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E-Mobility Autarke Solartankstelle: Saar-Uni und Kooperationspartner entwickeln Pilotanlage

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Eine Tankstelle für Elektrofahrzeuge, die mittels einer Photovoltaikanlage in Kombination mit einem elektrochemischen Speicher zu 100 % regenerativ und autark arbeitet, entwickelt die Universität des Saarlandes derzeit gemeinsam mit Kooperationspartnern. Die Testanlage ist etwa so groß wie ein Autoparkplatz und wird in Burbach entstehen.

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Herzstück der Solartankstelle ist der elektrochemische Speicher; eine Vanadium-Redox-Batterie. Die Technik dahinter ist hochkomplex und in der Anwendung als Ladestation für Elektrofahrzeuge völlig neu.
Herzstück der Solartankstelle ist der elektrochemische Speicher; eine Vanadium-Redox-Batterie. Die Technik dahinter ist hochkomplex und in der Anwendung als Ladestation für Elektrofahrzeuge völlig neu.
(Bild: Universität des Saarlandes)

Die Saar-Universität entwickelt derzeit in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Kaiserslautern, der Schmid Energy Systems GmbH aus Freudenstadt und der IZES gGmbH aus Saarbrücken eine zu 100 % regenerativ und autark arbeitende Solartankstelle. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Verbundvorhaben „Opti Charge“ mit insgesamt 1,6 Millionen Euro, davon fließen 300.000 Euro an die Saar-Uni. Das Projekt ist am 1. August 2015 gestartet und läuft über drei Jahre.

„Die Testanlage wird in einem Container installiert, dessen Dach mit Solarzellen ausgestattet ist. Im Inneren befindet sich eine elektrochemische Batterie, die die Sonnenenergie zwischenspeichert und als Ladestation mit zwei Steckdosen für Elektrofahrzeuge fungiert“, erklärt Harald Natter vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie. Der promovierte Chemiker leitet die Arbeitsgruppe der Saar-Uni im Projekt „Opti Charge“.

Vanadium-Redox-Batterie – Herzstück der Anlage

Herzstück der Anlage ist der elektrochemische Speicher: eine Vanadium-Redox-Batterie. Bis zu 50 elektrochemische Zellen sollen dabei in einem so genannten Zellenstack hintereinandergeschaltet werden. Jede Einzelzelle besteht aus zwei getrennten Elektrodenräumen, die durch eine ionenleitende Membran getrennt werden. Die Elektrodenräume enthalten ein spezielles Kohlefaservlies. Der Zellenstack ist mit zwei Tanks verbunden, die wässrige Lösungen mit Vanadium-Ionen verschiedener Wertigkeitsstufen enthalten. „Wird Solarstrom an die Batterie angelegt, so wechseln die Vanadium-Ionen ihre Oxidationsstufe“, erläutert Harald Natter die Funktionsweise der Batterie. Dabei werden beim Ladevorgang Vanadiumionen an der Anodenseite oxidiert (V4+-Ionen wechseln ihre Oxidationsstufe zu V5+) und an der Kathodenseite reduziert (V3+-Ionen wechseln ihre Oxidationsstufe nach V2+). Bei der Energieentnahme, also beim Laden der Fahrzeuge, läuft der Vorgang in der umgekehrten Richtung ab. Auf diese Weise kann elektrische Energie in den Vanadiumlösungen gespeichert und in den beiden Tanks gelagert werden.

Hochkomplexe Technik

Bereits heute werden Redox-Flow-Batterien für verschiedene Zwecke eingesetzt, auch für die Speicherung von Wind- und Wasserkraft. Allerdings: „Die Anwendung als Ladestation für Elektrofahrzeuge ist neu“, sagt Harald Natter. „Die Technik dahinter ist hochkomplex.“ Daher haben die Kooperationspartner die Aufgaben verteilt:

  • So entwickelt die TU Kaiserslautern ein Lademanagement-System, also eine Software, die die Arbeit der Batterie kontrolliert. Dabei sollen auch eingehende Wetterdaten berücksichtigt werden, so dass sichergestellt wird, dass bei erwartetem Sonnenschein genügend freier Speicher zur Verfügung steht.
  • Bei der Integration der Steuersoftware in die Testanlage werden die Kaiserslauterner Wissenschaftler von der Forschungsgruppe „Technische Innovationen“ der Firma IZES unterstützt, die das Vorhaben auch koordiniert.
  • Das Prototypensystem der Anlage hat die Firma Schmid entwickelt, allerdings ohne Solarzellen und mit Standardkomponenten.
  • Diese Komponenten zu optimieren, hat sich die Arbeitsgruppe der Saar-Uni zum Ziel gesetzt.

Die Wissenschaftler der Saar-Uni wollen vor allem die Beschaffenheit des Kohlevlieses, an dem der Elektronenaustausch stattfindet, verbessern: „Wir wollen die fein verästelte Kohlefaser-Oberfläche weiter vergrößern und zusätzlich Katalysatoren aufbringen“, erläutert Harald Natter. Darüber hinaus arbeiten er und sein Team an der Entwicklung einer neuartigen Ladezustandsanzeige („state of charge sensor“). Diese soll mittels einer spektroskopischen Analytik funktionieren, die die Menge einer bestimmten Ionenspezies ermittelt. „Sind viele V5+-Ionen vorhanden, ist die Batterie geladen, gibt es viele V4+-Ionen, ist sie entladen“, erläutert der Saarbrücker Forscher das Prinzip. Um die Ionen-Mengen zu ermitteln, sollen kleine Proben der wässrigen Lösung in eine Küvette abgepumpt werden, die von einer Laserlichtquelle und von UV-Strahlung durchstrahlt wird. Ein Detektor registriert charakteristische Peaks, deren Höhe und Form mit der Menge bestimmter Ionen-Spezies korreliert und mit einem mathematischen Auswertealgorithmus in eine Konzentration übersetzt werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Ladezustand permanent online erfassen.

Aufbau der Pilotanlage bei IZES

Mit dem Aufbau der Pilotanlage auf dem Burbacher Gelände der IZES gGmbH soll in Kürze begonnen werden. Die Steuerung der gesamten Anlage wird ein Zentralrechner übernehmen, der die Daten über eine Mobilfunkleitung von der Ladestation empfängt. (sh)

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