Elektrochemische Speicher

Peter Kurzweil � Otto K. Dietlmeier

Elektrochemische Speicher

Superkondensatoren, Batterien,Elektrolyse-Wasserstoff, RechtlicheRahmenbedingungen

2., aktualisierte und erweiterte Auflage

Peter KurzweilTechnische Hochschule Amberg-WeidenAmberg, Deutschland

Otto K. DietlmeierTechnische Hochschule Amberg-WeidenAmberg, Deutschland

ISBN 978-3-658-21828-7 ISBN 978-3-658-21829-4 (eBook)https://doi.org/10.1007/978-3-658-21829-4

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Abbildungen: Graphik & Text Studio Dr. Wolfgang Zettlmeier, BarbingVerantwortlich im Verlag: Thomas Zipsner

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

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Vorwort

Nachhaltigkeit sichert die Überlebensgrundlage künftiger Generationen. Die Energiewen-de nach dem Ausstieg aus der Atomenergie fordert immense infrastrukturelle Anstren-gungen für Stromleitungen und dezentrale Speicher; doch sie verspricht wirtschaftlicheProsperität für alle Nationen, die den Wandel technologisch beherrschen. Elektrochemi-sche Speicher – Batterien und Superkondensatoren – sind universell, doch von bislangunbefriedigender Energiedichte. Wasserstoff lockt als Langzeitoption eines chemischenSpeichers, der durch die Elektrolyse von Wasser mit überschüssiger Wind- und Sonnener-gie nahezu unbegrenzt hergestellt werden kann.

Ohne chemisches Wissen sind die Herausforderungen an neue Werkstoffe und Spei-chertechnologien nicht lösbar. Stockt die Innovation bei findigen Entwicklern undweitsichtigen Unternehmern, erstarrt jedweder Fortschritt beim mechanischen Mon-tieren käuflicher Aggregate und Betreiben überkommener Anlagen. Das bequeme Nur-Gebrauchen und Nicht-Verstehen fertiger Lösungen aus dritter Hand überlässt Hoch-technologiefelder ausländischen Konkurrenten und Geschäftemachern fragwürdigerCouleur. Unglückliche Studiengangsreformen haben an vielen technischen Hochschu-len und Universitäten die Inhalte der naturwissenschaftlichen Grundlagen beschnittenund eine Bildungslücke aufgerissen, die dieses Werk schließen möchte.

Dieses Lehrbuch und Nachschlagewerk fasst zu jedem Themenbereich die physi-kalischen, chemischen und ingenieurtechnischen Grundlagen übersichtlich zusammen.Ausgehend vom Stand der Technik erleichtert der durch zahlreiche Bilder und Tabellenergänzte Text den Einstieg in die spezielle Fachliteratur. Studierende, Naturwissenschaft-ler und Ingenieure im Beruf, Entscheidungsträger und allgemein interessierte Lesermögen einen interdisziplinären Anreiz für eigene Überlegungen und Produktideen fin-den. Übungsbeispiele und Rechenaufgaben erlauben ein fundiertes Selbststudium. Denenergiepolitischen Entwicklungszielen der Europäischen Union und deren Umsetzung inDeutschland durch das Recht der Energiewirtschaft und Energiespeicherung sowie derNutzung Erneuerbarer Energien, ihren Standortanforderungen und Genehmigungsverfah-ren ist ein eigenes Kapitel gewidmet.

V

VI Vorwort

Die korrigierte, überarbeitete und erweiterte zweite Auflage, drei Jahre nach der Erst-erscheinung, berücksichtigt zahlreiche Leserzuschriften. Die rechtlichen Grundlagen inKap. 9 haben eine gründliche Aktualisierung nach dem Stand der Gesetzgebung im März2018 erfahren.

Dem Lektorat um Herrn Zipsner und Frau Zander vom Verlag Springer Vieweg dankenwir für die zügige und professionelle Drucklegung des Werkes.

