IEP-Gruppe 7 (4-3)

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IEP-Gruppe 7 (4-3)

  1. 1. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 1 Interdisziplinäres Energieprojekt Quelle: http://www.energy.tu-darmstadt.de/media/energy/fotos_profilbereich_energie/solarfuels.jpg Experimentelle Charakterisierung von Energiewandel- und Energiespeichersystemen für den Einsatz erneuerbarer Energien
  2. 2. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 2 Teamaufbau: Sommersemester 2016 Gruppe Nr. 7 ENERGIE WI MB Bio UI Projektteilnehmer: M.Sc. ESE • Martin Gross (Umweltingenieur) • Kunxiong Ling (Maschinenbauer) • Dario Spanier (Biologe) • Andreas Steinmetz (Wirtschaftsingenieur) Projektbetreuer: FG Oberflächenforschung • PD Dr. Bernhard Kaiser • Conrad R. Guhl • Jona Schuch • Thorsten Cottre
  3. 3. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 3 Agenda • Motivation • Experimentelle Charakterisierung  Solarzelle  Batterie  Elektrolyse • Elektrochemische Prozesskette – Modell • Fazit
  4. 4. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 4 Motivation | Energiewende Erneuerbare Energien produzierten 2015 knapp ein Drittel des Stromverbrauchs: Anteil Erneuerbarer Energien am Bruttostromverbrauch 2000-2015 Daten: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (Stand März 2016) | Zielmarken: Energiekonzept 2010 und EEG 2014
  5. 5. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 5 Motivation | Zeitliche Komponente Quelle: www.energy-charts.de (Stand Do. 23.06.16) EnergieinTWh Tag
  6. 6. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 6 Motivation | Räumliche Komponente
  7. 7. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 7 Elektrochemische Energieprozesskette - Modell BATTERIE ELEKTROLYSEUR TANKSONNE PV POWER-TO-GAS PV SYSTEM H2
  8. 8. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 8 SOLARZELLE Photovoltaischer Energiewandler
  9. 9. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 9 Funktionsweise einer Solarzelle Quelle: Helmholtz Zentrum Berlin für Materialen und Energie GmbH
  10. 10. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 10 Schichtvergleich von Solarzellen Dickschicht: sc-Si Dünnschicht: CdTe Farbstoff: DSSC Quelle: www.swisssolarcharger.com; Fachgebiet Oberflächenforschung der TU Darmstadt
  11. 11. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 11 Bestimmung der Solarzellenparameter aus der IU-Kennlinie Beleuchtung AM1,5 (1000 W/m2) U- / I- Messung Quelle: Wikipedia
  12. 12. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 12 Bestimmung der externen Quantenausbeute (EQE) Monochomator Versuchzelle Monitorzelle Chopper Lampe Monolichterzeugung EQE-Messung
  13. 13. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 13 Bestimmung der externen Quantenausbeute (EQE)
  14. 14. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 14 Vergleich der Solarzellen Parameter sc-Si CdTe DSSC(Vor) Leerlaufspannung Uoc / mV 556 473 633 Kurzschlussstromdichte jsc / mA·cm-2 22,97 20,46 4,73 Maximale Leistungsdichte Pmpp / mW·cm-2 9,44 2,34 1,30 Füllfaktor FF / % 73,87 24,14 43,49 Wirkungsgrad (AM1,5) η / % 9,44 2,34 1,30 Max. Modulwirkungsgrad η0 / % 23 11,2 8,8 Aktuelle Kosten (PV Module) K / USD·kW-1 <1.400 ~ 900 - Flächenbedarf F / m2·kW-1 7 11 - Kommerzialisierungsstand Ausgereift Früherrichtungsphase F&E Phase * Quelle: IRENA. Renewable Energy Technologies: Cost Analysis Series, Volume 1 AusIEPAusIRENA*
  15. 15. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 15 Status Quo der Solarzellen Quelle: U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL) Multijunction: 46.0% Fraunhofer ISE c-Si: 25,6% CdTe: 22,1% DSSC: 11,9%
  16. 16. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 16 LITHIUM-IONEN-BATTERIE Stromspeicher
  17. 17. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 17 Funktionsweise der Lithium-Ionen-Batterie Quelle: www.chip.de
  18. 18. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 18 Funktionsweise Quelle: KORTHAUER, Reiner. Handbuch lithium-ionen-batterien. Springer Vieweg, 2013.
