Projekt Energie

Elektrochemische Speicher Teil 1, Blei-Säure Batterie

Schema einer Blei-Säure-Batterie, www.chemgapedia.de (Bild: 1/3)
  • Die Batterie wurde in Frankreich in 1859 (Gaston Plante) erfunden.
  • Die Serienproduktion im industriellen Maßstab begann Ende des 19. Jahrhunderts (Henri Tudor 1887).
  • Die Batterie gehört zu Akkumulatoren (widerholbare Wandlung).
  • Die erste praktische Anwendung der Batterie für die Energiespeicherung.
  • Die Blei-Säure Batterie zeichnet sich durch eine sehr niedrige Energiedichte (bezogen sowohl auf Masse als auch auf Volumen) aus. Es kann jedoch sehr hohe Werte für elektrischen Strom liefern, was bedeutet, dass diese Batterie einen signifikanten Wert für die Leistungsdichte aufweist.
  • Diese Eigenschaften machen zusammen mit den geringen Anschaffungskosten Blei-Säure-Batterien vor allem in der Automobilindustrie als Starterbatterie für Motoren attraktiv.

Ausblick für die Forschung und Entwicklung der Speichertechnologien

Wichtige Kriterien für die Entwicklung von Speichern nach DLR

Bei der Entwicklung der Speichertechnologien gibt es einen großen Bedarf und ein großes Potenzial. Die Reifegrade einzelner Technologiepfade sind sehr unterschiedlich ausgeprägt. Ausgereifte Technik gibt es beispielsweise bei den Pumpspeicherwerken, Blei-Säure-Batterien, sensiblen Wärmespeichern und Porenspeicher für Methangas.
Nachfolgend sind Stärken und Schwächen einzelner Technologien (eingegrenzt für den Bereich thermische und mechanische Speicher) dargestellt.

 

Anforderungen an Speicher der Zukunft

Die Anforderungen an die Energiespeicher der Zukunft wurden durch das DLR, dem Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt, wie nachfolgend dargestellt, zusammengefasst. Bemerkenswert in der Übersicht ist die Forderung einer hohen Energiedichte der zu entwickelnden Speichersysteme.

Übersicht der Speichersysteme und deren Einordnung im Komplex der Energiesystemdienstleistungen, Teil 3

Vergleich verschiedener volumetrischer Energiedichten

1.      Technologien der Energiespeicherung

Übersicht und Vergleich

Die Technologien der Energiespeicherung zeichnen sich durch eine große Vielfalt aus. Es sind als Vergleichskriterium sehr unterschiedliche Kriterien nutzbar (technische Eigenschaften, Funktion, Anwendungsfälle, Einsatzzeitpunkt, Einsatzort etc.).


Entscheidende Parameter für die praktische Anwendung und Wirtschaftlichkeit sind:

  • Investitionskosten,
  • Wirkungsgrade,
  • Energiedichten,
  • Zyklenzahlen.

Übersicht der Speichersysteme und deren Einordnung im Komplex der Energiesystemdienstleistungen, Teil 2

Innenansicht des Batteriespeichers, Feldheim

Bei dieser Klassifizierung erfolgt die Unterscheidung nach der Form der gespeicherten Energie in:


Physikalisch energetische Klassifizierung

  1.  Elektrische Energie, Elektrostatische oder Elektromagnetische Energie
  2.  Chemische Energie (auch Bindungsenergie)
  3.  Mechanische Energie (auch potenzielle und kinetische Energie)
  4.  Thermische Energie (auch kalorische Energie oder Wärme und Kälte)

Diese vier Energieformen kann man in weitere Untergruppen teilen. So kann man die mechanischen Energiespeicher in potenzielle Energiespeicher (Pumpspeicher) und in kinetische Energiespeicher (z.B. Schwungrad) weiter einteilen.