Im Juli 2018 Prof. Dr. Peter KurzweilTechnische Hochschule Amberg-Weiden (OTH)Labor für Elektrochemiep.kurzweil@oth-aw.de

Prof. Dr. jur. Otto K. DietlmeierLtd. Rechtsdirektor a. D.Lehrbeauftragter für Europa-,Energie- und Umweltrechtotto-k.dietlmeier@oth-aw.de

Konstanten und Formelzeichen

Vakuumlichtgeschwindigkeit c D 299 792 458 (exakt) m s�1

Elementarladung e D 1;602176565 � 10�19 C

FARADAY-Konstante F D NAe D 96 485;3365 Cmol�1

PLANCK’sches Wirkungs-quantum

h D 6;6260696 � 10�34 J s

BOLTZMANN-Konstante k D R=NA D 1;3806488 � 10�23 J K�1

AVOGADRO-Konstante NA D 6;0221408 � 1023 mol�1

Normdruck p0 D 101 325 (exakt) Pa D Nm�2

Molare Gaskonstante R D kF=e D 8;314462 Jmol�1 K�1

NERNST-Spannung(25 ıC D 298;15K)

UN D .ln 10/ � RT=F D 0;059159 V

Molares Normvolumen(0 ıC D 273;15K)

Vm D R T=p0 D 22;413968 � 10�3 m3 mol�1

Atomare Masseneinheit u D 112

m�

12C� D 1;66053892 � 10�27 kg

Elektrische Feldkonstante ©0 D .�0c2/�1 D 8;854187817: : : � 10�12

(exakt)Fm�1

Unsichere Stellen kursiv. Umrechnung zwischen Teilchen und molaren Größen: e=k D F=R undN=V D NAc

Größe Symbol SI-Einheit Umrechnung

Elektrodenfläche A m2 1m2 D 10 000 cm2

Aktivität a – D 1 a D ”c=.mol L�1/Molalität b mol kg�1 b D Œ¬=c � M ��1

spezifische Wärme-kapazität

cp J kg�1 K�1 D m2 kg�2 K�1 Veraltet: 1 cal D 4;1868 J

elektrische Kapazität C F D CV�1 D m�2 kg�1 s4 A2 mF cm�2 D 10 Fm�2

Stoffmengen-konzentration

c mol L�1 D m�3 kmol c D n=V D “=M D ¬w=M

Diffusionskoeffizient D m2 s�1 m2 s�1 D 3;6 � 107 cm2 h�1

VII

VIII Konstanten und Formelzeichen

Größe Symbol SI-Einheit Umrechnung

Energie E J D m2 kg s�2 kWh D 3;6MJ D 3;6 � 106 J

Aktivierungsenergie E J D m2 kg s�2 eV D feg J D fFg kJmol�1

Energiedichte Wv Jm�3 D m�1 kg s�2 W hL�1 D kWhm�3 D3;6 J cm�3

spezifische Energie Wm J kg�3 D m2 s�2 W h kg�1 D 3;6 kJ kg�1

Normalpotential E0 V D m2 kg s�3 A�1 mV D 0;001V D 1 000 �V

Frequenz f Hz D s�1

GIBBS’scheFreie Enthalpie

G J D m2 kg s�2

Enthalpie H J D m2 kg s�2

elektrischer Strom I A Basiseinheit kAD 1 000A

Stromdichte i Am�2 kAm�2 D 0;1Acm�2 D100mAcm�2

Geschwindigkeits-konstante

k .mol�1 m3/n�1

s�1 mmol L�1 h�1 D1

3 600molm�3 s�1

elektrochemischesÄquivalent

k kg C�1 D kgA�1 s�1 kg A h�1 � 277;8mgC�1

molare Masse M kg kmol�1 gmol�1 D mgmmol�1 Dkg kmol�1

Masse m kg Basiseinheit g D 10�3 kg D 103 mg D106 �g

Teilchenzahl N – D 1 lb D 0;45359236 kg

Stoffmenge n Mol n D m=M D N=NA DV=Vm

Leistung P W D J s�1 D m2 kg s�3 MW D 106 W, GW D 109 W

Druck, Partialdruck p Pa D Nm�2 D m�1 kg s�2 bar D 100 kPa D0;1Nmm�2 � kg cm�2mmHg D 1;33322mbar DTorrpsi D 68;9474mbar

