Gemeinsam langsamer altern: Fraunhofer IEE simuliert Hybridsysteme aus Supercaps und Batterien

Das Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE, Skeleton Technologies und AVL haben nun ein Modell entwickelt, um die Alterung solcher Hybridsysteme aus Supercaps und Batterien zu simulieren. Das Forschungsprojekt „Sukoba“ war 2021 angelaufen, wie der Solarserver berichtete. Nun gibt es Ergebnisse. Um bis zu 20 Prozent soll sich die Lebensdauer der Batterien in hybriden Speichersystemen steigern lassen, wenn man die Systeme mit der Simulation optimiert. Die Leitung des Sukoba-Konsortiums liegt beim Superkondensator-Hersteller Skeleton Technologies. Das Forschungsprojekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz finanziert.

Supercaps und Batterien ergänzen sich, aber Alterung der Hybridsysteme war bisher nicht zu berechnen

Superkondensatoren, auch Supercaps genannt, können innerhalb kürzester Zeit sehr viel Leistung aufnehmen und abgeben, ohne dass ihre Lebensdauer leidet. Allerdings ist ihre Energiedichte gering. Lithium-Ionen-Batterien dagegen haben eine hohe Kapazität, kommen aber mit kurzzeitigen Lastspitzen nicht gut zurecht. Die dabei entstehende Hitze lässt sie schneller altern. Die beiden Technologien zu kombinieren, ist also überall dort sinnvoll, wo beide Eigenschaften wichtig sind, zum Beispiel bei elektrischen Transport- und Baumaschinen. Die Batterien übernehmen dann den Dauerbetrieb, die Superkondensatoren die Spitzenlasten. Das kann auch das schnelle Aufnehmen von Energie sein, zum Beispiel beim Bremsen (Rekuperation).

Auslegen ließen sich solche Systeme bisher kaum. Um zu berechnen, wie sich die Koppelung mit einem Superkondensator auf die Lebensdauer der Batterie auswirkt, gab es kein Modell. Das macht es schwer, sich für ein solches System zu entscheiden. „Dieses Defizit haben wir nun mit unserem gemeinsamen Forschungsprojekt beseitigt: Unser Werkzeugkasten liefert aussagekräftige Daten, mit denen potenzielle Anwender ihre Entscheidung für oder gegen eine Kopplung der beiden Technologien auf gesicherter Grundlage treffen können“, sagt die Projektleiterin Wei Wei Shan beim Fraunhofer IEE.

Das im Projekt entwickelte Degradationsmodell ermöglicht es, verschiedene Konfigurationen und Regelungsalgorithmen zu analysieren. So kann man die für jedes Systemdesign und Betriebsszenario die mit Blick auf Lebensdauer und Kosten beste Kombination von Superkondensatoren und Batterien finden. Auch passende Regelungsstrategien lassen sich so ermitteln. Die Toolbox sei flexibel gestaltet, sodass sich auch neue Entwicklungen bei Batterien, Superkondensatoren und Leistungselektronik berücksichtigen lassen sollen.

Modell basiert auf Simulationsumgebung Basis des Fraunhofer IEE

Dem Degradationsmodell liegt die vom Fraunhofer IEE entwickelte Software Basis (Battery Simulation Studio) zugrunde. Dabei handele es sich um eine hochpräzise Simulationsumgebung für dynamische Prozesse und Alterungseffekte elektrochemischer Energiespeicher. Basis wird seit vielen Jahren in der Entwicklung, Prüfung und Optimierung von Zellen, Batterien, Packs, Komponenten und Managementsystemen im mobilen und stationären Bereich eingesetzt.

Das Basis-Modell muss für die jeweils verwendete Batterietechnologie parametrisiert werden, um verlässliche Vorhersagen liefern zu können. Die Fraunhofer-Forschenden leiten diese Parameter des Batteriemodells aus konstruktiven Daten und experimentellen Messungen von Batteriezellen ab. Das sei unabhängig vom Hersteller der Batterie.

Ein kostenfreies Webinar über die Projektergebnisse zusammen mit Fraunhofer Eniq findet am 19. September von 14 bis 16 Uhr statt.

Quelle: Fraunhofer IEE | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH