DE102012008963A1 - Versorgungssystem mit Metall-Luft-Batterie und Luftzerlegungsanlage - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Versorgungssystem (10, 20, 30) mit einer Metall-Luft-Batterie (1) und einer Luftzerlegungsanlage (2) vorgeschlagen, bei dem eine Kathode der Metall-Luft-Batterie (1) zumindest zeitweise mit wenigstens einem entweder sauerstoff- oder inertgasreichen und/oder kohlendioxidarmen Gas der Luftzerlegungsanlage (2) beaufschlagt werden kann. Ein Betriebsverfahren ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Versorgungssystem mit einer Metall-Luft-Batterie und einer Luftzerlegungsanlage sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.
  • Stand der Technik
  • Bekannte Metall-Luft-Batterien weisen eine negative Metallelektrode (Anode) und eine positive Luftelektrode (Kathode) auf. Als Elektrolyte werden meist wässrige alkalische Lösungen, beispielsweise von Kaliumhydroxid (ca. 15 bis 30 Gew.%) verwendet, da diese eine gute Ionenleitfähigkeit aufweisen und gleichzeitig einen stabilen Betrieb der Metallelektrode bei guter Effizienz der Luftelektrode gewährleisten. Das aktive Material an der positiven Elektrode ist Sauerstoff, an der negativen Elektrode kommen beispielsweise Lithium, Aluminium, Magnesium, Zink oder Eisen zum Einsatz.
  • Während des Entladevorgangs laufen folgende Elektrodenreaktionen ab:
    Kathode: ½O2 + H2O + 2e– → 2OH–
    Anode: M + nOH– → MOn/2 + n/2H2O + ne
    Gesamtreaktion: M + n/4O2 → MOn/2
  • Die Vorteile von Sauerstoff als Aktivmaterial an der Kathode sind sein niedriges Gewicht, seine hohe spezifische Kapazität von 3,35 Ah/g, seine unbegrenzte Verfügbarkeit und seine Umweltverträglichkeit.
  • Im Allgemeinen lassen sich mit Metall-Luft-Batterien die höchsten Energiedichten aller Batteriesysteme erzielen. In der Praxis wurden mehr als 500 Wh/kg bzw. 1.000 Wh/l erreicht. Klassische Anwendungen bestehen z. B. in primären Zink-Luft-Zellen mit alkalischen Gelelektrolyten, d. h. nicht wiederaufladbaren Batterien. Diese werden u. a. in Hörgeräten, medizinischen Apparaten und tragbaren elektronischen Geräten eingesetzt. Neuere Entwicklungen zielen darauf ab, Metall-Luft-Systeme auch als Sekundärbatterien bzw. Akkumulatoren zur Anwendung zu bringen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend überwiegend anhand von Zink-Luft-Batterien beschrieben, kann jedoch auch mit anderen Arten von Metall-Luft-Batterien und insbesondere mit entsprechenden Akkumulatoren verwendet werden. Unter ”Batterien” seien also sowohl Primär- als auch Sekundärbatterien bzw. Akkumulatoren verstanden.
  • Um die Funktionsfähigkeit einer Metall-Luft-Batterie zu gewährleisten, muss die Kathode eine poröse Struktur aufweisen, die einerseits sauerstoffpermeabel aber gleichzeitig undurchlässig für den Elektrolyten ist.
  • Beim Betrieb mit Luft kommt es jedoch in wässrigen alkalischen Elektrolyten aufgrund des enthaltenen Kohlendioxids zur Bildung von Carbonaten (z. B. K2CO3). Diese blockieren die Diffusionspfade für Luft durch die poröse Elektrodenstruktur und verschlechtern dadurch das Leistungsverhalten und die Lebensdauer der Batterie.
  • Ein weiterer gravierender Nachteil von Metall-Luft-Batterien ist ihre limitierte Leistungsdichte, die im Wesentlichen auf die begrenzte Diffusionsfähigkeit des Luftsauerstoffs in der porösen Elektrodenstruktur und die vergleichsweise langsamen Reaktionsraten am Kathodenkatalysator zurückzuführen ist.
  • Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, diese Nachteile zu überwinden und einen verbesserten Betrieb von Versorgungssystemen mit entsprechenden Metall-Luft-Batterien zu ermöglichen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein Versorgungssystem mit einer Metall-Luft-Batterie und einer Luftzerlegungsanlage sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass die Lebensdauer und der Gesamtwirkungsgrad einer Metall-Luft-Batterie, und damit die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit eines Versorgungssystems, an das die Metall-Luft-Batterie angebunden ist, signifikant erhöht werden kann, wenn die Kathode der Metall-Luft-Batterie zumindest zeitweise mit einem entweder sauerstoff- oder inertgasreichen und/oder kohlendioxidarmen Gas statt regulärer Luft versorgt wird.
