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Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Osterfelder Str. 3, 46047 Oberhausen
Deutschland
Telefon +49 208 8598-0
Fax +49 208 85981290
info@umsicht.fraunhofer.de

Dieser Aussteller ist Mitaussteller von
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Hallenplan

Energy Storage Europe 2019 Hallenplan (Halle 8b): Stand H33

Geländeplan

Energy Storage Europe 2019 Geländeplan: Halle 8b

Unser Angebot

Unsere Produkte

Produktkategorie: Batteriefertigung

Redox-Flow-Batterien für klimafreundliche Eigenheime

Projektziele
Im Rahmen des innovativen Neubauprojekts Redox-Herne erforscht Fraunhofer UMSICHT die Entwicklung und Systemintegration von Redox-Flow-Batterien in Eigenheimen. Derzeit entstehen sieben Einfamilienhäuser mit unterschiedlichen technischen Energiekonzepten, deren regenerative Energie von Photovoltaik-Anlagen erzeugt wird. Im Fokus der vergleichenden Untersuchung steht das Betriebsverhalten variabler energetischer Systemkombinationen im täglichen Einsatz unter Berücksichtigung verschiedener technischer Varianten und unterschiedlichen Nutzerverhaltens. Die Ergebnisse fließen in die Weiterentwicklung von innovativen Energiekonzepten für Gebäude und Quartiere ein.

Nutzen
Mit der stetig wachsenden Umstellung von fossilen Brennstoffen auf regenerative Energieträger gewinnen Speichertechnologien für erneuerbare Energien immer mehr an Bedeutung, sodass ihnen im künftigen Energiesystem eine Schlüsselfunktion zuteilwird. So müssen Stromspeicher flexibel auf die schwankende Verfügbarkeit von Strom aus Photovoltaik und Windenergie reagieren und den nicht benötigten Strom für Zeiten eines erhöhten Strombedarfs zwischenspeichern können. Dabei sollte natürlich auch die Versorgungssicherheit und Zuverlässigkeit stets gewährleistet werden.

Gegenwärtig werden in Deutschland und Europa bei der großtechnischen Stromspeicherung zum großen Teil Pumpspeicherwerke eingesetzt. Aufgrund des begrenzten Ausbaupotenzials von Pumpspeichern werden derzeit alternative Speicherkonzepte gesucht. So können zum Beispiel elektrische Speicher und Speichersysteme eine zukunftsweisende Alternative sein, da sie auch individuelle Lösungen für die Eigenversorgung von zum Beispiel Wohngebäuden mit alternativen Energien ermöglichen.


Dezentrale Energieversorgung mit erneuerbarer Energie
Im Rahmen eines innovativen Wohnprojekts, dem Klimaviertel in Herne Sodingen, testet und analysiert Fraunhofer UMSICHT den Einsatz von Redox-Flow-Batteriespeichern in Kombination mit Photovoltaik-Anlagen und modernen Wärmepumpenkonzepten. Die sieben Einfamilienhäuser dienen dabei als ein Modellstandort für Systemlösungen eines weitgehend energieautarken Wohnens. Die Häuser werden unter vergleichbaren Rahmenbedingungen, jedoch mit unterschiedlichen energetischen und technischen Konfigurationen erbaut.

Um die Energiekonzepte festlegen und entsprechend umsetzen zu können, untersuchten die Wissenschaftler zuerst eine Reihe technologischer Verfahren auf Basis unterschiedlicher Szenarien. Dabei wurden unter anderem Aspekte wie Eigenverbrauchsanteil, Autarkiegrad und Systemdienlichkeit betrachtet. Nach Auswertung dieser Konzepte und mit Berücksichtigung der gegebenen Rahmenbedingungen wurde letztlich die optimale Lösung für das Projekt entwickelt.

