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Über dieses Buch

Dieses praxisnahe Lehrbuch und Nachschlagewerk zeigt anschaulich die Welt der elektrochemischen Energiewandler und ihre modernen Anwendungen für nachhaltige Energiekonzepte. Wie speichert man überschüssige Wind- und Solarenergie, wie lässt sich Wasserstoff aus nicht-fossilen Ressourcen als chemische Speicherform nutzen? Jeder Themenbereich behandelt die physikalischen, chemischen, ingenieurtechnischen und materialwissenschaftlichen Grundlagen und erlaubt so eine interdisziplinäre Sicht auf die technischen Anwendungen. Eine Übersicht über die rechtlichen Rahmenbedingungen gibt verlässliche Informationen zu rechtlichen Fragestellungen. Für die zweite Auflage wurden zahlreiche Leserzuschriften berücksichtigt und dabei viele Kapitel überarbeitet und erweitert. Die rechtlichen Grundlagen wurden gründlich nach dem Stand der Gesetzgebung im März 2018 aktualisiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Grundlagen der Energiewandlung

Die Nutzung von Wind- und Solarenergie, Gezeitenkraft und Biomasse stellt neue Herausforderungen an die Stabilität von Leitungsnetzen. Elektrochemische Speicher können ein Baustein einer intelligenten und dezentralen Energieversorgung sein. Das erste Kapitel stellt die maßgeblichen Typen von Energiespeichern vergleichend dar.
Peter Kurzweil, Otto K. Dietlmeier

2. Doppelschichtkondensatoren

Doppelschichtkondensatoren speichern Energie durch elektrochemische Vorgänge an der Phasengrenze zwischen einem Elektronenleiter (Elektrode) und einem flüssigen Ionenleiter (Elektrolyt).
Die Geschichte des Kondensators beginnt im Zeitalter des Barock eher spielerisch und endet bei visionären Hybridsystemen aus Kondensatoren und Batterien. Das Kapitel beleuchtet Eigenschaften, Materialien, Technologien, Herstellung und Anwendungen von Superkondensatoren nach dem Stand der Technik und gibt Hinweise auf die aktuelle Forschung.
Peter Kurzweil

3. Lithiumionen-Batterien

Lithiumbatterien gelten als Stand der Technik für vielfältige portable Anwendungen bis hin zu Elektroantrieben. Wiederaufladbare Lithiumionen-Akkumulatoren, engl. secondary batteries, unterscheiden sich von den nicht wiederverwendbaren Primärbatterien. Dennoch wird Begriff „Lithiumbatterie“ für Akkumulatoren gebraucht. Das Kapitel beleuchtet den Stand der Technik von den heutigen Materialien, Technologien und Herstellverfahren bis zur jüngsten Forschung. Betriebsverhalten, Alterung, messtechnische Überwachung und Modellierung von Lithiumionen-Batterien wird eingehend betrachtet.
Peter Kurzweil

4. Traktions- und Speicherbatterien: Blei, Nickel, Natrium

Blei-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und Natrium-Schwefel-Akkumulatoren werden seit den 1980er Jahren in dezentralen Speicheranwendungen eingesetzt: für die Energiebereitstellung (engl. dispatching power) unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung, die kurzzeitige Netzüberbrückung (engl. bridging power) bei der Nutzung erneuerbarer Energien und als Reserveleistung von Kraftwerken (engl. spinning reserve) und die Netzstabilisierung (engl. stabilizing power) Das Kapitel fasst den Stand der Technik herkömmlicher Batterien für Speicheranwendungen zusammen: Zellchemie, Materialien, Eigenschaften und Schwachstellen, Leistungsdaten und Anwendungsbeispiele.
Peter Kurzweil

5. Hochenergiebatterien nach Lithium-Ion

Wiederaufladbare Batterien mit spezifischen Energien jenseits der 200 Wh kg−1 und herausragenden Leistungsdichten sollen die heutige Lithiumionen-Technologie in den nächsten Jahrzehnten ablösen. Manche Forschungsansätze reichen in die Zeit der Ölkrise in den 1970er und 1980er Jahren zurück. Das Kapitel beschreibt visionäre Konzepte von Metallionen- und Metall-Luft-Batterien, bis hin zu Festkörpertechnologien und Anionen-Batterien. Vor- und Nachteile werden im Hinblick auf eine baldige Nutzung in Speichersystemen abgewogen.
Peter Kurzweil

6. Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien, auch Fluss- oder Flüssigbatterien oder „Redoxbrennstoffzellen“ genannt, sind galvanische Speicher mit löslichen Reagentien. Das Kapitel beleuchtet den Stand der Technik: Zellchemie, Materialien, technische Eigenschaften, technologische Herausforderungen und Visionen.
Peter Kurzweil

7. Elektrolyse von Wasser

Wasserstoff gilt als langfristiger chemischer Energieträger, zumal die Elektrolyse von Wasser die Nutzung von Windenergie, Solarstrom, Wasser- und Gezeitenkraft erlaubt. Das Kapitel fasst den Stand der Technik zur elektrolytischen Wasserstofferzeugung zusammen: Technologien, Materialien, Zelldesign, Leistungsdaten und Marktübersicht der alkalischen, SPE- und Festoxid-Elektrolyse,
Peter Kurzweil

8. Wasserstoff als chemischer Speicher

Chemische Speicher, voran Wasserstoff, gelten als Zukunftsvision für die langfristige Speicherung von Energie. Bis flüssige Wasserstoffverbindungen fossile Kraftstoffe in Fahrzeugen ersetzen und die bestehende Tankstelleninfrastruktur nutzen können, ist es freilich noch ein langer Weg. Das Kapitel gibt einen Überblick über den Stand der Technik: von der Wasserstofferzeugung aus fossilen, chemischen und biogenen Quellen bis zur Speicherung in gasförmiger, flüssiger oder chemischer Form.
Peter Kurzweil

9. Rechtliche Rahmenbedingungen

Die Europäische Union verfolgt mit ihrem Energie- und Klimaschutzpaket bis zum Jahr 2030 unter Beachtung der Hauptziele Versorgungssicherheit, Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit eine Senkung der Treibhausgasemissionen um mindestens 40% gegenüber dem Stand von 1990, die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien auf mindestens 27% und eine Steigerung der Energieeffizienz um mindestens 27%. Zur Umsetzung hierfür dient das 2017 beschlossene Legislativpaket der Europäischen Kommission „Saubere Energie für alle Europäer“. Für die Bundesrepublik Deutschland bilden die Novelle 2011 zum Energiewirtschaftsrecht und nach dem Atomausstiegs-Beschluss das „Energiekonzept 2050“ die Grundlagen für eine Neuausrichtung der Förderung erneuerbarer Energien durch das EEG 2017 mit generellen Ausschreibungspflichten für eine Förderung, für die Reduzierung des Energieverbrauchs in Gebäuden durch das mit dem geplanten Gebäude-Energie-Gesetz zur Novellierung vorgesehene EEWärmeG und für eine verstärkte Nutzung hocheffizienter Kraft-Wärme- Kopplung. Neben den Regelungen für die Speicherung von Strom und Gas mit der erforderlichen Anpassung der Netzinfrastruktur werden die stoffbezogenen Anforderungen des Chemikalienrechts und die produktbezogenen Bestimmungen für den Umgang mit Batterien und Akkumulatoren als netzunabhängigen Speichermedien ebenso dargestellt wie die jeweiligen Standortanforderungen und Genehmigungsverfahren für die unterschiedlichen Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien.
Otto K. Dietlmeier

Backmatter

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