WO2012084548A1 - Elektrochemische speichereinrichtung zum zwischenspeichern von elektrischer energie und verfahren zum betreiben der speichereinrichtung - Google Patents

Elektrochemische speichereinrichtung zum zwischenspeichern von elektrischer energie und verfahren zum betreiben der speichereinrichtung Download PDF

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WO2012084548A1
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fuel
storage
electrical energy
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Wolfgang Menapace
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Definitions

  • Electrochemical storage device for buffering electrical energy and method for operating the storage device
  • the invention relates to an electrochemical spoke pure Rich ⁇ processing for temporarily storing electric power and a method for operating the memory device.
  • renewable energy sources include, for example, wind energy, which is exploited using wind turbines, for example in wind farms. In most Re ⁇ regions in which wind farms are situated, the amount of wind varies more or less strongly and is not coincident generally with a capacity of a power grid into which the electrical energy produced by the wind park is fed a ⁇ .
  • the wind is strong, especially when the grid utilization is low. This is the case, recognized when for example at night, the amount of wind is high, because the ⁇ can not be consumed in electric power generated.
  • this problem is solved by turning off the wind farm, so that the surplus electrical energy is not even generated and fed into the power grid.
  • the disadvantage here is that the maxi ⁇ times possible energy generation potential of the wind farm is capped, whereby the efficiency of the wind farm is reduced.
  • the object of the invention is to provide an electrochemical SpeI ⁇ cher adopted for intermediate storage of electric power and a method for operating the memory device, wherein with the electrochemical storage means excess electrical energy stored and retrieved again.
  • the electrochemical storage device for buffering electrical energy has a rechargeable fuel cell and a current direction switch.
  • the fuel cell has two electrodes and comprising ⁇ hold an oxidizable and reducible material and a redox couple formed from a fuel and an Brennstoffpro ⁇ domestic product. Further, the fuel cell has a charge state decision, in which the material oxidized by the fuel product and the fuel is formed, and a charging state, in which the material is reduced by the combustion ⁇ material and the fuel product is formed.
  • the electrodes are optionally either connected to an energy source for import of electrical energy, so that the fuel cell is in the Aufla ⁇ deschreib, or connected to an energy consumer for the export of electrical energy, so that the fuel cell is in the discharge state ,
  • a power grid for example, wind turbines or other renewable energy sources are integrated, with which electrical energy is produced.
  • the memory device, ge ⁇ Gurss of the present invention can be connected to the mains, via which the storage device is connected consumer in a energy and via the said memory means an energy source in the form of wind turbines or other renewable energy sources is available.
  • the memory device can be switched to the discharging state, so that the information stored in the storage device electric power can be Tar ⁇ indicate the power supply.
  • wind turbines can be operated at high wind levels, although the electrical Ener ⁇ energy thus generated can not be immediately removed immediately. As a result, the wind turbines need not be turned off when there is an oversupply of wind, whereby the maximum possible power generation potential of Windkrafträ ⁇ can be exploited.
  • the oxidizable and reducible mate ⁇ rial metal in particular lithium, manganese, iron or titanium or an alloy of these metals, which is the metal in a reduced form and in oxidized form a metal oxide.
  • the redox couple is preferably made based on what ⁇ hydrogen and water vapor and the discharge is before Trains t ⁇ a reaction between the steam and the material and in the supercharging is preferably a reaction Zvi ⁇ rule the steam and the material.
  • Preferred dimensions of the fuel cell is operated with process gas, which is air.
  • the operating temperature of the fuel cell is preferably between 600 and 800 ° C.
  • an oxygen-ion flow is established between the electrodes, which is coupled via the redox pair and the material.
  • the oxygen-ion flow is reversed.
  • the process gas reacts with hydrogen to form water vapor.
  • the water vapor is passed to the material which is oxidized to an oxide of the material.
  • the water vapor is reduced to hydrogen, which migrates back and reacts again with the process gas, whereby water vapor ent ⁇ stands.
  • the material is alsoxi ⁇ diert of the water vapor, wherein an oxide of the material is formed.
  • the redox couple is regenerated by the absorption of oxygen, whereby hydrogen is produced.
  • the fuel cell is preferably a Festoxidbrennstoffzel ⁇ le having a chamber with one of the electrodes is electrically conductively connected, that contains the oxidizable and reducible material and the redox couple, which is gaseous at the temperature of the solid oxide fuel cell Be ⁇ drive.
  • the chamber is filled with the material, represents a Re ⁇ servoir of this material.
  • the amount of material results in the time required for the material to be completely reduced in the charging state of the fuel cell or to be completely oxidized in the discharge state.
  • the fuel cell preferably has a storage volume for the fuel.
  • the storage medium ⁇ storage volume is arranged outside of the fuel cell and is designed as a pressure vessel.
  • the inventive method for operating the electrochemical ⁇ mix storage device comprises the steps of: a) providing the electrochemical storage device, wherein the oxidizable and reducible material is provided in an amount such that by the reaction time for the fully ⁇ permanent oxidizing the material or complete reduction the material is defined as a short storage period; b) connecting the electrodes to the energy source for import of electrical energy until the storage short-term period is exceeded, so that the material is fully ⁇ constantly reduced and forms from exceeding the storage short time period fuel; c) connecting the Elect ⁇ clear to the energy consumer to export of electrical energy until the storage short time period is exceeded, so that the material is completely oxidized and forms Brennstoffpro ⁇ domestic product from exceeding the storage short time span; d) alternately repeating steps b) and c).
  • the storage short time period is three stun ⁇ is.
  • Figure 1 is a schematic representation of the imple mentation form of
  • Storage device in the charging state and 2 shows the schematic representation of Figure 1 in the discharge state.
  • a SpeI ⁇ cher adopted 1 to a rechargeable fuel cell.
  • the memory device has a current direction switch (not shown) with which the fuel cell 2 is mutually connected to an energy source 3 for import 4 of electrical energy or to an energy consumer 9 for export 10 of electrical energy.
  • the fuel cell 2 includes iron that is oxidized and reduced, and a redox couple formed by hydrogen and water vapor. Since the fuel cell has an operating temperature ⁇ ture of about 600 ° C, the water vapor does not condense out.
  • the fuel cell further includes two electrodes (not shown ge ⁇ ) on.
  • the fuel cell 2 has a discharging state, in which the iron is oxidized by the water vapor to iron oxide and hydrogen is formed, and a charging state, in which the iron oxide is reduced by the water ⁇ material and the water vapor.
  • the electrodes are optionally either connected to the energy source 3 for importing 4 electrical energy, wherein the fuel cell 2 is in the charging state, or connected to a Energyverbrau ⁇ cher 9 for export 10 of electrical energy, wherein the Fuel cell 2 is in the discharge state.
  • the fuel cell is powered by process gas, which is oxygen.
  • an oxygen-ion flow is established between the electrodes, which is coupled via the redox couple hydrogen and water vapor and the iron.
  • the oxygen-ion flow is reversed.
  • the oxygen reacts with the hydrogen to form the water vapor.
  • the water vapor becomes too passed the iron, which is oxidized to an iron oxide.
  • the water vapor is reduced to hydrogen, which migrates back and again rea ⁇ giert with the oxygen, which also produces the water vapor.
  • the current direction is reversed compared to the discharge state, so that the Re ⁇ action compared to the discharge state in the opposite direction, wherein the iron is reduced.
  • the fuel cell is a solid oxide fuel cell having ei ⁇ ne with one of the electrodes electronically connected chamber (not shown).
  • the chamber contains the iron or iron oxide as well as the hydrogen or water vapor.
  • the chamber is a reservoir for the iron, which determines the amount of iron with the size of the chamber. The amount of iron results in the time necessary for the iron to be completely reduced in the charging state of the fuel cell 2 or to be completely oxidized in the discharge state.
