Neue Batteriesysteme zwischen Forschung und Anwendung
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FVEE • Themen 2012 Netze und Speicher • Batteriesysteme
Neue Batteriesysteme zwischen Forschung
und Anwendung
Übersicht stationärer elektrochemischer Entwicklungsziele – Batterie Roadmap 2020+
Speichertechnologien (ZSW)
In einer Batterie Roadmap 2020+ genannten Meta-
Elektrochemische Speicher verfügen typischerweise
Studie hat das ZSW die aktuellen Entwicklungsziele
über Energiespeicherkapazitäten von 2 kWh – 20 MWh
der Batterieforschung zusammengefasst
und typische Entladezeiten von wenigen Minuten bis
(s. Abbildung 2).
zu wenigen Tagen. Damit zählen Batterien zu den
Kurzfristspeichern mit einer kleinen bis mittleren Dabei sind zwei Dinge hervorzuheben: zum einen die
Energiespeicherkapazität (anders als beispielsweise technischen Grenzen, die der Optimierung der heute
Druckluftspeicher, Wasserkraftwerke, Wasserstoff und etablierten Lithium-Ionen-Systeme gesetzt sind und
ZSW
synthetisches Erdgas). zum anderen der Technologiesprung hin zu neuen
Dr. Michael A. Danzer Systemen wie Lithium-Schwefel oder Lithium-Luft,
Generell besitzen elektrochemische Speichersysteme
michael.danzer@zsw-bw.de der nötig ist, um diese Grenzen zu überwinden.
u. a. diese Vorteile:
DLR • Sie sind unabhängig von Geographie und Geologie.
Prof. Dr. Andreas Friedrich
• Sie können modular aufgebaut werden und sind in
andreas.friedrich@dlr.de F&E für stationäre Batterietechnologien
der Speichergröße adaptierbar.
Fraunhofer ISE Im Folgenden werden anhand von ausgewählten
Dr. Matthias Vetter Elektrochemische Speicher und Wandler lassen sich
Beispielen die Entwicklungen an Batterietechnologien
matthias.vetter@ise.fraunhofer.de gemäß Abbildung 1 anhand ihrer Speicher und
an den Instituten dargestellt.
Fraunhofer IWES Arbeitstemperaturen unterscheiden.
Patrick Hochloff
Lithium-Ionen-Systeme haben im Vergleich zu ande- F&E für Lithium-Ionen-Batterien (ZSW)
patrick.hochloff@
iwes.fraunhofer.de ren heute verfügbaren Akkumulatoren eine höhere Die spezifische Energie (Wh/kg) von Akkumulatoren,
Prof. Dr. Clemens Hoffmann Leistungs- und Energiedichte sowie einen höheren E = C · U, berechnet sich aus der Multiplikation der
Siemens AG elektrischen Wirkungsgrad. Zellspannung (V) und der spezifische Kapazität
clemens.hoffmann@ (Ah/kg).
iwes.fraunhofer.de Die Anforderungen, die marktseitig an elektrochemi-
FZ Jülich sche Speicher gestellt werden, sind sehr hoch: Möchte man die spezifische Energie durch eine Aus-
Dr. Martin Finsterbusch • geringe Investitions- und Betriebskosten wahl an Aktivmaterialien erhöhen, ergeben sich
m.finsterbusch@fz-juelich.de • hohe Energiedichte daher zwei Möglichkeiten:
VARTA Storage GmbH • sehr hoher energetischer Wirkungsgrad
1. Erhöhung der Zellspannung
Dr. Alexander Hirnet • lange Lebensdauer (15–20 Jahre)
2. Erhöhung der spezifischen Kapazität.
alexander.hirnet@ • hohe Sicherheit und niedrige Selbstentladung
varta-storage.com
Abbildung 1
Übersicht elektro -
chemischer Speicher
und Wandler
(Lithium-Ionen-Systeme in Rot
hervorgehoben)
90
Netze und Speicher • Batteriesysteme FVEE • Themen 2012
Abbildung 2
Entwicklungsziele der
Batterieforschung:
ZSW-Batterie Roadmap
2020+
Abbildung 3
Festkörper-Dünnschicht-
Li-Ionenzelle, hergestellt
mittels PVD am FZ Jülich
In vielen Projekten am ZSW wird als neuartiges Katho - körper-Li-Ionenleiter für Anwendungen im Bereich
denmaterial ein Hochvoltspinell (LiNi 0,5 Mn 1,5 O4 ) 100–400 °C evaluiert.
