ZAC+ vs. NiFe und Blei

Ein Brennstoffzellen-ähnliches System zur langfristigen Energiespeicherung / A semi-fuelcell system for energy storage
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case
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ZAC+ vs. NiFe und Blei

Beitrag von case » Mo 15. Okt 2012, 03:50

Hi.

An anderer Stelle wurde folgende Frage gestellt.
Bastelmike hat geschrieben: Du hast doch bestimmt Gründe, warum Du ZincAir-Zellen entwickeln möchtest und nicht, äh, Kohle-Beryllium-Zellen. Erklär Doch mal einem Nicht-Elektroingenieur, was voraussichtlich die Stärken und Schwächen von ZAC+ gegenüber NiFe oder der guten alten Bleibatterie sein werden
Ich will mich hier zunächst mal nur kurz auf die wichtigsten Vor- und Nachteile beziehen, ev. ergänze ich später noch den einen oder anderen.

Erstmal ZAC im Vergleich mit Blei:
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Es gibt vor allem zwei Vorteile:

1. Hohe Energiedichte.

Bei Blei: ca. 40 bis 50 Wh/Kg. Bei ZAC: ca. 200 bis 500 Wh/Kg. Die Angaben in der Literatur sind hier etwas uneinheitlich und stark davon abhängig zu welchem Zeitpunkt die Werte veröffentlicht wurden. So wurden schon in den 90ern Dichten von gut 200 Wh/Kg erreicht und ich würde das als untere Grenze einschätzen, die relativ sicher erreicht werden kann. Die Entwicklung scheint hier aber stark im Fluss und noch nicht abgeschlossen zu sein, aktuelle Entwicklungen werden von Herstellern mit bis zu 500 Wh/Kg angegeben. Das theoretische Maximum liegt bei 1.3KWh/Kg, so das zumindest noch etwas Luft nach oben zu sein scheint, aber ob tatsächlich und wieviel genau wäre natürlich Spekulation.

Die hohe Energiedichte macht die Sache insbesondere für Elektromobilität interessant, für eine stationäre Anwendung wie saisonale Stromspeicherung ists nicht ganz so wichtig, aber natürlich dennoch nice to have.

2. Ladezyklen.

Bei Blei: ca. 300 Voll-Zyklen bei ner einfachen Starterbatterie, bei Solarakkus mehr, vielleicht bis zu 1000, aber der Vorteil wird durch einen immens höheren Preis wieder zunichte gemacht. Unterm Strich sieht es jedenfalls so aus, dass wenn man die gesamte Menge an KWh, die über die gesamte Lebensdauer eingespeichert werden kann mit dem aktuellen Strompreis für eine KWh multipliziert, dann liegt die Summe in etwa der Größenordnung, die man auch für eine Batterie bezahlen müsste, d.h. für den Kaufpreis der Batterie könnte man sich stattdessen auch gleich die KWhs beim Stromkonzern kaufen.

Bei ZAC+: In der Anwendung als Brennstoffzelle ist die Anzahl der Ladezyklen quasi unbegrenzt, da die beteiligten Ingredenzien (Zink, KOH) immer wieder (und nahezu vollständig) regeneriert werden können. Der Regenerationsvorgang erfordert die Aufwendung von Energie und entspricht quasi dem aufladen eines Akkus.
Einzig verbleibender limitierender Faktor ist die Gasdiffusions-Kathode (=GDL, aus Kohlenstoff). Diese muss ev. von Zeit zu Zeit erneuert werden, wobei die Frage wie oft genau, vom jeweiligen Typ abhängt. Da käufliche GDLs ziemlich teuer sind, empfiehlt sich hier aber ohnehin eine Eigenentwicklung. Sobald man den Herstellungsprozess beherrscht dürfte der Preis vernachlässigbar sein, da die Grundmaterialien wie Kohlenstoff und PTFE nicht teuer sind.

