Transcript Stromspeichertechnologien

Stromspeichertechnologien
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Definition:
Als Stromspeicher werden Energiespeicher bezeichnet, in die durch
Stromfluß elektrische Energie über einen Energiewandler in einer
anderen Energieform eingeladen wird. Die Entnahme erfolgt über den
gleichen oder einen anderen Wandler durch elektrischen Strom.
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Benennung auch Sekundärspeicher, da Primärspeicher Kohlenwasserstoffe und Kernbrennstoffe
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Direkte Speicherung von elektrischer Energie nur in Kondensatoren und
Magneten
Bei indirekter Speicherung durch Wirkungsgrad des Wandlers teilweise
hohe Verluste
•
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Stromspeichertechnologien
Stromspeichertechnologien
Stromspeicher : Speicherarten, Möglichkeiten der Energiewandlung und die
Energieform der Speicherung
Energieform
Wandler
Laden
Entladen
elektrische
-
-
elektrische
-
-
potentielle
Pumpe
Wasserturbine
Wasserturbine mit
Umkehrbetrieb
Speicher
Gesamtwirkungsgrad %
Spez. Speicherfähigkeit* kWh/m³
Kondensator
supraleitender
Magnet
> 90
0,3
80 – 90
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Hydraulischer
Pumpspeicher
70 – 80
0,5 – 0,8 ²* (300bar)
Pneumatische
Verdichter
Gasturbine
Druckluftspeicher
65 – 70
5 – 8²* (60 bar)
Kinetische
Motor
Generator
Schwungradspeicher
70
50 - 100
Batteriespeicher
Wasserstoffsp.
65 – 80
30 – 50
30 – 100
100 – 120²* 40 bar
Chemisch
gebunden
Batteriestromrichter
Elektrolyse Brennstoffzelle
aus: VDI Lexikon Energietechnik
*Abhängig von Konstruktion und Auslegung
²* druckabhängig
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Stromspeichertechnologien
Stromspeichertechnologien
Aufgrund der Verluste erscheint Stromspeicherung nur sinnvoll bei Überproduktion
in abnahmeschwachen Zeiten und Preisdifferenz zwischen Überschuß- und
Spitzenlastzeiten
- Früher: Grundlastproduktion der
Speicher luden regelmäßig nachts
konventionellen Kraftwerke auch
nachts, erzeugten billigen
Überschußstrom
Ergänzung der Spitzenlast
tagsüber
- Heute : Unregelmäßige Strom-
produktion durch Wind - und
Solarenergie
Speicher entluden tagsüber fast
regelmäßig
Speicher be - und entladen
unregelmäßig
Erneuerbare Energien erfordern Mehraufwand in Aufbau und Regelung
von Stromspeichern
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Stromspeichertechnologien
Pumpspeicherkraftwerke
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Definition:
Pumpspeicherkraftwerke sind Wasserkraftwerke, die auf dem Prinzip der
Pumpspeicherung beruhten, d.h. deren Speichervorrat ganz oder teilweise
durch Pumpen bereitgestellt wird.