  • the procedure is as follows: It is to provide the storage device 1, wherein the iron is provided in the chamber in such an amount that the reaction time for completely oxidizing the iron or completely reducing the iron, a storage short period of preferred three hours is defined. Then, the electrodes of the memory device 1 are to be connected to the power source 3, the fuel cell 2 is operated in the charging state and imported electrical energy into the fuel cell 2 (arrow 4 in Figure 1). Within the short storage time span (arrow 5 in FIG. 1), ie below three hours, the iron in the fuel cell 2 is reduced (state 6 in FIG. 1). The iron is completely reduced until the short storage period has been reached. Until the memory ⁇ short period of time so the imported into the fuel cell 2, energy is stored in the form of the reduced iron. At the Exceeding the short storage time period and thereafter (arrow 7 in FIG. 1) hydrogen (state 8 in FIG. 1) forms in the fuel cell 2, by means of which the energy imported into the fuel cell 2 is stored.
  • the electrodes are connected to the energy consumer 9 for export (arrow 10 in FIG. 2) of stored electrical energy.
  • First (arrow 11 in Figure 2) oxidizing the iron to iron oxide (supply stand 12 in Figure 2), whereby the Ge in the fuel cell ⁇ stored energy is supplied to the energy consumer. 9
  • This reaction takes as long until the memory ⁇ short period of time of three hours and reached the iron is oxidized to iron oxide completeness, ⁇ dig.
  • steam is formed in the fuel cell (state 14 in FIG. 2), whereby the energy stored in the fuel cell is released to the energy consumer 9.
  • the fuel cell 2 is alternately connected to the power source 3 and the power consumer 9, the fuel cell 2 is operated accordingly in the charging state and in the discharge state.
  • the function of the fuel cell 2 is extended over the complete oxidation of the iron or the complete reducing the iron oxide addition.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben der elektrochemischen Speichereinrichtung weist die Schritte auf: Bereitstellen einer elektrochemischen Speichereinrichtung (1), wobei das oxidierbare und reduzierbare Material in einer derartigen Menge vorgesehen wird, dass durch die Reaktionszeit zum vollständigen Oxidieren des Materials oder zum vollständigen Reduzieren des Materials eine Speicherkurzzeitspanne definiert wird; Anschließen der Elektroden an die Energiequelle (3) zum Import (4) von elektrischer Energie so lange, bis die Speicherkurzzeitspanne überschritten ist, so dass das Material vollständig reduziert ist und ab Überschreiten der Speicherkurzzeitspanne sich Brennstoff bildet; Anschließen der Elektroden an den Energieverbraucher (9) zum Export (10) von elektrischer Energie so lange, bis die Speicherkurzzeitspanne überschritten ist, so dass das Material vollständig oxidiert ist und ab Überschreiten der Speicherkurzzeitspanne sich Brennstoffprodukt bildet; Wechselweise Wiederholen der Schritte b) und c).

Description

Beschreibung
Elektrochemische Speichereinrichtung zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie und Verfahren zum Betreiben der Speichereinrichtung
Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Speichereinrich¬ tung zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie und ein Verfahren zum Betreiben der Speichereinrichtung.
Das zunutze Machen erneuerbarer Energiequellen bei der Stromerzeugung wird unter Gesichtspunkten des Umweltschutzes und der energetischen Autarkie von Volkswirtschaften immer wichtiger. Zu den erneuerbaren Energiequellen zählt beispielswei- se Windenergie, der unter Verwendung von Windkrafträdern beispielsweise in Windparks ausgenutzt wird. In den meisten Re¬ gionen, in denen Windparks aufgestellt sind, schwankt das Windaufkommen mehr oder weniger stark und ist im Allgemeinen nicht deckungsgleich mit einer Auslastung eines Stromnetzes, in das die mit dem Windpark erzeugte elektrische Energie ein¬ gespeist wird.
