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Batteriespeicher für die Energiewende
– Speicher-Forum Mainfranken 2013–
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, Würzburg
11.06.2013 – Dr. Victor Trapp
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Kernkompetenzen
Chemische Nanotechnologie
Prozesstechnik und
Charakterisierung
Glaschemie und-technologien
Prozess- und Ressourceneffizienz Leichtbau Monitoring
Regenerative Medizin Dentalmaterialien Diagnostik Biophotonik
Effizienz Wandlung Speicherungneue Energieträger
Energie
Umwelt
Gesundheit
Fraunhofer ISC – Werkstoffwissen für die Herausforderungen von morgen
Bilder: Fraunhofer ISC
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Elektrolyte, Binder und
Separatoren
Elektrolyte, Binder und
Separatoren
Elektrochemische Charakterisierung und Analytik
Elektrochemische Charakterisierung und Analytik
Infrastruktur des Fraunhofer ISCInfrastruktur des Fraunhofer ISC
Elektroden-material u.a. LiB, NiMH,
DSK
Elektroden-material u.a. LiB, NiMH,
DSK
Zentrum für Angewandte Elektrochemie
MaterialentwicklungMaterialentwicklung
Elektroden, Zelle, elektrochemische
Beschichtung, Recycling
Elektroden, Zelle, elektrochemische
Beschichtung, Recycling
ProzessentwicklungProzessentwicklung
Elektro-chromeFenster
Elektro-chromeFenster
Post-Mortem Analytik
Post-Mortem Analytik
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Energiespeicher Übersicht
GespeicherteEnergie
Mechanisch Chemisch Elektrisch
Potentielle E.
•Pumpspeicher•Druckluft (CAES)
Kinetische E.
•Schwungmasse-speicher
Elektrochemisch
•(Primär) Batterien•Akkumulatoren
Chemisch
•Wasserstoff•kleine Moleküle
Thermisch
Sorption
•Fest: Zeolithe…•Flüssig: Salzlsg.
PCM
•Paraffin•Salze
Elektrisch
•Kondensator•DSK (supercap)
Elektromagn.
•Supraleitende Magnete (SMES)
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Energiespeichersysteme für das elektrische Versorgungsnetz
Quelle: EnBW400V20kV110kV380kV
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Energiespeicher für stationäre Anwendungen
Leistungsklasse
1kW 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW
En
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Nen
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den Pumpspeicher
CAES
H2 iVm BZ
SMESsupercaps
Andere
Batterien
HighPowerSchwungrad
Lang
zeit-
Schw
ung
rad
Me-Luft
NaS
Pb-Säure
LiB
Ni-Cd
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Pumpspeicherkraftwerke
In DE ist eine Pumpspeicherleistung von etwa 7 GW installiertGesamtspeicherkapazität von etwa 40 GWh (Stand 2010)
Begrenzte Ausbaukapazitäten!
Beispiele:
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Eigenschaften
� Energiedichte 200 Wh/kg
� nominale Spannung je nach Ladezustand 1,78 - 2,08 V
� Betriebstemperatur: 300 - 350 °C
� Thermomanagment erforderlich, geeignet für stationäre Anwendungen
� keine chemische Selbstentladung (aber thermische!)
Natrium-Schwefel-Batterie
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Anwendungen
Windpark in USA
34 MW NAS für einen 51 MW Windpark
• Energiespeicherung für das elektrische Netz: Nachtspeicher, Windkraft,
Solarstrom
• Größte Einzelanlage 9,6 MW, 58 MWh (Hitachi)
Natrium-Schwefel-Batterie
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Aufbau
Redox-Flow-Batterie
� Energiedichte 30…70 Wh/kg
� Energiemenge hängt vom Menge Elektrolyt ab (Besonderheit)
� Redoxpaare V/V (Vanadium-RFB) und Zn/Br (Zink/Brom-RFB) kommerziell
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Cellcube FB 10-100 (100kWh, 4.5 × 2.2 × 2.4 m, 10.3 t) von Gildemeister
Leistungsmodule Anwendung als Solarladestation
Redox-Flow-Batterie
Anwendungen
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Moderne Mobilität: Vom Hybid- zum Elektrofahrzeug
Zunehmende Hybridisierungsgrade:
� Micro-, Mild-, Medium-, Vollhybrid
Nächste Stufen:
� Plug-In-Hybrid (PHEV, Range extender)
� EV: EV-City (<100 km), EV-Full Range (>200 km)
nach A. Madani (Avicenne Développement), Batteries 2010
Start/Stop
reg. BrakeBoost
Motor-Assist
Start/Stop
reg. BrakeBoost
Start/Stop
reg. BrakeBoost
Motor-Assist
EV Drive
Start/Stop
14+x V
~42 V
~144 V
> 200 V
Micro Mild Medium Full
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1