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Unterscheidung „reine“ und „gemischte“ Pumpspeicherwerke,
– „reine“ füllen ihren Wasservorrat ausschließlich durch Pumpen,
– „gemischte“ haben auch noch einen natürlichen Zufluß
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Geschichte: Pumpspeicherwerke in Deutschland seit 1926 ( Gesamt 600
MW) weltweiter Aufschwung seit 1950 in Ergänzung zu thermischen
Grundlastkraftwerken
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Vorraussetzungen für den Bau :
– Geländebedingungen – Grundfläche und Höhendifferenz,
– und sonst noch Wasser, Klima und Nähe zum Leitungsnetz müssen
.vorhanden / gegeben sein
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Baugröße : 67,5 MW (Österreich) bis
•
Entwicklung - Wirkungsgradsteigerung : 70% (1932)
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2 100 MW (USA)
Stromspeichertechnologien
82 % (2004)
Pumpspeicherkraftwerke
Pumpspeicherwerk Herdecke:
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(1) Hengsteysee (Unterbecken)
(2) Speichersee (Oberbecken)
(3)alte Druckleitung
(4) altes Maschinenhaus
(5) neu: unterirdischer Druckstollen
mit Maschinenhaus
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Besonderheiten: Unterbecken
natürlich, Alt- und Neuanlage direkt
nebeneinander
Neuanlage: 150 MW
•
Quelle: www.udo-leuschner.de
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Stromspeichertechnologien
Pumpspeicherkraftwerke
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Insgesamt in Deutschland: 33 Pumpspeicherwerke mit 6797 MW
Weltweit :
280 Pumpspeicherkraftwerke mit ca.50 000 - 82 000 MW
(Stand 10/2004 ,MW von privater Seite)
Zu den größten zählten 2004:
Anlage
Leistung in MW
Anlage
Leistung in MW
Bath Country / USA
2 100
Shin Tovone / J
1 125
Ludingtow / USA
1 755
Vianden / Luxemburg
1 080
Dinorwig / UK
1 620
Goldisthal / G
1 060
Raccoon/USA
1 600
Markersbach / G
1 050
Shi Takase-gawa /J
1 280
Roncovalgrande / I
1 024
Gr. Maison / F
1 224
Coo / B
1 015
Oku-Yoshino / J
1 212
Edolo / I
1 000
Zagorsk/ehe. UdSSR
1 200
Drakensberg / SouthA
1 000
Piastra / Italien
1 280
Montezic / F
900
Quelle : VDI –Lexikon Energietechnik
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Pumpspeicherkraftwerke
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Technische Vorteile:
– Beliebig lange Vorhaltezeit, da kein Speicherverlust
– Schnelle Ein- und Umschaltzeiten (45 s bis 72 s)
– Augenblicksreserve
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Zukünftig :
- In Deutschland kaum noch freie Geländekapazitäten, nur Modernisierung
- Weltweit weiterer Neubau, wo Kapital und Gelände gegeben
•
Probleme:
- Ökologische Probleme beim Neubau durch Stauwehr und neuangelegte
Becken
- Akzeptanszprobleme in der Bevölkerung
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Druckluftspeicher – Hybridtechnik •
Definition:
Das Druckluftspeicherkraftwerk korrekter: Druckluftspeicher-GasturbinenKraftwerk ist ein Spitzenlastkraftwerk, das aus Gasturbinenanlagen
besteht, bei denen Verdichter und Turbine unabhängig voneinander und
damit zeitlich getrennt betrieben werden, und Speichern für verdichtete Luft.
•
Neue Technologie, erstes KW 1979 in Huntorf (BRD), seitdem nur noch
1991 McIntosh (USA) englische Bennenung : Compressed Air Energy
Storage CAES
•
Beides Hybridwerke:
•
Prinzipielle Arbeitsweise wie PumpspeicherKW plus Gasturbine was Baseund Peaklaod angeht
•
im Base: Verbrennungsluft födern, verdichten auf 45 bis 60 bar und im
Peak-laod nutzen der Verbrennungsluft in Gas- oder Öl-Feuerung
•
Anwendung zwecks Wirkungsgradsteigerung des SpitzenlastKWs und
Senkung des Brennstoffverbrauches und CO² Ausstoßes um 40 – 60 %
plus Augenblicksreserve des Luftspeichers
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Druckluftspeicher
Quelle: Deutsche
Energie Agentur GmbH
Konzept einer CAES – Anlage im Verbund mit einem Windpark
Adiabate
CAES –
Anlage
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Druckluftspeicher – Hybridtechnik •
Baubedingungen:
- In der Nähe von Grundlastkraftwerken oder Wind- und Solaranlagen
- Vorhandensein unterirdischer Speicher z.B. Salzkavernen von Vorteil
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Daten KW Huntorf : Turbinenbetrieb
Kompressorbetrieb
290 MW über 2 h
60 MW über 8 h
•
Daten KW McIntosh: Turbinenleistung
110 MW über 26 h
•
Zukünftig: Anwendung möglich zwischen Windpark und Netz
Gleichmäßige Regelung zur Direkteinspeisung des Windstroms
(möglich bei Änderung der Gesetze)
•
In Planung:
- EnBW in Deutschland an der Nordseeküste mit 150 bis 600 MW
- mehrere Anlagen in den USA , die größte in Norton, Ohio mit 2.700 MW
Speicherleistung über 8 Tage entspricht 520.000MWh
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Kondensator
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Definition:
Feldes.
