TU Darmstadt / ULB / TUprints

Entwicklung eines elektrischen Energiespeichers zur Integration in Carbonbeton

Krois, Konrad (2021):
Entwicklung eines elektrischen Energiespeichers zur Integration in Carbonbeton. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019790,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text (PDF)
20211029_Dissertation_Krois.pdf
Available under CC-BY-SA 4.0 International - Creative Commons, Attribution ShareAlike.

Download (6MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Entwicklung eines elektrischen Energiespeichers zur Integration in Carbonbeton
Language: German
Abstract:

Zum Gelingen der Energiewende, hin zu einer auf erneuerbaren Energien beruhenden Stromversorgung, werden nachhaltige, leistungsfähige Energiespeicherkonzepte benötigt. Superkondensatoren stellen derartige elektrische Energiespeicher dar. Sie weisen eine hohe Leistungsdichte sowie lange Lebensdauer auf und können zudem vollständig aus nachhaltigen Materialien aufgebaut werden. Allerdings verhindert ihre geringe Energiedichte den weit verbreiteten Einsatz. Um dem zu begegnen, wird als Ansatz eine Integration in Carbonbeton verfolgt. Die Verwendung von Carbon als Bewehrungsmaterial erlaubt es zusätzliches Raumvolumen für die elektrische Energiespeicherung nutzbar zu machen und so die niedrige Energiedichte von Superkondensatoren auszugleichen. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines leistungsfähigen und langzeitstabilen Superkondensator-Energiespeichers, basierend auf nachhaltigen und kostengünstigen Rohstoffen, für die volumenoptimale Integration in Carbonbeton. Dies geschieht in drei Schritten: Der Festlegung des Integrationskonzeptes der Speicherzellen in den Carbonbeton; der Identifikation aktiver Zellkomponenten für Superkondensator-Energiespeicher und der Auswahl der passiven Zellkomponenten, sowie der Bestimmung der Leistungsdaten der Speicherzelle. Die Integration mittels eines Kassettenkonzeptes, bei dem die Zellen nachträglich in Hohlräume im Betonbauteil eingebracht werden, stellt sich als der sinnvollste Weg heraus, eine Integration von Superkondensatoren in Carbonbeton zu realisieren. Eine Kontaktierung der Zellen über die Carbonbewehrung wurde ebenfalls betrachtet und wird aus technischer und wirtschaftlicher Sicht als nicht erstrebenswert erachtet. Eine geeignete Aktivmaterial-/Elektrolyt-Kombination für einen gebäudeintegrierten Superkondensatorspeicher konnte aus kommerziellen Aktivkohlen und günstigen wässrigen Elektrolyten identifiziert werden. Darüber hinaus wird die Steigerung der Energiedichte mittels der Additivierung durch Redoxelektrolyte, sowie der Optimierung der Spannungsgrenzen gezeigt. Durch die Auswahl eines geeigneten Stromkollektors und Separators wird die Leistungsfähigkeit der Zelle weiter optimiert, was anhand der Leistungsdaten und Langzeitstabilität bestätigt wird. Eine Skalierung dieser Zelle auf bis zu 100 F Zellkapazität erfolgt durch einen Multielektrodenaufbau. Eine Kostenabschätzung zeigt, dass der entwickelte Energiespeicher, unter der Randbedingung eines bauteilintegrierten Energiespeichers und verglichen mit kommerziellen Superkondensatoren eine hohe Wirtschaftlichkeit sowie günstigere Energiekosten gegenüber dem Stand der Technik aufweist. Das neuentwickelte Speichersystem stellt eine attraktive, ökonomische und ökologische Ergänzung zu bereits verfügbaren Speicherlösungen dar. Insbesondere wenn hohe Volumina für die Energiespeicher zur Verfügung stehen und simultan ein hoher Anspruch an Langzeitstabilität, sowie Energie- und Leistungsmenge gestellt wird.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Sustainable, high-performance energy storage concepts are required for the success of the transition towards a power generation based on renewable energies. Supercapacitors are such powerful electrical energy storage devices. They have a high-power density and a long service life and can also be made entirely from sustainable materials. However, their low energy density prevents their widespread application. To circumvent this shortcoming, the approach followed is integration in carbon concrete. The use of carbon as reinforcement material allows additional volume to be utilized for electrical energy storage and thus compensates for the low energy density of supercapacitors. The aim of this work is the development of a powerful and long-term stable supercapacitor energy storage system, based on sustainable and inexpensive raw materials, for volume-optimal integration in carbon concrete. This takes place in three steps: The determination of the integration concept of the storage cells in the carbon concrete; the identification of active cell components for supercapacitor energy storage and the selection of passive cell components, as well as the determination of the performance data of the storage cell. The integration by means of a coffer concept, in which the cells are subsequently inserted into cavities in the concrete structure, turns out to be the most sensible way of integrating supercapacitors into carbon concrete. Contacting the cells via the carbon reinforcement was considered but is deemed to be undesirable from a technical and economic point of view. A suitable active material/electrolyte combination for a structure-integrated supercapacitor storage system has been identified from commercial activated carbons and inexpensive aqueous electrolytes. In addition, the increase in energy density by means of additives using redox electrolytes and the optimization of the voltage limits was shown. By selecting a fitting current collector and separator, the performance of the cell was further optimized, which was confirmed based on the performance data and long-term stability. This cell was scaled then to a cell capacitance of up to 100 F by utilizing a multi-electrode approach. Finally, a cost estimate shows that the developed energy storage is highly economic and poses lower energy costs compared to the state-of-the-art commercial supercapacitors – under the boundary condition of a component-integrated energy storage. The newly developed storage system represents an attractive, economical, and ecological addition to already available storage solutions. Particularly when high volumes are available for the energy storage and, at the same time, high demands are placed on long-term stability, as well as energy and power capability.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: ix, 167, A-8 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 07 Department of Chemistry > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie I
Date Deposited: 01 Nov 2021 13:17
Last Modified: 01 Nov 2021 13:18
DOI: 10.26083/tuprints-00019790
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197907
Referees: Etzold, Prof. Dr. Bastian J. M. ; Andrieu-Brunsen, Prof. Dr. Annette
Refereed: 25 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19790
Export:
Actions (login required)
View Item View Item