Blockheizkraftwerke (BHKW) eignen sich besonders für dezentrale Strom- und Wärmekonzepte und bilden eine effiziente Regelenergiequelle für virtuelle Kraftwerke. Es ist daher notwendig, die Erzeugung von Strom und Wärme durch geeignete Speichersysteme im Tageslastgang weitestgehend zu entkoppeln. Latentwärmespeicher (LWS) ermöglichen im Vergleich zu Wasserspeicher höhere Speicherdichten, kommen aber aufgrund hoher Kosten bislang kaum zum Einsatz. Für kompakte Systemlösungen aus Klein-BHKW und Speicher wären jedoch höhere Speicherdichten jedoch wünschenswert. Zielstellung des Projektes ist daher die Untersuchung von Makroverkapselungen für Latentspeichermedien (PCM) auf der Basis von Beutelverpackungen, mit denen die Speicherkosten reduziert werden können. Durch eine modulare Bauweise des Speichers wird zudem eine Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle ermöglicht.
Die Hybridisierung von im öffentlichen Nahverkehr eingesetzten Fahrzeugen bietet die Möglichkeit signifikanter Treibstoff- und Emissionsreduktionen, da die Fahrzyklen gut vorhersehbar sind und häufige Brems- und Beschleunigungsvorgänge enthalten (Start-Stopp Betrieb). Der Einsatz verfügbarer elektrochemischer Speicher (Batterien, Ultracaps) zur Zwischenspeicherung der Bremsenergie ist zwar möglich, jedoch können die geforderten Leistungen bzw. die gewünschte Lebensdauer nur mit großem finanziellen Aufwand bzw. starker Überdimensionierung des Energiespeichers erreicht werden. Im Gegensatz zu den elektrochemischen Speichern bieten Flywheel-Speicher das Potenzial, eine hohe Leistungsdichte mit einer hohen Energiedichte zu verbinden. Durch den Einsatz moderner (Verbund-)Materialien sowohl im Schwungrad selbst wie auch in den Lagern können Flywheel-Speicher sehr kompakt und leicht gebaut werden. Außerdem erreichen sie bereits mit heute verfügbarer Lager-Technologie eine im Vergleich zu modernen Batteriesystemen deutlich erhöhte Lebensdauer. In dem Projekt E3ON soll die Realisierbarkeit von kompakten Flywheel-Speichern unter den in öffentlichen Nahverkehrsfahrzeugen gegebenen Rahmenbedingungen untersucht werden: Gemeinsam mit potenziellen Kunden (siehe beiliegende LOI) werden für Schienenfahrzeuge und Hybridbusse typische Lastprofile sowie extern auftretende mechanische Belastungen (Vibrationen, Fliehkräfte, ...) spezifiziert. Auf deren Basis werden die Hauptkomponenten des Systems (Schwungmasse und Lagerung, Motor/Generator, Umrichter) theoretisch und experimentell in Bezug auf Lebensdauer und Sicherheitsaspekte untersucht. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten sind Realisierungsvorschläge für die einzelnen Komponenten sowie eine erste Abschätzung der unter den gegebenen Randbedingungen erreichbaren Lebensdauer und der Kosten. Daraus können die wichtigsten Parameter eines im Rahmen eines Folgeprojekts zu realisierenden Prototyps bzw. Vorseriengeräts abgeleitet werden, wobei speziell der erreichbare Wirkungsgrad (round-trip efficiency), der speicherbare Energieinhalt, die aufnehmbare bzw. abgebbare elektrische Leistung, die erreichbare Lebensdauer und der zu erwartende Preis von Interesse sind. Zusätzlich können die Projektergebnisse zur Beurteilung der Realisierbarkeit von noch weiter miniaturisierten Flywheel-Speichern herangezogen werden. Derartige Speicher eignen sich zum Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen des zukünftigen Individualverkehrs.
