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Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Struckmann Struckmann Struckmann 5 9 13 Strom-Ziele für Erneuerbare Fluktuation Erneuerbarer – Tage Welche Speicher? Nettostromerzeugung in Deutschland KW35/2022 ?? ?? Batterietechnik Last ~ 50 10 GW energy-charts.info 1 Grundlagen Anteil Erneuerbarer in Deutschland 2023 2024-09-23 Lunz/RWTH Thorsten Struckmann Sterner Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - 1 Grundlagen Struckmann 2 Struckmann 6 Struckmann 10 Einsatzbereiche der Speichertechnologien Struckmann 1 Grundlagen Szenarien für Stromerzeugung und - Verbrauch Fluktuation Erneuerbarer – Minuten & Stunden 2 Performance und Zell-Typen 3 Batterie-Bilanzen 4 Empirische Modelle Viertelstundenwerte Solar vs. Wind in Deutschland in 2021 5 Ersatzschaltbilder 1.1 Energiespeicher in der Stromversorgung 1.2 Chemische Grundlagen 1.3 Galvanische Zellen 1.4 Elektroden und Potenziale 40 GW 14 Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - 1.1 Energiespeicher in der Stromversorgung Struckmann 3 Struckmann 7 Struckmann 11 Elektrochemische Energiespeicher Struckmann 15 Verteilung von Wind und Photovoltaik in 2021 Batterien sind elektrochemische Energiewandler Technologie- Gestehungskosten für Erneuerbare überblick Einspeichern /Laden Energiespeicher elektrische chemische Energie Energie Audi Ausspeichern / Entladen Sumitomo Sauer + Effizienz, geringe Verluste Umweltbundesamt + Energie-Masse-Verhältnis Mobile Unterbrechungsfreie - Anschaffungskosten Energiespeicher für - Lebensdauer Stromversorgung Stromversorgung Erneuerbare Energien Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Speicher – Warum und wann? Struckmann 4 Struckmann 8 Speicher! Bedarf für 100% Erneuerbare Energien Struckmann 12 Struckmann 16 Verknüpfung von Energie und Leistung? Stromerzeugung in Deutschland Fluktuation Erneuerbarer – Szenario für Residuallasten in 2050 Monate – Deutschland 2023 Interne Speicher Externe „Batterien“ Speicher Primärbatterien Sekundärbatterien 7,8 GW 56,1 GW 67 % 54 % nicht wiederaufladbar (Akkumulator) wiederaufladbar Flow-Batterien Alkali-Mangan Blei-Säure 58,7 GW Brennstoffzelle 7,8 GW Zink-Kohle Lithium-Ionen Power-to-X Lithium, … NiMH 5,6 GW Speicherung und NaS, … Speicherung und Wandlung in der Zelle Wandlung getrennt Sterner Energie und Leistung Energie und Leistung energy-charts.info verknüpft unabhängig  Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Installierte Speicher Struckmann 17 Redox-Reaktionen Struckmann 21 1.3 Galvanische Zellen Struckmann 25 Zellen und Stacks Struckmann 29 Eine elektrochemische Zelle besteht aus Stack bzw. Modul als Verschaltung mehrerer Zellen Redox-Reaktion - Mind. zwei Elektroden (Elektronenleiter) in einem o Übergang von z Elektronen zwischen Redox-Paaren Elektrolyten (Ionenleiter) - verbunden durch äußeren „Stromkreis“ Redoxsystem – Redox-Paar o Element in versch. Oxidationsstufen o Oxidationszahlen: „Ladungszahlen“ o Ungeladen: Oxidationszahl 0 Brennstoffzelle Oxidation Stack o Elektronenabgabe – Oxidationszahl wird größer o „Unedle“ Metalle lösen sich auf o „Anionen“ geben Elektronen ab Starter-Batterie – Schmidt Batterie-Spannung ~ 12V Reduktion o Elektronenaufnahme – Oxidationszahl wird kleiner Galvanische Zellen – Elektrochemische Zelle mit 2 durch Separator getrennten Zell-Spannung ~ 2V o „Edle Elemente“ werden abgeschieden Halbzellen zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie Stack: 