Powercaps: Sprinter und Marathonläufer für Industrie und Energiewende

Hybridspeicher vereinen die Vorteile von Batterie und Ultrakondensator / KIT entwickelt Powercaps als Energie- und Stromspeicher

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Der Sprinter und der Marathonläufer in einem – beim Menschen wird man dieses Phänomen auf gutem Niveau wohl kaum antreffen. Zu speziell sind die Anforderungen. Bei Energiespeicher-Technologien ist die Kombination von Marathonläufer und Sprinter hingegen möglich – und für die Energiewende, aber auch für viele Industrieanwendungen, mehr als sinnvoll. Jetzt entwickelt das Karlsruhe Institut of Technology in einem vom Land Baden-Württemberg  geförderten Projekt, Stromspeicher, die die Stärken beider Lösungen nutzen: Powercaps.

KIT entwickelt Powercaps als Hybridspeicher für Industrie und Energiewende

Modulherstellung der Powercaps: Ein Roboter verschweißt einzelne Zellen zu Modulen, die anschließend zu einem Energiespeicher verschaltet werden. (Bild: KIT)

Stromspeicher und Energiewende News, 30. Dezember 2015.Dabei ist der Marathonläufer der typische Batteriespeicher: Er kann viel Strom speichern, braucht aber lange dafür und hat eine relativ begrenzte Zyklenzahl. Der Sprinter hingegen ist der Kondensator oder Ultrakondensator – kann sehr viel Strom ganz schnell für einen begrenzten Zeitraum speichern – ist aufgrund seiner exorbitant hohen Zyklenzahl beispielsweise geeignet, um Lastspitzen abzufedern. Gerade bei der Technologie der Ultrakondensatoren gab es in letzter Zeit massive Fortschritte: Unternehmen wie Maxwell oder Skeleton verkünden Verbesserungen in rascher Abfolge. Dabei spielt u.a. das Material Graphen eine bedeutende Rolle.

Um die Energiewende zu schaffen, insbesondere um Schwankungen im Millisenkunden-Bereich ausgleichen zu können, sind Ultrakondensatoren extrem wertvoll. Doch, so sieht es offensichtlich auch das KIT, macht es noch mehr Sinn, den Marathonläufer Batterie mit dem Sprinter Ultrakondensator zu kombinieren. Das KIT bezeichnet diese Hybridspeicher als Powercaps. Im Rahmen des vom Land Baden-Württemberg mit 25 Millionen Euro geförderten Projekts FastStorage BW II sollen solche Powercaps nun entwickelt werden.

Technischer Aufbau der Powercaps

Die Powercaps bestehen aus zwei großflächigen Elektroden. Anders als bei herkömmlichen Kondensatoren sind die Elektroden aber nicht identisch aufgebaut und statt einem Dielektrikum erstreckt sich zwischen ihnen ein Elektrolyt, der positive Ionen zur Verfügung stellt. Ähnlich wie bei einer Batterie besteht eine Elektrode aus Metalloxiden, an der ein Redoxprozess bewirkt wird. Die zweite Elektrode ist wie bei einem Kondensator aus Kohlenstoffmaterial. Anders als in einer Batterie wird Energie nicht in einer chemischen Reaktion, sondern im elektrischen Feld – wie beim Ultrakondensator – zwischen positiven Ionen und Elektronen gespeichert.

Die redoxaktiven Materialien im Kondensator vergrößern die effektive Betriebsspannung und die elektrische Felddichte, woraus direkt ein überproportionaler Anstieg der Speicherkapazität des Kondensators folgt. Powercaps können dadurch etwa doppelt so viel Energie wie klassische Kondensatoren speichern und gleichzeitig theoretisch bis zu 10-mal mehr elektrische Leistung bereitstellen wie eine Batterie, so das KIT.

Das KIT entwickelt, baut und testet nun die Speicher-Prototypen, die aus Powercap-Zellen bestehen: Es wird untersucht, wie man die Speichermodule per Roboter teil-automatisch verschweißen kann und dabei Schweißparameter und Prozessgeschwindigkeit optimiert. Ein passendes Gehäusedesign wird entwickelt, welches eine homogene Zellbelastung und ausreichende Kühlung gewährleistet. Von zentraler Bedeutung wird die Entwicklung einer angemessenen elektronischen Betriebssteuerung sein, die den sicheren und ökonomischen Betrieb des Moduls überwacht. Hier bauen die KIT-Forscher auf ihre langjährigen Erfahrungen mit Batterie-Management-Systemen auf.

Die ersten Prototypen wollen die Forscher in der Intralogistik testen, etwa bei elektrisch betriebenen Regalbediengeräten, Gabelstaplern oder autonomen Transportsystemen in Hochregallagern oder Produktionshallen. „Bei jeder Hebe- oder Bremsbewegung kann Energie zurückgewonnen und im Powercap gespeichert werden“, so Grün. Hier könnten die Powercaps Lösungen zur Energie-Rückgewinnung effizienter oder überhaupt erst möglich machen. Gleichzeitig würden sie durch stark verkürzte Ladezeiten die Verfügbarkeit netzunabhängiger elektrischer Transporthelfer erhöhen.

Einsatzfelder für Powercaps in der Industrie

Das Einsatzgebiet der Powercaps erstreckt sich über alle Tätigkeitsfelder, in denen ungleichmäßiger Strombedarf gedeckt werden muss. Beispielsweise können sie für unterbrechungsfreie Stromversorgungen oder auch zur Frequenzregulierung im Stromnetz eingesetzt werden. Zusätzlich könnten sie von großem Interesse für produzierende Unternehmen mit hohem Strombedarf sein, da sich so teure Lastspitzen durch die Pufferung des Strombezuges reduzieren lassen.

„Neben dem Nachweis der technologischen Machbarkeit steht in dem Projekt auch die Wirtschaftlichkeit dieser Hybridlösungen im Fokus“, erklärt Olaf Wollersheim, der das Projekt Competence E am KIT leitet. „So wird auf den Einsatz kostengünstiger und umweltschonender Materialien und Verarbeitungsprozesse geachtet.“ Mit den hier entwickelten Powercaps soll ein signifikanter Beitrag zum Wissen über Energiespeicherzellen geleistet werden, welcher durch den steigenden Energiebedarf und durch die Versorgungsschwankungen im Sektor der erneuerbaren Energien absolute Notwendigkeit besitzt. So können ganz neue Wege in der Speicherung von elektrischer Energie beschritten werden.

Projektpartner sind neben dem KIT und dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung auch VARTA, SEW, Viastore, FhG ICT, ISW, EEP, ZSW, Freudenberg, IFSW, FESTOOL, Daimler und Porsche.

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