dr. trapp-batteriespeicher für die energiewende · pdf...
TRANSCRIPT
![Page 1: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/1.jpg)
© Fraunhofer
Batteriespeicher für die Energiewende
– Speicher-Forum Mainfranken 2013–
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, Würzburg
11.06.2013 – Dr. Victor Trapp
© Fraunhofer
![Page 2: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/2.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 3: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/3.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 4: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/4.jpg)
© Fraunhofer
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)
![Page 5: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/5.jpg)
© Fraunhofer
Energiespeichersysteme für das elektrische Versorgungsnetz
Quelle: EnBW400V20kV110kV380kV
![Page 6: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/6.jpg)
© Fraunhofer
Energiespeicher für stationäre Anwendungen
Leistungsklasse
1kW 10kW 100kW 1MW 10MW 100MW 1GW
En
tlad
un
gsz
eit
bei
Nen
nle
istu
ng
Sek
un
den
Min
ute
nS
tun
den Pumpspeicher
CAES
H2 iVm BZ
SMESsupercaps
Andere
Batterien
HighPowerSchwungrad
Lang
zeit-
Schw
ung
rad
Me-Luft
NaS
Pb-Säure
LiB
Ni-Cd
![Page 7: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/7.jpg)
© Fraunhofer
Pumpspeicherkraftwerke
In DE ist eine Pumpspeicherleistung von etwa 7 GW installiertGesamtspeicherkapazität von etwa 40 GWh (Stand 2010)
Begrenzte Ausbaukapazitäten!
Beispiele:
![Page 8: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/8.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 9: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/9.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 10: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/10.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 11: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/11.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 12: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/12.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 13: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/13.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 14: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/14.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 15: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/15.jpg)
© Fraunhofer
Blei-Batterie
Aufbau
Energiedichte: 30 - 40 Wh/kg
Spannung: 2.0 VKosten: ~100 €/kWh
![Page 16: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/16.jpg)
© Fraunhofer
LKW-Starterbatterie (1960)
Bleiakku nach Planté (1859)
AGM-Batterie
Blei-Batterie
EFB-Batterie (Testsieger) Quelle: AutoMotorSport
Fortlaufende Verbesserungen
![Page 17: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/17.jpg)
© Fraunhofer
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
![Page 18: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/18.jpg)
© Fraunhofer
Energiedichte: 30 - 80 Wh/kgSpannung: 1.3 V
Nickel-Metallhydrid-Batterie
Anwendungen:
Toyota Prius Batterie
![Page 19: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/19.jpg)
7.19© Fraunhofer
Flachzelle
Rundzelle
Zelle: 160 Wh/kg Modul: 35 Wh/kg
Lithium-Ionen-Batterie
![Page 20: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/20.jpg)
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
![Page 21: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/21.jpg)
© Fraunhofer
Lithium-Ionen-Batterie - Aussichten
Quelle: NPE, 2. Bericht
![Page 22: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/22.jpg)
© Fraunhofer
Was ist wichtig für die Batterie?
Leistungsdichte
� Kosten
� Sicherheit
� Zykellebensdauer (Reversibilität)
� Energiedichte
� Lade-/Entladezeit(Leistungsdichte)
� Entladecharakteristik
� Selbstentladung
� Temperaturbereich
� Überlade-/ Überentladeschutz
![Page 23: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/23.jpg)
© Fraunhofer
Elektrolyte für LiB
Elektrolyte
flüssig fest
wässrignicht-
wässrigIonische
Flüssigkeitenfeste Polymer-
ElektrolyteanorganischeFestelektrolyte
Gel-Polymer-Elektrolyte
Brennbare organische Elektrolyte!
Entwicklungstrends
![Page 24: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/24.jpg)
© Fraunhofer
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
© Fraunhofer
Defekte LiB aus Boeing 787
![Page 25: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/25.jpg)
© Fraunhofer
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
© maps.google.de
©Fraunhofer ISC
©Fraunhofer ISC
©Fraunhofer
ISC
©Fraunhofer ISC
![Page 26: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende · PDF filevictor.trapp@isc.fraunhofer.de. Title: Dr. Trapp-Batteriespeicher für die Energiewende Author: juergen.herber Created Date:](https://reader033.vdocuments.mx/reader033/viewer/2022052709/5a7a70377f8b9a27638d8cb7/html5/thumbnails/26.jpg)
© Fraunhofer
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
© ZAHA HADID ARCHITECTS
Dr. Victor Trapp
Neunerplatz 2, 97082 Würzburg; Phone: +49 (0)931 [email protected]