10
100
1000
10000
100000
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
NaNiCl2(ZEBRA)
Blei
Blei „spiralwound“
NiCd
SuperCap
Li-IonHigh
Energy
Li-IonHigh Power
Li-IonVery High Power
NiMH
Leis
tungsdic
hte
in W
/kg (
cell
level)
Energiedichte in Wh/kg (cell level)©
GS YuasaLEV 50
A123
Saft VL M
E- One Moli
GAIA LiFePO4
GAIA HE 60 Ah
LiTeC HP 6 Ah
Kokam Coffee Bag
MaxwellBoostcap
Saft VHP 6 Ah
Energie- und Leistungsdichten von Akkus
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Anforderungen an HEV, PHEV- und EV-Anwendungen
Leistung / kW
Energie / kWh
Anforderung auf Pack-Level
Zellen-charakteristik
Batterietyp
Mikro-Hybride
10 - 30 0.8 - 1.5 geringe Anforderungen geringe Kapazität Blei
sonst. Hybride
30 - 60 1.5 - 3.0 hohe Spitzenleistung
dynamisches Lastprofil
hoher Energiedurchsatz
geringe Kapazität (5-7 Ah)
hohe C-Raten (20-30)
Blei, NiMH, LiB
PHEV 40 - 120 5 - 15 je nach Anwendung: HEV oder EV-Mode
LiB
EV 30 - 80 15 - 40 geringe Spitzenleistung
kontinuierliche Belastung
hohe Kapazität (50-70 Ah)
geringe C-Raten (3-5)
LiB
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Blei-Batterie
Aufbau
Energiedichte: 30 - 40 Wh/kg
Spannung: 2.0 VKosten: ~100 €/kWh
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LKW-Starterbatterie (1960)
Bleiakku nach Planté (1859)
AGM-Batterie
Blei-Batterie
EFB-Batterie (Testsieger) Quelle: AutoMotorSport
Fortlaufende Verbesserungen
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Herausforderungen Blei-Batterie: Moderne Automobile
� Zunehmender Hybridisierungsgrad in PKWs (in den nächsten Jahren > 50% der Neuzulassungen Mild-Hybrid-Klasse)
� Betrieb im Teillastbereich mit hohen Lade-/Entladeströmen(HRPSoC) führt u.a. zu beschleunigter Sulfatierung bei der negativen Elektrode
Bleibatterie von morgen?:
% S
OC
100
Betriebszeit
VVVVVVVVV konventionell
zunehmende Hybridisierung
%
Quelle: MOLL
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Energiedichte: 30 - 80 Wh/kgSpannung: 1.3 V
Nickel-Metallhydrid-Batterie
Anwendungen:
Toyota Prius Batterie
7.19© Fraunhofer
Flachzelle
Rundzelle
Zelle: 160 Wh/kg Modul: 35 Wh/kg
Lithium-Ionen-Batterie
7.20© Fraunhofer
100 200 300
Sb
spez. Ladung / mAh g-1
3 V
4 V
5 V
Sp
an
nu
ng
vs.
Li
/ Li+
LiFePO4
LiMnPO4
LiCoPO4
LiCoO2
LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2
LiNi0.5Mn1.5O4
LiMn2O4
S
1700
O2
?
Kathodenmaterialien
Li/S
Li/Luft
Entwicklungstrends
Lithium-Ionen-Batterie - Kathodenmaterialien
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Lithium-Ionen-Batterie - Aussichten
Quelle: NPE, 2. Bericht
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Was ist wichtig für die Batterie?
Leistungsdichte
� Kosten
� Sicherheit
� Zykellebensdauer (Reversibilität)
� Energiedichte
� Lade-/Entladezeit(Leistungsdichte)
� Entladecharakteristik
� Selbstentladung
� Temperaturbereich
� Überlade-/ Überentladeschutz
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Elektrolyte für LiB
Elektrolyte
flüssig fest
wässrignicht-
wässrigIonische
Flüssigkeitenfeste Polymer-
ElektrolyteanorganischeFestelektrolyte
Gel-Polymer-Elektrolyte
Brennbare organische Elektrolyte!
Entwicklungstrends
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Neue Elektrolyte mit einem hohen Sicherheitsgrad
� Anorganisch-organische Polymerelektrolyte(ORMOCER) erlauben den Verzicht auf flüssige, entflammbare Komponenten.
� Kombination der hohen mechanischen Flexibilität mit hoher Temperaturstabilität.
Entwicklung sicherer Elektrolyte am ISC
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Defekte LiB aus Boeing 787
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Pendler-E-Bike Dauertest mit Elektronischen und Elektrochemischen Untersuchungen (PEDElEc)
Post-Mortem-Analytik
CT-Schnitt durch eine 18650-Zelle
Alterung im Labor mittels entwickeltem Fahrzyklus
Profilauswahl von Berufspendlern mit Fahrrädern am Fraunhofer ISC
E-Bike-Flotte von Winora
15 Berufspendler nutzen 1 Jahr lang Pedelecs3 Pedelecs gleichzeitig als „Dienstfahrzeuge“Zellen und Packs laufen parallel dazu im Labor
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Dr. Victor Trapp
Neunerplatz 2, 97082 Würzburg; Phone: +49 (0)931 [email protected]
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