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Akkumulator, Sekundärzelle

Im allgemeinen Aufbau besitzen elektrochemische Elemente positive und negative Elektroden (Flächen), die durch Separatoren voneinander getrennt werden und in einen Elektrolyten eingetaucht sind. Die Bauteile sind in einem sogenannten Zellgefäß untergebracht, das nahezu dicht verschlossen ist. Vom Inneren heraus sind Anschlüsse in Form eines negativen und eines positiven Pols gelegt. Das Gesamtkonstrukt wird als Zelle bezeichnet.

Ein Akkumulator ist eine Bauform einer galvanischen Zelle (elektrochemisches Element). Die Batterie, auch als Primärzelle bezeichnet, ist nicht wieder aufladbar. Das heißt, der chemische Prozess in einer Batterie ist irreversibel und lässt sich folglich nicht umkehren. Der chemische Prozess in einem Akkumulator hingegen (auch als Sekundärzelle bezeichnet), ist bis zu einer maximalen Anzahl an Zyklen reversibel.

 

Grundprinzip eines Akkumulators bzw. einer galvanische Zelle

Abbildung 1, Funktionsprinzip einer galvanischen Zelle

Eine galvanische Zelle ist eine Vorrichtung zur spontanen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und besteht im Grundaufbau (vergleiche Abb.1) aus zwei Behältnissen, zwei Elektroden, einer Ionenbrücke und zwei Lösungen [1]. Anstelle einer Ionenbrücke kann auch eine selektiv permeable Membran (ausgewählt durchlässig) für die Übertragung von Ladungen verwendet werden. Die Funktion einer galvanischen Zelle beruht auf einer Redoxreaktion. Reduktion und Oxidation laufen hierbei räumlich getrennt in zwei sogenannten Halbzellen ab. Verbindet man nun die zwei Halbzellen mit einem Voltmeter (Spannungsmessgerät) und der Ionenbrücke, die für den Ladungsaustausch notwendig ist, so lässt sich ein Elektronenfluss mit dem Voltmeter messen. Bei diesem Vorgang wird die unedlere Elektrode oxidiert (Anode) und die edlere Elektrode reduziert (Kathode). Einer galvanischen Zelle kann so lange Leistung bzw. Energie entzogen werden, bis das Ladungsgleichgewicht im Inneren wieder hergestellt ist. Die Redoxpotentiale können mit der Nernstschen Gleichung unter Berücksichtigung der elektrochemischen Spannungsreihe berechnet werden.

Beispiel der VARTA Blei-Blockbatterie:

Abbildung 2, Aufbau einer Blei-Blockbatterie (Werkbild VARTA Batterie AG)

 

Energiedichte

Die Energiedichte von Akkumulatoren ist von der Reaktionsfreudigkeit der verwendeten Säuren und dem Potentialunterschied abhängig. Lithium-Ionen-Akkus schneiden im Vergleich mit anderen Akkumulatoren am besten ab (siehe Tabelle 1). Die Energiedichte ist bei Akkumulatoren mit bis zu 0,2 kWh/kg relativ hoch.

Tabelle 1, Vergleich verschiedener Akku-Bauformen nach [2, 8]

Die Energiedichte von Akkumulatoren ist auch von der Betriebstemperatur abhängig (siehe Diagramm 1).

Diagramm 1, spezifische Energiedichte von Akkumulatoren, temperaturabhängig [nach 3]

 

Machbarkeit

Akkumulatoren-Kraftwerke sind heutzutage bis zu einer Leistung von 27 MW vorhanden [20]. In diesem Zusammenhang sind Akkumulatoren für Kleinanlagen, Mittelanlagen und Großanlagen machbar. Akkumulatoren haben durch die vergleichsweise hohe Energiedichte einen geringen Platzbedarf und sind hinsichtlich des Aufstellungsorts äußerst flexibel. Die elektrische Stromspeicherung mit Akkumulatoren ist möglich und ausführlich planbar.

