Elektrische und thermische Energiespeicher

Energiespeicher sind ein zentrales Element für das Gelingen der Energiewende. Sie ermöglichen die (partielle) Entkopplung von Energieproduktion und Energieverbrauch, indem sie überschüssige Energie speichern und bei Bedarf wieder abgeben können. Heutzutage werden Energiespeicher insbesondere im Bereich Mobilität und Wärmeversorgung eingesetzt, doch ihre Bedeutung nimmt stetig zu. So erschließen sich weitere Anwendungen wie beispielsweise die stationäre Energiespeicherung zur Netzstabilisierung und zum zeitlich befristeten Ausgleich von Angebot und Nachfrage. Hierdurch wird die Integration erneuerbarer Energien in das Stromnetz erleichtert und die Versorgungssicherheit erhöht. Thermische Energiespeicher sind besonders vielseitig einsetzbar. Sie decken sowohl kurze (Tag/Nacht) als auch langfristige (saisonale) Zeiten ab. Im industriellen Umfeld werden thermische Speicher bei der Abwärmenutzung eingesetzt, um Prozesswärme effizient zu nutzen und so den Energieverbrauch zu reduzieren. Das Fraunhofer IFAM treibt seit vielen Jahren die Entwicklung elektrischer und thermischer Energiespeicher voran.

Verbesserungen auf Zell- und Batteriesystemebene als Schlüssel für elektrische Energiespeicher

Elektrochemische Energiespeicher spielen sowohl bei stationären Anwendungen in Form von Zwischenspeichern für regenerative Energien als auch bei mobilen Anwendungsfeldern eine entscheidende Rolle. Gerade die immer größer werdende Funktionsdichte im Consumerbereich und die hohen Anforderungen an Elektrofahrzeuge erfordern leistungsstarke und zuverlässige Energiespeicher. Insbesondere die Lithium-Ionen-Technologie spielt aktuell und wird laut zahlreicher Roadmaps auch zukünftig die dominierende Rolle spielen.

Für fahrzeugtaugliche elektrische Energiespeicher müssen zudem verschiedene, zum Teil widersprüchliche, Anforderungen erfüllt werden. Diese umfassen u.a. Parameter wie:

• Kosten
• Energie- und Leistungsdichte
• Lebensdauer
• einen weiten Temperaturbereich sowie
• Betriebssicherheit

Neben den Optimierungen auf der Batteriesystemebene spielen Verbesserungen auf der Zellebene eine maßgebliche Rolle für zukünftige elektrische Energiespeicher. Damit diese den steigenden Anforderungen an Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit gerecht werden können, ist eine enge Verzahnung von angewandter Materialforschung und Prozesstechnologie unerlässlich.

Entwicklung innovativer und hocheffizienter Latentwärmespeicher

Ein Großteil des nationalen Energieverbrauchs entfällt auf eine thermische Nutzung, z. B. für industrielle Prozesswärme und das Heizen im Gebäudesektor. Die Optimierung des thermischen Energieverbrauchs und der bedarfsgerechten Bereitstellung von Wärme und Kälte spielt dementsprechend eine große Rolle beim Erreichen der Klimaziele. Die Speicherung thermischer Energie bei Temperaturen zwischen 0 und 350 °C ist dabei ein zentraler Baustein, da Verfügbarkeit und Nutzung thermischer Energie sowohl zeitlich als auch örtlich voneinander getrennt werden können. Wärmespeicher lassen sich dabei zur Bereitstellung von Wärme, aber auch für die wichtigen Anwendungsgebiete der Kältebereitstellung und Klimatisierung nutzen.

Der Fokus des Fraunhofer IFAM liegt im Bereich der thermischen Energiespeicher auf der Entwicklung innovativer und hocheffizienter Latentwärmespeicher. Hierbei kommt der Phasenwechsel eines Speichermaterials zwischen festem und flüssigem Zustand bei nahezu konstanter Temperatur zur Anwendung. Daneben wird auch der Themenbereich der sorptiven Wärmespeicherung unter Nutzung des physikalischen Effektes der Adsorption adressiert.

Das Fraunhofer IFAM bündelt die notwendigen werkstoffwissenschaftlichen und energietechnischen Kompetenzen zur Entwicklung optimaler Wärmespeicher. Dies beinhaltet die umfangreiche und fundierte Charakterisierung der Speichermaterialien und des gesamten Speichersystems sowie die Auswahl und (Weiter-) Entwicklung geeigneter Behältermaterialien und Wärmeleitstrukturen. Dabei werden die Anforderungen hinsichtlich der Anwendungstemperatur und der Wechselwirkungen mit den Speichermaterialien besonders berücksichtigt. Zudem verfügt das Institut über langjährige Erfahrungen in der Konzeption, Simulation und Auslegung der Speicher.

Das Fraunhofer IFAM verfügt über mehr als 15 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von latenten und sorptiven Wärmespeichern sowie in der Applikation polymerer und anorganischer Werkstoffe in der Energiespeichertechnik, u. a. mit Fokus auf Lithium- und Post- Lithium-Batteriekonzepten. Gestützt auf die Kompetenzen Pulvertechnologie, Formgebung, Oberflächentechnik, Klebtechnik und Grenzflächen-/ Polymerchemie werden materialwissenschaftlich und fertigungstechnisch motivierte Lösungen für neuartige Energiespeicher erarbeitet. Dabei wird die gesamte Wertschöpfungskette von Materialien, Komponenten, Zellen bis zum Batteriesystem und seiner Anwendung berücksichtigt.

Im Rahmen diverser gemeinsamer Projekte mit Partnern aus der Industrie und Forschung arbeitet das Fraunhofer IFAM an der Entwicklung von Speichertechnologien der aktuellen und nächsten Generation. Der Fokus liegt dabei sowohl auf dem Speicher selbst als auch auf deren Fertigungsverfahren. Neben den Fragestellungen zu Auslegung, Materialauswahl und Materialdesign wird die dazugehörige Prozesstechnologie zur Fertigung in einem industriellen Maßstab bearbeitet. Des Weiteren bilden die Modellierung und Diagnostik von Speichern die Basis für Alterungsprognosen und zugehörige Betriebsstrategien. Durch eine präzise Analyse der Speicherperformance können potenzielle Schwachstellen frühzeitig identifiziert und optimale Betriebsbedingungen entwickelt werden, um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der Speicher zu maximieren.