erforscht, bei dem die hohe Energiedichte, wie der
Meilensteine der Arbeit sind dabei:
Name es andeutet, im Wesentlichen durch ein erhöh-
• günstigere Elektrodenmaterialien
tes Kathodenpotenzial erreicht wird.
• angepasste Elektrolyte
In anderen Projekten steht weniger die Energiedichte • dickere Elektroden
als die Sicherheit der Zellen im Vordergrund der Ent- • größere Zellen
wicklungsziele. So wird z. B. als Anodenmaterial • optimiertes Processing
Lithium-Titanat (Li 4Ti 5O 12) eingesetzt, um eine eigen-
sichere Batterie zu entwickeln, die im Schadensfall Als Ergebnis der Arbeiten ist in Abbildung 3 eine Fest-
kein Risiko (z. B. Brand, Explosion) darstellt. körper-Batterie mit Al- und Cu-Kontakten, LiFePO4 -
Kathode, Li7 La3 Zr 2 O12 -Elektrolyt und Si-Anode als
Lithium-Ionen-Hochtemperatur-Batterie mit intrinsisch sichere Batterie dargestellt. Dabei erreicht
Festelektrolyt (FZ Jülich) der Festkörperelektrolyt bei Temperaturen von
Das Forschungszentrum Jülich hat sich für die Ent- 300 °C eine beachtliche Leitfähigkeit von 10 –1 S/cm.
wicklung neuer Batterietechnologien am Vorbild der
ZEBRA-Hochtemperatur-Batterie (NaNiCl2) orientiert, Speicherkapazität und Zyklenstabilität von
die sich durch eine hohe Robustheit, Zuverlässigkeit LiS-Batterien (DLR)
und Zyklenfestigkeit auszeichnet. Problematisch ist Die Batterieforschungsaktivitäten am DLR zu Li-Schwe-
bei der ZEBRA-Batterie die aufwändige Herstellung fel und Li-Luft-Batterien nehmen erwähnten Techno-
des röhrenförmigen Elektrolyten (Na-ß’’-Al2O3) und logiesprung ins Visier. Motivation zur Forschung an
der Natrium-Gebrauch bei erhöhter Temperatur. LiS-Batterien ist die Optimierung der Zyklenstabilität
F&E-Ziel ist es daher, Werkstoffe für intrinsisch sichere durch Schwefel-MWNT-Komposite. Zur Erreichung
Batterien zu etablieren. Dazu werden bekannte Fest- dieses Ziels wird die Komposit-Synthese via Schwe-
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FVEE • Themen 2012 Netze und Speicher • Schlüsselrolle der Stromnetze
Abbildung 4
Schwefel-MWNT-
Komposite des DLR:
Typ A (links) und
Typ B (rechts)
F&E für stationäre Batteriesysteme
Im Folgenden werden anhand von ausgewählten Bei-
spielen die Entwicklungen von Batteriesystemen an
den Instituten dargestellt.
Modulares Design eines Lithium-Ionen-
Batteriesystems (Fraunhofer ISE)
Die Architektur von Batteriesystemen unterscheidet
Abbildung 5
sich wesentlich im Grad ihrer Modularität. Das Fraun-
Cyclovoltammogramm hofer ISE hat ein Batteriesystemkonzept vorgestellt,
an mit Ag+LSCF
das sowohl im Aufbau und der Verschaltung der Ein-
(Elektrolytseite) und
PTFE+Kohle (Gasseite) zelzellen zu Batteriemodulen als auch in der Über-
beschichteten Rhodius- wachung und der Steuerung der Batterie einen
Netzen in 1 N LiOH hohen Grad an Modularität aufweist (Abbildung 6).
