Kühlsysteme im Vergleich Kühlung für Energiespeichersysteme: Flüssigkeit vs. Luft

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Die rasante Entwicklung von Batterietechnologien hat die Effizienz und Leistung von Batterie-Energiespeichersystemen (BESS) erheblich verbessert. Dennoch bleibt die Wärmeableitung eine entscheidende Herausforderung für die Stabilität und Lebensdauer solcher Systeme. Zwei gängige Methoden zur Kühlung von Batterien sind Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung.

Die Umsetzung von Nachhaltigkeit in der Industrie ist nach wie vor ein ambivalentes Thema, insbesondere für produzierende Unternehmen. Die Automobilbranche ist davon nicht ausgenommen – der Automobilzulieferer Voss Automotive forscht und entwickelt daher zunehmend an nachhaltigen Technologien, auch außerhalb des Fahrzeugsektors, um gemeinsam mit seinen Kunden an einer umweltfreundlichen Zukunft zu arbeiten. Im Bereich des Thermomanagements für Elektrofahrzeuge aber auch insbesondere im neuen Marktsegment Batterie-Energiespeichersystemen (BESS) konnten große Fortschritte erzielt werden: Optimierte Kühllösungen erhöhen die Leistung und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien und machen diese Schritt für Schritt effizienter und sicherer. Ob die Luft- oder Flüssigkeitskühlung die bevorzugte Lösung ist, wird in der Branche stark diskutiert – hier einige Vor- und Nachteile beider Systeme.

Vor- und Nachteile von Luftkühlung

Luftkühlungssysteme sind einfach zu implementieren, da sie weniger komplexe Leitungssysteme oder Pumpen benötigen. Sie basieren auf dem Prinzip der Luftzirkulation, welche die Wärme von den Komponenten ableitet. Die Effizienz der Luftkühlung hängt von der Luftzirkulation und der Geschwindigkeit des Luftstroms ab – diese kann durch Strömungssimulationen vor der Implementierung getestet und optimiert werden. Abdichtungen spielen hier eine wichtige Rolle, um Luftentweichung zu verhindern, erfordern in der Regel jedoch wenig Wartungsaufwand. Durch die geringen technologischen Komponenten in Luftkühlungssystemen sind hier die Kosten niedriger als bei Flüssigkeitskühlsystemen.

Der wohl größte Nachteil liegt in der begrenzten Kühlleistung und deren Folgen: Da Luft eine niedrigere Wärmekapazität als Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch hat, ist die Fähigkeit zur effizienten Wärmeableitung begrenzt. Dies kann zu ungleichmäßiger Kühlung und damit zu Hotspots führen, was sich unter anderem auf die Zellalterung auswirkt. Unterschiedliche Wärmebelastungen beeinträchtigen die Batteriezellen ungleich und beeinflussen die Leistungsfähigkeit. Außerdem bieten Luftkühlsysteme weniger Anpassungsmöglichkeiten, was insbesondere bei variablen Betriebsbedingungen zu Problemen führen kann.

Vor- und Nachteile von Flüssigkeitskühlung

Die Leitfähigkeit der Medien in Flüssigkeitskühlsystemen variiert je nach Zusammensetzung: In der Automobilindustrie setzen Unternehmen in der Regel auf eine 50:50-Mischung aus Wasser und Glykol, aber auch andere Mischverhältnisse sind stark verbreitet. Für alle gängigen Medien in der Flüssigkeitskühlung gilt jedoch, dass sie eine höhere Wärmekapazität und -leitfähigkeit aufweisen als Luft. Dadurch wird dem Energiespeichersystem eine bessere Verteilung und Abführung der entstehenden Wärme aus Batteriezellen ermöglicht. Dieser Vorteil ist nicht zu unterschätzen, weil so nicht nur das Risiko von Hotspots verringert, sondern auch die Gesamtleistung und Lebensdauer von Batterien signifikant erhöht wird. Hinzu kommt die gesteigerte Flexibilität beim Einsatz von Kühlflüssigkeiten: Durch die Variation von Flüssigkeitszusammensetzung und -strömung können die Systeme sehr individuell und situationsbedingt an spezifische Anforderungen angepasst und die Kühlleistung je nach Betriebsbedingungen optimiert werden. Insgesamt sind Flüssigkeitskühlsysteme in signifikantem Maß leistungsfähiger als Luftkühlungen – und das, obwohl für Komponenten wie den Chiller, den Radiator und die Pumpe Nebenleistung benötigt wird.

Nachteile der Flüssigkeitskühlung sind ausschließlich in der Komplexität der Energiespeichersysteme zu finden: Der geschlossene Kreislauf aus Leitungen, Pumpen und Chiller kann Installations- und Wartungskosten erhöhen. Die besondere Herausforderung liegt allerdings in der sorgfältigen Abdichtung der Systeme – mit dieser Anforderung hadern derzeit viele Hersteller und betrachten die Flüssigkeitslösungen mit Vorsicht. Voss Automotive ist auf derartige Lösungen spezialisiert und bringt seine langjährige Expertise in die Entwicklung und Produktion von medienführenden Systemen mit ein. Der Automobilzulieferer ist Vorreiter für die Auslegung von Systemkonstruktionen mit höchster Dichtheit. So gehört eine dauerhafte Leckagefreiheit an den Verbindungsstellen auch bei höchster Belastbarkeit zu den Grundanforderungen der Voss Leitungssysteme – einige Verbindungstechniken wie das doppelseitige Auslaufstoppventil wurden speziell für diese Anforderung entwickelt.

Die Wahl zwischen Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung für Batterie-Energiespeichersysteme hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Leistungsanforderungen, Umgebung, Kosten und Wartungsaspekte. Idealerweise sollte die Auswahl der Kühlmethode durch eine gründliche Bewertung der spezifischen Anforderungen und Prioritäten des jeweiligen Projekts geleitet werden. In vielen Fällen kann auch eine Kombination beider Methoden in Form von Hybridkühlsystemen in Betracht gezogen werden, um die Vorteile beider Ansätze zu nutzen. Die Gegenüberstellung zeigt, dass das Potenzial von Batteriespeichersystemen noch lange nicht ausgeschöpft ist: Die Innovationsqualität und -geschwindigkeit werden maßgeblich zum Erfolg der Energiewende beitragen. Und auch in industriellen Anwendungsbereichen, beispielsweise als Stromspeicher für erneuerbare Energien oder Ersatz für Notstromaggregate, steht die Technologie erst am Anfang und birgt noch viele Einsatz- und Entwicklungsmöglichkeiten. (tk)

* Marvin Chlench ist Business Development Manager bei Voss Automotive.

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