ACTEnglish version
Elektrischer Speicher
BMBF
Kondensatoren 10.12.2014

Geschlossenes Kryosystem (bis 3 K) für dielektrische Messungen
© Florian Schrettle, Stephan Krohns

Vom Verteilnetz zur Grundlagenforschung

Bei der „Entwicklung ressourceneffizienter Kondensatoren zur Energie-Kurzzeitspeicherung“, kurz ENREKON, synthetisieren Forscher ionische Flüssigkeiten und Übergangsmetalloxide. Sie führen dann eine physikalisch-strukturelle Analyse durch. Mit der dielektrischen Spektroskopie in einem weiten Temperatur- und Frequenzbereich werden die wichtigen Kondensator-spezifischen Eigenschaften bestimmt.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Projektlaufzeit August 2012 bis Juli 2017

Im Projekt „Entwicklung ressourceneffizienter Kondensatoren zur Energie-Kurzzeitspeicherung“ werden zurzeit aus materialwissenschaftlicher Perspektive für die Anwendung interessante Substanzen (ionische Flüssigkeiten und keramische Dielektrika) detailliert charakterisiert und die dielektrischen Eigenschaften bestimmt. Zudem wird ein Modell für die strategische und taktische Planung eines virtuellen Kraftwerks erstellt, die Wirkungszusammenhänge modelliert und effiziente Lösungsverfahren für dieses Optimierungsproblem getestet. Bis Mitte 2015 sollen Materialien identifiziert sein, welche aus ressourcenstrategischer Sicht und von materialwissenschaftlicher Seite ausreichendes Potenzial für die Nutzung in Kondensatoren haben. Zudem soll bis zu diesem Meilenstein die Kosten- und Wirkungszusammenhänge eines Energieverbundes bestehend aus erneuerbaren Energien, einem Netzanschluss (Berücksichtigung von Systemdienstleistungen) und verschiedenen Speichertypen hinreichend genau modelliert werden.

Ressourceneffizienter Kurzzeitspeicher

Die Ziele des Forschungsvorhabens sind die Entwicklung ressourceneffizienter Energie-Kurzzeitspeicher, weiterhin die Bestimmung der Kritikalität der verwendeten Ressourcen sowie schließlich die strategische und taktische Planung eines modellhaften regionalen Energieverbundes mit Energiespeichern. Im materialwissenschaftlichen Teil werden dabei neue mögliche Speichermaterialien synthetisiert und charakterisiert sowie die kondensatorspezifischen Eigenschaften im Detail bestimmt. Auf der Basis der taktischen und strategischen Modellierung eines regionalen Energieverbundes mit diesen Energiespeichern werden dann wirtschaftliche Kenngrößen für die System- und Marktintegration bestimmt.

  • Markt- und Entscheidungsstruktur mit Festlegung der zukünftigen Mende der Stromlieferung (Abb. erschienen im Tagungsband des Wissenschaftsdialogs 2014 der Bundesnetzagentur). © Hassler, Gönsch, Krohns
  • Die Abbildung zeigt die Kosten pro kW installierter Leistung (a) bzw. pro kWh Kapazität für gängige Speichertechnologien (b), wie mechanische Speicher (grau), Redox-Flow-Batterien (blau), Batterien (rot) und Superkondensatoren (grün). (Abb. erschienen im Tagungsband des Wissenschaftsdialogs 2014 der Bundesnetzagentur). © Hassler, Gönsch, Krohns
  • Dielektrika im Spiegelofen © Pit Sippel, Stephan Krohns
  • Schmelzen eines Einkristalls © Pit Sippel, Stephan Krohns
  • High-k Dielektrika für Kondensatoren © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • SrTiO3-Einkristall © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • Geschlossenes Kryosystem (bis 3 K) für dielektrische Messungen © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • Geschlossenes Kryosystem (bis 3 K) für dielektrische Messungen © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • Geschlossenes Kryosystem (bis 3 K) für dielektrische Messungen © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • Geschlossenes Kryosystem (bis 3 K) für dielektrische Messungen © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • High-k Dielektrika für Kondensatoren und Hochfrequenz-Probenhalter (Messungen bis GHz) © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • High-k Dielektrika für Kondensatoren © Florian Schrettle, Stephan Krohns
  • Einkristallsynthese von Dielektrika im Spiegelofen © Pit Sippel, Stephan Krohns

Kapazitätsdichte verbessern

Ohne Kondensatoren in ihrer Vielfalt wäre die heutige Elektronik undenkbar. In Schaltkreisen, als Element in Dioden, als mobile Energiespeicher oder Leistungsspeicher (PowerQuality), sowie in Schwingkreisen für Kommunikationstechnologien werden unterschiedlichste Kondensatoren eingesetzt. Die Verbesserung der Kapazitätsdichte eines Kondensators ermöglicht erst in vielen Fällen den Fortschritt einer Technologie. Eine Vielzahl an unterschiedlichen Materialien, zum Teil mehr oder weniger gut für eine Anwendung geeignet, zeigen außergewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstanten, welche ein Maß für die Kapazität eines Kondensators sind. Die Suche nach solchen Materialien und deren Optimierung erfolgt in diesem Nachwuchsgruppen-Projekt (Zeitrahmen ca. 3-5 Jahre) nicht nur nach rein physikalischen Kenngrößen, sondern auch unter den Aspekten der Ressourceneffizienz und der Verfügbarkeit der Substanzen. Im interdisziplinären Institut für Materials Resource Management der Universität Augsburg sind die Kooperationspartner der verschiedenen Fachbereiche, wie Ressourcenstrategie und Wirtschaftsmathematik vertreten.