6 Zellen in Reihe o „Kationen“ nehmen Elektronen auf Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Aufgaben Struckmann 18 Stoffmenge, Konzentration Struckmann 22 Galvanische Zelle – z. B. Daniell-Element (1836) Struckmann 26 1.4 Elektroden und Potentiale Struckmann 30 Stoffmenge n (Teilchenanzahl) A1) Strommarkt: Energie- Leistung – Bedarf Elementare Bestandteile Elektroden: Elektronenleiter und Elektrode - Elektronenleiter und Reaktionsoberfläche Ordnungszahl Reaktions-Oberflächen mit Potentialdifferenz Beispiel Metallelektrode Orte der Redox-Reaktionen a) Schätzen Sie die aktuelle jahresdurchschnittliche Leistungsnachfrage ab. o Protonenzahl der Atome Übergang von z Elektronen zwischen Redox-Paaren b) Schätzen Sie die durchschnittliche Nutzung bzw. Auslastung (in %) der installierten o Bsp. Lithium: 3 Separator: Für spezielle Ionen Leistung für die einzelnen „Erzeugungs-Segmente“ in 2023 ab. o Periodensystem der Elemente durchlässiges Material c) Ein Kernkraftwerk hat eine maximale Leistung von ca. 1.3 GW. Vergleichen Sie die bereitgestellte Energiemenge mit denen der „Erneuerbaren“ unter der Annahme, Elektrolyt: Lösungsmittel (z.B. dass das KKW an 300 Tagen im Jahr unter Volllast läuft. Molmasse MX Wasser) mit gelösten, beweglichen Faraday‘sche Reaktion o Masse 1 mol Element/Molekül Ionen o elektrochemische Reaktion mit Elektronenübergang o 1 g*(Protonzahl+ Neutronenzahl) (Ladungstransfer) A2) Speicherbedarf – Zeitliche Verteilungen o Bsp. Lithium: MLi = 6.94 g/mol Stromsammler: Elektronenleiter o Faraday-Gesetz für Ladungs- a) Geben Sie Gründe für den Bedarf von Kurzfrist- und Langfrist-Speichern an. äußerer Stromkrei s und Stoffmengenumsatz o Masse Sterner b) Geben Sie Gründe für die Verwendung unterschiedlicher Speichertechnologien im Kurzfrist- und Langfristbereich an. Zink- Kupfer- c) Plausibilisieren Sie die für das 100%-Erneuerbare-Szenario angegebenen Zahlen für Elektrochemisches Gleichgewicht Stoffmengen-Konzentration in Lösungen Elektrode Elektrode Kurz- und Langfristspeicher über geeignete Überschlagsrechnungen. Nettoreaktion verschwindet durch gleiche Oxidations- und o Molarität = Stoffmenge / Gesamtvolumen Reduktionsraten Elektrische Ladungsmengen A7) Ladungsumsatz – Bestimmen Sie die Ladungsmenge für die vollständige Oxidation von 100 g Zink o Faraday-Konstante TU Graz Plett (Reduktion von 80g Cu2+). Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - 1.2 Chemikalische Grundlagen Struckmann 19 Säuren, Basen, pH-Wert Struckmann 23 Struckmann 27 Elektroden-Potentiale Struckmann 31 pH-Wert - Maß für H+-Konzentration Elementare Prozesse – Galvanische Zelle Elektroden & Elektrolyt o = / o Zink geht unter Potential i elektrische Arbeit o Wasser-Gleichgewicht Elektronenabgabe in Lösung um Ladung q aus dem Unendlichen in die (Elektrolyt) Phase (i: Elektrode/Elektrolyt) zu transportieren o Kupfer scheidet sich unter Elektronenaufnahme aus dem Säuren – Moleküle geben Protonen (H +) ab Elektrolyten ab o H3O+ -Ionen (Oxonium) in wässrigen Lösungen Elektrodenpotential Potentialdifferenz an Elektrode-Elektrolyt-Grenze o Dissoziation (A: Säure-Rest) Stromsammler (nur gegen Bezugspotential messbar) o Erniedrigt pH-Wert, neutralisiert Basen Elektronen werden im äußeren Teil des Stromkreises von der negativen Halbzelle (-) zur positive Halbzelle (+) geleitet Elektrochemische Basen(Laugen)– Moleküle nehmen Protonen auf Zink- Kupfer- Spannungsreihe oder Hydroxid-Ionen ( ) abgeben Elektrode Elektrode Elektrolyt & Separator o Beispiel Natronlauge (Natriumhydroxid) in Wasser Der Ladungsausgleich zwischen „schwer zu lösen, „leicht zu lösen, den Halbzellen erfolgt durch einen hohes Potential“ Fraunhofer ICT geringes Potential“ Ionenstrom durch Elektrolyt und o Ammoniak NH3, Kaliumhydroxid KOH, Calciumhydroxid Ca(OH)2 Separator o Erhöht pH-Wert, neutralisiert Säuren TU Graz Bezugspunkt Wasserstoff Potentialdifferenz zur Wasserstoff-Elektrode („NHE“) Säure + Base Salz + Wasser z.B. Daniell-Element (1836) – Beispiel Natronlauge und Salzsäure Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Atome, Moleküle, Ionen Struckmann 20 Aufgaben Struckmann 24 Struckmann 28 Zell-Spannung Struckmann 32 Atom A3) Massen Bestimmen Sie die Elektrochemische Prozesse - Oxidation und Reduktion o „Elementare“ Bausteine Zell-Spannung o Negativ geladene Elektronen in der Atomhülle Massen von a) 1 mol H2, H2SO4 Anode Kathode o Positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen Anode – Elektrode der Oxidation b) 0.5 mol H2CO3, NaCl Potentialdifferenz von pos. und neg. Elektrode im Atomkern o Elektronenabgabe Unedle Metall lösen sich auf o Element durch Protonenzahl bestimmt Anionen geben Elektronen ab A4) Stoffmengen o Elementsymbole: Zn (Zink), Cu (Kupfer), o Anodischer Strom (I>0): Elektronenfluss vom Elektrolyten Bestimmen Sie die Normalpotential / Standardpotential ( S (Schwefel), O (Sauerstoff), H (Wasserstoff), … in Elektrode Stoffmenge von Negative Ladung der Anode a) 100 g Molekül Kochsalz(NaCl) o Chemische Verbindung von Atomen b) 0.25 Liter Wasser o CuSO4 (Kupfersulfat), ZnSO4 (Zinksulfat), (Dichte 1 g/cm3) Kathode – Elektrode der Reduktion H2O (Wasser), … c) H3O+ in 0.5 Liter o Elektronenaufnahme Lösung mit pH-Wert Edle Elemente werden abgeschieden 1 (7) Hier: Entladung Kationen nehmen Elektronen auf Ion o Kathodischer Strom (I 2 H2O  Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Eigenschaften von Elektrodenmaterialien Struckmann 33 2.1 Li-Ionen-Batterie Struckmann 3 Struckmann 7 Kapazität Qmax und C-Rate Struckmann Zell-Spannung Spannung U (oft E,V) Arbeit pro Ladungseinheit [U] = 1 V(olt) = 1 J(oule) / C U(I, …) – Zell-Spannung unter Last Differenz der Elektrodenpotentiale Elektroden- Spannung Komponenten einer Lithium-Ionen-Zelle Material „Coffee-Bag“ © Uni Siegen LiCoO2 3,7 V Kapazität Qmax (oder C) Maximale Ladungsmenge LiMnO2 3,7–3,8 V Q = I * t bzw. Q = I(t) dt LiFePO4 3,3 V Nenn-Spannung UN [Q] = [Qmax] = 1 A h = 3600 C(oulomb) „typische Betriebs-Spannung“ – hier: 3.7 V Li2FePO4 F 3,6 V abhängig von I Kurzweil Gleichgewichts-Spannung OCV Nenn-Kapazität als ungefähre Größe Leerlaufspannung U0 = U (I=0) „Open Circuit Voltage“ C-Rate = I / Qmax Entladestrom / Kapazität Linden 3rd, 1.4 [C-Rate] = 1/h A9) Berechnen Sie die elektrochemischen Äquivalente (H2, Li, (Li)C6, NiOOH, PbO2) : Leerlaufspannung Li-Ionen-Batterie bei Normalbedingungen Stromstärke bezogen auf die Kapazität in Ah spezifische Ladung = Ladung/Masse in Ah/g Entladung mit 2 C / h => 1 Entladung in ½ h Kurzweil Ladungsdichte = Ladung/Volumen in Ah/cm3 Spezifische Energie: 90-160 Wh/kg A2) Berechnen Sie die C-Rates für 0.5 A, 10 A, 30 A. 11 Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - 1 Ergebnisse - Grundlagen Struckmann 34 Struckmann 4 Aufgabe - Prozesse der Ladung und Entladung Struckmann 8 Ladezustand SoC Struckmann 12 A3) Massen A1) Ordnen Sie den allgemeinen Lade- und Entladeprozessen die beteiligen Reaktionen, Atome, Bestimmen Sie die