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INDUSTRIE & Batterie-Technologie

opus 1: Von Bio- und Papier-Batterien sowie Neuem aus der Start-up und Prosumer-Szene

19.04.2018 · Franziska Köppe | madiko

Im Zuge der digitalen Transformation kommen wir am Thema Energie und Ressourcen-Effizienz nicht vorbei. Ob Wissensarbeiter oder auch Werker in der Fabrik – wir alle sind in unseren Lebens- und Arbeitswelten auf Energie und Rohstoffe angewiesen. Wollen wir das, was wir durch einen effizienten Einsatz dieser Quellen einsparen, nicht sofort wieder ausgeben, müssen wir uns daher mit regenerativer Energienutzung und Innovationen rund um Werk- und Wirkstoffe beschäftigen.

In diesem Beitrag greife ich ausgewählte Impulse auf, die mir in den letzten Wochen zum Thema Batterie-Technologie in der Community begegnet sind und ich für teilenswert erachte.

Lesezeit ~ 8 min. (inkl. Videos ~ 17,5 min)

Foto: Batterie - Versorgungskonzept
MF3d

Vorbild Natur: Batterie-Technologie abgeschaut vom Zitteraal

Sie leben in schlammigen und sauerstoffarmen Süßgewässern im nördlichen und mittleren Südamerika, im Amazonasbecken, im Stromgebiet des Orinoco und in den damit verbundenen Flusssystemen. Zitteraale sind Neuwelt-Messerfische (Gymnotiformes). Sie können bis zu 2,80 Meter lang und 20 kg schwer werden.

Quelle: Wikipedia Neuwelt-Messerfische

Für Forscher in Sachen Batterie-Technologie sind die nacht- oder dämmerungsaktiven Fische interessant aufgrund ihrer elektrischen Organe. Damit erzeugen sie Stromstöße, die sie sowohl zur Jagd als auch zur Verteidigung einsetzen. Für die Orientierung im trüben Wasser, der Revierabgrenzung und dem Auffinden von Fortpflanzungspartnern gibt der Zitteraal nur schwache elektrische Impulse ab.

Der größte Teil seines Körpers ist mit elektrischen Organen (Elektroplax) besetzt, eigentlich umgebildete Muskeln, die hohe Spannungen freisetzen können. Jedes dieser Organe besteht aus einer großen Zahl stromerzeugender Elemente, von denen jedes nur eine geringe Spannung erzeugt. Diese sind wie in einer Batterie angeordnet, in der die Platten in Serie bzw. Reihe geschaltet werden, wodurch Zitteraale mit etwa 5.000 bis 6.000 Elektrozyten gemeinsam aktiv Strom-Impulse produzieren können.

Quelle: Wikipedia Zitteraal

Jeder Elektrozyt wird vom Nervensystem des Zitteraals kontrolliert und erzeugt eine schwache Spannung, indem er Natriumionen in die Zelle und Kaliumionen aus der Zelle strömen lässt. Je höher die Zahl der in Reihen angeordneten Zellen, umso höher die elektrische Spannung. So kann der Zitteraal bis zu 600 Volt erzeugen.

Quelle: Batterie nach dem Zitteraal-Prinzip via Medizin+Elektronik

Auf diesem Prinzip bauen die Forscher vom Adolphe Merkle Institut der Universität Freiburg (Schweiz) in Zusammenarbeit mit der University of Michigan und der University of San Diego, Kalifornien (beide USA) auf. Gemeinsam konzipierten sie eine Energiequelle aus individuellen Kammern geringer Kapazität.

Die Energie entsteht aus zwei Salzwasserlösungen, einer mit mehr und einer mit weniger Salz. Diese Lösungen sind in Kapseln abgefüllt, die durch teildurchlässige Membranen voneinander abgetrennt sind. Da diese Membran für einen Teil der Ionen besser passierbar ist, verschiebt sich die elektromagnetische Ladung, wodurch Spannung entsteht.

Um die Kapseln mit der Salzlösung perfekt auszurichten, setzen die Forscher sie mittels eines 3D-Druckers auf transparenten Plastikfolien. Diese Folien werden schliesslich wie ein Origami gefaltet, sodass die Kapseln mit der Lösung am idealen Ort zu liegen kommen.

Beim Zitteraal löst das Nervensystem den stromerzeugenden Prozess aus. Die Wissenschaftler lösen diese Aufgabe effizienter, indem sie alle gedruckten Zellen gleichzeitig miteinander in Kontakt bringen. Dazu wird die gedruckte Folie mittels einer Technik gefaltet, die ursprünglich für die Stationierung von Solarmodulen im All entwickelt wurde.

Quelle: Batterie nach dem Zitteraal-Prinzip via Medizin+Elektronik

Werden diese Kammern und Membranen in hundertfachen Wiederholungssequenzen angeordnet, lässt sich allein mit Salz und Wasser eine Spannung von bis zu 110 Volt erzeugen.

So schön sich das bis hierher anhört, die Sache hat einen entscheidenden Haken – bisher ist es den Forschern noch nicht gelungen, die Batterien wieder aufzuladen. Die Hoffnung jedoch ist, dass mithilfe von biokompatiblem Polyacrylamid Systeme gebaut werden können, die eines Tages als ungiftige Batterien arbeiten und sich über den menschlichen Stoffwechsel wieder aufladen lassen. Diese Bio-Batterien könnten dann Herzschrittmacher antreiben oder für Prothesen und Implantate verwenden werden.

Papierbatterie ohne toxische Metalle

So nützlich Energiespeicher im Alltag sind – ihr größter Nachteil ist das aufwändige Recycling. Für elektrische Geräte mit wenig Strombedarf hat Fuelium aus Barcelona (Spanien) nun eine pfiffige Lösung entwickelt. Ihr Produkt besteht aus Papier, Kohlenstoff und nicht-toxischen Metallen. Insbesondere für Einmal-Anwendungen im Gesundheitsbereich (z. B. in-vitro-Diagnosegeräte) sind die Papierbatterien geeignet. Die Batterie generiert die benötigte Energie und kann mit dem Gerät zusammen – im Zweifel also mit dem normalen Papiermüll – entsorgt werden.

Die Batterien können je nach Anwendungsgebiet auf einen Outout zwischen einem und sechs Volt sowie zwischen einem und 100 Milliwatt konfiguriert werden. Sie sind ausgesprochen kosteneffektiv und können schnell in jedes Gerätedesign integriert werden. Aktiviert werden sie durch Kontakt mit Körperflüssigkeiten. Sie könnten etwa bei der Diagnose von Infektionskrankheiten oder in der Tiermedizin zum Einsatz kommen. Batterien dieser Art werden auch in modernen Glucose-Testgeräten benötigt.

Quelle: Die Batterie der Zukunft ist aus Papier Sven Heidorn via TrendsDerZukunft.de


Ein Aspekt, der mich unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit am derzeitigen Produkt-Angebot nervt, ist die künstliche Verkürzung der Lebensdauer des Gesamtproduktes durch fest verbaute Einzelteile. So werden bisher für alle Anwendungen Speichersysteme eigens entwickelt. Um einen stetigen Bedarf zu gewährleisten und damit das Kaufinteresse seitens der Abnehmer hoch zu halten, werden die Speicher zumeist fest im System verklebt.

Ein Austausch ist aufgrund fehlender Standardisierung und Modularisierung nicht möglich – zumindest nicht auf die Schnelle im Sinne des Nutzers und der Gesellschaft als Ganzes. So war das bisher. Philipp Rosengarten und Peter Marchl, beide Geschäftsführer des Berliner Start-ups Clean Energy Global GmbH, nehmen sich mit ihrem Team dieser gesellschaftlichen Herausforderung an.

Batterie-Systeme aufbauen und Batterien tauschen so einfach wie Lego

Das von Clean Energy Global GmbH entwickelte und patentierte cleanenergypack (cep) ist ein kompakter, tragbarer Batteriespeicher mit intelligentem Frontend. ceps sind gleichermaßen geeignet für den stationären Einsatz in privaten wie gewerblichen Anlagen sowie den mobilen Betrieb. Sie sind erweiterbar von der Einzelanwendung bis zur Großanlage.

cleanenergypack ist ein modular skalierbares, wechselbares und smartes Batteriesystem […]. Es kann für Solarspeicher, Microgrids, Industriespeicher, Anlagen, mobile Maschinen, Busse, Transporter, E-Autos, elektrische Fluggeräte usw. eingesetzt werden.