elektrische Ladung Q C D As Ah D 3 600A

Wärmestrom dQ=dt W D m2 kg s�3

elektrischerWiderstand

R � D VA�1 D m2 kg s�3 A�2 � cm2 D 0;1m�m2

Reaktions-geschwindigkeit

r molm�3 s�1

Entropie S J K�1 D m2 kg s�2 K�1

absolute Temperatur T K Basiseinheit T=K D .ª=ıCC 273;15/

Zeit t s Basiseinheit h D 60min D 3 600 s

Innere Energie U J D m2 kg s�2

elektrischeSpannung

U V D J C�1 D m2 kg s�3 A�1

Ladungsträger-Beweglichkeit

u m2 V�1 s�1 D kg�1 s2 A

Konstanten und Formelzeichen IX

Größe Symbol SI-Einheit Umrechnung

Volumen V m3 L s�1 D 60Lmin�1 D3 600L h�1

Volumenstrom dV=dt m3 s�1 Lmin�1 D 0;06m3 h�1

molares Volumen Vm Lmol�1 D m3 mol�1

Massenanteil w kg kg�1 D 1 D 100% ppm D 10�6 D 10�4 % Dmg=kg D �g=g

Molenbruch, Stoff-mengenanteil

x molmol�1 D 1 mol-%D 0;01

Impedanz Z.¨/ � D VA�1 D m2 kg s�3 A�2

elektrochemischeWertigkeit

z – D 1 n D z mol

Dissoziationsgrad ’ – D 1

Massenkonzen-tration

“ kgm�3 g L�1 D mg cm�3 � 0;1%

Permittivität © Fm�1 D m�3 kg�1 s4 A2 © D ©0 ©r

Überspannung ˜ V D m2 kg s�3 A�1

dynamischeViskosität

˜ Pa s D m�1 kg s�1 Veraltet: 1 cP D 1mPa � s

Volumenanteil ® m�3=m�3 D 1 Vol-%D 104 mLm�3;® D “=¬

Aktivitätskoeffizient ” – D 1

elektrischeLeitfähigkeit

›, ¢ Sm�1 D��1m�1

D m�3 kg�1 s3 A2 mS cm�1 D 100 Sm�1

molare Leitfähigkeit ƒm Sm2 mol�1 D kg�1 s3 A2 mol�1 mS cm2 mol D0;1 �Sm2 mol�1

Wellenlänge œ m Å D 10�10 m D 100 pm D0;1 nm

Permeabilität � Hm�1 DVs=.Am/

D mkg s�2 A�2

Wellenzahl Q� m�1 cm�1 D 100m�1

Dichte ¡ kgm�3 g cm�3 D kg L�1 D t m�3;m=V D M=Vm

Kreisfrequenz ¨ s�1 ¨ D 2 f

Umrechnung von Potentialen1V vs. AgjAgCl (KCl ges.)D 0,197V NHE D �0;045V SCE;1V vs. LijLiC D �3;045V NHEUmrechnung von Teilchenangaben auf molare Größen:k=e D R=F

Umrechnung von spezifischen Ladungen:1C=g D 1As=g D .1=3;6/Ah=kgF=M D 96 485=M As=g D 26 801=M Ah=kg (für M in g=mol)