Das Impulsprojekt LiMaProMet beschäftigt sich mit der Verbesserung von Interkalationsmaterial-basierten Akkumulator-Kathoden sowie dem Thermomanagement von Batteriezellen. Dabei wird parallel eine geeignete, produktionsbegleitende Qualitätssicherung ausgearbeitet, die auf die speziellen Aspekte des für das Projekt charakteristischen dreidimensionalen Elektrodenaufbaus fokussiert. Hierbei kommen auch Methoden der künstlichen Intelligenz (selbstlernende Algorithmen) zum Einsatz. Für die hochperformanten Elektroden werden zwei neue, innovative Wege verfolgt, um Elektroden mit Fokus auf einer hohen gravimetrischen bzw. volumetrischen Leistungs- bzw. Energiedichte zu entwickeln. Dabei werden außerdem die Aspekte Energieeffizienz, Zyklenfestigkeit und Sicherheit mit berücksichtigt. Zum einen kommt ein von der Hochschule Aalen entwickeltes, völlig neues galvanotechnisches Verfahren zum Einsatz, das es erlaubt, auf die sonst erforderlichen Leitfähigkeits- und Binderadditive zu verzichten. Dadurch sind konzeptbedingt erhöhte Energie- und Leistungsdichten möglich. Alternativ dazu wird der klassische Ansatz der Aufbringung eines Slurries aus Aktivmaterial, Leitfähigkeits- und Binderadditiv auf die Beschichtung/Infiltration zellularer Trägermaterialien erweitert. Dies ermöglicht die Realisierung erhöhter Flächenbeladungen, wodurch die Energiedichte der Elektroden gesteigert werden kann. Im Rahmen des Projekts sollen geeignete Infiltrationsverfahren in Kombination sowohl mit heute bereits eingesetzten als auch zukünftigen Hochenergiematerialien ermittelt werden. Als weiterer Ansatz zur Verbesserung der Zellperformance, vor allem unter hohen Stromraten (Hochleistungsanwendungen und Schnellladeszenarien) bzw. zur weiteren Verbesserung der Zellsicherheit wird die Eignung von Phase-Change-Materials für das Thermomanagement des gesamten Zellpacks untersucht. Dies erfolgt zunächst durch Modellierung und Simulation sowie nachfolgend durch Validierung und Erprobung.
Grundsätzlich können Stapelzellen wegen ihres homogenen Aufbaus Vorteile gegenüber gewickelten Zellen haben. Daneben weisen gestapelte Zellen durch die bessere Raumausnutzung eine um 2-5 % höhere Zellkapazität auf. Ein großer Nachteil des Einzelblatt-Stapelverfahrens ist jedoch der geringere Durchsatz bei den derzeit verfügbaren Anlagen. Die Manz AG wird nach Evaluierungs- und Designphase eine demonstratorische Stapelanlage entwickeln, diese bauen und im Betrieb qualifizieren. Es ist geplant, diesen Demonstrator an der Forschungsproduktionslinie (FPL) am ZSW zu betreiben. Das Ziel dieses Vorhabens ist es, den Nachteil des geringeren Durchsatzes eines Staplers im Rahmen der geplanten Arbeiten mindestens zu kompensieren. Gleichzeitig sollen vergleichbare bis verbesserte Prozessausbeuten durch die Entwicklung bzw. Anpassung bestehender Prozesse und Handhabungstechnik im Vergleich zum Stapeln erzielt werden. Eine abschließende Evaluierung der Herstellkosten in einer Massenproduktion soll die Ergebnisse für die schnelle wirtschaftliche Übertragung und kommerzielle Verwertung im Vergleich zu herkömmlichen Materialien und Prozessen vorbereiten. Der Nachweis verbesserter Leistungsdichten, Zyklenfestigkeit, Langlebigkeit und Sicherheit gegenüber bisherigen Lithium-Ionen-Zellen ist ebenso ein Zielkriterium.
In 3-D-Graph wird eine zukünftige Generation von Superkondensatoren entwickelt. Diese bestehen aus Graphenelektroden mit kontrollierter Oberflächenchemie und pseudokapazitiven Materialien. Das Projekt wird in Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen aus Israel und Deutschland durchgeführt. Das Projekt konzentriert sich auf die nanotechnologische Synthese neuer, dreidimensional verbundener Graphenmaterialien mit verbesserter, da ungerichteter Leitfähigkeit. Zur Herabsetzung des Widerstands und Verbesserung des Benetzungsverhaltens ist weiterhin vorgesehen, die Oberflächenchemie der neuen Graphene durch gezielte, chemische Modifikation zu steuern und die Energiedichte durch die Verwendung pseudokapazitiv wirkender Materialien zu steigern. Das Projekt ist darauf angelegt, neue Herstellungsmethoden anzupassen, zu kombinieren und zu testen.
Gesamtziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung, Charakterisierung und Qualifizierung eines neuartigen Energiespeichers auf Basis eines Al-Ionen-Batteriesystems mit hoher Energiedichte (300 Wh/kg, 690 Wh/l ) für mobile Anwendungen als alternatives Konzept gegenüber den etablierten, aber auch den in der Entwicklung befindlichen Li Ionen-Systemen. Das Vorhabensziel wird in den Teilbereichen der Synthese und Charakterisierung eines geeigneten Kathodenmaterials (FhG IISB/THM Freiberg , FhG IZM Berlin), der Bewertung von Al-Legierungen für den Einsatz als Anode insbesondere im Hinblick auf der Vermeidung von Passivierungsschichten (DFI Frankfurt), der Entwicklung und Testung entsprechender Elektrolytsysteme (TU Clausthal, IoLiTec GmbH Heilbronn) und der elektrischen und elektrochemischen Analyse des Gesamtsystems in etablierten Mikrotestzellen (FhG IZM Berlin) gemeinsam durch die Verbundpartner umgesetzt. Darüber hinaus wird bereits in diesem frühen Stadium der Material- und Systementwicklungen ein Verwertungspfad derartiger innovativer Batteriesysteme erarbeitet und erste Konzepte für deren Umsetzung im Verbund erstellt (PEM der RWTH Aachen).
Das Forschungsprojekt zielt auf die Entwicklung von Elektroden auf Basis von Graphen und pseudokapazitiven Materialien für umweltfreundliche wässrige Hybridkondensatoren ab. Neuartige Kompositelektroden sollen in Bezug auf ihre spezifische Energie, Leistungsfähigkeit und Zyklenstabilität optimiert werden. Das Gesamtprojekt konzentriert sich auf die nanotechnologische Synthese neuer, dreidimensional verbundener Graphenmaterialien mit verbesserter, da ungerichteter Leitfähigkeit. Zur Herabsetzung des Widerstands und Verbesserung des Benetzungsverhaltens ist weiterhin vorgesehen, die Oberflächenchemie der neuen Graphene durch gezielte, chemische Modifikation zu steuern und die Energiedichte durch die Verwendung pseudokapazitiv wirkender Materialien zu steigern. Das Projekt ist darauf angelegt, neue Herstellungsmethoden anzupassen, zu kombinieren und zu testen. Im Teilvorhaben werden die Entwicklung von Graphen-basierten Hochleistungselektroden sowie die Implementierung und Erprobung der Elektroden in prototypische Zellen adressiert.
Aluminiumionen-Akkumulatoren erfahren aktuell international steigende Aufmerksamkeit. Die Restriktionen der Lithium-Ionen-Technologie (Rohstoffsituation, Energiedichte, Brennbarkeit) erfordern neue Konzepte, bei denen intrinsisch sichere Akkumulatoren mit Materialien entwickelt werden, die keinem Engpass unterliegen, wie insbesondere Aluminium. Aluminium lässt sich aus neuartigen ionischen Flüssigkeiten leicht reversibel abscheiden, die Elektrolyte basieren auf AIC13, und als Kathodenmaterial kommen reichlich verfügbare Materialien wie Kohlenstoff, Schwefel oder auch kohlenstoffbasierte Polymere in Frage. In diesem Teilvorhaben werden grundlegende Untersuchungen zur Elektrochemie von Aluminium in den neuartigen Flüssigkeiten durchgeführt, das Verhalten der Kathodenmaterialien untersucht und letztlich in Knopfzellen verschiedene Materialkombinationen zyklisiert.
Zur Entwicklung geeigneter Kathodenwerkstoffe für Aluminum-Ionen-Systeme mit hoher volumetrischer Energiedichte werden am Fraunhofer IISB mit seiner Außenstelle THM geeignete Interkalationsmaterialien auf der Basis von Metalloxiden, einschließlich der strukturellen und elektrochemischen Charakterisierung untersucht. Am Fraunhofer IZM sollen Schwefelverbindungen als Kathode für Aluminium-Ionenbatterien untersucht werden. Ziel ist es, schwefelbasierte Nanomaterialien als Kathoden zu synthetisieren und deren physikochemische Charakterisierung durchzuführen.
Ziel des Vorhabens ist es, die Energiedichte, Lebensdauer, Sicherheit und Qualität von großformatigen, prismatischen Li-Ionen-Zellen im PHEV1-Format bei gleichzeitiger Einsparung von Produktionskosten zu steigern. Dies soll erreicht werden durch die Entwicklung und Erprobung von Prozessen und neuen Materialien für das schnelle Einzelblattstapeln in der Zellassemblierung. Mit einem Demonstrator-Stapler und neu entwickelten Separatoren werden gestapelte PHEV1-Zellen an der FPL hergestellt, charakterisiert und die Zellperformance mit Referenz-PHEV1-Wickelzellen verglichen.
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