Christoph Stürmer

Co-Founder von Clean Energy Global GmbH

Über eine B2B-Lizenzierung und / oder den Verkauf von cleanenergypacks ermöglichen sie Anlagenbauern, Energieversorgern, Tankstellenbetreibern, Automobil- oder Elektronik-Herstellern einen offenen, innovativen Standard. Und damit den Geschäftskunden eine Anpassung ihres Geschäftsmodells auf die Energiewende.

Ergänzt wird ihr Angebot durch ihr selbst betriebenes cep-net. Das Smart Grid Ökosystem überwacht weltweit 24/7 alle Betriebsdaten und basiert auf einer BlockChain. Die Berliner eröffnen damit die Chance für ein echtes “Internet of Energy”:

Erstens werden die Kosten durch Reduktion des kombinierten Batteriebedarfs um bis zu zwei Drittel durch Shared Economy-Prinzipien verringert. Zweitens wird die Realisierung von stationären und mobilen Anwendungen von 2 kWh bis über 1.000 kWh möglich und durch Plug & Play einfach zu handhaben. Ladezeiten von Elektro-Fahrzeugen können bei Austausch von cleanenergypacks auf unter 1 Minute reduziert werden. Zudem kann durch ceps bei stationärer Verwendung und während der Ladevorgänge das Stromnetz stabilisiert werden.

Christoph Stürmer

Co-Founder von Clean Energy Global GmbH

Ein cleanenergypack von 5 kWh ist mit 45 × 37 × 10 cm kompakt und mit 48V Nennspannung von jedermann zu handhaben. Durch die flexible, patentierte Elektro-, Luft – und /oder Kontakttemperierung wird der schnelle Batterietausch technisch ermöglicht und Systemgewicht gespart. Ebenso wird ein einfacher Plug & Play Standard realisiert, um stationäre Anwendungen einfach und schnell zu skalieren, und um in mobilen Anwendungen eine schnelle und sichere Ladung durch Austausch von Batteriepaketen zu ermöglichen.

Mit 48 Volt für jedes individuelle cep werden erst bei Verschaltung in der Applikation bis zu 400/800 V realisiert: Hochvolttechniker sind für Wechsel nicht notwendig – trotzdem ist Schnellladung mit höchster Leistung jederzeit möglich.

Die ceps bilden ein integriertes Smart-Grid mit fälschungssicherer Blockchain-Technologie für Erfassung, Steuerung und Abrechnung über das cep-net.

Christoph Stürmer

Co-Founder von Clean Energy Global GmbH

Das im Oktober 2016 gegründete Start-up plant noch 2018 die ersten Produkte auf den Markt zu bringen. Aktuell sind sie in der Seed-Phase für’s Crowdfinancing. Zudem suchen sie Partner für die Entwicklung von Business Cases. Sie interessieren sich zum Einen für die Nutzung von verbrauchernahen Batteriespeichern auf Basis ihrer modularen, skalierbaren Batterie-Technologie. Zum Zweiten sind Anwendungen im Bereich einer Blockchain-basierten Steuerung und Messung relevant.

Wer mehr über Clean Energy Global GmbH erfahren möchte, dem sei das Gespräch mit Christoph Stürmer via Energieloft empfohlen.

Weitere News der Batterie-Technologie-Start-up-Szene

Die Plattform Energieloft fungiert als Ecosystem zur Beschleunigung von Innovationen in den Branchen Energie, Mobilität und Smart City. Hier finden sich weitere interessante Interviews mit Gründern in Sachen Batterie-Technologie, zum Beispiel:

Während viele Batterien als den heiligen Gral der Energiewende sehen, bestehen vielversprechende technologische Alternativen im Bereich der chemischen Speicherung. Gerade Wasserstoff hat das Potenzial, überschüssige Energie über einen langen Zeitraum und ohne dabei die Stromnetze zu belasten zu speichern und anschließend in verschiedensten Anwendungen im Bereich dezentraler Energieversorgung, Mobilität oder Industrie zur Verfügung zu stellen. Die große Herausforderung bei der Nutzung von Wasserstoff ist, dass dieser nur bei extrem hohem Druck oder niedrigen Temperaturen platzsparend gespeichert werden kann. Diese Verfahren bergen sowohl Risiken als auch verursachen sie hohe Kosten.

Florian Feuer

Energieloft von Innoloft GmbH

Hydrogenious Technologies – Wasserstoff sicher und günstig speichern

Im Gespräch mit Dr. Cornelius von der Heydt, Leiter Geschäftsentwicklung & Vertrieb der Hydrogenious Technologies GmbH, erörtert Florian von Energieloft die Vorteile, Wasserstoff chemisch an ein sicheres und schwer entflammbares Trägeröl zu binden, um es bei Bedarf im industriellen Einsatz wieder freisetzen zu können.

Die Notwendigkeit sicherer, effizienter und skalierbarer Wasserstoffspeicher als multi-MWh Energiespeichersysteme wurde immer klarer – und flüssige organische Wasserstoffträgermaterialien (Liquid Organic Hydrogen Carriers – LOHC) stellten sich als die ideale Lösung heraus. Nach erfolgreicher Demonstration der technischen Machbarkeit in den Laboren der Universität, wurde aus der Idee Realität und Hydrogenious Technologies, ein weltweiter Pionier der LOHC basierten Energiespeicherung, wurde als Firma ins Leben gerufen.

Hydrogenious Technologies GmbH

Schwungradspeicher von Gerotor AG

Um Industrie-Anlagen energie-effizienter zu betreiben, nutzen wiederum die Gründer des CleanTech-Unternehmens Gerotor innovative elektromechanische Schwungradspeicher. Der Gerotor HPS speichert Energie kinetisch in Form einer rotierenden Masse und nutzt die Trägheit der Rotationsmasse zum Speichern oder Erzeugen von Energie.

Die meisten unserer Alltagsprodukte und alle industriellen Güter werden durch Anlagen produziert, die viel Energie verbrauchen und damit die Umwelt belasten. Eine Verbrauchsreduzierung bei produzierenden Prozessen hilft unseren Planeten nachhaltiger zu gestalten. Daher ist eine der wichtigsten Aufgaben für das 21. Jahrhundert die Speicherung und verbrauchsgerechte Bereitstellung von Energie. Die Neuordnung der Energieversorgung, weg von umweltschädlicher Stromversorgung, hin zu erneuerbaren Energiequellen wird nur mit viel Engagement aus der Wirtschaft erreicht.

Wir leisten einen echten Beitrag zum Umweltschutz. Das kann folgendermaßen aussehen:
(1) Durch unser aktives Energie-Management reduzieren wir den Stromverbrauch bei einer CNC-Maschine im Dreischichtbetrieb um ca. 20 % (Rekuperation). Das führt zu geringeren Energiekosten und einer CO2-Einsparung von ca. 11 Tonnen p.a bei einer einzelnen Anlage.
(2) Zusätzlich wird genug kurzfristiger Notstrom für 97 % aller Stromausfälle (dauern ca. 2-5 sec) gespeichert. Dadurch ist es möglich, teure Regelleistung oder schmutzige Dieselgeneratoren herunterzufahren. Wir setzten dort an, wo 42 % des Stromverbrauchs entstehen – bei der Industrie.

Dominik Weigl

Mitglied der Geschäftsführung Gerotor AG

Schwungmassenspeicher von Adaptive Balancing Power

Einen ähnlichen Ansatz jedoch zur dynamischen Stabilisierung von Stromnetzen verfolgt das Darmstädter Gründer-Team von Adaptive Balancing Power. Sie setzen berührungsfreie Magnetlager in einer Hochvakuum-Umgebung ein. Hierdurch kann der Speicher beliebig oft ge- und entladen werden. Ohne Verschleiß sinkt der Wartungsbedarf.

