Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
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CIRCULUS – Nachhaltige Batteriesysteme für die Energiewende

Nachhaltigen Energiespeicher für den mobilen und anschließenden stationären Einsatz

In der Regel sind Traktionsbatterien aus konstruktiver Sicht nicht dafür entwickelt, im Anschluss an die Fahrzeugnutzungsphase eine weitere Nutzungsphase als stationärer Speicher zu durchlaufen. Allerdings wären Traktionsbatterien nach der Erstnutzung im Fahrzeug auf Grund der noch vorhanden elektrischen Leistungswerte, z.B. als Speicher für Photovoltaikanlagen oder für einen anschließenden stationären Einsatz geeignet. Aus der Perspektive der Zellen, die in der Neuanschaffung teuer sind und somit die Wirtschaftlichkeit des stationären Speichers erschweren, ein sehr nachhaltiger Ansatz. Aus Systemperspektive stellt sich dieser Ansatz allerdings als Herausforderung dar.

Herausforderungen auf dem Weg zur Zweitnutzung

Grundlegend gilt es drei Schwerpunkte bei der Zweitnutzung von Lithium-Ionen Zellen bzw. Lithium-Ionen Batteriesystemen zu beachten.

Zellzustand und die Bewertung:

Der eine Schwerpunkt betrifft den gerade vorhanden Zellzustand und die Bewertung der weiteren Sicherheit im gealterten Zustand. Lithium-Ionen Zelle ist nicht gleich Lithium-Ionen Zelle, denn in Abhängigkeit der verwendeten Zusammensetzung des Elektrolytes, des genutzten Materials für Anode und Kathode und des physikalischen Aufbaus der Zelle, unterscheiden sich die Zellen erheblich in ihrem Alterungsverhalten. Das bedeutet für jede Nutzung bzw. Zweitnutzung besteht die dringende Anforderung an Prüf- und Bewertungsmethoden zum Alterungsverhalten der jeweils verbauten Zellen. Der gerade vorhandene Zellzustand ist wichtig für die Klärung, ob die Zelle noch wirtschaftlich und sicher in der Weiternutzung betrieben werden kann. Die Bewertung der weiteren Sicherheit im gealterten Zustand betrifft die Überwachung und Reglung während der Zweitnutzung im stationären Speicher. Hier gilt es das Batteriemanagement entsprechend anzupassen. Dieses ist auch der zweite Schwerpunkt, den es in der Zweitnutzung zu beachten gilt.

Batteriemanagementsystem:

Das Batteriemanagementsystem dient zur Überwachung und dem Schutz der Zellen und ist die Schnittstell zum Fahrzeug bzw. zum Stromnetz. Ein entscheidender Unterschied sind unterschiedliche Regelanforderungen, ein weiterer die unterschiedlichen Systemaufbauten, da in der Regel mehrere Fahrzeugbatterien benötigt werden, um einen stationären Speicher abzubilden.

Konstruktion und den Aufbau des Batteriesystems:

Der dritte Schwerpunkt betrifft die Konstruktion und den Aufbau des Batteriesystems im Ganzen. Der aktuelle Stand der Technik berücksichtig die Möglichkeit der Zweitnutzung nicht. Dies führt zu hohen zeitlichen und wirtschaftlichen Aufwänden zum Beispiel durch nötige Umbaumaßnahmen bis hin zum vollkommenen Ausschluss für eine Zweitnutzung. Die Konstruktion und der Aufbau des Batteriesystems an sich spielt auch eine, wenn nicht sogar die Entscheidende Rolle, bei dem anschließenden und nötigen Recycling von Lithium-Ionen Batteriesystemen.

CIRCULUS nachhaltiges Batteriesystem

Erst- und Zweitnutzungsphase obligatorisch

Im Vorhaben CIRCULUS wird ein Batteriesystem entwickelt, das direkt für eine Erst- und eine Zweitnutzungsphase ausgelegt ist. Ein wichtiger Arbeitsschwerpunkt sind reversible und dennoch leichte sowie betriebssichere Fügeverbindungen auf Zellebene über die Modulbefestigung bis hin zum Systemgehäuse. Zusätzliche Aufgaben betreffen ein praktikables Verfahren zur Zellbewertung sowie die Realisierung effizienter und schneller Umbaukonzepte von mobilen zu stationären Anwendungen.

Darüber hinaus ist das aktuelle Vorgehen der Verbrennung zur energetischen Verwertung von gebrauchten Kunststoffen nicht ressourcenschonend. Deshalb wird die Konstruktion so gestaltet, dass auch die verbauten Kunststoffe wirtschaftlich getrennt und rückgewonnen werden können.

Reduzierung schafft Mehrwert

Projektziele:

  • Reduzierung des Umarbeitungsaufwandes und der Arbeitszeit von mobil auf stationär
  • Reduzierung des Zerlegeaufwandes am Ende des stationären Einsatzes
  • Reduzierung des zeitlichen und finanziellen Aufwands für die Sicherheitsbewertung
  • Erhöhung der Rückführung der konstruktiven Kunststoffe in den Wertstoffkreislauf
Batterigehäuse aus Kunststoffrezyklat /Battery housing made from recycled plastic
Batterigehäuse aus Kunststoffrezyklat /Battery housing made from recycled plastic

Durch das interdisziplinäre Vorhaben werden in CIRCULUS die Anforderungen an ein Batteriesystem für eine zeitlich aufeinander folgende mobile und stationäre Anwendung und ein finales Recycling zusammengetragen, umgesetzt und im realen Aufbau demonstriert.

Im Ergebnis entsteht im weiteren Verlauf des Vorhabens ein nachhaltiges mobiles Batteriesystems und ein realer stationärer Quartierspeicher aus gealterten Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterien in einem Wohngebiet.

»Zukünftig wird die Menge an Batteriezellen zunehmen, die in einer 2nd-Life Anwendung eingesetzt werden. Gleichzeitig muss aber auch eine ausreichende Menge von alten Batteriezellen recycelt werden, um die Rohstoffe in effizienteren und neuen Zelltechnologien einzusetzen.«


Dr. rer. sust. Dominik Spancken, Fraunhofer LBF

Die Arbeiten zur Entwicklung des Systems sind hochgradig interdisziplinär und erfordern vielfältige Teilkompetenzen. Das Konsortium deckt diese einzelnen Kompetenzen passgenau ab:

  • BMZ GmbH
  • e-netz Südhessen AG
  • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW)
  • Umicore AG & Co. KG
  • MC Services Nordhessen GmbH
  • Fraunhofer LBF

Projektlaufzeit: 09/2021-02/2025