•
Formen: – konventionelle Kondensatoren (physikalische K)
– Supercapacitoren ( neu: elektrochemische K)
•
Supercapacitoren sind Doppelschichtkondensatoren mit Verschiebung von
Elektronen und Massen (Ionen):
– Entnehmbare Leistung > Batterie
– Speicherbare Energie > konventioneller K
•
Nachteile : Benötigter Konverter wegen fallender U(t) Kennlinie
•
Daten:
konv. Kondensator
– Kapazität
100 F
– Energiedichte
0,4 kWh/m³
– Energiespeicherkap.
16 kWh
– Leistungsvermögen
10 MW
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Kondensatoren speichern Energie in Form eines elektrischen
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Supercap
4000 F
10 kWh/m³
40 kWh
100 kW
Kondensatoren - Supercap
Doppelschichtkondensatoren
Elektrolyt zwischen zwei Metallelektroden
Verteilung nach Aufladung
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Supraleitender magnetischer Energiespeicher
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Supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) speichern elektrische
Energie magnetisch in Spulen aus supraleitendem Material.
•
Ausgeführte SMES: konventionelle NbTi-Supraleiter,
tiefgekühlt mit flüssigem Helium (Low-Temperatur)
•
Erste Versuche : SMES mit Hoch-Temperatur-Supraleiter
•
Installation (in einem Sägewerk): SMES (L-T) mit 250 kJ zur kurzzeitigen
Lastanpassung in 2003 vom fzk (Forschungszentrum Karlruhe)
Zugriffszeit 0,02s
•
Versuche mit SMES:
•
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L-T : Leistungsvermögen 1 MW bei
133 kWh Energiespeicherkapazität
Viele Entwicklungsmöglichkeiten
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Supraleitender magnetischer Energiespeicher
SMES – Torus aus 6 Spulen , Leistung 1 MW
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SMES- Anlage von Kyushu Electric Power
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Schwungradspeicher
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Definition:
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Zweck: Glättung kurzzeitiger Last- und Leistungsschwankungen
• Erzielung hoher Leistungsspitzen
• Überbrückung von Unterbrechungen
• Speicherung
• Augenblicksreserve
•
Mobile (Gyrobus 1950) und stationäre Anwendung möglich, letztere kaum
ausgebaut wegen
– Hohem Speicherverlust
– Geringer Energiedichte
– Bis 1980: fehlende Materialentwicklung
•
Aber: Leistungsspitzen möglich ,sowie große Zahl von Lade- und
Entladevorgängen möglich und somit Nischennutzung
•
Bei Weiterentwicklung (Faserverbundstoffe anstatt Stahlrotoren) vielfältige
Möglichkeiten – Fahrzeuge, Glättung, Notstrom, Wissenschaft und
Raumfahrt
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Im Schwungradspeicher wird kinetische Energie gespeichert.
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Schwungradspeicher
Schwungradspeicher im Garchinger
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Daten:
Masse
230 000 kg
max. Energieinhalt 400 kWh
Leistung
Quelle : VDI Lexikon Energietechnik
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bis zu 155 MW ( 10 s)
Batterien
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Definition:
In der Regel versteht man unter Batterien die Kombination
von zwei oder mehreren elektrochemischen Zellen (galvanischen
Elementen) durch Parallel- oder Serienschaltung.
•
Man unterscheidet:
•
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Primärbatterien – zum einmaligen Gebrauch
Sekundärbatterien – Wiederaufladbar
•
Vorteil der Akkumulatoren :
großer Einsatzbereich :
– Stromquellen tragbarer Geräte, Starterbatterien,
Automobilantriebsbatterien ,ortfeste Anlagen für die Notstromversorgung
und Spitzenlastdeckung sowie Inselbetriebsnetzversorgung
•
In Japan sind seit 1995 im „Moonlight Project“ zahlreiche Systeme mit 0,1
bis 6 MW installiert worden.