Der kinetische Schwungmassespeicher von Adaptive Balancing Power reagiert innerhalb von Millisekunden auf Schwankungen der Netzfrequenz. Ist zu viel Strom im Netz wird der Speicher geladen, bei zu wenig Strom wird ausgespeichert. Dieses Prinzip funktioniert rund fünf Minuten lang und kann so helfen, Stromnetze zu stabilisieren. Ein eindeutiger Vorteil des Schwungmassespeichers ist seine extrem hohe Speicher-Geschwindigkeit.

Eine innovative Entwicklung: Der Schwungmasse-Speicher von Adaptive Balancing Power. Bild: copy ENTEGA

Eine innovative Entwicklung: Der Schwungmasse-Speicher von Adaptive Balancing Power
[ 2017-07-14 ENTEGA ]

Außerdem setzen die Jungunternehmer auf eine hocheffiziente Motor-Generator-Einheit. Über die aktuelle Drehzahl des integrierten Kohlefaser-Rotors kann zu jedem Zeitpunkt der exakte Ladezustand abgerufen werden.

Die Nutzer des Systems können sich beim Geschäftsmodell von Adaptive Balancing Power entscheiden: Kaufen oder Pay-Per-Use für die Bereitstellung von Regelleistung.

Foto: K.-W. Wessolek / Wirtschaftsbetriebe Borkum

Borkum – Pilotinsel für intelligente Energiespeicher

Bleiben wir noch einmal bei Großanlagen zur Energieversorgung. Auf Borkum testen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gemeinsam mit Partnern einen hybriden Energiespeicher, der aus einer Lithium-Ionen-Batterie und einem Superkondensator für kurzzeitige Leistungsanforderungen besteht.

Im Rahmen des EU-Projekts NETfficient wird das Stromverteilnetz mit einem hohen Anteil an erneuerbaren Energien und diversen Speichertechnologien ausgestattet. Unter realen Bedingungen werden die im Projekt entwickelten Lösungen für Energie-Autonomie getestet. Das Ziel: Sie später auf andere Regionen zu übertragen.

Die räumlich verteilten Speicher und Erzeuger werden in ein Smart Grid eingebunden und von einem intelligenten Energie- und Netz-Management-System gesteuert. 40 Heim-Speicher, fünf Gewerbespeicher, ein thermischer Speicher sowie ein hybrider Energiespeicher sind in das Mittelspannungsnetz integriert.

. Bild: copy NETfficient


[ 2017 NETfficient ]

Dr. Olivier Stalter / Fraunhofer ISE

Neben der 500 kWh Lithium-Ionen-Batterie ist eine der wichtigsten Komponenten im System der am Fraunhofer ISE entwickelte Batteriewechselrichter. Dieser hat eine Gesamtleistung von 1 Megawatt und besteht aus hochkompakten und besonders dynamischen Untereinheiten mit einer Leistung von je 125 kW. Dadurch lassen sich alle beliebigen Systemgrößen bis in den Multi-Megawatt-Bereich realisieren.

Dr. Olivier Stalter

Fraunhofer ISE

Dr. Olivier Stalter ist Leiter des Geschäftsbereichs Leistungselektronik, Netze und intelligente Systeme am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.

Weiterlesen: Fraunhofer ISE testet neuartiges hybrides Energiespeichersystem auf Borkum

Der Test dieser besonderen Energiespeicher ist jedoch nur ein interessanter Aspekt – mehr für die technik-affinen unter uns. Die Besonderheit des Borkumer Projektes liegt meines Erachtens im Grundkonzept: Die Nordsee-Insel ist Testfeld für energieautarke Prosumer, die produzieren und zugleich verbrauchen. Forscher aus sieben EU-Ländern engagieren sich. Das 2015 gestartete Projekt “NETfficient” läuft über 4 Jahre und wird im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert.

Alles in Allem stimmen mich diese ausgewählten Fallbeispiele zuversichtlich und ich bin sehr neugierig, was die Teilgeber zum INDUSTRIEcamp zum Thema mit- und einbringen werden. In diesem Sinne:

Bleib neugierig,

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