  • Unter dem Begriff ”Gas” werden hier Reingase und Gasgemische zusammengefasst.
  • Der Begriff ”sauerstoffreich” bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung ein Gas oder Gasgemisch, das einen Sauerstoffgehalt aufweist, der über jenem natürlicher Luft von ca. 21 Vol.% liegt. Vorteilhafterweise beträgt der Sauerstoffgehalt wenigstens 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 95%. Auch reiner Sauerstoff, der lediglich Spuren anderer Gase enthält, kann in diesem Zusammenhang verwendet werden. Ein sauerstoffreiches Gas kann beispielsweise durch Tieftemperaturrektifikation aus Luft in einer Luftzerlegungsanlage gewonnen werden und in diesem Fall Anteile an Edelgasen wie z. B. Argon, Krypton und Xenon aufweisen.
  • Der Begriff ”inertgasreich” bezeichnet in analoger Weise ein Gas oder Gasgemisch, das einen Inertgasgehalt aufweist, der über jenem natürlicher Luft von ca. 78 Vol.% liegt. Als hauptsächliche Inertgase können Stickstoff und Argon und/oder andere Edelgase oder entsprechende Mischungen verwendet werden. Vorteilhafterweise beträgt der Inertgasgehalt dabei wenigstens 80%, 90%, 95% oder 99%. Auch reine Inertgase, die lediglich Spuren anderer Gase enthalten, können verwendet werden.
  • Der Begriff ”kohlendioxidarm” bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung ein Gas oder Gasgemisch, das einen Kohlendioxidgehalt aufweist, der unter jenem natürlicher Luft von ca. 300 ppmv liegt. Vorteilhafterweise beträgt der Kohlendioxidgehalt weniger als 100, weniger als 50, weniger als 10 oder weniger als 1 ppmv. Die Größe ppmv gibt Millionstel Volumenanteile (Parts per Million by Volume) an.
  • Erfindungsgemäß entstammt das entweder sauerstoff- oder inertgasreiche und/oder kohlendioxidarme Gas einer mit der Metall-Luft-Batterie in einem Versorgungssystem zusammengefassten Luftzerlegungsanlage. Die Luftzerlegungsanlage ihrerseits ist dabei vorteilhafterweise über ein gemeinsames Gasnetz mit der Metall-Luft-Batterie verbunden. Die Metall-Luft-Batterie und die Luftzerlegungsanlage sind vorteilhafterweise auch an ein gemeinsames Stromnetz angebunden. Hierdurch ergeben sich die unten näher erläuterten Synergieeffekte.
  • Ein ”Versorgungssystem” im Sinne dieser Anmeldung ist dafür eingerichtet, eine Versorgung eines an das Versorgungssystem anbindbaren Verbrauchers mit elektrischer Leistung, wenigstens einem Reingas und/oder wenigstens einem Gasgemisch vorzunehmen. Auch eine wechselseitige Versorgung der Komponenten des Versorgungssystems (z. B. der Metall-Luft-Batterie und der Luftzerlegungsanlage) kann hierbei erfolgen. Das erfindungsgemäße Versorgungssystem umfasst dabei nicht notwendigerweise nur eine Metall-Luft-Batterie und nur eine Luftzerlegungsanlage. Insbesondere mehrere Metall-Luft-Batterien können in entsprechenden Batterieanordnungen (Batteriebänken) zusammengefasst sein. Entsprechende Speicher und/oder Tanks für die oben erläuterten Gase und insbesondere auch für weitere Produkte der Luftzerlegungsanlage können ebenfalls vorgesehen sein.
  • Der Begriff ”Luftzerlegungsanlage” (LZA) im Sinne dieser Anmeldung umfasst Anlagen zur Trennung der Luft in ihre gasförmigen Bestandteile, jedoch zumindest zur Abtrennung von Kohlendioxid und/oder zur Erzeugung der zuvor erläuterten Gase. Hierbei kann es sich beispielsweise um Anlagen zur Tieftemperaturrektifikation handeln. Auch adsorptive Prozesse oder Membranprozesse können verwendet werden. Für den Prozess der kryogenen Luftzerlegung muss die Luft gereinigt und aufbereitet werden, bevor eine Tieftemperaturrektifikation durchgeführt werden kann. Auch technische Einheiten zur Durchführung dieser Schritte seien im Rahmen dieser Anmeldung funktionell in einer ”Luftzerlegungsanlage” integriert. Hierbei werden Partikel, Kohlenwasserstoffe, Wasser und Kohlendioxid entfernt. Bereits der der Tieftemperaturrektifikation zugeführte, gereinigte und aufbereitete Luftstrom ist damit ein kohlendioxidarmes Gas. Dieses kann vor der Rektifikation abgezweigt und der Metall-Luft-Batterie zugeführt werden.
  • Daher umfasst ein Gas ”einer Luftzerlegungsanlage” nicht nur durch die Luftzerlegungsanlage erzeugte Endprodukte oder Reingase, sondern auch entsprechende Zwischenprodukte oder gereinigte und aufbereitete Einsatzgase. Durch die Kopplung der Metall-Luft-Batterie mit der Luftzerlegungsanlage kann damit beispielsweise auf eine redundante Gasreinigung” (z. B. mittels Kohlendioxidwäschen) verzichtet werden.
  • Jede der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Teilmaßnahmen entfaltet für sich betrachtet Vorteile. Insbesondere ergeben sich diese jedoch in Kombination.
  • So kann bei einem erhöhten Sauerstoffgehalt an der Kathode, wie unten weiter ausgeführt, eine Erhöhung der Effizienz einer Metall-Luft-Batterie um 30% und mehr erzielt werden. Der Einsatz eines inertgasreichen Gases oder Gasgemischs bewirkt andererseits in Stillstandsphasen, in denen eine entsprechende Metall-Luft-Batterie nicht benötigt wird (also weder eine Ladung noch eine Entladung erfolgt), eine Unterbindung unerwünschter Nebenreaktionen.
  • Wie eingangs erläutert, kommt es in wässrigen alkalischen Elektrolyten von Metall-Luft-Batterien aufgrund des in der Luft enthaltenen Kohlendioxids zur Bildung von Carbonaten, die die Sauerstoffpermeabilität der Kathoden verringern und die Lebensdauer reduzieren. Dies wird durch den erfindungsgemäßen Einsatz von kohlendioxidarmen Gasen oder Gasgemischen je nach verwendetem Kohlendioxidgehalt verhindert oder zumindest signifikant verlangsamt. Erfindungsgemäß kann daher aufgrund des geringen Kohlendioxidgehalts des zum Betreiben der Metall-Luft-Batterie verwendeten Gases beispielsweise, wie bereits erwähnt, auf eine anderenfalls vorzunehmende Kohlendioxid-Wäsche der Eingangsluft verzichtet werden. Hierdurch ergeben sich längere Lebensdauern bei verringerter Komplexität und verringerten Kosten eines entsprechenden Systems. Weil keine Waschlösungen regeneriert werden müssen, ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad. Weiterhin sind keine aufwendigen und/oder kostspieligen Maßnahmen oder Veränderungen der Batteriechemie notwendig, z. B. Modifikationen des Elektrolyten, um eine höhere Kohlendioxidtoleranz zu gewährleisten.
  • Einer der Kernaspekte der vorliegenden Erfindung besteht also darin, Metall-Luft-Batterien in Kombination mit einer Luftzerlegungsanlage bzw. an einem Gasnetz oder einem Gasspeicher zu betreiben, die von einer Luftzerlegungsanlage versorgt werden. Ein Teil des durch die Anlage produzierten sauerstoffreichen Gases kann dazu verwendet werden, die Kathode während des Entladevorgangs zu versorgen, während ein Teil des inertgasreichen Gases dazu verwendet werden kann, die Kathode während Stillstandsphasen zu inertisieren und damit unerwünschte Nebenreaktionen zu unterbinden. In beiden Fällen werden vorteilhafterweise kohlendioxidarme Gase verwendet.
  • Die besten Effekte der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind naturgemäß bei einem möglichst hohen Sauerstoffgehalt des sauerstoffreichen Gases bzw. einem möglichst hohen Inertgasgehalt des inertgasreichen Gases bei vollständiger Abwesenheit von Kohlendioxid zu erwarten. Insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen können jedoch auch geringere bzw. höhere Werte akzeptabel sein. Beispielsweise bewirkt eine nur teilweise Kohlendioxidfreiheit bereits eine Verlangsamung der Carbonatbildung oder eine teilweise Anreicherung eines Gases mit Sauerstoff einen höheren Wirkungsgrad.
