06 Chemische Spannungsquellen - ibn.chibn.ch/HomePageSchule/Schule/GIBZ/06_Chemische... · Ionen-, Metallbindung - Sauerstoff- und Kohlenstoffverbindungen: Entstehung, Eigenschaften

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Kapitel 6

Chemische Spannungsquellen

Verfasser: Hans-Rudolf Niederberger Elektroingenieur FH/HTL Vordergut 1, 8772 Nidfurn

055 - 654 12 87

Ausgabe: März 2009

Luigi Galvani 1737 – 1798

Arzt, Anatom und Biophysiker

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 5 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN

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Inhaltsverzeichnis

6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN

6.1 Ersatzschaltbild und Belastung

6.1.1 Ersatzschaltbild der Spannungsquelle 6.1.2 Leerlauf einer Spannungsquelle 6.1.3 Belastung einer Spannungsquelle 6.1.4 Kurzschluss einer Spannungsquelle 6.1.5 Belastungskennlinie einer Spannungsquelle

6.2 Serieschaltung von Spannungsquellen

6.3 Parallelschaltung von Spannungsquellen

6.4 Chemischer Vorgang bei Spannungsquellen

6.4.1 Tabelle der Normalspannungen

6.5 Batterien und Akkumulatoren

6.5.1 Primärelemente 6.5.2 Sekundärelemente 6.5.3 Entwicklungen in der Akkumulator-Technik 6.5.4 Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku

6.6 Batterien- und Akkumulatoren-Vergleichstabelle

6.6.1 Auswahlkriterien für Batterien und Akkumulatoren

6.7 Galvanisieren

6.8 Netzersatzanlagen

6.9 Brennstoffzellen

BiVo Probleme umfassend bearbeiten Verstehen und anwenden Erinnern TD Technische Dokumentation 4.2 Anlagedokumentation 4.2.3 Symbole

- Grafische Symbole gemäss Schaltplänenor-men (IEC 617, SN EN 60 617)

- Kennzeichnungen: Kennbuchstaben, Zähl-nummern, Funktionszeichen

4.2.3 Schaltpläne

- Schaltpläne, Übersichtschaltpläne und Block-schaltpläne von Schwachstromanlagen

BET Bearbeitungstechnik 2.1 Werkstoffe

2.1.2 Chemische und ökologische Eigenschaften

- Korrosionsbeständigkeit - Oxidations- und Reduktionsverhalten Heizwert - Brennbarkeit - Spannungsreihe - UV-Beständigkeit Giftigkeit - Abbaubarkeit

2.1.3 Chemische Grundbegriffe

- Abgrenzung zu physikalischen Vorgängen - Chemische Grundstoffe (Elemente) - Periodensystem - Atome, Elektronen, Moleküle, Ionen

2.1.3 Chemische Prozesse

- Chemische Prozesse als Stoffumwandlungs-vorgang

- Chemische Verbindungen: Elektronenpaar-, Ionen-, Metallbindung

- Sauerstoff- und Kohlenstoffverbindungen: Entstehung, Eigenschaften

- Oxidations- und Reduktionsvorgänge - Elektrochemische Korrosion: Elektrolyte,

Spannungsreihe TG Technologische Grundlagen 3.5 Erweiterte Fachtechnik

3.5.5 Elektrochemische Systeme

- Elektrolytische Erzeugung und Nutzung von chemischer Energie mit galvanischen Zellen

- Aufbau und Funktion von Primär- und Sekun-därelementen, Betterien (Beispiele)

3.5.5 Elektrochemische Grössen (Berechnungs-aufgaben)

- Ladekapazität - Zellenspannung - Lade- und Entladestrom

EST Elektrische Systemtechnik 5.2 Technik der Energienutzung 5.2.6 Akkumulatoren

- Akkutypen - Laden und Entladen - Wartung

5.2.7 Netzersatzanlagen

- Notstromanlagen - Unterbruchslose Stromversorgungsanlagen

(USV) - Wartung

KOM Kommunikationstechnik

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 3 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 1 ERSATZSCHALTBILD UND BELASTUNGSFÄLLE

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6 Chemische Spannungsquellen 6.1 Ersatzschaltbild und Belastung 6.1.1 Ersatzschaltbild der realen Spannungsquelle Gleichspannungsquellen sind Energiequellen, deren Spannungsbe-trag zeitlich konstant ist. Typische Gleichspannungsquellen sind z. B. Batterien, Akkumulatoren und Netzgeräte.

iR

-

iR

+

+

Nebenstehen ist die Ersatzschaltung einer Spannungsquelle dargestellt. Das vorgeschaltete Netz zu einem Verbrau-cher kann auch in die-ser Form dargestellt werden.

KlU Klemmenspannung ][V

0U Leerlaufspannung ][V

E Elektromotorische Kraft ][V

aU Äussere Spannung ][V

I Strom ][A

iR Innenwiderstand

der Quelle ][Ω

Ideale Spannungsquellen Als ideale Spannungsquelle

0U wird eine Spannungsquelle bezeich-

net, die unabhängig von der nachgeschalteten Last stets dieselbe Spannung abgibt. Klemmen- und Quellenspannung wären somit im-mer identisch, der Energievorrat der Quelle wird als unendlich ange-nommen. Da dies in der Praxis aber unmöglich zu erreichen ist, wer-den in technischen Berechnungen zumeist reale Spannungsquellen eingesetzt. Diese bestehen aus einer idealen Spannungsquelle, zu der ein in Reihe geschalteter Widerstand, der Innenwiderstand, an-genommen wird.