Klimaviertel als Testlabor für künftige Neu- und Umbauprojekte
Gemeinsam mit der Stadtwerke Herne AG und der Volterion GmbH untersucht Fraunhofer UMSICHT anhand der Einfamilienhäuser im Klimaviertel die verschiedenen Verschaltungsmöglichkeiten der Redox-Flow-Batterien. Die Forscher testen unter Berücksichtigung der Photovoltaik-Anlagen zum Beispiel die Wirkungsgrade polykristalliner und monokristalliner Solarzellen und vergleichen die unterschiedlich konfigurierten Häuser mit einem Referenzhaus, das mit einem Lithium-Ionen-Energiespeicher und einer Erdwärme-Wärmepumpe ausgestattet ist. Auf diesem Weg lassen sich die optimalen Anlageneinstellungen für Neu- und Umbauprojekte detektieren und das Potenzial bzw. die Anwendbarkeit der Systemlösungen im täglichen Betrieb austesten. Hierbei werden dann auch die divergenten technischen Einflüsse und die Auswirkungen verschiedenen Nutzerverhaltens berücksichtigt.

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Produktkategorie: Batteriefertigung

Neuartige vollverschweißte Bipolarbatterie

Projektziele
Die Hauptzielsetzung des Vorhabens »KOBIBATT« ist die Entwicklung eines Batteriesystems mit höherer Energiedichte und größerer Sicherheit bei geringeren Kosten. In der Batterieforschung werden diese Ziele bislang als gegenläufig und unvereinbar gesehen. »KOBIBATT« adressiert erstmalig alle drei Ziele zugleich. Die zentralen Herausforderungen dabei sind: (1) die Entwicklung einer neuartigen und vollverschweißten Bipolarbatterie auf Polymerbasis, (2) die Erforschung eines konstruktiven Designs, (3) die Erarbeitung von dafür benötigten kosten- und ressourceneffektiven Rolle-zu-Rolle-Fertigungs- und Fügeverfahren. Das Design für die Bipolarbatterie wird anhand einer Lithium-Ionen-Bipolarbatterie mit hoher Energiedichte für mobile Anwendungen und einer Nickel-Eisen-Bipolarbatterie mit hoher Lebensdauer und Zyklenfestigkeit für stationäre Anwendungen entwickelt und demonstriert.

Herausforderungen
Die technischen Herausforderungen des Vorhabens bestehen in der Entwicklung von elektrochemisch stabilen, ressourcenschonenden und kostengünstigen Bipolarelektroden sowie deren Assemblierung zu perfekt dichten Batteriestacks. Der neuartige Projektansatz, den die beteiligten Forscher verfolgen, hat das Ziel, verschweißbare, hochleitfähige polymerbasierte Bipolarfolien zu erarbeiten, die mit polymeren Festkörper-Elektrolyten und Kompositelektroden in einem Prozess hergestellt und zu einer Gesamtbatterie verschweißt werden.

Der Aufbau und Fertigungsprozess aktueller Batteriesysteme ist sehr komplex. Für ein Batteriesystem müssen bisher viele Einzelzellen mit geringer Leistung miteinander verschaltet werden, was wegen der Vielzahl an inaktiven Hüll-Komponenten zu einer geringen Energiedichte führt. Ein hoher Materialverbrauch und ein schwer automatisierbares Einzelzellassembling (Zusammenbau der verschiedenen Komponenten) sind weitere Nachteile gegenwärtiger Batteriesysteme. Um die Energiedichte weiter zu erhöhen, müssten erheblich größere Einzelzellen eingesetzt werden, die jedoch durch die hohe Strombelastung das Risiko von Hot-Spot-Bildungen an Verbindern und Ableitern und damit die Brandgefahr erhöhen.
Nutzen
Der Bipolar-Batterie-Aufbau vermeidet diese Probleme vollständig: Das im Projekt zu entwickelnde Batteriesystem besteht aus nur einem Batteriestack, der sich komplett automatisierbar fertigen lässt. Gleichzeitig ist die flächenbezogene Strombelastung viel geringer und gleichmäßiger, was längere Standzeiten ermöglicht.

Platzsparend, skalierbar und dichtungsfrei
Bei dem zu entwickelnden bipolaren Batterieaufbau werden an beiden Seiten der Bipolarfolie, Anode und Kathode, Folgezellen aufgebracht, so dass die Folie zugleich die mechanische Trennung und die elektrische Verbindung der Zellen im Stapel bildet. Der Aufbau verzichtet auf separat eingehauste Einzelzellen und benötigt weder Einzel-Stromableiter noch elektrische Zellverbindungen. Durch den bipolaren Aufbau ist die Zellgröße beliebig skalierbar. Dieser neue Ansatz erhöht deutlich die Energiedichte im Batteriesystem und vermeidet durch die Senkung des Zellinnenwiderstandes die Bildung von Hot-Spots und damit das Risiko eines Brandes.

Da die Produktion in kostengünstigen vollautomatisierten Rolle-zu-Rolle-Verfahren mit weniger Materialaufwand möglich ist, können bei der Herstellung Kosten und Ressourcen eingespart werden. Die Bipolarbatterie wird vollverschweißt, so dass auf Dichtungen komplett verzichtet werden kann. Als Basismaterial dient ein thermoplastisches System, das einen polymerbasierten Batterieaufbau bzw. eine Vollkunststoffbatterie ermöglicht.

Mobile und stationäre Anwendungen
Mit dem Projekt der vollverschweißten Bipolarbatterie entwickelt das Fraunhofer-Konsortium im Projekt »KOBIBATT« einen neuartigen Batterieaufbau, der sich auf praktisch alle Batterie-Chemien übertragen lässt. Der technologische Qualitätssprung zielt auf die Marktbedürfnisse nach höherer Energiedichte bei größerer Sicherheit und gleichzeitig geringeren Kosten.

Die Fraunhofer-Wissenschaftler erarbeiten und demonstrieren auf Basis des bipolaren Batteriekonzeptes Lithium-Ionen-Batterien für die mobile Anwendung und Nickel-Eisen-Batterien für die stationäre Anwendung. Mobilitätsbatterien werden im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau eingesetzt.

Große Nachfrage an stationären Bipolarbatterien besteht vor allem bei Energieversorgern, die aufgrund schwankender Einspeisung aus den erneuerbaren Energieträgern vermehrt Großspeicher einsetzen, um die Netzstabilität gewährleisten zu können.

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Produktkategorie: Batteriefertigung

Massenfertigung von Graphit-Bipolarplatten

Projektziele
Im Projekt »KONTIFLEX« werden die bereits von Fraunhofer UMSICHT für Flow-Batterien entwickelten verschweißbaren, flexiblen Polymer-Bipolarplatten für die Anwendung in NT-PEM (Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen) weiterentwickelt. Dazu soll das Herstellungsverfahren von der Laboranlage in eine großtechnische Rolle-zu-Rolle-Fertigung überführt werden. Als Verbundpartner unterstützt die SAUERESSIG GmbH + Co. KG mit ihrem Know-how die Realisierung des Produktionsprozesses auf industriellem Maßstab, um mittelfristig das Kostensenkungspotenzial eines großskaligen Herstellungsverfahrens zu erschließen. Erstmals soll somit der Aufbau einer stetigen Fertigung von dünnen, hochgefüllten Graphitplatten mit integrierter Einbringung von komplexen Strukturen ermöglicht und eine kontinuierliche Produktion entwickelt, getestet und realisiert werden. Darüber hinaus wird die Bipolarplatte für Hochtemperatur-PEM durch den Einsatz neuer Kunststoffmischungen ertüchtigt.

