Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Elektrische Energiespeicher: neuere Entwicklungen.

Dr. rer. nat. Jochem Bogen

Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG

Elektrische Energiespeicher: neuere Entwicklungen aus den Bereichen Medizin- und Fahrzeugtechnik sowie

Netzstabilisierung und Lastausgleich

Dr. rer. nat. Jochem BogenUmweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)

BMU- DEHSt- Sachverständiger nach dem TEHG

U T I – C O N S U L T (GbR)>www.uti-consult.de<

Am Hirschpark 21D-53840 Troisdorf

Arbeitskreis Energie (AKE-2005-H)Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG)

Vortrag am 28. Oktober 2005

Bad Honnef



1.) Einleitung: Historisches und persönliches

2.) Batterien in der „Medizin“

3.) „Consumer“ – Batterien

4.) „Professional“ – Batterien

5.) „Fahrzeug-Antrieb“- Batterien

(Hybrid- / Elektro- Antriebe)

6.) Elektrische Batteriespeicherwerke für

- Elektrizitätsnetz-Stabilisierung

- Elektrizitäts-Lastausgleich

7.) Konkurrierende Technologien

für die unterschiedlichen Bereichen


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGVoltaische Säule (Quelle: www.energiewelten.de)

Die Batterie

Ende des 18. Jahrhunderts entdeckte der italienische Physiker Alessandro Volta (1745-1827) nach einer Vielzahl von Untersuchungen und Experimenten, dass nicht nur durch Reibungsvorgänge elektrische Energie erzeugt werden kann.

Am 20. März 1800 beschrieb er in einem Brief an die Londoner Royal Society seine neueste und zugleich bedeutendste Erfindung: die "voltaische Säule", eine Batterie aus wechselweise übereinander geschichteten Kupfer- und Zinkplatten, die durch säuregetränkte Tuchfetzen voneinander getrennt waren. Es war die erste brauchbare Elektrizitätsquelle, die einen stetig fließenden Strom abgab, ein kleines Elektrizitätswerk. Siebzig Jahre nach seinem Tod wurde Volta mit der wohl höchsten Auszeichnung geehrt, die es für einen Physiker geben kann: Sein Name wurde in den Rang einer physikalischen Maßeinheit erhoben.



Eine elektrische Batterie besteht aus:

Galvanischen Zellen (= Akkumulatorzellen), die auf verschiedene Arten (elektrisch leitend) miteinander verbunden sind zwecks Bereitstellung von elektrischer Energie zu Zeiten und an Orten, wo man sie nicht bedarfsgerecht erzeugen kann.

Reihenschaltung: Parallelschattung:

Definition: ( elektrische ) Batterie

= (3 x) Zellenspannung (Volt)

= (3 x) Zellentrom (Amper)

Primär- Zellen / Batterien = nichtwiederaufladbar

Sekundär- Zellen / Batterien = wiederaufladbar


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatterie-Optimierungsgebiete

Über 200 Jahren sind Wissenschaft und Technik damit beschäftigt, Batterien für die jeweiligen Anwendungsfelder zu optimieren:

Kritische Bereiche waren/sind:

● Elektrochemie (Anorganische-, Organische-, Polymer-Chemie, Keramik)

● Werkstoffe (Metalle, Kunststoffe, Dichtungen, Korrosion, Toxizität)

● Verfügbarkeit der Rohstoffe (speziell Pb)

● Konstruktion (Integrität/Stabilität, Wechsel- und Ladevorrichtungen)

● Sicherheit (Säuren/Laugen, Wärmeentwicklung, Explosionsgefahr)

● Entsorgung (besonders von Primärbatterien, Life-Cycle-Analysen)

● Umgebungsaus-/ein- Wirkungen (toxische Verbindungen, Allergien)



Prinzipieller Batterieaufbau - (Quelle: VARTA_5-10-21)



Pb-Starterbatterie: Temperaturabhängigkeit

2 Einbaulage

3 Säuereschichtung (Stratifikation)(Quelle: iQPower-Vortrag Dr.Bauer,

Elektroniksysteme im Automobil EUROFORUM München 2005-01)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGIntelligente Batterietechnik (Quelle: www.iqpower.com )


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGIQ-Power-MagiQ-100 (Quelle: www.IQPower.com)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatterie-Anwendungen „Medizin“

Medizin / Medizintechnik:

Künstliche Muskulatur ? V / ? Ah (Elektrostimulation von Kunststoffen)