Bleiakku

Zellenspannung


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6.1.2 Leerlauf einer Spannungsquelle

iR

0UE =

I

Kla UU =

-

iR

0UE

+

+Kla UU

0UUKl =

Leerlauf

AI 0=

Die Leerlaufspannung nennt man auch: - Urspannung - Quellenspannung - Leerlaufspannung - Elektro-Motorische-

Kraft ( E =EMK)





I Strom ][A

iR Innenwiderstand

der Quelle ][Ω

Merke:

Bei einer unbelasteten Quelle ist die

Klemmenspannung gleich gross wie

die Quellenspannung.

EMK = Elektro-Motorische-Kraft

Bezeichnung

Li-Ion

Aufbau

+ (Anode) LiCoO2

(Lithiumcobaltdioxid), LiNiO2, LiMn2O4

-

(Kathode) LiC

Lithiumgraphit

Ladeverfahren

I/U-Ladeverfahren

Nennspannung 3V Selbstentladung 1% pro Monat

Anwendung

Geräte des täglichen Bedarfs

Umwelt


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6.1.3 Belastung einer Spannungsquelle

Mit dem inneren Widerstand der Quelle kann bei Berechnungen der Einfluss von nachgeschalteten Lasten auf die tatsächlich anliegende Klemmenspannung der Quelle nachvollzogen werden. Je stärker die Quelle belastet wird, desto tiefer sinkt die an den Klemmen anliegende Spannung. In der Praxis kann der Innenwiderstand einer Spannungsquelle variieren, beispielsweise ist der Innenwiderstand einer neuen Batterie viel geringer als derjenige einer verbrauchten.

I

U =Ua Kl

Ra

Ri

U0

+ Pa

iKl RIUU ⋅−= 0

AI 0≥





I Strom ][A

iR Innenwiderstand

der Quelle ][Ω

aR Äusserer Widerstand ][Ω

aP Leistung am äusseren

Widerstand ][W

U

[V]

I

[A]


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6.1.4 Kurzschluss einer Spannungsquelle

I

U =Ua Kl

Ri

U0

+

Ui

i

KR

UI 0=

Kurzschluss

KII =

VUKl

0=





I Strom ][A

KI Kurzschlussstrom ][A

iR Innenwiderstand

der Quelle ][Ω

aR Äusserer Widerstand ][Ω

aP Leistung am äusseren

Widerstand ][W

Der maximale Strom ist also umso größer, desto kleiner der Innenwiderstand der Quelle ist. Aus den hier aufgeführten Gründen ist es daher anzustreben, den Innenwiderstand für technische Spannungsquellen so klein wie möglich, am besten Ω= 0

iR , zu halten. Jedenfalls sollte er viel kleiner

als der des Verbrauchers sein.


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6.1.5 Belastungskennlinie einer Spannungsquelle Die von einer realen Spannungsquelle abgegebene Leistung berechnet sich aus dem Produkt des Stromes und der Klemmenspannung. Im Leerlauf beträgt diese Leistung Null, da kein Strom durch den Verbraucher fließt. Auch im Kurzschlussfall wird keine Leistung abgegeben, da zwar ein hoher Strom fließt, die Klemmenspannung aber gleich Null ist. Der Strom wird in diesem Fall allein durch den In-nenwiderstand begrenzt, der die maximale von der Quelle lieferbare Leistung umsetzen muss.

U

[V]

I

[A]

Maximale Leistungsübertragung bzw. maximale Leistung am Ver-

braucher ist bei:

ai RR =

i

aR

UP

⋅=

4

)(2

0max

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 8 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 2 SERIESCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

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6.2 Serieschaltung von Spannungsquellen Bei Reihenschaltung mehrerer Spannungsquellen ergibt sich die Gesamtspannung aus der Summe der Leerlaufspannungen der einzelnen Spannungsquelle. Ebenso ist der Gesamtquellwiderstand gleich der Summe der einzelnen Innenwiderstände. Der Strom ist für alle Quellen in der Frequenz, Phase und Amplitude identisch.

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 9 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 2 SERIESCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

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Einfache Batterieschaltung Versuch 1 Drei Batterien in Serie geschaltet. Versuch 2 Drei Batterien in Serie geschaltet – wobei eine Batterie mit umgekehrter Polarität.

