3 Elektrochemische Wandler - Baustelle / Under whz-cms-10.zw.fh- .Elektronenabgabe = Oxidation Elektronenaufnahme

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    3 Elektrochemische Wandler

    3.1 Grundlagen

    3.1.1 Batterien Einsatzflle in Kraftfahrzeugen

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    3.1.3 Elektrochemische Grundlagen

    3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie

    3.2.1 Elektrochemische Vorgnge

    3.2.2 Elektrophysikalische Vorgnge

    Entladevorgnge

    Ladevorgnge

    Wirkungsgrad

    3.2.3 Batterieaufbau

    3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen

    3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

    3 Elektrochemische Wandler

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

    Erste wieder aufladbare Ladungssule von Ritter um 1803

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

    Bleiakkumulator von Plant von 1859 (rechts im Bild)

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

    Erste Verwendung von Bleirillenplatten zur Fixierung und Stabilisierung der aktiven Masse um 1881

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

    Erster Akkumulator der AFA um 1888

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

    Wartungsfreie Bleiakkumulatoren ab 1957

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

    Brennstoffzellen-Stack Leistung: 400 W 1967

    Quelle: AG Brown Boveri & Cie.

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3 Elektrochemische Wandler

    Versuchs- fahrzeug mit Brennstoffzellen- Batterie Leistung: 2 kW 1967

    Quelle: AG Brown Boveri & Cie.

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    3 Elektrochemische Wandler

    3.1 Grundlagen

    3.1.1 Batterien Einsatzflle in Kraftfahrzeugen

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    3.1.3 Elektrochemische Grundlagen

    3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie

    3.2.1 Elektrochemische Vorgnge

    3.2.2 Elektrophysikalische Vorgnge

    Entladevorgnge

    Ladevorgnge

    Wirkungsgrad

    3.2.3 Batterieaufbau

    3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen

    3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

    3 .1.1 Batterien - Einsatzflle in Kraftfahrzeugen

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    Starter-/Bordnetz-

    Batteriesysteme

    12 V/24 V

    Traktionsbatteriesysteme

    (> 100 V)

    Fahrantrieb ausschlielich

    durch Verbrennungsmotor

    Fahrantrieb ausschlielich durch

    Elektromotor

    (Zero Emission Vehicle)

    Fahrantrieb durch Elektromotor und Verbrennungsmotor

    (Hybridantriebe)

    Energieabgabe:

    im Motorstillstand und bei erhhtem Strombedarf

    Energieabgabe an Antriebsmotor nahezu ber gesamte Fahrzeit

    Energieabgabe an Antriebsmotor bei niedriger Fahrleistung und im Boosterbetrieb

    Energieaufnahme

    (Nachladen), wenn Leistungsbedarf der Verbraucher, kleiner als

    Generatorleistung

    Energieaufnahme nur beim Bremsen (Rekuperation)

    Externes Nachladen an

    Steckdose

    Energieaufnahme (Nachladen) bei Antrieb durch Verbrennungsmotor und beim Bremsen

    event. ext. Nachladen

    gespeicherte Energiemenge:

    0,3 ... 1,5 kWh

    entnehmbare Leistung:

    200 ... 1000 (... 2000) W

    ... 20 kWh

    ... 100 kW

    ... 10 kWh

    ... 50 kW

    Batterien Einsatzflle in Kraftfahrzeugen (Pkw)

    3 .1.1 Batterien - Einsatzflle in Kraftfahrzeugen

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    3 Elektrochemische Wandler

    3.1 Grundlagen

    3.1.1 Batterien Einsatzflle in Kraftfahrzeugen

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    3.2.3 Elektrochemische Grundlagen

    3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie

    3.2.1 Elektrochemische Vorgnge

    3.2.2 Elektrophysikalische Vorgnge

    Entladevorgnge

    Ladevorgnge

    Wirkungsgrad

    3.2.3 Batterieaufbau

    3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen

    3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    900

    Blei bzw.Blei-Gel

    NiMH Na/S bzw.Na/NiCl

    (Hochtemp.)

    Zn/Luft Lithium-Ionen

    (LiFePO4)

    theoretischeEnergiedichte

    praktischeEnergiedichte inWh/kg

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    0

    2000

    4000

    6000

    8000

    10000

    12000

    Blei bzw.Blei-Gel

    NiMH Na/S bzw.Na/NiCl2

    (Hochtemp.)

