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cerenergy®
Extrem kostengünstige Batterien für die stationäre Stromspeicherung
Berlin7. November 2016
Kontakt: Prof. Dr. Michael Stelter, [email protected]
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Der mitteldeutsch-wettinische Regionalaspekt
Johann Friedrich BöttgerGeb.1682 in SchleizGest. 1719 in Dresden
1709 Erfindung des weißen Porzellans1710 Manufaktur Meißen
Georg Heinrich MacheleidGeb. 1723 in CursdorfGest. 1801 in Schwarzburg
1757 Reverse Engineering des Porzellans1760 Manufaktur in Sitzendorf / Volkstedt
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Was können wir daraus lernen?
Erfolg = Werkstoffwissenschaft + Produktionstechnik
© ntv
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Motivation
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Es gibt nicht DEN einen Speicher im Stromnetz
Leistungsspeicher
Sekunden bis Minuten
Netzdienstleistungen
Regelleistung
Einsatz mehrmals pro Tag
Batterien, Kondensatoren
Verschiebespeicher
Minuten bis Stunden
Ausgleich innerhalb eines Tages
EE-Eigenverbrauch
ein bis zwei Zyklen pro Tag
Batterien, Druckluftspeicher, PSW
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Bisher nicht lösbar: Verschiebespeicher
Etwa 4 … 7 Stunden Strom müssen in die Tagesrandzeiten verschoben werden
Beispiel: PV
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Über welche Dimensionen sprechen wir?
Installierte Windkraft (2014)
Rank Country Power in MW
1 China 114763
2 USA 65879
3 Germany 39165
4 Spain 22987
5 India 22465
6 Great Britain 12440
…
19 Japan 2789
Worldwide 369553
Europe 133969
EU 128752
2 GWh = 1 Pumpspeicher
20 GWh = 1 Mio Elektroautos
200 GWh = 4 Stunden PV + Wind in D
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Treiber aus Kundensicht: Eigenstrom ist billiger als Stromnetz
Aus: Klosch, Business Model Evaluation (2016)
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Über welche Dimensionen sprechen wir?
Millionen von Zellen (mehrere 10 … 100 GWh – ähnlich Tesla)
Zehntausende Tonnen Aktive Massen
Einfach, verfügbare Stoffe: Natrium, Eisen, Nickel, Chlor, Schwefel, Chrom
Lebensdauer >> 10 Jahre
Wartungsfrei
Investitionsgut – Anlagenbau, kein „Gerät“
Preis für System < 500 EUR/kWh (später < 300 EUR)
So, wie bisher, geht es nicht – neuer Ansatz nötig
Chancen für Wertschöpfung + Arbeitsplätze
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10- confidential -
cerenergy® Natrium-Nickelchlorid-Batterien
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11- confidential -
Wie kann es überhaupt gehen? Blick in die Chemie
C. Wadia, P. Albertus, V. Srinivasan, „Resource constraints on the battery energy storage potential for grid and transportation applications“, J.Power Sources, 196 (2011) 1593 ff
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Natrium-Festkörperbatterie (Prinzipdesign)
IonenleitendesKeramikrohr
Blechgehäuse
Deckel und Stromdurchführung
Aktive Masse(NaCl, Ni, Kohlenstoff, Additive…)
Länge ca. 30 … 40 cmDurchmesser ca. 40 mmEnergie ca. 100 … 300 Wh
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13- confidential -
NaNiCl-Batterien sind ausgereifte Systeme mit Historie
NaNiCl: 1987 NaNiCl: 1991
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14- confidential -
ZEBRA Hochtemperaturbatterien - Historie
NaNiCl: 1993
NaNiCl: 1997
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Warum hat sich die Technik noch nicht etabliert?
Kosten – wie entstehen sie?
Was tut Fraunhofer IKTS zur Kostensenkung?
Der neue Ansatz
Die Vision
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Aufbau einer heutigen NaNiCl-Zelle
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17- confidential -
Aufbau einer heutigen NaNiCl-Zelle
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18- confidential -
Herstellung von keramischen Röhren
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Heutige Produktionsverfahren für Teile aus Na-ß-Alumina
Cold isostatic pressing (CIP, „wet bag“) Cold isostatic pressing („dry bag“)
Upper closure
Steel core
Powder
Liquid pressure medium
Flexible liner (membrane)PU mold
Pressure vessel
Upper closure
Steel core
ß-Alumina Powder
Liquid pressure medium
PU mold
Pressure vessel
Electrophoretic deposition(EPD)
+ -
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Heutige Produktionsverfahren für Teile aus Na-ß-Alumina
Quelle: BBC-Projektbericht 1979
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Heutige Produktionsverfahren für Teile aus Na-ß-Alumina
Isostatisches Pressen ist ein diskontinulierliches Verfahren!