Nachteil:

Wirkungsgrad. Bleiakkus haben ein Wirkungsgrad von ca. 85%. Bei ZAC ist er (zumindest mir) nicht genau bekannt bzw. gibts kaum Angaben zu i.d. Literatur, dürfte aber nach meiner Einschätzung deutlich drunter liegen, vielleicht bei 60% bis 65%. Sollte ein solcher Wert tatsächlich erreicht werden wäre ich damit zumindest schon mal ganz glücklich, da es meines Wissens nach keinen anderen Langzeit-Speicher (für große Strommengen) gibt, der diesen Wert auch nur annähernd erreicht. In der Umwandlung von Wasserstoff zu Kohlenwasserstoff hofft man diesen Wert langfristig zu erreichen aber bislang liegen modernste Versuchssysteme eher bei ca. 45% bis 50%. Aus meiner Sicht ist der geringere Wirkungsgrad quasi der Preis, den man für die Speicherung bezahlen muss, ohnedem gehts (bislang) noch nicht. Ich finde das auch nicht so gravierend, da ich natürlich erneuerbare Energien da reinspeichern möchte. Und wenn etwas eh umsonst ist, dann freu ich mich natürlich auch, wenns nur 65% vom theoretischen Optimum sind die ich geschenkt bekomme. Oder anders gesagt: Ich müsste einfach nur meine PV-Anlage um ein Drittel größer dimensionieren um den Wirkungsgradverlust auszugleichen.


ZAC+ im Vergleich mit NiFe:
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In Bezug auf Wirkungsgrad und Ladezyklen siehts bei beiden Systemen ähnlich aus. Wobei der NiFe-Akku den Vorteil hätte, dass er als regulärer Akku daherkäme, demgegenüber die Ausführung der ZAC als Brennstoffzelle plus Recyclingsystem aufwendiger oder sagen wir mal komplexer wäre. In einer Anwendung als Tagesspeicher, wäre der NiFe-Akku damit so gesehen überlegen. Bei einer Anwendung als saisonaler Speicher kommt aber der Vorteil der Brennstoffzelle zum tragen, denn natürlich ist es einfacher 6000KWh Energie in Form von einem Kubikmeter Zinkpulver zu lagern, als sich da 6000 NiFe-Akkus hinzustellen, mal ganz abgesehen von der Selbstentladung bei letzterem.

Aber der wesentliche Hauptvorteil bei der ZAC gegenüber dem NiFe-Akku (und auch dem Blei-Akku) ist die wesentlich einfachere Möglichkeit der Herstellung, insbesondere mit einfacheren Mitteln:

1. Der NiFe-Akku weist eine besondere Struktur auf (sog. Taschenplatten), die eines aufwendigeren industriellen Herstellungsprozesses bedarf.

2. Beim NiFE-Akku muss man mit extrem giftigen Stoffen hantieren (Nickel(III)oxid-hydroxid)

3. Die für ZAC benötigten Stoffe sind überall (für kleines Geld) erhältlich und ungiftig. OK, bis auf die Kalilauge damit sollte man natürlich schon etwas vorsichtig sein, aber selbst wenn man mal nen Spritzer davon auf die Hand bekommt kann man das einfach abspülen und es passiert nix weiter.

OK, soweit diese Kurz-Übersicht. Ich hoffe, die wichtigsten Aspekte sind dabei deutlich geworden.

Gruss,
Oliver
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Re: ZAC+ vs. NiFe und Blei

Beitrag von J.R.I.B. » Mo 11. Nov 2013, 15:17

Klingt überzeugend!

Darüber bin ich letztens gestolpert, was meinst du dazu - ist das noch aktuell? (Hier wurde mit Quecksilber-Batterien verglichen.)
Zinc-Air batteries: "They have been around for a long time. They deliver a voltage that is close enough to that of the mercury battery to be used directly, and this voltage is pretty stable too. Their capacity is high, so there are no problems with this. The big trouble is that these batteries need to be activated before use, and once activated, they last only for a relatively short time before drying out, regardless of whether they are used or not. This time is typically 1 month, which is uncomfortably short for most camera users accustomed to 3 or 5 years of service from a mercury battery. Special zinc-air batteries have appeared, which use less ventilation and thus last longer, up to about three months, which is still short for many applications. But professionals who use their gear a lot may become happy with this solution, specially considering that zinc-air batteries are quite cheap." (Manfred Mornhinweg, http://ludens.cl/Electron/mercreg/mercreg.html)

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Re: ZAC+ vs. NiFe und Blei

Beitrag von case » Di 12. Nov 2013, 02:06

Hi,

der Text bezieht sich auf Zink-Luft-Batterien, also Knopfzellen, die üblicherweise für Hörgeräte verwendet werden.