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 10 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 3 PARALLELSCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

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6.3 Parallelschaltung von Spannungsquellen Wird mehr Strom vom Verbraucher benötigt, als eine einzelne Quelle liefern kann, sodass eine Paral-lelschaltung von Spannungsquellen erforderlich wird, so ist dies nur bedingt mit realen Quellen mög-lich. Dazu müssen bei Bedarf Quellenwiderstände durch externe in die Leitungen geschaltete Wider-stände nachgebildet werden. Diese müssen so groß sein, dass durch ihre Spannungsverluste die Spannung am Verbraucher kleiner wird als die kleinste der Leerlaufspannungen. Zusätzlich ist darauf zu achten, dass alle parallelgeschalteten Spannungsquellen bezüglich der Spannung: Den gleichen Betrag haben Das gleiche Vorzeichen (Polung) aufweisen Erdfrei sind oder am gleichen Pol geerdet sind. Bei mehr als einem Erdpunkt können geringe Diffe-renzströme fließen (siehe Brummschleife) Wechselspannungsquellen die gleiche Phase haben Werden diese Punkte nicht beachtet führt dies zu einem meist unerwünschten Stromfluss zwischen den Quellen. Je nach Stromhöhe und/oder Ausführung der Spannungsquelle kann dies zur Zerstörung einzelner Teilquellen führen. Diese Kriterien können auch mit entsprechenden elektronischen Schutz-schaltungen, die die Spannungen der einzelnen Spannungsquellen überwachen und regeln, erfüllt werden.

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 11 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 3 PARALLELSCHALTUNG VON SPANNUNGSQUELLEN

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Beispiel Zwei parallele Batterien

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 12 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 4 CHEMISCHER VORGANG

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6.4 Chemischer Vorgang bei Spannungsquellen

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 13 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 4 CHEMISCHER VORGANG

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6.4.1 Tabelle der Normalspannungen Standardpotentiale bei 25 °C; 101,3 kPa; pH=0; Ionenaktivtäten= 1

Element im Redox-Paar, dessen Oxidati-onsstufe sich ändert

Chemi-sches

Zeichen

Oxidierte Form Elektronen- zahl

Reduzierte Form Standart-potential

Fluor F F2 + 2e− 2 F− +2,87 V

Schwefel S S2O82− + 2e− 2 SO4

2− +2,00 V

Sauerstoff O H2O2 + 2 H3O+ + 2e− 4 H2O +1,78 V

Gold Au Au+ + e− Au +1,69 V

Gold Au Au3+ + 3e− Au +1,42 V

Gold Au Au2+ + 2e− Au+ +1,40 V

Chlor Cl Cl2 + 2e− 2Cl− +1,36 V

Sauerstoff O O2 + 4 H3O+ + 4e− 6 H2O +1,23 V

Platin Pt Pt2+ + 2e− Pt +1,20 V

Brom Br Br2 + 2e− 2Br− +1,07 V

Quecksilber Hg Hg2+ + 2e− Hg +0,85 V

Silber Ag Ag+ + e− Ag +0,81 V

Eisen Fe Fe3+ + e− Fe2+ +0,77 V

Iod J J2 + 2e− 2J− +0,53 V

Kohle (Braunstein, Manganoxid)

MnO2 +0,74

Kupfer Cu Cu+ + e− Cu +0,52 V

Eisen Fe [Fe(CN)6]3− + e− [Fe(CN)6]

4− +0,361 V

Kupfer Cu Cu2+ + 2e− Cu +0,34 V

Kupfer Cu Cu2+ + e− Cu+ +0,16 V

Zinn Sn Sn4+ + 2e− Sn2+ +0,15 V

Wasserstoff (H2) H 2H+ + 2e− H2 0

Eisen Fe Fe3+ + 3e− Fe −0,04 V

Blei Pb Pb2+ + 2e− Pb −0,13 V

Zinn Sn Sn2+ + 2e− Sn −0,14 V

Nickel Ni Ni2+ + 2e− Ni −0,23 V

Cadmium Cd Cd2+ + 2e− Cd −0,40 V

Eisen Fe Fe2+ + 2e− Fe −0,41 V

Schwefel S S + 2e− S2− −0,48 V

Nickel Ni NiO2 + 2 H2O + 2e− Ni(OH)2 + 2 OH− −0,49 V

Zink Zn Zn2+ + 2e− Zn −0,76 V

Wasser H2O 2 H2O + 2e− H2 + 2 OH− −0,83 V

Chrom Cr Cr2+ + 2e− Cr −0,91 V

Niob Nb Nb3+ + 3e− Nb −1,099 V

Vanadium V V2+ + 2e− V −1,17 V

Mangan Mn Mn2+ + 2e− Mn −1,18 V

Titan Ti Ti3+ + 3e− Ti −1,21 V

Aluminium Al Al3+ + 3e− Al −1,66 V

Titan Ti Ti2+ + 2e− Ti −1,77 V

Beryllium Be Be2+ + 2e− Be −1,85 V

Magnesium Mg Mg2+ + 2e− Mg −2,38 V

Natrium Na Na+ + e− Na −2,71 V

Calcium Ca Ca2+ + 2e− Ca −2,76 V

Barium Ba Ba2+ + 2e− Ba −2,90 V

Kalium K K+ + e− K −2,92 V

Lithium Li Li+ + e− Li −3,05 V

Außerdem enthält die elektrochemische Spannungsreihe eine Abstufung der Metalle („sehr edles Metall“, „edles Metall“, „weniger edles Metall“, „unedles Metall“, „sehr unedles Metall“) nach ihrem Bestreben, sich in Säuren oxidieren zu lassen. Die Standardpotentiale der edlen Metalle haben ein positives Vorzeichen, die der unedlen dagegen ein negatives.

