Elektrochemische Speicher: Superkondensatoren, Batterien, Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche Grundlagen

595 Pages·2016·21.63 MB·German

by  Peter Kurzweil

Peter Kurzweil
Otto K. Dietlmeier
Elektrochemische
Speicher
Superkondensatoren, Batterien,
Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche
Grundlagen
Elektrochemische Speicher
(cid:2)
Peter Kurzweil Otto K. Dietlmeier
Elektrochemische Speicher
Superkondensatoren, Batterien,
Elektrolyse-Wasserstoff, Rechtliche
Grundlagen
PeterKurzweil,Prof.Dr. OttoK.Dietlmeier,Dr.jur.
TechnischeHochschuleAmberg-Weiden(OTH) TechnischeHochschuleAmberg-Weiden(OTH)
Amberg,Deutschland Amberg,Deutschland
ISBN978-3-658-10899-1 ISBN978-3-658-10900-4(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-10900-4
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Lektorat:ThomasZipsner
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Vorwort
NachhaltigkeitsichertdieÜberlebensgrundlagekünftigerGenerationen.DieEnergiewen-
de nach dem Ausstieg aus der Atomenergie fordert immense infrastrukturelle Anstren-
gungen für Stromleitungen und dezentrale Speicher; doch sie verspricht wirtschaftliche
Prosperität für alle Nationen, die den Wandeltechnologisch beherrschen. Elektrochemi-
sche Speicher – Batterien und Superkondensatoren – sind universell, doch von bislang
unbefriedigender Energiedichte. Wasserstoff lockt als Langzeitoption eines chemischen
Speichers,derdurchdieElektrolysevonWassermitüberschüssigerWind-undSonnener-
gienahezuunbegrenzthergestelltwerdenkann.
Ohne chemisches Wissen sind die Herausforderungen an neue Werkstoffe und Spei-
chertechnologien nicht lösbar. Stockt die Innovation bei findigen Entwicklern und
weitsichtigen Unternehmern, erstarrt jedweder Fortschritt beim mechanischen Mon-
tieren käuflicher Aggregate und Betreiben überkommener Anlagen. Das bequeme Nur-
Gebrauchen und Nicht-Verstehen fertiger Lösungen aus dritter Hand überlässt Hoch-
technologiefelder ausländischen Konkurrenten und Geschäftemachern fragwürdiger
Couleur. Unglückliche Studiengangsreformen haben an vielen technischen Hochschu-
len und Universitäten die Inhalte der naturwissenschaftlichen Grundlagen beschnitten
undeineBildungslückeaufgerissen,diediesesWerkschließenmöchte.
Dieses Lehrbuch und Nachschlagewerk fasst zu jedem Themenbereich die physi-
kalischen, chemischen und ingenieurtechnischen Grundlagen übersichtlich zusammen.
Ausgehend vom Stand der Technik erleichtert der durch zahlreiche Bilder und Tabellen
ergänzteTextdenEinstiegindiespezielleFachliteratur.Studierende,Naturwissenschaft-
ler und Ingenieure im Beruf, Entscheidungsträger und allgemein interessierte Leser
mögen einen interdisziplinären Anreiz für eigene Überlegungen und Produktideen fin-
den. Übungsbeispiele und Rechenaufgaben erlauben ein fundiertes Selbststudium. Den
energiepolitischenEntwicklungszielenderEuropäischenUnionundderenUmsetzungin
Deutschland durch das Recht der Energiewirtschaft und Energiespeicherung sowie der
NutzungErneuerbarerEnergien,ihrenStandortanforderungenundGenehmigungsverfah-
renisteineigenesKapitelgewidmet.
V
VI Vorwort
DemLektoratumHerrnZipsnerundFrauZandervomVerlagSpringerViewegdanken
wirfürdiezügigeundprofessionelleDrucklegungdesWerkes.
ImOktober2015 Prof.Dr.PeterKurzweil Dr.jur.OttoK.Dietlmeier
TechnischeHochschuleAmberg- Ltd.Rechtsdirektora.D.
