Energiespeicher

Energiespeicher sind ein zentrales Element für das Gelingen der Energiewende. Sie ermöglichen die (partielle) Entkopplung von Energieproduktion und Energieverbrauch. Heute werden sie insbesondere im Bereich Mobilität und Wärmeversorgung eingesetzt und ihre Bedeutung nimmt stetig zu. Gleichzeitig erschließen sie weitere Anwendungen wie bspw. stationäre Energiespeicherung zur Netzstabilisierung und zur Betriebsoptimierung von Elektrolyseuren. Thermische Energiespeicher decken sowohl kurze (Tag/Nacht) als auch langfristige (saisonale) Zeiten ab. Im industriellen Umfeld werden thermische Speicher bei der Abwärmenutzung eingesetzt.

Verbesserungen auf Zell- und Batteriesystemebene als Schlüssel für elektrische Energiespeicher

Elektrochemische Energiespeicher spielen u. a. bei stationären Anwendungen in Form von Zwischenspeichern für regenerative Energien sowie 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. Laut zahlreicher Roadmaps wird speziell die Lithium-Ionen Technologie in den nächsten Jahren die dominierende Rolle spielen. 

Insbesondere fahrzeugtaugliche elektrische Energiespeicher müssen zudem ein sehr breites, zum Teil widersprüchliches Anforderungsspektrum erfüllen. Dies umfasst 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 besondere Rolle und sind der Schlüssel für zukünftige elektrische Energiespeicher. Entscheidend für die Entwicklung von Batterien der dritten oder vierten Generation sind eine enge Verzahnung der angewandten Materialforschung und der dazugehörigen Prozesstechnologie. 

Entwicklung innovativer und hocheffizienter Latentwärmespeicher

Ein Großteil des nationalen Energieverbrauchs entfällt auf eine thermische Nutzung, z. B. für Prozesswärme und Heizen. Die Optimierung des thermischen Energieverbrauchs und der bedarfsgerechten Bereitstellung von thermischer Energie spielt dementsprechend eine große Rolle beim Erreichen der Klimaziele. Die Speicherung thermischer Energie 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 sowie des gesamten Speichersystems. Aber auch die Auswahl und (Weiter-) Entwicklung geeigneter Behältermaterialien und Wärmeleitstrukturen werden verfolgt. Dabei liegt das Augenmerk auch auf der Beachtung der Anforderungen hinsichtlich der Anwendungstemperatur und der Wechselwirkungen mit den Speichermaterialien. Darüber hinaus bestehen langjährige Erfahrungen in der Konzeption, Simulation und Auslegung der Speicher. 

Das Fraunhofer IFAM verfügt über mehr als 15 Jahre Erfahrung in der Applikation polymerer und anorganischer Werkstoffe in der Energiespeichertechnik, u. a. mit Fokus auf Lithium- und Post- Lithium-Batteriekonzepten als auch latenten und sorptiven Wäremespeichern. Gestützt auf die Kernkompetenzen des Instituts 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 Erforschung von Speichertechnologien der aktuellen und nächsten Generation. Der Fokus wird dabei sowohl auf dem Speicher selbst als auch auf deren Fertigungsverfahren liegen. Neben den Fragestellungen zu Materialauswahl und Materialdesignwird 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.