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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

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

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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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ISC

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Dr. Victor Trapp

Neunerplatz 2, 97082 Würzburg; Phone: +49 (0)931 4100-370victor.trapp@isc.fraunhofer.de