X Konstanten und Formelzeichen

18

KH

He

-1, +

10

24

21

10

LLi

BeB

CN

OF

Ne

+1

+2

+3

-43

5-2

-10

39

5M

NaMg

AlSi

PS

ClAr

+1

+2

+3

45

-26

-10

48

6N

KCa

ScTi

VCr

MnFe

CoNi

CuZn

GaGe

AsSe

BrKr

3d5 4

s13d

104s

1

+1

+2

+3

42

53

27

2, 3

22

22

3

43,

54

6-1

56

ORb

SrY

ZrNb

MoTc

RuRh

PdAg

CdIn

SnSb

TeI

Xe4d

4 5s1

4d5 5

s14d

6 5s1

4d7 5

s14d

8 5s1

4d10

4d10

5s1

+1

+2

+3+4

5

67

3

13

21

2

32,

43

4-1

64

PCs

BaLa

HfTa

WRe

OsIr

PtAu

HgTl

PbBi

Po*

At*

Rn*

5d9 6

s15d

106s

1

+1

+2

+3

+4

+56

74

14

2, 4

32

12,

43

4-1

7 Q

Fr*

Ra*

Ac*

+1+2

+3

P6

CePr

NdPm

*Sm

EuGd

TbDy

HoEr

TmYb

Lu

33,

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

3

Q7

Th*

Pa*

U*Np

*Pu

*Am

*Cm

*Bk

*Cf

*Es

*Fm

*Md

*No

*Lr

*

4

5

65

43

33

33

33

23

Elem

ents

ymbo

l

*

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlagen der Energiewandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Netzstabilisierung mit Speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2 Lastprofilwälzung und Regelenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.3 Lastmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2 Politische und rechtliche Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Varianten der Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Mechanische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4.1 Pumpspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4.2 Druckluftspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.4.3 Schwungradspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5 Thermische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5.1 Grundsätzliche Verluste der Energiewandlung . . . . . . . . . . . . 121.5.2 Reaktionswärmespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.5.3 Innere-Energie-Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.5.4 Thermoelektrische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.5.5 Latentwärmespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.6 Elektrische Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.6.1 Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.6.2 Supraleitende Spulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.6.3 Batteriespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.7 Chemische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.8 Systemvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 Doppelschichtkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1 Die elektrolytische Doppelschicht als Energiespeicher . . . . . . . . . . . . 23

2.1.1 Von der Leidener Flasche zum Superkondensator . . . . . . . . . . 232.1.2 Bindeglied zwischen Kondensatoren und Batterien . . . . . . . . . 252.1.3 Energie und Leistung idealer Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . 282.1.4 Leistungsdaten kommerzieller Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . 31

XI

XII Inhaltsverzeichnis

2.1.5 Zelldesign für höhere Spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.1.6 Technische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2 Wesen und Modelle der Doppelschichtkapazität . . . . . . . . . . . . . . . 352.2.1 Das elektrostatische Helmholtz-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . 362.2.2 Der Helmholtz’sche Doppelschichtkondensator . . . . . . . . . . . 372.2.3 Das Stern-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.2.4 Differentielle Kapazität oder Pseudokapazität . . . . . . . . . . . . 40

2.3 Kohlenstofftechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3.1 Pseudokapazität von Aktivkohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3.2 Physikalisch-chemische Eigenschaften von Aktivkohle . . . . . . . 532.3.3 Technische Kohlenstoffmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.3.4 Elektrodenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

2.4 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842.4.1 Wässrige Elektrolytlösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842.4.2 Nichtwässrige Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 852.4.3 Ionische Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892.4.4 Festelektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.5 Separator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912.6 Metalloxidtechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

2.6.1 Meilensteine reversibler Metalloxidspeicher . . . . . . . . . . . . . 932.6.2 Rutheniumdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932.6.3 Iridiumdioxid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002.6.4 Gemischte Metalloxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.6.5 Andere Klassen von Oxiden und Elektrodenmaterialien . . . . . . 101

2.7 Polymertechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042.7.1 Pseudokapazität leitfähiger Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1042.7.2 Praktische Leistungsdaten von Polymerkondensatoren . . . . . . . 108

2.8 Hybridtechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092.8.1 Asymmetrische Kondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092.8.2 Kohlenstoff-Metalloxid-Hybridkondensatoren . . . . . . . . . . . . 1112.8.3 Kohlenstoff-Lithium-Hybridkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . 1132.8.4 Metalloxid-Elektrolytkondensator-Hybride . . . . . . . . . . . . . . 1142.8.5 Polymer-Elektrolytkondensator-Hybride . . . . . . . . . . . . . . . . 115

2.9 Praktische Kapazitätsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172.9.1 Entladen mit konstantem Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1172.9.2 Entladung mit konstanter Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1232.9.3 Laden und Entladen mit einer Spannungsrampe . . . . . . . . . . . 1242.9.4 Entladung mit Messwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1262.9.5 Laden mit konstanter Spannung (Chronoamperometrie) . . . . . . 126

2.10 Betriebsverhalten von Doppelschichtkondensatoren . . . . . . . . . . . . . 1272.10.1 Frequenzgang von Kapazität und Widerstand . . . . . . . . . . . . . 1282.10.2 Spannungsabhängigkeit der Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Inhaltsverzeichnis XIII

2.10.3 Temperaturabhängigkeit der Kapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . 1302.10.4 Leckstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312.10.5 Selbstentladung und Ladezustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312.10.6 Reversibilität und Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

