Superkondensatoren, auch Supercaps genannt, können innerhalb kürzester Zeit sehr viel Leistung aufnehmen und bereitstellen, ohne dass ihre Lebensdauer leidet. Allerdings ist ihre Energiedichte gering, die Kapazität ist also schnell ausgeschöpft. Lithium-Ionen-Batterien dagegen weisen eine hohe Kapazität auf, kommen aber mit kurzzeitigen Lastspitzen nicht gut zurecht. Denn dabei entsteht Hitzestress, der sie schneller altern lässt.
Speichertechnologien kombinieren
In vielen Anwendungen – etwa bei elektrischen Transport- und Baumaschinen – kann es sinnvoll sein, beide Speichertechnologien zu kombinieren: die Batterien für den Dauerbetrieb, die Superkondensatoren für Spitzenlasten wie die Rekuperation, also das Rückgewinnen von Bremsenergie.
Allerdings war es bislang nur schwer möglich, verlässlich zu prognostizieren, wie sich die Koppelung mit einem Superkondensator auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt – was die Entscheidung für ein solches System und auch dessen Auslegung erschwert. „Dieses Defizit haben wir nun mit unserem gemeinsamen Forschungsprojekt beseitigt: Unser Werkzeugkasten liefert aussagekräftige Daten, mit denen potenzielle Anwender ihre Entscheidung für oder gegen eine Kopplung der beiden Technologien auf gesicherter Grundlage treffen können“, sagt die Projektleiterin Dr. Wei Wei Shan beim Fraunhofer IEE.
Die Leitung des SuKoBa-Konsortiums liegt beim Superkondensator-Hersteller Skeleton Technologies. Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanziert.
Exakte Vorhersagen der Batteriealterung
Das im Projekt entwickelte Degradationsmodell ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen und Regelungsalgorithmen zu analysieren, um die mit Blick auf Lebensdauer und Kosten beste Kombination von Superkondensatoren und Batterien für ein konkretes Systemdesign und unterschiedliche Betriebsszenarien zu finden.
Dazu simuliert das Modell unter anderem das Verhalten der Batterie in einem Hybridsystem unter realistischen Betriebsbedingungen. Daraus leitet die Software eine exakte Vorhersage ihrer Alterung ab – die Voraussetzung, um durch die passgenaue Auslegung des Hybridsystems sowie maßgeschneiderte Regelungsstrategien deren Lebensdauer zu verlängern. Ebenso lässt sich mit dem Werkzeug ermitteln, ob und wenn ja in welchem Maße sich die Größe der Batterie in einem solchen System reduzieren lässt, um Kosten zu sparen.
Die Toolbox ist so flexibel gestaltet, dass neue Trends bei Batterien, Superkondensatoren und Leistungselektronik berücksichtigt werden können.
Modell basiert auf hochpräziser Simulationsumgebung
Dem Degradationsmodell liegt die vom Fraunhofer IEE entwickelte Software BaSiS (Battery Simulation Studio) zugrunde, eine hochpräzise Simulationsumgebung für dynamische Prozesse und Alterungseffekte elektrochemischer Energiespeicher. BaSiS kommt seit vielen Jahren in der Entwicklung, Prüfung und Optimierung von Zellen, Batterien, Packs, Komponenten und Managementsystemen im mobilen und stationären Bereich zum Einsatz.
Das BaSiS-Modell muss für die jeweils verwendete Batterietechnologie parametrisiert werden, um verlässliche Vorhersagen liefern zu können. Die Fraunhofer-Forscher leiten die Parameter des Batteriemodells aus konstruktiven Daten und experimentellen Messungen von Batteriezellen ab, unabhängig vom Hersteller der Batterie.
Längere Lebensdauer, höhere Wirtschaftlichkeit
Darüber hinaus haben die Forschungspartner im Rahmen von SuKoBa Regelungsalgorithmen entwickelt, mit denen sich die Leistungen der beiden Speichertechnologien passend verteilen lassen. Schließlich haben die Experten sowohl die Methoden zum Design der Hybridspeicher als auch die Regelungsalgorithmen für verschiedene Anwendungsfälle getestet und mit einem skalierten Demonstrator verifiziert.
Aus den Tests geht hervor, dass Hybridspeicher besonders vorteilhaft sind, wenn Spitzen in der Ladeleistung von hoher Amplitude und kurzer Dauer auftreten, insbesondere in größeren Systemen mit hohen Anforderungen im Bereich der Spitzenlast.
Ein Beispiel sind Trucks, die im Bergbau eingesetzt werden, die sogenannten Mining Trucks: Die Tests zeigen, dass sich die Lebensdauer der Batterie in einem passend ausgelegten Hybridsystem verglichen mit deren alleinigem Einsatz um zwanzig Prozent verlängert – bei wettbewerbsfähigen Systemkosten. Zugleich werden die elektrischen Verluste der Batterie um sechs und die thermischen Verluste um zehn Prozent reduziert. Die Batterie hat hier einen Anteil von 95 Prozent an der Speicherkapazität des Hybridsystems.
Auch in einem PKW erreicht eine Batterie 20 Prozent mehr Lebensdauer, wenn sie mit einem Superkondensator gekoppelt wird. Betrachtet man daneben auch die Investitionskosten, sind Hybridsysteme hier allerdings weit weniger wirtschaftlich als in Mining Trucks, da die Superkondensatoren in diesem Anwendungsfall 70 Prozent der Gesamtkosten ausmachen. Bei Mining Trucks entfallen auf die Supercaps nur zehn Prozent der Kosten.
„Mit unserem nun erfolgreich abgeschlossenen SuKoBa-Forschungsprojekt minimieren wir das Risiko beim Einsatz von Hybridsystemen: Unternehmen können mit unserer Toolbox vorab erkennen, ob die Kopplung einer Batterie mit einem Superkondensator für sie wirtschaftlich und technisch sinnvoll ist“, sagt Fraunhofer-Forscherin Dr. Wei Wei Shan. „So tragen wir dazu bei, solche Tandem-Speicher in Anwendungen zu bringen, in denen sie bislang noch keine oder kaum eine Rolle spielen.“
Die Ergebnisse aus SuKoBa fließen in die Entwicklung von Hybridsystemen im Rahmen der europäischen IPCEI-Forschungsinitiative European Battery Innovation (EuBatIn) ein.