  • Insbesondere die jeweils verwendeten Gehalte an Sauerstoff und/oder Inertgas können vorteilhafterweise je nach Bedarf eingestellt werden. So kann beispielsweise der Sauerstoffgehalt durch Beimischung. von Inertgas gezielt verringert werden, wodurch sich das Leistungsverhalten der Metall-Luft-Batterie in gewissem Umfang einstellen lässt. Restriktionen im Hinblick auf die Materialwahl bei Betrieb mit Rein- und Reinstgasen können damit ebenfalls umgangen werden.
  • Während des Ladevorgangs der Metall-Luft-Batterie kann elektrische Energie aus einem Stromnetz bezogen werden, um Metallhydroxid bzw. Metalloxid zu reduzieren und an der Anode abzuscheiden. An der Kathode entsteht dabei Sauerstoff, der an die Umgebung abgegeben werden kann. Beim Entladen der Metall-Luft-Batterie wird die Kathode mit Sauerstoff aus einem Gasnetz versorgt, in das je nach Kapazitäten und Betriebsmodus durch die Luftzerlegungsanlage und/oder durch einen entsprechenden Speicher ein sauerstoffreiches Gas eingespeist werden kann. Ein entsprechendes Gasnetz kann auch selbst als Speicher bzw. Quelle für das sauerstoffreiche Gas dienen, wenn dieses eine Druckabsenkung erlaubt (sogenannte Leitungsatmung).
  • Besondere Vorteile entfaltet die Erfindung in stationären Anwendungen, insbesondere in Verbindung mit industriellen Verbrauchern und Aufgaben der Netzregulierung. Hierbei kann eine Reduzierung der elektrischen Energiekosten durch Verschiebung des Strombezugs in Schwachlast-/Off-Peak-Perioden mit geringem Strompreis, eine Speicherung der elektrischen Energie und ein Entladen der Metall-Luft-Batterie in Perioden mit hohem Strompreis erfolgen. Die Erfinung ermöglicht eine Glättung von Lastspitzen und dadurch eine Reduzierung der Strombezugskosten von leistungsgemessenen Verbrauchern. Weiterhin kann eine Laststeuerung (sogenanntes Demand Side Management) durch Energieversorger, eine Pufferung einer fluktuierenden regenerativen Einspeisekapazität im Versorgungsnetz und/oder eine Frequenzstabilisierung bzw. eine Teilnahme am Regelenergiemarkt erfolgen.
  • Nachfolgend wird zur Demonstration der erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile beispielhaft der Sauerstoffbedarf einer Modellanlage mit 5 MW elektrischer Nennleistung berechnet, wozu als grundlegendes Element eine Zink-Luft-Batteriezelle mit 500 cm2 aktiver Fläche und 150 W Leistung angenommen wird.
  • Bei einer durchschnittlichen Entladespannung von 1,1 V beträgt der Zellstrom I rund 137 A. An der Kathode werden pro Sauerstoffmolekül jeweils vier Elektronen ausgetauscht (z = 4), daher ergibt sich nach dem Faradayschen Gesetz nO2 = I/(z · F) ein Sauerstoffbedarf von ca. 0,35 · 10–3 mol/s bzw. 29 Nl/h (Normliter pro Stunde). Die Faraday-Konstante beträgt F = 96.485 As/mol. Skaliert auf eine elektrische Leistung von PN = 5 MWel beträgt der Sauerstoffbedarf beim Entladen ca. 1.000 Nm3/h (Normkubikmeter pro Stunde) bzw. 1.400 kg/h (ρO2 = 1,43 kg/Nm3). Diese Menge entspricht in etwa der Untergrenze der Produktionskapazität kleinerer Onsite-Standardanlagen zur Luftzerlegung, wie sie z. B. durch die Anmelderin vertrieben werden.
  • Die Separation (Herstellung) von gasförmigem Sauerstoff in einer kryogenen Luftzerlegungsanlage erfolgt unter einem spezifischen elektrischen Energieverbrauch, der einen entsprechenden Leistungsbedarf für eine gegebene Menge Sauerstoff definiert. Da sich das jedoch Leistungsverhalten bzw. die Effizienz bei der Verwendung von Sauerstoff statt Luft in einer Metall-Luft-Batterie um etwa 30% steigern lässt, wie durch Literaturdaten belegt, ist in der energetischen Bilanz der Zusatzaufwand für die Sauerstoffproduktion durch den Effizienzgewinn des Entladeprozesses abgedeckt. Dies gilt, bei Annahme üblicher Produktionskosten für Sauerstoff und die entsprechenden Erlöse für elektrische Energie, auch unter finanziellen Aspekten und unter Berücksichtigung von weiteren Kostenfaktoren.