(Potenzial gegen
Hg/HgO) Das modulare Design von Batteriesystemen und die
Kommunikationsschnittstelle des Z-BMS ermöglicht
eine einfache Integration in Energiesysteme und die
felschmelze bei 150 °C unter Ar-Atmosphäre durch- Ankopplung an marktverfügbare Laderegler, Batte-
geführt und zwei Typen MWNT „A“ und „B“ vergli- riewechselrichter sowie Energiemanagementsysteme.
chen. Dabei stellt sich heraus, dass aus MWNT A her- Das entwickelte Batteriemodul erreicht unter realisti-
gestelltes Komposit A nach 50 Zyklen über eine 50 % schen Nutzungsbedingungen (0,3 C, 27 °C) einen
höhere Entladekapazität im Vergleich zum aus energetischen Wirkungsgrad von 95,2 % und ermög-
MWNT B hergestellten Komposit B verfügt. licht so eine effiziente dezentrale Speicherung von
elektrischer Energie, beispielsweise von dezentralen
Verminderung der Verluste von gebäudeintegrierten PV-Anlagen.
Lithium-Luft-Batterien (DLR)
Das zweite Forschungsprojekt am DLR hat sich zum Intelligentes Batteriemanagement als
Ziel gesetzt, die Verluste während des Lade-/Entlade- Teil eines optimierten Energiemanagements
vorgangs von Lithium-Luft-Batterien zu reduzieren. (Fraunhofer ISE)
Mittels Cyclovoltammogramm-Messungen (s. Abbil- Zur Optimierung des Energiemanagements einer
dung 5) konnte die Reduktion der Verluste nachge- regenerativen Energieerzeugung mit stationärem
wiesen werden. Speicher wird am Fraunhofer ISE an standardisierten
Lösungen, beispielsweise im Rahmen der CiA 454
(siehe www.can-cia.org), zur Kommunikation zwi-
schen Energie- und Batteriemanagement gearbeitet.
Das modellbasierte Energiemanagement umfasst, wie
in Abbildung 7 dargestellt, ein Erzeuger- und Lastma-
nagement, einen optimierten Einsatz des Batterie-
systems, die optimierte Regelung der Energieflüsse,
ein modellbasiertes Batteriemanagement inklusive
SOC-Verlauf und -Vorhersage (SOC = State of Charge
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Netze und Speicher • Schlüsselrolle der Stromnetze FVEE • Themen 2012
Abbildung 6
Modulares Design:
von der Zelle über das
Modul zum Batterie-
system mit modularer
Architektur des Batterie-
managements basierend
auf dezentralen Modul-
BMS (M-BMS) und
einem Zentral-BMS
(Z-BMS).
Quelle: Fraunhofer ISE
= Ladezustand), die Information über arbeitspunkt-
abhängige Wirkungsgrade bis hin zur Information
über die Alterung der Batterie.
Als Anwendungsfälle stationärer Batteriesysteme wer-
den im Folgenden die Maximierung des Eigenver-
brauchs von Solarstrom im Hausbereich und die
Spannungsstabilisierung im Niederspannungsnetz
betrachtet.
Maximierung des Eigenverbrauchs von Abbildung 7
Solarstrom (VARTA Storage) Schematische Darstel-
lung eines intelligenten
VARTA Storage hat in Untersuchungen gezeigt (Abbil- Batteriemanagements
dung 8), dass durch einen Batteriespeichersystem der als Teil eines optimierten
Eigenverbrauch von Solarstrom in Abhängigkeit von Energiemanagements.
der Speichergröße signifikant erhöht werden kann. Quelle: Fraunhofer ISE
Dazu wurde bei VARTA Storage ein Batteriespeicher
namens Engion entwickelt (Abbildung 9), der bei 90 %
4 kW über Speichergrößen von 3,7–13,8 kWh ver-
80 %
fügt und 3-phasig modular erweiterbar ist.