Weiden Lehrbeauftragterfür
(OTH)BereichElektrochemieund Europarechtund
Umweltanalytik Umweltrecht
[email protected] [email protected]
Konstanten und Formelzeichen
Vakuumlichtgeschwindigkeit c D299792458(exakt) ms(cid:2)1
Elementarladung e D1;602176565(cid:3)10(cid:2)19 C
FARADAY-Konstante F DNAe D96485;3365 Cmol(cid:2)1
PLANCK’schesWirkungs- h D6;6260696(cid:3)10(cid:2)34 Js
quantum
BOLTZMANN-Konstante k DR=NA D1;3806488(cid:3)10(cid:2)23 JK(cid:2)1
AVOGADRO-Konstante NA D6;0221408(cid:3)1023 mol(cid:2)1
Normdruck p0 D101325(exakt) PaDNm(cid:2)2
MolareGaskonstante RDkF=e D8;314462 Jmol(cid:2)1K(cid:2)1
NERNST-Spannung UN D.ln10/(cid:3)RT=F D0;059159 V
(25ıCD298;15K)
MolaresNormvolumen V DRT=p0 D22;413968(cid:3)10(cid:2)3 m3mol(cid:2)1
m
(0ıCD273;15K)
(cid:2) (cid:3)
AtomareMasseneinheit uD 1m 12C D1;66053892(cid:3)10(cid:2)27 kg
12
ElektrischeFeldkonstante © D.(cid:2) c2/(cid:2)1 D 8;854187817:::(cid:3)10(cid:2)12 Fm(cid:2)1
0 0
(exakt)
UnsichereStellenkursiv.UmrechnungzwischenTeilchenundmolarenGrößen:e=k D F=Rund
N=V DN c
A
Größe Symbol SI-Einheit Umrechnung
Elektrodenfläche A m2 1m2D10000cm2
Aktivität a – D1 aD”c=.molL(cid:2)1/
Molalität b molkg(cid:2)1 bDŒ¬=c(cid:2)M(cid:3)(cid:2)1
spezifischeWärme- c Jkg(cid:2)1K(cid:2)1 Dm2kg(cid:2)2K(cid:2)1 Veraltet:1calD4;1868J
p
kapazität
elektrischeKapazität C FDCV(cid:2)1 Dm(cid:2)2kg(cid:2)1s4A2 mFcm(cid:2)2D10Fm(cid:2)2
Stoffmengen- c molL(cid:2)1 Dm(cid:2)3kmol cDn=V D“=M D¬w=M
konzentration
Diffusionskoeffizient D m2s(cid:2)1 m2s(cid:2)1 D3;6(cid:3)107cm2h(cid:2)1
VII
VIII KonstantenundFormelzeichen
Größe Symbol SI-Einheit Umrechnung
Energie E J Dm2kgs(cid:2)2 kWhD3;6MJD3;6(cid:3)106J
Aktivierungsenergie E J Dm2kgs(cid:2)2 eVDfegJDfFgkJmol(cid:2)1
Energiedichte W Jm(cid:2)3 Dm(cid:2)1kgs(cid:2)2 WhL(cid:2)1 D kWhm(cid:2)3 D
v
3;6Jcm(cid:2)3
spezifischeEnergie W Jkg(cid:2)3 Dm2s(cid:2)2 Whkg(cid:2)1D3;6kJkg(cid:2)1
m
Normalpotential E0 V Dm2kgs(cid:2)3A(cid:2)1 mVD0;001VD1000(cid:2)V
Frequenz f Hz Ds(cid:2)1
GIBBS’sche G J Dm2kgs(cid:2)2
FreieEnthalpie
Enthalpie H J Dm2kgs(cid:2)2
elektrischerStrom I A Basiseinheit kAD1000A
Stromdichte i Am(cid:2)2 kAm(cid:2)2 D 0;1Acm(cid:2)2 D
100mAcm(cid:2)2
Geschwindigkeits- k .mol(cid:2)1m3/n(cid:2)1s(cid:2)1 mmolL(cid:2)1h(cid:2)1 D
konstante 1 molm(cid:2)3s(cid:2)1
3600
elektrochemisches k kgC(cid:2)1 DkgA(cid:2)1s(cid:2)1 kgAh(cid:2)1(cid:4)277;8mgC(cid:2)1
Äquivalent
molareMasse M kgkmol(cid:2)1 gmol(cid:2)1 D mgmmol(cid:2)1 D
kgkmol(cid:2)1
Masse m kg Basiseinheit g D 10(cid:2)3kg D 103mg D
106(cid:2)g
Teilchenzahl N – D1 lbD0;45359236kg
Stoffmenge n Mol n D m=M D N=N D
A
V=V
m
Leistung P WDJs(cid:2)1 Dm2kgs(cid:2)3 MWD106W,GWD109W
Druck,Partialdruck p PaDNm(cid:2)2 Dm(cid:2)1kgs(cid:2)2 bar D 100kPa D
0;1Nmm(cid:2)2 (cid:4) kgcm(cid:2)2
mmHg D 1;33322mbar D
Torr
psiD68;9474mbar
elektrischeLadung Q C DAs AhD3600A
Wärmestrom dQ=dt W Dm2kgs(cid:2)3
elektrischer R (cid:4)DVA(cid:2)1 Dm2kgs(cid:2)3A(cid:2)2 (cid:4)cm2 D0;1m(cid:4)m2
Widerstand
Reaktions- r molm(cid:2)3s(cid:2)1
geschwindigkeit
Entropie S JK(cid:2)1 Dm2kgs(cid:2)2K(cid:2)1
absoluteTemperatur T K Basiseinheit T=KD.ª=ıCC273;15/
Zeit t s Basiseinheit hD60minD3600s
InnereEnergie U J Dm2kgs(cid:2)2
elektrische U VDJC(cid:2)1 Dm2kgs(cid:2)3A(cid:2)1
Spannung
Ladungsträger- u m2V(cid:2)1s(cid:2)1 Dkg(cid:2)1s2A
Beweglichkeit
KonstantenundFormelzeichen IX
Größe Symbol SI-Einheit Umrechnung
Volumen V m3 Ls(cid:2)1 D 60Lmin(cid:2)1 D