Häufig ist das Windaufkommen gerade dann stark, wenn die Stromnetzauslastung gering ist. Dies ist der Fall, wenn bei- spielsweise nachts das Windaufkommen hoch ist, wobei die da¬ bei erzeugte elektrische Energie nicht verbraucht werden kann. Herkömmlich wird dieses Problem dadurch gelöst, dass der Windpark abgeschaltet wird, so dass die überschüssige elektrische Energie erst gar nicht erzeugt und in das Strom- netz eingespeist wird. Nachteilig hierbei ist, dass das maxi¬ mal mögliche Energieerzeugungspotential des Windparks gekappt wird, wodurch die Effektivität des Windparks reduziert ist.
Soll mit dem Windpark das zur Verfügung stehende Windaufkom- men möglichst effektiv ausgenutzt werden, so ist es bekannt ins Stromnetz eingebundene konventionelle Kraftwerke in ihrer Leistung entsprechend herunter zu fahren, um die Überproduktion des Windparks zu kompensieren. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass die heruntergefahrenen konventionellen
Kraftwerke im Teillastbetrieb gefahren werden müssen, wodurch der thermische Wirkungsgrad dieser Kraftwerke sich reduziert. Aufgabe der Erfindung ist es eine elektrochemische Spei¬ chereinrichtung zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie und ein Verfahren zum Betreiben der Speichereinrichtung zu schaffen, wobei mit der elektrochemischen Speichereinrichtung überschüssige elektrische Energie speicherbar und wieder abrufbar ist.
Die erfindungsgemäße elektrochemische Speichereinrichtung zum Zwischenspeichern von elektrischer Energie weist eine wieder- aufladbare Brennstoffzelle und einen Stromrichtungsumschalter auf. Die Brennstoffzelle weist zwei Elektroden auf und bein¬ haltet ein oxidierbares und reduzierbares Material sowie ein Redoxpaar, das von einem Brennstoff und einem Brennstoffpro¬ dukt gebildet ist. Ferner hat die Brennstoffzelle einen Ent- ladezustand, bei dem sich das Material durch das Brennstoff- produkt aufoxidiert und der Brennstoff entsteht, und einen Aufladezustand, bei dem sich das Material durch den Brenn¬ stoff reduziert und das Brennstoffprodukt entsteht. Mit dem Stromrichtungsumschalter sind die Elektroden wahlweise entweder an eine Energiequelle zum Import von elektrischer Energie angeschlossen, so dass die Brennstoffzelle sich in dem Aufla¬ dezustand befindet, oder an einen Energieverbraucher zum Export von elektrischer Energie angeschlossen, so dass die Brennstoffzelle sich in dem Entladezustand befindet. In ein Stromnetz sind beispielsweise Windkrafträder oder andere erneuerbare Energiequellen eingebunden, mit denen elektrische Energie produziert wird. Die Speichereinrichtung, ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung ist an das Stromnetz anschließbar, via das die Speichereinrichtung mit einem Ener- gieverbraucher verbunden ist und via das der Speichereinrichtung eine Energiequelle in Form der Windkrafträder oder der anderen erneuerbaren Energiequellen zur Verfügung steht.
Liegt im Stromnetz ein Überangebot an elektrischer Energie vor und wird mit den Windkrafträdern oder den anderen erneuerbaren Energiequellen elektrische Energie zusätzlich erzeugt, kann mit der Speichereinrichtung diese überschüssige elektrische Energie aufgenommen werden, wenn die Brennstoff¬ zelle in den Aufladezustand geschaltet ist. Somit kann die überschüssige elektrische Energie in die Speichereinrichtung eingespeist werden. Zum Einspeisen der elektrischen Energie in die Speichereinrichtung, also um Aufladen der Brennstoffzelle, wird die Stromrichtung zwischen den Elektroden ausgehend vom Entladezustand umgedreht. Dadurch läuft der gesamte Reaktionsprozess in der Brennstoffzelle umgedreht ab vergli¬ chen mit dem Reaktionsprozess im Entladezustand.
Ist im Stromnetz, an das die Speichereinrichtung angeschlossen ist, ein übermäßiger Verbrauch an elektrischer Energie zu verzeichnen, kann die Speichereinrichtung in den Entladezustand geschaltet werden, so dass die in der Speichereinrichtung gespeicherte elektrische Energie an das Stromnetz abge¬ geben werden kann.