70 %
Spannungsstabilisierung im 60 %
Niederspannungsnetz (VARTA Storage, 50 %
Siemens) 40 %
Die prinzipielle Idee der Spannungsstabilisierung im 30 %
Niederspannungsnetz mit dezentralen erneuerbaren
20 %
Energieeinspeiseanlagen und dezentralen Lasten mit- Abbildung 8
10 % Eigenverbrauchs-
tels eines Energiespeichers ist in Abbildung 10 darge-
stellt. Dabei wird die Batterie an den Ort der Leitung 0 erhöhung durch
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Speichereinsatz bei
platziert, an dem die höchste Spannungsabweichung einem Jahresverbrauch
zu erwarten wäre: von 4000 kWh.
• In Zeiten hoher Erzeugung puffert die Batterie
elektrische Energie zwischen, so dass die Span-
VARTA Storage hat im Pilotprojekt „Spitzenspeicher
nung in der Leitung die maximal zulässige Höchst-
Nr. 1“ zusammen mit der EnBW ODR den in Abbil-
grenze nicht überschreitet.
dung 11 dargestellten Speicher mit einer Leistung
• In Zeiten hoher Last gibt der Speicher die Energie
von 30 kW und einem Energiegehalt von 60 kWh
wieder ab und kann so dazu beitragen, dass die
entwickelt und ist damit gerade in der Erprobungs-
Minimalspannung nicht unterschritten wird.
phase.
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FVEE • Themen 2012 Netze und Speicher • Schlüsselrolle der Stromnetze
Abbildung 9
Batteriespeicher Engion
bei VARTA Storage:
4 kW, 3,7 – 13,8 kWh,
3-phasig, modular
erweiterbar
Abbildung 10
Spannungsstabilisierung
im Niederspannungs-
netz mit dezentralen
EEG-Anlagen und
Batterie
Die Wirksamkeit des Einsatzes von stationären Spei-
chern im Niederspannungsnetz im Vergleich zur
Kopplung jeder PV-Anlage mit einem eigenen Spei-
cher hat Siemens simulationsbasiert anhand des
Spannungsbands in einem Beispielnetz untersucht.
Die Simulationsergebnisse in Abbildung 12 zeigen
deutlich, dass der Speichereinsatz an einem kritischen
Abbildung 11 Ort (Quartierspeicher) für die Spannungshaltung
Pilotprojekt effektiver ist als der gleichmäßig verteilte Einsatz.
Spitzenspeicher Nr. 1, Dabei wurde die Größe der Speicher für eine Kap-
VARTA Storage & pung der Leistungsspitze um 30 % ausgelegt. Zudem
EnBW ODR: wurde gezeigt, dass ein Blindleistungseingriff am sel-
30 kW, 60 kWh
ben Ort zusätzlich die Spannungshaltung verbessert.
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Netze und Speicher • Schlüsselrolle der Stromnetze FVEE • Themen 2012
Abbildung 12
Simulationsergebnisse
Spannungsband in
einem Beispielnetz,
relative Spannung über
Anzahl der Knoten im
Niederspannungsnetz
Abbildung 13
Siemens-LiIon-System
Siemens hat für den Einsatz in Niederspannungsnet- hohen energetischen Wirkungsgrad, lange Lebens-
zen das in Abbildung 13 gezeigte Siemens-LiIon- dauer und hohe Sicherheit auszeichnen. Des Weite-
System entwickelt und bereits damit begonnen, es in ren zeigt sich anhand der an den Instituten und bei
den Markt einzuführen. den Industriepartnern entwickelten und untersuch-
ten Systeme, dass sich erste Geschäftsmodelle für
stationäre elektrochemische Speicher heraus kristal-
lisieren. Momentan werden Batteriesysteme und
Fazit
Pilotanlagen entwickelt, aufgebaut und erprobt
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass an den sowie erste Serienprodukte kommerziell angeboten.
Forschungsinstituten des FVEE neue und verbesserte In der Gesamtheit der dargestellten Forschungs- und
Speichertechnologien entwickelt und erforscht wer- Entwicklungsaktivitäten wird damit die Eignung elek-
den, die auf Batterietechnologien hoffen lassen, die trochemischer Speicher als Kurzfristspeicher für die
sich durch geringe Kosten, hohe Energiedichte, Energiewende demonstriert.
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