Mechanische Speicher nutzen aus, dass ein gasförmiges, flüssiges oder festes Medium aufgrund seiner Lage (Potenzial), seiner Geschwindigkeit (Kinematik) oder seines thermodynamischen Zustandes (Druck) eine gewisse Energie aufweist. Sie sind überwiegend sekundäre Speicher. Zu ihnen gehören Druckluftspeicher, Pumpspeicher, Lageenergiespeicher, Schwungräder und Federn.

Übersicht der Speichersysteme und deren Einordnung im Komplex der Energiesystemdienstleistungen, Teil 1

Batteriestand, BTU Cottbus-Senftenberg (Bild: 1/2)

1.       Definition von Speichern

Speicher sind Einrichtungen und Anlagen zur Vorratshaltung und Lagerung von Gütern. Sie dienen dem zeitlichen Ausgleich von Aufkommen/Erzeugung und dem Verbrauch. Dabei ist der Energieträger, der Stoff, der Energie eingespeichert hat. Energie bzw. Strom ist ein Gut, welches speicherbar ist. Die Energiespeicherung beinhaltet dabei drei Phasen:

1. Einspeicherung/Laden;
2. Speichern;
3. Ausspeichern/Entladen.

Dabei können die drei Phasen in einem Schritt integriert oder einzeln realisiert werden. An einem Beispiel für die mechanische Speicherung soll das erklärt werden. Bei einem Pumpspeicherwerk besteht das Speichersystem aus dem Oberbecken, dem Pumpwerk und dem Unterbecken. Die Speicherkapazität (potenzielle Energie) hängt von der Menge des Wassers und von der Höhendifferenz zwischen Ober- und Unterbecken ab. Das Einspeichern der Energie erfolgt über eine Pumpe, welche Wasser aus dem Unterbecken in das Oberbecken pumpt. Dann steht die gespeicherte Energie zur Verfügung und kann bei Bedarf mit Hilfe der Turbine und des Generators rückverstromt werden.

Technische Kennwerte von Batterien

(Bild: 1/2)
  1. Zellspannung - ist die elektrische Spannung einer einzelnen elektrochemischen Zelle d.h. die Differenz der Elektrodenpotenziale der eingesetzten Elektroden. Die Einheit der Zellspannung ist Volt.
  2. Kapazität - die Ladungsmenge, die in einer Batterie gespeichert werden kann. Die Kapazität der Batterien hängt von vielen Faktoren z.B. Temperatur, Entladestromstärke ab. Die Kapazität der Batterien wird in Ah (Amper-Stunden) oder C (Coulomb) gegeben. Die Interpretation der Kapazität ist folgend. Wenn eine Batterie eine Kapazität von 100 Ah hat, fließt Strom 1 A über 100 Stunden bis die Batterie entladen ist bzw. fließt ein Strom 100 A über 1 Stunde. Hiermit muss man aber die Abhängigkeit der Kapazität von dem Entladestrom berücksichtigt werden. Generell je langsamer mit geringer Stromstärke entladen wird desto Batteriekapazität größer wird. Die Temperaturabhängigkeit der Kapazität muss auch in Betracht bezogen werden. Die Kapazität nimmt zu mit steigender Temperatur.
  3. Energieinhalt - ergibt sich aus Produkt von Zellspannung und Kapazität der Batterie. Die Einheit ist Ws (Wattsekunde).

Ideenwettbewerb „Wasserstoffrepublik Deutschland“

Sofortinitiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung zur Umsetzung der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung

Erwartet werden Projektvorschläge zu hochinno­vativen Lösungen für Kernfragestellungen Grünen Wasserstoffs entlang der gesamten Wertschöpfungskette (Erzeugung, Speicherung, Transport sowie Nutzung einschließlich Rückverstromung). Dabei sollen insbesondere Fragestellungen der Materialforschung sowie mögliche Schlüsseltechnologien der nächsten und übernächsten Generation in den Blick genommen werden. Ferner sind auch System­studien zur Integration von Grünem Wasserstoff in das Energiesystem (z.B. Simulationen, techno-ökonomische Analysen, Pfadbewertungen) als Beitrag zum Monitoring/zur Weiterentwicklung der Wasser­stoffstrategie förderfähig [Quelle: Bundesministerium für Bildung und Forschung].

