Batterie plus Superkondensator

27.05.2021 – Hybride Speicher, in denen konventionelle Batterien mit Superkondensatoren gekoppelt werden, stehen im Mittelpunkt des Forschungsprojekts „SuKoBa“. Das Fraunhofer IEE entwickelt im Forschungsvorhaben zusammen mit Skeleton Technologies und dem Automobilzulieferer AVL Werkzeuge für die Auslegung und Regelung solcher hybriden Speicher. Hybride Speichertechnologien dieser Art könnten, so der Plan, zum Beispiel in Elektrofahrzeugen oder als stationäre Speicher zur Netzstabilisierung eingesetzt werden.

Sprinter und Langstreckenläufer

Superkondensatoren, auch Supercaps genannt, verfügen über eine hohe Leistungsdichte. Sie können „im Sprint“ innerhalb kürzester Zeit viel Leistung bereitstellen, ohne dass ihre Lebensdauer leidet. Der Nachteil: Ihre Energiedichte ist gering, ihre Kapazität daher schnell erschöpft. Anders dagegen Lithium-Ionen-Batterien und andere Batteriespeicher: Als „Langstreckenläufer“ sind sie ausdauernd, da die Batteriekapazität hoch ist. Mit kurzzeitigen Lastspitzen kommen sie aber nicht so gut zurecht wie Supercaps. Denn dabei entsteht unter anderem Hitzestress, der sie schneller altern lässt.

Hybrider Speicher Fraunhofer IEE Web
Im Vorhaben „SuKoBa“ soll das Potenzial hybrider Speichertechnologien erforscht werden. Grafik: Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

„Hybride Speicher verbinden die Vorteile der Batterien mit denen der Superkondensatoren – und eliminieren zugleich deren jeweilige Nachteile. Wir erwarten eine deutliche Steigerung der Lebensdauer solcher Hybrid-Speicher-Systeme. Das wollen wir im Projekt genauer untersuchen. In der Folge kann das zu erheblich geringeren Systemkosten führen“, erklärt Matthias Puchta, Geschäftsfeldleiter Hardware-in-the-Loop Systeme beim Fraunhofer IEE.

Ein mögliches Einsatzfeld der hybriden Speicher ist die Netzstützung: Als Ergänzung zu den heute bereits für die Primärregelleistung eingesetzten stationären Batterien können Supercaps Spannung und Frequenz im Netz bei Großstörungen innerhalb weniger Sekunden stabilisieren. Auch in der Elektromobilität lassen sich die hybriden Speicher verwenden. So können die Superkondensatoren für eine höhere Reichweite sorgen, weil sie die Batterie bei der Bereitstellung der hohen Leistungen entlasten. Sie laden und entladen um ein Vielfaches schneller, was besonders bei Beschleunigung und Rekuperation Vorteile bringe. Zudem stellen sie auch bei tiefen Temperaturen Leistung bereit, etwa beim Start im Winter.

Potenzial hybrider Speicher nutzen

Allerdings fehle es bislang an geeigneten Werkzeugen, mit denen solche hybriden Speicher mit Blick auf Baugröße, Kosten und Lebensdauer optimal auslegen lassen. Auch gebe es noch keine speziell darauf optimierten Management- und Regelungssysteme für den Einsatz der Speicher.

Diese Lücken schließt jetzt das Verbundvorhaben „Superkondensatoren zur Lebensdaueroptimierung von Batterie-Hybridspeichersystemen – Auslegungsmethoden und Regelungsalgorithmen“, kurz SuKoBa. Konkret entwickeln die Forschungspartner ein Werkzeug, mit dem sich der Superkondensator und die Batterie eines Hybridspeichers so dimensionieren lassen, dass letztere eine maximale Lebensdauer erreicht. Diese Optimierung geschieht nach Maßgabe der Anforderungen an Leistungsdichte, Energiedichte, Kapazität, Kosten, Gewicht und Volumen des Speichersystems. Die verschiedenen Anwendungsszenarien werden dabei durch typische Lastzeitreihen repräsentiert. Um das Verfahren zu verifizieren, sollen im Labor Demonstratoren aufgebaut und für verschiedene Anwendungsfälle erprobt werden.

Darüber hinaus schaffen die Partner im Rahmen von „SuKoBa“ ein modulares, parametrierbares Managementsystem, welches das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten organisiert und zugleich das Gesamtsystem überwacht. Das System soll es erlauben, die relevanten Parameter im Betrieb sowohl anwendungsspezifisch als auch situationsabhängig anzupassen.

Das vom Bundeswirtschaftsministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt läuft seit Beginn des Jahres und soll Ende 2023 abgeschlossen sein. (ds)

www.iee.fraunhofer.de
www.skeletontech.com
www.avl.com

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