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 14 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 5 PRIMÄRELEMENTE

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6.5 Batterien und Akkumulatoren Bei den chemischen Spannungsquellen unterscheidet man zwischen

Primärelementen

Sekundärelementen

6.5.1 Primärelemente

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 15 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 5 PRIMÄRELEMENTE

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6.5.1.1 Typen von Primärelementen

Bezeichnung Aufbau Ladeverfahren Anwendung Umwelt

Bild (Variante)

Zink-Kohle

- Zink + Braunstein E Amoniumchlorid

Nennspannung 1,5V

Transportable Geräte

(6F22)

Zink-Chlorid - Zink-Chlorid + Braunstein E Amoniumchlorid

Nennspannung 1,5V

(AA160)

Zink-Luft

- Zink + Zink-Oxid E Alkali-Oxid oder Hydroxid

Ruhespannung 1,35 bis 1,4 V

Hörgerätebatterie

(ZA13)

Alkali-Mangan (Alkali-Braunstein-Zink)

Nennspannung 1,5V

(LR44)

(Mono D)

Nickel-Oxyhydroxid (NiOOH)

Nennspannung 1,5V

Lithium-Thionylchlorid Li − SOCl2

Nennspannung 3,4V Leerlaufspannung 3,7V

Energiezähler Heizkostenventilen

(AA)

Lithium-Mangandioxid Li − MnO2

Nennspannung 2,9V Leerlaufspannung 3,5 … 3,0V

Kameras, Uhren und als Backup-Batterie für Speicherschaltkreise

Lithium-Schwefeldioxid Li − SO2


Militärischer Bereich

Reichweite mindestens fünf

bis zehn Mal größer

Lithium-Kohlenstoffmonofluorid Li − (CFn)

Nennspannung 3,1 … 2,5V Leerlaufspannung 3,2 … 3,0V

Anwendungen bei denen Leistung wichti-

ger als Kosten

Lithium-Iod Li − I2


Herzschrittmacher

Lithium-Eisensulfid Li − FeS2


Fotobereich

Lithium-Luft Li − O2

Nennspannung 2V Leerlaufspannung 3,4V

Quecksilberoxid-Zink Nennspannung 1,35V

Silberoxid-Zink Nennspannung 1,55V

Natrium-Nickelchlorid (Zebra-Batterie)

Nennspannung 1,5V

Telekommunikations-anwendungen,

Tezentrale Gross-speicher

E Elektrolyt, + Kathode, - Anode

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6.5.2 Sekundärelemente


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6.5.2.1 Typen von Sekundärelementen


Blei-Akku

Bleioxid und Blei mit Schwefelsäure (H2SO4) Anode Bleioxid (PbO2). Kathode metallisches Blei

I/U-Ladeverfahren Nennspannung 2V Leerlaufspannung 2,08V Selbstrentladung 2% pro Tag

hohe Strombelastbarkeit giftig

NiCd

Oxy-Nickelhydroxid und Cadmium mit Kaliumhyd-rid (KOH). Anode Oxy-Nickelhydroxid (2NiOOH) Kathode Cadmium

Konstantstrom oder Reflex-Ladeverfahren Memoryeffekt Nennspannung 1,2V


giftig, aber recyclebar

NiMH

Nickel und eine Metalllegierung

Konstantstrom, kein Memoryeffekt Nennspannung 1,2V


giftig, aber recyclebar

Li-Ion

Lithium-Ionen, Lithium-Polymere, Lithium-Metall

I/U-Ladeverfahren Nennspannung 3V Selbstentladung 1% pro Monat


giftig


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6.5.3 Entwicklungen in der Akkumulator-Technik Neuere Entwicklungen der Akkumulatoren-Technologie verringern die bisherigen Nachteile von Batte-rie-betriebenen Elektrofahrzeugen nachhaltig. Neuere Lithium-Titanat-Akkumulatoren von Altairnano weisen nach Hersteller-Angaben folgende Eigenschaften auf: Eine Kapazität, die bei einem normalen PKW für eine Reichweite bis zu 400 km pro Akkuladung aus-reicht. Resistenz gegen Kälte und Wärme: Betriebstemperatur von -50 °C bis +75 °C bei noch ca. 90 % Ka-pazität bei extremen Temperaturen. Auch wird keinerlei Kühlung o. ä. bei der Ladung benötigt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien können die Batterien durch das geänderte Material weder Feuer fangen noch explodieren. Dadurch spart man ein Sicherheitssystem, wie es z. B. beim Elektrosportwagen Tesla Roadster zum Einsatz kommen muss. Eine lange Lebensdauer der Batterien von mehr als 20 Jahren bzw. einer maximalen Zyklenzahl von 10.000 bis 15.000, das entspräche theoretisch 6.000.000 gefahrenen Kilometern bei einer Reichweite von 400 km pro Akkuladung. In der Praxis würde man die Batterien jedoch häufiger aufladen, womit die Batterien schneller verschleißen. Es soll möglich werden, die Akkumulatoren in einem Fahrzeug für eine Reichweite von 400 km in we-niger als 10 Minuten aufzuladen. Für eine derart schnelle Wiederaufladung ist allerdings eine besonde-re Ladestation erforderlich. Diese Akkumulatoren werden seit September 2005 in kleinen Stückzahlen an die Firma Phoenix Mo-torcars in Reno (Nevada, USA), die Fahrzeuge mit Platz für 5 Personen und einer Ladefläche herstellt, die von diesen Batterien angetrieben werden. Ab 2008 soll ein entsprechend angetriebenes Sportfahr-zeug (Sport Utility Vehicle, kurz: SUV) produziert werden.


