Dem weltweit steigenden Energiebedarf für Produktion oder Privathaushalte und der größer werdenden Anzahl zugelassener Fahrzeuge, die schädliche Abgase ausstoßen, stehen der Klimawandel und das gesteigerte Umweltbewusstsein unserer Gesellschaft gegenüber. Als Folge wird die Nachfrage nach verbesserten Technologien bei der Energiespeicherung, erneuerbaren Energien und effizienten Antriebstechnologien immer größer. Dieser Trend treibt die Entwicklung neuer Technologien und Produktionsprozesse an. Diese müssen aufgrund der Vielfalt möglicher Anwendungsbereiche sehr unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Je nachdem, wie lange die erzeugte Energie gespeichert werden soll und je nach Anzahl der Auf- und Entladungen, sind verschiedene Technologien in Erwägung zu ziehen. Häufig kommt dabei Vakuumtechnologie zum Einsatz.
Zu den bekanntesten Energiespeichern zählen Lithium-Ionen-Batterien. Der Begriff steht für eine breite Kombination aus Materialien für Anoden, Kathoden und Separatoren sowie Batterien in verschiedenen Formen – flexible Pouch-Zellen, formfeste zylindrische oder prismatische Zellen. Lithium-Ionen-Batterien werden in vielen Endprodukten verwendet, die langfristige Energiespeicherung erfordern. Durch ihr geringes Gewicht und die hohe Energiedichte werden sie insbesondere für mobile Geräte sowie im Bereich der Elektromobilität eingesetzt. Unabhängig vom Batterietyp wird Vakuumtechnologie für viele Fertigungsstufen in der Batterieherstellung benötigt.
Eine handelsübliche Lithium-Ionen-Batterie besteht aus einer Anode, einer Kathode, einem Separator und dem Elektrolyt. Die Zellen sind in einem Gehäuse angeordnet. Die Dichtheit dieser Gehäuse ist dabei entscheidend, da das Elektrolyt mit Feuchtigkeit stark reagiert. Deswegen werden Batterien vor dem Befüllen mit Elektrolyt auf Lecks getestet (zylindrische und prismatische Zellen sind geschweißt). Für eine präzise und zuverlässige Lecksuche eignet sich die Dichtheitsprüfung mit dem Prüfgas Helium dank ihrer hohen Empfindlichkeit sowie den wiederholbaren Ergebnissen.
Lecksucher für die Dichtheitsprüfung
Mit 50 Jahren Erfahrung in der Lecksuche bietet Vakuumspezialist Pfeiffer Vacuum auch geeignete Lösungen für die Prüfung von Lithium-Ionen-Batterien. So enthält das Portfolio von Pfeiffer Vacuum unter anderem modulare Lecksucher. Diese können leicht in automatisierte Systeme integriert werden, wie sie bei der industriellen Fertigung von Batterien eingesetzt werden. Die Dichtheitsprüfung mit Helium ist auch aus anderen Bereichen bekannt: Mit diesem Verfahren werden beispielsweise in der Automobilindustrie Klimaanlagen und Kraftstoffleitungen geprüft.
Aber auch für Verpackungen von Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten ist die Dichtheit entscheidend, um das Eindringen von Feuchtigkeit und Sauerstoff zu verhindern.
Vakuum in der Batterieherstellung
Vakuum wird auch bei weiteren Schritten der Batterieherstellung eingesetzt: Auch hier ist entscheidend, dass die einzelnen Teile vor der Montage trocken sind. Das gilt genauso für die Elektroden, die als Folienmaterial produziert und dann aufgerollt oder gefaltet werden. Die Rollen oder Stapel werden unter Vakuum getrocknet. Um eine sehr geringe Restfeuchtigkeit zu erreichen, wird der Druck unter der Zuführung von Wärme auf unter 1 · 10-1 hPa gesenkt.
Bei der Befüllung der Zelle mit Elektrolyt spielt Vakuum eine wichtige Rolle. Restfeuchtigkeit und Inertgase werden bei der Evakuierung entfernt und ungewollte Gaseinschlüsse somit vermieden. Pfeiffer Vacuum bietet für jeden Produktionsschritt die passende Pumpe: ölfreie mehrstufige Wälzkolbenpumpen (A4H-Serie) oder trockene Schraubenpumpen (HeptaDry). Letztere lassen sich leicht mit den OktaLine-Wälzkolbenpumpen kombinieren, um ein hohes Saugvermögen zu erreichen. Schrauben- und Wälzkolbenpumpen werden beispielsweise auch in Trocknungsprozessen der chemischen Industrie genutzt.
Vakuum für die Schwungradtechnologie
Auch für die kurzfristige Energiespeicherung entsteht derzeit eine neuartige Technologie: mechanische Schwungradspeicher, die als stationäre wie mobile Systeme in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen. Stationäre Schwungradsysteme dienen beispielsweise der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) in Datenspeicherzentren und Krankenhäusern. Netzausgleichsfunktionen gewinnen angesichts der verstärkten Nutzung von Solar- und Windenergie an Bedeutung und können von Schwungradsystemen unterstützt werden. Eine lange Lebensdauer, selbst bei zahlreichen Ladezyklen, sowie die Möglichkeit, gespeicherte Energie unmittelbar bereitzustellen, machen sie zur geeigneten Wahl.
Mobile Schwungradsysteme sind ein vielversprechender Ansatz für effiziente Antriebstechnologien in Autos, Bussen und anderen Fahrzeugen: Hier wird Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt, die dann wiederum den Schwungradspeicher antreibt. Sobald das Fahrzeug beschleunigt, dient der Massenspeicher als Generator und speist einen elektrischen Antrieb, der den konventionellen Antrieb unterstützt. Das schnell rotierende Schwungrad befindet sich in einem Vakuum, um Verluste durch Luftreibung und Wärmeentwicklung zu minimieren.