Mehr Informationen finden Sie unter www.ptj.de/projektfoerderung/anwendungsorientierte-grundlagenforschung-energie/ideenwettbewerb-gruener-wasserstoff

Ermittlung des Druck- und Temperatureinflusses auf die Stromdichte-Zellspannungs-Charakteristik einer fortschrittlichen alkalischen Druckelektrolyseanlage - Teil 1

U. Fischer, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Einleitung

Im Rahmen praktischer Versuchsreihen wurde am Wasserstoff- und Speicherforschungszentrum der Brandenburgischen Technischen Universität in Cottbus der Einfluss verschiedener Betriebsparameterkonfigurationen auf die Stromdichte-Zellspannungs-Charakteristik des alkalischen Druckelektrolyseprozesses untersucht. Als Versuchsobjekt für die Untersuchungen diente der 150 kW‑Druckelektrolyseur der BTU, welcher bei der Nennstromstärke von 2.000 A eine Stromdichte von 4,59 kA/m2 sowie eine nominale Wasserstoffproduktionsrate von 20 Nm3/h aufweist. Der Elektrolyseur besteht aus 24 elektrisch in Reihe geschalteten Zellen und als Elektrolyt wird eine 28 m-%ige Kaliumhydroxidlösung verwendet.

Grundlagenforschung zur Optimierung des alkalischen Druckelektrolyseprozesses am 25 bar Einzel-Zell-Versuchsstand

U. Fischer, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Anlagenplanung und Integration

  • Integration in die bestehende Lüftungsinfrastruktur des Gebäudes
  • Verlegung gesonderter Ausblaseleitungen für den produzierten Wasserstoff und Sauerstoff
  • Autarke Wasseraufbereitungsanlage im EZV-Raum (Einzel-Zell-Versuchsstand)
    • Erweiterung der Leitungsinfrastruktur zur Frischwasseranbindung
  • Integration in das bestehende Sicherheitskonzept des Gebäudes sowie des Druckelektrolyse-Prototypen
  • Entwicklung eines entsprechenden Sicherheitskonzeptes für den Versuchsstand
    • Kommunikation zwischen Warte - EZV
  • Separate Stickstoffversorgung im EZV-Raum
  • Integration in das bestehende Blitzschutzkonzept des Gebäudes und des H2-Speichertanks

Superkondensatoren

Quelle: www.elektroniknet.de

Superkondensatoren verwenden elektrochemische Reaktionen („Faraday Ladungstausch” und „Helmholtz Doppelschichten“) auf der Elektrodenoberfläche. In Superkondensatoren, auch Ultrakondensatoren genannt, bestehen die Elektroden (Auskleidungen) aus poröser Aktivkohle. Aktivkohlen haben eine spezifische große Oberfläche, weshalb Elektroden aus diesem Material auch eine große Oberfläche haben. Darüber hinaus haben sie spezielle chemische Eigenschaften, so dass irreversible Reaktionen, die normalerweise in Batterien zwischen Elektroden und dem ionenleitenden Elektrolyten auftreten, nicht auftreten. Ein weiterer Aspekt, der besondere Aufmerksamkeit verdient, ist die Tatsache, dass Superkondensatoren auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet werden. Dieser Name spiegelt die spezifische Struktur von Superkondensatoren wider (Abbildung 1).

Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES)

Quelle: EnergieAgentur.NRW

Einführung
Wenn an einer Spule eine Spannung angelegt wird, wird durch einen elektrischen Strom, der durch sie fließt, ein magnetisches Feld erzeugt. Sobald das magnetische Feld erzeugt wird, wirkt es der Spulenspannung entgegen. Dieses Phänomen nennt man Lenzsches Gesetz (Abbildung 1). Solange es Spannungen gibt, wird gearbeitet. Diese Arbeit ist Speicherung in Form von Magnetfeldenergie. Wenn wir diese Energie halten wollen, muss der elektrische Strom auf seinem Niveau gehalten werden. Bei normalen Leitern, die immer einen gewissen spezifischen Widerstand haben, bedeutet dies, dass wir zur Deckung der damit verbundenen Verluste weiterhin Energie bereitstellen müssen. In Supraleitern, in denen der spezifische Widerstand Null ist, ist der elektrische Strom jedoch konstant, wenn die Leistung unterbrochen wird. Dieser Effekt kann in Energiespeichern verwendet werden. Das Sammeln gespeicherter Energie ist durch Anschließen an den Empfänger sehr einfach.