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Keramik ist das kritische Bauteil
KleeblattKeine TranslationssymmetrieSchwierige Formgebung + Bearbeitung Problematischer mech. SpannungsverlaufKaum zu prüfen
TCB FügungAufwändige NahtvorbereitungExtrem teuer
Korund-BauteilPrismatisch = teuer
Ausschussrate > 30% so kann es nicht gehen!
Komplizierte HerstellungTaktzeit > 2 MinutenNicht hochskalierbar
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IKTS Redesign der Batterie - Designprinzipien
1. Kosten sind wichtiger als Energiedichte
2. Eine Zelle für alle Anwendungen – Economies of Scale
3. Low cost Keramikdesign
4. Elektronische Prüfung in der Produktion
5. Automatisierung – lokale Industrie einbinden
Pragmatisch: Rohrdesign, einseitig verschlossen, Blechmantel, > 100 Ah
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Kostengünstige Werkstoffe
Innovation 1: extrem kostengünstiges Keramikmaterial
Na-ß-Alumina
Direktsynthese aus Rohstoff Böhmit
Überspringen einiger Prozessierungsschritte
IKTS Material ist besser als alle kommerziellen
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Kostengünstige Fertigung
Innovation 2: Hochdurchsatz-Produktion von Keramikröhren
Massive Senkung der Produktionskosten
Voraussetzung für Massenproduktion
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Kontinuierliche Formgebung: Extrusion
Cold-plasticß-Aluminafeedstock
ScrewMouthpiece
ß-Aluminatube
Einseitigverschlossenin einem Prozessschritt!
Stark modifizierter Prozess
Proprietäres Werkzeug
Endkappen möglich
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27- confidential -
Industrielles Batterietechnikum am IKTS
Hochenergiemahlung
Vakuumkneter
Hochenergie-Mischer,Trockengranulierung
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28- confidential -
Extrusion im IKTS-Batterietechnikum
Extruder, kippbar
Hartmetallschrauben
Vertikale Extrusion
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Entbinderung und Sinterung
Mikrowellentrockung Gasdichter Sinterofen
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Innovation 3: elektronische Prüfung
Minuten
?
© FIAMM, manual and visual quality inspection
Sekunden
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Cerenergy®-Blechzelle
Zellspannung 2.3 V (Entladeschlussspannung)
Kapazität 128 Ah
Energieinhalt 294 Wh
Laderate 0.25 – 0.5 C
Zyklen 5000
Durchm. Elektrolyt 40 mm
Länge Elektrolyt 400 mm
Produktion 3 Mio Stück p.a.
Kosten < 100 EUR/kWh
Budget bisher 15 Millionen EUR
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Regionale Zuliefersituation an den IKTS-Standorten
Greentech Campus
Hermsdorf / Jena
Keramik
Zellen
Keramikindustrie
Fraunhofer IKTS Systemtechnik Dresden
Systementwicklung
Systemfertigung
Metall-/ Elektroindustrie
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Batterietechnikum / Greentech Campus Hermsdorf
Greentech Campus
Elektrochemie AssemblyPulversynthese Bauteile
8 Mio € Invest
4.2 Mio Equipment + 4 Mio Neubau
7 Mio € Entwicklungsbudget
IKTS Eigenforschung
ESF Forschergruppe keramische Batterien
Integrationsprojekt IKTS-IzfP (Bauteilprüfung)
BMBF + BMWi (6. Energieforschungsprogramm)
CERES – Fraunhofer Zukunftsstiftung
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Fazit
Fraunhofer IKTS kommerzialisiert keramische Natrium-Batterien
Extrem kostengünstig
Einheimische Rohstoffe
Einheimische Fertigung
Batteriefabrik in Ostdeutschland
Cerenergy® Zelle < 100 EUR / kWh
Cerenergy® System < 300 EUR / kWh
Einzelzelle2,6 Volt100 Ah
ModulThermisches DesignElektronik und ManagementSicherheit
Th 2011 FGR 0089, 2012 IZ 0173KF2087344AG3FhG 155 / 791350, 155 / 650048