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Elektrische Energiespeicher

Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien. Physics E19 Interfaces and Energy Conversion. Elektrische Energiespeicher. Ulrich Stimming 1,2 , Matthias Rzepka 1 1 ZAE Bayern, Abteilung 1 Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching

marissa
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Presentation Transcript

  1. Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Physics E19 Interfaces and Energy Conversion Elektrische Energiespeicher Ulrich Stimming1,2, Matthias Rzepka1 1 ZAE Bayern, Abteilung 1Walther-Meißner-Str. 6, 85748 Garching 2 Technische Universität München, Physik-Department E19 James-Franck-Str. 1, 85748 Garching

  2. E-mobility Netz-Management Portable Geräte Portable Geräte EnergetischeAspekte Komfort Elektrische Energiespeicher

  3. Erneuerbare Energien - Stromeinspeisung Anteil EE am Stromverbrauch in Deutschland 17 GW

  4. Windkraft-Speicherung 17 GW 17 GW * 24 h = 400 GWh

  5. EEX - Spotmarkt Euro / MWh Stunde

  6. Übersicht Elektrische Energiespeicher Mechanische Speicher Schwungrad Hydraulische Speicher Pumpspeicher Druckluftspeicher Elektrische Speicher Supraleitende Spulen Doppelschicht-Kondensatoren Elektrochemische Speicher Batterien (Blei, Metall-Luft, Lithium-Ionen, Natrium-Hochtemperatur) Redox-Flow-Zellen Brennstoffzellen Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Sensible Wärme Latente Wärme

  7. Reibung Vakuumpumpe, Magnet Motor/Generator Schwungrad - Speicher W = ½ * J * w2 + Tiefentladung+ T-unabhängig+ SOC-Messung 1000 kWh / 100 MW 10 kWh / 1 MW

  8. Pumpspeicher-Kraftwerk Deutschland 2009: 30 Kraftwerke7000 MW 40000 MWh z. Vgl: 24000 MW Windkraft Neue Standorte ?

  9. 1,6 kWh 0,8 kWh 1,0 kWh Druckluft-Speicher (CAES) z. Vgl: Gasturbine 70 bar 290 MW / 600 MWh / 300.000 m3 Mit Rekuperator: 54 %

  10. Advanced Adiabatic Druckluft-Speicher(AA-CAES) Ohne zusätzlichen Brennstoff !! Entwicklungspotential: Wärmespeicher und –übertrager(s. Kapitel „Wärmespeicher“)

  11. Tc Kühlung Verluste I critical Kosten high high low NbTi 9,3 K He La/Ba/Bi-Oxid ~ 100 K N2 low low high Supraleiter (SMES) W = ½ * L * I2 T < Tc  Kühlung (Verluste) Hauptvorteil:Kurze Ansprechzeiten (<< ms) 1 kWh / 1 MW

  12. Doppelschichtkondensatoren (Supercaps) C = e A / dA > 3000 m2/g d < 1 nm W = ½ * C * U2 Helmholtz-Schicht Entwicklungspotential:Nicht-wässrige Elektrolyten  URedox-Reaktionen (Ultracaps)  e

  13. 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)

  14. Elektrochemische Speicher - Wirkungsgrad Laden Spannungswirkungsgrad = U(out) / U (in) Entladen Faraday-Wirkungsgrad = Q(out) / Q (in)

  15. Wasserstoff- / Sauerstoffentwicklung Blei-Säure U = 2,04 V

  16. 1 - 2 Gew.% Ni-Metallhydrid U = 1,32 V Wässrige Kalilauge -> T > 0 °C empfindlich auf Überladung / Tiefentladung Keine großen Sicherheitsprobleme

  17. Metall-Luft U = 1,65 V 150 kWh Alternativen zu Zink: Aluminium Lithium

  18. Lithium-Ionen NichtwässrigerElektrolyt U = 3,7 V (Mn)

  19. Natrium-Hochtemperatur Elektrolyt: b-AluminiumoxidLeitfähig für Na+ ab ca. 300 °C U = 2,06 V ThermischeVerluste Variante: ZEBRA (NiCl statt Schwefel)

  20. Redox - Flow Vorteile: Unabhängige Skalierung von Leistung und Energie Kurze Ansprechzeiten hoher Wirkungsgrad Überlade/Tiefentladungs-Toleranz Lange Lebensdauer U = 1,3 V

  21. Alkalische Elektrolyse

  22. PEM Elektrolyse

  23. Hochtemperatur Elektrolyse Elektrolyt: YSZ

  24. PEM Brennstoffzelle Katalysator: ~ 0,1 mg/cm2 Platin ~ 1 W/cm2

  25. Gesamtsystem Wasserstoff Wasserstoff-speicher 50 % 75 % Gesamtwirkungsgrad 37 %

  26. Wärmespeicher

  27. Wärmespeicher Thermoöl 400 °C / 15 bar Wasser/Dampf 400 °C / 100 bar Luft 1000 °C / 1 bar Salzschmelze Betonspeicher Sandspeicher PCM-Speicher Speicherung in Schmelzenthalpie, z.B. NaNO3 (306°C) KNO3 (334°C) Probleme: Wärmeleitung DLR 60 % NaNO3 40 % KNO3 Probleme: Wasserdampfdurchlässigkeit thermische Ausdehnung „Quasifluider“ Wärmeträger Komplizierter Systemaufbau 300 - 400 °C Problem: Erstarrung bei 220 °C

  28. Zusammenfassung

  29. 1. Thermische Speicher in solarthermischen Kraftwerken Technik verfügbar Billigere Materialien in der Entwicklung Unbedingt notwendig zum Tag/Nacht-Ausgleich

  30. 2. Direkte Stromspeicherung €/kWh Zyklen h Verlust Pumpspeicher 50 unb. 80 % 0 StandorteCAES 400 unb. 50 % 0AA-CAES 800 unb. 70 % 0 noch nicht verfügbarBlei-Säure 200 2000 85 % 0,1 %/dLi-Ionen 1000 2000 90 % 0,2 %/dNaS 300 3000 85 % 10 %/dRedox-Flow 500 unb. 75 % 0 10 Cent/kWh

  31. 3. Alternativen zur direkten Stromspeicherung Regelbare Gaskraftwerke (Stand der Technik) Lastmanagement, d.h. zeitliche Verschiebung von elektrischen Verbrauchern (Industrie, Haushalt) Beispiel Geschirrspüler: 20 Mill. * 1 kWh = 20 GWh Wärmebereitstellung / Kältebereitstellung Beispiel Wärmepumpe: 20 Mill. * 20 kWh = 400 GWh Netzverbund (Europaweit, MENA, weltweit)

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