Standortstudie für „Power to Gas“ (PTG) im Land Brandenburg

Das Wasserstoff- und Speicher-Forschungszentrum

Spezifische Motivation für das Thema:

  • Lösung des Flächenkonfliktes zwischen EE-Erzeugung und EE-Nutzung in der „Wärmewende“
  • PTG-Anlagen mit Methanisierung ermöglichen:
      • Die Kopplung der Strom- und Gasnetze für den Transport großer Leistungen aus EE zu den dichtbesiedelten Gebieten
      • Einsatz des EE-Methans für die Wärmewende ohne Einschränkungen, d.h. keine Zumischgrenzen wie bei Wasserstoff und keine Anpassung der Gasanwendungen im Wärmemarkt, da die Brenneigenschaften von EE-Methan und Erdgas nahezu identisch sind
      • Prüfung, ob PTG-Anlagen als Kopplungselement zwischen Strom- und Gasnetze kostengünstiger sein können als Umgestaltung der  Strominfrastruktur
  • Kommunikation mit BNetzA mit der Zielstellung „Refinanzierung der PtG-Anlagen als Netzausbaumaßnahme in Gasnetzen“ für den Transport großer Leistungen aus EE in die dichtbesiedelten Gebiete

Kondensator als Energiespeicher

Batteriestand an der BTU in Cottbus

Kondensator besteht aus zumindest zwei leitfähigen Materialien (Elektroden), die physikalisch voneinander getrennt sind. Zwischen diesen leitfähigen Materialien befindet sich ein dünnes, nicht leitfähiges Material (Dielektrikum). Zusätzlich zwischen den Elektroden ist ein elektrisches Feld vorhanden. Dieses Feld resultiert von Anwesenheit der elektrischen Ladungen, wobei eine Elektrode ist positiv (q+) und die andere negativ (q-) aufgeladen. Die elektrischen Ladungenentstehen nach dem Anlegen einer Spannung. Nach der Abschaltung der Spannung wird im Kondensator eine Energie gespeichert in Form eines elektrischen Feldes.

Wirtschaftlichkeitssimulation der Wasserstoffproduktion

Kennfeld Wasserstoff-Gestehungskosten Elektrolyse, U. Fischer Lehrstuh Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Einleitung

Im Rahmen der Forschungsarbeiten am H2-Forschungszentrum der BTU Cottbus-Senftenberg werden neben den praktischen Untersuchungen an einer alkalischen Druckelektrolyseanlage Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zum Einsatz der Elektrolysetechnik in Verbindung mit fluktuierender Windenergieeinspeisung durchgeführt. Ziel der Analysen ist eine wirtschaftlich optimierte Betriebsstrategie des Systems, bestehend aus Windpark, alkalischem druckaufgeladenem Elektrolyseur, H2-Speicher und Rückverstromung. Hierzu wurde ein Wirtschaftlichkeits-Tool erstellt, welches die Möglichkeit bietet vielfältige Variationsmöglichkeiten mit unterschiedlichen Parametern stundengenau abzubilden.

Die Basis der Betrachtung stellen Ist- und 24-h Prognose-Winddaten für die Standorte Cottbus und Prenzlau dar. Anhand dieser Daten können unterschiedliche Betriebsmodi des Systems betrachtet werden. Im Näheren soll hier auf die Betriebsmodi „Prognose“ und „H2-Produktion“ eingegangen werden. Der erste betrachtete Betriebsmodus „Prognose“ widmet sich der Verbesserung der Prognosegüte und deren entstehenden Zusatzkosten. Abschließend wurde im Betriebsmodus „H2-Produktion“ die reine dezentrale Wasserstoffproduktion und dessen Kosten betrachtet.

