Second-Life-Batteriespeichersysteme für eine klimaverträgliche Zukunft
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
ELEKTROTECHNIK www.eurailpress.de/archiv/energieversorgung
Second-Life-Batteriespeichersysteme
für eine klimaverträgliche Zukunft
Wie ausgemusterte Batterien zur Energiewende und Kreislaufwirtschaft beitragen.
Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbH
Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für DB Bahnbau Gruppe GmbH /
Abb. 1: Encore Batteriespeichersysteme – links: Leistung bis zu 65 kW und Kapazität bis zu 120 kWh; rechts: Leistung bis zu 30 kW und Kapazität bis
zu 60 kWh Quelle: DB Bahnbau Gruppe
ILMA BOJADZIC | ROMAN WANGELOW ab 2035 nur noch emissionsfreie Neuwagen E-Batterien finden ein zweites Leben
zugelassen werden. Ziel der Bundesregierung als Energiespeicher
ist es, dass schon im Jahr 2030 7 bis 10 Mio. Die Batterien sind zwar für den weiteren Ein-
Elektrofahrzeuge erfreuen sich immer grö- Elektrofahrzeuge auf den Straßen Deutsch- satz im Fahrzeug zu schwach, haben aber
ßerer Beliebtheit und verdrängen Autos mit lands unterwegs sein sollen, um die CO2- noch ausreichend Power für ein zweites Le-
Verbrennungsmotor. In den neuen E-Fahr- Emissionen um ca. 40 % im Vergleich zu 1990 ben – ein sogenanntes „Second Life“ – in ei-
zeugen haben sich effiziente Lithium-Ionen- zu reduzieren [1]. nem anderen Anwendungsgebiet.
Batterien als Schlüsseltechnologie für die Für Nutzer der E-Fahrzeuge ist die Batterie- Encore nimmt Herstellern von elektrisch be-
Elektromobilität etabliert. Deren Lebens- kapazität von hoher Relevanz, da sie zusam- triebenen Fahrzeugen, wie z. B. E-Pkw, E-Bus-
und Kapazitätsdauer ist begrenzt, daher men mit dem Stromverbrauch die Reichweite sen oder batterieelektrischen Zügen (BEMU),
tauschen viele Hersteller die Batterien bei des Fahrzeugs bestimmt. Die Kapazität sinkt die gebrauchten Batterien ab und nutzt dafür
ca. 70 % der ursprünglichen Speicherkapa- jedoch mit zunehmendem Alter und ist ab- das Logistiknetzwerk der DB. Die Batterien
zität aus. Auf die Frage: „Wohin mit diesen hängig von der Ladeart und Anzahl der Lade- werden von Batteriepack- auf Batteriemodul
alten Batterien?“ hat die DB Bahnbau Grup- zyklen, dem Klima oder auch dem individu- ebene demontiert und einer Sicherheits- und
pe, eine Tochterfirma der Deutschen Bahn ellen Fahrstil. Ist die Batterie für den Einsatz Qualitätsanalyse unterzogen. Die Batteriemo-
AG (DB), mit dem Start-up Encore die pas- im Fahrzeug zu schwach, wird sie von den dule werden dann mithilfe eines Battery Ana-
sende Antwort gefunden. Dieses fördert Herstellern getauscht. Laut einer ADAC-Stu- lyzers auf Basis der Impedanzspektroskopie
und entwickelt alternative Energiesysteme die soll die Abnahme der Kapazität auf 70 % auf ihre Restkapazität geprüft. Batteriemo-
und trägt so dazu bei, Emissionen zu ver- erst nach etwa 200 000 km – hochgerechnet dule mit ausreichender Restkapazität werden
ringern und die Energiewende voranzutrei- nach zehn Jahren [2] erfolgen. Die Hersteller für die Fertigung von Second-Life-Batterie-
ben. Ein Beispiel ist die Entwicklung von haben sich – mit wenigen Ausnahmen – auf speichersystemen wiederverwendet. Schwa-
Second-Life-Batteriespeichern, die nun auf eine Batteriegarantie von acht Jahren und che Batteriemodule, werden aussortiert und
den Markt kommen. 160 000 km geeinigt. fachgerecht recycelt. Bei dem Recycling wer-
Nach Angaben des Kraftfahrtbundesamtes den die Batteriemodule erst geschreddert
(KBA) hat sich der Bestand an Pkw mit reinem und dann in einem chemischen oder ther-
Batterien aus der Elektromobilität Elektroantrieb (BEV) zwischen 2012 und 2022 mischen Verfahren in die Einzelrohstoffe auf-
Der Straßenverkehr ist laut Bundesumweltmi- von 4500 bereits auf 618 460 erhöht [3]. Es ist gespalten, die für die Herstellung von neuen
nisterium mit über 70 % an dem klimaschäd- davon auszugehen, dass dieser Trend weiter Batteriemodulen wieder in den Kreislauf ge-
lichen CO2-Ausstoß maßgeblich beteiligt. Die stark voranschreitet und somit auch entspre- bracht werden.