Synthese und Spektroskopie

Aufgeteilt in die drei Bereiche (Materialwissenschaften, Wirtschaftsmathematik und -informatik, Ressourcenstrategie) werden in diesem Projekt zunächst ionische Flüssigkeiten und Übergangsmetalloxide synthetisiert. Anschließend wird eine physikalisch-strukturelle Analyse durchgeführt. Mit der dielektrischen Spektroskopie in einem weiten Temperatur- und Frequenzbereich werden die wichtigen Kondensator-spezifischen Eigenschaften bestimmt. Die Kritikalität der verwendeten Rohstoffe lässt sich durch sechs verschiedene Indizes ermitteln. Aus der taktischen und strategischen Modellierung eines regionalen Energieverbundes mit diesen Energiespeichern werden wirtschaftliche Kenngrößen für die System- und Marktintegration bestimmt. Diese interdisziplinäre Ausrichtung erlaubt im Forschungsstadium die Abschätzung des Verwertungspotenzials der synthetisierten Materialien und eine gezielte ressourceneffiziente Materialoptimierung. Die interdisziplinäre Herangehensweise im Bereich der grundlagenorientierten Materialforschung und die experimentellen Möglichkeiten durch die breitbandige dielektrischen Spektroskopie am Lehrstuhl von Professor Alois Loidl zeichnen dieses Projekt aus. 

Teilvorhaben

Synthese von Dielektrika auf Basis von Übergangsmetalloxiden: Synthese von neuen prototypischen Keramiken mit außergewöhnlich hohen, sogenannten kolossalen, dielektrischen Konstanten. Übergangsmetalle sind hierbei aufgrund ihres breiten Spektrums an physikalischen Freiheitsgraden prädestiniert.

Herstellung und Analyse von Designerelektrolyten: Untersuchung von neuartigen Ionenleitern für Doppelschichtkondensatoren, insbesondere ionische Flüssigkeiten. Diese Elektrolytmaterialien zeichnen sich durch eine hohe Raumtemperaturleitfähigkeit und ein breites Stabilitätsfenster (Temperatur, Zersetzungsspannung, Zyklenfestigkeit) aus. Suche nach ionischen Flüssigkeiten mit guten Eigenschaften mittels systematischer Variation der Anion- und Kationkomponenten (schnelle dielektrische Charakterisierung mittels Messungen in begrenztem Frequenzbereich).

Analyse der dielektrischen Eigenschaften: Detaillierte breitbandige dielektrische Spektroskopie an ausgewählten Materialien. Bei Bedarf wird durch die Kombination von verschiedenen Kryo- und Heizsystemen der Bereich von 1,4 – 1200 K abgedeckt. Nichtlineare Messungen (Hysteresemessung und PUND) und Spannungs-Kapazitätsmessungen werden durchgeführt. Entwicklung einer theoretischen Beschreibung der elektronischen Heterogenität, wie z. B. elektronische Phasenseparation, und deren Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften in ladungsordnenden Systemen. Analyse der Spektren mit Hilfe von Ersatzschaltbildern und Relaxationsmechanismen. Bestimmung des zugrunde liegenden Mechanismus der kolossalen dielektrischen Konstante und der möglichen Parameter zur Optimierung der Eigenschaften.

Bestimmung der Ressourcenkritikalität und Materialoptimierung: Bestimmung der Kritikalität der verwendeten Ressourcen (Rohstoffanalyse mittels sechs quantitativer und qualitativer Indizes, wie der Herfindahl-Hirschmann Index, der World Governance Index und der Environmental Performance Index) und Bewertung des Marktpotenzials eines Materials für die Energiespeicherung. Bestimmung der Kenngrößen für die Anwendung (u.a. ε‘, tanδ, σ‘, Spannungs- und Zyklenfestigkeit) von aussichtsreichen Dielektrika. Vergleich mit Substanzen, welche sich entweder schon im Anwendungsstadium befinden, oder zur aktuellen Forschung und Entwicklung gehören. Dies erlaubt eine Abschätzung des technischen Potenzials der hergestellten Dielektrika. Die Erkenntnisse aus der Ressourcenstrategie und der wirtschaftlichen Betrachtung erlauben dann frühzeitig die Vermeidung, z. B. durch Substitution, bzw. die Reduzierung von ökonomisch und ökologisch kritischen Substanzen.

Modellierung der Kosten- und Wirkungszusammenhänge eines regionalen Energieverbundes: Erstellung eines integrierten Modells auf operativer Ebene, mit dessen Hilfe später Fragestellungen strategischer und taktischer Natur betrachtet werden können. Dazu ist zunächst eine Erfassung der relevanten Einflussfaktoren auf das Angebot von Energie nötig. Dies sind sowohl exogene Faktoren wie Witterungsbedingungen als auch physikalische Zusammenhänge der Energieproduktion und -speicherung. An dieser Stelle werden für Energiekurzzeitspeicher die ökonomischen Kenngrößen erfasst. Aufgeteilt in lösbare Teilprobleme (Optimierungsparameter: Gewinnmaximierung und Minimierung der Kosten) kann aus diesen Ergebnissen eine optimale Politik für den Betrieb des Kraftwerks hervorgehen, d. h. Entscheidungen bezüglich der Verwendung des Energiespeichers und des Zukaufs von Energie.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

13. März 2018
Energy Storage Europe 2018

13. März 2018
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.