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In Deutschland 1994 die Batteriereserve im Inselbetrieb in Berlin
abgeschaltet
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Primärbatterien
Sekundärbatterien – auch Akkumulatoren gennant
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Batterien
Alter Batterieraum der
Bewag Berlin -Steglitz
Akkumulatorengebäude in Ohito,Japan
Quelle :VDI Lexikon Energietechnik
Einer von 12 Batterieräumen
Sofortreserveleistung: 17 MW für
20 – 30 min
1994 abgeschaltet
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Quelle: Handbook of Batteries
6 MW / 48 MWh NGK sodium/sulfur
Batteriesystem betrieben seit 1997
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Wasserstoff
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Zwischenspeicherung elektrischer Energie in Wasserstoff als späterer
Brennstoff für Gasakkumulatoren – Brennstoffzellen.
•
Vorteil : a) Brennstoffzelle – Leistung und Kapazität des System
unabhängig voneinander wählbar
• b) Wasserstoffgas – Lagerung direkt als Gas ohne Verlust bei
neuerdings wachsender technischer Realisation
• c) verschiedene Herstellungsverfahren – Technik wählbar nach RB
•
Herstellungsverfahren : Dampfreformierung, Partielle Oxidation, Elektrolyse
von Wasser, aus Biomasse, Kraemer – Verfahren, Thermische Dissoziation
•
Nachteil : noch geringer Wirkungsgrad ca 45 %, aber : viel Forschung
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Stromspeichertechnologien
•
Resümee: Sehr unterschiedliche Technologien entwickelt nach Bedarf in
den letzten 130 Jahren decken ein weites Spektrum ab
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In jedem Lastbereich und für jede Anwendung, ob mobil oder stationär
•
Durch die regenerativen Energiesparten Wind und Solar weiterhin viel
Bedarf
•
In allen Gebieten weiterhin Forschung – teilweise Wirkungsgradsprünge
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Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit !
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Quellenverzeichnis
•
Schaefer, Helmut: „ VDI – Lexikon Energietechnik“, Verein Deutscher Ingenieure,
Düsseldorf VDI-Verlag, 1994
•
Carstens, Jan Hanno; „Aktives Filter mit Energiespeicher zur Anwendung mit
Windenergieanlagen“, 1. Auflage Berlin; Köster, 2002, ( Wissenschaftliche
Schriftenreihe Windenergienutzung, Bd. 3), Zugl.:Berlin, Technische Universität,
Dissertation 2002
•
Die Deutsche Bibliothek – CIP – Einheitsaufnahme; „Energiespeicherung für
elektrische Netze“ : Tagung Gelsenkirchen, 10. und 11. November 1998 / VDI –
Gesellschaft Energietechnik – Düsseldorf; VDI Verlag, 1998 (VDI-Berichte ; 1404)
•
Die Deutsche Bibliothek – CIP – Einheitsaufnahme; „ Entwicklungstrends in der
Energietechnik“ : Vorträge der ETG-Fachtagung anlässlich des VDE – Kongresses `94
am 19. und 20. Oktober 1994 in München / Veranstalter : Energietechnische
Gesellschaft im VDE (ETG). Wiss. Tagungsleitung : Wolfram BOECK _ Berlin;
Offenbach: vde-verlag, 1994 (ETG-Fachberichte ; 54)
•
Haus der Technik – Vortragsveröffentlichungen; „Energiespeicher“ Heft 451,
Herausgeber: E. Steinmetz, Essen : Vulkan-Verlag Dr.W. Classen, 1982
•
Riedel, Peter : „Einsatz supraleitender magnetischer Energiespeicher in der Energieversorgung“ , Fortschrittsbericht, VDI Reihe 6 Nr. 314, Düsseldorf : VDI-Verlag 1994
•
Linden, David ; Reddy, Thomas B.: “Handbook of Batteries“, 3. ed. New York, NY [u.a.]
