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.
Der Elektromobilität kommt bei der Erreichung der ehrgeizigen Ziele der Energiewende eine Schlüsselrolle zu. Die gegenwärtig verfügbaren Lithium-Ionen-Batterien sind aufgrund ihrer Energiedichten und der sich daraus ergebenden limitierten Reichweiten nur bedingt für den Einsatz in reinen Elektrofahrzeugen geeignet. Zukünftige Batteriesysteme sollten dagegen deutlich höhere Energiedichten aufweisen. Hier sind besonders Metall-Luft-Systeme zu nennen. Solche Systeme sind als Primärbatterien in kleinerem Maßstab für Elektronikanwendungen schon länger bekannt und kommerziell erhältlich. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer skalierbaren Zink-Luft-Batterie für mobile Anwendungen, die sowohl mechanisch, also durch Austausch des Elektrolyten als auch elektrisch wieder aufgeladen werden kann. Im Rahmen des Vorhabens werden von der Grillo-Werke AG Zinkpulver produziert und bereitgestellt. Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeit wird auf die Herstellung geeigneter Zinkpulverlegierungen, Partikelform und Partikelverteilung gelegt. Die Zinkpulver müssen im alkalischen Elektrolyten stabil bleiben und zu einer hohen Energiedichte führen. Die zu entwickelnden Zinkpulver werden auf Produktionsanlagen hergestellt, so dass eine spätere industrielle Herstellung direkt gewährleistet ist. Für die Slurry wird ein sehr feines und rundes Zn-Pulver mit einer engen Partikelgrößenverteilung benötigt Für die Prozessentwicklung und Herstellung in den Produktionsanlagen wird eine spezielle Atomisierungseinheit entwickelt und gebaut. Diese würde dann im Rahmen des Projektes in die Anlage zur Produktion eingebaut werden. Ferner muss für die Prozesssteuerung eine kontinuierliche Überwachung der Partikelgrößenverteilung integriert werden. In der Summe wird dafür ein Investitionsbedarf von ca. 50T€ abgeschätzt.
Für die Speicherung regenerativer Energie werden große Speicher im Bereich 5 - 1000 kWh gebraucht. Diese können in Haushalten, Wohnblocks eingesetzt werden, aber auch im Niederspannungsnetz oder an Solar- bzw. Windkraftwerken. Anforderungen an diese Speicher sind hauptsächlich - Lebensdauer - Kosten - Langfristige Verfügbarkeit der aktiven Materialien und Katalysatoren - Intrinsische Sicherheit durch wässrigen Elektrolyten - Recyclingfähigkeit aller Materialien in geschlossenen Stoffkreisläufen Dies soll erreicht werden durch den Einsatz einer völlig neuen Technologie. Zum einen wird die sehr umweltfreundliche Zink/Luft-Technologie eingesetzt. Sie garantiert hohe Energiedichten mit langer Lebensdauer bei einfacher und umweltfreundlicher Zyklisierbarkeit. Ferner wird die kostengünstige Siebdrucktechnologie im Rolle-zu-Rolle-Verfahren genutzt. Dadurch werden die Maschinenkosten und die proportionalen Herstellkosten gesenkt. Das Teilvorhaben bearbeitet zwei Stränge parallel. Zum einen werden mit den Partnern Grillo und UBt gemeinsam neue Materialien und Rezepturen für wiederaufladbare Zink/Luft-Zellen erforscht. Zum anderen wird schon zu Beginn Wert darauf gelegt, dass diese Rezepturen von den Partnern HdM und Elmeric in die Prozesse der Siebdrucktechnik integriert werden können.
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.
Lithium-Schwefel-Batterien zeichnen sich durch hohe gravimetrische Energiedichten und geringe Materialkosten im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien aus. Damit ist diese Zellchemie äußerst attraktiv für zukünftige Speicherlösungen, insbesondere zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Größte Herausforderung stellt die geringe Lebensdauer der Zellen dar. Ein Grund für die geringe Stabilität ist die Degradation der Lithium-Metall-Anode, die zur Dendritenbildung neigt und an deren Oberfläche Elektrolytzersetzung und Reaktionen mit Polysulfiden beobachtet werden. Die Herausforderung besteht in der Entwicklung neuer Konzepte durch die sich die Anode effektiv schützen und die Kontaktfläche zum Flüssigelektrolyten minimieren lassen. Ziel des Verbundvorhabens ist es daher, durch neue Komponenten und ein innovatives Zelldesign Lithium-Schwefel-Zellen mit drastisch erhöhter Stabilität zu entwickeln. In diesem Teilvorhaben sollen insbesondere ionenselektive Separatoren für die Lithium-Schwefel-Zellen entwickelt werden. Diese beschichteten Separatoren werden als Schlüsselkomponente für stabile Li-S-Zellen gesehen. Für die Entwicklung kommen neue Schichtmaterialien zum Einsatz und es werden geeignete Beschichtungstechnologien evaluiert. Für die Verarbeitung von Lithium-Anoden in Verbindung mit den neuen Separatoren wird die Entwicklung neuer Konzepte inklusive Anlagentechnik vorgeschlagen. Schwefel/Kohlenstoff-Kathoden werden an diesen Zelltyp angepasst und hinsichtlich hoher Energiedichten und maximaler Schwefelausnutzung optimiert. Test- und Prototyp-Zellen auf Basis der neuen Zellkomponenten werden am IWS aufgebaut und für umfangreiche Tests bei den Partnern zur Verfügung gestellt. Neue Gehäuseentwicklungen (EK) werden dabei begleitet und berücksichtigt. Am ICT wird neben der Herstellung und Charakterisierung von Hochenergieschwefelkathoden insbesondere die Effektivität der ionenselektiven Membranen bewertet.
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.
In 3-D-Graph wird eine zukünftige Generation von Superkondensatoren entwickelt. Diese bestehen aus Graphenelektroden mit kontrollierter Oberflächenchemie und pseudokapazitiven Materialien. Das Projekt wird in Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus Israel und Deutschland durchgeführt. Das Projekt konzentriert sich auf die nanotechnologische Synthese neuer, dreidimensional verbundener Graphenmaterialien mit verbesserter, da ungerichteter Leitfähigkeit. Zur Herabsetzung des Widerstands und Verbesserung des Benetzungsverhaltens ist weiterhin vorgesehen, die Oberflächenchemie der neuen Graphene durch gezielte, chemische Modifikation zu steuern und die Energiedichte durch die Verwendung pseudokapazitiv wirkender Materialien zu steigern. Das Projekt ist darauf angelegt, neue Herstellungsmethoden anzupassen, zu kombinieren und zu testen.
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