Hybridzellen

Neue Speichertechnologie zur effizienten Energierückgewinnung

| Redakteur: Katharina Juschkat

Die neuen Power Caps, hier in Einzelzellen und Modulen, soll bei einer bessere Energierückgewinnung helfen.
Die neuen Power Caps, hier in Einzelzellen und Modulen, soll bei einer bessere Energierückgewinnung helfen. (Bild: Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez)

Um Energie häufiger zu nutzen, fehlt es bisher an den nötigen Speicherlösungen. Ein Projekt aus Forschung und Industrie hat deshalb einen Hybridspeicher entwickelt, der auch serienfertig hergestellt werden kann.

Zur effizienten Energienutzung gehört auch, bereits einmal eingesetzte Energie möglichst oft zu nutzen. Energierückgewinnung ist ein Schlüssel dazu. Für die mehrfache Nutzung einmal eingesetzter Energie sind Energiespeicher erforderlich, die Energie schnell aufnehmen und bereitstellen können sowie über eine große Anzahl von Lade- und Entladezyklen verfügen.

Diese Anforderungen sind bisher auf zwei verschiedene Energiespeicher verteilt: Batterien können viel Energie aufnehmen, brauchen aber relativ viel Zeit zum Laden – Kondensatoren hingegen sind in der Lage, Ladungen sehr schnell aufzunehmen und wieder abzugeben, können Energie aber nicht sehr lange halten. Außerdem reicht ihre Speicherkapazität nicht aus.

Sogenannte „Power Caps“ sollen jetzt die Vorteile von Batterie und Kondensator vereinen. Der neue Hybridspeicher entwickelte das Gemeinschaftsprojekt „Fast Storage BW II“. „Wir wollten einen Hybridspeicher entwickeln, der die Eigenschaften von Kondensator und Batterie kombiniert. Dazu mussten wir Musterzellen in hoher Qualität herstellen“, erklärt Projektleiter Peter Kitzler vom Fraunhofer IPA.

Demonstratoren testen neue Hybridzelle

Die Wissenschaftler setzten die entwickelten Hybridzellen in drei unterschiedlichen Demonstratorsystemen ein und prüften ihre Tauglichkeit ausführlich im Rahmen von Feldversuchen. Dazu wurden Module inklusive eines Batteriemanagementsystems entwickelt und in die Demonstratoren integriert. Als geeignete Anwendungen wählten die Experten Regalbediengeräte und fahrerlose Transportsysteme aus der Intralogistik sowie die Bordnetzstabilisierung aus dem Automotivebereich.

Neben der klassischen Produkt- und Prozessentwicklung wurden auch mögliche Materialien für spätere Produktgenerationen, neue Konzepte für die Elektrodenherstellung und ein bipolares Zellkonzept untersucht. Ein weiterer Fokus lag auf dem Einsatz kostengünstiger und umweltschonender Elektrodenmaterialen sowie deren Verarbeitungsprozessen.

Die wichtigsten Ergebnisse im Einzelnen

Das Team entwickelte zwei für Hochstrom optimierte Projektzellen, die HVC-32600 mit 5 Ah und die HVC- 32900 mit 9 Ah. Dabei reduzierte man den Innenwiderstand auf kleiner 2 mΩ und ermöglichte die konstante Ladung der Zelle mit Strömen bis zu 100 A. Die Zellen erreichen spezifische Energie- und Leistungsdichten von 30 Wh/kg und 1,3 kW/kg für den Typ HVC-32600 und von 49 Wh/kg und 1,9 kW/kg für den Typ HVC-32900.

Das Projektteam entwickelte ein Clusterkonzept für die dezentrale, aber vernetzte Produktion von Rundzellen auf einer automatisierten Versuchslinie. Einzelne Fertigungsstationen wurden exemplarisch umgesetzt und digital vernetzt. Die Cluster-Fertigung ermöglicht die flexible Produktion von Kleinserien mit reproduzierbarer Fertigungsqualität.

Die Module wurden umfangreichen Sicherheitstests unterzogen und bei den Partnern in ein Regalbediengerät und ein fahrerloses Transportsystem (FTS) eingebaut. Im Regalbediengerät konnte laut dem Projektteam das Potenzial der Energierückgewinnung sowie die Glättung von Lastspitzen gezeigt werden. Die Reichweite des FTS steigerte sich mit den PowerCaps im Vergleich zu Superkondensatormodulen erheblich.

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