: McGraw-Hill, 2002
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Quellenverzeichnis
•
Die Deutsche Bibliothek – CIP – Einheitsaufnahme; Winkler, Wolfgang:
„Brennstoffzellenanlagen“, Berlin :Springer, 2002 ( VDI - Buch)
•
Internet:
•
www.electricitystorage.org
•
„www.doc.ic.ac.uk/~mpj01/ise2grp/energystorage_report/storage.html“
•
www.en-o-de.com
•
de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Kraftwerke
•
umweltministerium.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/erneuerbare_energi
en_zahlen.pdf
•
www.fzk.de
•
www.fzk.de/fzk/groups/oea/documents/presseinformationen/id_051940.pdf
•
www.destatis.de/
•
epp.eurostat.ec.europa.eu/
•
epp.eurostat.ec.europa.eu/portal/page?_pageid=1090,30070682,1090_33076
576&_dad=portal&_schema=PORTAL
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Quellenverzeichnis
•
Internet:
•
www.vattenfall.de/bewag
•
politikwiki.de
•
www.bineinfo.de
•
http://www.unisaarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2003H/AKE2003H_Vortraege/AKE20
03H03_Crotogino_CAES_Windausgleich.pdf
•
www.enviam-welt.de/welt/energie_und_wissen
•
www.mygeo.info/statistiken.html
•
www.rwe.com/generator.aspx/rwe-powericw/standorte/wasserkraftwerke/herdecke/language=de/id=8798/herdeckepage.html
•
www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB107-002.htm
•
www.udomi.de/fuelcell/ultracap-basics.html
•
www.verivox.de/News/
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Quellenverzeichnis
•
Internet:
•
www.eglofs.rv.schule-bw.de/energie
•
www.energie-fakten.de
•
Energie1.physik.uni-heidelberg.de
•
www.heise.de/newsticker
•
www.heise.de/tr/artikel
•
www.rosseta.de
•
de.geocities.com/infotaxi/
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Backup
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Batterien
Übersicht über Sekundärbatterietypen – Benennung nach Material
Leistung
Gering
Belastung
Batteriesystem
Anwendungsgebiete
Hoch
NiCd-Akku, ZnHg ,
ZnAg
Radio, Hörgerät, Blitzgerät
Mittel
Pb-Akku, NiCd, CdAg,
Lith, AlMn
Rechner, elekt. Instrumente,
Funkgeräte, Gaswarngeräte
Hoch
Pb-Akku, NiCd,
ZnAg, CdAg, LiPolymer
Notbeleuchtung, tragbare
Werkzeuge, Alarmsysteme
Mittel
Pb-Akku, NiCd, FeNi
Eisenbahn-Signalanlagen, UBoot Antriebe, Gabelstapler
Hoch
Pb-Akku, NiCd, ZnAg,
Weiterentwicklungen :
Flutlicht, Notstrom, E-Mobile,
Starterbatterien für med.
Apparate, Satelliten,
Knopfzellen
Mittel
Tragbare
Batterien
Groß
Stationäre
und
FahrzeugBatterien
sowie
Speicher
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Metall/Luft, Zn/Br,
Na/NiCl, Na/S
Spitzenlastspeicher
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Batterien
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Übersicht über Sekundärbatterietypen – Bennenung nach Material
Leistung
gering
Batteriesystem
NiCd –Nickel-Cadmium-Akku
Anwendungsgebiete
Radio, Hörgeräte, Blitzgeräte
Knopfzellen
Pb-Bleiakku, NiCd - Akku, CdAg –Akku
Tragbare Batterien
Lith, LithIo, AlMn,
Mittel
Belastung hoch:
Groß
Pb-Akku , NiCd , ZnAg , CdAg
Li-Polymer
Belastung mittel: Pb, CdNi, FeNi
Stationäre u.
Fahrzeugbatterien
Belastung hoch: Pb, CdNi, ZnAg und
Weiterentwicklungen wie Metall/Luft ,
ZnBr -Akku, Sodium/Nickel-Chloride
und Sodium/Sulfur-Akku (NaS)
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Rechner, elektr. Instrumente,
Funkgeräte, Gaswarngeräte
Notbeleuchtungen, Alarmsysteme
Tragbare Werkzeuge
Eisenbahn-Signalanlagen,
Unterwasserantriebe, Gabelstapler
Flutlicht, Notstrom,
Starterbatterien für med. Apparate,
Stromversorgung in Satelliten,
E-Mobile, Spitzenlastspeicher
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