der Batterie an der Bereitstellung der Gesamtenergie

Anteil des Elektromotors an der Bereitstellung der Gesamtenergie

0 % 100 %

0 %

100 %

Hybridfahrzeuge

Elektrofahrzeuge

BrennstoffzellenfahrzeugeKonventionelle Antriebe

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K oh le K ern k ra ft Wa sser

H och- sp a n n ung s-

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M itte l- sp a n n ung s-

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N ied er- sp a n n ung s-

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W in d p a rk

BZPV W ind BZPV KW K

K oh le K ern k ra ft Wa sser

Motivation Zukünftige Netzstrukturen

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 5 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

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BZPV W ind BZPV KW K

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Motivation Zukünftige Netzstrukturen

Fluktuierende Energiequellen

Dezentrale Energieversorgung

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 6 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

K oh le K ern k ra ft Wa sser

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Speicherbedarf inMotivation zukünftigen Netzstrukturen

Windparks haben einen Speicherbedarf im Minutenbereich und Stundenbereich

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 7 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

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BZPV W ind BZPV KW K

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Speicherbedarf inMotivation zukünftigen Netzstrukturen

Mininetze haben einen Speicherbedarf im Stundenbereich und Tagesbereich

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 8 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

K oh le K ern k ra ft Wa sser

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BZPV W ind BZPV KW K

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Speicherbedarf inMotivation zukünftigen Netzstrukturen

Dezentrale Netze haben einen Speicherbedarf im Stundenbereich

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 9 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

K oh le K ern k ra ft Wa sser

H och- sp a n n ung s-

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BZPV W ind BZPV KW K

K oh le K ern k ra ft Wa sser

Speicherbedarf inMotivation zukünftigen Netzstrukturen

Einzelne Lasten haben einen Speicherbedarf im Minuten und Stundenbereich

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Leistungs- und Energiebedarf wichtige Anwendungsfelder (INVESTIRE / ASSURE)

0,1

1

10

100

0,1 1 10 100 1000 10000Power / kW

Po

wer

du

rati

on

/ h

A1

A2

A3

A5

A4

Speicherbedarf inMotivation zukünftigen Netzstrukturen

A1 und A2

Windfarmen

A3

Mini Netze

A4

Dezentrale Netze

A5 Versorgungssicherheit

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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

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Mögliche SpeichertechnologieBatterietechnik für die Zukunft

Verbesserte Bleibatterie

NickelCadmium / NickelMetalhydrid

Lithium SMES

Redoxbatterien

NatriumNickelchlorid

Superkondensatoren

MetalLuft

Schwungradspeicher

Luftdruckspeicher

Elektrolyseur-Wasserstoff-Brennstoffzelle

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 13 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

SpeichereigenschaftenBatterietechnik im Vergleich

Parameter Bleibatterie LithiumbatterienDoppelschicht-kondensatoren

Spezifische Energie(Wh/kg)

30 100 - 120 0,5 - 5

Spezifische Leistung(W/kg)

100 - 200 150 -1000 100 - 10 000

Zyklenfestigkeit 400 - 1000 1000 100000 - 500000

Nennspannung (V) 2 3,6 1 - 3

Kosten(€/kWh) 50 - 150 (150 - 1500) 50 000 - 150 000

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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

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Batterietechnik Lithiumbatterien

Vorteile

Hohe Energiedichte, geringe Selbstentladung

Nachteile

Hohe Kosten, geringe Zyklenlebensdauer, aufwendiges elektrisches und thermisches Management

FuE Bedarf

Kostenreduzierung, Lebensdauerverlängerung, Batteriemanagement

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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

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 17 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

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

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 18 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

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.

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 19 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

Batterietechnik FuE Bereich Batteriemanagement

Management Typ Blei NiMeh Lithium NaNiCl Supercaps

Überladeschutz

Tiefentladeschutz

Einzelzellenüberwachung

Elektrisch

Ladungsausgleicheinzelner ZellenKühlung

HeizungThermisch

Temperaturvergleichmäßigung

Notwendig sinnvoll Nicht erforderlich

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Batterieentwicklungim ISET Modularer Batteriespeicher

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

imInselnetz

Verbund-netz-

anschluß(optional)

PV mitInverter

a

x

=~

=~

Verbrenn.-Aggregat

SM

Transient-Speicher

SM

Wind-konverter

Gen.~

Koordi-nation

Fernüber-wachung

Batterie-speicher

=~

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Batterieentwicklungim ISET Modularer Batteriespeicher

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Batterieentwicklungim ISET Batteriewechselrichter (ISET / SMA)

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Batterieentwicklungauf einer Alpenhütte Modulare Systemtechnik

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Batterieentwicklung im ISETBatterieverhalten auf einer Alpenhütte 10.2001

Kapazitätstest BacTERIE 2 HAGEN 6 OPzV PV Anker 6 Volt / 250 Ah im Oktober 2001

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0Zeit [h]

Ze

lle

ns

pa

nn

un

g [

V]

Ubatt_21

Ubatt_22

Ubatt_23

Ubatt_24

Ubatt_25

Ubatt_26

Ubatt_27

Ubatt_28

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Batterieentwicklung im ISETEnergiemanagement 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)

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Batterieentwicklungim ISET Doppelspeicher ( Siemens VDO)

14 Volt

ISGAC

DC

DCDC

DCDC

36 VBattery

42 Volt

Jump Start

High PowerLoads

ECUs,key-of loads...

12 VBattery

lamps, ...Energy production

on 42 V level !

Institut für Solare Energieversorgungstechnik Bernd Willer 300. WE-Heraeus Seminar Energieforschung 27 Verein an der Universität KasselBereich Energiewandlung und Regelungstechnik

Batterieentwicklungim ISET Doppelspeicher ( Siemens VDO)

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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.