Batterie plus Superkondensator: Neue Verfahren für die Auslegung und Regelung hybrider Speicher

12. Mai 2021

Batteriespeicher altern schneller, wenn sie immer wieder kurzzeitig hohe Leistungen liefern müssen. Das lässt sich vermeiden, indem man sie mit Superkondensatoren koppelt – diese übernehmen dann die Lastspitzen. Das Fraunhofer IEE entwickelt nun zusammen mit den Industriepartnern Skeleton Technologies als Verbundkoordinator und AVL in dem vom BMWi geförderten Forschungsvorhaben „SuKoBa“ Werkzeuge für die Auslegung solcher hybriden Speicher. Zudem erarbeiten die Partner Verfahren für deren Regelung. Hybride Speichertechnologien dieser Art können zum Beispiel in Elektrofahrzeugen oder als stationäre Speicher zur Netzstabilisierung eingesetzt werden.

SuKoBa Logo
© Fraunhofer IEE

Superkondensatoren, auch Supercaps genannt, verfügen über eine sehr hohe Leistungsdichte. Sie können innerhalb kürzester Zeit sehr viel Leistung bereitstellen, ohne dass ihre Lebensdauer leidet. Dafür haben sie allerdings einen gravierenden Nachteil: Ihre Energiedichte ist gering, ihre Kapazität daher schnell erschöpft. Im Sprint sind Superkondensatoren also unschlagbar, machen dann aber schnell schlapp.

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.

„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.

Potenzial hybrider Speicher umfassend nutzen

Allerdings fehlt es bislang an geeigneten Werkzeugen, mit denen solche hybriden Speicher mit Blick auf Baugröße, Kosten und Lebensdauer optimal auslegen lassen – die bestehenden Modelle ignorieren nämlich das Problem der Batteriealterung. Auch gibt 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. Das vom Bundeswirtschaftsministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt läuft seit Beginn des Jahres und soll Ende 2023 abgeschlossen sein.

„Mit SuKoBa schaffen wir die Voraussetzung, das Potenzial hybrider Speichertechnologien umfassend zu nutzen“, sagt Puchta. „Unser Forschungsvorhaben trägt wesentlich dazu bei, Batteriespeicher auch dort wirtschaftlich einzusetzen, wo kurzzeitig sehr hohe Leistungen gefordert sind.“

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 sinnvoll 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 bringt. Zudem stellen sie sehr effizient auch bei tiefen Temperaturen Leistung bereit, etwa beim Start im Winter.

Superkondensator verlängert Lebensdauer des Batteriesystems

Konkret entwickeln die Forschungspartner im ersten Schritt ein Werkzeug, mit dem sich der Superkondensator und die Batterie eines Hybridspeichers so dimensionieren lassen, dass letztere eine maximale Lebensdauer erreicht. Diese Lebensdaueroptimierung 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 dieses Verfahren zu verifizieren, betreiben die Partner einen hohen experimentellen Aufwand. So 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.

 

Fachansprechpartner

Fraunhofer IEE: Dr. Matthias Puchta, Geschäftsfeldleiter Hardware-in-the-Loop Systeme, matthias.puchta@iee.fraunhofer.de
Skeleton Technologies: Patricia Godel, Innovation Projects Specialist, patricia.godel@skeletontech.com
AVL: Dr. Guangyue Liao, Entwicklungsingenieurin, Guangyue.Liao@avl.com

Die Projektpartner

Das Fraunhofer IEE bringt in das Projekt unter anderem seine langjährige Erfahrung im Bereich der Simulation von Batterien ein. Simulationsmodelle des Instituts werden hier insbesondere für die Vorhersage von Alterungsprozessen genutzt. Zudem verfügen die Fraunhofer-Forscher über viel Kompetenz in der Technik zur Regelung komplexer Energiesysteme. Nicht zuletzt stellt das Fraunhofer IEE große Teile der für die Alterungsbestimmung der Speichersysteme und die Erprobung der Hybridspeichersysteme erforderlichen Versuchs-Infrastruktur zur Verfügung.

Konsortialführer Skeleton Technologies trägt unter anderem seine umfangreichen Praxiserfahrungen im Einsatz von Superkondensatoren für verschiedenen Hochleistungsanwendungen bei, etwa in elektrisch betriebenen Nutzfahrzeugen, Netzstabilitätsanwendungen, Dieselhybrid-Antrieben für Busse oder in Hafenkränen.

Der Automobilzulieferer AVL bringt seine Kompetenzen und Methoden für Entwicklung, Optimierung, Testen und Validierung von Speichersystemen sowie für die Entwicklung von anwendungsspezifischen Control-Lösungen ein. AVL verfügt außerdem über umfangreiche anwendungsspezifische Software-Tools und Modellbibliotheken.