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Elektromobilität Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

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

Im Projekt „hyPowerRange“ wird ein neuartiges Batteriekonzept entwickelt und erprobt, das eine kostengünstige modulare und flexible Auslegung der Leistung und Kapazität von Elektrofahrzeugbatterien ermöglichen soll. Das Projekt wird vom BMWi gefördert.

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(Bild: gemeinfrei / CC0)

Das Ziel des Forschungsprojekts „hyPowerRange“ ist es, die Faktoren Reichweite, Kosten, Kühlbedarf und Leistung von E-Fahrzeugen zu verbessern. Dies soll durch die Entwicklung und den Aufbau eines modularisierten hybriden Energiespeichers erreicht werden. Dabei werden verschiedene Hochenergie- und Hochleistungszellen anwendungsspezifisch zu einer Gesamtbatterie kombiniert. Im Gegensatz zu bisherigen Projekten wird die hybride Batterie direktgekoppelt, das heißt ohne elektronische Zwischenwandler betrieben.

Energie- und Thermomanagement

Neben der Direktkopplung werden im Projekt konsequent zusätzliche reichweitenverlängernde Maßnahmen angewandt. So wird der hybride Speicher in ein übergeordnetes Energie- und Thermomanagement im Fahrzeug eingebunden. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz von Wärmepumpen im Fahrzeug und eine in Bezug auf die Reichweite optimierte Batterie- und Fahrzeugtemperierung mit thermischer Vorkonditionierung aus dem elektrischen Netz vorgesehen.

Das Kasseler Fraunhofer-Institut kümmert sich in seinem Teilvorhaben insbesondere um die elektrische Auslegung des hybriden-Speichers über Batteriesimulationen, die simulationsgestützte Ausarbeitung von Betriebsstrategien für den hybriden Speicher sowie die Durchführung von Gesamtsystemtests mit dem aufgebauten Fahrzeug-Demonstrator. Das Teilvorhaben sieht zunächst vor, das am IWES entwickelte Simulationsmodell für Li-Ionen Batterien und Zellen (ISET-LIB) für die Simulation direkt parallel geschalteter Zellen weiterzuentwickeln. Anschließend werden mit dem Simulationsmodell Auslegungskriterien und Betriebsstrategien erstmalig entwickelt und gemeinsam mit den Projektpartnern in das Batteriemanagementsystem (BMS) implementiert. Nach Umsetzung des Konzepts führen die Kasseler Forscher einen Gesamtsystemtest durch und entwickeln dazu an die hybride Batterie angepasste Teststrategien.

Batteriekonzept ab 2019 im praktischen Test

Das Forschungsprojekt „hyPowerRange“ läuft seit Anfang 2017 und wird voraussichtlich Ende 2019 abgeschlossen sein. Das neue modulare und flexible Batteriekonzept wird exemplarisch in ein Elektrofahrzeug integriert und ab 2019 sowohl im Fahr- als auch im Ladebetrieb am elektrischen Netz getestet und demonstriert.

Das Projekt wird gemeinsam von den Projektpartnern ABT, Bertrandt, der BMZ Group, dem Fraunhofer IWES (Konsortialführer), dem Fraunhofer LBF, der Hochschule Kempten und Konvekta durchgeführt und vom BMWi gefördert. (sh)

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Rohstoffbedarf in der Elektromobilität

Beim Thema Elektromobilität steht immer auch die Rohstoffversorgung im Fokus. Sind ausreichend Rohstoffe wie Kobalt, Lithium und Co. vorhanden? Werden Preise für Rohstoffe zur Produktion von Energiespeichern steigen? Hat die Förderung zusätzlich benötigter Rohstoffe negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt? Der Öko-Institut e.V. hat sich mit den Fragen beschäftigt und folgendes prognostiziert:

Rohstoffvorkommen

Die Rohstoffe Lithium, Kobalt, Nickel, Grafit und Platin sind für ein schnelles weltweites Wachstum der Elektromobilität ausreichend vorhanden. Zwar wird nach Berechnungen des Öko-Instituts der Bedarf an Lithium für die Elektromobilität im Jahr 2030 die heutige Minenproduktion um gut das Vierfache übertreffen. Die weltweiten Vorkommen für Lithium und die weiteren Rohstoffe übersteigen jedoch den prognostizierten Bedarf jeweils deutlich. Allerdings könnte es dem Öko-Institut zufolge zeitweise zu Verknappungen, vor allem bei Lithium und Kobalt, kommen. Diese sind jedoch als vorrübergehend anzusehen und beeinträchtigen nicht langfristig die globale Marktentwicklung der Elektromobilität.

Empfehlungen des Öko-Instituts: Ein konsequentes und effizientes Recycling dämpft die Nachfrage nach Primärrohstoffen und wirkt vorbeugend gegen temporäre Verknappungen. Dafür sollte die EU-Batterierichtlinie speziell für Antriebsbatterien der Elektromobilität weiterentwickelt und darin rohstoffspezifische Recyclingraten für Lithium, Kobalt, Nickel und Grafit festgeschrieben werden. Zusätzlich sollte ein weltweites Rücknahme- und Recyclingsystem für Lithium-Ionen-Batterien aufgebaut werden. Eine Forschungsoffensive zu Batterietechnologien sollte sich darauf konzentrieren, weniger und andere Materialien in Batterien zu nutzen, um so besonders kritische Rohstoffe mittelfristig zu ersetzen (Substitution).

Preissteigerung

Weitere Preissteigerungen für einzelne Rohstoffe – insbesondere für Lithium und Kobalt – sind nicht auszuschließen. Doch werden steigende Rohstoffpreise die Entwicklung der Elektromobilität insgesamt nicht ausbremsen, so die Prognose des Öko-Instituts.

Empfehlungen des Öko-Instituts: Die Batterietechnologie muss aus Kostengesichtspunkten weiter optimiert werden. So wird bei der nächsten Generation Nickel-Mangan-Kobalt-Zellen bereits der Gehalt des relativ teuren Kobalts reduziert sein. Auch zeigt das Beispiel Seltene Erden, dass extremen Preissteigerungen auf verschiedenen Ebenen entgegengewirkt werden kann. Dazu bedarf es technologischer Innovationen ebenso wie den Eintritt neuer Förderländer in den Markt und eine möglichst breite Streuung von rohstofffördernden Unternehmen. Auch der Ausbau der Recyclingstrukturen (s.o.) senkt den Bedarf an Primärrohstoffen und wirkt preisdämpfend.

Negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt

Die Förderung von Rohstoffen für die Elektromobilität ist – wie die Förderung vieler anderer Rohstoffe für andere Verwendungszwecke auch – mit Umwelt- und Sozialproblemen verbunden. Dazu gehören insbesondere ein oft sehr hoher Energiebedarf, das Entstehen saurer Grubenwässer, Wasserkonflikte zwischen Bergbauunternehmen und indigenen Völkern sowie nicht vertretbare Arbeitsbedingungen in Minen. Besonders problematisch dem ist Öko-Institut zufolge zurzeit die Kobaltförderung im Kleinbergbau in der Demokratischen Republik Kongo einzuschätzen.

Empfehlungen des Öko-Instituts: Grundsätzlich gilt es, die Umwelt- und Sozialbedingungen bei der Förderung von Rohstoffen für die Elektromobilität zu verbessern. Dazu gehört eine (globale) Industrieallianz für nachhaltiges Lithium ebenso wie verpflichtende unternehmerische Sorgfaltspflichten (Due Dilligence) für Kobalt. Auch die Stärkung der internationalen Kooperation zum nachhaltigen Bergbau kann dazu beitragen, die langfristige Rohstoffversorgung zu sichern. Nicht zuletzt kann das umfassende Recycling Umwelt- und Sozialprobleme über die gesamte Wertschöpfungskette von Lithium-Ionen-Batterien vermindern.

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