In Zukunft werden viele Lithium-Ionen-Hochvolt-(HV)-Fahrzeugbatterien hergestellt. Die stationäre Zweitverwertung als Energiespeicher im elektrischen Stromnetz (Second-Life-Anwendung genannt) verlängert den Lebenszyklus der Elektrofahrzeug-Batterien und erhöht damit ihren Nutzen deutlich. Ziel des Forschungsprojekts unter Leitung der Technischen Universität München war es daher, ein Konzept zu entwickeln, um die verschiedenen Herausforderungen bei der Umrüstung zu meistern.

Hintergrund für das Vorhaben ist: Zukünftig wird es einerseits immer mehr Hochvolt-Batterien geben, die für den mobilen Einsatz in Elektrofahrzeugen nicht mehr zu gebrauchen sind. Andererseits steigt die Zahl von Elektrofahrzeugen, welche einen enormen Energiebedarf aufweisen. Hier kommen insbesondere Stadtwerke ins Spiel, die ihre Busflotte auf Elektrofahrzeuge umstellen. Sie haben einen Bedarf, die hohen Lastspitzen, also die immer wieder kurzzeitig auftretende hohe Leistungsnachfrage im Stromnetz, in Zukunft zu regulieren. An dieser Stelle setzt das Vorhaben EffSkalBatt an, indem alte ausgediente Batterien für die vorhandene Infrastruktur optimal genutzt werden können.

Umrüstung derzeit noch kostspielig

Ein Haupthindernis bei der Umrüstung der Batterien sind die hohen Kosten, die durch Anpassung und Installation der HV-Fahrzeugbatterien in stationäre Systeme entstehen. Grund dafür ist, dass die unterschiedlichen Formate und Leistungsparameter der Batterien komplizierte Anforderungen an die Batteriesystemtechnik für stationäre Anwendungen darstellen und eine hohe Variantenvielfalt zu erwarten ist. Daher hat das Forschungsteam ein Konzept für die Batteriesystemtechnik entwickelt, das die Vielfalt mittels einer hohen Skalierbarkeit mit geringen Anpassungen verarbeiten kann. Neben der Skalierbarkeit legten die Fachleute einen Fokus auf die Energieeffizienz.

Um diese ganzheitlich analysieren zu können, erstellte das Team für alle Einzelkomponenten des Systems Modelle und implementierte diese in ein Simulationstool. So konnten die Fachleute betrachten, wie sich die Einzelkomponenten im gekoppelten Gesamtsystem verhalten. Dies ermöglichte es dem Team, das System und die Betriebsstrategie zu verbessern.

Lösungen am Busbetriebshof in München getestet

Die Wirksamkeit der Lösungen, also den Nutzen und die Wirtschaftlichkeit, untersuchten die Expertinnen und Experten im Rahmen eines Feldtests in einem eigens aufgebauten Demonstrator am Busbetriebshof des assoziierten Partners Stadtwerke München.

Bei dem Demonstrator handelte es sich um einen Second-Life-Batteriespeicher bestehend aus ausgedienten Busbatterien. Das Team analysierte und optimierte daran die Leistungselektronik, das Batteriesystem sowie den Betrieb und erprobte, inwieweit Second-Life-Busbatterien für eine Spitzenlastkappung der Ladung von Elektrobussen eingesetzt werden können.

Die besondere Herausforderung war es dabei, die Entwicklung verschiedener Einzelkomponenten des Demonstrators zu koordinieren. Neben Schnittstellenabsprachen war auch die zeitliche Koordination wichtig: Einen Prototyp aufzusetzen ist aufwendig und kann nicht mit ausgereiften standardisierten Produkten verglichen werden. Deswegen tauchten beim Zusammenschalten aller Komponenten zwischendurch Probleme auf, die vorher nicht sichtbar waren. Um diese Probleme zu entdecken und zu lösen, integrierten die Fachleute die Komponenten frühestmöglich.

Projektpartner erzielen technische Fortschritte

Zwei technische Entwicklungen des Forschungsteams sind besonders hervorzuheben: Zum einen die teillasteffiziente Leistungselektronik und zum anderen die modulare Batteriesystemtechnik. Ziel der teillasteffizienten Leistungselektronik war es, mit Standard-Si-Modulen eine ähnliche Teillasteffizienz wie bei SiC-Modulen zu erreichen. Dank der entwickelten zu- und abschaltbaren Modulen und Blöcken konnte das Team den Wirkungsgrad im Teillastbereich enorm steigern. Zum anderen standen die Expertinnen und Experten bei der Batteriesystemtechnik hingegen vor der großen Herausforderung, Batteriesysteme unterschiedlicher Kapazität, Kommunikation und Alterung miteinander skalierbar zu verbinden. Indem sie die Batteriesysteme mittels einer zentralen Steuereinheit direkt parallel verschalteten, konnten sie die Herausforderung zuverlässig und sicher meistern. Die Methodik, das Batteriesystem für Second-Life-Anwendungen gesamtheitlich zu betrachten, stellt eine weitere außerordentliche Innovation im Bereich der elektrischen Energiespeicherung dar. Das holistische Simulationstool SimSES für die gesamtheitliche Betrachtung wurde in einem namhaften Journal veröffentlicht und ist als Open-Source-Software für jede interessierte Person zugänglich.

Als nächster Schritt sind Langzeittests mit dem Demonstrator geplant, wodurch weitere Daten für Forschungszwecke gesammelt werden. Mithilfe der Daten möchte das Team die Ergebnisse überprüfen und verbessern. So kommen die Projektpartner dem Ziel, ausgediente Busbatterien künftig in einer stationären Second-Life-Anwendung zu nutzen, weiterhin näher. Damit leisten sie einen bedeutsamen Beitrag für ein nachhaltiges Energiesystem. (kkl)