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6.5.4 Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku Eine Lithium-Ionen-Batterie ist ein wieder - aufladbarer Batterietyp. Verwendung Eine Lithium-lonen-Batterie wird meistens für tragbare Geräte verwendet, die einen hohen Energiebedarf aufweisen, wie Laptops oder Smartphones.

Ionen verschieben Die elektrische Spannung wird in einer Lithium-lonen-Batterie durch die Verschiebung von Lithium-lonen zwischen der negativen und der positiven Elektrode erzeugt. Als aktives Material der negativen Elektrode wird meist Graphit verwendet, während die positive Elektrode ein Lithium-Metalloxid enthält. Damit dieser Vorgang funktioniert, muss die negative Elektrode mit einer Art Membran geschützt sein, die zwar die kleinen Lithium - Ionen durchlässt, nicht aber die Lösungsmittelmoleküle. Fehlt diese Schicht, so lagern sich auch diese in den Graphitschichten ein und zerstören so die negative Elektrode.

Ladevorgang Beim Laden liefert der Ladestrom über den äusseren Stromkreis negative Elektronen. Dadurch zwingt er die positiv geladenen Lithium-lonen dazu, von der positiven Elektrode zwischen die Graphitebenen der negativen Elektrode zu wandern.

Die Ionen bilden eine Interkalationsverbindung mit dem Kohlenstoff, das heisst, sie lagern sich zwischen die einzelnen Graphitschichten ein, ohne dabei deren Ei-genschaften zu verändern. Entladevorgang Beim Entladevorgang wandern die Lithiurn-lonen in das Metalloxid zurück und die Elektronen gelangen über den äusseren Stromkreis zur positiven Elektrode.

Der Spannungsbereich (2,5 – 4,1 V) muss bei Laden/Entladen unbedingt eingehalten werden, sonst wird die Akkuzelle zerstört.

Eine entsprechende Schutzschaltung ist im AC/DC-Inverter eingebaut.

Schematischer Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle

(positive Elektrode: LiCoO2; negative Elektrode: Li-Graphit).

Überhitzungsgefahr Wichtig ist, dass das Innere eines Lithium- Ionen-Akkumulators völlig wasserfrei bleibt: Eindringendes Wasser löst eine chemische Reaktion mit starker Wärmeentwicklung aus - der Akku kann dadurch in Brand gera- ten oder gar explodieren. Damit das nicht geschieht, sind sie hermetisch gekapselt. Trotzdem wäre es keine gute Idee, einen solchen Akku ins Wasser zu tauchen. Stromerzeugung Eine Lithium-lonen-Batterie erzeugt Strom, wenn die Lithium - lonen von der negativen Elektrode zur positi-ven wandern. Memory-Effekt Sie weisen keinen Memory-Effekt aus wie andere Bat-terietypen, das heisst, sie leiden auch bei häufigem Wiederaufladen nicht unter Kapazitätsverlust.


Li-Ion

+ (Anode) LiCoO2 (Lithiumcobaltdioxid), LiNiO2, LiMn2O4 - (Kathode) LiC Lithiumgraphit

I/U-Ladeverfahren Nennspannung 3V Selbstentladung 1% pro Monat


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6.6 Batterien- und Akkumulatoren-Vergleichstabelle Generell sind fast alle Batterien auch als Akkus erhältlich, die dann in der Regel etwas weniger Leistung erbringen. Bei den meisten Anwendungen ist dies weniger von Bedeutung, das heißt, der Leistungsverlust steht gegenüber der Kostenersparnis zurück.

Europa, JIS

(Inter-national)

USA ANSI

IEC Bezeich-

nung Duracel Visualisierung

Ø, Länge Abmessung

Kapatität [mAh]

Spannungen [V]

AAAA E96

LR61 Mini 1

8,3 x 42,5 300 … 600 1,5

UM-5 (AM-5)

N R1 LR1

Lady MN9100 2 11,5 x 29,5 … 400

1,5 1,21

UM-4 (AM-4)

AAA R03 LR03

Micro MN2400 3

10,5 x 44,5 370 … 1450 1,5 1,21

UM-3 (AM-3)

AA R6 LR6

Mignon MN1500 4

14,5 x 50,5 400 …3900

1,5 1,21

1/4AA Mignon 5

14,5 x 14,0 1,5 1,21

1/3AA Mignon 6

14,5 x 17,0 1,5 1,21

1/2AA Mignon 7

14,5 x 25,1

1,5 1,21

2/3AA Mignon 8

14,5 x 33,5

1,5 1,21

A 9

17,0 x 44,5 … 1400

1,5 1,21

1/2A 10

17,0 x 22,5 … 700

1,5 1,21

2/3A 11

17,0 x 33,4

1,5 1,21

UM-2 (AM-2)