  • Insgesamt ergibt sich damit ein wirtschaftlicherer Betrieb eines entsprechenden Versorgungssystems bei gleichzeitig längerer Lebensdauer und höherem Wirkungsgrad der Metall-Luft-Batterie.
  • Wie erläutert, wird beim Ladevorgang der Metall-Luft-Batterie Sauerstoff frei. Je nach Menge und Reinheit des freiwerdenden Sauerstoff und den Reinheitsanforderungen eines ggf. angeschlossenen Gasverbrauchers kann dieser auch u. U. erneut in das Gasnetz eingespeist werden, anstatt ihn in die Umgebung abzublasen. Rein bilanziell geht damit kein Sauerstoff verloren und die LZA ist im Prinzip nur noch für eine Initialisierung oder ein Auffüllen allfälliger Verluste und eine Regeneration erforderlich. Die Metall-Luft-Batterie kann jedoch die vorhandene Leitungs- und Speicherinfrastruktur nutzen. Metall-Luft-Batterien werden in der Regel bei oder nahe Atmosphärendruck betrieben, so dass für die erneute Einspeisung des Sauerstoffs in das Gasnetz ggf. ein Verdichter vorzusehen ist.
  • Ist eine Einspeisung in das Gasnetz nicht möglich oder nicht erwünscht, kann der beim Ladevorgang erzeugte Sauerstoff vorteilhafterweise auch saugseitig dem Verdichter der Luftzerlegungsanlage zugeführt werden und erhöht so den Sauerstoff-Anteil der zu zerlegenden Luft. Die saugseitige Zuführung zum Verdichter kann auch zusätzlich zu einer Einspeisung in das Gasnetz erfolgen. Für eine konstante Sauerstoffproduktionsrate ist damit weniger Kompressorleistung und damit weniger Energieeinsatz pro Produktvolumen bzw. -gewicht erforderlich.
  • Vorteilhafterweise kann bei einem entsprechenden Versorgungssystem auch eine Regenerierung von verbrauchten Aktivmaterialien, z. B. einer Zinkat-Zinkoxid-Elektrolyt-Suspension vorgenommen werden. Die Regenerierung kann z. B. elektrolytisch erfolgen. Hierbei entsteht eine Suspension aus Metallpartikeln und Elektrolyt, die zurück in ein hierfür vorgesehenes Reservoir der Metall-Luft-Batterie gepumpt werden kann. Diese Maßnahmen können insbesondere bei Zink-Luft-Batterien zum Einsatz kommen und stellen eine sogenannte hydraulische Wiederaufladung dar. Nachfolgend werden daher zum besseren Verständnis Merkmale von Zink-Luft-Batterien und entsprechende Wiederaufladestrategien näher erläutert.
  • Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Zink (Zn) als negativem Elektrodenmaterial einer Metall-Luft-Batterie unter anderem deshalb, weil Zink in wässrigen Elektrolyten stabil ist, es eine hohe spezifische Energiedichte aufweist (theoretisch bis zu 1.100 Wh/kg), kostengünstig und leicht verfügbar, nicht umwelt- bzw. gesundheitsschädlich sowie gut zu lagern und zu verarbeiten ist. Für den Entladevorgang lautet die Reaktionsgleichung an der negativen Zink-Elektrode: Zn + 4OH– → Zn(OH)4 2– + 2e–(E0 = –1,266 V)
  • Metallisches Zink wird oxidiert und bildet unter Freisetzung von zwei Elektronen Zinkat-Ionen. Dieser Mechanismus ist vorteilhaft, da Zinkat-Ionen im alkalischen Elektrolyten löslich sind, während sich unlösliches Zinkoxid (ZnO) an der Elektrode ablagern und weitere elektrochemische Reaktionen blockieren würde. Erst bei hohen Zinkat-Konzentrationen im Elektrolyten entsteht ZnO: Zn(OH)4 2– → ZnO + H2O + 2OH– Die Konzentration an Zinkat wird daher vorteilhafterweise durch eine entsprechende Regeneration begrenzt. An der positiven Elektrode wird beim Entladen unter idealen Bedingungen Sauerstoff katalytisch reduziert: O2 + 2H2O + 4e– → 4OH–(E0 = +0,401 V)
  • Die theoretische Spannung von Zink-Luft-Batterien beträgt somit 1,266 V + 0,401 V = 1,667 V.