Es ist zutreffend, das zu deren Aktivierung ein kleiner Klebestreifen entfernt wird, welcher die Luftlöcher für die Sauerstoffzufuhr verschliesst.

Lässt man die Löcher offen entlädt sich die Batterie und mag auch wohl früher oder später austrocknen. Schliesst man sie wieder ist der Entladfungsprozess gestoppt und ebenso der Austrocknungsprozess.

Wenn man zugrundelegt, dass es im Rahmen einer Anwendung für Camcorder den Camcorder-Betreibern nicht zumutbar ist, die Batterie mit einem wieauchimmer gearteten Verschlussmechanismus wieder zu verschliessen, dann ist die Batterie für diese Anwendung ungeeignet. Aber grundsätzlich wärs zumindest von der technischen Seite aus kein Problem.

Ist halt ne Frage der persönlichen Prioritäten. Die nächste Alternative wären wohl Li-Ion-Akkus, die haben ne geringere Kapazität aber ev. nen etwas besseren Wirkungsgrad.

Aber wieauchimmer, die Möglichkeit der Austrockung des Elektrolyten ist für mich relativ unerheblich, da ich mich für eine Zink-Luft-Brennstoffzelle interessiere, bei welcher ja der Elektrolyt ständig regeneriert wird. Batterien sind für mich per se uninteressant und bei (Zink-Luft)-Akkus ist die Zahl der Wiederaufladungszyklen bislang noch zu gering. Die Fa. Eos behauptet, schon über 2000 Ladezyklen hinzubekommen und sie möchten das noch auf 10.000 Zyklen ausdehnen. Bei 10000 fängts an interessant zu werden, aber bislang sind noch nicht mal die mit 2000 irgendwo käuflich.
Demgegenüber hätte iene Brennstoffzelle unendlich viele Ladezyklen, zumindest vom Prinzip her, allerdings wäre hierbei die Lebensdauer bzw. die mögliche Anzahl an Betriebsstunden der Gaskathode zunächst ein limitierender Faktor. Der allerdings in ökonomischer Hinsicht keine Rolle spielt, sofern man die Gaskathode selbst herstellen kann, was zwar sicherlich nicht ganz einfach, aber auch nicht unmöglich sein dürfte.

Gruss, Oliver
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Re: ZAC+ vs. NiFe und Blei

Beitrag von J.R.I.B. » Fr 30. Dez 2016, 11:59

If silicon finally gets usable as electrodes for Li-Ion batteries, then a full electromagnetic vehicle set gets possible, because capacity can be increased 6 fold as is said by Prof. Ballauff in the following article::
http://phys.org/news/2016-08-lithium-io ... acity.html

Full electric vehicles often have a reach of less than 100 Km currently. Then we had 600 Km for the same battery size. wow.
2300 mAh/g = 2300 Ah / Kg energy density. Oliver is this comparable to your most recent knowledge of ZAC+ fuel cell? Still ZAC+ sounds very promising due to regeneration and DIY ccharacter + cheap materials. Storing powder also is epic when it is dry.

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Re: ZAC+ vs. NiFe und Blei

Beitrag von case » Fr 30. Dez 2016, 18:49

Hi,

also bei Zink-Luft liegt das theoretische Maximum bei 1300 Wh/kg, das dürfte ungefähr der Hälfte entsprechen. Aber von allen bereits verfügbaren Systemen hat Zink-Luft damit mit Abstand die höchste Energiedichte, rund 30 mal soviel wie Blei und 3 bis 6 mal soviel wie marktübliche Li-Ion-Akkus.

Darum ist auch die Autoindustrie hochgradig an Zink-Luft interessiert, wohingegen mich eher der Aspekt der saisonalen Langzeitspeicherung und die gute Verfügbarkeit und Ungiftigkeit der Materialien interessiert, d.h. bei einer stationären Anwendung kann mir die Energiedichte eigentlich schnuppe sein ... aber es ist natürlich dennoch nice-to-have ;)

Dazu vielleicht auch noch ganz interessant: http://makeable.de/blog/?p=660


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