Schwungradmassenspeicher werden im Motorsport bereits seit mehreren Jahren genutzt. Und auch immer mehr Betreiber öffentlicher Transportmittel setzen diese Technologie wegen ihres hohen Einsparpotenzials ein. Der mobile Schwungradmassenspeicher ist besonders für den Stadtverkehr mit seinen häufigen Brems- und Beschleunigungszyklen interessant. Durch die Technologie ist eine erhebliche Kraftstoffeinsparung möglich. Die grundlegenden Prinzipien der Energiespeicherung mithilfe einer rotierenden Masse sind zwar leicht verständlich, das Design eines effizienten und sicheren Systems ist jedoch eine große Herausforderung.
Einer der Hauptbestandteile eines Schwungrads ist der Rotor. Er besteht üblicherweise aus gehärtetem Stahl oder faserverstärktem Kunststoff. Die Auswahl des richtigen Materials stellt eine Herausforderung dar: eine hohe spezifische Festigkeit bei enormen Kräften muss ebenso gewährleistet werden wie ein niedriges Elastizitätsmodul, um die engen Toleranzen einzuhalten und eine hohe Energiedichte zu ermöglichen. Die Drehzahl des Rotors kann mehrere zehntausend Umdrehungen pro Minute betragen. Einige Modelle erreichen sogar bis zu 90.000 Umdrehungen pro Minute. Aufgrund dieser Drehzahlen wird eine hohe Energiedichte erreicht.
Das Lager des Rotors ist entweder mechanisch oder magnetisch ausgeführt und sollte während des Betriebs minimale Reibung aufweisen. Das Gehäuse hat auch bei einem Defekt des Rotors die Sicherheit zu gewährleisten. Der Abstand zwischen Rotor und Gehäuse muss zudem groß genug sein, sodass sich der Rotor bei dynamischem und thermischem Druck ausdehnen kann. Ein integrierter Elektromotor, der auch als Generator betrieben werden kann, sorgt für die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Der Schwungradspeicher wird im Motorbetrieb geladen, entladen hingegen im Generatorbetrieb.
Um die Effizienz eines Schwungrads als Energiespeicher zu sichern, müssen Reibungsverluste auf ein Minimum reduziert werden. Dazu wird das Schwungradgehäuse mithilfe von Vakuumpumpen evakuiert. Typische Enddrücke liegen zwischen 1 · 10-1 und 1 · 10-3 hPa oder darunter. So lassen sich Wärmegenerierung und Energieverluste deutlich reduzieren. Wegen der konstanten Gaslast durch kleine Lecks und die Gasabgabe des Rotors ist jedes Schwungradsystem mit Vakuumpumpen ausgestattet. Aufgrund ihres niedrigen erreichbaren Enddrucks, ihrer hohen Zuverlässigkeit und den geringen Betriebskosten sind zweistufige Drehschieberpumpen optimal für diese Anwendung. Bei Systemen mit relativ hoher Gaslast oder einem anvisierten Enddruck unter 1 · 10-3 hPa ist zusätzliches Vakuumequipment notwendig. Dazu wird das System meist um Turbopumpen ergänzt. Sie liefern ein hohes Saugvermögen auch im tiefen Druckbereich bei geringem Energieverbrauch.
Die Vakuumpumpen im Schwungradsystem müssen hohe Anforderungen erfüllen: Am wichtigsten sind Kompaktheit, niedriger Enddruck und geringer Stromverbrauch. Mit den zweistufigen Drehschieberpumpen der DuoLine und den HiPaceTurbopumpen bietet Pfeiffer Vacuum Lösungen für die Anforderungen von Schwungradspeichern. Die Spezialversion der Duo 3 mit einem neuartigen Gleichstromantrieb kann mit 24 V DC betrieben werden und arbeitet im Temperaturbereich zwischen -20 °C und +60 °C. Somit ist sie für mobile Schwungradanwendungen sehr geeignet.
Vorreiter der Energiespeicher-Technologie
Levisys – französischer Pionier in der Entwicklung von Energiespeichersystemen – nutzt bei Versuchen und Entwicklungen Lösungen von Pfeiffer Vacuum. Das Start-up-Unternehmen entwickelte ein stationäres 10 kWh-Schwungrad-Speichersystem und implementierte es am Produktionsstandort von Engie Ineo, einem großen französischen Unternehmen der Elektrotechnik, in Toulouse. Das Unternehmen betreibt ein sogenanntes Smart Grid, in dem ein stationäres Schwungradsystem genutzt wird, um Schwankungen bei der Energieversorgung auszugleichen. So trägt die neue Speichermethode für Elektrizität zur regulären Stromversorgung des Produktionsstandorts bei. Sie ergänzt die Lithium-Ionen-Batterien, die bisher zur Energiespeicherung genutzt wurden. Nach einer ersten Testphase werden im Jahr 2016 neun weitere stationäre Schwungrad-Speichersysteme installiert. Mit ihnen wird eine Speicherkapazität für 100 kWh erreicht.
In den stationären Schwungmassenspeichern von Levisys sind DuoLine-Drehschieberpumpen, HiPace-Turbopumpen sowie Vakuummessröhren im Einsatz, um Vakuum zu generieren und zu messen. Die Anforderungen an das Vakuumequipment sind hoch: Neben Zuverlässigkeit sind eine niedrige Leistungsaufnahme und geringe Abmessungen entscheidend.