  • In der Praxis dominieren an der Sauerstoff-Elektrode jedoch Reaktionen, in denen nur zwei Elektronen ausgetauscht werden und in einem Zwischenschritt Peroxid (HO2 -) gebildet wird. Daher sind die realen Zellspannungen niedriger. Beim Einsatz von Cobalt-Perovskiten (La0,6Ca0,4CoO3) als Katalysator werden Ruhespannungen von etwa 1,45 V erreicht. Die Arbeitsspannung bei Entnahme eines Stroms beträgt ca. 0,9 bis 1,3 V. In jüngster Vergangenheit rücken Zn-Luft-Systeme verstärkt in den Fokus der Entwicklungstätigkeiten, da insbesondere in stationären Anwendungen Lösungen für den Ausgleich fluktuierender regenerativer Einspeisekapazitäten gesucht werden. Verglichen mit Lithium-Ionen-Akkumulatoren und alternativen Batterietypen bieten Zink-Luft-Systeme höhere Energiedichten bei geringeren spezifischen Investitionskosten.
  • Für das Wiederaufladen von Zink-Luft-Batterien können im Wesentlichen drei unterschiedliche Verfahren verwendet werden. Je nach Größe, Auslegung oder Standort eines erfindungsgemäßen Versorgungssystems können alle dieser Verfahren, auch in Kombination; zum Einsatz kommen.
  • (1) Elektrische Wiederaufladung:
  • Beim Anlegen einer elektrischen Ladespannung um 2,0 V an eine Zink-Luft-Batterie fließt ein Ladestrom und metallisches Zink wird an der negativen Elektrode abgeschieden. Gleichzeitig entsteht an der positiven Elektrode Sauerstoff, der durch die poröse Struktur aus der Zelle herausdiffundiert. Im Zusammenhang mit der Sauerstoffreduktion (Entladen) und der Sauerstoffentwicklung (Laden) an derselben Elektroden-Elektrolyt-Grenzschicht wird im Allgemeinen von bifunktionalen Sauerstoffelektroden gesprochen. Diese bestehen typischerweise aus einer hydrophoben Diffusionsschicht, die auch den Stromkollektor enthält, und einer hydrophilen. Aktivschicht mit einem Katalysator. Die Reaktion findet in einer sogenannten Dreiphasenzone statt, wo gasförmiger Sauerstoff, flüssiger Elektrolyt und fester Katalysator zusammentreffen. Die elektrische Wiederaufladung ermöglicht den Bau besonders kompakter Versorgungssysteme.
  • (2) Mechanische Wiederaufladung:
  • Probleme mit Dendritenbildung und Formänderungen der Zinkelektrode beim Ladevorgang sowie begrenzte Lebensdauern der Sauerstoffelektrode im bifunktionalen Modus (z. B. bei kohlenstoffbasierten Strukturen) haben in der Vergangenheit dazu geführt, alternative Ladekonzepte zu entwickeln. Bei der mechanischen Wiederaufladung wird die verbrauchte Zn-Elektrode aus der Zelle entfernt und durch frisches Metall ersetzt. Das verbrauchte Material kann z. B. elektrolytisch regeneriert und wieder zu Elektroden verarbeitet werden. Die mechanische Aufladung kann insbesondere in Versorgungssystemen zum Einsatz kommen, die in einer entsprechenden Frequenz gewartet werden, und bei denen die Versorgung mit frischen Metallelektroden unproblematisch ist.
  • (3) Hydraulische Wiederaufladung:
  • Bei diesem Ansatz wird die Zn-Elektrode kontinuierlich durch strömenden Elektrolyten mit frischem Metall versorgt, d. h. der Akkumulator wird gewissermaßen als Brennstoffzelle betrieben. Zinkpartikel und Elektrolyt (sogenanntes ”Electric Fuel”) werden als Suspension aus einem Reservoir in die Batteriezellen gepumpt und dadurch ein geladener Zustand aufrechterhalten. Energie- und Leistungseinheit sind entkoppelt und können durch die Wahl der Speichergröße bzw. der Zellfläche unabhängig voneinander auf die gegebenen Anforderungen hin angepasst werden. Verbrauchte Suspension wird in einem separaten Tank gespeichert und kann entweder in- oder ex-situ in einer separaten Einheit regeneriert werden. Die hydraulische Wiederaufladung wurde beispielsweise im Bereich von Fahrzeugsystemen vorgeschlagen, konnte jedoch aufgrund beschränkter Lebensdauern und Leistungsdichten der Batterien im Alltagsbetrieb dort nicht eingesetzt werden. Im Rahmen einer stationären Anordung, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, lassen sich die Vorteile der hydraulischen Aufladung jedoch nutzen. Eine entsprechend vorgesehene Regenerationseinheit erfordert zwar zusätzlichen konstruktiven Aufwand, sie kann in dem Versorgungssystem jedoch ebenfalls an ein gemeinsames Stromnetz angebunden sein.