2.11 Modellierung von Doppelschichtkondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . 1332.11.1 Einfache RC-Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1342.11.2 RC-Schaltung mit Leckstromwiderstand und Induktivität . . . . . 1352.11.3 Empirische Kapazität praktischer Kondensatoren . . . . . . . . . . 1372.11.4 Komplexe Kapazität realer Dielektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . 1382.11.5 Konstantphasenelement (CPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392.11.6 Kettenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

2.12 Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1432.12.1 Stabilität des Elektrolyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1432.12.2 Alterung der Elektrodenmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1462.12.3 Abschätzung der Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1502.12.4 Fehlerbild im Langzeittest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1532.12.5 Zuverlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

2.13 Sicherheit, Nachhaltigkeit und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1572.13.1 Überhitzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1572.13.2 Diagnose- und Überwachungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . 1582.13.3 Marktvolumen und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1592.13.4 Nachhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1602.13.5 Rechtliche Einschränkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

3 Lithiumionen-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1653.1 Energiespeicherung in Lithiumionen-Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . 165

3.1.1 Zellchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1653.1.2 Meilensteine zu modernen Lithiumbatterien . . . . . . . . . . . . . 172

3.2 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1743.2.1 Anforderungen an moderne Lithiumbatterien . . . . . . . . . . . . . 1743.2.2 Batteriehersteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

3.3 Negative Elektrodenmaterialien (Anoden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1763.3.1 Materialübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1763.3.2 Grafit und amorpher Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.3.3 Lithiumtitanat-Interkalationselektrode (LTO) . . . . . . . . . . . . . 1833.3.4 Lithiumlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1843.3.5 Reduzierbare Übergangsmetalloxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1873.3.6 Lithium-Metall-Nitride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

3.4 Positive Elektrodenmaterialien (Kathoden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1893.4.1 Materialübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1893.4.2 Übergangsmetalloxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

XIV Inhaltsverzeichnis

3.4.3 Lithiumeisenphosphat (LFP) und Polyoxyanionen . . . . . . . . . . 2013.4.4 Gemischte und ungeordnete Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . 2043.4.5 Die „alten“ Übergangsmetallsulfide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

3.5 Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2053.5.1 Flüssige Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2083.5.2 Ionische Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2133.5.3 Elektrolytadditive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2143.5.4 Polymerelektrolyte und Gele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2193.5.5 Anorganische Festelektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222

3.6 Separator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2233.7 Zell- und Batteriedesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

3.7.1 Stromableiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2263.7.2 Flachzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2263.7.3 Dünnfilmbatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2273.7.4 Herstellung von Lithiumionen-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . 227

3.8 Leistungsdaten, Lebensdauer und Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2303.8.1 Energie- und Leistungsdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2303.8.2 Kapazität und dynamisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . 2333.8.3 Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2353.8.4 Lade-Entlade-Kurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2353.8.5 Selbstentladung und Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2373.8.6 Lebensdauer und Alterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

3.9 Typische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2393.9.1 Konsumelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2393.9.2 Intelligente Energieversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2393.9.3 Anforderungen an Antriebsbatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

3.10 Sicherheit, Nachhaltigkeit und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2433.10.1 Diagnose- und Überwachungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . 243

3.11 Marktvolumen und Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2533.11.1 Materialaufwand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2533.11.2 Nachhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

4 Traktions- und Speicherbatterien: Blei, Nickel, Natrium . . . . . . . . . . . . 2654.1 Bleiakkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

4.1.1 Zellchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2654.1.2 Verschlossene Blei-Säure-Batterien (VRLA) . . . . . . . . . . . . . 2674.1.3 Elektroden und Zelldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2684.1.4 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2704.1.5 Batteriemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2744.1.6 Nachhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2754.1.7 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Inhaltsverzeichnis XV

4.2 Alkalische Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2764.2.1 Nickel-Cadmium-Akkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2764.2.2 Nickel-Metallhydrid-Akkumulator (NiMH) . . . . . . . . . . . . . . 284

4.3 Hochtemperatur-Natrium-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2904.3.1 Natrium-Nickelchlorid-Akkumulator (Zebra-Batterie) . . . . . . . 2904.3.2 Natrium-Schwefel-Akkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

5 Hochenergiebatterien nach Lithium-Ion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3015.1 Visionäre Zellchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3015.2 Lithium-Luft-Akkumulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