    Zn/Luft Lithium-Ionen

    (LiFePO4)

    Kraftst.-Tank

    Lithium-Luft

    (Li2O)

    theoretische Energiedichte

    praktische Energiedichte inWh/kg

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    Versuchsstadium

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    100.000

    10.000

    1.000

    100

    10

    1

    [W/kg]

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

    Leistungs- dichte

    Energiedichte [Wh/kg]

    Doppelschicht- kondensatoren

    Lithium-Ionen-Technologie Hochleistung Hochenergie

    Blei (Spiralstruktur)

    Blei (konv.)

    NiCd NiMH

    NaNiCl2 (Zebra)

    Akkumulatortechnologien (Stand 2011)

    Quelle: ATZ elektronik 03/2011

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    Li-Ion Batterie 100 kWh

    elektrische Energie

    Druckwasserstoff 6 kg H2 bei 700 bar

    200 kWh chemische Energie

    Dieselkraftstoff 400 kWh

    chemische Energie

    Vergleich von Masse und Volumen fr 500 km Reichweite

    Quelle: CEP / Prof. von Unwerth TU Chemnitz

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    Strom

    Drehstromsteckdose 10 kW

    Benzin

    Zapfsule 27.000 kW (ca. 50 l/min)

    1 min Tanken = 1 km fahren

    1 min Tanken = 1.000 km fahren

    Wasserstoff

    Tankstelle 2.000 kW (ca. 1 kg/min)

    1 min Tanken = 100 km fahren

    Betankungsdauer

    Quelle: Prof. von Unwerth TU Chemnitz

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    Quellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Windkraftanlage und https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Petrol_pumps?uselang=de#/media/File:Petrol_pump_mp3h0355.jpg

    =

    Anschlussleistung einer Zapfsule entspricht 27 MW

    Bei etwa 14.000 Tankstellen mit durchschnittlich 6 Zapfsule ergibt sich eine Gesamtanschlussleistung aller Tankstellen in Deutschland von:

    14.000 x 6 x 27 MW = 2.268 GW

    Hingegen betrgt die gesamte installierte elektrische Leistung in Deutschland laut Netzagentur zur Zeit nur etwa 190 GW!

    Wollte man nach einer kompletten Umstellung auf alternative Antriebe mit einem vergleichbarem Komfort Energie auf die Fahrzeuge bertragen, so wrde dies

    selbst unter Bercksichtigung eines deutlich hheren Wirkungsgrades eine Anschlussleistung von mind. 600 GW erfordern.

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    Quelle: https://mediathek.fnr.de/grafiken/daten-und-fakten/bioenergie/biokraftstoffe/biokraftstoffe-in-deutschland.html

    Energiemenge des jhrlichen Kraftstoffverbrauchs in Deutschland etwa:

    55 Mrd. kg x 12 kWh/kg = 660 TWh

    Unter Bercksichtigung des hheren Wirkungsgrades von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben wrden bspw. nur noch etwa 165 TWh bentigt (grobe Schtzung).

    Hingegen betrgt die Bruttostrom- erzeugung in Deutschland zurzeit etwa 614 TWh jhrlich.

    Schlussfolgerungen:

    Bei Umstellung aller Kraftfahrzeuge auf alternative Antriebe insbesondere mit batterie- gesttzten Elektronantrieben wre eine Schnellladung nach den heutigen Mastben fr einen Betankungsvorgang ausgeschlossen.

    Hingegen ist eine leistungsrmere, d.h. langsamere Bereitstellung von elektr. Energie selbst bei kompletter Umstellung aller Fahrzeuge auf Elektroantrieb bei vergleichsweise geringen Investitionen in die Infrastruktur mglich.

    lange Ladezeiten (z.B. ber Nacht) oder Fahren unter Draht

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik

    3 Elektrochemische Wandler

    3.1 Grundlagen

    3.1.1 Batterien Einsatzflle in Kraftfahrzeugen

    3.1.2 Batteriesysteme im Vergleich

    3.1.3 Elektrochemische Grundlagen

    3.2 Bleiakkumulator/Starterbatterie

    3.2.1 Elektrochemische Vorgnge

    3.2.2 Elektrophysikalische Vorgnge

    Entladevorgnge

    Ladevorgnge

    Wirkungsgrad

    3.2.3 Batterieaufbau

    3.2.4 Bemerkungen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen

    3.3 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

    3.1.3 Elektrochemische Grundlagen

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    Prof. Dr.-Ing. M. Thein Kraftfahrzeug-Elektrik/Elektronik 3.1.3 Elektrochemische Grundlagen

    Leitung des elektrischen Stromes durch:

    freie oder locker gebundene Elektronen in Metallen, Metalllegierungen, Metallverbindungen, Metall