  19. 19. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 19 Versuchsaufbau Quelle: www.researchgate.net
  20. 20. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 20 Methode: Galvanostatische Zyklierung Kommerz. Zelle: Sanyo UR 18650 Swagelok-Modellzelle: Li-Metall | LiCoO2
  21. 21. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 21 Charakteristika Kommerzielle Zelle Modellzelle Coulomb Efficiency (CE) 99,7% 90,9% State of Charge (SOC) 98% 98,9% Nennkapazität (Qn) 2800 mAh 0,5 mAh
  22. 22. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 22 Anwendungen Quelle: www.cdu4you.com Quelle: Belectric Quelle: Tesla Energy GmbH
  23. 23. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 23 WASSER-ELEKTROLYSE Energiespeicher
  24. 24. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 24 Prinzip der Elektrolyse V
  25. 25. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 25 Hoffmann‘scher Zersetzungsapparat Quelle: Wikipedia Anode Kathode Elektrolyt Spannung in V 1 Pt Pt 1 mol KOH 4,9 V 2 Pt Pt 0,1 mol KOH 13 V 3 Pt Pt 0,1 mol H2SO4 9,6 V 4 RuO2 Pt 0,1 mol H2SO4 7,7 V
  26. 26. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 26 Wirkungsgrad Faraday 𝑄 ~ 𝑛 Energetisch: Versuchsaufbau V (H2, real) in mL V (H2, Faraday) in mL ηFar ηenerg 1 Pt | Pt | 1 mol KOH 4,8 5,1 94% 24% 2 Pt | Pt | 0,1 mol KOH 4,8 94% 9% 3 Pt | Pt | 0,1 mol H2SO4 4,8 94% 12% 4 RuO2 | Pt | 0,1 mol H2SO4 5 98% 16% 𝜂Far = 𝑛real 𝑛Far 𝑛Far = 𝑄 𝑧 ⋅ 𝐹 𝜂energ = 𝐻 𝑢 ⋅ 𝑛real 𝑊el
  27. 27. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 27 Status quo Pilotanlage Falkenhagen, Brandenburg (Quelle: E.ON)
  28. 28. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 28 Einfache Modellierung einer elektrochemische Energieprozesskette 𝑃verf ሶ𝑚H2O ሶ𝐶 = 0 Τ𝛼 𝜂PV + Τ(1 − 𝛼) (𝜂PV ⋅ 𝜂Batt 2 ) Τ𝐻H2 0 𝜂El + 𝑤Komp 0 0 Τ1 𝜀el 0 0 𝐵 ⋅ 𝑓H2 −1 0 ሶ𝑚H2 ሶ𝐺 Quelle: HOLL, Mario; PELZ, Peter F. Multi-pole system analysis (MPSA)–A systematic method towards techno-economic optimal system design. Applied Energy, 2016, 169. Jg., S. 937-949.