C R14 LR14

Baby MN1400 12

26,2 x 50,0 4000 … 20000 1,5 1,21

UM-1 (AM-1)

D R20 LR20

Mono MN1300 13

34,2 x 61,2 … 5800 1,5 1,21

F 14

33 x 91 … 8500 1,21

2R10 Duplex 15

20 x 75 ... 1500 3,0

6F22 (6AM-6)

PP3 6R61 9 Volt Block

MN1604 16

26,5 x 17,5 x 48,5

190 … 600 9,0

Lithium CR2 17

Photobatterie

27,0 x 15,6 … 850 3,01

L, AM bedeutet grössere Leistung 1 Akkumulatoren


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6.6.1 Auswahlkriterien für Batterien und Akkumulatoren

1 Bemessungsspannung

2 Bemessungskapazität (entnehmbare Ladekapazität)

3 Energiedichte

4 Spannungskonstanz (während der Entladung)

5 Überlastverträglichkeit

6 Zuverlässigkeit

7 Lebensdauer

8 Lecksicherheit

9 Lagerfähigkeit (Selbstentladung)

10 Umweltverträglichkeit

11 Grösse und Gewicht

12 Anschlussmöglichkeit

13 Temperaturbedingungen

14 Preis


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6.6.2 Kapazitätsberechnung von Batterien und Akkumulatoren Unter der Kapazität eines Akkumulators oder einer Batterie versteht man das Produkt aus Ladung und der Entladedauer. Es gilt:

Ladung = Strom x Zeit

tIQ ⋅= ][As

Q Ladung ][As

I Strom ][A t Zeit ][s

AhAs 13600 =

Beispiel

Kap. 6 Nr. 49

Die Ladekapazität eines Akkumulators ist wegen der beim Laden auftretenden Verluste grösser als die Entladekapazität. Auch beim Entladen treten wieder Verluste auf. Wir können deshalb einen Wirkungsgrad ausrechnen. In der Praxis unterscheidet man zwei Wir-kungsgrade. Sie werden wie folgt berechnet:

Ampèrestunden-Wirkungsgrad Ahη

LL

EE

L

EAh

tI

tI

Q

Q

⋅

⋅==η ][−

L Laden E Entladen

Wattstunden-Wirkungsgrad Whη

LLL

EEE

L

EWh

tIU

tIU

W

W

⋅⋅

⋅⋅==η ][−

W Arbeit ][Ws

U Spannung ][V

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6.7 Galvanisieren Das Gesetz von Faraday:

Lässt man durch äussere Kräfte

durch einen Elektrolyt Gleichstrom

fliessen, so wandern die positiven

Ionen (Kationen, z.B. Metall)

zur negativen Elektrode (Kathode),

die negativen Ionen (Anionen)

zur positiven Elektrode (Anode)

tIQ ⋅= ]As[

Die abgeschiedene Stoffmenge verhält sich proportional zu Strom

und Zeit.

Zudem ist der elektrochemische Beiwert eines Materials, das

elektrochemische Äquivalent, zu berücksichtigen; dieses ist

wiederum abhängig von Atom- und Molekulargewicht swie der

Wertigkeit eines Ions.

η⋅⋅⋅= ctIm ]mg,g[

m abgeschiedene Stoffmenge [ ]g , [ ]mg

I Strom [ ]A

t Zeit [ ]s

c elektrochemisches Äquivalent [ ]Ah/g

[ ]As/mg

η Stromausbeute [ ]−

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 25 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 7 GALVANISIEREN

01. Dezember 2017

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TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 26 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 8 NETZERSATZANLAGEN

01. Dezember 2017

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6.8 Netzersatzanlagen Die allgemeine Ersatzstromversorgung (AEV) ist eine Stromversorgung für ausgewählte Verbraucher oder Anlagenteile bei Ausfall der allgemeinen Stromversorgung. Die Weiterversorgung wird in diesem Fall von der Netzersatzanlage (z. B. Akkumulatoren/Batterien oder Notstromaggregaten) übernom-men. Die Umschaltung erfolgt von Hand oder auch automatisch. Im Gegensatz zu einer USV (unter-brechungsfreie Stromversorgung) ist ein kurzzeitiger Spannungsabfall möglich, der zur Folge hat, dass eine Glühlampe flackert oder der Computer abstürzt.

In Ergänzung zu USV-Anlagen sind Komplettlö-sungen für gesicherte Stromversorgungsanlagen vorhanden. Netzersatzanlagen in Standardausführung und kundenspezifisch zugeschnittene Lösungen im Leistungsbereich von 10 kVA bis 3'000 kVA (als Einzelaggregate).

Off- Line ( Standby) USV Im Normalfall wird der Strom durch die USV ohne Spannungswandlung an die angeschlossene Ge-räte (Rechner) weitergeleitet. Treten Spannungs-schwankungen oder Stromausfälle auf, schaltet die Offline - USV automatisch auf Batteriebetrieb um. Die Umschaltung auf Akkubetrieb erfolgt in-nerhalb von ca. 2 - 4 ms, also praktisch ohne Un-terbruch.