Li-Ionen-Batterie - Entladen Ionen und Bauelemente der Li-Ionen-Batterie zu. Ladezustand SoC Massen von „State of Charge“SoC = Qverbleibend / Qmax a) 1 mol H2, H 2SO 4 (2,02 g, 98,08 g) Anode Menge an elektrischer Ladung, die die Zelle noch b) 0.5 mol H 2CO3, NaCl (31,02 g, 29.22 g) maximal liefern kann A4) Stoffmengen „Depth of discharge“ DoD = 1 -SoC Bestimmen Sie die Stoffmenge von Verbraucher Spannungsquelle a) 100 g Kochsalz(NaCl) (1,71 mol) Kathode b) 0.25 Liter Wasser (Dichte 1 g/cm3) (13,9 mol) c) H 3O+ in 0.5 Liter Lösung mit pH-Wert 1 (7) (5*10 -8 mol) A5) Konzentrationen a) Neutralisation von Säure und Lauge – Bestimmen Sie das benötigte Volumen 2-molarer Natronlauge zur Gesamtreaktion (0 < x 1) Neutralisierung von 0.5 Liter Säure-Lösung mit pH-Wert 2. (0,0025 Liter) b) Konzentrierte Säure – Die Dichte konzentrierter Schwefelsäure (96%-Massenanteil) beträgt bei 20 °C 1,84 Hier: Entladung kg/Liter. Bestimmen Sie das Volumen, auf das 0.2 Liter der Säure mit Wasser verdünnt werden müssen, Schmidt um 2-molare Schwefelsäure zu erhalten. (Näherung! 1,88 l) Plett Anode = Negative Elektrode Kathode = Negative Elektrode A7) Ladungsumsatz – Bestimmen Sie die Ladungsmenge für die vollständige Oxidation von 100 g Kathode = Pos. Elektrode Anode = Positive Elektrode Zink.(82,0 Ah) Positive Ionen fließen von Anode zu Kathode und Positive Ionen fließen von Anode zu Kathode und A9) Berechnen Sie die elektrochemischen Äquivalente (H2, Li, (Li)C6, NiOOH, PbO2) : /oder negative Ionen von Kathode zu Anode /oder negative Ionen von Kathode zu Anode spezifische Ladung = Ladung/Masse in Ah/g Elektrolyt: Organische Flüssigkeit mit LiPF6-Salz Elektronen durch äußeren Leiter von Anode zu Elektronen durch äußeren Leiter von Anode zu Ladungsdichte = Ladung/Volumen in Ah/cm3 Kathode Kathode Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Struckmann 5 2.2 Batterie-Performance Struckmann 9 Leistung und Energie Struckmann 13 Li-Ionen-Batterie - Laden Anode Batterietechnik Bsp. Sony US18650VTC5A Kathode 2 Performance und Zell-Typen Gesamtreaktion (0 < x 1) 2024-10-24 Schmidt Thorsten Struckmann Leistung - Gelieferte Energie pro Zeit Energie (Energieinhalt E bzw. W) o P = U I , [P] = 1 W = 1 J(oule) / s o W = Q U , [W] = 1 W h = 3600 J(oule) o P/m – spez. Leistung - [P/m] = 1 W / kg o W/m – spez. Energie - [W/m] = 1 Wh / kg Elektrolyt: Organische Flüssigkeit mit LiPF6-Salz o P/V – Leistungsdichte – [P/V] = 1 W / l o W/V – Energiedichte - [W/V] = 1 Wh / l Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - Batterietechnik - 2 Performance und Zell-Typen Struckmann 2 Struckmann 6 Stromstärke I Struckmann Spannung unter Last – U-I-Kennlinie Struckmann 14 Li-Ionen-Batterie - Anwendung Stromstärke - elektrische Ladung Q pro Zeit I = Q / t Energieverfügbarkeit abhängig von U(i) bzw. U(I) o Stromstärken (Laden/Entladen) 2.1 Li-Ionen-Batterie 1 Grundlagen [I] = 1 A(mpere) = 1 C/s o Temperatur (T0 = 25°C 298 K) Laden I > 0 2 Performance und Zell-Typen o Batterie-Geometrie 2.2 Batterie - Performance Ladung I > 0 vs. Entladung I < 0 o Lade-Methoden 3 Batterie-Bilanzen 2.3 Zell-Typen – Li-Ionen, NiMH, Redox-Flow Elektronischer/ionischer Strom in Elektrode/Elektrolyt o … 4 Empirische Modelle Stromdichte i = I / A , [i]=1 A/cm2 (Separatorfläche A) „Über- 2.4 Sekundäre Batterien und Wasserstoff 5 Ersatzschaltbilder x U/V spannung“ Ziegler 2021 OCV „Über- spannung“ Entladen I 80% [Wh/kg] o Keine Reaktion Gesamtwirkungsgrad ~ 80 ~ 95 70 - 80 70 – 80 zwischen [%]