Dadurch kann mit der elektrochemischen Speichereinrichtung überschüssige elektrische Energie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder in das Stromnetz eingespeist werden. Somit können die Windkrafträder bei hohem Windaufkommen betrieben werden, obwohl die dabei erzeugte elektrische Ener¬ gie nicht sofort unmittelbar abgenommen werden kann. Dadurch brauchten die Windkrafträder nicht abgeschaltet zu werden, wenn ein Überangebot an Windaufkommen vorliegt, wodurch das maximal mögliche Energieerzeugungspotential der Windkrafträ¬ der ausgenutzt werden kann.
Bevorzugt ist es, dass das oxidierbare und reduzierbare Mate¬ rial Metall, insbesondere Lithium, Mangan, Eisen oder Titan bzw. eine Legierung aus diesen Metallen, aufweist, das in reduzierter Form das Metall und in oxidierter Form ein Metalloxid ist. Das Redoxpaar besteht bevorzugt auf Basis von Was¬ serstoff und Wasserdampf und im Entladezustand besteht bevor¬ zugt eine Reaktion zwischen dem Wasserdampf und dem Material und im Aufladezustand besteht bevorzugt eine Reaktion zwi¬ schen dem Wasserdampf und dem Material. Bevorzugtermaßen ist die Brennstoffzelle mit Prozessgas betrieben, das Luft ist. Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegt bevorzugt zwischen 600 und 800°C.
Im Entladezustand der Brennstoffzelle stellt sich zwischen den Elektroden ein Sauerstoff-Ionen-Fluss ein, der über das Redoxpaar und das Material gekoppelt ist. Im Aufladezustand der Brennstoffzelle kehrt sich der Sauerstoff-Ionen-Fluss um. Das Prozessgas reagiert mit Wasserstoff zu Wasserdampf. Der Wasserdampf wird zu dem Material geleitet, das zu einem Oxid des Materials aufoxidiert wird. Bei dieser Reaktion wird der Wasserdampf zu Wasserstoff reduziert, der zurück wandert und erneut mit dem Prozessgas reagiert, wodurch Wasserdampf ent¬ steht. Somit wird das Material von dem Wasserdampf aufoxi¬ diert, wobei ein Oxid des Materials entsteht. Ferner wird das Redoxpaar durch Aufnahme von Sauerstoff regeneriert, wodurch Wasserstoff entsteht. Im Aufladezustand der Brennstoffzelle ist die Stromrichtung verglichen mit dem Entladezustand vertauscht, so dass die Reaktion verglichen mit dem Entladezu¬ stand in entgegengesetzter Richtung verläuft, wobei das oxi- dierte Material reduziert wird. Die Brennstoffzelle ist bevorzugt eine Festoxidbrennstoffzel¬ le, die eine mit einer der Elektroden elektrisch leitend verbundene Kammer aufweist, die das oxidierbare und reduzierbare Material sowie das Redoxpaar beinhaltet, das bei der Be¬ triebstemperatur der Festoxidbrennstoffzelle gasförmig ist. Die Kammer, die mit dem Material gefüllt ist, stellt ein Re¬ servoir dieses Materials dar. Somit kann vorteilhaft durch die Größendimensionierung der Kammer die Menge an dem Material festgelegt werden. Durch die Menge an dem Material ergibt sich die Zeitspanne, die notwendig ist das Material vollstän- dig im Aufladezustand der Brennstoffzelle zu reduzieren oder im Entladezustand vollständig zu oxidieren. Die Brennstoffzelle weist bevorzugt ein Speichervolumen für den Brennstoff auf. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Spei¬ chervolumen außerhalb der Brennstoffzelle angeordnet ist und als ein Druckbehälter ausgeführt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der elektroche¬ mischen Speichereinrichtung weist die Schritte auf: a) Bereitstellen der elektrochemischen Speichereinrichtung, wobei das oxidierbare und reduzierbare Material in einer derartigen Menge vorgesehen wird, dass durch die Reaktionszeit zum voll¬ ständigen Oxidieren des Materials oder zum vollständigen Reduzieren des Materials eine Speicherkurzzeitspanne definiert wird; b) Anschließen der Elektroden an die Energiequelle zum Import von elektrischer Energie so lange, bis die Speicher- kurzzeitspanne überschritten ist, so dass das Material voll¬ ständig reduziert ist und ab Überschreiten der Speicherkurzzeitspanne sich Brennstoff bildet; c) Anschließen der Elekt¬ roden an den Energieverbraucher zum Export von elektrischer Energie so lange, bis die Speicherkurzzeitspanne überschrit- ten ist, so dass das Material vollständig oxidiert ist und ab Überschreiten der Speicherkurzzeitspanne sich Brennstoffpro¬ dukt bildet; d) Wechselweise Wiederholen der Schritte b) und c) . Bevorzugt ist es, dass die Speicherkurzzeitspanne drei Stun¬ den beträgt. Dadurch wird beim Aufladen der Brennstoffzelle während einer Zeitspanne von weniger als drei Stunden in der Brennstoffzelle Energie in Form von dem reduzierten Material und während einer Zeitspanne von mehr als drei Stunden in der Brennstoffzelle Energie in Form von dem Brennstoff gespei¬ chert .
Im Folgenden wird eine bevorzugte Aus führungs form einer erfindungsgemäßen Speichereinrichtung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Aus führungs form der
Speichereinrichtung im Aufladezustand und Figur 2 die schematische Darstellung aus Figur 1 im Entlade- zustand . Wie es aus Figuren 1 und 2 ersichtlich ist, weist eine Spei¬ chereinrichtung 1 eine wiederaufladbare Brennstoffzelle 2 auf. Die Speichereinrichtung weist einen Stromrichtungsumschalter (nicht gezeigt) auf, mit dem die Brennstoffzelle 2 wechselseitig an eine Energiequelle 3 zum Import 4 von elekt- rischer Energie oder an einen Energieverbraucher 9 zum Export 10 von elektrischer Energie angeschlossen ist.
Die Brennstoffzelle 2 beinhaltet Eisen, das aufoxidiert und reduziert wird, sowie ein Redoxpaar gebildet von Wasserstoff und Wasserdampf. Da die Brennstoffzelle eine Betriebstempera¬ tur von ca. 600°C hat, kondensiert der Wasserdampf nicht aus. Die Brennstoffzelle weist ferner zwei Elektroden (nicht ge¬ zeigt) auf. Außerdem hat die Brennstoffzelle 2 einen Entlade- zustand, bei dem sich das Eisen durch den Wasserdampf zu Ei- senoxid aufoxidiert und der Wasserstoff entsteht, und einen Aufladezustand, bei dem sich das Eisenoxid durch den Wasser¬ stoff reduziert und der Wasserdampf entsteht.
Mit dem Stromrichtungsumschalter sind die Elektroden wahlwei- se entweder an die Energiequelle 3 zum Import 4 von elektrischer Energie angeschlossen, wobei sich die Brennstoffzelle 2 in dem Aufladezustand befindet, oder an einen Energieverbrau¬ cher 9 zum Export 10 von elektrischer Energie angeschlossen, wobei sich die Brennstoffzelle 2 in dem Entladezustand befin- det. Die Brennstoffzelle wird von Prozessgas betrieben, das Sauerstoff ist.
Im Entladezustand der Bernnstoffzelle 2 stellt sich zwischen den Elektroden ein Sauerstoff-Ionen-Fluss ein, der über das Redoxpaar Wasserstoff und Wasserdampf sowie dem Eisen gekoppelt ist. Im Aufladezustand der Brennstoffzelle 2 kehrt sich der Sauerstoff-Ionen-Fluss um. Der Sauerstoff reagiert mit dem Wasserstoff zu dem Wasserdampf. Der Wasserdampf wird zu dem Eisen geleitet, das zu einem Eisenoxid aufoxidiert wird. Bei dieser Reaktion wird der Wasserdampf zu Wasserstoff reduziert, der zurück wandert und erneut mit dem Sauerstoff rea¬ giert, wodurch ferner der Wasserdampf entsteht.
