Bunte Lithium-Ionen Batterien

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Batterien ©freepik

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Pluspunkte für elektrische Energiespeicher

  • Stromspeicher tragen zur Versorgungssicherheit bei, da sie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, Notstrom und einen vom Stromnetz unabhängigen Schwarzstart ermöglichen.
  • Elektrochemische Energiespeicher sind aufgrund ihres hohen Energiewirkungsgrades und ihrer schnellen Reaktionszeiten optimal zur Pufferung von fluktuierenden Stromquellen wie Photovoltaik oder Windenergie geeignet.
  • Stromspeicher ermöglichen Mobilität auf Basis elektrischer Energie. Eine elektrifizierte Fahrzeugflotte könnte künftig auch als großer dezentraler Stromspeicher fungieren.
  • Stromspeicher bieten Regelleistung und Regelenergie (primär im Verteilnetz).
  • Außerdem gestatten sie netzferne Anwendungen mit Erneuerbaren in Inselnetzen

Potenziale von elektrischen Energiespeichern

Der Batteriemarkt wächst derzeit um ca. 8% pro Jahr und wird 2019 einen Wert von 120 Mrd. Euro erreicht haben.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf für Batteriezellen, Batteriesystemtechnik und Sicherheit

Die Anforderungen an künftige Batterien sind je nach Anwendung und Einsatzprofil enorm: z.B. arbeiten Autobatterien bei Umgebungstemperaturen von minus 30 °C bis plus 60 °C mit einer Lebensdauer von mehr als 10 Jahren, bei hoher Zyklenfestigkeit, schnellladefähig und unter allen Bedingungen absolut sicher.

  • Auswahl und Kombination der Materialien für Kathoden, Anoden und Elektrolyte bestimmen die Eigenschaften der Zellen wie Energie- und Leistungsdichte, Kosten, Lebensdauer sowie Sicherheit.
  • Bis 2020 sind Systemkosten für die Serienproduktion von weniger als 150 €/kWh auf Batteriepackebene realistisch. Um dieses Ziel zu erreichen, bedarf es neben kostengünstigen Materialien einer verbesserten Batteriesystemtechnik mit optimiertem Modul- und Systemdesign, Batteriemanagementsystemen mit optimierten Algorithmen zur Ladezustands- und Alterungsbestimmung sowie optimierter Lade- und Betriebsführungsstrategien, Wärmemanagement und Sicherheitsüberwachung für alle denkbaren Betriebszustände und Fehlerfälle.
  • Entwicklung von Prüfstandards und -einrichtungen, mit denen Batterien von der Zelle bis zum kompletten Batteriesystem hinsichtlich Sicherheit und Betriebsverhalten überprüft werden können.
  • Für die Durchsetzung am Markt spielt auch die Recylingfähigkeit der Systeme eine Rolle.
  • Herausforderung für die Forschung ist die Übertragung der bisherigen Lithium-Technologie für Handys und Laptops auf großskalige industrielle Batteriesysteme (einige 10 kWh für Batteriefahrzeuge bis einige 10 MWh für Batteriespeicherwerke). Ziel ist die Erhöhung der Energiedichte durch neue Elektrodenmaterialien. Dabei können Metall-Luft-Systeme (Zn, Li, Metall), Metall-Schwefel-Zellen oder multivalente Systeme wie Mg, Al, Zn eine Steigerung der Energiedichte um Faktor 2–5 im Vergleich zu heutigen Lithium-Ionen-Zellen ermöglichen (> 240 Wh/kg).
  • Die absehbare Ressourcenproblematik bei einigen Batteriekomponenten macht die Erforschung und Entwicklung auch von Alternativsystemen auf der Basis nachhaltiger Materialien erforderlich (z.B. Na-, Mg-, Zn- und Al-Batterien).
  • Festkörper-Batterien, bei denen eine Lithium-Ionen-leitende Keramik den flüssigen, organischen Elektrolyten ersetzt. Die Batterien enthalten damit keine brennbaren organischen Stoffe mehr haben eine höhere chemische Stabilität. Bei geeignetem Design erwartet man auch höhere Energiedichten als bei heutigen Lithium-Ionen-Batterien.
  • Entwicklung von intelligenten Ladestationen für Elektroautos und Ertüchtigung der Fahrzeugbatterien für die Rückspeisung von Strom ins Netz
  • Sicherheit von elektrischen Speichersystemen unter verschiedenen Betriebsbedingungen sowie bei Fehlbedienung und in Unfallsituationen

Forschungs- und Entwicklungsbedarf für Superkondensatoren

  • Für Superkondensatoren werden sowohl neue Systeme auf der Basis von NanoMaterialien entwickelt als auch Bauelemente für spezielle Anwendungen. Für reine Doppelschichtkondensatoren werden vor allem amorphe Kohlenstoffmaterialien eingesetzt. Dieser Materialtyp eignet sich aufgrund der exzellenten Einstellbarkeit wesentlicher Kenngrößen, wie Porosität, Porengröße, Oberfläche und Leitfähigkeit, über mehrere Zehnerpotenzen und der hohen chemischen Reinheit hervorragend als Modellmaterial.
  • Synthese und Untersuchung neuer Hybridmaterialien für Superkondensatoren, die auf mikroskopischer Ebene sowohl Batterie- als auch Kondensatoreigenschaften zeigen.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf für Redox-Flow-Batterien

Redox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiewandler mit flüssigen, pumpfähigen aktiven Speichermedien. Leistung und Energiespeicherkapazität sind dadurch unabhängig voneinander skalierbar. Anwendung finden sie als hocheffiziente Speicher vor allem im stationären Bereich zum Lastausgleich bei schwankenden Energiequellen wie Wind und Sonne.