Abgeordneten im Europäischen Parlament chend viele gebrauchte Batterien zur Wieder- Derzeit gibt es zwei Produktvarianten: ein
haben daher im Juni 2022 beschlossen, dass verwendung anfallen werden. kleines Batteriespeichersystem (Leistung bis
132 EI | SEPTEMBER 2022
ELEKTROTECHNIK
brauchten Batteriemodulen entsteht für die
Kunden ein attraktiver Preisvorteil gegenüber
Neubatterien.
Ein konkreter Beitrag zur Energiewende
Die Nachfrage nach Speichermöglichkeiten für
erneuerbare Energien steigt, so könnten die
Second-Life-Batteriespeichersysteme z. B. Strom
aus Photovoltaikanlagen (Abb. 2) tagsüber spei-
chern und an Tagesrandzeiten wieder zur Verfü-
gung stellen. Sie könnten beispielsweise auch
helfen, den hohen Energiebedarf von Instand-
Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbH
haltungs- und Bereitstellungswerken der DB
über den Tag zu verteilen, um dadurch Kosten
für Stromspitzen einzusparen.
Die Vorteile des Speichersystems können grund-
sätzlich allen Unternehmen nützen, die einen
hohen Energiebedarf haben und auf erneuerba-
re Energien setzen.
Das erste Batteriespeichersystem wurde im
Juli 2022 am EUREF-Campus in Berlin (Abb. 3)
Abb. 2: Photovoltaikanlage am Berliner Hauptbahnhof Quelle: Deutsche Bahn AG / Faruk Hosseini angeschlossen und fungiert dort als Teil der
Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für DB Bahnbau Gruppe GmbH /
Micro Smart Grid, ein Stromnetz, in dem unter-
schiedliche Energiequellen, Verbraucher und
zu 30 kW und Kapazität bis zu 60 kWh) für Kun- Bereich speichern kann (Abb. 1 rechts). Das Speicher intelligent verknüpft sind. Ziel ist es, das
den mit geringerem Energiebedarf (Abb. 1 kleine Batteriespeichersystem könnte ein öffentliche Netz durch planbare Energieflüsse zu
links) und ein größeres Batteriespeichersys- Einfamilienhaus mit vier Personen ca. fünf entlasten und den Anteil erneuerbarer Energien
tem (Leistung bis zu 65 kW und Kapazität bis Tage autark mit Strom versorgen und das am Campus zu steigern. Weitere Batteriespei-
zu 120 kWh), welches modular erweiterbar ist große Batteriespeichersystem entsprechend chersysteme sollen 2022 folgen, bevor sie 2023
und dadurch Energie im Megawattstunden- doppelt so lange. Durch die Nutzung von ge- in Serie gefertigt und vertrieben werden.