3600Lh(cid:2)1
Volumenstrom dV=dt m3s(cid:2)1 Lmin(cid:2)1D0;06m3h(cid:2)1
molaresVolumen V Lmol(cid:2)1 Dm3mol(cid:2)1
m
Massenanteil w kgkg(cid:2)1 D1D100% ppmD 10(cid:2)6 D 10(cid:2)4% D
mg=kgD(cid:2)g=g
Molenbruch,Stoff- x molmol(cid:2)1 D1 mol-%D0;01
mengenanteil
Impedanz Z.¨/ (cid:4)DVA(cid:2)1 Dm2kgs(cid:2)3A(cid:2)2
elektrochemische z – D1 nDzmol
Wertigkeit
Dissoziationsgrad ’ – D1
Massenkonzen- “ kgm(cid:2)3 gL(cid:2)1Dmgcm(cid:2)3(cid:4)0;1%
tration
Permittivität © Fm(cid:2)1 Dm(cid:2)3kg(cid:2)1s4A2 ©D© ©
0 r
Überspannung ˜ V Dm2kgs(cid:2)3A(cid:2)1
dynamische ˜ Pas Dm(cid:2)1kgs(cid:2)1 Veraltet:1cPD1mPa(cid:3)s
Viskosität
Volumenanteil ® m(cid:2)3=m(cid:2)3 D1 Vol-%D104mLm(cid:2)3;
®D“=¬
Aktivitätskoeffizient ” – D1
elektrische ›,¢ Sm(cid:2)1 D Dm(cid:2)3kg(cid:2)1s3A2 mScm(cid:2)1 D100Sm(cid:2)1
Leitfähigkeit (cid:4)(cid:2)1m(cid:2)1
molareLeitfähigkeit ƒ Sm2mol(cid:2)1 Dkg(cid:2)1s3A2mol(cid:2)1 mScm2mol D
m
0;1(cid:2)Sm2mol(cid:2)1
Wellenlänge œ m ÅD10(cid:2)10mD100pmD
0;1nm
Permeabilität (cid:2) Hm(cid:2)1 D Dmkgs(cid:2)2A(cid:2)2
Vs=.Am/
Wellenzahl (cid:5)Q m(cid:2)1 cm(cid:2)1 D100m(cid:2)1
Dichte ¡ kgm(cid:2)3 gcm(cid:2)3 DkgL(cid:2)1 Dtm(cid:2)3;
m=V DM=V
m
Kreisfrequenz ¨ s(cid:2)1 ¨D2 f
UmrechnungvonPotentialen
1Vvs.AgjAgCl(KClges.)D0,197VNHED(cid:2)0;045VSCE;1Vvs.LijLiCD(cid:2)3;045VNHE
Inhaltsverzeichnis
1 GrundlagenderEnergiewandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 NetzstabilisierungmitSpeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Speicherbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 LastprofilwälzungundRegelenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.3 Lastmanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 PolitischeundrechtlicheRahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 VariantenderEnergiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 MechanischeSpeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Pumpspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.2 Druckluftspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.3 Schwungradspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 ThermischeSpeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5.1 GrundsätzlicheVerlustederEnergiewandlung . . . . . . . . . . . . 11
1.5.2 Reaktionswärmespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3 Innere-Energie-Speicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5.4 ThermoelektrischeSpeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5.5 Latentwärmespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 ElektrischeEnergiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7 ChemischeSpeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.8 Systemvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Doppelschichtkondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 DieelektrolytischeDoppelschichtalsEnergiespeicher. . . . . . . . . . . . 23
2.1.1 VonderLeidenerFlaschezumSuperkondensator . . . . . . . . . . 23
2.1.2 BindegliedzwischenKondensatorenundBatterien . . . . . . . . . 25
2.1.3 EnergieundLeistungidealerKondensatoren . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.4 LeistungsdatenkommerziellerBauteile . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.5 ZelldesignfürhöhereSpannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.6 TechnischeAnwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
XI