Im Aufladezustand der Brennstoffzelle 2 ist die Stromrichtung verglichen mit dem Entladezustand vertauscht, so dass die Re¬ aktion verglichen mit dem Entladezustand in entgegengesetzter Richtung verläuft, wobei das Eisen reduziert wird.
Die Brennstoffzelle ist eine Festoxidbrennstoffzelle, die ei¬ ne mit einer der Elektroden elektronisch verbundene Kammer (nicht gezeigt) aufweist. Die Kammer beinhaltet das Eisen bzw. das Eisenoxid sowie den Wasserstoff bzw. den Wasser- dampf. Die Kammer stellt ein Reservoir für das Eisen dar, wodurch mit der Größendimensionierung der Kammer die Menge an dem Eisen festgelegt ist. Durch die Menge an dem Eisen ergibt sich die Zeitspanne, die notwendig ist das Eisen vollständig im Aufladezustand der Brennstoffzelle 2 zu reduzieren oder im Entladezustand vollständig zu oxidieren.
Beim Betreiben der elektrochemischen Speichereinrichtung 1 ist wie folgt vorzugehen: Es ist die Speichereinrichtung 1 bereitzustellen, wobei das Eisen in einer derartigen Menge in der Kammer vorgesehen wird, dass durch die Reaktionszeit zum vollständigen Oxidieren des Eisens oder zum vollständigen Reduzieren des Eisens eine Speicherkurzzeitspanne von bevorzugt drei Stunden definiert wird. Dann sind die Elektroden der Speichereinrichtung 1 an die Energiequelle 3 anzuschließen, wobei die Brennstoffzelle 2 im Aufladezustand betrieben wird und elektrische Energie in die Brennstoffzelle 2 importiert (Pfeil 4 in Figur 1) wird. Innerhalb der Speicherkurzzeit¬ spanne (Pfeil 5 in Figur 1), d.h. unterhalb von drei Stunden, wird das Eisen in der Brennstoffzelle 2 reduziert (Zustand 6 in Figur 1) . Das Eisen ist vollständig reduziert, bis die Speicherkurzzeitspanne erreicht ist. Bis zur Speicherkurz¬ zeitspanne wird also die in die Brennstoffzelle 2 importierte Energie in Form des reduzierten Eisens gespeichert. Beim Überschreiten der Speicherkurzzeitspanne und danach (Pfeil 7 in Figur 1) bildet sich in der Brennstoffzelle 2 Wasserstoff (Zustand 8 in Figur 1), durch den die in die Brennstoffzelle 2 importierte Energie gespeichert wird.
Zum Entladen der Brennstoffzelle 2 werden die Elektroden an den Energieverbraucher 9 für den Export (Pfeil 10 in Figur 2) von gespeicherter elektrischer Energie angeschlossen. Zuerst (Pfeil 11 in Figur 2) oxidiert das Eisen zu Eisenoxid (Zu- stand 12 in Figur 2), wodurch die in der Brennstoffzelle ge¬ speicherte Energie an den Energieverbraucher 9 abgegeben wird. Diese Reaktion dauert so lange, bis die Speicherkurz¬ zeitspanne von drei Stunden erreicht und das Eisen vollstän¬ dig zu Eisenoxid oxidiert ist. Danach (Pfeil 13 in Figur 2) bildet sich in der Brennstoffzelle Wasserdampf (Zustand 14 in Figur 2), wodurch die in der Brennstoffzelle gespeicherte Energie an den Energieverbraucher 9 abgegeben wird.
