Ziel der Entwicklung

Traktionsbatterien, deren Nutzungszyklus bei 60 bis 80 Prozent der Designkapazität endet, werden üblicherweise ausgetauscht, da die verfügbare Leistung für den Einsatz im Elektrofahrzeug nicht mehr ausreicht. Dies trifft aktuell Elektrofahrzeuge der ersten Generation, wird in Zukunft aber auch weitere Batteriegenerationen betreffen, so dass die Verfügbarkeit gebrauchter Traktionsbatterien zunehmend steigt. Die Alternative des vollständigen (Roh-)Stoffrecyclings aus den Batterien erfordert eine Vielzahl energieintensiver Prozessschritte, so dass eine Weiterverwendung der Batterie bevorzugt wird. Traktionsbatterien haben für stationäre Speicheranwendungen (PV-Speicher, Ladeinfrastruktur, Notfallversorgung) ausreichende Restkapazität und Restlebensdauer, so dass sie für diesen neuen Anwendungszweck nutzbringend und eingesetzt werden können. Im Allgemeinen kann man für die Beschaffungskosten gebrauchter Traktionsbatterien etwa 50 Prozent des Preises von Neubatterien ansetzen, so dass 2nd-Life-Energiespeicherlösungen einen erheblichen Kostenvorteil besitzen. Eine besondere Herausforderung ist allerdings das unterschiedliche Alterungsverhalten der Batteriezellen sowie herstellertypische Unterschiede im Batteriedesign und deren Chemie. Das F&E-Projekt zielte daher auf die Entwicklung von 2nd-Life-Energiespeichern auf Basis von gebrauchten Traktionsbatterien mit speziellem Fokus auf die Kompatibilität unterschiedlicher Batterietypen durch den Einsatz von modernen Steuerungs- und Balancing-Technologien ab.

Vorteile und Lösungen

Gebrauchte Traktionsbatterien wurden zunächst mittels moderner Labormethoden hinsichtlich ihrer Restkapazitiät, SOC-OCV-Kennlinie, Batteriedynamik und ihres Innenwiderstandes experimentell charakterisiert. Parallel wurden zur Abbildung des Batterieverhaltens State-of-the-Art-Batteriemodelle entwickelt und unter Einsatz der experimentellen Charakterisierungsversuche parametrisiert. Mit den Parametermodellen wurde anschließend die Topologie unterschiedlicher Batterie-Verschaltungen unter anwendungsnahen Betriebs- und Lastszenarien und mit unterschiedlichen Batterietypen durch Simulation theoretisch untersucht. Diese Vorgehensweise erlaubte eine vergleichsweise schnelle Untersuchung einer Vielzahl von Anwendungsszenarien mit unterschiedlichen Batterietypen, Verschaltungen, Lastprofilen etc. ohne hierfür einen kostspieligen, zeitaufwändigen Aufbau von experimentellen Versuchsanordnungen zu benötigen. Weitere im Projekt nicht erfasste Szenarien interessierter Anwender können zukünftig mit dem entwickelten Modellkonzept ebenfalls untersucht werden.
Aus den Simulationsergebnissen wurden anschließend zielführende Verschaltungen ausgewählt und geeignete Konzepte für das Energiespeicherdesign unter Berücksichtigung von Steuerungstechnik, Balancing, Thermomanagement abgeleitet. Die Haupterkenntnis der Untersuchungen zeigt deutlich, dass die Kombination unterschiedlicher Batterien in Verschaltungen zur Erzeugung von Designkapazitäten und Betriebsspannungen durch physikalische Gesetzmäßigkeiten beschränkt ist, die nicht ohne erheblichen Kostenaufwand umgangen werden können. Parallele Verschaltungen gleicher Batterietypen und serielle Verschaltung kapazitätsabgestimmter unterschiedlicher Batterietypen erlauben unter Einsatz aktiver Balancing-Methoden aber einen ökonomischen Betrieb. Für ein ausgewähltes Design (Haushaltsbatteriespeicher) wurde ein detailliertes Engineering-Konzept erarbeitet und in einem Demonstrator umgesetzt. Der Demonstrator wird zunächst für realitätsnahe Untersuchungen unter Laborbedingungen eingesetzt und wird zukünftig für den Einsatz unter Betriebsbedingungen bei Interessenten zur Verfügung stehen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der Marktfokus besteht in Branchen die Energiepeicher einsetzen, um entweder eine unterbrechungsfreie Energieversorgung zu garantieren, im Rahmen einer Energiespeicherung Kosteneinsparungen für den Nutzer zu ermöglichen oder beide Vorteile für den Nutzer zu vereinen. Als primäre Nutzungsvarianten leiten sich damit vorwiegend folgende Szenarien ab:
- Photovoltaik- und Windenergieanlagen zur Einspeicherung von günstig produzierter elektrischer Energie bei Verfügbarkeit von Überschussstrom
- USV-Anlagen
- Pufferspeicher zum Beispiel an Ladestationen für EHV zur Abdeckung von Spitzenlasten
- Technologie für Produzenten von Energiespeicherlösungen vor allem im Sektor E-Mobilität,
- die vom Gesetzgeber zur Rücknahme von Altbatterien verpflichtet sind.
Im Fokus sind also nationale und zukünftig auch internationale Hersteller von PV-Anlagen, Ladeinfrastruktur sowie E-Fahrzeughersteller und Unternehmen des Batterierecyclings.
Vor dem Hintergrund der zunehmenden Elektrifizierung des Mobilitätssektors ist hier mit erheblichem Marktpotenzial zu rechnen. Gebrauchte Traktionsbatterien werden zukünftig zur Herstellung von 2nd-Life-Speicherlösungen in großem Umfang zur Verfügung stehen.
Die zunehmende Nutzung dynamisch verfügbarer klimafreundlicher sogenannter regenerativer Energiequellen (Wind, Solar) im Rahmen der Energiewende wird eine zunehmende Nutzung von Energiespeichern in einer dezentralen Speicherinfrastruktur erfordern. 2nd-Life-Speicherlösung bieten hier eine nachhaltige und kosteneffiziente Alternative zu Speicherlösungen, die aus Neubatterien gefertigt werden. Hinzu kommt, dass die Verfügbarkeit von Neubatterien im Zuge der Mobilitäts- und Energiewende beschränkt ist, da Rohstoff- wie Produktionskapazitäten erst aufgebaut werden müssen. 2nd-Life-Batteriespeicher können in diesem Zusammenhang eine Übergangslösung darstellen.