Herzschrittmacher („On-Demand“) LiJ: 2,8 V /2,3 Ah

Implantierbare CardioverterDefibrillatoren (ICD´s) LiAgV-H: 3,2 V / 1,0 Ah

Tiefenhirn-Stimulation Li-Ion:

Neuro- Stimulation AgV-Oxid: ? / 6,4 Ah

Hörgeräte Primär- Zn-Luft: 1,4 V / 90 mAh (VARTA: Type HA10, Gewicht: 0,31 g)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatterie-Anwendungen: „Consumer“

„Consumer“- Batterien:

● Household NiMH; NiCd; (z.B. Handmixer, Zahnbürsten, Uhren) Ag-Oxid (Primär)

● Audio (portable) (z.B. Walkman®) NiCd; Li-Ion (Primär)

● Video / Playstations (PSP) Li-Ion; NiCd (Primär)

● Cameras / Camcorders Li-Ion(3,0 V); NiH(1,2 V, 2,5 Ah) (Sekundär)

● Mobile- Phones NiCd; Li-Ion (3,7 V / 700 mAh) ( Sekundär)

●Elektro- “Shocker“ NiCd (Sekundär)

● Computers Li-Ion (14,8 V; 6,6 Ah, Sekundär) (z. B. Notebooks)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatterie-Anwendungen: „Professional“

„Professional“- Batterien:

● Lamps / Lights / Signals Pb; Pb-Gel; NiCd (Primär; Sekundär)

● Security- Equipment Pb-Gel; NiCd (Sekundär) (alarm-sensors)

● Safeguard- Equipment NiCd; NiMH (Sekundär) (door-locks)

● Power-Tools NiCd; NiMH (Sekundär) (drilling, grinding)

● Adjustment Pb; Pb-Gel; NiCd (Sekundär) (fork-lift)

● Electric-Traction Pb; Pb-Gel; NiCd (Sekundär) (trolley)

●Hybrid-Drives Pb; NiCd; NiMH, Zn-Oxid (Sekundär)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatterieverordnung (BattV) - Rücknahmepflicht

Das Kreislaufwirtschaft und Abfallgesetz (KrW-AbfG) stuft – verbrauchte - Batterien als „Abfall“ ein

(Anhang-1, Gruppe: Q-6 (= Nichtverwertbare Element)).

Näheres regelt die Batterieverordnung (BattV), die zum Ziel hat, den Eintrag von Schadstoffen in Abfälle durch Batterien zu verringern, indem:

- bestimmte, schadstoffhaltige Batterien nicht in den Verkehr gebracht werden dürfen,

- gebrauchte Batterien zurückgenommen und

- entsprechend den den Vorschriften des KrW-AbfG ordnungsgemäß und schadlos verwertet

oder - nicht verwertbare Batterien gemeinwohlverträglich

beseitigt werden. –

Aufgrund der Revision der EU-Richtlinie für Batterien am 20.12.2004 , gelten ab Dezember 2006 folgende neuen EU-Vorgaben:

(siehe gesonderte Tabelle)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12)

Batteriesystem

Blei-Autobatterien

Blei-Industriebatterien

NiCd- Industriebatterien

Zn-Kohle-Batterien (>40ppm Pb)

Alkali-Mangan-Batterien (>40ppmPb)

Zn-Luft-Knopfzellen (>40ppm Pb)

Ag-Oxid, Alkaline- Knopfzellen (>40ppm Pb) NiCd- Gerätebatterien

Anwendung (erlaubt laut Ausnahmeliste)

Starter und Bordnetzbatterie

Antriebsbatterien für emissionsfreie Gabelstapler,

Rollstühle, TelekommunikationEnergieerzeugung /-verteilung,

Notstrombatterien (Krankenhäuser/Kinos/Theater)

Klein-Blei-Industriebatterien

(Medizingeräte, Alarmsysteme,Gartengeräte)

Notstrombatterien für Bereiche mit hohen Sicherheitsanforderungen, Flugzeuge, Bahn, Notbeleuchtung

Nichtmehr zugelassene Verwendung

Uhren, Taschenlampen, Spielzeug

tragbare Audiogeräte, Halogenlampen

Hörgeräte, Personenrufgeräte

Uhren, Fotoapparate, Taschenrechner

Elektrowerkzeuge, Zahnbürsten. Rasierer


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatterie-Verordnung (EU-Richtlinie: ab 2006-12)

Batteriesystem

Nickel-Metall-Hydrid (NiMH)

Lithium –Ionen (Primär-) Batterien

Lithium- Ionen- (Sekundär-) Batterien

Anwendung (erlaubt laut Ausnahmeliste)

zugelassene Verwendung

Handys, Telefone, Camcorder, Rasierer, Zahnbürsten

Fotoapparate,

elektronische Datenspeicher

Handys, Camcorder, Notebooks, Organizer, Medizintechnik,Digital- Cameras



(Leistung: 56 kW)

NiMh Spannung:(201.,6V )

(Elektromotor-2: 500 V)

(Elektromotor-1: 500 V)

Electronically Controlled Variabel Transmission (ECVT)

Converter:201 /500

TOYOTA-HYBRID-SYNERY-DRIVE

Quelle: www.toyota.com

TOYOTA - Hybridantrieb (Prinzip)



Quelle: www.lexus.de

Verbrennungsmotor: 6-Zylinder (Benzin) / Leistung (gesamt) : 200 kW (= 272 PS)Kombinierter Verbrauch: 8,1 l / 100 kmGarantie für Batterie: 8 Jahre (oder 100.000 km)

LEXUS (NiMH – Hochleistungsbatterie)



Frage: Hat die deutsche Automobil-Industrie die Entwicklung der Hybrid-Technologie „verschlafen“ ?

Antwort-1: Das scheint nur so. Zunächst hat man in Deutschland auf die Optimierung der Verbrennungsmotoren-Technologie („Direkteinspritzung“) und auf die Optimierung der Fahrzeugtechnologie (neue Konstruktionsprinzipien, neue Werkstoffe) gesetzt. – Das Ergebnis waren optimierte Fahrzeuge (u. a. Diesel- PKW) mit um 20 bis 50 % verringerten Treibstoffverbrauch gegenüber vor etwa 10 Jahren.

Antwort-2: Die Entwicklung der Hybrid-Antriebstechnologie wurde in Deutschland besonders im Nutzfahrzeugbau (Busse, Lieferfahrzeuge) vorangetrieben. Hier ist u. a. „mehr Platz“ zum Einbau der für den Elektroantrieb zusätzlich erforderlichen Komponenten (u. a.: der Batterie). Ebenso wirkt sich das hohe Drehmoment von Elektromotoren bei niedriger Umdrehung besonders günstig aus.

In „D“: Hybrid-Antrieb „verschlafen“ ?



DaimlerChrysler:

1.) Mercedes-Benz „Hybrid-Sprinter 311 CDI“: Emissionsfrei unterwegs

Das Fahrzeug erreicht mit dem zusätzlich auf der Antriebswelle eingebauten Elektromotor von 70 kW Leistung und einer NiMH- Batterie (14 kWh, Zusatzmasse: 350 kg) im rein-elektrischen Fahrzyklus eine Reichweite von 30 km. Alternativ könnte eine Li-Ionen Batterie (14 kWh, Zusatzmasse 160 kg) eingesetzt werden, die aber etwa doppelt so teuer ist. – Die Batterie kann über den Dieselmotor über das elektrische Netz (in ca. 6 Stunden) oder über den Dieselmotor aufgeladen werden.

In einer zweiten Version wird das Fahrzeug mit einem 30 kW Elektromotor, einer Batterie von 3 kWh und einer Reichweite im elektrischen Fahrbetrieb von 3 km, ohne die Möglichkeit zur Netzaufladung angeboten. (Q-1)

2.) Die DaimlerChrsler-Tochter „ORION“ erhielt einen weitern Großauftrag der Stadt New York City zur Lieferung in 2006 von 500 Stadtbussen mit Hybridantrieb (Typ ORION-VII). Ab Auslieferung werden damit in New York City 825 Busse im eingesetzt werden mit umweltfreundlichem Diesel-Elektroantrieb, bei denen die Bremsenergie wieder in Antriebsenergie umgewnadelt wird. – (Q-2)Quelle: (Q-1) Daimlerchrysler.com / Q-2: VDI nachrichten Nr 42, 21.10.2005, p.24)

DaimlerChrysler: Hybrid-Nutzfahrzeuge


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGHybrid-Entwicklungen in Deutschland

Bayern: MAN-Hybridfahrzeug im Linienbus-Einsatz:

Ein von MAN in Augsburg entwickelter Bus mit Hochleistungskondensatoren („Ultracaps“) wird bei den Verkehrsbetrieben in Nürnberg (VAG) im Linieneinsatz erprobt. – Dabei wird die Bremsenergie als elektrische Energie in den eingebauten Superkondensatoren gespeichert und beim Anfahren/Beschleunigen über zusätzliche Elektromotore (mit hohem Drehmoment bei niedriger Umdrehungszahl) als Antriebsenergie genutzt. Die Entwicklung wurde vom Bayerischen Wirtschaftsministerium mit 260 Tausend Euro finanziell unterstützt. (Q-1)