Sicherheitstechnische Aspekte der Wasserstofftechnologie

Druckelektrolyseanlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg (Bild: 1/2)

Verbrennungs-, Detonationsgeschwindigkeit und Explosionsenergie

Eine fundamentale sicherheitstechnische Kenngröße ist die Verbrennungsgeschwindigkeit. Sie gibt das Fortschreiten der laminaren Flammenfront relativ zum unverbrannten Gasgemisch an. Je höher die Verbrennungsgeschwindigkeit ist, desto größer ist die Tendenz des Übergangs von einer Deflagration in eine Detonation bei ausreichend langen Wegstrecken. Wasserstoff besitzt eine hohe normale Verbrennungsgeschwindigkeit. Dies führt in Kombination mit der starken Temperaturabhängigkeit zur Beschleunigung der Umwandlung von laminaren in turbulenten Wasserstoffflammenfronten.

Überdruckverhältnisse aus Deflagration und insbesondere Detonationen stellen eines der wesentlichsten Gefahrenpotentiale von Brenngasen dar. In geschlossenen Behältern ist die Form von entscheidender Bedeutung. Liegt der maximale Druckanstieg durch Deflagrationen von stöchiometrischen Brenngas/Luft-Gemischen in kubischen und kugelförmigen Behältern noch bei einem Verhältnis von 8:1, so ist bei langgestreckten Behältnissen, z.B. Rohrleitung, mit deutlich höherem Druck zu rechnen.

Aufbau und Funktionsweise der Druckelektrolyseanlage

Vereinfachtes Anlagenschema, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Die Elektrolyseanlage besteht aus einem Elektrolysemodul, zwei Gasseparatoren mit integrierter Prozess- und Kühlwasserversorgung, einer Wasserstoffreinigungsanlage, sowie einer vorgeschalteten Demineralisierungsstufe für das Prozessmedium Wasser. Des Weiteren sind als Versorgungssysteme eine Elektrolytstation, ein Kühlsystem, sowie eine Stickstoff- und Steuerluftversorgung vorhanden. Die Stromversorgung wird mittels Transformators und Gleichrichter gewährleistet. Die untere Abbildung zeigt schematisch den Aufbau der Elektrolyseanlage.

Die Versorgung der Elektrolyseanlage erfolgt über einen Transformator für Drehstrom. Je nach Bedarf kann die Leistung stufenlos zwischen 0 und 150 % der Nominalkapazität (0..3000 A) geregelt werden.

Das Elektrolysemodul wurde in einer gekapselten Bauform ausgeführt. Der in der Druckkapsel eingebettete Stack ist umgeben von demineralisiertem Wasser. Sowohl der Druck im Stack, als auch der Druck des ihn umgebenden Wassers ist durch die gewählte Prozessführung annähernd identisch. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Stacks nach dem bewährten Filterpressenprinzip eines atmosphärischen Elektrolyseurs und senkt somit die Kosten des Stacks im Vergleich zu bisherigen Druckstacks ohne Kapsel. Des Weiteren erhöht sich die Eigensicherheit des Elektrolyseurs. Dies führt zum Wegfall der Ex-Schutz-Zone und senkt somit die Kosten der Nebenkomponenten.

 
Druckelektrolyseanlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg
H2-Tank, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg
Druckelektrolyseanlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Druckelektrolyseanlage

Druckelektrolyseur, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Die Druckelektrolyseanlage besteht aus einem Elektrolyseur, einer Reinigungs- und Trocknungsanlage für Wasserstoff, einem Druckspeicher Wasserstoff, einem Trafo/Gleichrichter, einer Speisewasserversorgung und Elektrolytaufbereitung, einem geschlossenen Kühlsystem, sowie einer Stickstoffversorgung und Steuerluftversorgung. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten näher erläutert.