WE MAKE THE WORLD A BIT MORE QUIET
Besuchen Sie uns in der Entwickelt für Deutschland –
Halle 21, Stand 230
Weltweit im Einsatz
VICON AMSA Schienenstegdämpfer –
Not a vision but reality
Höhenverstellbare Schienenbefestigung
Wertschöpfung durch Mehrwert
bis 29 mm – die revolutionäre Lösung für
Made in Germany
die Instandhaltung von Übergangszonen
mit Schwellenhohllagen an Brücken, Nachhaltig
Bahnübergängen und Isolierstößen. Zertifiziert
Schrey & Veit GmbH
Graf-von-Sponheim-Str. 2
Schrey & Veit 55576 Sprendlingen / GERMANY
Shock, Vibration & Noise Control Tel.: +49 (0) 6701 205 84-0 • www.sundv.de
EI | SEPTEMBER 2022 133
ELEKTROTECHNIK
Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbH
Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für DB Bahnbau Gruppe GmbH /
Abb. 3: Encore Batteriespeichersystem am Digitalen Testfeld in Scheibenberg Quelle: PS Media Point / Maurice Martin
Mit der Produktion alternativer Energiesyste- und eine intelligente Nachnutzung sowie die fern bietet Encore einen innovativen Ansatz im
me stellt sich die DB Bahnbau Gruppe nicht Rückgewinnung der wertvollen Rohstoffe Ressourcenschutz.
nur breiter in ihrem Produktportfolio auf, son- durch Recycling sichergestellt werden [4].
dern leistet auch einen wichtigen Beitrag zur Der steigende Bedarf an nachhaltigen Mobi- Funktionsweise der
Bewältigung der Energiewende. litätskonzepten macht eine (Weiter-)Entwick- Batteriespeichersysteme und -module
lung der Batterietechnologie unabdingbar. Ein Batteriespeichersystem besteht aus dem
Kreislaufwirtschaft fördern Gleichzeitig ist auch die Kreislaufwirtschaft Batteriespeicher sowie der zugehörigen
und Nachhaltigkeit steigern der Batterien in Form nachgelagerter Anwen- Leistungselektronik, die den Gleichstrom aus
Die Batterie macht bei Elektrofahrzeugen un- dungsszenarien und Wertstoffrückführung dem Batteriespeicher in den Wechselstrom
gefähr 40 % der Wertschöpfung aus und ist von enormer Bedeutung, um deren Nach- des angeschlossenen Stromnetzes umwan-
entsprechend wichtig für die Nachhaltigkeit. haltigkeit zu gewährleisten. Indem die Le- delt. Der Batteriespeicher selbst besteht
Deswegen fördert das Bundesministerium bensdauer der Batterien verlängert und im aus Batteriemodulen, einem Batteriema-
für Wirtschaft und Klima (BMWK) auch die Entsorgungsfall fachgerechtes Recycling si- nagementsystem (BMS), Verkabelung sowie
klimaverträgliche Produktion von Batterien in chergestellt wird, müssen auch weniger neue Gehäuse, Schaltern und Anzeigeelementen
Deutschland. Dabei soll der gesamte Lebens- Primärrohstoffe für die Produktion von Batte- (Peripherie). Die Batteriemodule wiederum
zyklus der Batteriezelle nachhaltig gestaltet riespeichersystemen gewonnen werden. Inso- bestehen aus einer Vielzahl von Batteriezel-
Abb. 4: Blockschaltbild Batteriespeichersystem Quelle: DB Bahnbau Gruppe / Roman Wangelow
134 EI | SEPTEMBER 2022
ELEKTROTECHNIK
len, die in Reihe und teilweise auch parallel Batteriespeicher lädt bzw. entlädt. hindern, misst das BMS die Spannung jeder
miteinander verschaltet sind. Das BMS hat viele Aufgaben zu erfüllen: Der einzelnen Zelle im Batteriespeicher beim La-
In dem Batteriespeichersystem selbst findet wichtigste Aspekt beim Betrieb eines Batterie- den oder Entladen.