 

Die Machbarkeit lässt sich anhand der Planung einer Beispielanlage verdeutlichen:

Erforderliche Daten:      Mieteinheit mit Kühlschrank, 5 Leuchten, Fernseher, Waschmaschine,                                                              Spülmaschine, Kleinverbrauchern bzw. Stand-By-Geräten

 

Technische Daten der Verbraucher (Herstellerangaben):

Täglich wird in dieser Wohnung eine Leistung von 5,623 kWh entnommen. Um einen Tag ohne Sonneneinstrahlung zu überbrücken, wird eine Kapazität von etwa 427 Ah gefordert. Um das Risiko einer Schädigung des Akkumulators durch Tiefentladung zu minimieren, sollte dieser so ausgelegt werden, dass nicht unter 50% entladen wird. Also müsste der bereitgestellte Speicher eine Kapazität von 854 Ah besitzen.

Als Stromspeicher könnten hier 5 Gel-Batterien der Firma Ritar Typ RA12-200G (vergleiche Abbildung 18) verwendet werden. Eine Batterie ist in der Lage, 200 Ah zu speichern, und hat im Moment (Stand 2012) einen Marktwert von etwa 550,- Euro.

Abbildung 3,  Beispiel Ritar Gel-Batterie [7]

 

Ökonomie und Invest

Die Investitionskosten für Akkumulatoren sind je nach Sekundärzelle unterschiedlich hoch. Die Überbrückung von Einzeltagen bzw. einem kurzen Zeitraum von ein paar Stunden scheint wirtschaftlich zu sein. Eine Versorgung von Verbrauchern mit Energie über einen Zeitraum von mehreren Tagen ist unwirtschaftlich.

 

Marktsituation

Der Markt ist ausgereift, die Technik ist in unserem Land umfassend vorhanden und es gibt Referenzen in Form von bestehenden Anlagen. Hersteller von Akkumulatoren in unterschiedlichen Bauweisen existieren zahlreich und die Beschaffung von Bauteilen eines derartigen Systems dürfte keine Schwierigkeiten bereiten.

 

Ökologie

Batterien und Akkumulatoren sind ökologisch nicht unbedenklich, denn sie können Stoffe enthalten, die Umwelt und Gesundheit schädigen. Zudem ist die Produktion und damit die Umweltbelastung in manchen Fällen größer als der Energieertrag des fertigen Produktes (mangelhafte Ökobilanz). Umweltgefährdend sind Batterien und Akkumulatoren, die die Schwermetalle Quecksilber (Hg), Cadmium (Cd) oder Blei (Pb) enthalten. Diese Stoffe müssen deklariert sein (Batterieverordnung). Schwermetalle sind sehr gefährliche Stoffe. Sie können einerseits direkte gesundheitsschädigende Wirkungen auf den Menschen haben und sich andererseits in der Nahrungskette sowie der Umwelt anreichern. Cadmiumverbindungen können beispielsweise Nierenschäden hervorrufen und gelten als krebsverdächtig, wenn sie über die Atemluft aufgenommen werden. Blei lagert sich in den Knochen ab und kann biochemische Prozesse im Körper stören. Auch Gewässer werden von Schwermetallen geschädigt, sie reichern sich in Fischen an und können so wiederum in den menschlichen Körper gelangen. Mangandioxid (aus Alkali-Mangan-Batterien), Lithium (aus Lithium-Ionen-Akkus) und die Elektrolyten (z. B. Kalilauge und Schwefelsäure) sind z. T. ätzende oder umweltgefährdende Stoffe [nach 22]. Von Akkumulatoren mit einer hohen Energiedichte geht auch eine hohe Gefahr aus. Die relativ hohe Energiedichte von Akkus mit Lithium kann bei Fehlfunktionen, falschem Einbau oder Kurzschlüssen unkontrollierbare Brände zur Folge haben.

 

Anlagenbeispiele

Golden Valley Electric Association (GVEA) - Battery Energy Storage System (BESS)

Das Batteriespeicherkraftwerk in Anchorage wurde im Dezember 2003 fertig gestellt und dient der Versorgungssicherheit und der unterbrechungsfreien Stromversorgung von Kunden. Hier können 27 MW für etwa 15 Minuten bereitgestellt werden um in dieser Zeit andere Generatoren in Betrieb zu nehmen.