  29. 29. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 29 Eine Lösung der Fragestellung 𝜂PV = 0,2 𝜂Batt = 0,98 𝜂El = 0,75 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 LeistunginMW Zeit in h Umgerechnete PV Energieproduktion in Deutschland Quelle: EEX, ENTSO-E: Solar & Wind Power Production in Germany 2016/06/20 Szenario 1: Ohne Batterie Szenario 2: Mit Batterie Gesamtwirkungsgrad 14,96 % 14,51 % LCOH nach 20 Jahren in €/kg H2 176 83 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 LCOHin€/kgH2 Jahreszahl Levelized Cost of Hydrogen ohne Batterie mit Batterie 
  30. 30. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 30 Fazit • Ressourcenprobleme • Laborerfahrungen • Forschungsbedarf Quelle: www.youtube.de
  31. 31. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 31 Interdisziplinäres Energieprojekt Quelle: http://www.energy.tu-darmstadt.de/media/energy/fotos_profilbereich_energie/solarfuels.jpg Experimentelle Charakterisierung von Energiewandel- und Energiespeichersystemen für den Einsatz erneuerbarer Energien
  32. 32. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 32 Diskussion „Können uns Speichertechnologien helfen unsere Netzengpässe in den nächsten 10 Jahren zu beheben? Wie realistisch ist das?“
  33. 33. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 33 Backup: Funktionsweise einer Solarzelle
  34. 34. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 34 Backup: Bestimmung der Solarzellenparameter aus der IU-Kennlinie Maximal Power Point (MPP) Beispiel für sc-Si Solarzelle: 𝐽𝑟𝑝 𝐽0 𝐽𝑠𝑐 𝐽𝑟𝑠 𝑈 𝑜𝑐
  35. 35. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 35 Backup: Zyklovoltammetrie (Elektrolyse) Quelle: Hamann/ Vielstich
  36. 36. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 36 Backup: Zyklovoltammetrie (Elektrolyse)
  37. 37. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 37 Backup: Modellierung einer elektrochemische Energieprozesskette 𝑃verf ሶ𝑚H2O ሶ𝐶 = 0 Τ𝛼 𝜂PV + Τ(1 − 𝛼) (𝜂PV ⋅ 𝜂Batt 2 ) Τ𝐻H2 0 𝜂El + 𝑤Komp 0 0 Τ1 𝜀el 0 0 𝐵 ⋅ 𝑓H2 −1 0 ሶ𝑚H2 ሶ𝐺 Quelle: HOLL, Mario; PELZ, Peter F. Multi-pole system analysis (MPSA)–A systematic method towards techno-economic optimal system design. Applied Energy, 2016, 169. Jg., S. 937-949. 𝛱 ≔ ሶ𝑚H2 ⋅ 𝐻H2 0 𝑃verf 𝐿𝐶𝑂𝐻 ≔ ሶ𝐶 ⋅ 𝐻H2 0 𝐵 ⋅ Π ⋅ 𝑃verf Energieeffizienz: Levelized Cost of hydrogen (LCOH): Szenarien: • Mit Batterie: 0 ≤ 𝛼 ≤ 1 • Ohne Batterie: 𝛼 ≡ 1
  38. 38. 10.07.2016 | SB ESE | IEP Gruppe 7 | Martin Gross, Kunxiong Ling, Dario Spanier, Andreas Steinmetz | 38 Backup: Eine Lösung der Fragestellung 𝜂PV = 0,2 𝜂Batt = 0,98 𝜂El = 0,8 𝑤Komp = 4,68 × 106 ΤJ kgH2 𝐻H2 0 = 1418,8 × 106 ΤJ kgH2 𝜀El = 0,118 𝐼0(PV) = 900 €/kW 𝐼0(Batt) = 2.000.000 €/45MWh 𝐼0(el) = e9,87 𝑃el −0,395 €/kW Annuity loan duration 𝑛 = 20 Rate of interest 𝑧 = 0,07 Cumulated share O&M 𝑦 = 0,05 Capacity factor 𝛿 = 0,8 LCOH ≔ ሶ𝐶 ⋅ 𝐻H2 0 𝐵 ⋅ Π ⋅ 𝑃verf 0 20 40 60 80 100 120 0 20000 40000 60000 80000 100000 10 MW mit batterie m(H2) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20000 40000 60000 80000 100000 40MW ohne batterie m(H2) CRF: Capital Recovery Factor ሶ𝐺 = 𝐶𝑅𝐹 ⋅ 𝑁𝑃𝑉

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