Line interactive (Hybrid USV) Bei diesem Mischverfahren zwischen Online- und Offline-Technik wird der Gleichrichter ständig zum Laden der Akkus betrieben, die Last aber normalerweise vom Netz versorgt. Über ein Mik-roprozessor wird die Spannungsqualität des Net-zes überwacht und im Falle von Unter-, Über-spannungen oder Spannungsausfällen (Strom-ausfällen / Stromstörungen), die einen bestimm-ten Grenzwert überschreiten, springt sofort die USV ein und versorgt das angeschlossene Sys-tem mit stabilisierter Spannung. Die USV ist da-her aktiv/interaktiv.

On-line USV Online USV's beliefern den Stromverbraucher (PC / Server) konstant mit Spannung. Die Netz-spannung dient nur zum Laden der Akkus. Die Spannung wird durch Umwandlung von Wechsel- zu Gleichstrom und wieder zurück vollkommen regeneriert. Deshalb werden Online-USV's auch als Dauerwandler bezeichnet.

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 27 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 9 BRENNSTOFFZELLEN

01. Dezember 2017

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6.9 Brennstoffzellen In einer Brennstoffzelle wird die bei der Oxidation eines Brennstoffes freiwerdende chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann mehr Energie in nutzbare Arbeit umgewandelt werden als mit ei-nem Verbrennungsmotor, bei dem Energie als Abwärme verloren geht.

Lange schon hat man darüber gesprochen. Nun ist es soweit. Im Sommer 2013 bringt die Hexis AG ihr Brennstoffzeltenkonzept für Ein- und kleinere Mehrfamitienhäuser auf den Markt.

Das Mikrokraftwerk liefert

gleichzeitig Wärme und Strom mit einer Gesamteffizienz

von über 95 %.

Das Funktionsprinzip Eine SOFC besteht aus einer Brennstoff-Elektrode (Anode), die über einen festen, keramischen und gasdichten Sauerstoff- ionenleiter (Elektrolyt) mit der Sauerstoff-

Elektrode (Kathode) verbunden ist. An den beiden äusseren, porösen Elektroden laufen

die chemischen Reaktionen räumlich ge-trennt voneinander ab.

Zum einen die Oxidation des Brennstoffs -

im Falle des Hexis-Systems ein aus Erdgas oder Biogas erzeugtes Gemisch aus Was-

serstoff und Kohlenmonoxid - und zum anderen die Reduktion des Luftsauerstoffs. Dabei werden Elektronen freigesetzt, die durch einen äusseren elektrischen Leiter fliessen und als Strom genutzt werden

können.

Damit die speziell entwickelten Hochleis-tungskeramiken ihren Dienst verrichten können, sind Betriebstemperaturen zwi-

schen 600 und 1000 °C notwendig, denn nur dann sind die kerarnischen Materialien

ausreichend leitfähig.

Energieversorgung der Zukunft Für die Energieversorgung der Zukunft sind Energiestrate-gien gefragt, die es uns erlauben Energieressourcen sinnvoll einzusetzen, aber auch einzusparen und so CO2-Emissionen zu reduzieren. Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft sind zwar etablierte Technologien für regenerative Energiequel-len, allerdings sind sie starken täg- lichen bis saisonalen Schwankungen unterworfen. Darüber hinaus sind sie nicht überall gleich-ermassen sinnvoll einsetzbar, was lange Energieversorgungsstrassen quer durch Europa zur Folge hat. Gleichzeitig werden in der Schweiz immer noch fast 50 % der 1,7 Mio. Gebäude durch Ölfeue rung mit Wärme versorgt. Dies geht zu Lasten der Energieressourcen, weil die getrennte von Strom und Wärme ineffizient ist. Einen sinnvollen Beitrag zur Versor- gungssicherheit und Emissi- onsre-duktion werden zukünftig Wärme-Kraft-Kopplung-Anlagen (WKK) leisten. Sie sind in der Lage besonders ressour- censcho-nend sowohl Strom als auch Wärme direkt vor Ort bereitzustellen. Der Einsatz von WKK-Anlagen harmoniert mit dem Tagesbedarf wie auch mit dem erhöhten Bedarf im Winter. Dezentral eingesetzt, reduzieren sich die Energieverluste durch Transporte und er-möglichen den Einsatz von erneuerbaren Energieträgern wie Blogas.

Brennstoffzelle als WKK In diese Lücke stösst nun die Schweizer Firma Hexis, die zu den führenden Unter-nehmen Bereich der stationäre Hoch- tem-peratur-Brennstoffzellen gehört (SOFC - Solid Oxide Fuel Cell). Die SOFC ist eine der ökologischsten Technologien überhaupt und kann neben Erdgas auch regenerative Energieträger wie Biogas direkt, effizient und schadstoffarm in Strom und Wärme um-wandeln. Selbst im Vergleich zur Wärme-versorgung durch einen Gas-Brennwert- kessel mit zentraler Stromver- sorgung vom Netz, können mit einer SOFC-basierten WKK bis zu 50 % der CO2-Emissionen vermieden werden. Umweltschonend und dennoch geräuschlos stellt das mit Erd- gas betriebene System namens Galileo 1000 N eine elektrische Leistung von 1 kW und eine thermische Leistung von 1,8 kW zur Verfü-gung. Darüber hinaus stehen mit Hilfe eines Zusatzbrenners nochmals maximal 20 kW Wärmeleistung zu Verfügung, genug um den Stromgrundbedarf und den gesamten Wärmebedarf eines durchschnittlichen Einfamilien- hauses zu decken. Dass die Gasversorgung oft bereits ver- fügbar ist, spielt der Brennstoff- zelle dabei in die Hände. Wenn zukünftig vermehrt Biogas in das bereits bestehende Gasnetz einge-spiesen wird, verbessert dies nochmals die CO2-Bilanz.

