Energiespeicher für Industrie und Intralogistik
Hybridlösung ersetzt
Batterien und Kondensatoren
Zur Energiewende gehört auch die effiziente Energiespeicherung. Doch noch gibt es keinen passenden Speicher für die Industrie, um Energie dauerhaft, schnell und in ausreichenden Mengen zu speichern. Die Lösung wäre ein Hybridspeicher, der die ergänzenden Eigenschaften von Batterien und Kondensatoren vereint.
Die Weiterentwicklung von Hybridspeichern treibt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und seine Partner vom Land Baden-Württemberg mit dem durch 25 Millionen Euro geförderten Projekt FastStorage BW II voran. „Ressourcen effizient zu nutzen, erfordert auch die Rückgewinnung von Energie“, so Projektkoordinator Dr. Kevin Stella vom KIT. „Dafür wollen wir die passenden Speicher bereitstellen.“ Bisher wird elektrische Energie hauptsächlich in Batterien oder Kondensatoren gespeichert. Aber für viele Anwendungen in der Industrie sind beide nicht gut geeignet: Eine Batterie ist in der Lage, viel Energie aufzunehmen und lange zu speichern, benötigt aber lange Ladezeiten, hat eine begrenzte Lebensdauer und die Zahl der Ladezyklen ist begrenzt. Ein Kondensator nimmt Energie schnell auf und ist langlebig, hat aber nicht die Speicherkapazität und -dauer einer Batterie. Das Projekt FastStorage BW II versucht nun eine passende Lösung zu entwickeln: ein Hybridsystem, das die Stärken beider Energiespeicher vereint.
Aufbau des Hybridspeichers
Aufgebaut sind die Hybridspeicher, auch Powercaps oder Hybridkondensatoren genannt, aus zwei großflächigen Elektroden. Anders als bei herkömmlichen Kondensatoren sind die Elektroden 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, an der ein Redoxprozess stattfindet, aus Metalloxiden. Die zweite Elektrode ist wie bei einem Kondensator aus Kohlenstoffmaterial aufgebaut. Anders als in einer Batterie wird Energie aber nicht in einer chemischen Reaktion, sondern im elektrischen Feld 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 etwa doppelt so viel Energie wie klassische Kondensatoren speichern und gleichzeitig theoretisch bis zu zehnmal mehr elektrische Leistung bereitstellen wie eine Batterie.
Lösung zur Energierückgewinnung
Das KIT entwickelt, baut und testet die Speicherprototypen, die aus Powercap-Zellen bestehen. Die Mitarbeiter untersuchen, wie sich die Speichermodule per Roboter teilautomatisch verschweißen und dabei Produktionsparameter und Prozessgeschwindigkeit verbessern lassen. Ein passendes Gehäusedesign ist geplant, das 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 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 Thorsten Grün vom KIT, der Experte für Verschaltungstopologien im Projektteam. Hier könnten die Powercaps Lösungen zur Energie-Rückgewinnung effizienter oder überhaupt erst möglich machen. Gleichzeitig würden sie durch verkürzte Ladezeiten die Verfügbarkeit netzunabhängiger elektrischer Transporthelfer erhöhen.
