Die Betrachtung zur Dynamik einer Redox-Flow-Zelle steht in der vorliegenden Arbeit im Kontext der Anwendung von Energiespeichern, gekoppelt an eine dezentrale Erzeugeranlage mit fluktuierender Leistungsabgabe. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Dezentralisierung der Energieerzeugung im Niederspannungs- und Mittelspannungsnetz wird gezeigt, dass solch eine Anlage in der Lage wäre, einen Beitrag zur Netzstabilisierung zu liefern. Dafür muss der Energiespeicher technische Anforderungen hinsichtlich der Dynamik erfüllen, um auf einen schwankenden Leistungsbedarf reagieren zu können.
Redox-Flow-Batterien haben das Potenzial für großtechnische Anwendungen mit hohem Wirkungsgrad und außerdem den Vorteil, dass ihre Leistung und Kapazität unabhängig voneinander skalierbar sind. In einer Übersicht werden ihre verschiedenen Ausführungen dargestellt und Redox-Flow-Batterien auch mit Speichersystemen verglichen, die für die anvisierte Anwendung in Frage kommen.
Zentrales Thema dieser Arbeit ist die Erprobung der Dynamik einer Vanadium-Redox-Flow-Zelle, die dafür eigens am Institut für chemische Verfahrenstechnik der Technischen Universität Clausthal aufgebaut wurde. Vorab erfolgt eine Zusammenstellung von veröffentlichten Verfahrenstechniken zum Aufbau und die Beschreibung der für die Messungen konstruierten Zelle. Im Anschluss werden die mit einem Batterietestgerät durchgeführten Messungen und deren Ergebnisse dargestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Problemstellung
2.1 Struktur des Elektrizitätsnetzes
2.2 Das Energieversorgungssystem im Wandel
2.2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen in Bezug auf DEA
2.2.2 Aufnahmefähigkeit der Verteilnetze für DEA
2.2.3 Spannungsschwankungen
2.2.4 DEA im Hinblick auf die Frequenzregelung
2.3 Einsatz von Energiespeichern
2.4 Die fluktuierende Leistungsabgabe von Windenergieanlagen
2.5 Folgerungen
3 Grundlagen elektrochemischer Energiespeicher
3.1 Energiespeichersysteme
3.2 Funktionsweise elektrochemischer Energiespeicher
3.3 Elektrochemische Grundlagen
3.4 Leerlaufspannung versus Ladungszustand
3.5 Strom-Spannungs-Charakteristik
3.6 Elektrochemisches VRB-Modell
3.7 Wirkungsgrade
3.8 Speicherkapazität
3.9 Elektrisches Ersatzschaltbild
4 Redox-Flow-Batterie-Systeme
4.1 Eisen-Chrom-Redox-Flow-Batterie
4.2 All-Vanadium-Redox-Flow-Batterie
4.2.1 Hersteller und Installationen
4.2.2 Betriebserfahrungen
4.3 Vanadium-Bromid-Redox-Flow-Batterie (VBB)
4.4 Polysulfid-Bromid-Redox-Flow-Batterie (PSB)
4.5 Hybrid-Flow-Batterien
4.6 Vergleichbare Batterietypen
5 Aufbau und Komponenten der VRB
5.1 Aufbau der Batterie
5.2 Aufbau der Zelle
5.2.1 Elektroden
5.2.2 Membran
5.3 Zu- und Abführung der Elektrolyt-Lösungen
5.4 Herstellung der Elektrolyt-Lösungen
5.5 Konstruktion einer Vanadium-Redox-Flow-Zelle an der TU Clausthal
6 Versuchsteil
6.1 Vorbereitung
6.1.1 Herstellung der Elektrolyt-Lösungen
6.1.2 Versuchsplanung
6.1.3 Pumpen-Charakteristik
6.2 Leerlaufspannung versus Ladungszustand
6.3 Stromsprünge
6.4 Strom-Spannungs-Charakteristik
6.5 Leistungsprofile
6.6 Wirkungsgrade und Verluste
6.7 Einfluss des Volumenstroms
7 Schlussbemerkungen
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Bachelorarbeit untersucht die Eignung der Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRB) als dynamischer Energiespeicher zur Glättung fluktuierender Einspeisungen von dezentralen Erzeugungsanlagen wie Windkraftanlagen, um somit einen Beitrag zur Netzstabilität zu leisten.
- Analyse der Dynamik von Redox-Flow-Zellen
- Untersuchung der Netzintegration dezentraler Erzeuger
- Vergleich verschiedener elektrochemischer Speichertechnologien
- Experimentelle Untersuchung einer selbst konstruierten VRB-Testzelle
- Auswertung von Lade- und Entladezyklen sowie Leistungsprofilen
Auszug aus dem Buch
3.1 Energiespeichersysteme
Energiespeicher entkoppeln zeitlich und auch räumlich die Verfügbarkeit und den Bedarf von Energie. Sie lassen sich einteilen nach der Energieform in die gespeichert wird. Elektrische Energie kann direkt in elektrischen oder magnetischen Feldern gespeichert werden. Ansonsten ist eine Umwandlung in eine andere Energieform notwendig. Bekannt sind die Speicherung in mechanischer (potentieller oder kinetischer Energie), chemischer (Stoffumwandlungen) oder thermischer Form. Abb. 3.1 zeigt die verschiedenen Energieformen und Umwandlungspfade in einem Überblick.