Abbildung 4, Batteriekraftwerk BESS [5]

 

Technische Daten:

Technologie:                                                                    13.760 Nickel-Cadmium-Zellen

Gewicht einer Batterie:                                                   75 kg

Gesamtgewicht:                                                              1500 t

Geschätzte Lebensdauer der Batterien:                     20-30 Jahre

 

Der Tesla Motors - Roadster

Der Tesla Roadster (siehe Abb.5) ist ein 299 PS starker Sportwagen, der seit 2008 von dem Hersteller Tesla Motors gefertigt und vertrieben wird. Das Elektrofahrzeug wird mit einem starken Elektromotor, der im Heck verbaut ist, angetrieben.

Abbildung 5, Roadster der Firma Tesla [6]

 

Die Energie wird, wie in Abbildung 21 kenntlich gemacht, mit einem Lithium-Ionen-Akkumulator, der sich aus 6.831 Zellen zusammensetzt, im Heck gespeichert. Eine Vollladung bei 240 V und 70 A erfolgt in 3,5 Stunden (bei Anschluss an eine normale Steckdose kann der Ladezyklus bis zu 20 Stunden dauern) und die Reichweite mit einer vollen „Tankfüllung“ beträgt 340 km. Der Energiespeicher wird permanent mit einer Mischung aus Wasser und Glykol umspült, welche bei Bedarf kühlt oder heizt, um eine optimale Betriebstemperatur zu gewährleisten. Die Batterie ist in der Lage,  56 kWh zu speichern. Die Aufladung ist mit 20% Verlusten behaftet, also werden für eine Vollladung etwa 70 kWh benötigt. Das Gesamtgewicht des Akkublocks beträgt in etwa 400 kg. Der Energiebedarf beträgt im Durchschnitt in etwa 12,7 kWh/100 km [nach 6]. Nimmt man den Energiegehalt und vergleicht diesen mit dem von Kraftfahrzeugbenzin, so entspricht dieser 1,5 Liter auf 100 km. 

 

Abbildung 21, Platzierung von Akkumulatoren im Heckraum des Roadsters [6]

 

Verbesserungspotential

Akkumulatoren werden ständig weiterentwickelt, da jede Bauform Vor- und Nachteile hat. Eine begrenzte Zyklenzahl und die daraus resultierende relativ kurze Lebensdauer sind nach wie vor aussagekräftige Argumente gegen die Verwendung von Akkumulatoren. Forschungs- und Verbesserungspotential hinsichtlich Effektivität und Nachhaltigkeit bei den einzelnen Systemen ist vorhanden.

 

Gegenüberstellung von einzelnen wichtigen Akkumulatoren-Bauformen (Nachteile und Vorteile):

 

Tabelle 2, Gegenüberstellung verschiedener Akkumulatoren-Bauformen [nach 3, 8]

Bei allen Bauformen ist zusätzlich darauf zu achten, dass die Betriebstemperatur (dargestellt in Diagramm 1) eingehalten wird. Bei Unter- oder Übertemperatur nehmen Akkumulatoren Schaden, die Effektivität sinkt und die Lebensdauer wird stark verringert. Hier besteht ebenso Verbesserungspotential.

 

Quellenangaben:

 

[1]        Tkotz K., (2002): Fachkunde Elektrotechnik, Verlag Europa Lehrmittel

 

[2]        http://wiki.zimt.uni-      siegen.de/fertigungsautomatisierung/index.php/Energiespeicher/_Energiebereitstellung_f%C3%BC      r_Elektrofahrzeuge_%E2%80%93_Alternativen_zur_Lithium-         Ionen_Batterie_und_deren_Fertigung

            (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

 

[3]        Linden, D. (2002): Handbook of Batteries, McGraw-Hill Prof Med/Tech.

 

[4]        http://www.umweltdaten.de/publikationen/fpdf-l/3057.pdf

            (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

 

[5]        http://www.gvea.com/energy/bess

            (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

 

[6]        http://www.teslamotors.com/de_DE/roadster/specs

            (abgerufen am 19.04.2012, 12:00 Uhr)

 

[7]        http://www.ritarpower.com/upload/pdf/2009021210370898474554.pdf

            (abgerufen am 09.06.2012, 14:00 Uhr)

 

[8]         http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/DPG2010-AKE_Bonn/Buch/
DPG2010_AKE4.3_Rzepka.pdf

             (abgerufen am 02.07.2012, 17:00 Uhr)

 

 

 

 

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