Bosch: Bei Hybrid-Antrieben breit aufgestellt

Die von BOSCH angebotenen Hybridsysteme lassen sich in drei Funktionsklassen einteilen:

● „Hicro-Hybrids“(mit Start/Stop-System) ● „Mild-Hybrids“ (mit „Booster“-Effect)

● „Strong-Hybrids“ (zum Fahren mit Elektroantrieb über kurze Strecken). – (Q-2)

(Quelle: (Q-1): VDI nachrichten Nr.42, 21.10.2005, p. 24) / (Q-2): www.bosch.com)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGBatteriespeicherwerke „Warum“

Quelle: Swanbarton - Antony Price



Quelle: BINE-Projekt-Info 11/03: “Kinetische Speicherung von Elektrizität“

Elektrizitätsnetz-Störungen (Statistische Auswertung UNIPEDE)



NiCd - Batteriespeicherwerk –Alaska (Quelle: SAFT.com / Swanbarton))


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGNGK-NAS-Zelle und Modul (Quelle: Swanbarton.com - Mr. Antony Price)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGTEPCO-Ohito-Substation (Quelle: Swanbarton.com – Antony Price)


Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195)BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHGSpeicherbatterie- Leistungsvergleich (Status 2005-10)

Quelle: Swanbarton - Antony Price



Übersicht Installierte Systeme

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2

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1 10 100 1000Capacity [ MWh ]

NaS PSB NiCd ZnB VRF LeadPower

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Installierte Batterie-Speicherwerke

Quelle: ABB-CH - N. Umbricht _ETG-Tagung-2004-03-24 Batterieenergiespeicheranlage Alaska



Alternative Technologien zur Batterie- Energiespeicherung

● „Medizin“ Isotopen-Generator Organ-Transplantationen

● „Consumer“ - Batterien (Mini-) Brennstoffzellen

● „Professional“ – Batterien „Profi“- Brennstoffzellen

● „Fahrzeug“– Batterien H2-Motoren - Hybrid-/ Elektro-Antrieb Brennstoffzellen + Hybrid

● Batteriespeicherwerke - Netzstabilisierung SMESH- Speicher (2 MJ, 2000 A),

(Superconducting- Magnetic- Energy- Storage)

SUPER- CAP´s (Super-Capasitors)

Schwungrad-Speicher (Erot= ½ x J x ω2 ) (11 kWh / 2MW/ 20 msec – 20 sec.)

- Lastausgleich H2/O2- Brenner ; Pumpspeicher-/ Druckluftspeicher-Kraftwerke



Mein Dank :

- gilt Ihnen, den Zuhörern, für das Interesse und die Aufmerksamkeit beim Vortrag,sowie folgenden Organisationen/Personen, die mich durch Informationen und/oder Bilder

für diesen Vortrag unterstützt haben:

- ASEA BROWN BOVERI Schweiz AG, CH-ABB-ATPF, Herr Niklaus Umbrich,- ENBW Energie Baden-Württemberg AG, 76131 Karlsruhe,

-- Prof. Dr. Ing. Hartkopf, Vorstand und Herrn Heyder (>[email protected]<) - DaimlerChrysler/Mercedes Benz, PKW-Verkauf,RKG-Siegburg, Herr Blind

- - DaimlerChrysler/Mercedes Benz, D-68229 Mannheim, Harl-Heinz Keller, - Medtronic GmbH, Düsseldorf, Frau Dipl. Ing. Claudia Schumann, - Swanbarton Ltd., Wiltshire, U.K., Mr. Antony Price (>[email protected]<), - NGK Insulators Ltd., Nagoya, Japan (via: Swanbarton) - SAFT Batteries (via: ABB-CH and: >www.saftbatteries.com<)

- VARTA Deutschland Online ( >www.varta.de<) - iq-Power Deutschland ( >www.iqpower.com<) - SONY USA ( >www.sony.com<) - LEXUS INFO-Service, 40551 Düsseldorf (>www.lexus.com<)

- TOYOTYA Deutschland GmbH, 50420 Köln, (>www.toyota.com<) - Robert Bosch GmbH, D-70049 Stuttgart, (>www.bosch-presse.de<)

- VWEW Energieverlag GmbH, (via: >[email protected]<)

Acknowledgement

Dr. rer. nat. Jochem Bogen Umweltgutachter (DAU-Zulassung: D-V-0195) BMU - DEHSt- Sachverständiger nach TEHG Elektrische Energiespeicher: neuere Entwicklungen.

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