Elektrolyseur

  • alkalische Elektrolyseanlage mit Kalilauge als Elektrolyten
  • Elektrolysestack in Enklave zur Realisierung des Anlagendrucks von bis zu 58 bar
  • Der Zwischenraum zwischen Stack und Enklave ist mit Deionat (demineralisiertem Wasser) gefüllt
  • Der Stack besteht aus 24 Zellen im Bipolaren Stack-design („Reihenschaltung“ der Zellen), welche nach dem Filterpressenprinzip zusammengefügt sind
  • Unter der Anordnung / Skit befindet sich eine Auffangwanne für Kalilauge
 
Druckelektrolyseuranlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg
Druckelektrolyseuranlage, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Funktionsweise der Wasserstoffproduktion

Über das Anlegen einer Gleichspannung wird das in der Elektrolyseanlage enthaltene demineralisierte Wasser (als Bestandteil der KOH-Elektrolytlösung) in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Kalium in der Elektrolytlösung verbraucht sich bei diesem Prozess nicht, es muss lediglich das gespaltene Wasser in die Lösung nachgespeist werden. Die Leistungsabgabe der Stromversorgung ist stufenlos zwischen 0 und 100 % (0..3000 A) regelbar.

Die Gase (Wasserstoff auf der Kathodenseite, Sauerstoff auf der Anodenseite) steigen in Form von Blasen aufgrund der geringeren Dichte gegenüber dem umgebenen Elektrolyten auf. Durch diesen Aufstieg, sowie der Erwärmung des Elektrolyten, durch die Verluste der Elektrolyse, bildet sich ein Dichteunterschied von oberem Zellenteil zu unterem Zellenteil aus. Es entsteht eine aufwärts gerichtete Strömung. Diese sorgt für das Nachströmen des, durch den Elektrolytkühler abgekühlten, Elektrolyten in die Zelle. Im Elektrolytkreislauf entsteht so eine natürliche Zirkulation (siehe Abbildung). Diese wird bei Bedarf mit einer Umwälzpumpe weiter verstärkt, um sicherzustellen, dass bei jeder vorgegebenen Leistung die Zellen genügend durchströmt werden. Vor allem im Druckbetrieb ist eine höhere Umwälzleistung aufgrund einer höheren flächenbezogenen H2 Produktion notwendig.

Allgemeine Aussagen zu Wasserstoff

Schematische Darstellung der Elektrolytzirkulation, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Wasserstoff ist das einfachste, chemische Element mit der Ordnungszahl 1 und wird durch das Elementsymbol H abgekürzt. Im Periodensystem steht es in der 1. Periode und der 1. Gruppe, nimmt also den ersten Platz ein. Wasserstoff kann über einen weiten Temperaturbereich und sogar bis zu hohen Drücken als ideales Gas angenommen werden.

Bei Standardbedingungen ist es ein:

  • brennbares,
  • farbloses,
  • geruchsloses,
  • geschmacksloses,
  • ungiftiges,
  • nicht korrosives,
  • nicht metallisches,
  • zweiatomiges Gas.

Es ist nicht gesundheitsschädlich solange es den Luftsauerstoff im nicht zu hohen Maße verdrängt.

Wasserelektrolyse

Prinzip der Wasserelektrolyse, U. Fischer, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik BTU Cottbus-Senftenberg

Unter Wasserelektrolyse versteht man die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe eines elektrischen Stromes.

Grundsätzlich werden drei Arten der Wasserelektrolyse unterschieden:

  1. alkalische Elektrolyse AEL
  2. Proton-Exchange-Membran (PEM) Elektrolyse
  3. Hochtemperatur Elektrolyse

Alkalische Elektrolyse AEL

Nach heutigem technologischem Stand der Technik, wird bei der alkalischen Elektrolyse (AEL) demineralisiertes Wasser, in Anwesenheit von einer Kaliumhydroxidlösung und unter der Voraussetzung einer Potenzialdifferenz von ca. 1.8-2.0 V zwischen der Kathode und Anode, in die Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.