  • Zu den Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehenen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen ausdrücklich verwiesen.
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Versorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Versorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3 zeigt ein Versorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird verzichtet.
  • In 1 ist ein Versorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet.
  • Das Versorgungssystem umfasst eine Metall-Luft-Batterie bzw. ein entsprechendes Batteriesystem 1 und eine Luftzerlegungsanlage 2. Die Metall-Luft-Batterie 1 und die Luftzerlegungsanlage 2 sind sowohl an ein gemeinsames Stromnetz 3 als auch an ein gemeinsames Gasnetz 4 angeschlossen.
  • Über das Stromnetz 3 kann, beispielsweise über eine Transformator- und Schaltanlage 3a, die Luftzerlegungsanlage 2 mit Strom versorgt werden. Die Metall-Luft-Batterie 1 kann ebenfalls, z. B. über eine entsprechende Transformator- und Schaltanlage 3b, aus dem Stromnetz 3 mit Strom versorgt werden oder Strom in dieses einspeisen. Im ersteren Fall wird die Metall-Luft-Batterie 1 geladen, in zweiterem Fall entladen. Dies ist durch die Pfeile 1e veranschaulicht.
  • Das Gasnetz 4 umfasst ein erstes Teilnetz 4a, das ein sauerstoffreiches Gas führt und ein zweites Teilnetz 4b, das ein inertgasreiches Gas führt. Beide Gase sind vorteilhafterweise kohlendioxidarm. Die entsprechenden Gase werden zumindest teilweise durch die Luftzerlegungsanlage 1 aus dieser über eine Leitung 2a zugeführter Luft erzeugt.
  • Die Metall-Luft-Batterie 1 kann aus dem ersten 4a und/oder dem zweiten Teilnetz 4b über entsprechende Ventile 1a und 1b, die je nach Bedarf ansteuerbar sind, um ggf. auch Gasmischungen bereitstellen zu können, mit Gas versorgt werden. Mit dem sauerstoffreichen Gas aus dem ersten Teilnetz 4a wird die Metall-Luft-Batterie vorzugsweise dann versorgt, wenn sie geladen wird. Während Stillstandsphasen, in denen die Metall-Luft-Batterie 1 nicht benötigt wird, erfolgt eine Versorgung mit dem inertgasreichen Gas aus dem zweiten Teilnetz 4b. Wird die Metall-Luft-Batterie 1 über das Stromnetz 3 geladen, wird, wie erläutert, Sauerstoff freigesetzt. Dieser kann über ein weiteres Ventil 1c abgeblasen werden.
  • Die Speisung des Gasnetzes 4 erfolgt direkt über die Luftzerlegungsanlage 2, an die gegebenenfalls auch entsprechende Speicher 5a und 5b angebunden sind. Durch diese kann eine Versorgung mit entsprechenden Gasen auch dann sichergestellt werden, wenn die Luftzerlegungsanlage 2 nicht in Betrieb ist oder nur in einem Teillastbetrieb gefahren wird.
  • An das Versorgungssystem 10 sind Verbraucher 6, 7 angebunden, die aus dem Stromnetz 3 bzw. dem Gasnetz 4 gespeist werden können. Die an das Stromnetz 3 angebundenen Verbraucher 7 können z. B. während Zeiten hoher Strompreise aus der Metall-Luft-Batterie 1 und in übrigen Zeiten aus externen Quellen gespeist werden.
  • In 2 ist ein Versorgungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der. Erfindung dargestellt und insgesamt mit 20 bezeichnet.
  • Das Versorgungssystem 20 umfasst die wesentlichen zuvor erläuterten Komponenten. Zusätzlich ist eine Rückführeinrichtung 1d vorgesehen. Diese ist an das zuvor erläuterte Ventil 1c angebunden und ermöglicht während Ladephasen der Metall-Luft-Batterie 1 eine Rückführung freigesetzten Sauerstoffs in das Teilnetz 4a. Sie umfasst beispielsweise geeignete Verdichter, Wärmetauscher und Ventile.
  • In 3 ist ein Versorgungssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt und insgesamt mit 30 bezeichnet.
