Batterie und Kondensator vereinen

Energiespeicher der nächsten Generation

Die Entwicklung der Powercaps genannten Hybride aus Batterie und Kondensator treiben das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und seine Partner jetzt in einem vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt voran.

Modulherstellung der Powercaps: Ein Roboter verschweißt einzelne Zellen zu Modulen, die anschließend zu einem Energiespeicher verschaltet werden. (Bild: KIT)

Zur Energiewende gehört auch die intelligente Energienutzung. Doch noch gibt es beispielsweise keinen passenden Speicher für die Industrie, um die Bremsenergie der vielen Maschinen in Deutschland effizient zurückzugewinnen. Notwendig wäre ein Hybridspeicher, der die sich ergänzenden Eigenschaften von Batterien und Kondensatoren vereint.

„Ressourcen effizient nutzen, erfordert auch die Rückgewinnung von Energie“, so Thorsten Grün vom KIT, der die Arbeiten im Projekt FastStorage BW II am KIT koordiniert. „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 optimal: Eine Batterie kann viel Energie aufnehmen und lange speichern, aber benötigt lange Ladezeiten, hat eine begrenzte Lebensdauer und die Zahl der Ladezyklen ist beschränkt. Ein Kondensator nimmt Energie schnell auf und ist langlebig, hat aber nicht die Speicherkapazität und -dauer einer Batterie.

Hybridsystem als Lösung
Das Projekt FastStorage BW II entwickelt nun eine passende Lösung: ein Hybridsystem, welches die Stärken beider Energiespeicher vereint. Aufgebaut sind die Hybridspeicher, auch „Powercaps“ oder Hybridkondensatoren genannt, aus zwei großflächigen Elektroden. Anders als bei herkömmlichen Kondensatoren sind die Elektroden jedoch nicht identisch aufgebaut und statt eines Dielektrikum erstreckt sich zwischen ihnen ein Elektrolyt, der positive Ionen zur Verfügung stellt. Ähnlich wie bei einer Batterie besteht eine Elektrode aus Metalloxiden, an der ein Redoxprozess bewirkt wird. Die zweite Elektrode ist wie bei einem Kondensator aus Kohlenstoffmaterial aufgebaut.

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Anders als in einer Batterie wird Energie jedoch 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 10-mal mehr elektrische Leistung bereitstellen als eine Batterie.

Das KIT entwickelt, baut und testet nun die Speicher-Prototypen, die aus Powercap-Zellen bestehen: Es wird untersucht, wie man die Speichermodule per Roboter teil-automatisch verschweißen kann und dabei Schweißparameter und Prozessgeschwindigkeit optimiert. Ein passendes Gehäusedesign wird entwickelt, welches eine homogene Zellbelastung und ausreichende Kühlung gewährleistet.

Von zentraler Bedeutung wird die Entwicklung einer angemessenen elektronischen Betriebssteuerung sein, welche den sicheren und ökonomischen Betrieb des Moduls überwacht. Hier bauen die KIT-Forscher auf ihre langjährigen 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 Grün. Hier könnten die Powercaps Lösungen zur Energie-Rückgewinnung effizienter oder überhaupt erst möglich machen. Gleichzeitig würden sie durch stark verkürzte Ladezeiten die Verfügbarkeit netzunabhängiger elektrischer Transporthelfer erhöhen.

Powercaps: Versorgungsschwankungen ausgleichen
Das Einsatzgebiet der Powercaps erstreckt sich über alle Tätigkeitsfelder, in denen ungleichmäßiger Strombedarf gedeckt werden muss. Beispielsweise können sie für unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder auch zur Frequenzregulierung im Stromnetz eingesetzt werden. Zusätzlich könnten sie von großem Interesse für produzierende Unternehmen mit hohem Strombedarf sein, da sich so teure Lastspitzen durch die Pufferung des Strombezuges 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 wird auf den Einsatz kostengünstiger und umweltschonender Materialien und Verarbeitungsprozesse geachtet.“ Mit den hier entwickelten Powercaps soll ein signifikanter Beitrag zum Wissen über Energiespeicherzellen geleistet werden, welcher durch den steigenden Energiebedarf und durch die Versorgungsschwankungen im Sektor der erneuerbaren Energien absolute Notwendigkeit besitzt. So können ganz neue Wege in der Speicherung von elektrischer Energie beschritten werden.

Als Nachfolgeprojekt von FastStorage BW I, in dem eine Marktanalyse zum Potenzial und den Einsatzmöglichkeiten von Powercaps durchgeführt wurde, soll in FastStorage BW II nun 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-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (FhG IPA) in Stuttgart koordiniert. Neben dem KIT sind Varta, SEW, Viastore, FhG ICT, ISW, EEP, ZSW, Freudenberg, IFSW, FESTOOL, Daimler und Porsche als Projektpartner beteiligt.

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