  • Optimierung der eingesetzten elektrochemisch aktiven Materialien
  • Optimierung des Elektrolyten
  • Optimierte Stack- und Anlagendesigns für die zweistellige kW-Klasse und Multi-Stack-Ansätze insbesondere für größere Anlagen
  • Optimierte Betriebsführungsstrategien z.B. zur Erhöhung des Systemwirkungsgrades sowie zur Erhöhung des nutzbaren SOC-Bereichs

Aktuelle Materialien

Hier sehen Sie einzelne Artikel zum Thema „Elektrische Energiespeicher“. Eine komplette Übersicht über alle Publikationen finden Sie im Publikationsbereich.

Artikel aus "Forschungspolitische Papiere des FVEE"

IWES et al.: Roadmap Speicher

Elektrische Energiespeicher

Speicherbedarf für erneuerbare Energien Speicheralternativen Speicheranreiz Überwindung rechtlicher Hemmnisse Bestimmung des Speicherbedarfs in Deutschland im europäischen Kontext und Ableitung von…

Artikel aus "Themenhefte"

Herausforderungen und Perspektiven bei Lithium-Ionen-Batterien

Elektrische Energiespeicher

Der Stromsektor als Rückgrat der zukünftigen Energieversorgung

Elektrische Energiespeicher

Themen 2019: Energy Research for Future – Forschung für die Herausforderungen der Energiewende

Elektrische Energiespeicher
Kostenfrei bestellen

Die schleppende Umsetzung der Energiewende verursacht eine deutliche Klimaschutzlücke, so dass der Handlungsdruck für die Entwicklung und den Aufbau eines…

Themen 2018: Die Energiewende – smart und digital

Elektrische Energiespeicher
Kostenfrei bestellen

Richtig eingesetzt kann Digitalisierung die Energiewende beschleunigen und sie effizienter und kostengünstiger gestalten. Im Themenheft 2018 zeigen die Wissenschaftlerinnen und…

Energiespeicherung in der Industrie für flexible Sektorkopplung

Elektrische Energiespeicher

Artikel aus "Programmbroschüren"

Energiespeicher: elektrische, thermische und chemische Speicher sowie Speicherung im geologischen Untergrund

Elektrische Energiespeicher

     

Forschungsziele 2019

Elektrische Energiespeicher
Kostenfrei bestellen

Diese Broschüre informiert über die Forschungsthemen im FVEE zu: Energiebereitstellung Systemkomponenten Energienutzung Energiesystemgestaltung Außerdem finden Sie hier die Ziele des…

Artikel aus "Workshop-Ausgaben"

Workshop 2013: Sensorik für Erneuerbare und Ernergieeffizienz

Elektrische Energiespeicher

Der Band enthält die Beiträge zum Workshop vom AMA Fachverband für Sensorik e.V. und vom ForschungsVerbund Erneuerbare Energien im März…

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Expert*innen

DLR

Prof. Dr. Kaspar Andreas Friedrich

DLR
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe, 51147 Köln
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Fraunhofer IEE

Matthias Puchta

Batteriesysteme, Simulation, Hardware-in-the-Loop
Fraunhofer IEE
Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik
Joseph-Beuys-Straße 8, 34117 Kassel
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Fraunhofer ISE

Dr. Matthias Vetter

Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg
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Fraunhofer ISE

Dr. Daniel Biro

Batteriezelltechnologie
Fraunhofer ISE
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg
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ISFH

Dr. Raphael Niepelt

ISFH
Institut für Solarenergieforschung GmbH
Am Ohrberg 1, 31860 Emmerthal
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IZES

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IZES
Institut für ZukunftsEnergie- und Stoffstromsysteme gGmbH
Altenkesseler Straße 17, Geb. A1, 66115 Saarbrücken
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Jülich
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Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

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Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Jülich

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Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Wilhelm-Johnen-Straße, 52428 Jülich
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Prof. Maximilian Fichtner

Materialien
KIT
Karlsruher Institut für Technologie
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KIT

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Mechanik elektrochemischer Energiespeicherung
KIT
Karlsruher Institut für Technologie
Kaiserstraße 12, 76131 Karlsruhe
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ZAE Bayern

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ZAE Bayern
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Magdalene-Schoch-Straße 3, 97074 Würzburg
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ZAE Bayern

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ZAE Bayern
Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Magdalene-Schoch-Straße 3, 97074 Würzburg
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ZSW

Dr. Harry Döring

Systeme und Sicherheit
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ZSW

Dr. Margret Wohlfahrt-Mehrens

Materialforschung, Elektroden und Zelldesign
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Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg
Meitnerstraße 1, 70563 Stuttgart
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ZSW

Dr. Wolfgang Braunwarth

Industrielle Produktionsforschung
ZSW
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg
Meitnerstraße 1, 70563 Stuttgart
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