  • Das Versorgungssystem 30 umfasst zusätzlich eine Regenerationseinheit 8, die dazu ausgebildet sein kann, aus der Metall-Luft-Batterie 1 ausgeleiteten verbrauchten Elektrolyten zu regenerieren und regenerierten Elektrolyten, wie erläutert, der Metall-Luft-Batterie 1 erneut zuzuführen. Die Regenerationseinheit 8 kann über eine Transformator- und Schaltanlage 3c an das Stromnetz 3 angebunden sein. In der Regenerationseinheit 8 freigesetzter Sauerstoff kann abgeblasen oder ebenfalls rückgeführt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10, 20, 30
    Versorgungssystem
    1
    Metall-Luft-Batterie
    1a–c
    Ventile
    1d
    Rückführeinrichtung
    1e
    Laden/Entladen
    2
    Luftzerlegungsanlage
    3
    Stromnetz
    3a–c
    Transformator- und Schaltanlage
    4
    Gasnetz
    4a, b
    Teilnetz
    5a, b
    Speicher
    6, 7
    Verbraucher
    8
    Regenerationssystem

Claims (15)

  1. Versorgungssystem (10, 20, 30) mit einer Metall-Luft-Batterie (1) und einer Luftzerlegungsanlage (2), wobei eine Kathode der Metall-Luft-Batterie (1) zumindest zeitweise mit einem entweder sauerstoff- oder inertgasreichen und/oder kohlendioxidarmen Gas der Luftzerlegungsanlage (2) beaufschlagt werden kann.
  2. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens eine Metall-Luft-Batterie (1) und die wenigstens eine Luftzerlegungsanlage (2) an ein gemeinsames Stromnetz (3) und/oder ein gemeinsames Gasnetz (4) angebunden sind.
  3. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach Anspruch 2, bei dem ein gemeinsames Gasnetz (4) jeweils wenigstens ein Teilnetz (4a, 4b) zum Leiten des sauerstoff- bzw. inertgasreichen und/oder kohlendioxidarmen Gases umfasst.
  4. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem ein bei einem Laden der Metall-Luft-Batterie (1) freigesetztes sauerstoffreiches Gas dem Versorgungssystem (10, 20, 30) erneut zugeführt werden kann.
  5. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem wenigstens ein Speicher (5a, 5b) zum Speichern des sauerstoff- bzw. inertgasreichen und/oder kohlendioxidarmen Gases vorgesehen ist.
  6. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Metall-Luft-Batterie (1) zum zumindest zeitweisen Speisen eines elektrischen Verbrauchers (7) unter Entladung der Metall-Luft-Batterie (1) eingerichtet ist.
  7. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Luftzerlegungsanlage (2) zur zumindest zeitweisen Versorgung eines Gasverbrauchers (6) eingerichtet ist.
  8. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Sauerstoff- und/oder Inertgasgehalt des sauerstoff- bzw. inertgasreichen und/oder kohlendioxidarmen Gases einstellbar ist.
  9. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Metall-Luft-Batterie (1) zur elektrischen und/oder hydraulischen Wiederaufladung eingerichtet ist.
  10. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Metall-Luft-Batterie (1) ein Regenerationssystem (8) für verbrauchtes Elektrodenmaterial umfasst.
  11. Versorgungssystem (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Metall-Luft-Batterie (1) als Lithium-, Aluminium-, Magnesium-, Zink- und/oder Eisen-Luft-Batterie ausgebildet ist.
  12. Verfahren zum Betreiben eines Versorgungssystems (10, 20, 30) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst, die Metall-Luft-Batterie (1) zumindest zeitweise mit einem entweder sauerstoff- oder inertgasreichen und/oder kohlendioxidarmen Gas der Luftzerlegungsanlage (2) zu beaufschlagen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Metall-Luft-Batterie (1) während eines ersten Zeitraums mit einem sauerstoffreichen und/oder kohlendioxidarmen Gas der Luftzerlegungsanlage (2) beaufschlagt und während des ersten Zeitraums durch Entnahme elektrischer Energie entladen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Metall-Luft-Batterie (1) während eines zweiten Zeitraums durch Zufuhr elektrischer Energie aufgeladen wird und ein in der Metall-Luft-Batterie (1) freigesetztes sauerstoffreiches Gas abgeblasen und/oder in das Versorgungssystem (10, 20, 30) eingespeist wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem während eines dritten Zeitraums die Kathode der Metall-Luft-Batterie (1) durch eine Beaufschlagung mit einem inertgasreichen Gas inertisiert wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015197347A1 (de) * 2014-06-25 2015-12-30 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung und verfahren zur regenerierung eines metall-luft-akkumulators, sowie metall-luft-akkumulator und fahrzeug
WO2016155841A1 (en) 2015-04-02 2016-10-06 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft System and method for supplying electrical energy from a metal air battery operated with ambient air

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