Parallel statt in Reihe geschaltet: Lebensdauer von Stromspeichern verlängern

20.11.2019 – Stromspeichern kommt eine zentrale Rolle in der dezentralen Energieerzeugung bei. Die Einspeisung von erneuerbaren Energien führt zu ungleichen Belastungen im Netz. Der Netzbetrieb wird aufwendiger und das Risiko für Störungen erhöht sich mit zunehmenden Netzschwankungen. Stromspeicher können einem Teil solcher Schwankungen entgegenwirken. Die Speicher müssen dazu entsprechend dimensioniert und konfiguriert werden, sodass sie als Regler im Netz eingesetzt werden können. Eine Herausforderung dabei ist der bisherige technische Stand und auch die Lebensdauer der Speicherzellen.

Blick ins Innere eines Pacadu Flex: Ob die Steuerung eines Stromspeichers zu einer langfristig hohen Kapazität beitragen kann, untersuchen die Forscher der Hochschule Offenburg am Enerlab. Foto: ASD Automatic Storage Device GmbH

Bisher sind die Zellen der Batteriespeicher grundsätzlich in Reihe geschaltet. Damit der Speicher in dieser Form betrieben werden kann, müssen die einzelnen Zellen allesamt einige Bedingungen erfüllen, wie Matthias Ruh, Geschäftsführer der ASD Automatic Storage Device GmbH, erklärt. So müssen sie vom gleichen Hersteller und aus der gleichen Produktionscharge stammen, vom gleichen Typ sein, einen identischen Innenwiderstand und Ladezustand haben sowie über einen identischen Gesundheitszustand verfügen. „Die Produktion von solchen zwillingsgleichen Zellen ist aufwendig“, hebt Ruh hervor. Sind die Bedingungen erfüllt, arbeitet ein in Reihe geschaltetes Speichersystem zunächst entsprechend seiner Konfiguration. Die Problematik besteht allerdings darin, dass die einzelnen Zellen des Speichers einem eigenen individuellen Alterungsprozess unterliegen und damit nach und nach unterschiedliche Lade- und Gesundheitszustände erreichen. Dadurch entfernt sich der Speicher bei jedem einzelnen Lade- und Entladevorgang vom Idealzustand und die Nutzkapazität des Gesamtsystems nimmt laufend ab. „Die schwachen oder sogar defekten Zellen bestimmen dann die Gesamtperformance des Stromspeichers“, erklärt Ruh.

Parallel statt in Reihe geschaltet

Das Freiburger Unternehmen ASD hat für seine Stromspeicher daher einen anderen Ansatz gewählt. ASD schaltet die Zellen erstmals durchgängig parallel. „Damit entstehen hohe Freiheitsgrade in der Wahl der Zellen und der Zusammenstellung der Stromspeichersysteme, denn mit unserer Pacadu-Technologie ist es nicht mehr nötig, zwillingsgleiche Zellen mit identischem Lade- und Gesundheitszustand zu verbauen“, berichtet der ASD-Geschäftsführer. Dadurch seien Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Speichersystems nicht länger durch die schwächste Zelle bestimmt.

An der Hochschule Offenburg testen Forscher Energiespeicher im Enerlab 4.0 sowohl live im Labor als auch mithilfe einer Computersimulation. Foto: Hochschule Offenburg

Die Technologie von ASD haben Wissenschaftler, die sich mit der Alterung von Zellen beschäftigen, im Projekt STABIL der Hochschule Offenburg untersucht. Dafür verglichen die Forscher um Prof. Dr. Wolfgang Bessler vom Institut für Energiesystemtechnik einen herkömmlichen, seriell-geschalteten Speicher mit möglichst ähnlichen Zellen und einen Pacadu-gesteuerten Speicher mit Zellen, die eine große Streuung der Kapazität aufwiesen. Vom Ergebnis berichtet Prof. Bessler: „Trotz der schlechteren Ausgangsbedingungen, mit denen der Pacadu-gesteuerte Stromspeicher startete, stellten wir fest, dass sich dies nicht nachteilig ausgewirkt hatte. Beide Speichersysteme, die zwei Jahre lang identisch be- und entladen wurden, verloren etwa in gleichem Maße an Kapazität – sie alterten also in ähnlicher Weise.“

Forschung für Langzeit-Aussagen

Dem STABIL-Projekt folgen nun weitere Untersuchungen zum Alterungsprozess von Stromspeichern. Im Labor Enerlab 4.0 – kurz für „Diagnostische Batterie- und Photovoltaiklabor für Energiefragestellungen der Industrie 4.0 –, das im Juni 2019 an der Hochschule Offenburg eröffnet wurde, wollen Bessler und sein Team herausfinden, wie sich Stromspeicher über Jahre hinweg verhalten und wie die Speichersteuerung zu einer langfristig hohen Kapazität beitragen kann. ASD stellt im Labor unter anderem seine Pacadu-Stromspeicher für die Langzeit-Tests zur Verfügung. Das vom Bund geförderte Enerlab 4.0 testet Lithium-Ionen-Energiespeicher dabei nicht nur live im Labor, sondern auch mithilfe einer Computersimulation.

ASD stellt den Wissenschaftlern seinen Pacadu-Stromspeicher für Langzeit-Tests zur Verfügung. Ziel ist es herauszufinden, wie sich die ASD-Speicher über Jahre hinweg verhalten. Foto: Hochschule Offenburg

Die Offenburger Forscher wollen die elektrochemischen und materialwissenschaftlichen Prozesse, die innerhalb der Zellen beim Altern ablaufen, genauer untersuchen. Dazu werden die Speicher während des laufenden Betriebs von außen und danach mit Licht- und Rasterelektronenmikroskopen zusätzlich von innen untersucht. Die Erkenntnisse sollen dann auf einen digitalen Zwilling für die Computersimulationen übertragen werden. Für die Pacadu-Stromspeicher sollen die anstehenden Versuche Aussagen zur Alterung des parallel-geschalteten Speichersystems über einen längeren Zeitraum als im vorangegangenen STABIL-Projekt ermöglichen. „Wir erhoffen uns davon neue Erkenntnisse, um unsere Pacadu-Technologie weiter optimieren zu können“, fasst Ruh zusammen. (vb)

www.asd-sonnenspeicher.de

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