5.2.1 Trockene und nichtwässrige Lithium-Luft-Systeme . . . . . . . . . 3025.2.2 Wässrige Lithium-Luft-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3065.2.3 Anodische Lithiumauflösung (negative Elektrode) . . . . . . . . . . 3095.2.4 Kathodische Sauerstoffreduktion (positive Elektrode) . . . . . . . . 311

5.3 Metall-Luft-Batterien außer Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3125.3.1 Prinzip der Metall-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3125.3.2 Natrium-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3145.3.3 Magnesium-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3155.3.4 Aluminium-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3155.3.5 Eisen-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3155.3.6 Zink-Luft-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

5.4 Metall-Schwefel-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3185.4.1 Lithium-Schwefel-Akkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3185.4.2 Magnesium-Schwefel-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

5.5 Metallionen-Batterien außer Lithium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3285.5.1 Natriumionen-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3285.5.2 Magnesiumionen-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

5.6 Festkörperbatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3365.6.1 Vorteile von Festelektrolyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3375.6.2 Anorganische Festelektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

5.7 Halogenidbatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3405.7.1 Fluoridbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3405.7.2 Chloridbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3435.7.3 Dual-Ionen-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

5.8 Übergangsmetallate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3435.8.1 Zellchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3435.8.2 Elektrodenmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

5.9 Energiespeicherung in chemischen Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 3445.9.1 Energiespeicherung ohne Interkalation . . . . . . . . . . . . . . . . . 3445.9.2 Leistungsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3455.9.3 Reaktionskinetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

XVI Inhaltsverzeichnis

6 Redox-Flow-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3536.1 Klassische Redoxzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

6.1.1 Leistungsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3536.1.2 Eisen-Chrom-Redoxspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3546.1.3 Zink-Cer-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3556.1.4 Zink-Chlor-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

6.2 Vanadium-Flussbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3566.2.1 Schwefelsaurer Vanadium-Redoxspeicher . . . . . . . . . . . . . . . 3576.2.2 Vanadium-Bromid-Redoxspeicher (2. Generation) . . . . . . . . . . 3616.2.3 Salzsaurer Vanadium-Redoxspeicher (3. Generation) . . . . . . . . 362

6.3 Zink-Brom-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3636.3.1 Zellchemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3636.3.2 Zellkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3636.3.3 Probleme bipolarer Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3656.3.4 Leistungsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367

6.4 Polysulfid-Brom-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3676.5 Blei-Blei-Speicher (Lösungsakkumulator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3686.6 Indirekte Wasserstoff-Sauerstoff-Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

6.6.1 Cer-Flussbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3706.6.2 Titan-Flussbatterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

6.7 Visionäre Flussbatterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

7 Elektrolyse von Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3737.1 Historischer Urgrund der Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

7.1.1 Entdeckung der Wasserzerlegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3737.1.2 Von Faraday bis Helmholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

7.2 Physikalisch-chemische Grundlagen der Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . 3807.2.1 Elektrodenreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3807.2.2 Faraday’sche Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3837.2.3 Thermodynamik der Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3877.2.4 Kinetik der Elektrodenvorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

7.3 Die Wasserstoffelektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4057.3.1 Elektrodenpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4067.3.2 Reaktionen an der Wasserstoffelektrode . . . . . . . . . . . . . . . . 4067.3.3 Elektrodenmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410

7.4 Die Sauerstoffelektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4137.4.1 Elektrodenpotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4147.4.2 Reaktionen an der Sauerstoffelektrode . . . . . . . . . . . . . . . . . 4147.4.3 Elektrodenmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4167.4.4 Gelöster Sauerstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

Inhaltsverzeichnis XVII

7.5 Elektrolyt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4197.5.1 Wässrige Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4197.5.2 Geschmolzene Elektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4227.5.3 Anorganische Festelektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4227.5.4 Anorganische Protonenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4317.5.5 Organische Festelektrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4337.5.6 Matrixmaterialien für hohe Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . . 439

7.6 Alkalische Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4417.6.1 Zelldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4417.6.2 Alkalischer Elektrolyt, Separator und Elektrodenmaterialien . . . 4457.6.3 System und Hilfsaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4517.6.4 Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4527.6.5 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456