Jedes Speichersystem weist die in der Tabelle 2 auf der folgenden Seite zusammengefassten Kenngrößen auf. Darüber hinaus beurteilt man einen Energiespeicher bezüglich seiner Hochstrombelastbarkeit (ob er kurzzeitig hohe Leistungen abgeben bzw. aufnehmen kann), den Anforderungen an das Ladeverfahren, der Bestimmbarkeit seines „state of function“, des Wartungsbedarfs, Sicherheitsrisikos und seiner Umweltverträglichkeit.
Prinzipiell besteht ein Energiespeichersystem aus dem Speicher selbst sowie vor- und nachgeschalteten Wandlern. Eine Brennstoffzelle ist nur ein chemisch-elektrischer Wandler. Der Speicher ist wie auch bei der RFB extern angeordnet. In handelsüblichen Batterien/Akkus sind Speicher und die/der Wandler in Form der Elektroden zusammen untergebracht. Allgemein besteht eine Batterie aus einer Gruppe, zu einer funktionellen Einheit zusammengeschalteten, elektrochemischen Zellen (galvanischen Elementen). Im Gegensatz zu Primärzellen sind Sekundärzellen, auch Akkumulatoren genannt, wieder aufladbar. Wie auch im allgemeinen Sprachgebrauch finden beide Begriffe – Batterie und Akkumulator – im Folgenden synonym Verwendung. Für Batterien gelten zusätzlich zur Tabelle 2 in die Tabelle 3 auf der folgenden Seite aufgeführten Kenngrößen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Motivation zur Speicherung fluktuierender Energien und die Zielsetzung, die Dynamik von Redox-Flow-Batterien wissenschaftlich zu prüfen.
2 Problemstellung: Analysiert die Herausforderungen bei der Integration dezentraler Erzeugungsanlagen in das vorhandene Stromnetz, insbesondere im Hinblick auf Spannungs- und Frequenzstabilität.
3 Grundlagen elektrochemischer Energiespeicher: Vermittelt die theoretischen Basiskenntnisse über Speicherarten, elektrochemische Prozesse, Nernst-Gleichung und das Ersatzschaltbild von Redox-Flow-Zellen.
4 Redox-Flow-Batterie-Systeme: Gibt einen Überblick über verschiedene Technologien wie Eisen-Chrom, Vanadium, VBB und Hybrid-Flow-Batterien sowie deren Einsatzmöglichkeiten.
5 Aufbau und Komponenten der VRB: Detailliert die konstruktiven Aspekte wie Elektrodenmaterialien, Membranen und die Entwicklung einer eigenen Testzelle an der TU Clausthal.
6 Versuchsteil: Dokumentiert das methodische Vorgehen, die Messreihen an der Testzelle und die Analyse des dynamischen Verhaltens unter verschiedenen Lastbedingungen.
7 Schlussbemerkungen: Fasst die Ergebnisse zusammen und bewertet die Eignung der untersuchten Zelle für den Einsatz zur Netzstabilisierung.
Schlüsselwörter
Redox-Flow-Batterie, Energiespeicher, Netzstabilität, Vanadium, Windenergie, Elektrochemie, Ladezyklen, Leistungsdynamik, Zellaufbau, Netzregelung, Wirkungsgrad, Energiewende, Stromsprünge, Elektrolyt, Batterietechnik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das dynamische Verhalten einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie im Hinblick auf deren Einsatzmöglichkeiten zur Glättung fluktuierender Leistungen von dezentralen Erzeugungsanlagen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Zu den Schwerpunkten zählen die theoretischen Grundlagen der Elektrochemie, der Vergleich verschiedener Batterietechnologien, der Aufbau von Redox-Flow-Zellen und die experimentelle Erprobung der Dynamik anhand einer Testzelle.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist es zu klären, ob eine Redox-Flow-Batterie eine ausreichende Dynamik aufweist, um in einem Gesamtsystem auf schwankende Leistungsanforderungen von Windkraftanlagen zu reagieren und zur Netzstützung beizutragen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert eine Literaturrecherche zu bestehenden Systemen und Verfahren mit einer experimentellen Untersuchung, bei der eine eigene VRB-Zelle konstruiert und mittels Batterietestgeräten vermessen wurde.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine theoretische Analyse der Netzproblematik und Energiespeicher-Grundlagen sowie eine praktische Komponente, die den konstruktiven Aufbau der Zelle und die Messreihen zum dynamischen Antwortverhalten umfasst.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wesentliche Begriffe sind Redox-Flow-Batterie, Netzstabilität, Vanadium, Windenergie, Batterietechnik und dynamische Leistungsregelung.
Warum ist die Vanadium-Redox-Flow-Batterie für dezentrale Erzeuger interessant?
Ihre Leistungsfähigkeit und Kapazität sind unabhängig voneinander skalierbar, was eine flexible Anpassung an unterschiedliche Anforderungen ermöglicht, bei gleichzeitig hoher Zyklenfestigkeit.
Welche spezifischen Ergebnisse liefert der Versuchsteil an der TU Clausthal?
Die Versuche zeigen, dass die Zelle in der Lage ist, auf Leistungssprünge im Sekundenbereich zu reagieren, wobei die Dynamik von Faktoren wie dem Volumenstrom und dem Zustand der Elektroden abhängt.
- Quote paper
- Oliver Spelters (Author), 2010, Die Dynamik von Redox-Flow-Zellen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/168053