Herausforderungen
Als alternative, wasserstoffbasierte Energiewandler bieten Brennstoffzellen ein großes Einsatzspektrum in stationärer und mobiler Anwendung – allerdings sind die Investitionskosten noch sehr hoch. Bipolarplatten sind ein Hauptbestandteil von Brennstoffzellenstacks. Sie trennen die Reaktionsgase und Kühlmedien voneinander ab und verteilen sie in den entsprechenden Brennstoffzellen-Reaktionsbereich. Bipolarplatten müssen elektrisch und thermisch gut leitfähig sowie robust gegenüber chemischen Einflüssen und hohen mechanischen Anpressdrücken in der Zelle sein. Darüber hinaus sollten sie kühlbar und möglichst dünn sein. Hohe Anforderungen, aber auch hohe Kosten: Bipolarplatten verursachen etwa ein Viertel der Stackkosten.
Nutzen
Die bereits von Fraunhofer UMSICHT entwickelte Technologie für eine kontinuierliche Produktion von Graphit-Kunststoff-Verbundmaterialien ermöglicht eine Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung sowie den direkten Einsatz pulverförmiger Ausgangsstoffe. Die – im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren – äußerst materialschonende Verarbeitung ermöglicht ein Thermoplast-basierter Kunststoff-Compound, der verschweißbar ist.

Neues, kostengünstiges Design
Die Bipolarplatten können miteinander und mit anderen Fügepartnern stoffschlüssig verbunden werden, sind sehr flexibel und gewähren somit völlig neue Konstruktionsmöglichkeiten für Brennstoffzellen. Da die Bipolarplatten mit anderen Elementen direkt verschweißt werden können, kann auf Dichtflächen nahezu komplett verzichtet werden. Durch die geringere Anzahl an Bauteilen und die neue Flexibilität wird der Stackaufbau darüber hinaus einfacher und sicherer, kompakter und durch das effektive Assembling erheblich günstiger.

Vom Labor zur Großfertigung
Mit der Überführung dieses Verfahrens von der Laboranlage in eine großtechnische Fertigung ist es erstmals möglich, eine fortlaufende Produktion von dünnen, hochgefüllten Bipolarplatten zu demonstrieren und die Technologie auch für weitere Anwendungen als kostengünstige Komponente weiter zu entwickeln.
Ergebnis
Die neue Anlage zur Fertigung befindet sich derzeit im Testbetrieb. Im Rahmen des Vorhabens entwickelten und produzierten Forscher des Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit SAUERESSIG GmbH + Co. KG darüber hinaus eine 3,2 m² Bipolarplatte. Die Platte ist in ihrer Größe bisher einzigartig.

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Über uns

Firmenporträt

Unsere Mission: Wegbereiter einer nachhaltigen Energie- und Rohstoffwirtschaft
 
Fraunhofer UMSICHT ist Wegbereiter einer nachhaltigen Energie- und Rohstoffwirtschaft durch Bereitstellung und Transfer wissenschaftlicher Ergebnisse in Unternehmen, Gesellschaft und Politik. Das engagierte UMSICHT-Team erforscht und entwickelt gemeinsam mit Partnern nachhaltige Produkte, Prozesse und Dienstleistungen, die begeistern. Das ist unsere Mission.
 

Daran forschen wir

Unsere Gesellschaft verbraucht kontinuierlich Rohstoffe und Energie. Wie sonst können wir produzieren, konsumieren, mobil sein, heizen oder kühlen? In unseren Projekten fragen wir uns: Wie können wir Klima und Umwelt schützen? Wie schonen wir Ressourcen? Wie verbessern wir Prozesse oder Produkte? Was kostet das? Unter welchen Voraussetzungen setzen Unternehmen Prozesse um, die Industriegesellschaften nachhaltig machen? Wann tragen Menschen Veränderungen gerne mit? Wir überlegen, was sich verändern muss und was wir dafür tun können. Wir schätzen Kosten ab, beraten und zeigen Lösungen auf. Daran forschen wir! 

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