13.05.2016

Energiespeicher für Industrie und Intralogistik

Hybridlösung ersetzt Batterien und Kondensatoren

Zur Energiewende gehört auch die effiziente Energiespeicherung. Doch noch gibt es keinen passenden Speicher für die Industrie, um Energie dauerhaft, schnell und in ausreichenden Mengen zu speichern. Die Lösung wäre ein Hybridspeicher, der die ergänzenden Eigenschaften von Batterien und Kondensatoren vereint.


Die Hybridspeicher Powercaps könnten eine Lösung für die effiziente Energiespeicherung sein.
Bild: © Competence E, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Die Weiterentwicklung von Hybridspeichern treibt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und seine Partner vom Land Baden-Württemberg mit dem durch 25 Millionen Euro geförderten Projekt FastStorage BW II voran. "Ressourcen effizient zu nutzen, erfordert auch die Rückgewinnung von Energie", so Projektkoordinator Dr. Kevin Stella vom KIT. "Dafür wollen wir die passenden Speicher bereitstellen." Bisher wird elektrische Energie hauptsächlich in Batterien oder Kondensatoren gespeichert. Aber für viele Anwendungen in der Industrie sind beide nicht gut geeignet: Eine Batterie ist in der Lage, viel Energie aufzunehmen und lange zu speichern, benötigt aber lange Ladezeiten, hat eine begrenzte Lebensdauer und die Zahl der Ladezyklen ist begrenzt. Ein Kondensator nimmt Energie schnell auf und ist langlebig, hat aber nicht die Speicherkapazität und -dauer einer Batterie. Das Projekt FastStorage BW II versucht nun eine passende Lösung zu entwickeln: ein Hybridsystem, das die Stärken beider Energiespeicher vereint.

Aufbau des Hybridspeichers

Aufgebaut sind die Hybridspeicher, auch Powercaps oder Hybridkondensatoren genannt, aus zwei großflächigen Elektroden. Anders als bei herkömmlichen Kondensatoren sind die Elektroden nicht identisch aufgebaut und statt einem Dielektrikum erstreckt sich zwischen ihnen ein Elektrolyt, der positive Ionen zur Verfügung stellt. Ähnlich wie bei einer Batterie besteht eine Elektrode, an der ein Redoxprozess stattfindet, aus Metalloxiden. Die zweite Elektrode ist wie bei einem Kondensator aus Kohlenstoffmaterial aufgebaut. Anders als in einer Batterie wird Energie aber nicht in einer chemischen Reaktion, sondern im elektrischen Feld zwischen positiven Ionen und Elektronen gespeichert. Die redoxaktiven Materialien im Kondensator vergrößern die effektive Betriebsspannung und die elektrische Felddichte, woraus direkt ein überproportionaler Anstieg der Speicherkapazität des Kondensators folgt. Powercaps können etwa doppelt so viel Energie wie klassische Kondensatoren speichern und gleichzeitig theoretisch bis zu zehnmal mehr elektrische Leistung bereitstellen wie eine Batterie.

Lösung zur Energierückgewinnung

Das KIT entwickelt, baut und testet die Speicherprototypen, die aus Powercap-Zellen bestehen. Die Mitarbeiter untersuchen, wie sich die Speichermodule per Roboter teilautomatisch verschweißen und dabei Produktionsparameter und Prozessgeschwindigkeit verbessern lassen. Ein passendes Gehäusedesign ist geplant, das eine homogene Zellbelastung und ausreichende Kühlung gewährleistet. Von zentraler Bedeutung wird die Entwicklung einer angemessenen elektronischen Betriebssteuerung sein, die den sicheren und ökonomischen Betrieb des Moduls überwacht. Hier bauen die KIT-Forscher auf ihre Erfahrungen mit Batterie-Management-Systemen auf. Die ersten Prototypen wollen die Forscher in der Intralogistik testen, etwa bei elektrisch betriebenen Regalbediengeräten, Gabelstaplern oder autonomen Transportsystemen in Hochregallagern oder Produktionshallen. "Bei jeder Hebe- oder Bremsbewegung kann Energie zurückgewonnen und im Powercap gespeichert werden", so Thorsten Grün vom KIT, der Experte für Verschaltungstopologien im Projektteam. Hier könnten die Powercaps Lösungen zur Energie-Rückgewinnung effizienter oder überhaupt erst möglich machen. Gleichzeitig würden sie durch verkürzte Ladezeiten die Verfügbarkeit netzunabhängiger elektrischer Transporthelfer erhöhen.

Einsatzgebiet der Powercaps

Das Einsatzgebiet der Powercaps erstreckt sich über alle Tätigkeitsfelder, in denen ein ungleichmäßiger Strombedarf zu decken ist. Sie lassen sich z.B. für unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder auch zur Frequenzregulierung im Stromnetz einsetzen. Zusätzlich könnten sie von großem Interesse für produzierende Unternehmen mit hohem Strombedarf sein, da sich so teure Lastspitzen durch die Pufferung des Strombezugs reduzieren lassen. "Neben dem Nachweis der technologischen Machbarkeit steht in dem Projekt auch die Wirtschaftlichkeit dieser Hybridlösungen im Fokus", erklärt Olaf Wollersheim, der das Projekt Competence E am KIT leitet. "So achten wir auf den Einsatz kostengünstiger und umweltschonender Materialien und Verarbeitungsprozesse." Mit den Powercaps soll ein signifikanter Beitrag zum Wissen über Energiespeicherzellen geleistet werden, der durch den steigenden Energiebedarf und durch die Versorgungsschwankungen im Sektor der erneuerbaren Energien Notwendigkeit besitzt. So lassen sich möglicherweise neue Wege in der Speicherung von elektrischer Energie beschreiten.

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Das Nachfolgeprojekt

Als Nachfolgeprojekt von FastStorage BW I, in dem die Forscher eine Marktanalyse zum Potenzial und den Einsatzmöglichkeiten von Powercaps durchführten, soll in FastStorage BW II der Grundstein für eine serielle Fertigungsanlage für Powercaps in Baden-Württemberg gelegt werden. Das Projekt wird vom Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg mit insgesamt 25 Millionen Euro gefördert und vom Fraunhofer IPA in Stuttgart koordiniert. Neben dem KIT sind Varta Microbattery, SEW-Eurodrive, Viastore, das Fraunhofer ICT, ISW, EEP und ZSW, Freudenberg, IFSW, Festool, Daimler und Porsche als Projektpartner beteiligt. Das Projekt Competence E vereint wirtschaftliche Forschungsaspekte vom Batteriematerial bis zum elektrischen Speichersystem. Mit einer offenen Plattform für elektrische Energiespeicher zielt der systemische Ansatz auf industriell anwendbare Lösungen und deren Produktionsverfahren. Damit setzen die Forscher einen Schritt in Richtung Energiewende und Klimaschutzziele um: eine erhöhte Speicherfähigkeit für stationäre Speicher zum Ausgleich der Fluktuation von erneuerbaren Energien sowie eine Verlängerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen.

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