Technologie

GroNaS-Energiewandlerzelle

Schnitt durch einen Verbund von GroNaS-Energiewandlerzellen

Das Schlüsselelemente der GroNaS-Technologie besteht in unserem patentierten Energiewandler.
Eine Energiewandlerzelle des GroNaS-Designs hat die Form einer flachen runden Scheibe. Diese Auslegung der Zelle erlaubt es, den gesamten Energiewandler als Zellenstapel zu gestalten und die Kontaktierungen beider Elektroden als gemeinsame Bipolarplatte auszuführen.

Die Räume für die positive Elektrode sind miteinander vekettet. Im Energieabgabebetrieb wird Schwefel in die unterste Zelle des Stapels eingespeist und das Reaktionsprodukt (Natriumsulfide) verlässt die oberste Zelle. Im Energieaufnahmebetrieb ist die Strömungsrichtung umgekehrt. Der flüssiges Natrium enthaltende Raum für die negative Elektrode einer jeden Energiewandlerzelle hat einen Anschluss für die Zu- oder Ableitung von Natrium. Jede Verbindungsleitung zum gemeinsamen Natrium-Tank führt zunächst in eine einfache, gleichfalls zum Patent angemeldete Einrichtung, die flüssiges Natrium durchlässt, ohne das dadurch eine elektrische Verbindung entsteht. Sie dient der Getrennthaltung der elektrischen Potenziale, ohne die eine Reihenschaltung und somit die Erzeugung einer ausreichenden Spannung nicht möglich wäre.

Im neusten Aufbau ist die Festelektrolytmembran nicht mehr als ebenes Bauteil, sondern als Feld vieler Röhrchen ausgeführt. Dadurch konnte die aktive Membranfläche deutlich gesteigert werden. Eine GroNaS-Energiewandlerzelle nach dem aktuellen Design ermöglicht die hundertfache Leistung von konventionellen Natrium-Schwefel-Akkuzellen.

▷ Durchmesser: 0,8 -1,2 m ▷ Höhe: 6-12cm
▷ Spannung: 2 V
▷ Leistung: 10 – 20 kW

Eine GroNaS-Energiewandlerzelle besteht, inklusive der Einrichtung zur Potenzialtrennung, nur aus ca. 12 unbewegten, einfachen Metall- und Keramikteilen sowie einem keramischen Verbund aus Membranträgerplatte und ca. 300 Membranhülsen. Die Metallteile können konventionell gefertigt werden. Auch für die Membranhülsen gibt es eine etablierte Fertigungstechnologie, jedoch müssen bestehende Produktionsanlagen für ähnliche Hülsen aus gewöhnlichen keramischen Materialien an den Spezialwerkstoff Natrium-β-aluminat angepasst werden. Alle Membranhülsen werden gemeinsam in einem Arbeitsschritt mit der Trägerplatte verbunden.

Die Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Na-S-Akkuzellen ergibt sich aus der Kombination zweier Effekte:

▷  Vergrößerung der Festelektrolytmembranfläche (Leistungssteigerung ca. um den Faktor 20).
▷  Ausnutzen einer höheren Stromdichte. Möglich wird dies, weil die Na2S2-Kristallbildung in Folge der erzwungenen Strömung durch den Raum für die positive Elektrode unterbleibt. (Leistungssteigerung um den Faktor 2). Wegen der gesteigerten Leistung einer Energiewandlerzelle und ihrer unkomplizierten Bauweise müssen für für die Energiewandlerfunktion im Speicherwerk weit weniger Bauteile produziert und montiert werden, als bei einem Design des Speicherwerks als Batterie von herkömmlichen, kleinen Akkuzellen.

▷ herkömmliche Na-S-Speichertechnologie: ca. 35000 Bauteile/MWi
▷ GroNaS-Technologie: ca. 1200 Bauteile/MWi


GroNaS-Energiewandlerkaskade

Energiewandlerkaskade

Eine einzelne Energiewandlerzelle stellt nur eine Spannung von 2 V bereit. Um einen Wechselrichter betreiben zu können, braucht man aber ein Vielfaches davon. Deshalb wird eine stapelförmige Kaskade aus ca. 100 Zellen gebildet. Die Energiewandlerzellen sind dabei elektrisch und strömungstechnisch in Reihe geschaltet. Die stapelförmige Anordnung von Energiewandlern mit Bipolarplatten hat den Vorteil, dass der elektrische Widerstand zwischen den Energiewandlern wegen der kurzen Abstände minimal wird. Des weiteren entsteht so kein Fertigungsaufwand für die Herstellung widerstandsarmer elektrischer Verbindungen (durch die Kaskade fließt ein Strom von bis zu 10000 A – dafür wären sonst aufwändige elektrische Kontakte notwendig).

