07. 11. 2023
Verfasst von: Ralf Benger

Auf der Suche nach der idealen Batterie

Versuchsaufbau mit zylinderförmigen Batteriezellen in einem Sicherheitsschrank — Das Batterietestzentrum der Technischen Universität Clausthal untersucht Alterungsprozesse verschiedener Batteriesysteme, um das Verhältnis von Energieinhalt und Leistung für bestimmte Anwendungen zu optimieren.

Da erneuerbare Energien aus Sonnen- und Windkraft nicht gleichmäßig ins Stromnetz eingespeist werden können, benötigen Netzbetreiber Energiespeicher, um die Netzstabilität sicherzustellen. Doch wie muss ein idealer Speicher beschaffen sein? Das ergründet das Forschungszentrum Energiespeichertechnologien der Technischen Universität Clausthal. Die Forschenden entwickeln verschiedene Batteriesysteme, testen Anwendungen und Alterungsprozesse.

Innovative Technologien und Charakterisierungsmethoden

Angesichts regenerativer Energieeinspeisung standen bisher Atom-, Kohle- oder Gaskraftwerke mit großen rotierenden Schwungmassen als Reserve zur Verfügung, um Fluktuationen auszugleichen und Stromnetze zu stabilisieren. Diese Funktion müssen zunehmend Batteriespeicher an Netzknoten übernehmen. Dabei bestehen oftmals Unklarheiten bei der Auswahl eines Speichers. Zielkonflikte gibt es insbesondere, wenn im Vergleich zum Energieinhalt hohe oder sehr hohe Leistung (Energie pro Zeit) benötigt wird. So zeigen die Projekte ReserveBatt und GridBatt des Clausthaler Forschungszentrums Energiespeichertechnologien, dass ein Speicher als Ersatz der großen rotierenden Schwungmassen (sogenannte Momentanreserve) ein Leistungs- zu Energieverhältnis von 100 Watt pro Wattstunde haben sollte, wenn das System ideal ausgelegt wird. Diesen idealen Speicher suchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den Projekten GridBatt und INNOBATT.

Batterien charakterisieren und optimieren

Vielversprechende Ansätze zeigen Aluminium-Ionen-Batterien: Sie sind bei akzeptablen Energiedichten und 500.000 Zyklen mit sehr hohen Lade- und Entladeraten von 100 Ampere pro Amperestunde (Ladezeiten unter einer Minute) sehr stabil. Das Forschungszentrum arbeitet gemeinsam mit Partnern an der Charakterisierung und Optimierung der Batterien und erschließt Anwendungsoptionen. Die Teams bestimmen zum Beispiel Speicheranforderungen für dynamische Netzanforderungen und ermitteln Benchmarks für unterschiedliche Technologien wie Superkondensatoren, Lithium- und Aluminium-Ionen-Batterien. Dazu entwickeln sie Testverfahren für Laborzellen bis hin zu kommerziellen Hochleistungszellen-, -modulen und -systemen.

Auf einem Monitor zeigen Kurven die Volumenänderung von Batterien während des Betriebs. Eingeblendet ist eine einzelne Zelle mit Messfaser. — Beim Auf- und Entladen dehnt sich eine Batteriezelle aus oder schrumpft. Mit der Alterung oder bei Batteriefehlern wird diese Dehnung immer größer. Faseroptische Sensor-Messtechnik hilft dabei, diese Vorgänge zu erfassen.

Testzentrum untersucht Alterungsprozesse

Das Batterietestzentrum stellt eine leistungsstarke, innovative Infrastruktur zur Verfügung, die für Performance- und Alterungsuntersuchungen moderner Batteriesysteme in elektrischen und thermischen Grenzbereichen notwendig ist (etwa Modulprüfstände für Ströme bis 2.400 A oder impedanzbasierte Zellcharakterisierung). Bei der Batterieentwicklung und -charakterisierung wird im Projekt HoLiSens gemeinsam mit dem Fraunhofer HHI faseroptische Messtechnik eingesetzt, um beispielsweise eine verstärkte Alterung oder Batteriefehler frühzeitig zu erkennen. Damit können Schnelllade-Verfahren entwickelt werden, die gezielt auf die Temperaturerhöhung und Ausdehnung der Batterien beim Ladevorgang reagieren.