Energiespeicher Hybride Speicher haben eine längere Lebensdauer

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Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien lassen sich sehr gut kombinieren. In einem Hybridsystem können sie die Alterung reduzieren. In einem Forschungsprojekt wird ein Degradationsmodell zur Vorhersage der Batteriealterung entwickelt. Die Lebensdauer von Hybridsystemen kann um 20 Prozent gesteigert werden.

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.

In vielen Anwendungen kann es sinnvoll sein, beide Speichertechniken 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.

Exakte Vorhersagen der Batteriealterung

„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 Akkutechniken 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.

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. Es berücksichtigt sowohl die elektrochemischen Prozesse in der Batterie als auch die thermischen Effekte und die Dynamik der Lastprofile. Diese Simulationen ermöglichen es, die Alterung der Batterie präzise vorherzusagen. Dank dieser Eigenschaften lässt sich das Hybridsystem auslegen und die Lebensdauer der Batterie wird maximiert.

Eine Software dimensioniert die Batterie

Ein weiterer Vorteil dieses Modells ist die Möglichkeit, die Dimensionierung der Batterie zu optimieren. Durch den Einsatz von Superkondensatoren können Lastspitzen abgefangen werden, wodurch die Batterie entlastet wird. Das Modell kann berechnen, in welchem Maße die Größe der Batterie reduziert werden kann, ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen. Dies führt zu einer Reduzierung der Kosten und verbessert gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.

Dem Degradationsmodell liegt die vom Fraunhofer IEE entwickelte Software BaSiS (Battery Simulation Studio) zugrunde, eine hochpräzise Simulationsumgebung für dynamische Prozesse und Alterungseffekte elektrochemischer Energiespeicher. Diese Software hat sich in der Industrie als zuverlässiges Werkzeug zur Entwicklung, Prüfung und Optimierung von Batteriezellen, -packs, -komponenten und Managementsystemen sowohl in mobilen als auch in stationären Anwendungen etabliert.

Den Alterungsprozess der Batterie simulieren

Ein zentraler Aspekt der BaSiS-Software ist ihre Fähigkeit, für unterschiedliche Batterietechniken angepasst und parametrisiert zu werden. Dies ist notwendig, um präzise und verlässliche Vorhersagen über das Verhalten und die Alterung der Batterien in verschiedenen Einsatzszenarien treffen zu können. Die Parameter, die für das Batteriemodell benötigt werden, werden von den Forschern am Fraunhofer IEE aus konstruktiven Daten und experimentellen Messungen der Batteriezellen abgeleitet. Dieser Ansatz gewährleistet, dass das Modell unabhängig vom spezifischen Batterietyp oder Hersteller verlässliche Ergebnisse liefert.

Die präzise Parametrisierung des BaSiS-Modells ermöglicht es, die elektrochemischen Prozesse innerhalb der Batterie detailliert abzubilden und deren Reaktion auf unterschiedliche Betriebsbedingungen zu simulieren. Dadurch lassen sich Alterungsprozesse vorhersehen, und es wird möglich, das Design von Hybridsystemen so zu optimieren, dass die Batterie geschont und ihre Lebensdauer maximiert wird. Dies ist insbesondere in Anwendungen mit variablen Lastprofilen, wie in der Elektromobilität oder bei der Integration erneuerbarer Energien, von großem Vorteil.

Superkondensatoren und Lithium-Ionen-Batterien kombinieren

Darüber hinaus haben die Forschungspartner im Rahmen von SuKoBa Regelungsalgorithmen entwickelt, mit denen sich die Leistungen der beiden Speichertechniken optimal 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 optimal 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. (heh)

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