Post on 05-Apr-2015
ZAE BAYERN
DPG Frühjahrstagung, 15-19 März 2010, Bonn
Elektrische Energiespeicher
Matthias Rzepka
ZAE Bayern, Abteilung 1Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien
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Elektrische Energiespeicher
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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Elektrische Energiespeicher
Mechanische SpeicherSchwungrad
Hydraulische SpeicherPumpspeicherDruckluftspeicher
Elektrische SpeicherSupraleitende SpulenDoppelschicht-Kondensatoren
Elektrochemische SpeicherBatterien (Blei, Metall-Luft, Lithium-Ionen, Natrium-Hochtemperatur)Redox-Flow-ZellenPEM-Brennstoffzelle
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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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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Wasserstoff: Alkalische Elektrolyse + PEM
Wasser-stoff-speicher
Gesamtwirkungsgrad 37 %
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Zusammenfassung
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Regelbare Gaskraftwerke (Stand der Technik)
Alternativen zur direkten Stromspeicherung
Lastmanagement, d.h. zeitliche Verschiebung von
• elektrischen Verbrauchern (Industrie, Haushalt)
• Wärmebereitstellung
• Kältebereitstellung
Netzverbund (Europaweit, MENA, weltweit)
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !