Blockheizkraftwerke (BHKW) eignen sich besonders für dezentrale Strom- und Wärmekonzepte und bilden eine effiziente Regelenergiequelle für virtuelle Kraftwerke. Es ist daher notwendig, die Erzeugung von Strom und Wärme durch geeignete Speichersysteme im Tageslastgang weitestgehend zu entkoppeln. Latentwärmespeicher (LWS) ermöglichen im Vergleich zu Wasserspeicher höhere Speicherdichten, kommen aber aufgrund hoher Kosten bislang kaum zum Einsatz. Für kompakte Systemlösungen aus Klein-BHKW und Speicher wären jedoch höhere Speicherdichten jedoch wünschenswert. Zielstellung des Projektes ist daher die Untersuchung von Makroverkapselungen für Latentspeichermedien (PCM) auf der Basis von Beutelverpackungen, mit denen die Speicherkosten reduziert werden können. Durch eine modulare Bauweise des Speichers wird zudem eine Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle ermöglicht.
Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.
Um eine erfolgreiche Marktdurchdringung von Elektroantrieben zu ermöglichen, ist es notwendig, die Energiedichte von Batterien für höhere Reichweiten deutlich zu steigern. Hierzu ist es notwendig an neuartigen Elektrodenaktivmaterialien zu forschen, die über das Stadium der aktuellen Lithium-Ionen Technologie hinausgehen. Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und potentiell geringeren Materialkosten im Vergleich zu Li-Ionen-Batterien aus, sie sind aber noch im Forschungsstadium. Im Rahmen des Projekts SepaLiS sollen die Komponenten einer Lithium-Schwefel Zelle erforscht und entwickelt werden, mit dem Ziel am Ende der Projektlaufzeit eine Prototypenzelle mit einer Energiedichte von 400 Wh/kg und einer Zyklenstabilität von größer als 500 Zyklen darzustellen. Das besondere Interesse von BMW liegt in der Erforschung des Potentials von Lithium-Schwefel Zellen für teil- und vollelektrische Serienfahrzeuge. Gleichzeitig wird darauf geachtet die Sicherheit von Lithium-Schwefel Zellen zu bewerten, da eine Verringerung des aktuellen Sicherheitsstandards für neue Generationen von HV-Speichern ausgeschlossen ist. BMW wird aus den aktuellen Anforderungen an Elektrofahrzeuge Ableitungen zu Sicherheitsanforderungen und Schutzmaßnahmen, Systemvorgaben und Zelldesign vornehmen und kontinuierlichen Input zu den F&E Arbeiten liefern. Gemeinsam mit den Projektpartnern wird BMW eine zielgerichtete Testmatrix erstellen, um die Zellen zu validieren. Nach Aufbau der Prototypen-Zellen durch die Projektpartner wird BMW mit den realisierten Zelldaten eine Hochrechnung von Zellniveau auf Batteriepackniveau vollziehen. Am Ende des Vorhabens wird BMW durch Zelltests der Prototypenzellen die Erfüllung der Kriterien, die zu Beginn des Projekts vermittelt wurden, abgleichen und stimmt mögliche Einsatzszenarien im Automotive-Bereich ab. Die Konsortialführerschaft übernimmt der Fraunhofer Institut IWS in Dresden.
Brückner wird anhand von den gestellten Anforderungen an die Applikationen mit den beteiligten Projektpartnern geeignete Folienrohstoffe selektieren und auf deren Verstreckbarkeit testen. Zur spezifizierten Auswahl kommen Laborextrusion und Laborreckrahmen zum Einsatz. Die gewonnen Erkenntnisse werden anschließend auf die Pilotanlage von Brückner übertragen um Rollenware für die Kondensator-Herstellung zu produzieren. Die so hergestellten Folien gehen dann an die Projektpartner Electronicon, wo die Folie metallisiert werden und anschließend in der Gesamtvorhabensbeschreibung genannten Kondensatoren verbaut werden. Diese Kondensatoren gehen dann in die Endanwendungstest zu Siemens. Diese Vorgehensweise des Projektes bildet die gesamte Herstellungskette von der Entwicklung der Nanopartikelcompounds und/oder Polymercompounds über die Folienentwicklung, des Kondensatorbaus bis hin zur Endanwendung in HGÜs ab.
Entscheidend für den Erfolg von mobilen Energiespeichern sind deren volumetrische und gravimetrische Energiedichte. Zu deren Erhöhung werden einerseits hochkapazitive Aktivmaterialien entwickelt, andererseits können deutliche Steigerungen durch hohe Aktivmaterialanteile und Massenbeladungen erzielt werden. Den entscheidenden Einfluss auf die resultierende volumetrische Energiedichte hat der Prozess der Verdichtung: die Kalandrierung. Neben der signifikanten Verringerung des Schichtvolumens führt die Verdichtung zur deutlichen Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit von Beschichtungen mit intrinsisch gering leitfähigen kathodischen Aktivmaterialien. Weiterhin können die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessert werden: Zum einen ist die Haftfestigkeit innerhalb der Schicht und an der Grenzfläche zum Substrat bedeutend für die weiterführende Handhabbarkeit und zum anderen beeinflussen die plastische und elastische Verformbarkeit die Stabilität der Elektroden gegenüber den ionischen Ein- und Auslagerungsprozessen. Die deutliche Verringerung der Porosität reduziert jedoch die elektrochemisch aktive Oberfläche und die für die Ionendiffusion notwendigen Transportkanäle. Ein wichtiges Ziel der Kalandrierung ist dementsprechend die Optimierung der Porenstruktur. Folglich ist das Prozessverständnis entscheidend, um gezielt die optimale Poren- und Partikelstruktur sowie günstige mechanische Eigenschaften einstellen zu können. Ziel des Teilvorhabens ist es über eine umfangreich elektrochemische Charakterisierung die Abhängigkeit der elektrochemischen Performanz in Bezug auf den Prozessschritt der Kalandrierung zu verstehen. Daraus soll anschließend ein Struktur-Eigenschafts-Modell abgeleitet werden, welches als Entscheidungstool dienen kann, um eine bestmögliche elektrochemische Performanz in Abhängigkeit der Parameter des Kalandrierprozesses zu erreichen.
In ProKal untersucht das iPAT die Kalandrierung energiereicher, kontinuierlich und absatzweise beschichteter Kathoden sowie Anoden mit hohen Flächengewichten und hochkapazitiven Aktivmaterialien NMC622 sowie Si-Graphit. Zur Erhöhung der beschränkten Leitfähigkeit der Dickschichtelektroden werden verschiedene Leitadditive getestet. Im Anschluss wird das Verdichtungsverhalten kontinuierlich und absatzweise beschichteter energiereicher Elektroden sowie die Möglichkeiten zur Steigerung der Elektrodenperformance, aber auch der Bahngeschwindigkeit und somit der Produktivität untersucht. Die Prozessdaten dienen mit den ausführlichen Ergebnissen zur Produktcharakterisierung der Weiterentwicklung sowie Kalibrierung eines schon am iPAT erarbeiteten Prozess-Struktur-Eigenschaftsmodells für Elektroden vergleichsweise geringer Schichtdicken. Anoden und Kathoden mit vielversprechendster Struktur sollen miteinander zu Zellen verbaut und elektrochemisch untersucht werden, um die Elektroden und das Produkt Zelle global hinsichtlich der erzielten Energiedichte sowie der elektrochemischen Leistungsfähigkeit zu bewerten. Das iPAT stellt in AP1 in Zusammenarbeit mit dem MEET NMC622-Kathoden und Si-Graphit-Anoden mit hohen Massenbeladungen her sowie testet den Einsatz von Leit- und Poren-Additiven. In AP 2 wird das Verdichtungsverhalten der Elektroden bei kontinuierlicher und absatzweiser Kalandrierung untersucht und der Prozess zur Verbesserung der Produktivität und Weiterverarbeitung variiert. Die Elektroden werden in AP 3 zusammen mit den Projektpartnern hinsichtlich der Struktur sowie der resultierenden elektrochemischen Performance und Weiterverarbeitungseigenschaften analysiert, um schließlich die Elektroden zu Zellen maximaler Energiedichte zu kombinieren. AP 4 widmet sich der gemeinsamen Modellierung der Zusammenhänge zwischen Maschine, Prozess, Produktstruktur und -eigenschaft sowie Prozesskosten.
Ziel des Gesamtvorhabens ist es, durch neue Komponenten und ein innovatives Zelldesign Lithium-Schwefel-Zellen mit drastisch erhöhter Stabilität zu entwickeln. Ziel dieses Teilvorhabens ist es, dabei die Risiken von Lithium-Schwefel-Batterie-Zellen unter Berücksichtigung der Einflüsse beim Transport und im Fahrzeug-Einsatz, einzuschätzen. Das soll dazu beitragen das Risiko mit vertretbarem Aufwand durch zellinterne und externe Schutz-Maßnahmen auf ein gesellschaftlich akzeptables Maß zu begrenzen. Eine Zelle mit 400 Wh/kg über 500 Zyklen als Prototyp für automobile Anwendungen soll als finales Gesamt-Projektergebnis demonstriert werden. Die Erreichung dieses Ziels, verbunden mit einer Einschätzung zur Sicherheit im Vergleich zu Lithium-Ionen-Zellen, wäre ein wichtiger Meilenstein für die Etablierung der Li-S-Technologie für Elektrofahrzeuge. Die SGS arbeitet in AP1 (Zelldesign und Zielvorgaben) und im AP 7 (Tests und Evaluierung) mit. SGS koordiniert außerdem AP 7. Arbeiten des Teilvorhabens: Sicherheit: Anforderungen, Schutzmaßnahmen, Tests und Evaluierung Zelle, Rückschlüsse auf Zellverbund.
Das Impulsprojekt LiMaProMet beschäftigt sich mit der Verbesserung von Interkalationsmaterial-basierten Akkumulator-Kathoden sowie dem Thermomanagement von Batteriezellen. Dabei wird parallel eine geeignete, produktionsbegleitende Qualitätssicherung ausgearbeitet, die auf die speziellen Aspekte des für das Projekt charakteristischen dreidimensionalen Elektrodenaufbaus fokussiert. Hierbei kommen auch Methoden der künstlichen Intelligenz (selbstlernende Algorithmen) zum Einsatz. Für die hochperformanten Elektroden werden zwei neue, innovative Wege verfolgt, um Elektroden mit Fokus auf einer hohen gravimetrischen bzw. volumetrischen Leistungs- bzw. Energiedichte zu entwickeln. Dabei werden außerdem die Aspekte Energieeffizienz, Zyklenfestigkeit und Sicherheit mit berücksichtigt. Zum einen kommt ein von der Hochschule Aalen entwickeltes, völlig neues galvanotechnisches Verfahren zum Einsatz, das es erlaubt, auf die sonst erforderlichen Leitfähigkeits- und Binderadditive zu verzichten. Dadurch sind konzeptbedingt erhöhte Energie- und Leistungsdichten möglich. Alternativ dazu wird der klassische Ansatz der Aufbringung eines Slurries aus Aktivmaterial, Leitfähigkeits- und Binderadditiv auf die Beschichtung/Infiltration zellularer Trägermaterialien erweitert. Dies ermöglicht die Realisierung erhöhter Flächenbeladungen, wodurch die Energiedichte der Elektroden gesteigert werden kann. Im Rahmen des Projekts sollen geeignete Infiltrationsverfahren in Kombination sowohl mit heute bereits eingesetzten als auch zukünftigen Hochenergiematerialien ermittelt werden. Als weiterer Ansatz zur Verbesserung der Zellperformance, vor allem unter hohen Stromraten (Hochleistungsanwendungen und Schnellladeszenarien) bzw. zur weiteren Verbesserung der Zellsicherheit wird die Eignung von Phase-Change-Materials für das Thermomanagement des gesamten Zellpacks untersucht. Dies erfolgt zunächst durch Modellierung und Simulation sowie nachfolgend durch Validierung und Erprobung.
Grundsätzlich können Stapelzellen wegen ihres homogenen Aufbaus Vorteile gegenüber gewickelten Zellen haben. Daneben weisen gestapelte Zellen durch die bessere Raumausnutzung eine um 2-5 % höhere Zellkapazität auf. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen. Die Manz AG wird nach Evaluierungs- und Designphase eine demonstratorische Stapelanlage entwickeln, diese bauen und im Betrieb qualifizieren. Es ist geplant, diesen Demonstrator an der Forschungsproduktionslinie (FPL) am ZSW zu betreiben. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, den Nachteil des geringeren Durchsatzes eines Staplers im Rahmen der geplanten Arbeiten mindestens zu kompensieren. Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln erzielt werden. Eine abschließende Evaluierung der Herstellkosten in einer Massenproduktion soll die Ergebnisse für die schnelle wirtschaftliche Übertragung und kommerzielle Verwertung im Vergleich zu herkömmlichen Materialien und Prozessen vorbereiten. Der Nachweis verbesserter Leistungsdichten, Zyklenfestigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber bisherigen Lithium-Ionen-Zellen ist ebenso ein Zielkriterium.
Gesamtziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung, Charakterisierung und Qualifizierung eines neuartigen Energiespeichers auf Basis eines Al-Ionen-Batteriesystems mit hoher Energiedichte (300 Wh/kg, 690 Wh/l ) für mobile Anwendungen als alternatives Konzept gegenüber den etablierten, aber auch den in der Entwicklung befindlichen Li Ionen-Systemen. Das Vorhabensziel wird in den Teilbereichen der Synthese und Charakterisierung eines geeigneten Kathodenmaterials (FhG IISB/THM Freiberg , FhG IZM Berlin), der Bewertung von Al-Legierungen für den Einsatz als Anode insbesondere im Hinblick auf der Vermeidung von Passivierungsschichten (DFI Frankfurt), der Entwicklung und Testung entsprechender Elektrolytsysteme (TU Clausthal, IoLiTec GmbH Heilbronn) und der elektrischen und elektrochemischen Analyse des Gesamtsystems in etablierten Mikrotestzellen (FhG IZM Berlin) gemeinsam durch die Verbundpartner umgesetzt. Darüber hinaus wird bereits in diesem frühen Stadium der Material- und Systementwicklungen ein Verwertungspfad derartiger innovativer Batteriesysteme erarbeitet und erste Konzepte für deren Umsetzung im Verbund erstellt (PEM der RWTH Aachen).
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 227 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 87 |
| Zivilgesellschaft | 5 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 227 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 227 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 218 |
| Englisch | 22 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 1 |
| Keine | 60 |
| Webseite | 166 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 98 |
| Lebewesen und Lebensräume | 98 |
| Luft | 154 |
| Mensch und Umwelt | 227 |
| Wasser | 59 |
| Weitere | 227 |