Wird die Brennstoffzelle 2 wechselweise an die Energiequelle 3 und an den Energieverbraucher 9 angeschlossen, so wird die Brennstoffzelle 2 dementsprechend im Aufladezustand und im Entladezustand betrieben. Durch das Halten des Aufladezu- stands und des Entladezustands jeweils über die Speicherkurz¬ zeitspanne hinaus wird die Funktion der Brennstoffzelle 2 über das vollständige Oxidieren des Eisens bzw. das vollständige Reduzieren des Eisenoxids hinaus verlängert.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrochemische Speichereinrichtung (1) zum Zwischenspei¬ chern von elektrischer Energie, mit einer wiederaufladbaren Brennstoffzelle (2), die ein oxidierbares und reduzierbares Material sowie ein Redoxpaar gebildet von einem Brennstoff und einem Brennstoffprodukt beinhaltet und zwei Elektroden aufweist, wobei die Brennstoffzelle (2) einen Entladezustand, bei dem sich das Material durch das Brennstoffprodukt aufoxi- diert und der Brennstoff entsteht, und einen Aufladezustand hat, bei dem sich das Material durch den Brennstoff reduziert und das Brennstoffprodukt entsteht, und einem Stromrichtungs¬ umschalter, mit dem die Elektroden wahlweise entweder an eine Energiequelle (3) zum Import (4) von elektrischer Energie an- geschlossen sind, so dass die Brennstoffzelle (2) sich in dem Aufladezustand befindet, oder an einen Energieverbraucher (9) zum Export (10) von elektrischer Energie angeschlossen sind, so dass die Brennstoffzelle (2) sich in dem Entladezustand befindet .
2. Speichereinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Material Metall, insbesondere Lithium, Mangan, Eisen oder Titan bzw. eine Legierung aus diesen Metallen, aufweist, das in reduzierter Form das Metall und in oxidierter Form ein Metalloxid ist.
3. Speichereinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Redoxpaar auf Basis von Wasserstoff und Wasserdampf besteht und im Entladezustand eine Reaktion zwischen dem Wasserdampf und dem Material und im Aufladezustand eine Reaktion zwischen dem Wasserdampf und dem Material besteht.
4. Speichereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Brennstoffzelle (2) mit Prozessgas betrieben ist, das Luft ist.
5. Speichereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Brennstoffzelle (2) eine Festoxidbrennstoffzelle ist, die eine mit einer der Elektroden elektronisch verbundene Kammer aufweist, die das oxidierbare und reduzierbare Materi¬ al sowie das Redoxpaar beinhaltet, das bei einer Betriebstem¬ peratur der Festoxidbrennstoffzelle gasförmig ist.
6. Speicherungseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Brennstoffzelle (2) ein Speichervolumen für den Brennstoff aufweist.
7. Speicherungseinrichtung gemäß Anspruch 6, wobei das Speichervolumen ein außerhalb der Brennstoffzelle (2) angeordne¬ ter Druckbehälter ist.
8. Verfahren zum Betreiben der elektrochemischen Speicherein- richtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Schrit¬ ten :
a) Bereitstellen einer elektrochemischen Speichereinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das oxidierbare und reduzierbare Material in einer derartigen Menge vorgese- hen wird, dass durch die Reaktionszeit zum vollständigen Oxi- dieren des Materials oder zum vollständigen Reduzieren des Materials eine Speicherkurzzeitspanne definiert wird;
b) Anschließen der Elektroden an die Energiequelle (3) zum Import (4) von elektrischer Energie so lange, bis die Spei- cherkurzzeitspanne überschritten ist, so dass das Material vollständig reduziert ist und ab Überschreiten der Speicher¬ kurzzeitspanne sich Brennstoff bildet;
c) Anschließen der Elektroden an den Energieverbraucher (9) zum Export (10) von elektrischer Energie so lange, bis die Speicherkurzzeitspanne überschritten ist, so dass das Materi¬ al vollständig oxidiert ist und ab Überschreiten der Spei¬ cherkurzzeitspanne sich Brennstoffprodukt bildet;
d) Wechselweise Wiederholen der Schritte b) und c) .
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Speicherkurzzeit¬ spanne drei Stunden beträgt.
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