Materialforschung für zukünftige Speicher
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Materialforschung für zukünftige Speicher F. Schüth Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Speicherdichte unterschiedlicher Energieträger für Autos 400 kWh chemical energy U. Eberle, M. Felderhoff, F. Schüth, Angew.Chem.Int.Ed. 48, 6608 (2009) Size and time scales of storage options typical time scale [s] 108 Chemical compounds grid scale 106 Li-ion (electronics) Engine fuel Redox-Flow Pb battery Li-ion (traction) 1 year 1 month (pumped) hydro CAES 1 day NaS battery 104 1 hour Flywheel 102 capacitors 1 1 Wh 1 kWh 1 MWh typical size scale 1 GWh 1 TWh State-of-the-art: die Li-Ionenbatterie 11 Gew.% 18 Gew.% 46 Gew.% 2 Gew.% 15 Gew.% ©Cepheiden 8 Gew.%: Elektrodenadditive, z.B. Binder Data from: M. Broussely, G. Archdale, J.Power Sources 136, 386 (2004) Entwicklungspotenzial der Lithium-Ionenbatterie M. Broussely, G. Archdale, J.Power Sources 136, 386 (2004) Neue Elektrodenmaterialien: Kohlenstoff-verkapselte Silicium-Anoden • Graphit-Anode: theoretische Kapazität 372 mAh/g • LiCoO2-Kathode: theoretische Kapazität 145 mAh/g • Silicium-Anode: theoretische Kapazität 4200 mAh/g Silicium-Nanopartikel hydrothermal mit Kohlenstoff gecoatet Zukünftige Batteriegenerationen Electricity Storage Association Großes Potential bei Lithium-Schwefel-Batterien P. Bruce et al., Nature Mater. 11, 19 (2012) Beispiel für die Materialforschung bei LithiumSchwefel-Batterien S. Jeong et al., J.Power Sources 235, 220 (2013) Effekte auf das Elektrizitätssystem Jahresfahrleistung 2011 PKW Deutschland: 609 Mrd. km Elektrofahrzeuge 0.15 kWh/km Entspricht einem Bedarf von 90.9 TWh elektrischer Energie Deutschlands Stromerzeugung im Mittel vergangener Jahre: 600 TWh 10000 Windpower [MW] 9000 8000 43 Millionen PKW mit 16 kWh Batterie (Ampera) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Windleistung in der 50 Hertz Regelzone 2011 1.4.2011 8.4.2011 15.4.2011 22.4.2011 April 29.4.2011 Windleistung in der 50 Hertz Regelzone April 2011 Wärme oft vergessen: 50 % des Endenergieverbrauchs Wärmespeicherung ist ein interessantes Thema Temperatur sensible Wärme Latentwärme TPC Energie Große Wärmespeicher (sensibel) Wasser Beton Salzschmelzen Beton D. Laing et al., IRES III 2008, 3rd International Renewable Energy Storage Conference, 24.-25.11.2008, Berlin Materialforschungsaspekte • Temperaturwechselstabilität • Korrosion Wärmetauscher Salzschmelzen Materialforschungsaspekte • Salzmischungen für höhere Temperaturen • Stabilität • Korrosivität • Keramische Partikel • Stabilität • Sintern • Geschmolzene Metalle • Wärmeübergang • Beständigkeit von Bauteilen Latentwärmespeicher: Phase Change Materials Temperatur sensible Wärme Latentwärme TPC Energie Ideal: Phasenwechsel kontrollierbar unabhängig von Temperatur stark unterkühlte Flüssigkeiten oder überhitzte Festkörper Vom Handwärmer zum Wärmecontainer Quelle: LaTherm ca. 2 MWh CH3COONa 3 H2O (fest) . + 270 kJ/kg - 270 kJ/kg CH3COONa . 3 H2O (flüssig) Schmelztemperatur 58.5 °C, Unterkühlung bis -20 °C Latentwärmespeicher: Passivkühlung H.M. Henning, P. Schossig, Fraunhofer ISE Latentwärmespeicher: Reversible chemische Reaktionen B. Bogdanovic et al., Angew.Chem.Int.Ed. 29, 223 (1990) Beispiel: das Magnesium-Wasserstoff-System Speicherdichte 0.9 kWh kg-1Mg Temperatur zwischen 300 und 500°C Getestet über 1800 Zyklen Unterschiedliche Speicherverfahren für den Wasserstoff MgH2 Sintermetallrohr für Wasserstoff Zu- und Abfuhr Wand des Druckbehälters Mg Beispiel: das Magnesium-Wasserstoff-System M. Felderhoff, B. Bogdanovic, Int.J.Mol.Sci. 10, 325 (2009) Speicherung von Energie als Wasserstoff: Elektrolyse und Brennstoffzelle Reaktion: 2 H2 + O2 H2O Elektrolyse • Höhere Effizienz als • Membran Katalysator Kathode Anode Katalysator (Nafion) Verbrennung Nur Wasser als Produkt Herausforderungen der Brennstoffzelle Hohe Mengen Platin im Katalysator (80 g) Bessere Membranen (höhere Temperatur, bessere Leitfähigkeit) Gas- und Flüssigkeitsmanagement 2 SA (mA/cm Pt) 1,0 Pt@Vulcan PtNi@HGS Nach 3600 Zyklen 1,0 0,8 0,8 0,6 0,6 DOE 2020 target 0,4 0,4 0,2 0,2 0,0 0,0 MA (A/mgPt ) Frisch C. Galeano, C.J.Baldizzone, Meier et al.,S.J.Am.Chem.Soc. Mezzavilla et al.,134, unveröffentlicht 20209 (2012) Wie speichert man Wasserstoff im Auto? Source: U. Eberle, GM FCA R. van Helmolt, U. Eberle, J.Power Sources 165, 833 (2007) Chemische Speicher: Reaktionen kleiner Moleküle an festen Katalysatoren – aber nicht rückverstromen Natural gas Coal biomass H + CO + CO 2 H2Ogas Synthesis hydrogen 2 CO Acetic acid olefins H2 + CO oxoalcohols FT fuels Higher alcohols Lower olefins Established processes methanol formaldehyde MTBE Under development