zwischen den Komponenten Kommunikati- speichersystems ist die Sicherheit. Deswegen
on in Form von Steuersignalen, Messsignalen erfasst das BMS fortwährend die Zellspannun- Überstrom- und Kurzschlussstromschutz
oder einem geeigneten Kommunikationspro- gen aller Batteriezellen, die Betriebstempera- Die Batteriezellen besitzen einen spezifizier-
tokoll statt. Beispielsweise sendet das BMS tur und die fließenden Ströme. ten Strombereich, mit dem sie geladen und
Statusinformationen an eine Anzeige am Das BMS übermittelt die erfassten Daten an entladen werden dürfen. Werden diese Grenz-
Gehäuse, liest Zellspannungspegel aus oder das EMS, welches die Daten im Internet auf ge- werte überschritten, können sie beschädigt
gibt Informationen zum Betriebsstatus, wie eigneten Plattformen speichert. Entsprechend werden, was sich z. B. in einer vorschnellen
„Batterie betriebsbereit“, an die Leistungs- spezialisierte Dienstleister werten die Daten
elektronik weiter. permanent aus und können somit einen sich
Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbH
Das Batteriespeichersystem ist in der Lage, anbahnenden Fehlerfall erkennen und durch
Strom von Erzeugern wie z. B. Solaranlagen
aufzunehmen und zu speichern. Zu den Ta-
das Fernabschalten des Batteriespeichersys-
tems einen Schaden verhindern. Damit das
i
geszeiten, an denen ein Unterangebot von BMS die gemessenen Daten übermitteln kann, Einheitenlexikon
erneuerbaren Energien im übergeordneten muss eine geeignete Kommunikationsschnitt- Spannung: U [V – Volt]
Verteilnetz herrscht, gibt das Batteriespeicher- stelle existieren. Ebenso ist eine Kommunika- Strom: I [A – Ampere]
system den gespeicherten Strom an die loka- tion mit der angeschlossenen Leistungselekt- Leistung: P=U*I [W=V*A – Watt]
len Verbraucher ab. (Abb. 4) ronik notwendig. Energie: E=P*t [J=W*s – Joule;
Wh – Wattstunden; kWh –
Um diesen Vorgang zu koordinieren ist ein
Kilowattstunden]
Energiemanagementsystem (EMS) notwendig. Funktionen von BMS Ladung: Q=I*t [C=A*s – Colomb;
Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für DB Bahnbau Gruppe GmbH /
Das EMS erfasst die Betriebszustände der Ver- Ah – Amperestunden]
braucher, der Erzeuger, des Batteriespeicher- Über- und Unterspannungsschutz Kapazität: C=Q/U [F=C/V=A*s/V
systems und des Verteilnetzes und versucht Die einzelnen Batteriezellen sind aufgrund – Farad]
den Energietransfer zwischen ihnen optimal von Fertigungstoleranzen oder unterschied- Energiedichte: w=E/m [Wh/kg –
abzustimmen. Letztlich gibt das EMS der Leis- lichen Alterungszuständen nie komplett Wattstunden je Kilogramm]
tungselektronik Sollwerte vor, damit diese den identisch. Um ein Über- oder Entladen zu ver-
COME & VISIT US
ON STAND 250 - HALL 26
20–23 SEPTEMBER 2022 – BERLIN
matisa.ch
EI | SEPTEMBER 2022 135
ELEKTROTECHNIK
die Unterschiede zwischen den Batteriezellen
aus, indem ein passiver oder aktiver Zellspan-
nungsausgleich vorgenommen wird.
Beim Aufladen ohne passiven Zellspannungs-
ausgleich wird so lange aufgeladen, bis die
erste (schwächste) Zelle die Ladeschlussspan-
nung erreicht hat, obwohl die restlichen Zellen
z. B. erst zu 80 % geladen sind. Beim Aufladen
mit passivem Zellspannungsausgleich wird
vom BMS ein paralleler Widerstand zugeschal-
tet, der während des Ladens die Spannung
der jeweils parallel liegenden Zelle begrenzt,
Rechte für einzelne Downloads und Ausdrucke für Besucher der Seiten genehmigt / © DVV Media Group GmbH
damit die restlichen Zellen weiter aufgeladen
werden können.
Beim Entladen ohne aktiven Zellspannungs-
ausgleich wiederum erreicht die schwächste
Zelle zuerst die Entladeschlussspannung, und
das ganze Batteriemodul wird vom BMS abge-
schaltet. Beim Entladen mit aktivem Zellspan-
nungsausgleich ist es möglich, Strom aus den
stärksten Batteriezellen in die schwächsten zu
transferieren, um somit das gesamten Batte-
Homepageveröffentlichung unbefristet genehmigt für DB Bahnbau Gruppe GmbH /
riemodul gleichmäßig zu entladen.