7.7 Polymerelektrolyt-Elektrolyse (SPE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4617.7.1 Zelldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4617.7.2 System und Hilfsaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4637.7.3 Betriebsverhalten der SPE-Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 4647.7.4 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4667.7.5 Energieeffizienz durch Sauerstoffverzehr . . . . . . . . . . . . . . . 4677.7.6 Regeneratives Brennstoffzellen-System . . . . . . . . . . . . . . . . 467

7.8 Dampfelektrolyse mit Festelektrolyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4687.8.1 Dampfelektrolyse und Synthesegaserzeugung . . . . . . . . . . . . 4687.8.2 Zelldesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4697.8.3 System und Hilfsaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4717.8.4 Betriebsverhalten der Dampfelektrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . 4717.8.5 Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

7.9 Regenerative Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4737.9.1 Modularisiertes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4737.9.2 Konventionelles System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

7.10 Kosten und Nachhaltigkeit der Elektrolysetechnologie . . . . . . . . . . . 4757.10.1 Power-to-Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4757.10.2 Nachhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4757.10.3 Wasserstoffgestehungskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4767.10.4 Investitionskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478

8 Wasserstoff als chemischer Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4838.1 Wasserstoff als chemischer Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483

8.1.1 Theoretische Speicherdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4838.1.2 Chemisch-physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 4848.1.3 Sicherheitstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4858.1.4 Wasserstoffwirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485

XVIII Inhaltsverzeichnis

8.2 Wasserstoffspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4868.2.1 Druckgasspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4868.2.2 Flüssiger Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4888.2.3 Adsorption an Oberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4888.2.4 Metallhydride und Speicherlegierungen . . . . . . . . . . . . . . . . 4908.2.5 Anorganische Nichtmetallhydride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4928.2.6 Organische Moleküle als Wasserstoffspeicher . . . . . . . . . . . . 494

8.3 Alternativen zu Elektrolyse-Wasserstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5008.3.1 Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5018.3.2 Wasserstoff aus Biomasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5038.3.3 Solarthermische und thermochemische Wasserspaltung . . . . . . 5048.3.4 Wasserstoff aus unedlen Metallen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5068.3.5 Fotolytische Wasserspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509

9 Rechtliche Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5119.1 Ziele der Energie- und Klimaschutzpolitik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

9.1.1 Energiepolitische Entwicklungsziele der Europäischen Union . . 5119.1.2 Energiepolitische Ziele der Bundesrepublik Deutschland . . . . . . 514

9.2 Europarechtliche Regelungen für die Energiewirtschaft . . . . . . . . . . . 5169.2.1 Elektrizitätsversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5199.2.2 Gasversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

9.3 Umsetzung des Unionsrechts im Energiewirtschaftsrecht . . . . . . . . . . 5349.3.1 Wettbewerb und Regulierung des Netzzugangs . . . . . . . . . . . . 5349.3.2 Versorgungssicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5409.3.3 Umweltverträglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5429.3.4 Energieeffizienz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5439.3.5 Preisgünstigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5459.3.6 Verbraucherschutz und Verbraucherfreundlichkeit . . . . . . . . . . 5459.3.7 Wegenutzung und Konzessionsabgaben . . . . . . . . . . . . . . . . 5499.3.8 Zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien . . . . . . . . . . . . . 550

9.4 Erneuerbare Energien und deren Förderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5509.4.1 Begriffsbestimmungen und ihre Bedeutung . . . . . . . . . . . . . . 5509.4.2 Fortgeltung von EEG 2009 bis EEG 2014 für Bestandsanlagen . . 5529.4.3 Systemwechsel für Neuanlagen durch das EEG 2014 und EEG

2017 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5539.4.4 EEWärmeG und Gebäudesanierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5619.4.5 KWKG 2017 und Energie-Contracting . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

9.5 Genehmigungsverfahren und Standortanforderungen . . . . . . . . . . . . 5669.5.1 Allgemeine und anlagenübergreifende Planungsvorgaben . . . . . 5669.5.2 Planungsverfahren zum Netzausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5679.5.3 Photovoltaik- und sonstige Anlagen zur Nutzung von Solarenergie 568

Inhaltsverzeichnis XIX

9.5.4 Windenergieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5709.5.5 Biomasseanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5809.5.6 Geothermieanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5829.5.7 Wasserkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589