▷ Höhe: 10-20m
▷ Durchmesser: 2 – 3 m
▷ Spannung: ca. 200 V
▷ Leistung: ca. 2 MW
▷ Einspeisedruck Schwefel/Natriumsulfide: < 5 bar
▷ Natrium-Druck: < 6 bar

Im Energieentnahmebetrieb wird die Kaskade mit Schwefel gespeist. Die Flüssigkeit durchströmt nachfolgend alle Energiewandler und nimmt dabei Natrium auf. Der Durchfluss durch die Kaskade wird so gesteuert, dass am Ende der vollständige Umsatz des Energieträgermaterial erfolgt ist und ein 1:1-Gemisch von Na2S4 und Na2S2 die Kaskade verlässt.

Weil flüssiges Natrium selbst ein sehr guter elektrischer Leiter ist, können die Energiewandler nicht aus einer gemeinsamen Leitung mit Natrium versorgt werden. Im Maschinenhaus, am Kopf der Kaskade befindet sich deshalb eine Einrichtung zur Potenzialtrennung. Von ihr führt zu jeder der scheibenförmigen Energiewandlerzellen eine Leitung für flüssiges Natrium. Es werden nur dünnwandige Röhren von geringem Durchmesser benötigt, denn es herrscht dabei nur ein Druck von höchstens 10 bar, und die Fördergeschwindigkeit von Natrium liegt nur bei ca. einem Kubikzentimeter pro Sekunde.

Im Energieaufnahmebetrieb erfolgt, unter Umkehr der Strömungsrichtung, der Rückumwandlung von Natriumsulfiden in Schwefel.

Die Energiewandlerkaskaden werden in Betonröhren, welche in die Erde gesenkt sind, gestellt. Zur Erhöhung der Brandsicherheit (im Falle eines Lecks in einer der Natrium-Versorgungsleitungen) kann der verbleibende Raum zwischen der Wand der Betonröhre und der Kaskade mit Sand gefüllt werden.


GroNaS-Speicherwerk

GroNaS-Speicherwerk für Elektroenergie

Ein GroNaS-Speicherwerk besteht im Wesentlichen aus zwei wärmeisolierten Tanks und einem Maschinenhaus (M). Im Maschinenhaus befinden sich die Energiewandlerkaskaden (W) und elektrische und chemisch-verfahrenstechnische Funktionseinheiten. Des weiteren gehören noch eine Schutzgasanlage (G), eine Kühleinrichtung (K), ein Hochspannungsfeld mit Transformator (T) und Schalteinrichtungen sowie den Steuerungs- und Kommunikationseinrichtungen zum Speicherwerk.

Die Abbildung zeigt eine besonders sichere Variante mit im Boden versenkten Vorratstanks für Natrium und Schwefel. Neueren Erkenntnissen zu Folge kann ein gleichwertiges, geringes Gefahrenpotenzial auch mit oberirdischen Tanks erreicht werden. Die Baukosten wären in diesem Fall deutlich geringer. Ein Tank ist für flüssiges Natrium vorgesehen. Er ist voll, wenn das Speicherwerk mit der maximalen Energie geladen ist und leer, wenn das Speicherwerk die gesamte Energie abgegeben hat. Im Energieabgabebetrieb wird Natrium zu den Energiewandlerkaskaden gepumpt. Beim Energieaufnahmebetrieb bildet sich Natrium in den Energiewandlern und wird zurück in den Tank gefördert.

Der zweite Tank enthält Schwefel, wenn Energie im Speicherwerk gespeichert ist und Natriumsulfide, wenn die Energie abgegeben wurde. Zur Energieerzeugung wird Schwefel im oberen Bereich des Tanks entnommen und durch die Energiewandlerkaskaden gepumpt. Dabei wandelt er sich unter Aufnahme von Natrium, in Natriumsulfide um. Nach Verlassen der Kaskade werden die Natriumsulfide unten in den selben Tank eingespeist, aus dem der Schwefel entnommen wurde. Dieser Tank ist also gleichzeitig der Vorratsbehälter für die energiereiche und die energiearme Form der positiven Elektrode. Das ist möglich, weil Schwefel und Natriumsulfide nicht mischbar sind, so wie Öl und Wasser. Unten im Tank befindet sich das Natriumsulfidgemisch mit der größeren und darüber der Schwefel mit der kleineren Dichte.

Eine Kühleinrichtung für die Energieträgermaterialien ist erforderlich, weil in den Energiewandlern mehr Abfallwärme entsteht, als zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur benötigt wird.