QUELLEN
[1] https://www.bundesregierung.de/breg-de/themen/klimaschutz/
verkehr-1672896, letzter Zugriff am 06.06.2022 um 13:36
Abb. 5: Aufbau eines BMS Quelle: DB Bahnbau Gruppe / Roman Wangelow
[2] https://www.adac.de/rund-ums-fahrzeug/elektromobilitaet/info/
elektroauto-batterie/, letzter Zugriff am 06.06.2022 um 16:20
[3] https://www.kba.de/DE/Presse/Pressemitteilungen/Fahrzeugbe-
stand/2022/pm10_fz_bestand_pm_komplett.html, letzter Zugriff am
Alterung bemerkbar machen kann. Um dies Messung des Ladezustands: 06.06.2022 um 13:39
zu verhindern, müssen die Lade- und Entla- State of Charge (SoC) [4] https://www.bmwk.de/Redaktion/DE/Artikel/Industrie/Batteriezellferti-
deströme vom BMS gemessen werden. Beim Aus den gemessenen Einzelzellspannungen gung/batteriepass.html, letzter Zugriff am 06.06.2022 um 16:36
Überschreiten der Grenzwerte unterbricht ermittelt das BMS den Ladezustand, welcher in
das BMS mittels der in Abb. 4 dargestellten der Regel in Prozent angegeben wird. Bei einer
Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sehr einfachen linearen Betrachtung berech-
(MOSFET) den Lade- bzw. Entladevorgang für net sich der SoC gemäß folgender Formel:
eine gewisse Zeit. Insbesondere bei einem
Kurzschluss muss die Batterie vom Verbrau-
cher sofort getrennt werden, da sie überhitzen
kann. Für den Fall, dass der Überstromschutz
per MOSFET versagt, gibt es eine Sicherung, Für exaktere Betrachtungen muss die zellspe-
die im Kurzschlussfall auslöst und die Batterie zifische Lade- bzw. Entladekennlinie für die
vor Schädigung schützt. (Abb. 5) Berechnung verwendet werden, welche nicht
statisch ist, sondern von der aktuellen Lade-
Über– und Untertemperaturschutz bzw. Entladerate und Temperatur abhängig ist.
Batteriezellen erwärmen sich aufgrund des
Innenwiderstands, wenn Strom durch sie Messung des Alterungszustands:
fließt oder durch äußere Einflüsse, wie eine State of Health (SoH)
hohe Umgebungstemperatur. Deshalb muss Da eine Batteriezelle mit vielen Lade- und
das BMS auch die Temperatur überwachen. Entladezyklen an Kapazität verliert, wird der Ilma Bojadzic
Da sich die Wärme über die Zeit im Batterie- Alterungs- bzw. Gesundheitszustand mit fol- Gründerin & Leiterin encore | DB
modul verteilt und angleicht, muss nicht die gender Formel bestimmt: DB Bahnbau Gruppe GmbH,
Temperatur jeder Einzelzelle gemessen wer- Frankfurt am Main
den. Bei Überschreitung der zulässigen Tem- ilma.bojadzic@deutschebahn.com
peratur schaltet das BMS mittels der MOSFET
den Lade- bzw. Entladevorgang vorüberge-
hend ab, bis sich das Batteriepack wieder in Zellspannungsausgleich (Cell-Balancing)
einem sicheren Temperaturbereich befindet. Das Grundproblem bei Zellen unterschied-
Auch bei tiefen Minustemperaturen sinkt die licher Zellkapazitäten ist, dass beim Laden Roman Wangelow
Kapazität der Batterien stark ab. Daher gibt oder Entladen immer das schwächste Glied Ingenieur für Batteriespeichersysteme
es Vorwärmsysteme, die die Batterietempe- in der Kette – also die Zelle mit der gerings- encore | DB
ratur in einen günstigen Temperaturbereich ten Kapazität – die Kapazität des gesamten DB Bahnbau Gruppe GmbH, Berlin
führen. Batteriemoduls bestimmt. Das BMS gleicht roman.wangelow@deutschebahn.com
136 EI | SEPTEMBER 2022Sie können auch lesen