Funktion einer Brennstoffzelle: http://www.chempage.de/theorie/facharbeit/bzani.html

TG TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Seite 28 6 CHEMISCHE SPANNUNGSQUELLEN 9 BRENNSTOFFZELLEN

01. Dezember 2017

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6.10 Zukünftige Energieproduktion und Speicherung In einer Brennstoffzelle wird die bei der Oxidation eines Brennstoffes freiwerdende chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann mehr Energie in nutzbare Arbeit umgewandelt werden als mit ei-nem Verbrennungsmotor, bei dem Energie als Abwärme verloren geht. Lange schon hat man darüber gesprochen. Nun ist es soweit. Im Sommer 2013 bringt die Hexis AG ihr Brenn-stoffzeltenkonzept für Ein- und kleinere Mehrfamitienhäuser auf den Markt. Energieversorgung der Zukunft Für die Energieversorgung der Zukunft sind Energiestrategien gefragt, die es uns erlauben Energieressourcen sinnvoll einzusetzen, aber auch einzusparen und so CO2-Emissionen zu reduzieren. Photovoltaik, Wind- und Wasserkraft sind zwar etablierte Technologien für regenerative Energiequellen, allerdings sind sie starken tägli-chen bis saisonalen Schwankungen unterworfen. Darüber hinaus sind sie nicht überall gleichermassen sinnvoll einsetzbar, was lange Energieversorgungsstrassen quer durch Europa zur Folge hat. Gleichzeitig werden in der Schweiz immer noch fast 50 % der 1,7 Mio. Gebäude durch Ölfeuerung mit Wärme versorgt. Dies geht zu Lasten der Energieressourcen, weil die getrennte von Strom und Wärme ineffizient ist. Einen sinnvol-len Beitrag zur Versorgungssicherheit und Emissionsreduktion werden zukünftig Wärme-Kraft-Kopplung-Anlagen (WKK) leisten. Sie sind in der Lage besonders ressourcenschonend sowohl Strom als auch Wärme direkt vor Ort bereitzustellen. Der Einsatz von WKK-Anlagen harmoniert mit dem Tagesbedarf wie auch mit dem erhöhten Bedarf im Winter. Dezentral eingesetzt, reduzieren sich die Energieverluste durch Transporte und ermöglichen den Einsatz von erneuerbaren Energieträgern wie Biogas.

Brennstoffzelle als WKK In diese Lücke stösst nun die Schweizer Firma Hexis, die zu den führenden Unternehmen Bereich der statio-näre Hochtemperatur-Brennstoffzellen gehört (SOFC - Solid Oxide Fuel Cell). Die SOFC ist eine der ökolo-gischsten Technologien überhaupt und kann neben Erdgas auch regenerative Energieträger wie Biogas direkt, effizient und schadstoffarm in Strom und Wärme umwandeln. Selbst im Vergleich zur Wärmeversorgung durch einen Gas-Brennwertkessel mit zentraler Strom-versorgung vom Netz, können mit einer SOFC-basierten WKK bis zu 50 % der CO2-Emissionen ver-mieden werden. Umweltschonend und dennoch ge-räuschlos stellt das mit Erd- gas betriebene

System namens Galileo 1000 N eine elektrische Leistung von 1 kW und eine thermische Leistung von 1,8 kW zur Verfügung. Darüber hinaus stehen mit Hilfe eines Zusatzbrenners nochmals maximal 20 kW Wärmeleistung zu Verfügung, genug um den Stromgrundbedarf und den gesamten Wärmebedarf eines durchschnittlichen Einfamili-enhauses zu decken. Dass die Gasversorgung oft bereits verfügbar ist, spielt der Brennstoffzelle dabei in die Hände. Wenn zukünftig vermehrt Biogas in das bereits bestehende Gasnetz eingespiesen wird, verbessert dies nochmals die CO2-Bilanz. Lithium-Ionen-Batterien Sie liefern den Strom für Elektroautos, Elektrovelos, Smart-phones und Laptops: Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien sind heute die Speicher der Wahl, wenn es darauf ankommt, auf kleinem Raum und mit geringem Gewicht viel Energie bereit zu stellen. Weltweit wird derzeit an einer neuen Generation solcher Batterien mit verbesserter Leis-tung geforscht. Wissenschaftler unter der Leitung von Mak-sym Kovalenko vom Laboratorium für Anorganische Chemie der ETH Zürich und von der Empa haben nun ein Nanoma-terial entwickelt, dank dem sich in Lithium-Ionen-Batterien deutlich mehr Energie speichern lässt.

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