Zuverlässige Speicherlösungen

Wind, Sonne, Gezeiten – künftig wird unser Energiesystem immer stärker auf Energie aus fluktuierenden erneuerbaren Quellen basieren. Doch dazu bedarf es einer kompakten, verlustarmen und sicheren Speicherung und Bereitstellung von Energie. Die Fraunhofer-Allianz Energie entwickelt gemeinsam mit Partnern aus der Industrie neue Energiespeicherkonzepte.

Geschäftsbereich »Energie Speicher«

Elektrische Energiespeicher

Elektrische Energiespeicher bilden einen relevanten Baustein für den Umbau des Energiesystems. Unsere Schwer­punkte in diesem Bereich liegen auf der Entwicklung von Batterien sowie SuperCaps. Die Einsatzmöglichkeiten von Batterien sind sehr vielseitig und reichen von kompakten mobilen Unterhaltungs- und Kommunikationsgeräten über Batterien für Hybrid- und Elektrofahrzeuge bis hin zu Speichern für regenerative Energien im MW/MWh-Bereich.
Das gemeinsame Entwicklungsziel dieser Anwendungsfelder ist es, eine möglichst hohe Energie- und Leistungsdichte – sprich kurze Lade- und Entladezeiten der Systeme – zu erreichen. Sicheres, zuverlässiges Arbeiten und eine lange Lebensdauer sind weitere essentielle Merkmale.

Redox-Flow-Batterien sind eine zukunftsweisende Technologie für die Stromspeicherung bis in den MW-Bereich. Die gespeicherte Energie wird in externen Tanks gelagert und kann bei Bedarf in der Wandlereinheit umgesetzt werden. Sie bieten die Möglichkeit, Leistung (kW) und Arbeit (kWh) der Anwendung individuell anzupassen. So reichen die Applikationen von der Speicherung erneuerbarer Energien aus fluktuierenden Energiequellen über die mögliche Verwendung als nahezu durchgehend verfügbarer Energiespeicher im Netz bis hin zur unterbrechungsfreien Stromversorgung.

Zunehmend werden wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus in allen Bereichen des täglichen Lebens verwendet und gewinnen auch als stationäre Energiezwischenspeicher an Bedeutung. Zu den Aspekten, die den Einsatz von Li-Ionen-Akkus attraktiv machen, gehören ihre niedrige Selbstentladerate, die Tatsache, dass es keinen nennenswerten Memory-Effekt gibt, und ihre hohe Energiedichte.
Insbesondere die Elektromobilität in Form von Elektroautos oder -fahrrädern benötigt hohe Energiedichten, um entsprechende Reichweiten zu erzielen.

Neben den Entwicklungen von Materialien, deren Verarbeitung sowie verfahrenstechnischer Prozesse stehen auch das Batterie­management und -monitoring sowie Untersuchungen zur Sicherheit dieser Energiespeicher in der Anwendungssituation im Fokus der Fraunhofer-Allianz Energie.

Doppelschichtkondensatoren stellen mit ihrer sehr hohen Leistungsdichte und den damit verbundenen kurzen Abruf- und Ladezeiten eine Alternative bzw. Ergänzung zu den Batterie­technologien dar. Forscher der Fraunhofer-Allianz Energie arbeiten an der Verbesserung dieser SuperCaps durch den Einsatz neuer Materialien und Beschichtungstechnologien.

 

Chemische Energiespeicher

Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Sektorkopplung spielt die Umwandlung von elektrischer in chemische Energie eine entscheidende Rolle. Fraunhofer-Forscher arbeiten beispielsweise an entsprechenden Power-to-Gas-Verfahren, welche die chemische Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff oder Methan ermöglichen.

 

Mechanische Energiespeicher

Druckluftspeicher haben sich neben Pumpspeicherkraftwerken als großtechnische Anlagen zur ortsfesten elektromechanischen Speicherung von Energie etabliert. Experten der Fraunhofer-Allianz Energie entwickeln Anwendungen für den Einsatz der Technologie auf kleinerer Größenskala (5-50 MWel).

 

Thermische Energiespeicher

Phasenwechselmaterialien (PCM) erhöhen als latente Wärmespeicher die Wärmekapazität von Gebäuden und sorgen für ein stabiles, angenehmes Raumklima. Ihre Arbeitstemperatur ist bei der Produktion von -10 °C bis 80 °C einstellbar. Besonders interessant ist ihr Einsatz in der Leichtbauweise, da sie in Form von Mikrokapseln direkt in Putze oder Trockenbau­platten eingebracht werden.

PCM können außer in Gebäuden auch überall dort eingesetzt werden, wo auf kleinem Raum eine hohe Wärmespeicherfähigkeit gewünscht ist, wie bei Wärme­tauschern oder Wasserboilern. Außerdem arbeiten Fraunhofer-Experten an pumpfähigen Hochleistungs­kälte­trägern wie Eis-Suspensionen zum Einsatz in der Prozess- und Transportkühlung oder im Bereich der Lebensmittelindustrie.

Wärme- und Kältespeicherung sind auch durch Ab- oder Adsorptionsprozesse möglich. Diese sogenannte sorptive oder thermo-chemische Wärmespeicherung hat den Vorteil, dass sehr hohe Speicherdichten erreicht und ein breites Temperatur-spektrum abgedeckt werden können. Außerdem entfallen thermische Energieverluste während der Speicherperiode.

 

Energy Harvesting

Das Micro Energy Harvesting ist eine relativ junge Disziplin im Bereich der mobilen Stromversorgung von Kleingeräten sowie bei netzfernen Anwendungen. Insbesondere thermo­elek­trische und piezoelektrische Energiewandlungsverfahren kommen hier zum Einsatz. Bei der thermoelektrischen Energie­wandlung wird ein Temperaturgradient in elektrische Energie umgesetzt.

Die piezoelektrische Energiewandlung beruht auf der Erzeugung elektrischer Spannungen durch Druck oder Vibrationen. Von der Fraunhofer-Allianz Energie konzipierte Systeme können beispielsweise bei der Funktionsüberwachung in bewegten oder abgelegenen Anlagen Energie für die Funkübermittlung von Sensorsignalen liefern.

 

Brennstoffzellen

Brennstoffzellen gelten als vielversprechende Technologie zur Energiebereitstellung der Zukunft. Die Fraunhofer-Allianz Energie entwickelt neue Systemkomponenten sowohl für fossile als auch für erneuerbare Brennstoffe wie Ethanol, Biogas oder Wasserstoff. Dazu gehören Elektrodenmembranen für Hochtemperaturbrennstoffzellen sowie Polymer-Elektrolyt-Membranen und Elektrokatalysatoren für direktalkohol- oder reformatbetriebene Brennstoffzellen.

Unsere Mitgliedsinstitute forschen an innovativen Testverfahren insbesondere für den automobilen Einsatz von Brennstoffzellen und bieten Kunden entsprechende Mess-Dienstleistungen an. Ein weiteres Forschungsfeld sind Systeme zur (elektro-)chemischen Bereitstellung von Wasserstoff.